JPWO2019065030A1 - 全固体二次電池電極用複合粒子およびその製造方法、全固体二次電池用電極、並びに、全固体二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明は、全固体二次電池に優れた出力特性を発揮させ得る全固体二次電池用電極、および、出力特性に優れる全固体二次電池を提供することを目的とする。
ここで、本発明において、複合粒子の「内側部分」とは、複合粒子の中心からの複合粒子の半径方向(以下、単に「半径方向」と称することがある。)に沿う距離が、複合粒子の中心から外周面までの半径方向に沿う距離の半分以下である領域を指し、「外側部分」とは、内側部分よりも半径方向外側に位置する部分を指す。そして、複合粒子中の無機固体電解質の分布は、複合粒子の断面をエネルギー分散型X線分析(EDX)法で分析することにより把握することができる。また、本発明において、複合粒子の「体積平均粒子径」は、JIS Z8825:2013に準拠して測定することができる。なお、本発明において、複合粒子の「体積平均粒子径」は、レーザ散乱・回折法に基づく粒度分布測定装置を用いて測定した粒度分布(体積基準)における積算値50%での粒子径、すなわち50%体積平均粒子径(D50)を意味するものとする。
なお、本発明において、複合粒子中の電極活物質および無機固体電解質の「個数平均粒子径」は、100個の電極活物質および無機固体電解質について、それぞれ電子顕微鏡にて観察し、JIS Z8827−1:2008に従って粒子径を測定し、平均値を算出することにより求めることができる。
なお、本発明において、「露点」とは、フーリエ変換赤外分光法(FT−IR)を用いて測定した水分量から求めた大気圧下露点を指す。
また、本発明によれば、全固体二次電池に優れた出力特性を発揮させ得る全固体二次電池用電極、および、出力特性に優れる全固体二次電池が得られる。
ここで、本発明の全固体二次電池電極用複合粒子は、全固体リチウムイオン二次電池等の全固体二次電池の電極の電極合材層を形成する際に用いられる。そして、本発明の全固体二次電池電極用複合粒子は、例えば本発明の全固体二次電池電極用複合粒子の製造方法を用いて製造することができる。また、本発明の全固体二次電池用電極は、本発明の全固体二次電池電極用複合粒子を用いて形成した電極合材層を備えるものであり、本発明の全固体二次電池の正極および/または負極として用いることができる。
本発明の全固体二次電池電極用複合粒子(以下、単に「複合粒子」と称することがある。)は、電極活物質と、結着材と、無機固体電解質とを含み、任意に、高分子固体電解質、および/または、導電材等のその他の成分を更に含有し得る。また、本発明の全固体二次電池電極用複合粒子は、無機固体電解質が複合粒子の内側部分よりも外側部分に多く偏在しており、且つ、体積平均粒子径が5μm以上90μm以下である。
なお、本発明の全固体二次電池電極用複合粒子を用いることで全固体二次電池に優れた出力特性を発揮させ得る理由は、明らかではないが、以下の通りであると推察される。即ち、無機固体電解質が外側部分に多く偏在した複合粒子は、例えば、電極活物質および結着材を含むスラリー組成物を造粒して得た母粒子に無機固体電解質を外添して調製することができるので、電極活物質、結着材および無機固体電解質を含むスラリー組成物を造粒して複合粒子を調製する場合と比較し、スラリー組成物の造粒時に水分によって無機固体電解質が劣化するのを防止することができる。また、複合粒子を用いて形成した電極合材層中で無機固体電解質が過度に偏在すると全固体二次電池の出力特性が低下する虞があるが、複合粒子の体積平均粒子径を5μm以上90μm以下にすれば、複合粒子の外側部分に無機固体電解質を偏在させた場合であっても、電極合材層を形成した際に電極合材層内で無機固体電解質が過度に偏在するのを抑制して、全固体二次電池の出力特性が低下するのを抑制することができる。
ここで、電極活物質は、全固体二次電池の電極において電子の受け渡しをする物質である。そして、例えば全固体二次電池が全固体リチウムイオン二次電池の場合には、電極活物質としては、通常は、リチウムを吸蔵および放出し得る物質を用いる。
なお、以下では、一例として全固体二次電池電極用複合粒子が全固体リチウムイオン二次電池電極用複合粒子である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
結着材としては、特に限定されることなく、例えば、フッ素系重合体、ジエン系重合体、ニトリル系重合体等の高分子化合物を用いることができる。
ここで、フッ素系重合体、ジエン系重合体およびニトリル系重合体としては、例えば、特開2012−243476号公報に記載されているフッ素系重合体、ジエン系重合体およびニトリル系重合体などを用いることができる。
そして、結着材としては、上述した高分子化合物を一種単独で、或いは、複数種併せて用いることができる。
無機固体電解質としては、特に限定されることなく、結晶性の無機イオン伝導体、非晶性の無機イオン伝導体またはそれらの混合物を用いることができる。そして、例えば全固体二次電池が全固体リチウムイオン二次電池の場合には、無機固体電解質としては、通常は、結晶性の無機リチウムイオン伝導体、非晶性の無機リチウムイオン伝導体またはそれらの混合物を用いることができる。
なお、以下では、一例として全固体二次電池電極用複合粒子が全固体リチウムイオン二次電池電極用複合粒子である場合について説明するが、本発明は下記の一例に限定されるものではない。
同様に、無機固体電解質は、Li2SおよびP2S5に加え、Li3PO4、Li4SiO4、Li4GeO4、Li3BO3およびLi3AlO3からなる群より選ばれる少なくとも1種のオルトオキソ酸リチウムを含んでいてもよい。かかるオルトオキソ酸リチウムを含ませると、無機固体電解質中のガラス成分を安定化させることができる。
全固体二次電池電極用複合粒子が任意に含有し得る高分子固体電解質としては、ポリエチレンオキサイド誘導体およびポリエチレンオキサイド誘導体を含む重合体、ポリプロピレンオキサイド誘導体およびポリプロピレンオキサイド誘導体を含む重合体、リン酸エステル重合体、並びに、ポリカーボネート誘導体およびポリカーボネート誘導体を含む重合体等に電解質塩を含有させたものが挙げられる。
また、全固体二次電池電極用複合粒子が任意に含有し得るその他の成分としては、分散剤、レベリング剤、消泡剤、導電材および補強材などが挙げられる。更に、例えば全固体二次電池が全固体リチウムイオン二次電池の場合には、その他の成分としては、リチウム塩も挙げられる。これらのその他の成分は、電池反応に影響を及ぼさないものであれば、特に制限されない。
本発明の全固体二次電池電極用複合粒子は、上述した無機固体電解質が複合粒子の内側部分よりも外側部分に多く偏在していることを必要とする。
なお、本明細書において、「無機固体電解質の偏在度合い」とは、全固体二次電池電極用複合粒子の断面において、断面の単位面積当たりに含まれる無機固体電解質の量の平均値S2に対する内側部分の単位面積当たりに含まれる無機固体電解質の量の平均値S1の比(S1/S2)を指し、数値が小さいほど無機固体電解質が外側部分により多く偏在していることを示す。そして、所定の領域についての「単位面積当たりに含まれる無機固体電解質の量の平均値」は、複合粒子の断面をエネルギー分散型X線分析(EDX)法で分析し、所定の領域内に含まれる無機固体電解質の量を当該領域の面積で割ることにより求めることができる。
そして、無機固体電解質の偏在度合いは、例えば、無機固体電解質を外添する条件、並びに、電極活物質および無機固体電解質の個数平均粒子径の大きさを調整することにより、調節することができる。具体的には、例えば、母粒子と無機固体電解質との混合物に対して強いせん断力をかけて無機固体電解質の外添を行えば、無機固体電解質が母粒子の内部まで入りこみ、無機固体電解質の偏在度合いの値(S1/S2)が大きくなる。また、例えば、電極活物質の個数平均粒子径に対する無機固体電解質の個数平均粒子径の比を小さくすれば、無機固体電解質が母粒子の内部まで入りこみ、無機固体電解質の偏在度合いの値(S1/S2)が大きくなる。
本発明の全固体二次電池電極用複合粒子の製造方法は、上述した全固体二次電池電極用複合粒子を製造する方法であり、電極活物質および結着材を含むスラリー組成物を造粒して母粒子を得る工程(A)と、工程(A)で得た母粒子に無機固体電解質を外添する工程(B)とを含むことを特徴とする。このように、母粒子に対して無機固体電解質を外添することで、無機固体電解質が複合粒子の内側部分よりも外側部分に多く偏在している複合粒子を容易に得ることができると共に、スラリー組成物の造粒時に無機固体電解質が周囲環境中の水分によって劣化するのを防止することができる。
工程(A)で用いるスラリー組成物は、電極活物質と、結着材とを含み、任意に、高分子固体電解質、および/または、導電材等のその他の成分を更に含有し得る。また、スラリー組成物は、通常、有機溶媒などの溶媒を含有している。なお、スラリー組成物は、本発明の目的を達成し得る範囲内で無機固体電解質を含有していてもよいが、通常は無機固体電解質を含有していない。
上述した溶媒は、単独で、或いは、2種以上を混合して用いることができる。
そして、スラリー組成物の固形分濃度および粘度は、造粒条件に応じて適宜に調整することができる。
しかし、本発明の全固体二次電池電極用複合粒子の製造方法では、電極活物質および結着材を含むスラリー組成物を造粒して得た母粒子に対して無機固体電解質を外添するので、スラリー組成物を造粒する際の周囲の環境の露点を高くしても、無機固体電解質の水分による劣化を防止することができる。従って、工程(A)では、露点が好ましくは0℃以上、より好ましくは5℃以上の環境下でスラリー組成物を造粒して母粒子を得ることができる。このように、露点の高い環境下でスラリー組成物を造粒すれば、複合粒子の製造に要するコストを削減することができる。
なお、母粒子の体積平均粒子径は所望の複合粒子の体積平均粒子径に応じた大きさとすることができる。
工程(B)で用いる無機固体電解質としては、上述した無機固体電解質を用いることができる。また、その好適例および好適な配合割合も、上述した通りである。
なお、混合時間は、例えば1分以上60分以下とすることができる。また、混合温度は、例えば0℃以上40℃以下とすることができる。
本発明の全固体二次電池用電極は、本発明の全固体二次電池電極用複合粒子を含む電極合材層を備える。具体的には、本発明の全固体二次電池用電極は、集電体と、集電体上に任意の導電性接着剤層を介して形成された上記電極合材層とを備えている。
そして、本発明の全固体二次電池用電極を使用すれば、全固体二次電池に優れた出力特性を発揮させることができる。
なお、前記の材料は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
なお、上記方法(1)および(2)の基材としては、電極合材層を支持可能であり、且つ、支持している電極合材層を集電体に貼り合わせ可能であれば、特に限定されることなく、任意の無機材料または有機材料からなる基材を用いることができる。
本発明の全固体二次電池は、正極、固体電解質層および負極を有し、正極および負極の少なくとも一方が本発明の全固体二次電池用電極であることを特徴とする。即ち、本発明の全固体二次電池は、正極および負極が本発明の全固体二次電池用電極であるか、或いは、正極および負極の一方が本発明の全固体二次電池用電極であり、他方が本発明の全固体二次電池用電極に該当しない全固体二次電池用電極である。
そして、本発明の全固体二次電池は、正極および/または負極として本発明の全固体二次電池用電極を用いているので、出力特性に優れている。
また、本発明の全固体二次電池用電極に該当しない全固体二次電池用電極としては、本発明の全固体二次電池電極用複合粒子を用いてなる電極合材層を有さないものであれば特に限定されることなく、任意の全固体二次電池用電極を用いることができる。
そして、実施例および比較例において、複合粒子の体積平均粒子径、複合粒子中の電極活物質および無機固体電解質の個数平均粒子径、複合粒子中の無機固体電解質の偏在度合い、全固体二次電池用電極のピール強度、並びに、全固体二次電池の出力特性は、以下の方法で算出、評価した。
作製した複合粒子について、JIS Z8825:2013に準拠し、レーザ回析・散乱式粒度分布測定装置(マイクロトラックベル社製、マイクロトラックMT−3200II)を用いて、圧縮空気による粒子の分散は行わずに、体積平均粒子径を乾式測定した。
<電極活物質および無機固体電解質の個数平均粒子径>
JIS Z8827−1:2008に準拠し、100個の電極活物質および100個の無機固体電解質について電子顕微鏡にて倍率10000倍で観察して粒子径を測定し、個数平均粒子径を算出した。
<無機固体電解質の偏在度合い>
作製した複合粒子をクロスセクションポリッシャ(登録商標)で断面加工処理し、得られた複合粒子の断面をエネルギー分散型X線分析(EDX)法で分析して、複合粒子の断面中に存在する、無機固体電解質に由来する硫黄の位置および量を求めた。そして、分析した複合粒子の断面について、存在する全硫黄の量s2と複合粒子の断面の面積a2とから断面の単位面積当たりに含まれる無機固体電解質の量の平均値S2(=s2/a2)を算出すると共に、複合粒子の内側部分(複合粒子の中心からの複合粒子の半径方向に沿う距離が、複合粒子の中心から外周面までの半径方向に沿う距離の半分以下である領域)に存在する硫黄の量s1と内側部分の面積a1とから内側部分の単位面積当たりに含まれる無機固体電解質の量の平均値S1(=s1/a1)を算出した。そして、無機固体電解質の偏在度合い(S1/S2)を求めた。
なお、無機固体電解質の偏在度合い(S1/S2)の値が1未満であれば、複合粒子中で無機固体電解質が内側部分よりも外側部分に多く偏在していることを意味する。
<ピール強度>
作製した固体電解質層付き電極を、幅1cm×長さ10cmの矩形に切って試験片とし、固体電解質層側の表面を上にして固定した。そして、試験片の固体電解質層側の表面にセロハンテープを貼り付けた後、試験片の一端からセロハンテープを50mm/分の速度で180°方向に引き剥がしたときの応力を測定した。測定を10回行い、応力の平均値を求めてこれをピール強度とし、以下の基準で評価した。ピール強度が大きいほど、電極に対して固体電解質層が良好に密着しており、電極のピール強度が優れていることを示す。
A:ピール強度が10N/m以上
B:ピール強度が7N/m以上10N/m未満
C:ピール強度が5N/m以上7N/m未満
D:ピール強度が3N/m以上5N/m未満
E:ピール強度が3N/m未満
<出力特性>
作製した10セルの全固体二次電池について、0.1Cの定電流法によって4.3Vまで充電し、その後0.1Cにて3.0Vまで放電して0.1C放電容量を求めた。その後、0.1Cにて4.3Vまで充電し、その後5Cにて3.0Vまで放電して5C放電容量を求めた。そして、10セルの全固体二次電池の各測定値の平均値を0.1C放電容量aおよび5C放電容量bとし、5C放電容量bと0.1C放電容量aの電気容量の比(b/a(%))で表される容量保持率を求め、以下の基準で評価した。容量保持率の値が高いほど出力特性に優れている、すなわち内部抵抗が小さいことを意味する。
A:容量保持率が70%以上
B:容量保持率が50%以上70%未満
C:容量保持率が30%以上50%未満
D:容量保持率が10%以上30%未満
E:容量保持率が10%未満
反応容器に、水240部、アクリロニトリル36部およびドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム(乳化剤)2.5部を仕込み、温度を5℃に調整した。次いで、気相を減圧して十分に脱気してから、1,3−ブタジエン64部、重合開始剤であるパラメンタンヒドロペルオキシド0.06部、エチレンジアミン四酢酸ナトリウム0.02部、硫酸第一鉄(7水塩)0.006部およびホルムアルデヒドスルホキシル酸ナトリウム0.06部、並びに、連鎖移動剤であるt−ドデシルメルカプタン1部を添加して乳化重合反応を開始した。反応停止後、反応容器の内容物を70℃に加温し、減圧下で水蒸気蒸留により未反応の単量体を回収して、ニトリル基含有不飽和重合体の水分散液(固形分24質量%)を得た。
得られたニトリル基含有不飽和重合体を構成する各単量体の含有割合を、日本電子株式会社製FTNMR装置(JNM−EX400WB)を用いて測定したところ、アクリロニトリル単量体単位(ニトリル基を有する単量体単位)36質量%、1,3−ブタジエン単位64質量%であった。
次に、固形分濃度を12質量%に調整したニトリル基含有不飽和重合体の水分散液400ミリリットル(全固形分量48グラム)を攪拌機付きの容量1リットルのオートクレーブに投入した。そして、窒素ガスを10分間流して水分散液中の溶存酸素を除去した後、水素化触媒として、酢酸パラジウム75mgを、Pdに対して4倍モルの硝酸を添加した水180mlに溶解して、水分散液に添加した。系内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、12時間水素添加反応(「第一段階の水素添加反応」という。)させた。このとき、ニトリル基含有不飽和重合体のヨウ素価は10であった。
次いで、オートクレーブを大気圧にまで戻し、更に水素化触媒として、酢酸パラジウム25mgを、Pdに対して4倍モルの硝酸を添加した水60mlに溶解して、添加した。系内を水素ガスで2回置換した後、3MPaまで水素ガスで加圧した状態でオートクレーブの内容物を50℃に加温し、6時間水素添加反応(「第二段階の水素添加反応」という。)させた。その後、内容物を常温に戻し、系内を窒素雰囲気とした後、エバポレーターを用いて、固形分濃度が約40質量%となるまで濃縮して、ニトリル系重合体の水分散液を得た。得られた水分散液を乾燥し、結着材として、ニトリル系重合体(水添NBR)を得た。得られたニトリル系重合体のヨウ素価は7であった。
<全固体二次電池負極用複合粒子の製造>
負極活物質としてのグラファイト(個数平均粒子径5μm)100部と、結着材Aとしてのポリフッ化ビニリデン(クレハ製、PVdF、品番7200)のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液を固形分相当で4部と、結着材Bとしての上述したニトリル系重合体のNMP溶液を固形分相当で1部と、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業製、デンカブラック粉状)7.5部と、高分子固体電解質としてのゼオスパン8100(日本ゼオン製、エチレンオキサイド・プロピレンオキサイド共重合体)のNMP溶液を固形分相当で5部およびLiTFSI(森田化学工業株式会社製)のNMP溶液を固形分相当で1.5部と、有機溶媒としてのNMPとを混合して固形分濃度40%に調整した後、「TKホモミキサー」(プライミクス社製)で撹拌混合して、スラリー組成物を得た。
そして、得られたスラリー組成物を、系内を窒素ガスで充填したスプレー乾燥機を使用し、回転円盤方式のアトマイザー(直径65mm)の回転数25,000rpm、熱風温度160℃、粒子回収出口の温度90℃、露点5℃の条件で噴霧乾燥造粒し、母粒子を得た。
その後、露点−80℃のグローブボックス内で、上記母粒子119部と、無機固体電解質としてのLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径0.8μm)150部とを、ヘンシェルミキサー(三井三池社製)を用いて10分間混合し、負極用複合粒子を得た。
そして、複合粒子の体積平均粒子径、複合粒子中の電極活物質および無機固体電解質の個数平均粒子径、並びに、複合粒子中の無機固体電解質の偏在度合いを測定した。結果を表1に示す。
<全固体二次電池用負極の製造>
定量フィーダー(ニッカ社製、ニッカスプレーK−V)を用い、上記負極用複合粒子を供給速度300g/分で、ロールプレス機(押し切り粗面熱ロール、ヒラノ技研工業社製)のプレス用ロール(ロール温度100℃、プレス線圧500kN/m)に供給した。そして、プレス用ロール間に、導電性接着剤層が形成された銅箔(負極用集電体)を挿入し、定量フィーダーから供給された複合粒子を導電性接着剤層上に付着させ、速度1m/分で加圧成形し、平均厚さ100μm、平均密度1.5g/cm3の負極合材層が負極用集電体上に形成された負極を得た。
<固体電解質層付き負極の製造>
露点−80℃のグローブボックス内で、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ製、PVdF、品番7200)のNMP溶液を固形分相当で5部と、固体電解質としてのLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径0.8μm)100部とを混合した。更に、有機溶媒としてNMPを添加して固形分濃度を30%に調整した後、「TKホモミキサー」(プライミクス社製)で撹拌混合し、スラリー組成物を得た。
得られたスラリー組成物を、前記負極の負極合材層上にドクターブレードで塗工し、その後150℃で30分間乾燥させ、負極上に厚さ20μmの固体電解質層を積層一体化させた。
そして、全固体二次電池用電極としての負極のピール強度を測定および評価した。結果を表1に示す。
<全固体二次電池用正極の製造>
正極活物質としての層状岩塩構造を有するコバルト酸リチウム(個数平均粒子径11.5μm)100部と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ製、PVdF、品番7200)のNMP溶液を固形分相当で5部と、固体電解質としてのLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径0.8μm)150部と、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業製、デンカブラック粉状)7.5部とを混合した。更に、有機溶媒としてNMPを添加して固形分濃度30%に調整した後、「TKホモミキサー」(プライミクス社製)で撹拌混合し、スラリー組成物を得た。得られたスラリー組成物を、アルミニウム箔(正極用集電体)上にドクターブレードで塗工し、その後150℃で乾燥させ、平均厚さ100μm、平均密度3.5g/cm3の正極合材層が正極用集電体上に形成された正極を得た。
<全固体二次電池の製造>
上記で作製した固体電解質層付き負極と、正極とを、直径1cmで打ち抜き、固体電解質層付き負極と、正極とを、固体電解質層を介して電極合材層同士が対向するように、且つ、電極合材層が形成されていない部分同士が重ならないように配置し、平板プレス機にて圧縮(プレス圧100MPa)し、正極と、固体電解質層と、負極とが一体化された積層体を得た。この積層体の厚みは10μmであった。
上記で作製した積層体を、温度200℃で24時間真空乾燥し、コインセルの内部に配置し、加締めを実施して全固体二次電池を作製した。
そして、全固体二次電池の出力特性を測定および評価した。結果を表1に示す。
全固体二次電池負極用複合粒子の製造時に、高分子固体電解質としてのゼオスパン8100およびLiTFSIを使用せず、硫化物ガラスと混合する母粒子の量を112.5部に変更した以外は実施例1と同様にして、負極用複合粒子、負極、固体電解質層付き負極、正極および全固体二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
全固体二次電池負極用複合粒子の製造時に、無機固体電解質としてLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径2μm)150部を使用した以外は実施例1と同様にして、負極用複合粒子、負極、固体電解質層付き負極、正極および全固体二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
全固体二次電池負極用複合粒子の製造時に、負極活物質としてグラファイト(個数平均粒子径3.5μm)100部を使用し、且つ、無機固体電解質としてLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径0.4μm)150部を使用した以外は実施例1と同様にして、負極用複合粒子、負極、固体電解質層付き負極、正極および全固体二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
全固体二次電池負極用複合粒子の製造時に、スラリー組成物を噴霧乾燥造粒する際のアトマイザーの回転数を、それぞれ、40,000rpm(実施例5)および12,000rpm(実施例6)に変更した以外は実施例1と同様にして、負極用複合粒子、負極、固体電解質層付き負極、正極および全固体二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
<全固体二次電池正極用複合粒子の製造>
正極活物質としての層状岩塩構造を有するコバルト酸リチウム(個数平均粒子径5μm)100部と、結着材Aとしてのポリフッ化ビニリデン(クレハ製、PVdF、品番7200)のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液を固形分相当で4部と、結着材Bとしての上述したニトリル系重合体のNMP溶液を固形分相当で1部と、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業製、デンカブラック粉状)7.5部と、高分子固体電解質としてのゼオスパン8100(日本ゼオン製、エチレンオキサイド・プロピレンオキサイド共重合体)のNMP溶液を固形分相当で5部およびLiTFSI(森田化学工業株式会社製)のNMP溶液を固形分相当で1.5部と、有機溶媒としてのNMPとを混合して固形分濃度40%に調整した後、「TKホモミキサー」(プライミクス社製)で撹拌混合して、スラリー組成物を得た。
そして、得られたスラリー組成物を、系内を窒素ガスで充填したスプレー乾燥機を使用し、回転円盤方式のアトマイザー(直径65mm)の回転数25,000rpm、熱風温度160℃、粒子回収出口の温度90℃、露点5℃の条件で噴霧乾燥造粒し、母粒子を得た。
その後、露点−80℃のグローブボックス内で、上記母粒子119部と、無機固体電解質としてのLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径0.8μm)150部とを、ヘンシェルミキサー(三井三池社製)を用いて10分間混合し、正極用複合粒子を得た。
そして、複合粒子の体積平均粒子径、複合粒子中の電極活物質および無機固体電解質の個数平均粒子径、並びに、複合粒子中の無機固体電解質の偏在度合いを測定した。結果を表1に示す。
<全固体二次電池用正極の製造>
定量フィーダー(ニッカ社製、ニッカスプレーK−V)を用い、上記正極用複合粒子を供給速度300g/分で、ロールプレス機(押し切り粗面熱ロール、ヒラノ技研工業社製)のプレス用ロール(ロール温度100℃、プレス線圧500kN/m)に供給した。そして、プレス用ロール間に、導電性接着剤層が形成されたアルミニウム箔(正極用集電体)を挿入し、定量フィーダーから供給された複合粒子を導電性接着剤層上に付着させ、速度1m/分で加圧成形し、平均厚さ100μm、平均密度3.5g/cm3の正極合材層が正極用集電体上に形成された正極を得た。
<固体電解質層付き正極の製造>
露点−80℃のグローブボックス内で、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ製、PVdF、品番7200)のNMP溶液を固形分相当で5部と、固体電解質としてのLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径0.8μm)100部とを混合した。更に、有機溶媒としてNMPを添加して固形分濃度を30%に調整した後、「TKホモミキサー」(プライミクス社製)で撹拌混合し、スラリー組成物を得た。
得られたスラリー組成物を、前記正極の正極合材層上にドクターブレードで塗工し、その後150℃で30分間乾燥させ、正極上に厚さ20μmの固体電解質層を積層一体化させた。
そして、全固体二次電池用電極としての正極のピール強度を測定および評価した。結果を表1に示す。
<全固体二次電池用負極の製造>
負極活物質としてのグラファイト(個数平均粒子径5μm)100部と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ製、PVdF、品番7200)のNMP溶液を固形分相当で5部と、固体電解質としてのLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径0.8μm)150部と、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業製、デンカブラック粉状)7.5部とを混合した。更に、有機溶媒としてNMPを添加して固形分濃度30%に調整した後、「TKホモミキサー」(プライミクス社製)で撹拌混合し、スラリー組成物を得た。得られたスラリー組成物を、銅箔(負極用集電体)上にドクターブレードで塗工し、その後150℃で乾燥させ、平均厚さ100μm、平均密度1.5g/cm3の負極合材層が負極用集電体上に形成された負極を得た。
<全固体二次電池の製造>
上記で作製した固体電解質層付き正極と、負極とを、直径1cmで打ち抜き、固体電解質層付き正極と、負極とを、固体電解質層を介して電極合材層同士が対向するように、且つ、電極合材層が形成されていない部分同士が重ならないように配置し、平板プレス機にて圧縮(プレス圧100MPa)し、正極と、固体電解質層と、負極とが一体化された積層体を得た。この積層体の厚みは10μmであった。
上記で作製した積層体を、温度200℃で24時間真空乾燥し、コインセルの内部に配置し、加締めを実施して全固体二次電池を作製した。
そして、全固体二次電池の出力特性を測定および評価した。結果を表1に示す。
全固体二次電池負極用複合粒子の製造時に、負極活物質としてグラファイト(個数平均粒子径1.5μm)100部を使用すると共に無機固体電解質としてLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径0.3μm)150部を使用し、スラリー組成物を噴霧乾燥造粒する際のアトマイザーの回転数を45,000rpmに変更した以外は実施例1と同様にして、負極用複合粒子、負極、固体電解質層付き負極、正極および全固体二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
全固体二次電池負極用複合粒子の製造時に、スラリー組成物を噴霧乾燥造粒する際のアトマイザーの回転数を8,000に変更した以外は実施例1と同様にして、負極用複合粒子、負極、固体電解質層付き負極、正極および全固体二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
全固体二次電池負極用複合粒子を以下のようにして製造した以外は実施例1と同様にして、負極、固体電解質層付き負極、正極および全固体二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
<全固体二次電池負極用複合粒子の製造>
露点−45℃のドライルーム内で、負極活物質としてのグラファイト(個数平均粒子径5μm)を100部と、無機固体電解質としてのLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径0.8μm)150部と、結着材Aとしてのポリフッ化ビニリデン(クレハ製、PVdF、品番7200)のキシレン分散液を固形分相当で4部と、結着材Bとしての上述したニトリル系重合体のキシレン分散液を固形分相当で1部と、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業製、デンカブラック粉状)7.5部と、高分子固体電解質としてのゼオスパン8100(日本ゼオン製、エチレンオキサイド・プロピレンオキサイド共重合体)のキシレン溶液を固形分相当で5部およびLiTFSI(森田化学工業株式会社製)のキシレン溶液を固形分相当で1.5部と、有機溶媒としてのキシレンとを混合して固形分濃度40%に調整した後、「TKホモミキサー」(プライミクス社製)で撹拌混合して、スラリー組成物を得た。
そして、得られたスラリー組成物を、系内を窒素ガスで充填したスプレー乾燥機を使用し、回転円盤方式のアトマイザー(直径65mm)の回転数25,000rpm、熱風温度160℃、粒子回収出口の温度90℃、露点−45℃の条件で噴霧乾燥造粒し、負極用複合粒子を得た。
そして、複合粒子の体積平均粒子径、複合粒子中の電極活物質および無機固体電解質の個数平均粒子径、並びに、複合粒子中の無機固体電解質の偏在度合いを測定した。結果を表1に示す。
全固体二次電池負極用複合粒子の製造時に、負極活物質としてグラファイト(個数平均粒子径10μm)100部を使用し、且つ、無機固体電解質としてLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径0.4μm)150部を使用した以外は比較例3と同様にして、負極用複合粒子、負極、固体電解質層付き負極、正極および全固体二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
全固体二次電池負極用複合粒子の製造時に、負極活物質としてグラファイト(個数平均粒子径10μm)100部を使用し、且つ、無機固体電解質としてLi2SとP2S5とからなる硫化物ガラス(Li2S:P2S5=70:30(モル比)、個数平均粒子径10μm)150部を使用した以外は比較例3と同様にして、負極用複合粒子、負極、固体電解質層付き負極、正極および全固体二次電池を製造した。そして、実施例1と同様にして各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
また、本発明によれば、全固体二次電池に優れた出力特性を発揮させ得る全固体二次電池用電極、および、出力特性に優れる全固体二次電池が得られる。
Claims (7)
- 電極活物質と、結着材と、無機固体電解質とを含む全固体二次電池電極用複合粒子であって、
前記無機固体電解質が内側部分よりも外側部分に多く偏在し、
体積平均粒子径が5μm以上90μm以下である、全固体二次電池電極用複合粒子。 - 前記電極活物質の個数平均粒子径に対する前記無機固体電解質の個数平均粒子径の比が0.08以上0.8以下である、請求項1に記載の全固体二次電池電極用複合粒子。
- 高分子固体電解質を更に含む、請求項1または2に記載の全固体二次電池電極用複合粒子。
- 請求項1〜3の何れかに記載の全固体二次電池電極用複合粒子を含む電極合材層を備える、全固体二次電池用電極。
- 正極、固体電解質層および負極を有し、
前記正極および負極の少なくとも一方が請求項4に記載の全固体二次電池用電極である、全固体二次電池。 - 請求項1〜3の何れかに記載の全固体二次電池電極用複合粒子の製造方法であって、
電極活物質および結着材を含むスラリー組成物を造粒して母粒子を得る工程と、
前記母粒子に無機固体電解質を外添する工程と、
を含む、全固体二次電池電極用複合粒子の製造方法。 - 前記スラリー組成物を、露点が0℃以上の環境下で造粒する、請求項6に記載の全固体二次電池電極用複合粒子の製造方法。
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