JPWO2019093461A1 - 全固体電池及び負極 - Google Patents
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Abstract
Description
項1.
有機硫黄系正極、塩素及び/又は臭素を含んだ硫化物系固体電解質、及び、リチウム層を有する負極を備えることを特徴とする、全固体電池。
項2.
前記正極は、ポリイミド系樹脂バインダーを含有する、項1に記載の全固体電池。
項3.
前記リチウム層を有する負極は、前記リチウム層並びに、
銅、チタン及びステンレスからなる群より選択される1種以上を含む遷移金属層との積層体であり、
前記リチウム層は、前記硫化物系固体電解質と前記遷移金属層との間に設けられている、項1又は2に記載の全固体電池。
項4.
基材の片面に設けられたシリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層に、溶融リチウムを塗布して得られることを特徴とする、負極。
項5.
ポリイミド系樹脂バインダーを含有する有機硫黄系正極、塩素及び/又は臭素を含有する硫化物系固体電解質、及び項4に記載の負極を有する、全固体電池。
項6.
前記硫化物系固体電解質は、ゴム系バインダーを含有する、項5に記載の全固体電池。
本発明の全固体電池は、有機硫黄系正極、塩素及び/又は臭素を含んだ硫化物系固体電解質、及び、リチウム層を有する負極を備えることを特徴とする。なお、本明細書において、「A〜B」との態様で数値範囲を示す場合、その両端の数値A及びBを含むものと定義する。また、本発明の全固体電池には、使用する材料に応じて、全固体リチウム二次電池、及び全固体リチウム−硫黄二次電池などが包含され、勿論これらに限定されない。
有機硫黄系正極としては、ポリアクリロニトリル、ピッチ、ゴム、アントラセン、アミン類、ポリエチレングリコール、カルボン酸、直鎖アルコール等を原料とした材料を使用して得ることが可能である。これらは単独で、或いは2種以上を併せて使用することができる。とりわけ、直鎖アルコールを硫黄と還流熱処理することにより得られたコンポジット(硫化1−ノナノール)を材料として有機硫黄系正極を構成することが好ましい。
硫化物固体電解質としては、塩素及び/又は臭素を含有する硫化物固体電解質であれば特に限定はなく、Li6PS5ClやLi6PS5Brなどを使用することが可能である。これらは単独で、或いは2種以上を併せて使用することができる。塩素も臭素も含有しない硫化物固体電解質を使用して全固体電池を作製した場合、後述する負極の材質によっては、電極での充放電を阻害する界面を形成する場合がある。中でも、導電性が高くリチウム金属への耐性が高いという理由から、塩素及び/又は臭素を含有するArgyrodite型構造を有する硫化物固体電解質を使用することが、好ましい。
本発明の全固体電池は、リチウム層を有する負極1を備える。リチウム層を構成するリチウムの純度は、99質量%以上の純度であることが好ましい。不純物としては、Na、K、Al、Ca、Fe、Si、N等を挙げることができ、勿論これらに限定されない。リチウム純度の上限としては特に制限はなく、例えば100質量%であってもよい。
負極2(樹脂バインダー層へのリチウム塗布型)
また、本発明の負極2は、基材の片面に設けられたシリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層に、溶融リチウムを塗布して得られることを特徴とする。
また本発明の負極(上記した負極1又は2)に、上述した正極を組み合わせた全固体電池とすることも、好ましい。
硫黄(細井化学99.9%)42.35g、アセチレンブラック(デンカブラック)0.65g、1-ノナノール(1-Nonanol、シグマアルドリッチ98%)1.30gを石英タンマン管(内径80mm、長さ300mm)にいれた。その後、熱電対とガスの出口・入り口をとりつけたシリコーンゴム栓にて密閉にたもち、シリコーンチューブにより窒素ガスを供給し、内部を窒素雰囲気にした。電気炉400℃に設定し試料温度を300℃に保ち、1時間おきに2mlの1-ノナノールを加え、合計10mlを追加し、4時間熱処理を行った。粗生成物を粉砕し、窒素気流下で300℃にして未反応の硫黄を4時間除去し、黒色粉末の硫化1-ノナノール4.75gを得た。
全固体電池との比較のため、硫化1-ノナノールを一般的な有機電解液を用いた電池に組み込み比較を行った。
硫化1−ノナノール39mg、固体電解質57mg、アセチレンブラック6mgを混合し、正極合材を作製した。固体電解質89.5mgを、10.1mmΦのペット管にいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮し、固体電解質円盤をPET管内に作りこんだ。固体電解質円盤の1面に正極合材を8.2mgいれ、2.5tの力でプレスした。固体電解質円盤のもう一方の面に、リチウム箔(本庄金属製0.2mmt、9mmΦ)をつけ1tの力をかけて圧縮し、硫化1-ノナノール/固体電解質/Li電池を作製した。実施例2の電池の断面概略図は、図4の通りである。この電池を、3-1Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図5に示すように、初回放電では硫化1-ノナノールの硫黄が還元され、リチウムイオンが吸蔵され容量977mAh/gを示した。2サイクル目の放電容量646mAh/gを示し、10サイクル後も413mAh/gを保った。金属リチウムを負極に用いた場合、全固体電池では、針状に成長したリチウムデンドライトが正極に接触して短絡を引き起こすことがしられている。その場合充電時の曲線に乱れや伸びが見られる場合があるが、この電池ではそれらが観察されず充放電を行うことができたことから、リチウム箔を負極として利用できる電池系であることが示された。
Li6PS5Brは、LiBr(キシダ化学、95%)0.555g、硫化リチウム(Li2S、三津和化学99.9%)0.734g、五硫化二りん(P2S5,シグマアルドリッチ、99%)0.710gを、ジルコニアポットにジルコニア製円盤をいれ、伊藤製作所製実験用振動式カップミル(MC-4A)にて30分混合した。混合粉を15mmΦのカーボン製ダイスにより1tの力でプレス成型し、ペレットを作製した。ペレットを金るつぼにいれ、石英試験管中真空下で550℃に加熱し、2時間焼成した。得られた生成物を乳鉢で粉砕し固体電解質Li6PS5Brとして用いた。このLi6PS5BrをXRD(RINT TTR-III; 理学製)測定により、8重量パーセントの硫化リチウムが残留する92重量パーセントのLi6PS5Brであることを確認した。10.1mmΦのダイスで約100mgの固体電解質粉を圧縮した(29MPa)ペレットについて、導電率測定を行い、2.1×10-3 S/cmの導電率を持つ材料であることを確認した。
硫化1−ノナノール39mg、固体電解質57mg、アセチレンブラック6mgを混合し、正極合材を作製した。Li6PS5Br91.6mgを、10.1mmΦのペット管にいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮し、固体電解質円盤をPET管内に作りこんだ。固体電解質円盤の1面に正極合材を11.2mgいれ、2.5tの力でプレスした。固体電解質円盤のもう一方の面に、リチウム箔(本庄金属製0.2mmt、8mmΦ)をつけ1tの力をかけて圧縮し、硫化1-ノナノール/固体電解質/Li電池を作製した。この電池を、3-1Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図6に示すように、初回放電では硫化1-ノナノールの硫黄が還元され、リチウムイオンが吸蔵され容量880mAh/gを示した。2サイクル目の放電容量516mAh/gを示した。この電池でも充電時の短絡を示すような現象は観察されなかった。
LiI(キシダ化学、97%)0.744g、硫化リチウム(Li2S、三津和化学99.9%)0.638g、五硫化二りん(P2S5,シグマアルドリッチ、99%)0.618gを、ジルコニアポットにジルコニア製円盤をいれ、伊藤製作所製実験用振動式カップミル(MC-4A)にて30分混合した。混合粉を15mmΦのカーボン製ダイスにより1tの力でプレス成型し、ペレットを作製した。ペレットを金るつぼにいれ、石英試験管中真空下で550℃に加熱し、2時間焼成した。得られた生成物を振動式カップミル(MC-4A)にて30分粉砕を4回繰り返し、得られた粉体を固体電解質Li6PS5Iとして用いた。このLi6PS5IをXRD(RINT TTR-III; 理学製)測定により、硫化リチウムが少量残留するLi6PS5Iであることを確認した。10.1mmΦのダイスで約100mgの固体電解質粉を圧縮した(29MPa)ペレットについて、導電率測定を行い、0.5×10-3 S/cmの導電率を持つ材料であることを確認した。
Li6PS5I107mgを、10.1mmΦのペット管にいれ、ステンレスダイスで1tの力をかけて圧縮し、固体電解質円盤をPET管内に作りこんだ。固体電解質円盤の1面に正極合材を10mgいれ、2.5tの力でプレスした。固体電解質円盤のもう一方の面に、リチウム箔(本庄金属製0.2mmt、10mmΦ)をつけ1tの力をかけて圧縮し、硫化1-ノナノール/ Li6PS5I/リチウム電池を作製した。この電池を、3-1Vの範囲で、放電から開始し、電流0.05mAに固定して、充放電を行った。図7に示すように、初回放電では硫化1-ノナノールの硫黄が還元され、リチウムイオンが吸蔵され容量1041mAh/gを示した。2サイクル目の充電時微短絡を示す充電曲線の断裂や振動がみられ、3サイクル以降では充電容量が極端に大きくなる様子が見られた。2サイクル目の放電容量が715mAh/gと高いものの、短絡により効率は低下するためLi6PS5I固体電解質はなんらかの工夫をしなければリチウム箔を負極として利用できないことが分かった。
有機硫黄系正極材料は、従来の有機電解液を用いた電池ではリチウム吸蔵にともなう膨張にも電極が破壊されないポリイミドをバインダーとして使用することでよい特性の電極が得られている(非特許文献1)。このようなよく知られた手法で作製された電極を全固体電池に持ち込むことができれば、電池の工業生産上大きな利点となる。硫化1−ノナノールのポリイミド電極を作製し、全固体電池に適用した。
やわらかいリチウム箔は全固体電池作製に不可欠な高い圧力の圧縮により、固体電解質のひびなどの小さな隙間を通って正極につきぬけ、短絡を引き起こすことがあり、工業的にリチウム箔そのものを用いることは困難である。そこで、リチウムを薄く銅箔に塗工し、用いることを検討した。
チタン箔(ニラコ製99.5%、0.02mmt)に金属リチウム箔4mgをのせ、はんだごてで加熱して溶融させ、薄く広げてリチウム層を形成した。チタン箔上のリチウムの目付は1.8mg/cm2であり、負極の容量に換算して7.0mAh/cm2であった。
ステンレス箔(ニラコ製SUS316、0.01mmt)に金属リチウム箔4mgをのせ、はんだごてで加熱して溶融させ、薄く広げてリチウム層を形成した。ステンレス箔上のリチウムの目付は1.0mg/cm2であり、負極の容量に換算して3.9mAh/cm2となった。
短時間にシリコンにリチウムを担持させる方法として、硫黄系正極が持っていないリチウムを負極に担わせることで、電池系を完成してしまうという発想のもとにリチウム塗工シリコンポリイミド負極を検討した。
実施例8の硫化1−ノナノール+アセチレンブラックのポリイミド塗工正極/ 圧粉Li6PS5Cl/ リチウム塗布シリコンポリイミド塗工負極からなる全固体リチウム二次電池は、電解質である圧粉Li6PS5Clが74mgと、電池全体の質量の85%を占める。この電解質を低減することが電池のエネルギー密度に寄与する。そこで、ゴム系バインダーにより電解質スラリーを作製し、正極への塗工により電池の軽量化、薄層化を検討した。
Claims (6)
- 有機硫黄系正極、塩素及び/又は臭素を含んだ硫化物系固体電解質、及び、リチウム層を有する負極を備えることを特徴とする、全固体電池。
- 前記正極は、ポリイミド系樹脂バインダーを含有する、請求項1に記載の全固体電池。
- 前記リチウム層を有する負極は、前記リチウム層並びに、
銅、チタン及びステンレスからなる群より選択される1種以上を含む遷移金属層の積層体であり、
前記リチウム層は、前記硫化物系固体電解質と前記遷移金属層との間に設けられている、請求項1又は2に記載の全固体電池。 - 基材の片面に設けられたシリコン粒子含有ポリイミド系樹脂バインダー層に、溶融リチウムを塗布して得られることを特徴とする、負極。
- ポリイミド系樹脂バインダーを含有する有機硫黄系正極、塩素及び/又は臭素を含有する硫化物系固体電解質、及び請求項4に記載の負極を有する、全固体電池。
- 前記硫化物系固体電解質は、ゴム系バインダーを含有する、請求項5に記載の全固体電池。
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