JPWO2018016544A1 - 固体電解質組成物、固体電解質含有シートおよび全固体二次電池ならびに固体電解質含有シートおよび全固体二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このような状況下、有機電解液に代えて、無機固体電解質を用いた全固体二次電池が注目されている。全固体二次電池は負極、電解質および正極のすべてが固体からなり、有機電解液を用いた電池の課題とされる安全性ないし信頼性を大きく改善することができ、また長寿命化も可能になるとされる。さらに、全固体二次電池は、電極と電解質を直接並べて直列に配した構造とすることができる。そのため、有機電解液を用いた二次電池に比べて高エネルギー密度化が可能となり、電気自動車や大型蓄電池等への応用が期待されている。
特許文献1では、塗布均一性に優れ、緻密化された固体電解質シートが得られている。しかし、電池電圧等の電池性能は評価されていない。また、特許文献1〜3では、固体電解質組成物及び固体電解質含有シートの保存安定性、並びに保存後の固体電解質組成物及び/又は固体電解質含有シートを用いて作製された全固体二次電池の電池性能については記載されていない。
また、本発明は、上記の優れた性能を有する固体電解質含有シートおよび全固体二次電池それぞれの製造方法を提供することを課題とする。
<1>
(A)周期律表第1族又は第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、(B)下記条件b1〜b4を全て満たす含フッ素化合物と、(C)分散媒とを含有する固体電解質組成物であって、
固体電解質組成物の全固形分中における(B)含フッ素化合物の含有量が、0.1質量%以上20質量%未満である固体電解質組成物。
b1:構成原子として炭素原子およびフッ素原子を有し、ケイ素原子を有しない。
b2:全原子数NALLに対するフッ素原子数NFの比であるNF/NALLが、0.10≦NF/NALL≦0.80を満たす。
b3:分子量が5000未満である。ただし重合体は除く。
b4:常圧における沸点又は常圧における熱分解の開始温度が100℃を超える。
<2>
(B)含フッ素化合物が常温常圧で固体である、<1>に記載の固体電解質組成物。
<3>
(B)含フッ素化合物が芳香族環を有する、<1>または<2>に記載の固体電解質組成物。
<4>
(B)含フッ素化合物が下記式(1)〜(3)のいずれかで表される化合物から選択される少なくとも1種である、<1>〜<3>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
上記式(2)中、環αはベンゼン環又はナフタレン環を示す。R21は、フッ素含有置換基又は水素原子を示し、X21は単結合、アルキレン基、−O−、−S−、−C(=O)−若しくは−NR−又はこれらを組み合わせてなる2価の連結基を示し、Y21は単結合、又はm21+1価の炭化水素基を示し、m21は1〜5の整数であり、n21は1〜8の整数である。ここで、Rは水素原子又はアルキル基を示す。R22は有機基を示し、m22は0〜7の整数である。R21が複数個存在する場合、複数個のR21は互いに同一でも異なってもよく、R22が複数個存在する場合、複数個のR22は互いに同一でも異なってもよい。ただし、少なくとも1つのR21はフッ素含有置換基を示す。
上記式(3)中、R31〜R36は、各々独立にフッ素含有置換基又は水素原子を示し、X31〜X36は、各々独立に単結合、アルキレン基、−O−、−S−、−C(=O)−若しくは−NR−又はこれらを組み合わせてなる2価の連結基を示す。ここで、Rは水素原子又はアルキル基を示す。ただし、R31〜R36の少なくとも1つはフッ素含有置換基を示す。
フッ素含有置換基が、フッ素原子、フッ素置換アルキル基、フッ素置換アルコキシ基またはフッ素置換アシルオキシ基である、<4>に記載の固体電解質組成物。
<6>
(C)分散媒が(B)含フッ素化合物よりも低沸点である、<1>〜<5>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<7>
(C)分散媒が炭化水素溶媒である、<1>〜<6>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<8>
(D)バインダーを含有する<1>〜<7>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
<9>
(D)バインダーが体積平均粒子径10nm〜30μmのポリマー粒子である、<8>に記載の固体電解質組成物。
<10>
(A)周期律表第1族又は第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が硫化物系無機固体電解質である、<1>〜<9>のいずれか1つに記載の固体電解質組成物。
(A)周期律表第1族又は第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、(B)下記条件b1〜b4を全て満たす含フッ素化合物とを含有する層を有する固体電解質含有シート。
b1:構成原子として炭素原子およびフッ素原子を有し、ケイ素原子を有しない。
b2:全原子数NALLに対するフッ素原子数NFの比であるNF/NALLが、0.10≦NF/NALL≦0.80を満たす。
b3:分子量が5000未満である。ただし重合体は除く。
b4:常圧における沸点又は常圧における熱分解の開始温度が100℃を超える。
<12>
<11>に記載の固体電解質含有シートの製造方法であって、
(A)周期律表第1族又は第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、(B)含フッ素化合物と、(C)分散媒とを含有する固体電解質組成物を基材上に塗布する工程と、
加熱乾燥する工程とを含む固体電解質含有シートの製造方法。
<13>
正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を具備する全固体二次電池であって、
正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層の少なくとも1つの層が、<11>に記載の固体電解質含有シートである全固体二次電池。
<14>
<12>に記載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。
本明細書において、単に「アクリル」又は「(メタ)アクリル」と記載するときは、メタアクリル及び/又はアクリルを意味する。また、単に「アクリロイル」又は「(メタ)アクリロイル」と記載するときは、メタアクリロイル及び/又はアクリロイルを意味する。
本明細書において、「常圧」とは1013hPa(760mmHg)であり、「常温」とは25℃である。
また、本発明の製造方法によれば、上記の優れた性能を有する固体電解質含有シートおよび全固体二次電池それぞれを好適に製造することができる。
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。また、本発明の固体電解質含有シートは、上記負極活物質層、正極活物質層、固体電解質層として好適である。
本明細書において、正極活物質層(以下、正極層とも称す。)と負極活物質層(以下、負極層とも称す。)をあわせて電極層または活物質層と称することがある。
本発明の固体電解質組成物は、(A)周期律表第1族又は第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、(B)下記条件b1〜b4を全て満たす含フッ素化合物と、(C)分散媒とを含有する固体電解質組成物であって、固体電解質組成物の全固形分中における(B)含フッ素化合物の含有量は、0.1質量%以上20質量%未満である。
b1:構成原子として炭素原子およびフッ素原子を有し、ケイ素原子を有しない。
b2:全原子数NALLに対するフッ素原子数NFの比であるNF/NALLが、0.10≦NF/NALL≦0.80を満たす。
b3:分子量が5000未満である。ただし重合体は除く。
b4:常圧における沸点又は常圧における熱分解の開始温度が100℃を超える。
なお、本発明の固体電解質組成物とは、(B)含フッ素化合物が固体電解質組成物中に分散している態様だけでなく、例えば、表面に偏在している態様も含む。
無機固体電解質とは、無機の固体電解質のことであり、固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。主たるイオン伝導性材料として有機物を含むものではないことから、有機固体電解質(ポリエチレンオキシド(PEO)などに代表される高分子電解質、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)などに代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。また、無機固体電解質は定常状態では固体であるため、通常カチオンおよびアニオンに解離または遊離していない。この点で、電解液やポリマー中でカチオンおよびアニオンが解離または遊離している無機電解質塩(LiPF6、LiBF4,LiFSI,LiClなど)とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第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ものであれば特に限定されず電子伝導性を有さないものが一般的である。
硫化物系無機固体電解質は、硫黄原子(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(I)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 式(I)
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及びFから選択される元素を示す。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)及び上記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、酸素原子(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化合物が好ましい。
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。
なお、本明細書において固形分(固形成分)とは、窒素雰囲気下80℃で6時間乾燥処理を行ったときに、揮発ないし蒸発して消失しない成分をいう。典型的には、後述の分散媒以外の成分を指す。
本発明の固体電解質組成物は、(B)下記条件b1〜b4を全て満たす含フッ素化合物を含有する。
b1:構成原子として炭素原子およびフッ素原子を有する。ただし、ケイ素原子を有しない。
b2:全原子数NALLに対するフッ素原子数NFの比であるNF/NALLが、0.10≦NF/NALL≦0.80を満たす。
b3:分子量が5000未満である。ただし重合体は除く。
b4:常圧における沸点又は常圧における熱分解の開始温度が100℃を超える。
上記条件b2において、NF/NALLは、0.20≦NF/NALL≦0.60が好ましく、0.30≦NF/NALL≦0.50がより好ましい。
分子量の下限値は100以上が好ましく、200以上がより好ましく、500以上がさらに好ましい。また、分子量の上限値は、4,000未満が好ましく、3,000未満がより好ましい。
上記条件b4において、常圧における沸点の下限値は110℃以上が好ましく、140℃以上がより好ましく、160℃以上がさらに好ましい。また、常圧における沸点の上限値は特に限定されるものではないが、500℃以下が実際的である。
上記条件b4において、常圧における熱分解の開始温度の下限値は、250℃以上が好ましく、300℃以上がより好ましく、400℃以上がさらに好ましい。また、常圧における熱分解の開始温度の上限値は特に限定されるものではないが、500℃以下が実際的である。
なお、明細書中、単に沸点と記載する場合には、常圧における沸点を意味する。
(B)含フッ素化合物は、分子の平面性向上による表面偏在性向上の点から、芳香族環を有することも好ましい。芳香族環とは、芳香族性を有する限り特に限定されるものではなく、芳香族ヘテロ環でも芳香族炭化水素環のいずれでもよい。
芳香族ヘテロ環は、芳香族環を構成する原子として炭素原子及びヘテロ原子(窒素原子、酸素原子及び/又は硫黄原子)を有し、縮合していてもよい。芳香族ヘテロ環は、炭素数5〜22が好ましく、5〜20がより好ましく、5〜18がさらに好ましく、ヘテロ原子数1〜4が好ましく、1〜3がより好ましく、1又は2がさらに好ましく、例えば、1,3,5−トリアジン、ピラジン、イミダゾール及びキノキサリンが挙げられる。
芳香族炭化水素環としては、芳香族環が炭素原子から構成され、縮合していてもよい。芳香族炭化水素環は、炭素数6〜22が好ましく、6〜20がより好ましく、6〜18がさらに好ましく、例えば、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、フェナレン、トリフェニレン、ピレン、クリセン及びナフタセンが挙げられる。
なかでも、芳香族炭化水素環が好ましく、ベンゼン又はトリフェニレンがより好ましい。
上記式(2)中、環αはベンゼン環又はナフタレン環を示す。R21は、フッ素含有置換基又は水素原子を示し、X21は単結合、アルキレン基、−O−、−S−、−C(=O)−若しくは−NR−又はこれらを組み合わせてなる2価の連結基を示し、Y21は単結合、又はm21+1価の炭化水素基を示し、m21は1〜5の整数であり、n21は1〜8の整数である。ここで、Rは水素原子又はアルキル基を示す。R22は有機基を示し、m22は0〜7の整数である。R21が複数個存在する場合、複数個のR21は互いに同一でも異なってもよく、R22が複数個存在する場合、複数個のR22は互いに同一でも異なってもよい。ただし、少なくとも1つのR21はフッ素含有置換基を示す。
上記式(3)中、R31〜R36は、各々独立にフッ素含有置換基又は水素原子を示し、X31〜X36は、各々独立に単結合、アルキレン基、−O−、−S−、−C(=O)−若しくは−NR−又はこれらを組み合わせてなる2価の連結基を示す。ここで、Rは水素原子又はアルキル基を示す。ただし、R31〜R36の少なくとも1つはフッ素含有置換基を示す。
R11〜R13、R21及びR31〜R36におけるフッ素含有置換基は、炭素−炭素結合の間にエステル結合、エーテル結合及びチオエーテル結合等の結合を介していてもよい。
R11〜R13、R21及びR31〜R36におけるフッ素含有置換基は、末端に−CF3基又は−CF2H基を有することが好ましく、炭素数は4〜20が好ましく、4〜16がより好ましく、6〜16がさらに好ましい。フッ素含有置換基におけるアルキル基及び/又はアリール基中の水素原子のうちフッ素原子で置換されている割合は、40%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。すなわち、フッ素含有置換基は、アルキル基及び/又はアリール基中の全水素原子数を100%としたとき、そのうち40%以上がフッ素原子により置換されてなるものが好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。
フッ素置換アルキル基は、末端に−CF3基又は−CF2H基を有することが好ましく、炭素数は4〜20が好ましく、4〜16がより好ましく、6〜16がさらに好ましい。アルキル基中の水素原子のうちフッ素原子で置換されている割合は、40%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。すなわち、フッ素置換アルキル基は、アルキル基の全水素原子数を100%としたとき、そのうち40%以上がフッ素原子により置換されてなるものが好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。
以下に、フッ素置換アルキル基の例を示す。
R2:n−C6F13−
R3:n−C4F9−
R4:n−C8F17−(CH2)2−O−(CH2)2−
R5:n−C6F13−(CH2)2−O−(CH2)2−
R6:n−C4F9−(CH2)2−O−(CH2)2−
R7:n−C8F17−(CH2)3−
R8:n−C6F13−(CH2)3−
R9:n−C4F9−(CH2)3−
R10:H−(CF2)8−
R11:H−(CF2)6−
R12:H−(CF2)4−
R13:H−(CF2)8−(CH2)−
R14:H−(CF2)6−(CH2)−
R15:H−(CF2)4−(CH2)−
R16:H−(CF2)8−(CH2)−O−(CH2)2−
R17:H−(CF2)6−(CH2)−O−(CH2)2−
R18:H−(CF2)4−(CH2)−O−(CH2)2−
フッ素置換アルコキシ基は、末端に−CF3基又は−CF2H基を有することが好ましく、炭素数は4〜20が好ましく、4〜16がより好ましく、6〜16がさらに好ましい。アルコキシ基中の水素原子のうちフッ素原子で置換されている割合は、40%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。すなわち、フッ素置換アルコキシ基は、アルコキシ基の全水素原子数を100%としたとき、そのうち40%以上がフッ素原子により置換されてなるものが好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。
以下に、フッ素置換アルコキシ基の例を示す。
R2:n−C6F13−O−
R3:n−C4F9−O−
R4:n−C8F17−(CH2)2−O−(CH2)2−O−
R5:n−C6F13−(CH2)2−O−(CH2)2−O−
R6:n−C4F9−(CH2)2−O−(CH2)2−O−
R7:n−C8F17−(CH2)3−O−
R8:n−C6F13−(CH2)3−O−
R9:n−C4F9−(CH2)3−O−
R10:H−(CF2)8−O−
R11:H−(CF2)6−O−
R12:H−(CF2)4−O−
R13:H−(CF2)8−(CH2)−O−
R14:H−(CF2)6−(CH2)−O−
R15:H−(CF2)4−(CH2)−O−
R16:H−(CF2)8−(CH2)−O−(CH2)2−O−
R17:H−(CF2)6−(CH2)−O−(CH2)2−O−
R18:H−(CF2)4−(CH2)−O−(CH2)2−O−
フッ素置換アシルオキシ基は、末端に−CF3基又は−CF2H基を有することが好ましく、炭素数は4〜20が好ましく、4〜16がより好ましく、6〜16がさらに好ましい。アシルオキシ基中の水素原子のうちフッ素原子で置換されている割合は、40%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。すなわち、フッ素置換アシルオキシ基は、アシルオキシ基の全水素原子数を100%としたとき、そのうち40%以上がフッ素原子により置換されてなるものが好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。
以下に、フッ素置換アシルオキシ基の例を示す。
R2:n−C6F13−C(=O)O−
R3:n−C4F9−C(=O)O−
R4:n−C8F17−(CH2)2−OC(=O)−(CH2)2−C(=O)O−
R5:n−C6F13−(CH2)2−OC(=O)−(CH2)2−C(=O)O−
R6:n−C4F9−(CH2)2−OC(=O)−(CH2)2−C(=O)O−
R7:n−C8F17−(CH2)3−C(=O)O−
R8:n−C6F13−(CH2)3−C(=O)O−
R9:n−C4F9−(CH2)3−C(=O)O−
R10:H−(CF2)8−C(=O)O−
R11:H−(CF2)6−C(=O)O−
R12:H−(CF2)4−C(=O)O−
R13:H−(CF2)8−(CH2)−C(=O)O−
R14:H−(CF2)6−(CH2)−C(=O)O−
R15:H−(CF2)4−(CH2)−C(=O)O−
R16:H−(CF2)8−(CH2)−OC(=O)−(CH2)2−C(=O)O−
R17:H−(CF2)6−(CH2)−OC(=O)−(CH2)2−C(=O)O−
R18:H−(CF2)4−(CH2)−OC(=O)−(CH2)2−C(=O)O−
フッ素置換アルキルアミノ基は、末端に−CF3基又は−CF2H基を有することが好ましく、炭素数は4〜20が好ましく、4〜16がより好ましく、6〜16がさらに好ましい。アルキルアミノ基中の水素原子のうちフッ素原子で置換されている割合は、40%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。すなわち、フッ素置換アルキルアミノ基は、アルキルアミノ基のアルキル基の全水素原子数を100%としたとき、そのうち40%以上がフッ素原子により置換されてなるものが好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。
以下に、フッ素置換アルキルアミノ基の例を示す。
R2:n−C6F13−NH−
R3:n−C4F9−NH−
R4:n−C8F17−(CH2)2−O−(CH2)2−NH−
R5:n−C6F13−(CH2)2−O−(CH2)2−NH−
R6:n−C4F9−(CH2)2−O−(CH2)2−NH−
R7:n−C8F17−(CH2)3−NH−
R8:n−C6F13−(CH2)3−NH−
R9:n−C4F9−(CH2)3−NH−
R10:H−(CF2)8−NH−
R11:H−(CF2)6−NH−
R12:H−(CF2)4−NH−
R13:H−(CF2)8−(CH2)−NH−
R14:H−(CF2)6−(CH2)−NH−
R15:H−(CF2)4−(CH2)−NH−
R16:H−(CF2)8−(CH2)−O−(CH2)2−NH−
R17:H−(CF2)6−(CH2)−O−(CH2)2−NH−
R18:H−(CF2)4−(CH2)−O−(CH2)2−NH−
フッ素置換アルキルスルファニル基は、末端に−CF3基又は−CF2H基を有することが好ましく、炭素数は4〜20が好ましく、4〜16がより好ましく、6〜16がさらに好ましい。アルキルスルファニル基中の水素原子のうちフッ素原子で置換されている割合は、40%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。すなわち、フッ素置換アルキルスルファニル基は、アルキルスルファニル基の全水素原子数を100%としたとき、そのうち40%以上がフッ素原子により置換されてなるものが好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。
以下に、フッ素置換アルキルスルファニル基の例を示す。
R2:n−C6F13−S−
R3:n−C4F9−S−
R4:n−C8F17−(CH2)2−O−(CH2)2−S−
R5:n−C6F13−(CH2)2−O−(CH2)2−S−
R6:n−C4F9−(CH2)2−O−(CH2)2−S−
R7:n−C8F17−(CH2)3−S−
R8:n−C6F13−(CH2)3−S−
R9:n−C4F9−(CH2)3−S−
R10:H−(CF2)8−S−
R11:H−(CF2)6−S−
R12:H−(CF2)4−S−
R13:H−(CF2)8−(CH2)−S−
R14:H−(CF2)6−(CH2)−S−
R15:H−(CF2)4−(CH2)−S−
R16:H−(CF2)8−(CH2)−O−(CH2)2−S−
R17:H−(CF2)6−(CH2)−O−(CH2)2−S−
R18:H−(CF2)4−(CH2)−O−(CH2)2−S−
フッ素置換アシルアミノ基は、末端に−CF3基又は−CF2H基を有することが好ましく、炭素数は4〜20が好ましく、4〜16がより好ましく、6〜16がさらに好ましい。アシルアミノ基中の水素原子のうちフッ素原子で置換されている割合は、40%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。すなわち、フッ素置換アシルアミノ基は、アシルアミノ基のアルキル基の全水素原子数を100%としたとき、そのうち40%以上がフッ素原子により置換されてなるものが好ましく、50%以上がより好ましく、60%以上がさらに好ましい。
以下に、フッ素置換アシルアミノ基の例を示す。
R2:n−C6F13−C(=O)NH−
R3:n−C4F9−C(=O)NH−
R4:n−C8F17−(CH2)2−O−(CH2)2−C(=O)NH−
R5:n−C6F13−(CH2)2−O−(CH2)2−C(=O)NH−
R6:n−C4F9−(CH2)2−O−(CH2)2−C(=O)NH−
R7:n−C8F17−(CH2)3−C(=O)NH−
R8:n−C6F13−(CH2)3−C(=O)NH−
R9:n−C4F9−(CH2)3−C(=O)NH−
R10:H−(CF2)8−C(=O)NH−
R11:H−(CF2)6−C(=O)NH−
R12:H−(CF2)4−C(=O)NH−
R13:H−(CF2)8−(CH2)−C(=O)NH−
R14:H−(CF2)6−(CH2)−C(=O)NH−
R15:H−(CF2)4−(CH2)−C(=O)NH−
R16:H−(CF2)8−(CH2)−O−(CH2)2−C(=O)NH−
R17:H−(CF2)6−(CH2)−O−(CH2)2−C(=O)NH−
R18:H−(CF2)4−(CH2)−O−(CH2)2−C(=O)NH−
R21は、フッ素含有置換基が好ましく、フッ素原子、フッ素置換アルキル基、フッ素置換アルコキシ基、フッ素置換アシルオキシ基、フッ素置換アルキルアミノ基又はフッ素置換アルキルスルファニル基がより好ましく、フッ素原子、フッ素置換アルコキシ基又はフッ素置換アシルオキシ基がさらに好ましい。
R31〜R36は、フッ素含有置換基が好ましく、フッ素置換アルキル基又はフッ素置換アルコキシ基がより好ましい。
酸性基は、カルボキシ基、リン酸基又はスルホン酸基が好ましく、カルボキシ基がより好ましい。
R22は、メチル基又はカルボキシ基が好ましい。
なかでもRは水素原子が好ましい。
X11〜X13、X21及びX31〜X36におけるアルキレン基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数1〜6がより好ましく、メチレン及びエチレン等)、−O−、−S−、−C(=O)−又は−NR−を組み合わせてなる2価の連結基としては、−C(=O)O−、−C(=O)NR−、−O−アルキレン−、−S−アルキレン−、−O−アルキレン−O−、−O−アルキレン−S−、−S−アルキレン−S−、−O−アルキレン−NR−、−S−アルキレン−NR−及び−OC(=O)−アルキレン−C(=O)O−が挙げられ、−C(=O)O−、−C(=O)NR−、−O−アルキレン−、−O−アルキレン−O−、−O−アルキレン−S−、−O−アルキレン−NR−又は−OC(=O)−アルキレン−C(=O)O−が好ましく、−C(=O)O−又は−C(=O)NR−がより好ましく、−C(=O)O−又は−C(=O)NH−がさらに好ましい。なお、いずれの側で結合しても構わない。
X11〜X13は、−O−、−S−、−NR−、−O−アルキレン−O−、−O−アルキレン−S−又は−O−アルキレン−NR−が好ましく、−NR−がより好ましく、−NH−がさらに好ましい。
X21は、単結合、−O−、−S−、−NR−、−C(=O)O−、−O−アルキレン−O−、−O−アルキレン−S−又は−OC(=O)−アルキレン−C(=O)O−が好ましく、単結合又は−C(=O)O−がより好ましい。
X31〜X36は、単結合、−O−アルキレン−、−O−アルキレン−O−又は−O−アルキレン−S−が好ましく、単結合がより好ましい。
2〜6価の炭化水素基としては、例えば、アルキレン基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数1〜6がより好ましく、メチレン及びエチレン等)及びアリーレン基(炭素数6〜20が好ましく、炭素数6〜14がより好ましく、フェニレン及びナフタレンジイル等)等の2価の炭化水素基、アルカントリイル基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数1〜6がより好ましく、メタントリイル及びエタントリイル等)及びアレーントリイル基(炭素数6〜20が好ましく、炭素数6〜14がより好ましく、ベンゼントリイル及びナフタレントリイル等)等の3価の炭化水素基、アルカンテトライル基(炭素数1〜12が好ましく、炭素数1〜6がより好ましく、メタンテトライル及びエタンテトライル等)及びアレーンテトライル基(炭素数6〜20が好ましく、炭素数6〜14がより好ましく、ベンゼンテトライル及びナフタレンテトライル等)等の4価の炭化水素基が好ましく挙げられる。
なかでも、2〜4価の炭化水素基が好ましく、アリーレン基、アレーントリイル基又はアレーンテトライル基がより好ましい。
Y21は、環αがベンゼン環である場合、2〜6価の炭化水素基が好ましく、2〜4価の炭化水素基がより好ましく、アリーレン基、アレーントリイル基又はアレーンテトライル基がさらに好ましく、フェニレン基、ベンゼントリイル基又はベンゼンテトライル基が特に好ましい。
Y21は、環αがナフタレン環である場合、単結合が好ましい。
m21は、環αがベンゼン環の場合、1〜4の整数が好ましく、1〜3の整数がより好ましく、環αがナフタレン環の場合、1〜4の整数が好ましく、1〜3の整数がより好ましく、1又は2がさらに好ましい。
n21は、環αがベンゼン環の場合、1〜4の整数が好ましく、1〜3の整数がより好ましく、環αがナフタレン環の場合、1〜4の整数が好ましく、1〜3の整数がより好ましく、1又は2がさらに好ましい。
m22は、環αがベンゼン環の場合、1〜3の整数が好ましく、1又は2がより好ましく、環αがナフタレン環の場合、0〜2の整数が好ましく、0又は1がより好ましい。
また、無機固体電解質100質量部に対する(B)含フッ素化合物の含有量は、0を超え500質量部未満が好ましく、0.1〜500質量部未満がより好ましく、5〜200質量部がさらに好ましく、10〜50質量部が特に好ましい。
置換基Pとしては、下記のものが挙げられる。
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、ただし本明細書においてアルキル基というときには通常シクロアルキル基を含む意味である。)、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)、アラルキル基(好ましくは炭素数7〜23のアラルキル基、例えば、ベンジル、フェネチル等)、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、環構成原子として酸素原子、硫黄原子および窒素原子から選択される少なくとも1つを有する5又は6員環のヘテロ環基が好ましく、例えば、テトラヒドロピラニル、テトラヒドロフラニル、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、ピロリドン基等)、アルコキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1−ナフチルオキシ、3−メチルフェノキシ、4−メトキシフェノキシ等、ただし本明細書においてアルコキシ基というときには通常アリーロイル基を含む意味である。)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数2〜20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2−エチルヘキシルオキシカルボニル等)、アリールオキシカルボニル基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールオキシカルボニル基、例えば、フェノキシカルボニル、1−ナフチルオキシカルボニル、3−メチルフェノキシカルボニル、4−メトキシフェノキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素原子数0〜20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ、N,N−ジメチルアミノ、N,N−ジエチルアミノ、N−エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素原子数0〜20のスルファモイル基、例えば、N,N−ジメチルスルファモイル、N−フェニルスルファモイル等)、アシル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシル基、例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル等)、アリーロイル基(好ましくは炭素原子数7〜23のアリーロイル基、例えば、ベンゾイル等、ただし本明細書においてアシル基というときには通常アリーロイル基を含む意味である。)、アシルオキシ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ等)、アリーロイルオキシ基(好ましくは炭素原子数7〜23のアリーロイルオキシ基、例えば、ベンゾイルオキシ等、ただし本明細書においてアシルオキシ基というときには通常アリーロイルオキシ基を含む意味である。)、カルバモイル基(好ましくは炭素原子数1〜20のカルバモイル基、例えば、N,N−ジメチルカルバモイル、N−フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素原子数1〜20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、アルキルスルファニル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルスルファニル基、例えば、メチルスルファニル、エチルスルファニル、イソプロピルスルファニル、ベンジルスルファニル等)、アリールスルファニル基(好ましくは炭素原子数6〜26のアリールスルファニル基、例えば、フェニルスルファニル、1−ナフチルスルファニル、3−メチルフェニルスルファニル、4−メトキシフェニルスルファニル等)、アルキルスルホニル基(好ましくは炭素原子数1〜20のアルキルスルホニル基、例えば、メチルスルホニル、エチルスルホニル等)、アリールスルホニル基(好ましくは炭素原子数6〜22のアリールスルホニル基、例えば、ベンゼンスルホニル等)、ホスホリル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスホリル基、例えば、−OP(=O)(RP)2)、ホスホニル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスホニル基、例えば、−P(=O)(RP)2)、ホスフィニル基(好ましくは炭素原子数0〜20のホスフィニル基、例えば、−P(RP)2)、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリロイルオキシ基、(メタ)アクリロイルイミノ基((メタ)アクリルアミド基)、ヒドロキシ基、スルファニル基、カルボキシ基、リン酸基、ホスホン酸基、スルホン酸基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)が挙げられる。
また、これらの置換基Pで挙げた各基は、上記の置換基Pがさらに置換していてもよい。
化合物、置換基および連結基等がアルキル基、アルキレン基、アルケニル基、アルケニレン基、アルキニル基および/またはアルキニレン基等を含むとき、これらは環状でも鎖状でもよく、また直鎖でも分岐していてもよく、上記のように置換されていても無置換でもよい。
本発明の固体電解質組成物は、固形成分を分散させるため分散媒を含有する。分散媒の具体例としては下記のものが挙げられる。
本発明に用いられる(C)分散媒は、中でも、エーテル化合物溶媒、ケトン化合物溶媒または炭化水素溶媒(芳香族化合物溶媒もしくは脂肪族化合物溶媒)が好ましく、無機固体電解質の安定性の点から、炭化水素溶媒(芳香族化合物溶媒または脂肪族化合物溶媒)がより好ましく、ジイソプロピルエーテル、1,4−ジオキサン、トルエン、キシレンまたはオクタンがさらに好ましい。
本発明の固体電解質組成物は(D)バインダーを含有してもよい。以下、(D)バインダーを単にバインダーとも称する。
本発明で使用するバインダーは、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、特に制限はなく、例えば、以下に述べる樹脂からなるバインダーが好ましい。
炭化水素系熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム(SBR)、水素添加スチレンブタジエンゴム(HSBR)、ブチレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ポリブタジエン、ポリイソプレンが挙げられる。
アクリル樹脂としては、各種の(メタ)アクリルモノマー類、(メタ)アクリルアミドモノマー類、およびこれら樹脂を構成するモノマーの共重合体(好ましくは、アクリル酸とアクリル酸メチルとの共重合体)が挙げられる。
また、そのほかのビニル系モノマーとの共重合体(コポリマー)も好適に用いられる。例えば、(メタ)アクリル酸メチルとスチレンとの共重合体、(メタ)アクリル酸メチルとアクリロニトリルとの共重合体、(メタ)アクリル酸ブチルとアクリロニトリルとスチレンとの共重合体が挙げられる。本願明細書において、コポリマーは、統計コポリマーおよび周期コポリマーのいずれでもよく、ブロックコポリマーが好ましい。
その他の樹脂としては例えばポリウレタン樹脂、ポリウレア樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリカーボネート樹脂、セルロース誘導体樹脂等が挙げられる。
これらは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。
本発明において、バインダーが分散媒に対して不溶の粒子であることが固体電解質組成物の分散安定性の観点から好ましい。ここで、「バインダーが分散媒に対して不溶の粒子である」とは、30℃の分散媒に添加し、24時間静置しても、平均粒子径が5%以上低下しないことを意味し、3%以上低下しないことが好ましく、1%以上低下しないことがより好ましい。
なお、バインダー粒子が分散媒に全く溶解していない状態では、添加前に対する平均粒子径の上記変化量は0%である。
また、固体電解質組成物中におけるバインダーは、無機固体電解質の粒子間イオン伝導性の低下抑制のため、平均粒子径10nm〜30μmであることが好ましく、10〜1000nmのナノ粒子であることがより好ましい。
バインダー粒子を任意の溶媒(固体電解質組成物の調製に用いる分散媒。例えば、オクタン)を用いて20mlサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調製する。希釈後の分散試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA−920(商品名、HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、得られた体積平均粒子径を平均粒子径とする。その他の詳細な条件等は必要によりJISZ8828:2013「粒子径解析−動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製して測定し、その平均値を採用する。
なお、作製された全固体二次電池からの測定は、例えば、電池を分解し電極を剥がした後、その電極材料について上記ポリマー粒子の平均粒子径の測定方法に準じてその測定を行い、あらかじめ測定していたポリマー粒子以外の粒子の平均粒子径の測定値を排除することにより行うことができる。
また、本発明に用いられるバインダーを構成するポリマーは、固体の状態で使用しても良いし、ポリマー粒子分散液またはポリマー溶液の状態で用いてもよい。
本発明では、バインダーの質量に対する、無機固体電解質と活物質の合計質量(総量)の質量比[(無機固体電解質の質量+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。
本発明の固体電解質組成物は、周期律表第1族又は第2族に属する金属元素のイオンの挿入放出が可能な(E)活物質を含有してもよい。以下、(E)活物質を単に活物質とも称する。
活物質としては、正極活物質及び負極活物質が挙げられ、正極活物質である遷移金属酸化物、又は、負極活物質である金属酸化物が好ましい。
本発明において、活物質(正極活物質、負極活物質)を含有する固体電解質組成物を、電極用組成物(正極用組成物、負極用組成物)ということがある。
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい正極活物質は、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、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、遷移金属酸化物や、有機物、硫黄などのLiと複合化できる元素や硫黄と金属の複合物などでもよい。
中でも、正極活物質としては、遷移金属酸化物を用いることが好ましく、遷移金属元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、CuおよびVから選択される1種以上の元素)を有する遷移金属酸化物がより好ましい。また、この遷移金属酸化物に元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、PまたはBなどの元素)を混合してもよい。混合量としては、遷移金属元素Maの量(100mol%)に対して0〜30mol%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3〜2.2になるように混合して合成されたものが、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および(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、LiMn2O4(LMO)、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8および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および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ならびに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および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およびLi2CoSiO4等が挙げられる。
本発明では、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物が好ましく、LCO、NCA又はNMCがより好ましい。
正極活物質層を形成する場合、正極活物質層の単位面積(cm2)当たりの正極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
本発明の固体電解質組成物が含有してもよい負極活物質は、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、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、酸化錫等の金属酸化物、酸化ケイ素、金属複合酸化物、リチウム単体およびリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、並びに、Sn、Si、AlおよびIn等のリチウムと合金形成可能な金属等が挙げられる。中でも、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、リチウムを吸蔵および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。
負極活物質層を形成する場合、負極活物質層の単位面積(cm2)当たりの負極活物質の質量(mg)(目付量)は特に限定されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができる。
また、正極活物質または負極活物質を含む電極表面は硫黄またはリンで表面処理されていてもよい。
さらに、正極活物質または負極活物質の粒子表面は、上記表面被覆の前後において活性光線または活性気体(プラズマ等)により表面処理を施されていても良い。
本発明の固体電解質組成物は分散剤を含有してもよい。分散剤を添加することで電極活物質及び無機固体電解質のいずれかの濃度が高い場合や、粒子径が細かく表面積が増大する場合においてもその凝集を抑制し、均一な活物質層及び固体電解質層を形成することができる。分散剤としては、全固体二次電池に通常使用されるものを適宜選定して用いることができる。一般的には粒子吸着と立体反発および/または静電反発を意図した化合物が好適に使用される。
本発明の固体電解質組成物は、リチウム塩を含有してもよい。
リチウム塩としては、特に制限はなく、例えば、特開2015−088486号公報の段落0082〜0085記載のリチウム塩が好ましい。
リチウム塩の含有量は、無機固体電解質100質量部に対して0質量部以上が好ましく、5質量部以上がより好ましい。上限としては、50質量部以下が好ましく、20質量部以下がより好ましい。
本発明の固体電解質組成物は、導電助剤を含有してもよい。導電助剤としては、特に制限はなく、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良い。またこれらの内1種を用いても良いし、2種以上を用いても良い。
本発明の固体電解質組成物は、(A)無機固体電解質を(C)分散媒の存在下で分散して、スラリー化することで調製することができる。
スラリー化は、各種の混合機を用いて無機固体電解質と分散媒とを混合することにより行うことができる。混合装置としては、特に限定されないが、例えば、ボールミル、ビーズミル、プラネタリミキサ―、ブレードミキサ―、ロールミル、ニーダーおよびディスクミルが挙げられる。混合条件は特に制限されないが、例えば、ボールミルを用いた場合、150〜700rpm(rotation per minute)で1時間〜24時間混合することが好ましい。
活物質、粒子分散剤等の成分を含有する固体電解質組成物を調製する場合には、上記の(A)無機固体電解質の分散工程と同時に添加及び混合してもよく、別途添加及び混合してもよい。なお、(B)含フッ素化合物は、上記の(A)無機固体電解質及び/又は活物質、粒子分散剤等の成分の分散工程と同時に添加及び混合してもよく、別途添加及び混合してもよい。
本発明の固体電解質含有シートは、(A)周期律表第1族又は第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、(B)上記条件b1〜b4を全て満たす含フッ素化合物とを含有する層を有する。
また、本発明の固体電解質含有シートは、(B)含フッ素化合物が(A)無機固体電解質と化学結合等を形成することなく疎水性の効果を発揮すると推定される。すなわち、本発明の固体電解質含有シートの保存期間中における、湿気等の大気中の水分による(A)無機固体電解質の分解を抑制することができ、固体電解質含有シートの層厚の均一性を保存期間中も維持することができると推定される。特に、硫化物系無機固体電解質は水分と反応しやすく、分解されることで硫化水素を発生するため、これに伴う固体電解質含有シートの膜厚のムラを抑制することができる。また、本発明の固体電解質含有シートは、(B)含フッ素化合物の添加によるイオン伝導度の低下を最小限に抑えつつ、耐水性を向上できると考えられる。
この全固体二次電池用シートは、固体電解質層及び/又は活物質層を有していれば、他の層を有してもよいが、活物質を含有するものは後述する全固体二次電池用電極シートに分類される。他の層としては、例えば、保護層、集電体、コート層(集電体、固体電解質層、活物質層)等が挙げられる。
全固体二次電池用固体電解質シートとして、例えば、固体電解質層と保護層とを基材上に、この順で有するシートが挙げられる。
基材としては、固体電解質層を支持できるものであれば特に限定されず、後記集電体で説明した材料、有機材料および無機材料等のシート体(板状体)等が挙げられる。有機材料としては、各種ポリマー等が挙げられ、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレンおよびセルロース等が挙げられる。無機材料としては、例えば、ガラスおよびセラミック等が挙げられる。
このシートは、本発明の固体電解質組成物を基材上(他の層を介していてもよい)に製膜(塗布乾燥)して、基材上に固体電解質層を形成することにより、得られる。
ここで、本発明の固体電解質組成物は、上記の方法によって、調製できる。
電極シートを構成する各層の層厚は、上述の、本発明の全固体二次電池において説明した各層の層厚と同じである。また、電極シートを構成する各層の構成は、後記、本発明の全固体二次電池において説明した各層の構成と同じである。
電極シートは、本発明の、活物質を含有する固体電解質組成物を金属箔上に製膜(塗布乾燥)して、金属箔上に活物質層を形成することにより、得られる。
本発明の全固体二次電池は、正極と、この正極に対向する負極と、正極及び負極の間の固体電解質層とを有する。正極は、正極集電体上に正極活物質層を有する。負極は、負極集電体上に負極活物質層を有する。
負極活物質層、正極活物質層及び固体電解質層の少なくとも1つの層は、本発明の固体電解質組成物を用いて形成されることが好ましい。
固体電解質組成物を用いて形成された活物質層および/または固体電解質層は、好ましくは、含有する成分種及びその含有量比について、固体電解質組成物の固形分におけるものと基本的に同じである。
以下に、図1を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。
全固体二次電池10においては、正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層のいずれかが本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている。
すなわち、固体電解質層3が本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている場合、固体電解質層3は、(A)無機固体電解質と(B)含フッ素化合物とを含む。固体電解質層は、通常、正極活物質及び/又は負極活物質を含まない。
正極活物質層4及び/又は負極活物質層2が、活物質を含有する本発明の固体電解質組成物を用いて作製されている場合、正極活物質層4及び負極活物質層2は、それぞれ、正極活物質又は負極活物質を含み、さらに、(A)無機固体電解質と(B)含フッ素化合物とを含む。活物質層が無機固体電解質を含有するとイオン伝導度を向上させることができる。
正極活物質層4、固体電解質層3及び負極活物質層2が含有する(A)無機固体電解質及び(B)含フッ素化合物は、それぞれ、互いに同種であっても異種であってもよい。
本発明の全固体二次電池は、特に、本発明の固体電解質組成物を用いて作製される本発明の全固体二次電池は、高い電池電圧を示す。これは、(A)無機固体電解質と(B)含フッ素化合物とを含有する層が、高い層厚均一性を有するためと考えられる。特に、保管後の固体電解質組成物、又は、保管後の固体電解質含有シートを用いて作製された場合には、本発明の全固体二次電池は、無機固体電解質の分解に伴う無機固体電解質の孔(ボイド)の発生及び層厚のムラが抑制され、短絡が効果的に制効されると考えられる。
正極集電体5及び負極集電体1は、電子伝導体が好ましい。
本発明において、正極集電体及び負極集電体のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、集電体と称することがある。
正極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケルおよびチタンなどの他に、アルミニウムまたは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(薄膜を形成したもの)が好ましく、その中でも、アルミニウムおよびアルミニウム合金がより好ましい。
負極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケルおよびチタンなどの他に、アルミニウム、銅、銅合金または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、アルミニウム、銅、銅合金およびステンレス鋼がより好ましい。
集電体の厚みは、特に限定されないが、1〜500μm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。
上記の各層を配置して全固体二次電池の基本構造を作製することができる。用途によってはこのまま全固体二次電池として使用してもよいが、乾電池の形態とするためにはさらに適当な筐体に封入して用いる。筐体は、金属性のものであっても、樹脂(プラスチック)製のものであってもよい。金属性のものを用いる場合には、例えば、アルミニウム合金およびステンレス鋼製のものを挙げることができる。金属性の筐体は、正極側の筐体と負極側の筐体に分けて、それぞれ正極集電体及び負極集電体と電気的に接続させることが好ましい。正極側の筐体と負極側の筐体とは、短絡防止用のガスケットを介して接合され、一体化されることが好ましい。
本発明の固体電解質含有シートは、本発明の固体電解質組成物を基材上(他の層を介していてもよい)に製膜(塗布乾燥)して、基材上に固体電解質層を形成することにより、得られる。
上記態様により、(A)無機固体電解質と(B)含フッ素化合物とを基材上に有する固体電解質含有シートを作製することができる。
その他、塗布等の工程については、下記全固体二次電池の製造に記載の方法を使用することができる。
なお、固体電解質含有シートは、電池性能に影響を与えない範囲内で(C)分散媒を含有してもよい。具体的には、全質量中1ppm以上10000ppm以下含有してもよい。
固体電解質含有シートを20mm角で打ち抜き、ガラス瓶中で重テトラヒドロフランに浸漬させる。得られた溶出物をシリンジフィルターでろ過して1H−NMRにより定量操作を行う。1H−NMRピーク面積と溶媒の量の相関性は検量線を作成して求める。
全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートの製造は、常法によって行うことができる。具体的には、全固体二次電池及び全固体二次電池用電極シートは、本発明の固体電解質組成物等を用いて、上記の各層を形成することにより、製造できる。以下詳述する。
例えば、正極集電体である金属箔上に、正極用材料(正極用組成物)として、正極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して正極活物質層を形成し、全固体二次電池用正極シートを作製する。次いで、この正極活物質層の上に、固体電解質層を形成するための固体電解質組成物を塗布して、固体電解質層を形成する。さらに、固体電解質層の上に、負極用材料(負極用組成物)として、負極活物質を含有する固体電解質組成物を塗布して、負極活物質層を形成する。負極活物質層の上に、負極集電体(金属箔)を重ねることにより、正極活物質層と負極活物質層の間に固体電解質層が挟まれた構造の全固体二次電池を得ることができる。必要によりこれを筐体に封入して所望の全固体二次電池とすることができる。
また、各層の形成方法を逆にして、負極集電体上に、負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層を形成し、正極集電体を重ねて、全固体二次電池を製造することもできる。
また別の方法として、次の方法が挙げられる。すなわち、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートを作製する。また、これとは別に、固体電解質組成物を基材上に塗布して、固体電解質層からなる全固体二次電池用固体電解質シートを作製する。さらに、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートで、基材から剥がした固体電解質層を挟むように積層する。このようにして、全固体二次電池を製造することができる。
固体電解質組成物の塗布方法は、特に限定されず、適宜に選択できる。例えば、塗布(好ましくは湿式塗布)、スプレー塗布、スピンコート塗布、ディップコート、スリット塗布、ストライプ塗布およびバーコート塗布が挙げられる。
このとき、固体電解質組成物は、それぞれ塗布した後に乾燥処理を施してもよいし、重層塗布した後に乾燥処理をしてもよい。この乾燥処理により、(B)含フッ素化合物が蒸発して各層中から完全に除去されてしまわないことが好ましい。乾燥温度は特に限定されない。下限は30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上がさらに好ましい。上限は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましく、200℃以下がさらに好ましい。このような温度範囲で加熱することで、(C)分散媒を除去し、固体状態にすることができる。また、温度を高くしすぎず、全固体二次電池の各部材を損傷せずに済むため好ましい。これにより、全固体二次電池において、優れた総合性能を示し、かつ良好な結着性を得ることができる。
また、塗布した固体電解質組成物は、加圧と同時に加熱してもよい。加熱温度としては、特に限定されず、一般的には30〜300℃の範囲である。無機固体電解質のガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。
加圧は塗布溶媒又は分散媒をあらかじめ乾燥させた状態で行ってもよいし、溶媒又は分散媒が残存している状態で行ってもよい。
なお、各組成物は同時に塗布しても良いし、塗布乾燥プレスを同時および/または逐次行っても良い。別々の基材に塗布した後に、転写により積層してもよい。
プレス時間は短時間(例えば数時間以内)で高い圧力をかけてもよいし、長時間(1日以上)かけて中程度の圧力をかけてもよい。全固体二次電池用シート以外、例えば全固体二次電池の場合には、中程度の圧力をかけ続けるために、全固体二次電池の拘束具(ネジ締め圧等)を用いることもできる。
プレス圧はシート面等の被圧部に対して均一であっても異なる圧であってもよい。
プレス圧は被圧部の面積や膜厚に応じて変化させることができる。また同一部位を段階的に異なる圧力で変えることもできる。
プレス面は平滑であっても粗面化されていてもよい。
上記のようにして製造した全固体二次電池は、製造後又は使用前に初期化を行うことが好ましい。初期化は、特に限定されず、例えば、プレス圧を高めた状態で初充放電を行い、その後、全固体二次電池の一般使用圧力になるまで圧力を開放することにより、行うことができる。
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(電気自動車等)、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〕正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層の少なくとも1層がリチウム塩を含有する全固体二次電池。
〔2〕固体電解質層が、分散媒によって、リチウム塩および硫化物系無機固体電解質が分散されたスラリーを湿式塗布し製膜される全固体二次電池の製造方法。
〔3〕上記全固体二次電池作製用の活物質を含有する固体電解質組成物。
〔4〕上記固体電解質組成物を金属箔上に適用し、製膜してなる電池用電極シート。
〔5〕上記固体電解質組成物を金属箔上に適用し、製膜する電池用電極シートの製造方法。
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。
−Li−P−S系ガラスの合成−
硫化物系無機固体電解質として、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.HamGa,K.Kawamoto,Journal of Power Sources,233,(2013),pp231−235およびA.Hayashi,S.Hama,H.Morimoto,M.Tatsumisago,T.Minami,Chem.Lett.,(2001),pp872−873の非特許文献を参考にして、Li−P−S系ガラスを合成した。
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66個投入し、上記硫化リチウムと五硫化二リンとの混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を密閉した。フリッチュ社製の遊星ボールミルP−7(商品名)にこの容器をセットし、温度25℃、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行い、黄色粉体の硫化物系無機固体電解質(Li−P−S系ガラス)6.20gを得た。イオン伝導度は0.28mS/cm、粒子径は20.3μmであった。
<各組成物の調製>
(1)固体電解質組成物S−1の調製
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径3mmのジルコニアビーズを50個投入し、酸化物系無機固体電解質LLZ(豊島製作所製)1.5g、含フッ素化合物(B−1)0.10g、バインダー(E−1)0.02gを加え、分散媒として、1,4−ジオキサン5.3gを投入した。その後、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、温度25℃、回転数300rpmで2時間混合を続け固体電解質組成物S−1を調製した。
(2)固体電解質組成物S−2の調製
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径3mmのジルコニアビーズを50個投入し、上記で合成した硫化物系無機固体電解質Li−P−S系ガラス0.8g、含フッ素化合物(B−1)0.10g、バインダー(E−1)0.04g、分散媒として1,4−ジオキサン3.6gを投入した。その後、この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数300rpmで2時間攪拌を続け、固体電解質組成物S−2を調製した。
(3)固体電解質組成物S−3〜S−11およびT−1〜T−4の調製
下記表1に記載の組成に変えた以外は、上記固体電解質組成物S−1またはS−2と同様の方法で、固体電解質組成物S−3〜S−11およびT−1〜T−4を調製した。
ここで、固体電解質組成物S−1〜S−11が本発明の固体電解質組成物であり、固体電解質組成物T−1〜T−4が比較の固体電解質組成物である。
上記で作製した実施例及び比較例の固体電解質組成物について、以下のスラリー耐湿性試験を行った。
作製直後の固体電解質組成物のスラリーについて、下記方法によりイオン伝導度Freshを測定した。
また、作製直後の固体電解質組成物のスラリー 10mlをサンプル瓶(高さ150mm、直径12mm、アズワン社製、商品名:遠沈管(ECK−15mL))中に入れ、蓋をした状態で、露点−50℃の条件下、25℃で1週間静置した。1週間保管後の固体電解質組成物のスラリーについて、下記方法によりイオン伝導度1weekを測定した。
下記式によりイオン伝導度の保持率を算出し、下記基準によりスラリー耐湿性を評価した。ランクA及びBが合格レベルである。
イオン伝導度の保持率=イオン伝導度1week/イオン伝導度Fresh
A:0.9<イオン伝導度の保持率≦1.0
B:0.7<イオン伝導度の保持率≦0.9
C:0.5<イオン伝導度の保持率≦0.7
D:0.1<イオン伝導度の保持率≦0.5
E:イオン伝導度の保持率≦0.1
(イオン伝導度測定用サンプルの作製)
固体電解質組成物を厚み20μmのアルミ箔上に、アプリケーター(商品名:SA−201ベーカー式アプリケーター、テスター産業社製)により塗布し、露点−80℃の条件下、60℃で2時間加熱し、塗布した固体電解質組成物を乾燥させた。その後、ヒートプレス機を用いて、所定の密度になるように80℃の温度及び600MPaの圧力で10秒間、乾燥させた固体電解質組成物を加熱及び加圧し、アルミ箔上に固体電解質層が積層された測定用サンプルシート(固体電解質含有シート)を得た。測定用サンプルシートの膜厚は50μmであった。
作製した測定用サンプルシートを直径14.5mmの円板状に切り出し、この測定用サンプルシート15を図2に示すコインケース14に入れた。具体的には、直径15mmの円板状に切り出したアルミ箔(図2に図示しない)を固体電解質層と接触させ、スペーサーとワッシャー(ともに図2において図示しない)を組み込んで、ステンレス製の2032型コインケース14に入れた。ネジSをかしめることでイオン伝導度測定用サンプル13を作製した。
イオン伝導度(mS/cm)=
1000×試料膜厚(cm)/(抵抗(Ω)×試料面積(cm2))
・(A)無機固体電解質
LLZ:Li7La3Zr2O12(豊島製作所製)
Li−P−S:上記で合成したLi−P−S系ガラス
・(B)含フッ素化合物
(b−1):オクタデカフルオロデカヒドロナフタレン(常圧下での融点−10℃、沸点142℃)
(b−2):オクタフルオロナフタレン(常圧下での融点86℃、沸点209℃)
(b−3)〜(b−7):下記に示す化合物(ただし、いずれの化合物も、常圧下での、沸点又は熱分解開始温度は300℃以上である。)
E−1:PVdF−HFP(アルケマ社製、ポリビニレンジフルオリドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体)
E−2:SBR(JSR社製、スチレンブタフエジエンゴム)
E−3:下記の方法で調製したアクリル酸−アクリル酸メチル共重合体(20/80モル比 質量平均分子量25,000)
100mL3つ口フラスコにアクリル酸(和光純薬(株)製)1.2gとアクリル酸メチル4.2g(和光純薬(株)製)をMEK(メチルエチルケトン)30gに溶解し、75℃に加熱撹拌しながら窒素置換した。この溶液にアゾイソブチロニトリル(V−60:商品名、和光純薬(株)製)0.15gを添加して、窒素雰囲気下75℃で6時間加熱撹拌した。得られたポリマー溶液について、ヘキサンを用いてポリマーを沈殿させてポリマーをろ取し、ヘキサンで洗浄した後、乾燥することで、バインダー(E−3)の白色粉末を得た。
E−4:アクリルラテックス(特開2015−88486号公報記載のバインダー(B−1)、平均粒子径:198nm(分散媒:ノルマルヘプタン)
E−5:ウレタンポリマー(特開2015−88480号公報記載の例示化合物(44) 質量平均分子量16,200)
なお、バインダーの平均粒子径は、分散媒中に粒子状で存在するもののみ記載している。
これに対して、本発明に規定する(B)含フッ素化合物を含有する固体電解質組成物S−1〜S−11は、スラリー耐湿性に優れ、経時保管によるイオン伝導度の低下が少なく、保存安定性に優れることがわかった。
得られた固体電解質組成物を用いて、活物質層形成用固体電解質組成物を調製した。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径3mmのジルコニアビーズを50個投入し、上記で調製した固体電解質組成物S−1を6.8g加えた。これに正極活物質LCOを3.2g加え、その後、この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数100rpmで10分間攪拌を続け、正極用組成物P−1を調製した。
(2)正極用組成物P−2〜P−11およびHP−1〜HP−4の調製
下記表2に記載の組成に変えた以外は、上記正極用組成物P−1と同様の方法で、正極用組成物P−2〜P−11およびHP−1〜HP−4を調製した。
ここで、正極用組成物P−1〜P−11が本発明の固体電解質組成物であり、正極用組成物HP−1〜HP−4が比較の固体電解質組成物である。
LCO:LiCoO2(コバルト酸リチウム)
NCA:LiNi0.85Co0.10Al0.05O2(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム)
NMC:LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム)
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径3mmのジルコニアビーズを50個投入し、上記で調製した固体電解質組成物S−1を6.8g加えた。これに負極活物質として黒鉛を3.2g加え、その後、この容器を遊星ボールミルP−7(フリッチュ社製)にセットし、温度25℃、回転数100rpmで10分間攪拌を続け、負極用組成物N−1を調製した。
(4)負極用組成物N−2〜N−11およびHN−1〜HN−4の調製
下記表3に記載の組成に変えた以外は、上記負極用組成物N−1と同様の方法で、負極用組成物N−2〜N−11およびHN−1〜HN−4を調製した。
ここで、負極用組成物N−1〜N−11が本発明の固体電解質組成物であり、負極用組成物HN−1〜HN−4が比較の固体電解質組成物である。
(1)全固体二次電池正極シート(以下、正極シートとも称す。)の作製
上記正極用組成物P−1のスラリーを厚み40μmのアルミ箔上に、アプリケーター(商品名SA−201ベーカー式アプリケータ、テスター産業社製)により塗布し、ヒートプレス機を用いて80℃で1時間加熱して分散媒を除去し、厚さ約120μmの正極活物質層を有する、厚さ約160μmの正極シートPS−1を得た。
同様にして、正極シートPS−2〜PS−11およびHPS−1〜HPS−4を作製した。
下記表4において、正極層PS−1〜PS−11およびHPS−1〜HPS−4は、全固体二次電池の正極層が、それぞれ正極シートPS−1〜PS−11およびHPS−1〜HPS−4の正極層であることを意味する。
正極シートPS−1と同様にして、上記固体電解質組成物S−1を用いて、厚さ約50μmの固体電解質層を有する、固体電解質シートSS−1を作製した。固体電解質シートSS−1と同様にして、固体電解質シートSS〜2−SS−11およびHSS−1〜HSS−4を作製した。
下記表4において、固体電解質層SS−1〜SS−11およびHSS−1〜HSS−4におけるシートの層厚均一性は、それぞれ固体電解質シートSS−1〜SS−11およびHSS−1〜HSS−4の評価結果である。
正極シートPS−1と同様にして、上記負極用組成物N−1を用いて、厚さ約150μmの負極活物質層を有する、負極シートNS−1を作製した。負極シートNS−1と同様にして、負極シートNS−2〜NS−11およびHNS−1〜HNS−4を作製した。
下記表4において、負極層NS−1〜NS−11およびHNS−1〜HNS−4は、全固体二次電池の負極層が、それぞれ負極シートNS−1〜NS−11およびHNS−1〜HNS−4の負極層であることを意味する。
上記で作製した固体電解質含有シート(正極シート、固体電解質シートおよび負極シート)について層厚均一性試験(Freshおよび経時保管)を行った。以下、試験方法を記載する。また、結果を下記表4にまとめて記載する。
得られた固体電解質含有シートを25mm四方で打ち抜き、サンプルとした。このサンプルの9点(縦3点×横3点)の層厚を層厚計を用いて測り、9点の平均値および標準偏差を求め、下記評価基準により層厚均一性(Fresh)を評価した。ここで、層厚を測定した9点とは、サンプルの縦横の各辺から、それぞれ7.5mm、12.5mm及び17.5mmの線を引いた際の、2つの線の交点である。
各組成物から得られるシートが、ぞれぞれ均一な厚みを有すると、上記シートを組み込んだ全固体二次電池を作動させる際に、シート製造時の塗布ムラに起因する電池電圧の低下の抑制効果を期待できる。ランクA及びBが合格レベルである。
A:(標準偏差/平均)<5%
B:5%≦(標準偏差/平均)<10%
C:10%≦(標準偏差/平均)<20%
D:20%≦(標準偏差/平均)<50%
得られた固体電解質含有シートを25mm四方で打ち抜き、サンプルとした。このサンプルを温度25℃露点−50℃の大気雰囲気下で1週間暴露した後、暴露後のサンプルについて、上記層厚均一性試験(Fresh)と同様にして、9点の平均値および標準偏差を求め、下記評価基準により層厚均一性(経時保管)を評価した。
作製した固体電解質含有シートが、高露点下で保管後も均一な厚みを有すると、上記シートを組み込んだ全固体二次電池を作動させる際に、無機固体電解質の分解等に伴う層厚のムラに起因する短絡抑制効果が期待され、保管前の電池電圧に対する電池電圧の低下の抑制効果が期待できる。ランクA及びBが合格レベルである。下記表では、層厚均一性試験(経時)として記載した。
A:(標準偏差/平均)<5%
B:5%≦(標準偏差/平均)<10%
C:10%≦(標準偏差/平均)<20%
D:20%≦(標準偏差/平均)<50%
E:50%≦(標準偏差/平均)
(全固体二次電池シートの作製)
固体電解質組成物S−1をテフロン(登録商標)シート上に、アプリケーター(商品名:SA−201ベーカー式アプリケーター、テスター産業社製)により塗布し80℃で0.1時間乾燥し、厚さ約50μmの固体電解質層を形成した。この固体電解質層側と上記で得られた正極シートPS−1の活物質層側とを貼り合わせ、テフロン(登録商標)シートを除去した。さらに、この固体電解質層側と上記で得られた負極シートNS−1の活物質層側とを貼り合わせ、プレス機を用いて300MPaで5秒間プレスし、図1に示す層構造を有する、試験No.101の全固体二次電池シートを製造した。
(全固体二次電池の作製)
上記で製造した全固体二次電池シート17を直径14.5mmの円板状に切り出し、図3に示すように、スペーサーとワッシャー(ともに図3において図示しない)を組み込んだステンレス製の2032型コインケース16に上記切り出した全固体二次電池シート17を入れた。これを図2に記載の装置に設置し、トルクレンチでネジSを8ニュートン(N)の力で締め付け、試験No.101の全固体二次電池18を製造した。
同様にして、試験No.102〜111およびc101〜c104の全固体二次電池シートおよび全固体二次電池を作製した。
ここで、試験No.102〜111が本発明であり、試験No.c101〜c104が比較例である。
上記で作製した実施例及び比較例の全固体二次電池に対して以下の電圧評価を行った。評価結果を、下記表4に示す。
なお、下記表4中、上記層厚均一性試験(Fresh)で使用した正極シート及び負極シートを用いて作製した全固体二次電池の電圧評価を電圧評価(Fresh)、上記層厚均一性試験(経時保管)の条件で保管した正極シート及び負極シートを用いて作製した全固体二次電池の電圧評価を電圧評価(経時)の欄に、各々記載した。
いずれの試験においても、全固体二次電池の固体電解質層の形成には、作製直後の固体電解質組成物を使用した。
上記で作製した全固体二次電池の電池電圧を、東洋システム社製の充放電評価装置「TOSCAT−3000(商品名)」により測定した。
充電は、電流密度2A/m2で電池電圧が4.2Vに達するまで行い、4.2Vに到達後は、電流密度が0.2A/m2未満となるまで、4.2Vでの定電圧充電を実施した。放電は、電流密度2A/m2で電池電圧が3.0Vに達するまで行った。これを1サイクルとして3サイクル繰り返して行い、3サイクル目の5mAh/g放電後の電池電圧を読み取り、以下の基準で評価した。なお、ランクA及びBが合格レベルである。
なお、1回目の充電の際に短絡が生じたため、放電テストを行えなかった場合を、下記表中において、「短絡」と記載した。
A:4.0V以上
B:3.9V以上4.0V未満
C:3.8V以上3.9V未満
D:3.7V以上3.8V未満
E:3.7V未満
これに対して、本発明に規定する(B)含フッ素化合物を含有する固体電解質組成物から作製した、本発明の固体電解質含有シート(正極シート、固体電解質シートおよび負極シート)は、層厚均一性が良好であった。また、少なくとも1つの層を本発明の固体電解質組成物から作製した、(B)含フッ素化合物を含有する全固体二次電池は、電池電圧が良好であった。特に、経時保管後の固体電解質含有シートも層厚均一性は良好なままであり、この経時保管後のシートを用いた全固体二次電池は、短絡を生じることなく、良好な電池電圧を示した。
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 全固体二次電池(イオン伝導度測定用サンプル)
14 コインケース
15 全固体二次電池シート(測定用サンプルシート)
S ネジ
16 2032型コインケース
17 全固体二次電池シート
18 全固体二次電池
Claims (14)
- (A)周期律表第1族又は第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、(B)下記条件b1〜b4を全て満たす含フッ素化合物と、(C)分散媒とを含有する固体電解質組成物であって、
該固体電解質組成物の全固形分中における前記(B)含フッ素化合物の含有量が、0.1質量%以上20質量%未満である固体電解質組成物。
b1:構成原子として炭素原子およびフッ素原子を有し、ケイ素原子を有しない。
b2:全原子数NALLに対するフッ素原子数NFの比であるNF/NALLが、0.10≦NF/NALL≦0.80を満たす。
b3:分子量が5000未満である。ただし重合体は除く。
b4:常圧における沸点又は常圧における熱分解の開始温度が100℃を超える。 - 前記(B)含フッ素化合物が常温常圧で固体である、請求項1に記載の固体電解質組成物。
- 前記(B)含フッ素化合物が芳香族環を有する、請求項1または2に記載の固体電解質組成物。
- 前記(B)含フッ素化合物が下記式(1)〜(3)のいずれかで表される化合物から選択される少なくとも1種である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
上記式(2)中、環αはベンゼン環又はナフタレン環を示す。R21は、フッ素含有置換基又は水素原子を示し、X21は単結合、アルキレン基、−O−、−S−、−C(=O)−若しくは−NR−又はこれらを組み合わせてなる2価の連結基を示し、Y21は単結合、又はm21+1価の炭化水素基を示し、m21は1〜5の整数であり、n21は1〜8の整数である。ここで、Rは水素原子又はアルキル基を示す。R22は有機基を示し、m22は0〜7の整数である。R21が複数個存在する場合、複数個のR21は互いに同一でも異なってもよく、R22が複数個存在する場合、複数個のR22は互いに同一でも異なってもよい。ただし、少なくとも1つのR21はフッ素含有置換基を示す。
上記式(3)中、R31〜R36は、各々独立にフッ素含有置換基又は水素原子を示し、X31〜X36は、各々独立に単結合、アルキレン基、−O−、−S−、−C(=O)−若しくは−NR−又はこれらを組み合わせてなる2価の連結基を示す。ここで、Rは水素原子又はアルキル基を示す。ただし、R31〜R36の少なくとも1つはフッ素含有置換基を示す。 - 前記フッ素含有置換基が、フッ素原子、フッ素置換アルキル基、フッ素置換アルコキシ基またはフッ素置換アシルオキシ基である、請求項4に記載の固体電解質組成物。
- 前記(C)分散媒が前記(B)含フッ素化合物よりも低沸点である、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(C)分散媒が炭化水素溶媒である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- (D)バインダーを含有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- 前記(D)バインダーが体積平均粒子径10nm〜30μmのポリマー粒子である、請求項8に記載の固体電解質組成物。
- 前記(A)周期律表第1族又は第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が硫化物系無機固体電解質である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体電解質組成物。
- (A)周期律表第1族又は第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、(B)下記条件b1〜b4を全て満たす含フッ素化合物とを含有する層を有する固体電解質含有シート。
b1:構成原子として炭素原子およびフッ素原子を有し、ケイ素原子を有しない。
b2:全原子数NALLに対するフッ素原子数NFの比であるNF/NALLが、0.10≦NF/NALL≦0.80を満たす。
b3:分子量が5000未満である。ただし重合体は除く。
b4:常圧における沸点又は常圧における熱分解の開始温度が100℃を超える。 - 請求項11に記載の固体電解質含有シートの製造方法であって、
前記(A)周期律表第1族又は第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、前記(B)含フッ素化合物と、(C)分散媒とを含有する固体電解質組成物を基材上に塗布する工程と、
加熱乾燥する工程とを含む固体電解質含有シートの製造方法。 - 正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を具備する全固体二次電池であって、
前記正極活物質層、前記負極活物質層および前記固体電解質層の少なくとも1つの層が、請求項11に記載の固体電解質含有シートである全固体二次電池。 - 請求項12に記載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。
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