JPWO2016199723A1 - 固体電解質組成物、全固体二次電池用電極シートおよび全固体二次電池ならびに全固体二次電池用電極シートおよび全固体二次電池の製造方法 - Google Patents
固体電解質組成物、全固体二次電池用電極シートおよび全固体二次電池ならびに全固体二次電池用電極シートおよび全固体二次電池の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
全固体二次電池のさらなる利点としては、電極のスタックによる高エネルギー密度化に適していることが挙げられる。具体的には、電極と電解質を直接並べて直列化した構造を持つ電池にすることができる。このとき、電池セルを封止する金属パッケージ、電池セルをつなぐ銅線やバスバーを省略することができるため、電池のエネルギー密度が大幅に高められる。また、高電位化が可能な正極材料との相性の良さなども利点として挙げられる。
すなわち、無機固体電解質を使用する場合、液体電解質とは異なり、粒子同士の界面が生じるため界面の伝導において非効率な部分が存在している。
本発明はこれらの知見に基づきなされたものである。
すなわち、上記の課題は以下の手段により解決された。
(2)シロキサン化合物が、下記一般式(S)で表される部分構造を含むシロキサン化合物である(1)に記載の固体電解質組成物。
(3)シロキサン化合物が、質量平均分子量が500以上10,000以下のシロキサンオリゴマーである(1)または(2)に記載の固体電解質組成物。
(4)ケイ素原子に結合する−O−L1−R2が、下記一般式(1s)で表される基である(2)に記載の固体電解質組成物。
(5)一般式(1s)で表される基のモル分率が5mol%以上である(4)に記載の固体電解質組成物。
(6)固体電解質組成物中の固形成分において、無機固体電解質100質量部に対して、シロキサン化合物を0.1〜20質量部含有する(1)〜(5)のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
(7)無機固体電解質が、下記式のいずれかで表される化合物から選ばれる(1)〜(6)のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
0.3≦xa≦0.7、0.3≦ya≦0.7
・LixbLaybZrzbMbb mbOnb
5≦xb≦10、1≦yb≦4、1≦zb≦4、0≦mb≦2、5≦nb≦20
Mbbは、Al、Mg、Ca、Sr、V、Nb、Ta、Ti、Ge、
InおよびSnからなる群から選択される少なくとも1種
・Li3.5Zn0.25GeO4
・LiTi2P3O12
・Li(1+xh+yh)(Al,Ga)xh(Ti,Ge)(2−xh)SiyhP(3−yh)O12
0≦xh≦1、0≦yh≦1
・Li3PO4
・LiPON
・LiPOD1
D1は、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、
Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Ptおよび
Auからなる群から選択される少なくとも1種
・LiA1ON
A1は、Si、B、Ge、Al、CおよびGaから
なる群から選択される少なくとも1種
・LixcBycMcc zcOnc
0<xc≦5、0<yc≦1、0≦zc≦1、0<nc≦6
MccはC、S、Al、Si、Ga、Ge、InおよびSnから
なる群から選択される少なくとも1種
・Li(3−2xe)Mee xeDeeO
0≦xe≦0.1
Meeは2価の金属原子、Deeはハロゲン原子または2種以上
のハロゲン原子の組み合わせ
・LixfSiyfOzf
1≦xf≦5、0<yf≦3、1≦zf≦10
・LixgSygOzg
1≦xg≦3、0<yg≦2、1≦zg≦10
(9)周期律表第1族または第2族に属する金属イオンの塩が、リチウム塩である(1)〜(8)のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
(10)バインダーを含む(1)〜(9)のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
(11)バインダーが、炭化水素樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂またはポリウレタン樹脂である(10)に記載の固体電解質組成物。
(12) (1)〜(11)のいずれか1つに記載の固体電解質組成物を金属箔上に適用し、製膜する全固体二次電池用電極シートの製造方法。
(13)正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層をこの順に有する全固体二次電池用電極シートであって、
正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層のいずれか1層が、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質、分岐状にシロキサン結合を有するシロキサン化合物および周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩をそれぞれ含有する全固体二次電池用電極シート。
(14) (13)に記載の全固体二次電池用電極シートを用いて構成される全固体二次電池。
(15) (12)に記載の製造方法を介して、正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層をこの順に有する全固体二次電池を製造する全固体二次電池の製造方法。
本明細書において、特定の符号で表示された置換基が複数存在するとき、あるいは複数の置換基等(置換基数の規定も同様)を同時もしくは択一的に規定するときには、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよい。また、複数の置換基等が近接するときにはそれらが互いに結合したり縮合したりして環を形成していてもよい。なお、単に置換基と記載されている場合、これらの具体的な置換基は、置換基Tが参照され、特段に断りがない限り、置換してもよいなどの「置換」は、置換基Tの置換基が参照される。
本明細書において、単に「アクリル」と記載するときは、アクリルおよびメタクリルの両方を含む意味で使用する。なお、(メタ)アクリルなどの「(メタ)」は、アクリルおよびメタクリルの両方を含む意味で使用し、アクリル、メタクリルのいずれか一方であっても、これらの混合であっても構わない。
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、適宜添付の図面を参照して、下記の記載からより明らかになるであろう。
図1は、本発明の好ましい実施形態に係る全固体二次電池(リチウムイオン二次電池)を模式化して示す断面図である。本実施形態の全固体二次電池10は、負極側からみて、負極集電体1、負極活物質層2、固体電解質層3、正極活物質層4、正極集電体5を、この順に有する。各層はそれぞれ接触しており、積層した構造をとっている。このような構造を採用することで、充電時には、負極側に電子(e−)が供給され、そこにリチウムイオン(Li+)が蓄積される。一方、放電時には、負極に蓄積されたリチウムイオン(Li+)が正極側に戻され、作動部位6に電子が供給される。図示した例では、作動部位6に電球を採用しており、放電によりこれが点灯するようにされている。本発明の固体電解質組成物は、上記負極活物質層、正極活物質層、固体電解質層の成形材料として好ましく用いることができる。
以下、本発明の固体電解質組成物の含有成分を説明する。本発明の固体電解質組成物は、本発明の全固体二次電池を構成する正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層の成形材料として好ましく適用される。
本発明の固体電解質組成物は、分岐状にシロキサン結合を有するシロキサン化合物を含有する。
分岐状にシロキサン結合を有するシロキサン化合物とは、同一ケイ素原子に結合する基の少なくとも3つが、いずれも、少なくとも1つのシロキサン結合(Si−O)を有する化合物を意味する。なお、例えば、テトラエトキシシランは、ケイ素原子に結合する基はいずれもエトキシ基であって、エトキシ基はシロキサン結合を有さないため、本発明のシロキサン化合物ではない。
本発明では、オリゴマーは、スチレン換算の質量平均分子量が、10,000以下のものも包含する。
好ましくは、アルキル基(炭素数は1〜20が好ましく、1〜10がより好ましい)、アルケニル基(炭素数は2〜20が好ましく、2〜10がより好ましい)、アルキニル基(炭素数は2〜20が好ましく、2〜10がより好ましい)、シクロアルキル基(炭素数は3〜20が好ましく、5〜10がより好ましい)、シクロアルケニル基(炭素数は5〜20が好ましく、5〜10がより好ましい)、アリール基(炭素数は6〜20が好ましく、6〜10がより好ましい)が好ましい。
また、炭化水素基に置換してもよい置換基は、アルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、メルカプト基、アミノ基、シアノ基、イソシアネート基(−N=C=O)が好ましい。なお、アルキル基はハロゲン原子が置換したハロゲン化アルキル基も好ましい。
このような置換基としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、ハロゲン原子、ヒドロキシ基が好ましく、このアルキル基は、ハロゲン原子が置換したハロゲン化アルキル基も好ましい。
RMS2〜RMS4におけるハロゲン原子は、一般式(S)におけるハロゲン原子と同義であり、好ましい範囲も同じである。
ここで、一般式(HA)で表される化合物は、一般式(MS)で表される化合物のいずれかの−ORMSとのエステル交換により、一般式(HA)の−CO2R21(この場合、R21は水素原子)がエステル化され、R21が一般式(MS)で表される化合物のいずれかのRMSに変換されたエステル体となる。これに続いて、一般式(MS)で表される化合物から得られたオリゴマーに残存する−ORMSのいずれか1つと反応し、オリゴマーに−O−L21−CO2R21が導入される。この際、他のヒドロキシ化合物を共存させると、オリゴマーに残存する−ORMSのいずれか1つと反応し、ヒドロキシ化合物をもオリゴマーに組込むことができる。
ここで、一般式(MS)で表される化合物は、RMS1が水素原子または炭化水素基(以下、RMS00と記す)で、RMS2〜RMS4が−O−RMSで、かつRMSが炭化水素基(以下、RMS0と記す)である一般式(MS−1)で示し、一般式(HA)で表される化合物は、R21が水素原子である一般式(HA−1)で示す。HO−Rrは共存する他のヒドロキシ化合物であり、Rrは炭化水素基である。
本発明では、このような共重合オリゴマーであるよりも、一般式(MS)で表される化合物のみを使用することが好ましい。
また、一般式(MX)で表される化合物を使用する場合も2種以上使用しても構わない。
なお、質量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって標準ポリスチレン換算したものであり、具体的には、実施例に記載した方法で測定する。
一般式(1s)で表される基のモル分率は、5mol%以上60mol%以下がより好ましく、10mol%以上50mol%以下がさらに好ましく、20mol%以上40mol%以下が特に好ましい。
一般式(1s)で表される基のモル分率を上記の好ましい範囲にすることで、低粘度となり高イオン伝導度を発現することができる。
なお、一般式(1s)で表される基のモル分率は、シロキサンオリゴマーの合成において、一般式(HA)で表される化合物の混合量を調節したり、反応温度を調節することで調節できる。
一般式(1s)で表される基のモル分率は、1H−NMRから求めることができる。
アルキル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t−ブチル、ペンチル、ヘプチル、1−エチルペンチル、ベンジル、2−エトキシエチル、1−カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素原子数3〜20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4−メチルシクロヘキシル等)、アリール基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリール基、例えば、フェニル、1−ナフチル、4−メトキシフェニル、2−クロロフェニル、3−メチルフェニル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素原子数2〜20のヘテロ環基、好ましくは、少なくとも1つの酸素原子、硫黄原子、窒素原子を有する5または6員環のヘテロ環基が好ましく、例えば、テトラヒドロピラン、テトラヒドロフラン、2−ピリジル、4−ピリジル、2−イミダゾリル、2−ベンゾイミダゾリル、2−チアゾリル、2−オキサゾリル等)、
また、これらの置換基Tで挙げた各基は、上記の置換基Tがさらに置換していてもよい。
本発明の固体電解質組成物は、本発明に用いられるシロキサン化合物とともに、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩を含有する。
本発明では、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩は、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質とは異なるものである。
すなわち、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩は、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンと無機もしくは有機のイオンからなる塩であり、これらのイオンは、本発明に用いられるシロキサン化合物中でカチオンおよびアニオンに解離または遊離している。
一方、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩は、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの無機塩でも有機塩でも構わないが、有機塩が好ましい。
具体的には、以下に記載するリチウム塩で例示する無機塩または有機塩が挙げられる。
本発明で使用する周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩は、なかでも、本発明に用いられるシロキサン化合物に溶解する周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩が好ましい。
本発明では、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩はリチウム塩が好ましい。
リチウム塩としては、通常この種の製品に用いられるリチウム塩が好ましく、特に制限はなく、例えば、以下に述べるものが好ましい。
LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6等の無機フッ化物塩;LiClO4、LiBrO4、LiIO4等の過ハロゲン酸塩;LiAlCl4等の無機塩化物塩等
LiCF3SO3等のパーフルオロアルカンスルホン酸塩;LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)等のパーフルオロアルカンスルホニルイミド塩;LiC(CF3SO2)3等のパーフルオロアルカンスルホニルメチド塩;Li[PF5(CF2CF2CF3)]、Li[PF4(CF2CF2CF3)2]、Li[PF3(CF2CF2CF3)3]、Li[PF5(CF2CF2CF2CF3)]、Li[PF4(CF2CF2CF2CF3)2]、Li[PF3(CF2CF2CF2CF3)3]等のフルオロアルキルフッ化リン酸塩等
リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート等
なお、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩(好ましくはリチウム塩)は、1種を単独で使用しても、2種以上を任意に組み合わせてもよい。
配合量を上記の好ましい範囲にすることで、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩(好ましくはLi塩)の濃度と粘度が適切になりイオン伝導度を高くすることができる。
本発明の固体電解質組成物は、本発明に用いられるシロキサン化合物と周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩とともに、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質を含有する。
硫化物系無機固体電解質は、硫黄(S)を含有し、かつ、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。硫化物系無機固体電解質は、元素として少なくともLi、SおよびPを含有し、リチウムイオン伝導性を有しているものが好ましいが、目的または場合に応じて、Li、SおよびP以外の他の元素を含んでもよい。
例えば下記式(1)で示される組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質が挙げられる。
La1Mb1Pc1Sd1Ae1 (1)
(式中、LはLi、NaおよびKから選択される元素を示し、Liが好ましい。Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。Aは、I、Br、Cl、Fを示す。a1〜e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1〜12:0〜5:1:2〜12:0〜10を満たす。a1はさらに、1〜9が好ましく、1.5〜7.5がより好ましい。b1は0〜3が好ましい。d1はさらに、2.5〜10が好ましく、3.0〜8.5がより好ましい。e1はさらに、0〜5が好ましく、0〜3がより好ましい。)
硫化物系無機固体電解質は、例えば硫化リチウム(Li2S)、硫化リン(例えば五硫化二燐(P2S5))、単体燐、単体硫黄、硫化ナトリウム、硫化水素、ハロゲン化リチウム(例えばLiI、LiBr、LiCl)及び前記Mであらわされる元素の硫化物(例えばSiS2、SnS、GeS2)の中の少なくとも2つ以上の原料の反応により製造することができる。
酸化物系無機固体電解質は、酸素(O)を含有し、かつ、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。
また、上記に次いで、一般式(SE)で示される組成を満たすリチウムイオン伝導性無機固体電解質が好ましい。
上記無機固体電解質は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明では周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩が均一に分散(好ましくは溶解)されたシロキサン化合物を用いてこの空隙を埋めることで、固体微粒子間、固体微粒子と集電体間等における界面抵抗を低下させることが可能となる。これによって、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオン伝導度が向上するものと推定される。この空隙を埋めるために必要なシロキサン化合物の量は、少量であり、しかも空隙も含めた微粒子の集合全体を包み込むことができる。
一方、無機固体電解質100質量部に対しては、0.1質量部以上60質量部以下が好ましく、0.1質量部以上30質量部以下がより好ましく、0.1質量部以上20質量部以下がさらに好ましく、0.5質量部以上10質量部以下が特に好ましく、2〜10質量部が最も好ましい。
なお、体積の関係では、無機機固体電解質100容量に対して0.1容量以上90容量以下が好ましく、0.1容量以上70容量以下がより好ましく、0.1容量以上50容量以下がさらに好ましく、1容量以上30容量以下がさらに好ましく、4容量以上30容量以下が最も好ましい。ここでは、容量は、例えば、cm3の単位である。
本発明の固体電解質組成物は、バインダーを含有することが好ましい。
バインダーは、上記のシロキサン化合物以外のものが好ましく、シロキサンオリゴマー以外の有機ポリマーであれば特に限定されない。
本発明に用いることができるバインダーは、通常、電池材料の正極または負極用結着剤として用いられるバインダーが好ましい。
本発明では、炭化水素樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂またはポリウレタン樹脂が好ましい。またバインダーは粒子状であることが好ましい。
またそのほかのビニル系モノマーとの共重合体も好適に用いられる。例えばポリ(メタ)アクリル酸メチルーポリスチレン共重合体、ポリ(メタ)アクリル酸メチルーアクリロニトリル共重合体、ポリ(メタ)アクリル酸ブチルーアクリロニトリル-スチレン共重合体が挙げられる。
好ましい例としては、特開2015−088486号公報の段落番号0029〜0073に記載のバインダーが挙げられる。
本発明では、バインダーの質量に対する、無機固体電解質と必要により含有させる電極活物質の合計質量(総量)の質量比[(無機固体電解質の質量+電極活物質の質量)/バインダーの質量]は、1,000〜1の範囲が好ましい。この比率はさらに500〜2がより好ましく、100〜10がさらに好ましい。
次に、本発明の固体電解質組成物に用いることができる導電助剤について説明する。
本発明では、一般的な導電助剤として知られているものを用いることができる。例えば、電子伝導性材料である、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック類、ニードルコークスなどの無定形炭素、気相成長炭素繊維やカーボンナノチューブなどの炭素繊維類、グラフェンやフラーレンなどの炭素質材料であっても良いし、銅、ニッケルなどの金属粉、金属繊維でも良く、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン誘導体など導電性高分子を用いてもよい。またこれらの内1種を用いてもよいし、2種以上を用いてもよい。
次に、本発明の全固体二次電池の正極活物質層を形成するための固体電解質組成物(以下、正極用組成物とも称す。)に用いられる正極活物質について説明する。
正極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入および放出できるものが好ましい。その材料は、特に制限はなく、遷移金属酸化物や、硫黄などのLiと複合化できる元素などでもよい。中でも、遷移金属酸化物を用いることが好ましく、遷移金属元素としてCo、Ni、Fe、Mn、CuおよびVから選択される1種以上の元素を有することがより好ましい。
遷移金属酸化物の具体例としては、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物、(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物、(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物等が挙げられる。
(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8、Li2NiMn3O8が挙げられる。
(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7等のピロリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類、Li3V2(PO4)3(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、Li2FePO4F等のフッ化リン酸鉄塩、Li2MnPO4F等のフッ化リン酸マンガン塩、Li2CoPO4F等のフッ化リン酸コバルト類が挙げられる。
(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2CoSiO4等が挙げられる。
次に、本発明の全固体二次電池の正極活物質層を形成するための固体電解質組成物(以下、負極用組成物とも称す。)に用いられる負極活物質について説明する。負極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入および放出できるものが好ましい。その材料は、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、及び、SnやSi、In等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。なかでも炭素質材料又はリチウム複合酸化物が信頼性の点から好ましく用いられる。また、金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵、放出可能であることが好ましい。その材料は、特には制限されないが、構成成分としてチタン及び/又はリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
本発明の固体電解質組成物は、好ましくは分散媒体を含有する。分散媒体としては、上記の各成分を分散させるものであればよく、具体例としては、例えば、下記のものが挙げられる。
上記好ましい範囲内にあることで、全固体二次電池の作製において、自己組織化ナノファイバーの構造を維持したまま分散媒体を乾燥することができる。なお、乾燥温度以上の沸点である分散媒体を用いる場合でも、揮発性を有しており、自己組織化ナノファイバーの構造を維持することができればよい。
上記分散媒体は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
正極および負極の集電体は、電子伝導体が好ましい。正極の集電体は、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、チタンなどの他にアルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、その中でも、アルミニウム、アルミニウム合金がより好ましい。負極の集電体は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル、チタンが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金がより好ましい。
集電体の厚みは、特に限定されないが、1μm〜500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
全固体二次電池の作製は常法によればよい。具体的には、本発明の固体電解質組成物を集電体となる金属箔上に塗布し、塗膜を形成した全固体二次電池用電極シートにする方法が挙げられる。
本発明の全固体二次電池において、電極層は活物質を含有する。イオン伝導性を向上させる観点から、電極層は上記無機固体電解質を含有することが好ましい。また、固体粒子間、電極層−固体電解質層間および電極層−集電体間等の結着性向上の観点から、電極層はバインダーを含有することも好ましい。
なお、固体電解質層は、本発明の固体電解質組成物で形成する。
本発明の全固体二次電池は種々の用途に適用することができる。適用態様には特に限定はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
〔1〕周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの挿入放出が可能な活物質を含んでいる固体電解質組成物(正極または負極の電極用組成物)。
〔2〕正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層をこの順に有する全固体二次電池用電極シートであって、
正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層が、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質、分岐状にシロキサン結合を有するシロキサン化合物および周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩を含有する全固体二次電池用電極シート。
〔3〕上記全固体二次電池用電極シートを用いて構成される全固体二次電池。
〔4〕上記固体電解質組成物を金属箔上に適用し、製膜する全固体二次電池用電極シートの製造方法。
〔5〕上記全固体二次電池用電極シートの製造方法を介して、全固体二次電池を製造する全固体二次電池の製造方法。
無機固体電解質とは、上述した高分子化合物をイオン伝導媒体とする電解質(高分子電解質)とは区別されるものであり、無機化合物がイオン伝導媒体となるものである。具体例としては、上記のLi−P−S系ガラス、LLTやLLZが挙げられる。無機固体電解質は、それ自体が陽イオン(Liイオン)を放出するものではなく、イオンの輸送機能を示すものである。これに対して、電解液ないし固体電解質層に添加して陽イオン(Liイオン)を放出するイオンの供給源となる材料を電解質と呼ぶことがある。上記のイオン輸送材料としての電解質と区別する際には、これを「電解質塩」または「支持電解質」と呼ぶ。電解質塩としては、例えばLiTFSIが挙げられる。
本発明において「組成物」というときには、2種以上の成分が均一に混合された混合物を意味する。ただし、実質的に均一性が維持されていればよく、所望の効果を奏する範囲で、一部において凝集や偏在が生じていてもよい。
測定装置および測定条件を以下に示す。
測定装置および測定条件として下記条件2によることを基本とし、試料の溶解性等により条件1とした。ただし、ポリマー種によっては、さらに適宜適切なキャリア(溶離液)およびそれに適合したカラムを選定した。
カラム:TOSOH TSKgel Super AWM−H(商品名、東ソー社製)を2本つなげた。
キャリア:10mMLiBr/N−メチルピロリドン
測定温度:40℃
キャリア流量:1.0ml/min
試料濃度:0.1質量%
検出器:RI(屈折率)検出器
カラム:TOSOH TSKgel Super HZM−H、TOSOH TSKgel Super HZ4000、TOSOH TSKgel Super HZ2000(いずれも商品名、東ソー社製)をつないだカラムを用いた。
キャリア:テトラヒドロフラン
測定温度:40℃
キャリア流量:1.0ml/min
試料濃度:0.1質量%
検出器:RI(屈折率)検出器
実施例で使用する分岐状にシロキサン結合を有するシロキサン化合物、バインダーおよび硫化物系無機固体電解質を合成もしくは調製した。
(1)シロキサンオリゴマー(Si−2)の合成
テトラエトキシシラン(和光純薬工業株式会社製)17.0gとグリコール酸(和光純薬工業株式会社製)3.00gとを混合し、150℃にて1時間加熱還流させた。反応後、温度を150℃に保ち、真空度を常圧から5mmHgまで、徐々に下げながら揮発成分を留去し、無色液体としてシロキサンオリゴマー(Si−2)6.23gを得た。GPC測定によるスチレン換算質量平均分子量は2,400であった。Si−NMRにて分岐構造であることを確認した。また、オリゴマー中に部分構造として含まれる一般式(1s)で表される基(−O−L21−CO2R21)に相当する基の含有モル分率を、1H−NMRで測定した結果、34モル%であった。
シロキサンオリゴマー(Si−2)の合成において、グリコール酸の添加量を変更した以外は、シロキサンオリゴマー(Si−2)の合成と同様にして、無色液体としてシロキサンオリゴマー(Si−1)を合成した。GPC測定によるスチレン換算質量平均分子量は2,600であった。Si−NMRにて分岐構造であることを確認した。また、オリゴマー中に部分構造として含まれる一般式(1s)で表される基(−O−L21−CO2R21)に相当する基の含有モル分率を、1H−NMRで測定した結果、14モル%であった。
シロキサンオリゴマー(Si−2)の合成において、テトラエトキシシランをテトライソプロポキシシラン(東京化成工業株式会社製)に変更した以外は、シロキサンオリゴマー(Si−2)の合成と同様にして、無色液体としてシロキサンオリゴマー(Si−3)を合成した。GPC測定によるスチレン換算質量平均分子量は1,900であった。Si−NMRにて分岐構造であることを確認した。また、オリゴマー中に部分構造として含まれる一般式(1s)で表される基(−O−L21−CO2R21)に相当する基の含有モル分率を、1H−NMRで測定した結果、39モル%であった。
シロキサンオリゴマー(Si−2)の合成において、グリコール酸をグリコール酸エチル(東京化成工業株式会社製)に変更し、酸触媒として酢酸(東京化成工業株式会社製)を0.1g加えた以外は、シロキサンオリゴマー(Si−2)の合成と同様にして、無色液体としてシロキサンオリゴマー(Si−3)を合成した。GPC測定によるスチレン換算質量平均分子量は1,300であった。Si−NMRにて分岐構造であることを確認した。また、オリゴマー中に部分構造として含まれる一般式(1s)で表される基(−O−L21−CO2R21)に相当する基の含有モル分率を、1H−NMRで測定した結果、26モル%であった。
シロキサンオリゴマー(Si−2)の合成において、テトラエトキシシランをメチルトリエトキシシラン(東京化成工業株式会社製)に変更した以外は、シロキサンオリゴマー(Si−2)の合成と同様にして、無色液体としてシロキサンオリゴマー(Si−5)を合成した。GPC測定によるスチレン換算質量平均分子量は1,500であった。Si−NMRにて分岐構造であることを確認した。また、オリゴマー中に部分構造として含まれる一般式(1s)で表される基(−O−L21−CO2R21)に相当する基の含有モル分率を、1H−NMRで測定した結果、29モル%であった。
M1:原料のアルコキシシラン化合物の種類
M2:ヒドロキシカルボン酸もしくはそのエステル化合物の種類
(1)バインダー(B−1)の調製
(a)マクロモノマー(M−1)の合成
還流冷却管、ガス導入コックを付した1Lの三口フラスコに、トルエンを190質量部加え、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に80℃に昇温した。別容器にて下記処方で調製した混合液Aを2時間かけて滴下し、その後80℃で2時間攪拌した。その後V−601を0.2g添加し、さらに95℃で2時間攪拌した。攪拌後95℃に保った上記の反応溶液に、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル(東京化成工業株式会社製)を0.025質量部、メタクリル酸グリシジル(和光純薬工業株式会社製)を13質量部、テトラブチルアンモニウムブロミド(東京化成工業株式会社製)を2.5質量部加えて大気下で120℃3時間攪拌した。室温まで冷却した後、メタノールに加えて沈殿させ、生じた沈殿物をメタノールで2回洗浄後、50℃で送風乾燥した。得られた固体を300質量部のヘプタンに溶解させることで、マクロモノマー(M−1)の溶液(以下、モノマーのヘプタン溶液と称す)を得た。マクロモノマー(M−1)の固形分濃度は43.4質量%、質量平均分子量は16,000、溶解パラメーターであるSP値は9.1であった。
メタクリル酸ドデシル(和光純薬工業株式会社製) 150質量部
メタクリル酸メチル(和光純薬工業株式会社製) 59質量部
3−メルカプトイソ酪酸(東京化成工業株式会社製) 2質量部
V−601(和光純薬工業株式会社製) 1.9質量部
還流冷却管、ガス導入コックを付した1Lの三口フラスコに、上記で調製したモノマーのヘプタン溶液を47質量部、ヘプタンを60質量部加え、流速200mL/minにて窒素ガスを10分間導入した後に80℃に昇温した。別容器にて調製した混合液B〔上記で調製したモノマーのヘプタン溶液を93質量部、アクリル酸ブチル(和光純薬工業株式会社製)を100質量部、メタクリル酸メチル(和光純薬工業株式会社製)を20質量部、アクリル酸(和光純薬工業株式会社製)を20質量部、V−601(和光純薬工業株式会社製)を1.1質量部混合した液〕を2時間かけて滴下し、その後80℃で2時間攪拌した。その後V−601を0.2g添加し、さらに95℃で2時間攪拌した。室温まで冷却した後、ヘプタン300mL加えてろ過することでバインダー(B−1)の分散液を得た。
アルゴン雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、硫化リチウム(Li2S、Aldrich社製、純度>99.98%)2.42g、五硫化二リン(P2S5、Aldrich社製、純度>99%)3.90gをそれぞれ秤量し、乳鉢に投入した。Li2SおよびP2S5はモル比でLi2S:P2S5=75:25である。メノウ製乳鉢上において、メノウ製乳棒を用いて、5分間混合した。
ジルコニア製45mLの容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66g投入し、上記混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を完全に密閉した。フリッチュ社製遊星ボールミルP−7(商品名)に容器をセットし、25℃で、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行うことで黄色粉体の硫化物系無機固体電解質材料(L−P−Sガラス)6.20gを得た。
(1)混合添加物(E−4)の調製
シロキサンオリゴマー(Si−2)2.1gに、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(以下、LiTFSIの略号で記載する)0.9gを溶解して混合添加物(E−4)を調製した。
混合添加物(E−4)と同様にして、シロキサンオリゴマー(Si−2)およびLiTFSIを、下記表2に記載のシロキサンオリゴマーもしくはその比較化合物、Li塩およびこれらの含有量に変更し、混合添加物(E−1)〜(E−3)、(E−5)〜(E−8)、(EC−1)および(EC−2)を調製した。
下記表2において、含有量は、全固形成分100質量部に対する質量%で記載した。また、「−」は、未使用もしくは0質量%を意味する。
IL:1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド
LiTFSI:リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド
(1)固体電解質組成物(S−6)の調製
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、固体電解質のLi7La3Zr2O12(以下、LLZの略号で記載する)4.8g、混合添加物(E−4)を0.15g、上記のようにして合成したバインダー(B−1)を固形分質量で0.05g、分散媒体としてプタン17.0gを投入した。その後、フリッチュ社製遊星ボールミルに上記の容器をセットし、回転数100rpmで1時間混合を続け、固体電解質組成物(S−6)を調整した。
固体電解質組成物(S−6)と同様にして、下記表3に記載の組み合わせで、固体電解質組成物(S−1)〜(S−5)、(S−7)〜(S−15)、(T−1)〜(T−3)を調製した。
また、シロキサン含有量は、シロキサン化合物の含有量である。
(固体電解質)
LLZ:Li7La3Zr2O12
LLT:Li0.33La0.55TiO3
Li−P−S:上記で合成した硫化物系無機固体電解質
B−1:上記で合成したバインダー
B−2:水素添加スチレン−ブタジエンゴム(製造会社名 JSR株式会社、商品名 DYNARON1321P)
B−3:ポリビニリデンジフルオロライド(製造会社名 ARKEMA社、商品名 KYNAR301F)
BC−1: 両末端変性シリコーン(製造会社名 信越シリコーン社、商品名 X−22−163B)
MEK:メチルエチルケトン
上記固体電解質組成物(S−1)を厚み20μmのアルミ箔上に、クリアランスが調節可能なアプリケーターにより塗布し、80℃で1時間加熱した後、さらに120℃で1時間加熱し、分散媒体を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、固体電解質層を加熱(80℃)および加圧(60MPa、1分間)し、試験No.101の固体電解質シートを得た。固体電解質層の膜厚は50μmであった。
固体電解質組成物(S−1)を上記表4に示す固体電解質組成物に変更した以外は、試験No.101の固体電解質シートと同様にして、試験No.102〜115およびc11〜13の固体電解質シートを作製した。
上記で作製した固体電解質シートの固体電解質層(縦50mm、横12mm)に幅12mm、長さ60mmのセロテープ(登録商標、ニチバン社製)を貼り、10mm/minの速度で50mm引き剥がした。その際の、引き剥がしたセロテープの面積に対する剥離したシート部分の面積比率で評価した。測定は10回行い、最大値および最小値を除いた、8回の測定値の平均を採用した。試験用のサンプルは各水準について5つのものを用いてその平均値を採用した。
得られた値を、下記評価基準で評価した。
5: 0以上5%未満
4: 5%以上15%未満
3: 15%以上30%未満
2: 30%以上60%未満
1: 60%以上
上記で作製した固体電解質シートを直径14.5mmの円板状に切り出し、コインケースに入れた。直径15mmの円板状に切り出したアルミ箔を固体電解質層と接触させ、スペーサーとワッシャーを組み込んで、ステンレス製の2032型コインケースに入れた。図2に示すように、コインケースの外部から拘束圧(ネジ締め圧:8N)をかけ、イオン伝導度測定用セルを作製した。
なお、本測定においては、参照する図2において、14がコインケース、15が固体電解質からなる固体電解質シート、11が上部支持板、12が下部支持板、Sがネジである。
1000×試料膜厚(cm)/(抵抗(Ω)×試料面積(cm2))
上記で作製した固体電解質シートを直径14.5mmの円板状に切り出しコインケースに入れた。直径15mmの円盤状に切り出したリチウム箔を固体電解質シートの両面に接触させ、スペーサーとワッシャーを組み込んで、ステンレス製の2032型コインケースに入れた。イオン伝導度測定用セルの作製と同様にして、コインケースの外部から拘束圧(ネジ締め圧:8N)をかけ、輸率測定用セルを作製した。
(評価基準)
5: 0.6 ≦ T+
4: 0.4 ≦ T+ < 0.6
3: 0.2 ≦ T+ < 0.4
2: 0 ≦ T+ < 0.2
1: 測定不可
以下のようにして、全固体二次電池用電極シートおよび全固体二次電池を作製した。
(1)試験No.201における二次電池正極用組成物の調製
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、正極活物質のNMC 6質量部、実施例1で調製した固体電解質組成物(S−4)10質量部、固体電解質組成物に用いられている分散媒体9質量部を加え、100rpmで10分間混合し、下記表5に示す試験No.201における二次電池正極用組成物を調製した。
試験No.201における二次電池正極用組成物の調製と同様にして、下記表5に示す正極活物質および固体電解質組成物の種類のみを変更して、No.202〜205、c21〜c23における二次電池正極用組成物を調製した。
(1)試験No.201における二次電池負極用組成物の調製
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、負極活物質の黒鉛5質量部、実施例1で調製した固体電解質組成物(S−4)10質量部、固体電解質組成物に用いられている分散媒体9質量部を加え、100rpmで10分間混合し、下記表5に示す試験No.201における二次電池負極用組成物を調製した。
試験No.201における二次電池負極用組成物の調製と同様にして、下記表5に示す負極活物質および固体電解質組成物の種類のみを変更して、No.202〜205、c21〜c23における二次電池負極用組成物を調製した。
上記で得られた各二次電池正極用組成物を厚み20μmのアルミ箔上に、任意のクリアランスを有するアプリケーターにより塗布し、80℃で2時間乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、任意の密度になるように加熱および加圧し、対応する各二次電池用正極を作製した。
なお、正極活物質層の厚さはいずれも150μmであった。
上記で作製した各二次電池用正極上に、下記表5に示す実施例1で調製した固体電解質組成物を、任意のクリアランスを有するアプリケーターにより塗布し、80℃で2時間加熱し、乾燥させた。
その後、上記で調製した二次電池負極用組成物をさらに塗布し、80℃で2時間加熱し、乾燥させた。ヒートプレス機を用いて、加熱(80℃)および加圧(60MPa、1分間)し、対応する各二次電池用電極シートを作製した。
なお、固体電解質組成物層の厚さはいずれも50μmであり、負極活物質層の厚さはいずれも120μmであった。
結着性の評価については、セロテープを貼り付ける対象を、固体電解質シートの固体電解質層から全固体二次電池用電極シートの負極活物質層に変更した以外は実施例1と同様にして、試験を行った。
上記で作製した二次電池用電極シートを直径14.5mmの円板状に切り出し、コインケースに入れた。すなわち直径15mmの円盤状に切り出した厚み20μmの銅箔を二次電池用電極シートの負極層上に接触させ、スペーサーとワッシャーを組み込んで、ステンレス製の2032型コインケースに入れて図2に示すコイン電池(全固体二次電池)とした。実施例1におけるイオン伝導度測定用セルの作製と同様にして、コインケースの外部から拘束圧(ネジ締め圧:8N)をかけ、イオン伝導度測定用セルを作製し、実施例1と同様にしてイオン伝導度を測定した。なお、本測定においては、参照する図2に示される15は、上記全固体二次電池用電極シートの負極上に上記銅箔を有した構造の全固体二次電池である。
NMC:Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 ニッケル、マンガン、コバルト酸リチウム
LCO:LiCoO2 コバルト酸リチウム
2 負極活物質層
3 固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
11 上部支持板
12 下部支持板
13 コイン電池
14 コインケース
15 固体電解質シートまたは全固体二次電池
S ネジ
Claims (15)
- 周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質、分岐状にシロキサン結合を有するシロキサン化合物および周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩をそれぞれ含有する固体電解質組成物。
- 前記シロキサン化合物が、下記一般式(S)で表される部分構造を含むシロキサン化合物である請求項1に記載の固体電解質組成物。
- 前記シロキサン化合物が、質量平均分子量が500以上10,000以下のシロキサンオリゴマーである請求項1または2に記載の固体電解質組成物。
- 前記一般式(1s)で表される基のモル分率が5mol%以上である請求項4に記載の固体電解質組成物。
- 固体電解質組成物中の固形成分において、前記無機固体電解質100質量部に対して、前記シロキサン化合物を0.1〜20質量部含有する請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記無機固体電解質が、下記式のいずれかで表される化合物から選ばれる請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
・LixaLayaTiO3
0.3≦xa≦0.7、0.3≦ya≦0.7
・LixbLaybZrzbMbb mbOnb
5≦xb≦10、1≦yb≦4、1≦zb≦4、
0≦mb≦2、5≦nb≦20
Mbbは、Al、Mg、Ca、Sr、V、Nb、Ta、Ti
、Ge、InおよびSnからなる群から選択される少なくと
も1種
・Li3.5Zn0.25GeO4
・LiTi2P3O12
・Li(1+xh+yh)(Al,Ga)xh(Ti,Ge)(2−xh)SiyhP(3−yh)O12
0≦xh≦1、0≦yh≦1
・Li3PO4
・LiPON
・LiPOD1
D1は、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、
Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Ptおよび
Auからなる群から選択される少なくとも1種
・LiA1ON
A1は、Si、B、Ge、Al、CおよびGaから
なる群から選択される少なくとも1種
・LixcBycMcc zcOnc
0<xc≦5、0<yc≦1、0≦zc≦1、
0<nc≦6
Mccは、C、S、Al、Si、Ga、Ge、Inおよび
Snからなる群から選択される少なくとも1種
・Li(3−2xe)Mee xeDeeO
0≦xe≦0.1
Meeは2価の金属原子、Deeはハロゲン原子または2種
以上のハロゲン原子の組み合わせ
・LixfSiyfOzf
1≦xf≦5、0<yf≦3、1≦zf≦10
・LixgSygOzg
1≦xg≦3、0<yg≦2、1≦zg≦10 - 前記無機固体電解質が、下記一般式(SE)で表される化合物である請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
Laa a1Maa b1Pc1Sd1Aaa e1 (SE)
一般式(SE)中、LaaはLi、NaおよびKから選択される元素を表し、Maaは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、AlおよびGeから選択される元素を表し、Aaaは、I、Br、ClまたはFを表す。a1〜e1は各元素の組成比を表し、a1:b1:c1:d1:e1は1〜12:0〜1:1:2〜12:0〜5を満たす。 - 前記周期律表第1族または第2族に属する金属イオンの塩が、リチウム塩である請求項1〜8のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- バインダーを含む請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記バインダーが、炭化水素樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂またはポリウレタン樹脂である請求項10に記載の固体電解質組成物。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の固体電解質組成物を金属箔上に適用し、製膜する全固体二次電池用電極シートの製造方法。
- 正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層をこの順に有する全固体二次電池用電極シートであって、
該正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層のいずれか1層が、周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質、分岐状にシロキサン結合を有するシロキサン化合物および周期律表第1族または第2族に属する金属のイオンの塩をそれぞれ含有する全固体二次電池用電極シート。 - 請求項13に記載の全固体二次電池用電極シートを用いて構成される全固体二次電池。
- 請求項12に記載の製造方法を介して、正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層をこの順に有する全固体二次電池を製造する全固体二次電池の製造方法。
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