JPWO2019103008A1 - Electrode body for all-solid-state battery and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
より高い圧力によって電極体をプレスした場合であっても固体電解質層の割れを抑制できる全固体電池用の電極体の製造方法と、当該方法により製造された電極体とを提供する。ここに開示される全固体電池の電極体の製造方法は、固体電解質層と、固体電解質層の第一面に接合された第一活物質層と、を含む全固体電池の電極体を製造する方法であって、固体電解質層と第一活物質層との接合面における固体電解質層面積と第一活物質層面積とに差異があるときは、固体電解質層と前記第一活物質層とを重ね合わせること、より小さい面積の固体電解質層または第一活物質層の端部に接し、かつ、差異を埋める領域に、絶縁層を設けること、固体電解質層と第一活物質層と絶縁層とを、固体電解質層と第一活物質層との積層方向に加圧すること、を含む。Provided are a method for producing an electrode body for an all-solid-state battery capable of suppressing cracking of a solid electrolyte layer even when the electrode body is pressed with a higher pressure, and an electrode body manufactured by the method. The method for manufacturing an all-solid-state battery electrode body disclosed herein manufactures an all-solid-state battery electrode body including a solid electrolyte layer and a first active material layer bonded to the first surface of the solid electrolyte layer. In the method, when there is a difference between the solid electrolyte layer area and the first active material layer area at the joint surface between the solid electrolyte layer and the first active material layer, the solid electrolyte layer and the first active material layer are separated. Overlapping, providing an insulating layer in the area that is in contact with the edge of the smaller area solid electrolyte layer or primary active material layer and fills the gap, solid electrolyte layer, primary active material layer and insulating layer Includes pressurizing in the stacking direction of the solid electrolyte layer and the primary active material layer.
Description
本発明は、全固体電池用の電極体とその製造方法に関する。
本出願は、2017年11月21日に出願された日本国特許出願2017−223700号および2018年11月8日に出願された米国特許出願第16/184,109号に基づく優先権を主張しており、その出願の全内容は本明細書中に参照として組み入れられている。The present invention relates to an electrode body for an all-solid-state battery and a method for manufacturing the same.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-223700 filed on November 21, 2017 and US Patent Application No. 16 / 184,109 filed on November 8, 2018. The entire contents of that application are incorporated herein by reference.
近年、二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両駆動用電源および電力貯蔵用電源等として不可欠な存在となっている。中でもリチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、ハイレートでの出力が可能なことから、その普及に伴いさらなる高性能化と信頼性の向上とが望まれている。 In recent years, secondary batteries are indispensable as portable power sources for personal computers, mobile terminals, etc., vehicle drive power sources for electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), plug-in hybrid vehicles (PHV), and power storage power sources. Has become an existence. Among them, lithium-ion batteries have a high energy density and can output at a high rate, and therefore, with their widespread use, further improvement in performance and reliability are desired.
この二次電池については、安全性を高めるために、電解質として可燃性の電解液を用いることなく、セラミックスやイオン伝導性ポリマー等からなる固体電解質を用いた全固体電池の実用化が進められている。全固体電池は、正極活物質層と負極活物質層との間に層状の固体電解質を配置することで、電極体を構成している。これら固体電解質層および正・負の活物質層は、CVD法等によって緻密な薄膜として形成することも可能であるが、コストや生産性等を考慮して、一般的には粉体状(粒子状)の電極構成材料をバインダで結着することで構成されている。 Regarding this secondary battery, in order to improve safety, the practical application of an all-solid-state battery using a solid electrolyte made of ceramics, an ionic conductive polymer, etc., without using a flammable electrolyte as an electrolyte, has been promoted. There is. The all-solid-state battery constitutes an electrode body by arranging a layered solid electrolyte between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. These solid electrolyte layers and positive / negative active material layers can be formed as dense thin films by the CVD method or the like, but are generally in the form of powder (particulates) in consideration of cost and productivity. It is constructed by binding the electrode constituent materials of (shape) with a binder.
全固体電池には電解液が存在しないことから、固体電解質層と正・負の活物質層との間の界面抵抗が高い。これに加え、粉体状の材料を用いて製造された全固体電池では、固体電解質層および正・負の活物質層内においても粒子間に界面抵抗が発生する。そのため、界面抵抗を低減することを目的として、正極活物質層、固体電解質層および負極活物質層を積層した電極体を液系電池におけるよりも高い圧力で(例えば、面圧で100〜200MPa程度)プレスし、各層の充填密度を高めることが行われている。電極体のプレスに際しては、プレス方向に直交する方向に引張応力が作用し得るため、固体電解質層を介して対向する正極活物質層の端部と負極活物質層の端部とが接触し、短絡が生じる虞がある。そこでこの短絡を防止するために、例えば、一方の活物質層(例えば正極活物質層)の幅を小さく設計することが提案されている。また、固体電解質層または正・負の活物質層の端部を絶縁体で被覆する構成が提案されてもいる(例えば特許文献1〜3)。そして本発明者らは、電極体の各層をさらに高密度化して電池の高性能化を図る目的で、従来よりもさらに高い圧力(例えば、面圧で200MPa超過)で電極体をプレスすることを検討している。しかしながら、より高い圧力でプレスする場合には電極体に短絡が発生しやすくなるという新たな問題が発生することが明らかとなった。
Since there is no electrolytic solution in the all-solid-state battery, the interfacial resistance between the solid electrolyte layer and the positive and negative active material layers is high. In addition to this, in an all-solid-state battery manufactured using a powdery material, interfacial resistance is generated between particles even in the solid electrolyte layer and the positive and negative active material layers. Therefore, for the purpose of reducing the interfacial resistance, the electrode body in which the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode active material layer are laminated is placed at a higher pressure than in a liquid battery (for example, about 100 to 200 MPa in surface pressure). ) Pressing is performed to increase the packing density of each layer. When pressing the electrode body, tensile stress may act in a direction orthogonal to the pressing direction, so that the end of the positive electrode active material layer and the end of the negative electrode active material layer facing each other via the solid electrolyte layer come into contact with each other. A short circuit may occur. Therefore, in order to prevent this short circuit, for example, it has been proposed to design the width of one active material layer (for example, the positive electrode active material layer) to be small. In addition, a configuration has been proposed in which the ends of the solid electrolyte layer or the positive / negative active material layer are covered with an insulator (for example,
そこで本発明は、より高い圧力によって電極体をプレスした場合であっても電極体の短絡を抑制できる全固体電池用の電極体の製造方法を提供する。また他の側面において、本発明は、かかる方法により製造される全固体電池用の電極体を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a method for manufacturing an electrode body for an all-solid-state battery, which can suppress a short circuit of the electrode body even when the electrode body is pressed with a higher pressure. In another aspect, it is an object of the present invention to provide an electrode body for an all-solid-state battery manufactured by such a method.
本発明者らは、従来の全固体電池の製造におけるプレス工程を詳細に検討して以下の事象を知見した。すなわち、従来の活物質層の寸法を小さくする構成では、固体電解質層の表面に活物質層の有るところと無いところが存在し、電極体に段差が形成されていた。また、特許文献1〜3に開示された構成においても、固体電解質層または活物質層の端部において、絶縁体により被覆された部分と被覆されていない部分とにより段差が形成されていた。また、一見してこのような段差が形成されていない場合でも、電極体をプレスするときや、電池使用時に電極体に圧力が加わったとき等に、固体電解質層に対して面方向で発生する引張応力にムラが生じたり、段差部よって固体電解質層に局所的な応力が加わったりする場合があることを見出した。そしてこのような固体電解質層の応力ムラや局所的な応力の印加は、従来のプレス圧(例えば、面圧で100〜200MPa程度)で製造した電池においては電極体に悪影響を及ぼすに至らなかった。しかしながら、従来よりも高い圧力でプレスする場合には、固体電解質層の応力ムラや局所的な応力の印加が固体電解質層の割れや欠けを誘起し、電極体の短絡につながることを見いだした。
The present inventors have investigated in detail the pressing process in the production of a conventional all-solid-state battery and found the following events. That is, in the conventional configuration in which the size of the active material layer is reduced, there are places where the active material layer is present and where there is no active material layer on the surface of the solid electrolyte layer, and a step is formed in the electrode body. Further, also in the configurations disclosed in
ここに開示される全固体電池の電極体の製造方法では、固体電解質層と、前記固体電解質層の第一面に接合された第一活物質層と、を含む全固体電池の電極体を製造する。この製造方法は、上記固体電解質層と上記第一活物質層との接合面における固体電解質層の面積と第一活物質層の面積とに差異があるときは、上記固体電解質層と上記第一活物質層とを重ね合わせること、より小さい面積の上記固体電解質層または上記第一活物質層の端部に接し、かつ、上記差異を埋める領域に、絶縁層を設けること、上記固体電解質層と上記第一活物質層と上記絶縁層とを、上記固体電解質層と上記第一活物質層との積層方向に加圧すること、を含む。 In the method for manufacturing an electrode body of an all-solid-state battery disclosed herein, an electrode body of an all-solid-state battery including a solid electrolyte layer and a first active material layer bonded to the first surface of the solid electrolyte layer is manufactured. To do. In this production method, when there is a difference between the area of the solid electrolyte layer and the area of the first active material layer at the joint surface between the solid electrolyte layer and the first active material layer, the solid electrolyte layer and the first active material layer are used. Overlapping with the active material layer, providing an insulating layer in a region that is in contact with the end of the solid electrolyte layer or the first active material layer having a smaller area and fills the difference, and the solid electrolyte layer. This includes pressing the first active material layer and the insulating layer in the stacking direction of the solid electrolyte layer and the first active material layer.
全固体電池においては、第一活物質層と第二活物質層との短絡を防ぐなどの目的で、固体電解質層を第一活物質層と第二活物質層との少なくとも一方よりも大きく形成することが多い。このような構成では、固体電解質層と第一活物質層との接合面における面積差を埋めるように絶縁層を設けるようにしている。これにより、電極体をプレスする際に、各層の接合面積の差異による応力ムラや局所的な応力の印加を低減して、固体電解質層の割れや賭け、延いては電極体の短絡を抑制することができる。 In an all-solid-state battery, the solid electrolyte layer is formed larger than at least one of the first active material layer and the second active material layer for the purpose of preventing a short circuit between the first active material layer and the second active material layer. I often do it. In such a configuration, an insulating layer is provided so as to fill the area difference at the joint surface between the solid electrolyte layer and the first active material layer. As a result, when the electrode body is pressed, stress unevenness and application of local stress due to the difference in the bonding area of each layer are reduced, and cracking and betting of the solid electrolyte layer and eventually short circuit of the electrode body are suppressed. be able to.
ここに開示される全固体電池の電極体の製造方法の好ましい一態様では、固体電解質層と、上記固体電解質層の第一面に備えられた第一活物質層と、上記固体電解質層の上記第一面とは反対側の第二面に備えられた第二活物質層と、を含む電極体を製造する。この製造方法は、以下の(a)〜(e)の工程を含む。(a)上記第一活物質層を用意すること。(b)上記第一活物質層の第一面と、上記固体電解質層の上記第一面とが接するように、上記固体電解質層を用意すること。なおここで、上記固体電解質層の上記第二面は、周縁の少なくとも一部である周縁部と、上記周縁部を除く積層部と、を含む。(c)上記固体電解質層の上記積層部と接するように、上記第二活物質層を用意すること。(d)上記固体電解質層の上記周縁部と接するように、絶縁層を用意すること。(e)上記第一活物質層、上記固体電解質層、上記第二活物質層および上記絶縁層を含む積層体を、少なくとも上記第二活物質層および上記絶縁層の表面が面一となるまで積層方向に加圧して上記電極体を得ること。 In a preferred embodiment of the method for producing an electrode body of an all-solid-state battery disclosed herein, a solid electrolyte layer, a first active material layer provided on the first surface of the solid electrolyte layer, and the above-mentioned solid electrolyte layer. An electrode body including a second active material layer provided on the second surface opposite to the first surface is manufactured. This manufacturing method includes the following steps (a) to (e). (A) Prepare the first active material layer. (B) The solid electrolyte layer is prepared so that the first surface of the first active material layer and the first surface of the solid electrolyte layer are in contact with each other. Here, the second surface of the solid electrolyte layer includes a peripheral edge portion which is at least a part of the peripheral edge, and a laminated portion excluding the peripheral edge portion. (C) Prepare the second active material layer so as to be in contact with the laminated portion of the solid electrolyte layer. (D) An insulating layer shall be prepared so as to be in contact with the peripheral portion of the solid electrolyte layer. (E) A laminate containing the first active material layer, the solid electrolyte layer, the second active material layer and the insulating layer until at least the surfaces of the second active material layer and the insulating layer are flush with each other. Pressurize in the stacking direction to obtain the above electrode body.
このような構成によると、第一活物質層、固体電解質層および第二活物質層を積層した状態で一度に加圧することができ、積層体の圧密を簡便に実施することができる。また、積層体において、第二活物質層は固体電解質層よりも小さく形成される。そして固体電解質層の周縁部には、絶縁層が設けられている。そのため、積層体を加圧した場合であっても、第一活物質層の端部と第二活物質層の端部とが接触して短絡することを抑制できる。さらに、積層体の加圧は、少なくとも第二活物質層および絶縁層の厚みが同じになるまで実施する。換言すると、固体電解質層と第二活物質層との間に形成される段差は絶縁層によって埋められる。このことにより、従来と同程度の圧力で圧延したときはもちろんのこと、従来よりも高い圧力で加圧した場合であっても、加圧によるプレス圧を第二活物質層と絶縁層とを介して固体電解質層により均一に伝えることができる。その結果、固体電解質層に発生する引張応力のムラを抑制でき、電極体の製造時およびその後の使用時の両方における固体電解質層の割れを抑制することができる。 According to such a configuration, the first active material layer, the solid electrolyte layer, and the second active material layer can be pressurized at once in a laminated state, and the laminated body can be easily compacted. Further, in the laminated body, the second active material layer is formed smaller than the solid electrolyte layer. An insulating layer is provided on the peripheral edge of the solid electrolyte layer. Therefore, even when the laminate is pressurized, it is possible to prevent the end portion of the first active material layer and the end portion of the second active material layer from coming into contact with each other to cause a short circuit. Further, the pressurization of the laminate is carried out until at least the thicknesses of the second active material layer and the insulating layer are the same. In other words, the step formed between the solid electrolyte layer and the secondary active material layer is filled with the insulating layer. As a result, the pressing pressure due to the pressurization is applied to the second active material layer and the insulating layer not only when rolling at the same pressure as the conventional one but also when the pressure is increased higher than the conventional one. It can be more uniformly transmitted through the solid electrolyte layer. As a result, unevenness of tensile stress generated in the solid electrolyte layer can be suppressed, and cracking of the solid electrolyte layer can be suppressed both during the production of the electrode body and during the subsequent use.
ここに開示される全固体電池用電極体の製造方法の好ましい一態様では、上記第一活物質層、上記固体電解質層および上記第二活物質層は、それぞれ、粉体材料とバインダとを含む。粉体材料とバインダとにより形成される層は、充填密度が低くなりがちであり、また強度が低くなりがちである。したがって、かかる材料を用いて形成される電極体について本技術を適用することで、上記効果が顕著に奏されるために好適である。 In a preferred embodiment of the method for producing an electrode body for an all-solid-state battery disclosed herein, the first active material layer, the solid electrolyte layer, and the second active material layer contain a powder material and a binder, respectively. .. The layer formed by the powder material and the binder tends to have a low packing density and a low strength. Therefore, it is preferable to apply the present technique to an electrode body formed by using such a material because the above effect can be remarkably exhibited.
ここに開示される全固体電池電極体の製造方法の好ましい一態様では、上記第一活物質層、上記固体電解質層および上記第二活物質層は、それぞれ、粉体材料とバインダと分散媒とを含むスラリー(ペースト、サスペンション等を包含する。以下同じ)を供給したのち、上記分散媒を除去することにより用意する。
このような構成によると、電極体を生産性よく低コストで製造することができるために好適である。In a preferred embodiment of the method for producing an all-solid-state battery electrode body disclosed herein, the first active material layer, the solid electrolyte layer, and the second active material layer are formed of a powder material, a binder, and a dispersion medium, respectively. After supplying a slurry (including paste, suspension, etc., the same applies hereinafter) containing the above-mentioned dispersion medium, the mixture is prepared.
According to such a configuration, the electrode body can be manufactured with high productivity and low cost, which is suitable.
ここに開示される全固体電池電極体の製造方法の好ましい一態様では、上記工程(b)に引き続き、(b’)上記第一活物質層および上記固体電解質層を乾燥させる乾燥工程を含む。
このような構成によると、例えば固体電解質層を形成するスラリーと第二活物質層を形成するスラリーとが交じり合うのを防止することができる。また、乾燥により相対的に堅くなった第一活物質層および固体電解質層に、第二活物質層を積層して加圧することができる。これにより、加圧によるプレス圧を第二活物質層に十分に伝えることができる。ここで、一般に正極活物質は他の材料より高硬度であることから、正極活物質層は圧密され難い。そこで、例えば、第二活物質層を正極活物質層とすることで、相対的に圧密され難い正極活物質層を十分に圧密することができるために好ましい。A preferred embodiment of the method for producing an all-solid-state battery electrode body disclosed herein includes (b) a drying step of drying the first active material layer and the solid electrolyte layer, following the step (b).
According to such a configuration, for example, it is possible to prevent the slurry forming the solid electrolyte layer and the slurry forming the second active material layer from being mixed with each other. Further, the second active material layer can be laminated and pressurized on the first active material layer and the solid electrolyte layer which have become relatively hard due to drying. As a result, the press pressure due to pressurization can be sufficiently transmitted to the second active material layer. Here, since the positive electrode active material generally has a higher hardness than other materials, the positive electrode active material layer is difficult to be compacted. Therefore, for example, it is preferable to use the second active material layer as the positive electrode active material layer because the positive electrode active material layer, which is relatively difficult to be compacted, can be sufficiently compacted.
ここに開示される全固体電池電極体の製造方法の好ましい一態様では、上記加圧は、上記バインダの軟化点以上の温度に加熱しながら実施する。
このような構成によると、電極体の充填密度をより一層高めることができるために好ましい。例えば、電極体の充填密度を85体積%以上(好ましくは90体積%以上)にまで高めることができ、界面抵抗をより一層低減できるために好ましい。なお、この充填密度は、例えば、ピクノメーター法により測定した値を採用することができる。その他、画像解析法により測定することもできる。
また、各層を積層した状態で加熱しながら加圧することにより、各層に含まれるバインダが各層を接着することができる。これにより、充放電によって電極層が体積変化する場合であっても、各層の密着性を維持することができ、内部抵抗の増大を抑制することができる。In a preferred embodiment of the method for manufacturing an all-solid-state battery electrode body disclosed herein, the pressurization is performed while heating to a temperature equal to or higher than the softening point of the binder.
According to such a configuration, the packing density of the electrode body can be further increased, which is preferable. For example, the packing density of the electrode body can be increased to 85% by volume or more (preferably 90% by volume or more), and the interfacial resistance can be further reduced, which is preferable. For this packing density, for example, a value measured by a pycnometer method can be adopted. In addition, it can be measured by an image analysis method.
Further, by applying pressure while heating the layers in a laminated state, the binder contained in each layer can bond the layers. As a result, even when the volume of the electrode layer changes due to charging / discharging, the adhesion of each layer can be maintained, and an increase in internal resistance can be suppressed.
ここに開示される全固体電池電極体の製造方法の好ましい一態様では、上記加圧は、面圧200MPa以上の平面プレスによって行うようにする。あるいは、上記加圧は、線圧10kN/cm以上のロール圧延によって行うようにする。
上記構成によると、固体電解質層に発生する引張応力のムラを低減できることから、従来よりも高い圧力で電極体を加圧した場合であっても、固体電解質層の割れを抑制することができる。これにより、電極体の充填密度をより一層高めることができて好ましい。In a preferred embodiment of the method for manufacturing an all-solid-state battery electrode body disclosed herein, the pressurization is performed by a flat press having a surface pressure of 200 MPa or more. Alternatively, the pressurization is performed by roll rolling with a linear pressure of 10 kN / cm or more.
According to the above configuration, since the unevenness of the tensile stress generated in the solid electrolyte layer can be reduced, cracking of the solid electrolyte layer can be suppressed even when the electrode body is pressurized with a pressure higher than the conventional one. This is preferable because the packing density of the electrode body can be further increased.
ここに開示される全固体電池電極体の製造方法の好ましい一態様では、上記工程(d)において、用意する上記絶縁層のヤング率は、上記第二活物質層の圧縮変形抵抗率の1/10以上である。
このような構成によると、加圧による絶縁層の変形挙動が第二活物質層の変形挙動に好適に追随し、加圧によるプレス圧をより均一に固体電解質層に伝達できるために好ましい。In a preferred embodiment of the method for manufacturing an all-solid-state battery electrode body disclosed herein, the Young's modulus of the insulating layer prepared in the step (d) is 1 / of the compressive deformation resistivity of the second active material layer. It is 10 or more.
According to such a configuration, the deformation behavior of the insulating layer due to pressurization preferably follows the deformation behavior of the second active material layer, and the press pressure due to pressurization can be more uniformly transmitted to the solid electrolyte layer, which is preferable.
ここに開示される全固体電池電極体の製造方法の好ましい一態様では、上記工程(d)において、少なくとも光硬化性樹脂組成物を含む絶縁性組成物を上記周縁部に供給し、硬化光を照射することにより、光硬化性樹脂を含む上記絶縁層を用意する。
このような構成によると、絶縁層の用意に要する時間を短縮できるために好ましい。In a preferred embodiment of the method for producing an all-solid-state battery electrode body disclosed herein, in the step (d), an insulating composition containing at least a photocurable resin composition is supplied to the peripheral portion to emit curing light. By irradiating, the above insulating layer containing a photocurable resin is prepared.
Such a configuration is preferable because the time required for preparing the insulating layer can be shortened.
ここに開示される全固体電池電極体の製造方法の好ましい一態様では、上記絶縁性組成物は、多孔質セラミック粉体、セラミック中空粒子、セラミック粒子の中空凝集体、多孔質樹脂粒子、中空樹脂粒子、絶縁性繊維状フィラーからなる群から選択される少なくとも1種を含む。
このような構成によると、紫外線硬化樹脂からなる絶縁層の圧縮挙動を所望の値に調整することができるために好ましい。In a preferred embodiment of the method for producing an all-solid-state battery electrode body disclosed herein, the insulating composition comprises porous ceramic powder, ceramic hollow particles, hollow aggregates of ceramic particles, porous resin particles, and hollow resin. Includes at least one selected from the group consisting of particles, insulating fibrous fillers.
According to such a configuration, the compression behavior of the insulating layer made of the ultraviolet curable resin can be adjusted to a desired value, which is preferable.
ここに開示される全固体電池電極体の製造方法の好ましい一態様では、上記絶縁層は、上記絶縁性セラミック粒子と上記バインダと分散媒とを含むスラリーを供給したのち、上記分散媒を除去することにより用意する。例えば、絶縁層は、アルミナおよび固体電解質材料の少なくとも一つを含むことが好ましい。
このような構成によると、加圧による変形挙動が第二活物質層と類似の絶縁層を形成できるために好ましい。In a preferred embodiment of the method for producing an all-solid-state battery electrode body disclosed herein, the insulating layer supplies a slurry containing the insulating ceramic particles, the binder and the dispersion medium, and then removes the dispersion medium. Prepare by. For example, the insulating layer preferably contains at least one of alumina and a solid electrolyte material.
According to such a configuration, the deformation behavior due to pressurization is preferable because an insulating layer similar to the second active material layer can be formed.
ここに開示される全固体電池電極体の製造方法の好ましい一態様では、上記工程(a)において、上記第一活物質層は集電体の両面に用意する。
上記構成によると、集電体の両方の面に、第一活物質層、固体電解質層および第二活物質層からなる積層体を一組ずつ形成することができる。このことにより、二組の積層体を集電体と共に一度に加圧して、より高容量の電極体を簡便に得ることができるために好ましい。In a preferred embodiment of the method for manufacturing an all-solid-state battery electrode body disclosed herein, the first active material layer is prepared on both sides of the current collector in the step (a).
According to the above configuration, one set of laminates including the first active material layer, the solid electrolyte layer and the second active material layer can be formed on both surfaces of the current collector. This is preferable because two sets of laminated bodies can be pressurized together with the current collector at one time to easily obtain a higher capacity electrode body.
他の側面において、ここに開示される技術は、全固体電池用の電極体を提供する。この電極体は、固体電解質層と、第一活物質層と、第二活物質層と、絶縁層と、を含む。ここで、上記固体電解質層は、第一面と、上記第一面とは反対側の第二面とを有し、上記第二面は、上記固体電解質層の周縁の少なくとも一部である周縁部と、上記周縁部を除く積層部と、を含む。また、上記第一活物質層は、上記第一面に備えられ、上記第二活物質層は、上記積層部に備えられ、上記絶縁層は、上記周縁部に備えられる。そして、上記第二活物質層および上記絶縁層の上記第二面とは反対側の表面は面一である。
このような構成によると、電極体の充填密度を高めた場合であっても、製造時から使用時において固体電解質層に割れが発生し難いものとして実現されるために好ましい。In another aspect, the techniques disclosed herein provide electrodes for all-solid-state batteries. This electrode body includes a solid electrolyte layer, a first active material layer, a second active material layer, and an insulating layer. Here, the solid electrolyte layer has a first surface and a second surface opposite to the first surface, and the second surface is a peripheral edge that is at least a part of the peripheral edge of the solid electrolyte layer. A portion and a laminated portion excluding the peripheral portion are included. Further, the first active material layer is provided on the first surface, the second active material layer is provided on the laminated portion, and the insulating layer is provided on the peripheral portion. The surfaces of the second active material layer and the insulating layer on the opposite side of the second surface are flush with each other.
According to such a configuration, even when the packing density of the electrode body is increased, it is preferable because the solid electrolyte layer is less likely to be cracked from the time of manufacture to the time of use.
以下、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けない全固体電池用電極体の一般的な構成等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。なお本明細書において「A〜B」のように表す数値範囲は、「A以上B以下」を意味する。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described. It should be noted that matters other than those specifically mentioned in the present specification and necessary for carrying out the present invention (for example, general configurations of electrode bodies for all-solid-state batteries that do not characterize the present invention) are described. It can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in the present specification and common general technical knowledge in the art. Further, in the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each figure do not reflect the actual dimensional relationships. The numerical range represented by "A to B" in the present specification means "A or more and B or less".
[第一実施形態]
図1は、一実施形態に係る全固体電池の電極体1の製造方法を示すフロー図である。電極体1の製造方法は、工程(a)〜(e)と工程(b’)とを含んでいる。また、図2は、本実施形態における電極体1の製造工程を示す模式図である。図2(A)は、電極体の製造の様子を上方から見た平面図を示しており、図2(B)は側方から見た側面図を示している。図中の矢印X,Y,Zはそれぞれ互いに直交する3方向を示し、Xは長手方向(搬送方向)を、Yは幅方向を、Zは厚み方向(上下方向)を示す。図3は、工程(a)〜(e)で用意される製造途中の電極体1の断面模式図である。[First Embodiment]
FIG. 1 is a flow chart showing a method of manufacturing the
図2のS1,S2,S3,S4は、いずれもスラリー塗工装置を示す。スラリー塗工装置S1,S2,S3,S4は、搬送方向Xの上流側から順に、スラリー塗工装置S1、スラリー塗工装置S2、スラリー塗工装置S3、スラリー塗工装置S4の順に設けられている。スラリー塗工装置の構成は特に制限されず、例えば、グラビアコーター、スリットコーター、ダイコーター、コンマコーター、ディップコーター、ブレードコーター等の公知の各種の塗布装置であり得る。本実施形態のスラリー塗工装置S1,S2,S3,S4は、ダイコーターである。図中のDは乾燥機を示す。乾燥機の構成も特に制限されず、例えば、加熱乾燥器、送風乾燥機、赤外線乾燥機、凍結乾燥器等であり得る。また、図中のPは圧延装置を示し、本実施形態の圧延装置Pはホットロール圧延機である。図中のCは、カッター、レーザー切断機等の切断装置を示す。 S1, S2, S3, and S4 in FIG. 2 all indicate a slurry coating apparatus. The slurry coating devices S1, S2, S3, and S4 are provided in the order of the slurry coating device S1, the slurry coating device S2, the slurry coating device S3, and the slurry coating device S4 in this order from the upstream side in the transport direction X. There is. The configuration of the slurry coating device is not particularly limited, and may be, for example, various known coating devices such as a gravure coater, a slit coater, a die coater, a comma coater, a dip coater, and a blade coater. The slurry coating devices S1, S2, S3, and S4 of the present embodiment are die coaters. D in the figure indicates a dryer. The configuration of the dryer is also not particularly limited, and may be, for example, a heat dryer, a blower dryer, an infrared dryer, a freeze dryer, or the like. Further, P in the figure indicates a rolling apparatus, and the rolling apparatus P of the present embodiment is a hot roll rolling mill. C in the figure indicates a cutting device such as a cutter and a laser cutting machine.
そして本実施形態で製造する電極体1は、典型的な構成として、固体電解質層10と、第一活物質層20と、第二活物質層30と、を含む。第一活物質層20は、固体電解質層10の第一面11に備えられる。第二活物質層30は、固体電解質層10の第一面11とは反対側の第二面12に備えられる。これら第一活物質層20、固体電解質層10および第二活物質層30は、集電体24の両方の面に備えられる。そこでまず、各構成要素の構成材料について以下に簡単に説明する。
The
固体電解質層10は、固体電解質材料を主体として含む。固体電解質層10は、典型的には、粉体状の固体電解質材料とバインダとを含む。粉体状の固体電解質材料は、バインダによって互いに結着されると共に、バインダによって他の層と固着される。固体電解質材料としては、全固体電池の固体電解質として利用可能な各種の材料を用いることができる。
なお、本明細書において「主体とする」とは、当該成分が50質量%以上含まれることを意味し、好ましくは60質量%以上、より好ましくは70質量%以上(例えば80質量%以上、90質量%以上、95質量%以上)であり得る。The
In the present specification, "mainly" means that the component is contained in an amount of 50% by mass or more, preferably 60% by mass or more, more preferably 70% by mass or more (for example, 80% by mass or more, 90). Mass% or more, 95% by mass or more).
固体電解質材料としては、例えば、リチウムイオン伝導性を有する各種の化合物を好適に用いることができる。このような固体電解質材料としては、具体的には、例えば、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−B2S3、Li3PO4−Li2S−Si2S、Li3PO4−Li2S−SiS2、LiPO4−Li2S−SiS、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5、LiI−Li3PS4−LiBr、Li2S−P2S5、Li2S−P2S5−LiI−LiBrおよびLi2S−P2S5−GeS2等の非晶質硫化物、Li2O−B2O3−P2O5、Li2O−SiO2、Li2O−B2O3、およびLi2O−B2O3−ZnO等の非晶質酸化物、Li10GeP2S12等の結晶質硫化物、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO4)3、Li1+x+yA1 xTi2-xSiyP3-yO12(A1は、AlまたはGa、0≦x≦0.4、0<y≦0.6)、[(A2 1/2Li1/2)1-zCz]TiO3(A2は、La、Pr、Nd、またはSm、CはSrまたはBa、0≦z≦0.5)、Li5La3Ta2O12、Li7La3Zr2O12、Li6BaLa2Ta2O12、およびLi3.6Si0.6P0.4O4等の結晶質酸化物、Li3PO(4-3/2w)Nw(w<1)等の結晶質酸窒化物、Li3N等の結晶質窒化物、ならびに、LiI、LiI−Al2O3、およびLi3N−LiI−LiOH等の結晶質ヨウ化物等が例示される。なかでも優れたリチウムイオン伝導性を有する点で非晶質硫化物を好ましく用いることができる。固体電解質粉体の平均粒子径は特に限定されるものではないが、例えば、平均粒子径(D50)が約0.1μm以上が適切であり、0.4μm以上が好ましい。また、固体電解質粉体は、体積平均粒子径は、例えば50μm以下であり、5μm以下が好ましい。なお、固体電解質としては、リチウム塩を含むポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリフッ化ビニリデン、またはポリアクリロニトリル等の半固体のポリマー電解質も使用することができる。
なお、本明細書における平均粒子径は、レーザー回折・光散乱式の粒度分布計を用いて測定した体積基準の粒度分布における、累積50%に相当する粒子径である。その他、電子顕微鏡(例えば走査型電子顕微鏡:SEM)等を用いて測定した値を採用することもできる。As the solid electrolyte material, for example, various compounds having lithium ion conductivity can be preferably used. Such solid electrolyte material, specifically, for example, Li 2 S-SiS 2, LiI-Li 2 S-SiS 2, LiI-Li 2 S-P 2 S 5, LiI-Li 2 S-B 2 S 3, Li 3 PO 4 -Li 2 S-Si 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2, LiPO 4 -Li 2 S-SiS, LiI-Li 2 S-P 2 O 5, LiI -Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , LiI-Li 3 PS 4- LiBr, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -Li I-Li Br and Li 2 SP 2 S 5 Amorphous sulfides such as −GeS 2 , Li 2 O−B 2 O 3 −P 2 O 5 , Li 2 O−SiO 2 , Li 2 O−B 2 O 3 , and Li 2 O−B 2 O 3 Amorphous oxides such as −ZnO, crystalline sulfides such as Li 10 GeP 2 S 12 , Li 1.3 Al 0.3 Ti 0.7 (PO 4 ) 3 , Li 1 + x + y A 1 x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (A 1 is Al or Ga, 0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6), [(A 2 1/2 Li 1/2 ) 1-z C z ] TiO 3 (A 2 is La, Pr, Nd, or Sm, C is Sr or Ba, 0 ≦ z ≦ 0.5), Li 5 La 3 Ta 2 O 12 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li Crystalline oxides such as 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 and Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 , crystalline acid nitrides such as Li 3 PO (4-3 / 2w) N w (w <1), Li crystalline nitride such as 3 N, and, LiI, LiI-Al 2 O 3, and Li 3 crystalline iodide such as N-LiI-LiOH and the like. Among them, amorphous sulfide can be preferably used because it has excellent lithium ion conductivity. The average particle size of the solid electrolyte powder is not particularly limited, but for example, an average particle size (D 50 ) of about 0.1 μm or more is appropriate, and 0.4 μm or more is preferable. The volume average particle size of the solid electrolyte powder is, for example, 50 μm or less, preferably 5 μm or less. As the solid electrolyte, a semi-solid polymer electrolyte such as polyethylene oxide containing a lithium salt, polypropylene oxide, polyvinylidene fluoride, or polyacrylonitrile can also be used.
The average particle size in the present specification is a particle size corresponding to a cumulative total of 50% in a volume-based particle size distribution measured using a laser diffraction / light scattering type particle size distribution meter. In addition, values measured using an electron microscope (for example, a scanning electron microscope: SEM) or the like can also be adopted.
第一活物質層20と第二活物質層30とは、例えば、いずれか一方を正極活物質層により構成し、他方を負極活物質層により構成することができる。正極活物質層は、正極活物質材料を主体として含む。負極活物質層は、負極活物質材料を主体として含む。正・負の活物質層は、典型的には、粉体状の活物質粒子とバインダとを含む。正・負の活物質層は、活物質粒子がバインダによって互いに結着されると共に、このバインダによって集電体24または他の層と固着される。
The first
正極活物質および負極活物質としては、全固体電池の電極活物質として利用可能な各種の材料を用いることができる。例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出することができる各種の化合物を好適に用いることができる。これら正極活物質と負極活物質とに明確な制限はなく、2種類の活物質材料の充放電電位を比較して、充放電電位が相対的に貴な電位を示すものを正極に、卑な電位を示すものを負極に用いることができる。このような活物質材料としては、例えば、コバルト酸リチウム(例えば、LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(例えば、LiNiO2)、Li1+xCo1/3Ni1/3Mn1/3O2(xは0≦x<1を満たす)等の層状岩塩型リチウム遷移金属酸化物、マンガン酸リチウム(例えば、LiMn2O4)、Li1+xMn2-x-yM1 yO4(M1は、Al、Mg、Ti、Co、Fe、Ni、およびZnから選ばれる1種以上の金属元素であり、x,yは独立して0≦x,y≦1を満たす)で表される組成の異種元素置換Li−Mnスピネル等のスピネル型リチウム遷移金属酸化物、チタン酸リチウム(例えば、LixTiOy、x,yは独立して0≦x,y≦1を満たす)、リン酸金属リチウム(例えば、LiM2PO4、M2はFe、Mn、Co、またはNi)、酸化バナジウム(例えば、V2O5)および酸化モリブデン(例えば、MoO3)等の酸化物、硫化チタン(例えば、TiS2)、グラファイトおよびハードカーボン等の炭素材料、リチウムコバルト窒化物(例えば、LiCoN)、リチウムシリコン酸化物(例えば、LixSiyOz、x,y,zは独立して0≦x,y,z≦1を満たす)、リチウム金属(Li)、シリコン(Si)およびスズ(Sn)ならびにこれらの酸化物(例えば、SiO、SnO2)、リチウム合金(例えば、LiM3、M3は、C、Sn、Si、Al、Ge、Sb、またはP)、リチウム貯蔵性金属間化合物(例えば、MgxM4やM5 ySb、M4はSn、Ge、またはSb、M5はIn、Cu、またはMn)、ならびに、これらの誘導体や複合体が挙げられる。活物質粒子の平均粒子径は、特に限定されるものではないが、例えば0.1μm以上であり、0.5μm以上であってよい。一方、体積平均粒子径は、例えば50μm以下であり、5μm以下であってもよい。活物質粒子を造粒粉体の形態に加工して用いる場合は、一次粒子としての活物質粒子の平均粒子径が上記範囲にあると好ましい。As the positive electrode active material and the negative electrode active material, various materials that can be used as the electrode active material of the all-solid-state battery can be used. For example, various compounds capable of occluding and releasing lithium ions can be preferably used. There is no clear limitation on these positive electrode active materials and negative electrode active materials, and the charge / discharge potentials of the two types of active material are compared, and the one whose charge / discharge potential shows a relatively noble potential is used as the positive electrode. Those showing an electric potential can be used for the negative electrode. Examples of such active material materials include lithium cobaltate (for example, LiCoO 2 ), lithium nickelate (for example, LiNiO 2 ), and Li 1 + x Co 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 (for example, LiCoO 2 ). Layered rock salt type lithium transition metal oxide such as x satisfies 0 ≦ x <1, lithium manganate (for example, LiMn 2 O 4 ), Li 1 + x Mn 2-xy M 1 y O 4 (M 1 is , Al, Mg, Ti, Co, Fe, Ni, and Zn, which are one or more metal elements, and x and y independently satisfy 0 ≦ x, y ≦ 1). Spinel-type lithium transition metal oxides such as dissimilar element-substituted Li-Mn spinels, lithium titanates (for example, Li x TiO y and x, y independently satisfy 0 ≦ x, y ≦ 1), lithium metal phosphates. Oxides such as (eg, LiM 2 PO 4 , M 2 is Fe, Mn, Co, or Ni), vanadium oxide (eg V 2 O 5 ) and molybdenum oxide (eg MoO 3 ), titanium sulfide (eg MoO 3 ). TiS 2 ), carbon materials such as graphite and hard carbon, lithium cobalt nitride (eg LiCoN), lithium silicon oxide (eg Li x S y O z , x, y, z are independently 0 ≦ x, Lithium metal (Li), silicon (Si) and tin (Sn) and their oxides (eg, SiO, SnO 2 ), lithium alloys (eg, LiM 3 , M 3) C, Sn, Si, Al, Ge, Sb, or P), lithium-storing metal-to-metal compounds (eg, Mg x M 4 and M 5 y Sb, M 4 are Sn, Ge, or Sb, M 5 are In, Cu or Mn), as well as derivatives and complexes thereof. The average particle size of the active material particles is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 μm or more, and may be 0.5 μm or more. On the other hand, the volume average particle diameter is, for example, 50 μm or less, and may be 5 μm or less. When the active material particles are processed into the form of granulated powder and used, it is preferable that the average particle size of the active material particles as the primary particles is in the above range.
また、第一活物質層20および第二活物質層30は、層内でのリチウムイオン伝導性を高めるために、活物質材料の一部を上記の固体電解質材料に置き換えてもよい。この場合、活物質層20、30に含有させる固体電解質材料の割合は、活物質材料と固体電解質材料の合計を100質量%としたとき、例えば、60質量%以下とすることができ、50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましい。また、固体電解質材料の割合は、10質量%以上が適切であり、20質量%以上が好ましく、30質量%以上がより好ましい。そして第一活物質層20および第二活物質層30は、活物質材料と固体電解質材料とを主体として構成される。
Further, in the first
なお、より電位の高い正極活物質層に硫化物からなる固体電解質を含有させる場合、正極活物質と固体電解質との界面に高抵抗の反応層が形成されて、界面抵抗が高くなる虞がある。したがって、このような事象を抑制するために、正極活物質粒子はリチウムイオン伝導性を有する結晶性酸化物で被覆しておくことが好ましい。正極活物質を被覆するリチウムイオン伝導性酸化物としては、例えば、一般式LixA3Oy(A3は、B、C、Al、Si、P、S、Ti、Zr、Nb、Mo、TaまたはWであり、xおよびyは正の数である。)で表される酸化物を挙げることができる。具体的には、Li3BO3、LiBO2、Li2CO3、LiAlO2、Li4SiO4、Li2SiO3、Li3PO4、Li2SO4、Li2TiO3、Li4Ti5O12、Li2Ti2O5、Li2ZrO3、LiNbO3、Li2MoO4、Li2WO4等を例示することができる。また、リチウムイオン伝導性酸化物は、例えばLi4SiO4−Li3BO3、Li4SiO4−Li3PO4等のように、上記リチウムイオン伝導性酸化物の任意の組み合わせからなる複合酸化物であってもよい。When a solid electrolyte composed of sulfide is contained in the positive electrode active material layer having a higher potential, a high resistance reaction layer may be formed at the interface between the positive electrode active material and the solid electrolyte, and the interface resistance may increase. .. Therefore, in order to suppress such an event, it is preferable that the positive electrode active material particles are coated with a crystalline oxide having lithium ion conductivity. Examples of the lithium-ion conductive oxide covering the positive electrode active material, for example, the general formula LixA 3 Oy (A 3 is, B, C, Al, Si , P, S, Ti, Zr, Nb, Mo, Ta or W And x and y are positive numbers.). Specifically, Li 3 BO 3 , Li BO 2 , Li 2 CO 3 , LiAlO 2 , Li 4 SiO 4 , Li 2 SiO 3 , Li 3 PO 4 , Li 2 SO 4 , Li 2 TiO 3 , Li 4 Ti 5 Examples thereof include O 12 , Li 2 Ti 2 O 5 , Li 2 ZrO 3 , LiNbO 3 , Li 2 MoO 4 , and Li 2 WO 4 . Further, the lithium ion conductive oxide include Li 4 SiO 4 -Li 3 BO 3 ,
正極活物質粒子の表面をイオン伝導性酸化物で被覆する場合、イオン伝導性酸化物は、正極活物質の少なくとも一部を被覆していればよく、正極活物質粒子の表面の全体を被覆していてもよい。正極活物質粒子を被覆するイオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、0.1nm以上が好ましく、1nm以上がより好ましい。また、イオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、100nm以下であることが好ましく、20nm以下がより好ましい。なお、イオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)等の電子顕微鏡を用いて測定することができる。 When the surface of the positive electrode active material particles is coated with the ionic conductive oxide, the ionic conductive oxide need only cover at least a part of the positive electrode active material, and covers the entire surface of the positive electrode active material particles. You may be. The thickness of the ionic conductive oxide that coats the positive electrode active material particles is, for example, preferably 0.1 nm or more, and more preferably 1 nm or more. The thickness of the ionic conductive oxide is, for example, preferably 100 nm or less, more preferably 20 nm or less. The thickness of the ionic conductive oxide can be measured using, for example, an electron microscope such as a transmission electron microscope (TEM).
第一活物質層20および第二活物質層30は、必要に応じて電子伝導性を高めるための導電材を含んでもよい。導電材は特に制限されるものではなく、例えば、黒鉛や、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)等のカーボンブラック、気相成長カーボン繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、その他の炭素材料を好適に用いることができる。このような導電材は、電極活物質層の総量を100質量%としたとき、例えば、1質量%以上であり、1質量%〜12質量%の範囲内であってもよく、2質量%〜10質量%の範囲内であってもよい。
The first
上記バインダは特に制限されるものではなく、結着性を有する各種の有機化合物を用いることができる。このようなバインダとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリトリフルオロエチレン、ポリエチレン、セルロース樹脂、アクリル樹脂、ビニル樹脂、ニトリルゴム、ポリブタジエンゴム、ブチルゴム、ポリスチレン、スチレンブタジエンゴム、スチレンブタジエンラテックス、多硫化ゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素ゴム等が挙げられる。これらはいずれか1種を単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。 The binder is not particularly limited, and various organic compounds having binding properties can be used. Examples of such a binder include polytetrafluoroethylene, polytrifluoroethylene, polyethylene, cellulose resin, acrylic resin, vinyl resin, nitrile rubber, polybutadiene rubber, butyl rubber, polystyrene, styrene butadiene rubber, styrene butadiene latex, and polysulfide. Examples thereof include rubber, acrylonitrile butadiene rubber, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride (PVDF), and fluororubber. Any one of these can be used alone or in combination of two or more.
また、集電体24としては、電子伝導性に優れ、使用する活物質の充放電電位において変質し難い各種の材料を用いることができる。このような材料としては、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン、およびこれらの合金(例えば、アルミニウム合金やステンレス鋼)、ならびにカーボン等を挙げることができる。集電体24の形状は、例えば、箔状、板状、メッシュ状等とすることができる。集電体24の厚みは電極体の寸法等にもよるため特に制限されないが、例えば、5μm以上500μm以下が好ましく、10μm以上100μm以下程度がより好ましい。
Further, as the
次に、各工程について説明する。
a.第一活物質層の用意
工程(a)では、第一活物質層20を用意する。第一活物質層20は、集電体24の片面または両面に用意する。本実施形態では、図3(a)に示すように、第一活物質層20を集電体24の両面に形成する。第一活物質層の製造手法としては、比較的低コストで生産性に優れるとの観点から、塗布法を好ましく採用することができる。塗布法では、第一活物質層用スラリーを調製し、このスラリーを集電体24に供給して、第一活物質層20を形成する。第一活物質層用スラリーは、少なくとも粉体状の活物質粒子とバインダとを分散媒に分散させることで用意することができる。ここで、分散媒としては、使用するバインダを好適に溶解または分散させることが可能な水系溶媒または非水系容媒(有機溶剤)を用いることができる。このような水系分散媒としては、例えば、水、水を主体とした低級アルコールの混合溶媒等が挙げられる。非水系分散媒としては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸ブチル等のエステル系溶剤や、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、ヘプタン等の炭化水素系溶剤、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン系溶剤、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、テレピネオール等が好適例として挙げられる。分散媒ば、例えばバインダを溶解させたバインダ溶液や、バインダを分散させたバインダ分散液等の形態で使用してもよい。また、塗布法に用いるスラリーは、必要に応じてスラリーの粘性を調整するための粘度調整剤等を含んでもよい。粘度調整剤は特に制限されるものではなく、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の有機化合物を好適に用いることができる。スラリーにおける固形分濃度は特に制限されず、例えば、50質量%以上が適切であり、60質量%以上が好ましく、70質量%以上がより好ましい。スラリー供給性の観点から、スラリーの固形分濃度は、例えば80質量%以下とするとよい。Next, each step will be described.
a. Preparation of the first active material layer In the step (a), the first
本実施形態における第一活物質層20は、例えば、負極活物質層である。負極活物質としては平均粒子径が4μmのシリコン(Si)粉体を、固体電解質としては平均粒子径が1μmのLiI−Li3PS4−LiBrを、導電材としてはABを用い、これらをバインダ溶液中にフィルミックス分散装置を用いて分散させることで負極用スラリーを調製することができる。バインダ溶液は、バインダとしてのPVDFを5質量%の濃度で酪酸ブチルに溶解させることで調製した。なお、使用したPVDFの軟化点は、134〜169℃の範囲にある。また、集電体24としては、厚みが約15μmで、引張強度が25℃で500N/mm2以上の銅箔を用いた。The first
図2に示すように、集電体24は、例えば、長尺箔状の集電体24がロールに巻き取られた集電体ロール100の形態で用意される。この集電体ロール100から、図示しない搬送手段によって集電体24を繰り出し、搬送方向Xに沿って連続的に搬送する。そして、搬送経路上に設けられたスラリー塗工装置S1によって、搬送されている集電体24の両面に第一活物質層用スラリーを塗布する。なお、集電体24の長手方向Xに直交する幅方向Yの両端には、第一活物質層用スラリーが供給されずに集電体24が露出した活物質層非形成部分24aが設けられている。この活物質層非形成部分24aを利用して、引き続き集電体24の搬送が行われる。また、所望の電極体1の寸法に応じて、スラリー塗工装置S1は、第一活物質層用スラリーを集電体24に間欠塗工することができる。その結果、長手方向Xで隣り合う2つの第一活物質層20の間には、幅方向Yに亘って集電体24が露出した活物質層非形成部分24bが設けられる(図2(A)参照)。これにより、集電体24の表面に、長手方向Xおよび幅方向Yで所望の寸法を備える第一活物質層20を用意することができる。ここで、第一活物質層20の表面のうち、集電体24に接していない側の表面を第一面21とする。
As shown in FIG. 2, the
b.固体電解質層の用意
工程(b)では、第一活物質層20の第一面21と、固体電解質層10の第一面11とが接するように、固体電解質層10を用意する。ここで、固体電解質層10の表面のうち、第一活物質層20に接する側の表面を第一面11とし、第一活物質層20に接していない側の表面を第二面12とする。本実施形態において、固体電解質層10は、集電体24の両面に形成された二つの第一活物質層20の第一面21にそれぞれ形成する。本実施形態における固体電解質層10は、第一活物質層20と同様に、塗布法によって形成する。b. Preparation of Solid Electrolyte Layer In step (b), the
塗布法に用いる固体電解質用スラリーは、粉体状の固体電解質をバインダ溶液中に分散させることで調製することができる。本実施形態では、固体電解質として、第一活物質層20に用いたのと同じ平均粒子径が1μmのLiI−Li3PS4−LiBrを用いた。バインダ溶液としては、第一活物質層20に用いたのと同じ、5質量%PVDFの酪酸ブチル溶液を用いた。そしてこれらをフィルミックス分散装置を用いて混合、分散させることで固体電解質用スラリーを調製した。
固体電解質用スラリーは、搬送経路上に設けられたスラリー塗工装置S2に収容し、工程(a)で形成された第一活物質層20の第一面21に塗布する。なお、図3(b)に示すように、固体電解質用スラリーは、第一活物質層20の第一面21の全面に供給する。これにより、第一活物質層20の第一面21の全体を覆うように、固体電解質層10を用意することができる。The solid electrolyte slurry used in the coating method can be prepared by dispersing the powdery solid electrolyte in the binder solution. In this embodiment, LiI-Li 3 PS 4- LiBr having the same average particle size of 1 μm as that used for the first
The slurry for solid electrolyte is housed in the slurry coating device S2 provided on the transport path, and is applied to the
b’.第一活物質層および固体電解質層の乾燥
工程(b’)では、工程(a)および(b)で用意した第一活物質層20および固体電解質層10を乾燥させる。この工程(b’)は必須ではないものの、短時間で品質のよい電極体1を製造することができるため、実施することが好ましい。工程(b’)において、集電体24上に形成された第一活物質層20および固体電解質層10は、図2に示すように、集電体24と共に搬送経路を搬送されて、乾燥機Dに導入される。第一活物質層20および固体電解質層10は、この乾燥機D内を通過する間に、スラリー中の分散媒(ここでは、酪酸ブチル)が除去される。本実施形態における乾燥条件は、120℃で20分間である。これにより、乾燥物としての第一活物質層20および固体電解質層10の積層体を得ることができる。このようにして形成される第一活物質層20の厚みは凡そ50μmであり、充填密度(嵩密度)は凡そ50体積%程度である。また、固体電解質層10の厚みは凡そ55μmであり、充填密度(嵩密度)は凡そ50体積%程度である。なお、本明細書において、各層についていう「厚み」は平均厚みを意味する。また、本実施形態における第一活物質層20および固体電解質層10の幅方向Yの寸法は概ね等しい。b'. Drying of the First Active Material Layer and the Solid Electrolyte Layer In the step (b'), the first
c.第二活物質層の用意
工程(c)では、固体電解質層10の第二面12と接するように、第二活物質層30を用意する。ここで、図3(c)に示すように、固体電解質層10の第二面12は、周縁の少なくとも一部である周縁部12aと、この周縁部12aを除く積層部12bとに区分けされる。そして第二活物質層30は、この積層部12bに接するように用意する。換言すると、第二活物質層30は周縁部12aには接しないように用意される。そして、第二活物質層30は、この周縁部12aの分だけ、第一活物質層20および固体電解質層10よりも面方向の寸法が小さい。本実施形態において第二活物質層30は、第一活物質層20と同様に、塗布法によって形成する。c. Preparation of the second active material layer In the step (c), the second
本実施形態における第二活物質層30は、例えば、正極活物質層である。正極活物質としては平均粒子径が4μmのリチウム遷移金属酸化物(LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2)粉体を、固体電解質としては平均粒子径が0.8μmのLiIを含むLi2S−P2S5非晶質硫化物を、導電材としてはVGCFを用意した。そしてこれらをバインダ溶液としてのPVDFの5質量%酪酸ブチル溶液中にフィルミックス分散装置を用いて分散させることで正極用スラリーを調製した。The second
そして、搬送経路上に設けられたスラリー塗工装置S3によって、工程(b’)で乾燥された固体電解質層10の積層部12bに、正極用スラリーを塗布する。なお、図2(A)に示すように、本実施形態では、固体電解質層10の第二面12について、周縁部12aは、幅方向Yの両端に沿うように設定した。また積層部12bは、固体電解質層10の第二面12において、周縁部12aを除く幅方向Yの中央部分に設定した。これにより、第二活物質層30の平面視における面積は、固体電解質層10および第一活物質層20の面積よりも小さい。したがって、第一活物質層20と第二活物質層30との容量比を整合させるために、第二活物質層30の上下方向Zの寸法(厚み)は、第一活物質層20の当該寸法よりも厚くなるように形成している(図3(c)参照)。これにより、第二活物質層30を用意することができる。このようにして形成される第二活物質層30の厚みは、例えば凡そ70μmであり、充填密度は50体積%程度である。
Then, the slurry for the positive electrode is applied to the
d.絶縁層の用意
工程(d)では、固体電解質層10の周縁部12aと接するように、絶縁層32を用意する。絶縁層32は、次工程(e)の圧延で、押し潰される第一活物質層20の端部と第二活物質層30の端部とが接触しないように絶縁を図る機能を有する。絶縁層32は、電子伝導性を有さない絶縁性材料により構成することができる。絶縁層32は、例えば、電子伝導性およびリチウムイオン伝導性を有さない絶縁性材料により構成することができる。絶縁層32は、絶縁性材料を主体に構成することができる。絶縁層32は、予め周縁部12aに対応する所定の形状に形成された絶縁層部材を用意しておき、これを固体電解質層10の周縁部12aに配置するようにしてもよい。あるいは、絶縁層32は、当該絶縁層32を構成する絶縁性材料の前駆材料を固体電解質層10の周縁部12aに供給し、硬化させることで用意してもよい。d. In the step (d) of preparing the insulating layer, the insulating
絶縁性材料としては特に制限されず、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等の熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、イミド樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンオキサイド等のエンジニアリングプラスチック、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルサルホン(PES)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルイミド(PEI)、変性ポリアミド等のスーパーエンジニアリングプラスチック、光エネルギーが供給されて重合硬化した光硬化性樹脂や、アルミナ、シリカ、チタニア、セリア、ジルコニア、ベーマイト、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の絶縁性セラミック、さらには固体電解質材料等により構成することができる。なかでも、後述する絶縁層32と正極活物質の圧延前の圧縮変形抵抗率を適切な関係に調整するとの観点から、絶縁性材料としては、絶縁性セラミックや固体電解質材料等の無機材料であることが好ましく、アルミナや、上記の硫化物系固体電解質等の使用がより好ましい。
The insulating material is not particularly limited, and for example, thermoplastic resins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), and polyethylene naphthalate (PEN), epoxy resins, phenol resins, and unsaturated polyester resins. , Urea resin, melamine resin, urethane resin, imide resin and other thermosetting resins, polyamide, polyimide, polyacetal, polycarbonate, modified polyphenylene oxide and other engineering plastics, polyphenylene sulfide (PPS), polyether sulfone (PES), poly Super engineering plastics such as ether ether ketone (PEEK), polyetherimide (PEI), modified polyamide, photocurable resin polymerized and cured by supplying light energy, alumina, silica, titania, ceria, zirconia, boehmite, water It can be composed of an insulating ceramic such as aluminum oxide or magnesium hydroxide, a solid electrolyte material, or the like. Among them, the insulating material is an inorganic material such as an insulating ceramic or a solid electrolyte material from the viewpoint of adjusting the compressive resistivity of the insulating
なおここでいう「エンジニアリングプラスチック」とは、100℃以上の耐熱性(典型的には、荷重たわみ温度と連続使用温度の少なくとも一つ)を有し、49MPa以上の引張強度と、2.5GPa以上の曲げ弾性率を備える材料をいう。また、「スーパーエンジニアリングプラスチック」とは、エンジニアリングプラスチックのうちで、150℃以上の耐熱性を有するものをいう。
なお、荷重たわみ温度は、ASTM D648またはJIS K7191−1:2015で定められた方法に準じ、樹脂材料に一定荷重をかけながら温度を上げたときのたわみの大きさがある一定値以上になる温度である。また、連続使用温度とは、米国UL規格のUL746Bで定められた方法に準じ、相対温度指数(Relative Thermal Index:RTI)として規定される、無荷重の環境で、継続的に使用することが可能な温度である。The "engineering plastic" referred to here has a heat resistance of 100 ° C. or higher (typically, at least one of a deflection temperature under load and a continuous use temperature), a tensile strength of 49 MPa or higher, and 2.5 GPa or higher. A material having a flexural modulus of. Further, the "super engineering plastic" refers to an engineering plastic having a heat resistance of 150 ° C. or higher.
The deflection temperature under load is a temperature at which the amount of deflection when the temperature is raised while applying a constant load to the resin material exceeds a certain value according to the method specified in ASTM D648 or JIS K7191-1: 2015. Is. In addition, the continuous use temperature is based on the method defined by UL746B of the US UL standard, and can be used continuously in a no-load environment defined as the Relative Thermal Index (RTI). Temperature.
絶縁性材料が上記樹脂(硬化物)である場合、前駆材料としては、例えば、当該樹脂のモノマーやオリゴマー、プレポリマー等を含む樹脂組成物とすることができる。また、当該樹脂が光硬化性樹脂である場合、未硬化の光硬化性樹脂としての光硬化性樹脂組成物は、光重合開始剤等の添加剤を含むことができる。また、絶縁性材料が上記絶縁性セラミックである場合、前駆材料としては、例えば、当該絶縁性セラミックからなる粒子とバインダとを含む粉体またはこれを分散媒に分散させたスラリーとすることができる。絶縁性材料が固体電解質材料を含むとき、その固体電解質材料は、固体電解質層10を構成する固体電解質材料と同じであってもよいし、異なってもよい。なお、これらの材料は、例えば後述する圧縮変形抵抗率を調整するために、異なる2以上の材料を組み合わせて用いるようにしてもよい。
When the insulating material is the above resin (cured product), the precursor material can be, for example, a resin composition containing a monomer, an oligomer, a prepolymer, or the like of the resin. When the resin is a photocurable resin, the photocurable resin composition as an uncured photocurable resin can contain additives such as a photopolymerization initiator. When the insulating material is the insulating ceramic, the precursor material can be, for example, a powder containing particles made of the insulating ceramic and a binder, or a slurry in which the powder is dispersed in a dispersion medium. .. When the insulating material contains a solid electrolyte material, the solid electrolyte material may be the same as or different from the solid electrolyte material constituting the
本実施形態における絶縁性材料はアルミナ粉体成形物である。そしてこのアルミナ粉体成形物は、第一活物質層20と同様に、前駆材料としてのアルミナスラリーを固体電解質層10の周縁部12aに塗工し、分散媒を除去することで用意することができる。アルミナスラリーは、平均粒子径が4μmのアルミナ粉体を、バインダ溶液としてのPVDF5質量%NMP溶液中にフィルミックス分散装置を用いて分散させることで調製することができる。
アルミナスラリーは、搬送経路上に設けられたスラリー塗工装置S4によって、固体電解質層10の周縁部12aに塗布する。なお、図3(d)に示すように、本実施形態において、アルミナスラリーは、第二活物質層30の幅方向Yの端部に接するように供給する。換言すると、固体電解質層10と第二活物質層30の表面により形成される段差部を埋めるように、アルミナスラリーを供給する。その後、アルミナスラリー中の分散媒を揮発によって除去させることで、絶縁層32を形成する。これにより、第一活物質層20と、固体電解質層10と、第二活物質層30および絶縁層32とが積層された積層体を形成することができる。The insulating material in this embodiment is an alumina powder molded product. Then, this alumina powder molded product can be prepared by applying an alumina slurry as a precursor material to the
The alumina slurry is applied to the
図3(d)に示すように、この積層体において、第二活物質層30の幅方向Yの両端には、絶縁層32が備えられている。積層体において、集電体24の両面に形成された一層目の第一活物質層20と、二層目の固体電解質層10と、三層目の第二活物質層30および絶縁層32は、幅方向Yの端部がほぼ揃っている。また、本実施形態において、絶縁層32の厚みは、第二活物質層30の厚みとほぼ同じになるようにアルミナスラリーの塗布量を調整している。本実施形態における絶縁層32と第二活物質層30との表面はおおむね面一となるように形成されている。このようにして形成される絶縁層32の厚みは、例えば凡そ70μmであり、充填密度は50体積%程度である。また、積層体の厚みは、例えば、凡そ400μmである。
As shown in FIG. 3D, in this laminated body, insulating
e.各層の積層体の圧延
工程(e)では、上記工程(d)で用意した積層体を、積層方向(すなわち厚み方向Z)に加圧する。積層体は、図2に示すように、搬送方向Xに沿って搬送され、圧延装置Pに送られる。積層体が圧延装置Pを通過することにより、積層体が密に圧延される。これにより、図3(e)に示すように、厚み方向の寸法が圧縮されて充填密度が高められた電極体1を得ることができる。e. In the rolling step (e) of the laminated body of each layer, the laminated body prepared in the above step (d) is pressed in the laminating direction (that is, the thickness direction Z). As shown in FIG. 2, the laminated body is conveyed along the conveying direction X and sent to the rolling apparatus P. As the laminate passes through the rolling apparatus P, the laminate is densely rolled. As a result, as shown in FIG. 3 (e), it is possible to obtain the
本実施形態では、圧延装置Pとしてホットロールプレスを用いている。ロール圧延装置は、圧延装置の中でも、搬送中の積層体をスムーズに圧縮できる点において有利である。圧延装置Pによる圧延条件は、例えば、線圧が10kN/cm以上の大圧延であることが好ましい。線圧は、30kN/cm以上がより好ましく、40kN/cm以上がさらに好ましく、50kN/cm以上が特に好ましい。線圧の上限は特に制限されず、圧延装置Pの圧延能力と積層体の形状維持特性に応じて適宜設定することができる。このことにより、一度の圧延によって積層体をより密に圧縮することができる。また、この圧延は、より緻密な電極体1を得るとの観点から、加熱しながら実施することが好ましい。圧延の際の加熱温度は特に制限されないが、例えば、第一活物質層20、固体電解質層10、第二活物質層30および絶縁層32に含まれるバインダの軟化点以上の温度(ここでは170℃以上)とすることが好ましい。このようにして得られる電極体1の厚みは、例えば、凡そ225μm(圧下率:約44%)である。改めて言うまでもないが、圧延の加熱温度は、使用材料の意図しない変質を招く温度より低い温度とすることができる。例えば、加熱温度は、バインダの熱分解開始温度未満の温度とすることができる。
In this embodiment, a hot roll press is used as the rolling apparatus P. Among the rolling mills, the roll rolling apparatus is advantageous in that the laminated body during transportation can be smoothly compressed. The rolling conditions by the rolling apparatus P are preferably, for example, large rolling with a linear pressure of 10 kN / cm or more. The linear pressure is more preferably 30 kN / cm or more, further preferably 40 kN / cm or more, and particularly preferably 50 kN / cm or more. The upper limit of the linear pressure is not particularly limited, and can be appropriately set according to the rolling capacity of the rolling apparatus P and the shape maintaining characteristics of the laminated body. This makes it possible to compress the laminate more densely by rolling once. Further, this rolling is preferably carried out while heating from the viewpoint of obtaining a more
このようにして得られる電極体1は、複数のものが、長尺の集電体24の両面に、活物質層非形成部分24bを介して離間して形成されている。したがって、図2に示したように、例えば、切断装置Cを用い、集電体24を活物質層非形成部分24bにて幅方向Yに沿って切断することで、複数の電極体1を個々に得ることができる。
A plurality of
以上のとおり、ここに開示される製造方法は、従来よりも高い圧力による圧延を採用することで、一回のみの圧延(加圧)によって電極体1を製造することができる。またその圧延は、例えば、厚み方向での圧縮率(圧下率)が20%以上、より好ましくは30%以上、さらに好ましくは40%以上、例えば45%以上、特に好ましくは50%以上の圧延を実現することができる。従来の圧延によると、電極体の各層の充填密度は約70体積%程度にしか高めることができていなかった。これに対し、ここに開示される技術によると、得られる電極体1の各層の充填密度は、例えば、圧延前に約50体積%であったものが、約80体積%以上、より好ましくは約85体積%以上、さらに好ましくは約90体積%以上にまで高められる。このことにより、各層における界面抵抗が低く抑制されて、内部抵抗の低い電極体1を簡便に製造することができる。
As described above, the manufacturing method disclosed herein employs rolling at a higher pressure than before, so that the
なお、このロール圧延による線圧は、積層体に対し、厚み方向Zに作用する他、幅方向Yにも比較的大きく作用する。圧延によって積層体には幅方向Yの引張応力が作用する。ここで第二活物質層30は、幅方向Yの寸法が小さく形成されているため、厚み方向Zの寸法は、例えば第一活物質層20よりも相対的に大きい。その結果、圧延により幅方向Yに変形される量が多くなりがちである。特に、第二活物質層30が正極活物質として汎用されるリチウム遷移金属酸化物を含む正極活物質層である場合、金属酸化物は固体電解質や負極活物質として多用される活物質材料(典型的には、炭素材料や金属材料)よりも高硬度であり得る。その結果、圧延により、第二活物質層30は緻密化よりも圧縮変形が起こりやすい。しかしながら、上記構成によると、第二活物質層30の幅方向Yの両端には絶縁層32が設けられている。このことにより、第二活物質層30が幅方向Yに大きく変形されて、第一活物質層20と短絡するのを防止することができる。
The linear pressure produced by the roll rolling acts on the laminated body in the thickness direction Z and also in the width direction Y relatively large. Tensile stress in the width direction Y acts on the laminated body by rolling. Here, since the second
さらに、図3(d)に示すように、固体電解質層10と第二活物質層30との表面の段差は、絶縁層32によって埋められている。このことにより、大きな圧力による大圧延を行った場合であっても、固体電解質層10の第二面12に均一に圧力を伝えることができる。換言すると、固体電解質層10の積層部12bと周縁部12aとに伝わる圧力の差が緩和されている。とりわけ、絶縁層32がセラミック粉体成形物である場合、絶縁層32と第二活物質層30との圧縮変形挙動を近似させることができるため、固体電解質層10により均一に圧力を伝えることができる。その結果、例えば図4に示すように、従来の電極体101において見られていた固体電解質層110の周縁部112aと積層部112bとの境界における圧延割れの発生を抑制することができる。これにより、第一活物質層20、固体電解質層10および第二活物質層30が均質でかつ高充填密度に圧延された電極体1を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 3D, the step on the surface between the
また、図3(e)に示すように、圧延後に得られる電極体1において、第二活物質層30と絶縁層32との表面高さは等しく面一である。また、第二活物質層30と絶縁層32との圧力に対する変形挙動等の物性は類似している。その結果、この電極体1は、例えば全固体電池の使用に伴う振動によって応力等を受けた場合であっても、例えば、固体電解質層10の周縁部12aと積層部12bとの境界に応力が集中することを抑制できる。したがって、製造時のみならず、使用時においても固体電解質層10の疲労割れ等が抑制された電極体1を製造することができる。このことは、各層の充填密度がより高められた電極体1において特に顕著な効果を奏するために好ましい。また、このことは、特に、充放電に伴い体積変化の大きい材料(例えば炭素材料やSi系材料、特にSi系材料)を電極活物質として含む構成の電極体1において繰り返し充放電した場合において、上記作用がより効果的に発現される点において好ましい。
Further, as shown in FIG. 3E, in the
なお、上記実施形態において、第一活物質層20、固体電解質層10、第二活物質層30および絶縁層32は、いずれも塗布法により用意した。また、第一活物質層20、固体電解質層10、第二活物質層30および絶縁層32は、この順に順次一体的に形成していた。しかしながら、ここに開示される技術はこれに限定されない。例えば、第一活物質層20、固体電解質層10、第二活物質層30および絶縁層32は、互いに独立して、粉体圧縮成形法、造粒粉体圧縮成形法、薄膜形成法等の公知の手法によって用意することができる。また、各層は順次一体的に形成してもよいし、各層を独立した別体として形成してもよい。各層を独立して用意する場合は、予め集電体24や任意のキャリアシート上に各層をそれぞれ形成しておき、工程(a)〜(d)にてこれらを重ね合わせ、圧延工程(e)にて接合一体化するとよい。
In the above embodiment, the first
また、上記実施形態において、工程(c)および工程(d)は、独立してこの順に実施した。しかしながら、ここに開示される技術はこれに限定されない。例えば、工程(c)と工程(d)とは、工程(d)を工程(c)よりも先に実施してもよいし、工程(c)と工程(d)とを同時に実施してもよい。工程(c)と工程(d)とを同時に実施する場合は、これに限定されるものではないが、例えば、スラリー塗工装置として、第二活物質用スラリーとアルミナスラリーとをストライプ状に同時に塗工できる、多条塗工装置を好ましく用いることができる。 Further, in the above embodiment, the steps (c) and (d) are independently carried out in this order. However, the techniques disclosed herein are not limited to this. For example, in the step (c) and the step (d), the step (d) may be carried out before the step (c), or the step (c) and the step (d) may be carried out at the same time. Good. When the step (c) and the step (d) are carried out at the same time, the case is not limited to this, but for example, as a slurry coating device, the slurry for the second active material and the alumina slurry are simultaneously striped in a stripe shape. A multi-row coating device that can be coated can be preferably used.
また、上記実施形態において、スラリー塗工による工程(a)および(b)のあとに、乾燥工程(b’)を実施した。しかしながら、ここに開示される技術はこれに限定されない。例えば、各層を粉体圧縮成形法、造粒粉体圧縮成形法、薄膜形成法等の手法によって用意した場合は、工程(b’)を省略することができる。
一方で、上記実施形態において、スラリー塗工による工程(d)では揮発により分散媒を除去するようにした。しかしながら、ここに開示される技術はこれに限定されず、例えば、工程(d)のあとに乾燥工程(d’)を実施してもよい。Further, in the above embodiment, the drying step (b') was carried out after the steps (a) and (b) by the slurry coating. However, the techniques disclosed herein are not limited to this. For example, when each layer is prepared by a method such as a powder compression molding method, a granulated powder compression molding method, or a thin film forming method, the step (b') can be omitted.
On the other hand, in the above embodiment, in the step (d) by slurry coating, the dispersion medium is removed by volatilization. However, the technique disclosed herein is not limited to this, and for example, a drying step (d') may be carried out after the step (d).
また、上記実施形態において、スラリー塗工による工程(d)のあと、圧延工程(e)を実施した。しかしながら、ここに開示される技術はこれに限定されず、例えば、工程(e)に先立って、第二活物質層30および絶縁層32の上に第二集電体を用意する工程を実施してもよい。また、第二集電体を介して、図3(d)に示すような積層体を複数重ねた積層体を用意する工程を実施してもよい。第二集電体としては、上記の集電体24と同様であり、電子伝導性に優れ、第二活物質層30に含まれる電極活物質の充放電電位において変質し難い各種の材料を用いることができる。例えば、アルミニウム箔を好ましく用いることができる。これにより、第一活物質層20、固体電解質層10、第二活物質層30および絶縁層32が、二つの集電体により挟まれ一体化された蓄電単位を1または2以上含む構成の電極体1を得ることができる。
Further, in the above embodiment, the rolling step (e) was carried out after the step (d) by the slurry coating. However, the technique disclosed herein is not limited to this, and for example, prior to step (e), a step of preparing a second current collector on the second
また、上記実施形態においては、圧延工程(e)の後に、集電体24を切断して電極体1を切り分けた。しかしながら、集電体24の切断のタイミングは、圧延工程(e)の後に限定されない。集電体24の切断は、例えば、圧延工程(e)の前に実施してもよい。
Further, in the above embodiment, after the rolling step (e), the
さらに、上記実施形態において、圧延工程(e)はホットロール圧延機を用いたロール圧延により実施した。しかしながら、ここに開示される技術はこれに限定されず、例えば、圧延工程(e)は平板圧延機を用いた平面プレスにより実施してもよい。これに限定されるものではないが、上記のとおり、圧延工程(e)の前に集電体24を切断した場合は、圧延工程(e)を平面プレスによって行うことも好ましい。平面プレスを行う場合の面圧は、例えば、200MPa以上が好ましく、400MPa以上がより好ましく、600MPa以上がさらに好ましく、800MPa以上が特に好ましく、例えば1000MPa程度とすることができる。面圧の上限は、使用する平板圧延機の性能等により適宜設定することができる。
Further, in the above embodiment, the rolling step (e) was carried out by roll rolling using a hot roll rolling mill. However, the technique disclosed herein is not limited to this, and for example, the rolling step (e) may be carried out by a flat press using a flat plate rolling mill. Although not limited to this, as described above, when the
なお、平面プレスを行う場合は、ロール圧延の場合と比較して、幅方向Yの引張応力に加え、長手方向Xの引張応力が各層に生じやすい。したがって、固体電解質層10の第二面12において、周縁部12aを幅方向Yの両端に沿って設けることに加え、長手方向Xの両端に沿って設けてもよい。換言すると、固体電解質層10の第二面12の周縁の全体にわたって周縁部12aを設けてもよい。また、これに合わせて、絶縁層32を固体電解質層10の第二面12の周縁の全体にわたって設けてもよい。これにより、圧延によって第二活物質層30が幅方向Yのみならず長手方向Xに大きく変形した場合であっても、第一活物質層20と第二活物質層30との短絡を好適に防止することができる。
In the case of flat pressing, in addition to the tensile stress in the width direction Y, the tensile stress in the longitudinal direction X is likely to be generated in each layer as compared with the case of roll rolling. Therefore, on the
また、上記実施形態において、圧延工程(e)の前において、第二活物質層30と絶縁層32の厚み方向Zの寸法は、図3(d)に示すように、両者の表面が概ね面一となるように形成されていた。また、絶縁層32の幅方向Yで第二活物質層30とは反対側の端部の位置は、固体電解質層10の幅方向Yの端部の位置と概ね揃っていた。しかしながら、ここに開示される技術はこれに限定されず、絶縁層32の形態は多様に変化させてよい。例えば、図5(A)に示す例では、圧延工程(e)の前において、集電体24の両面と、固体電解質層10の幅方向Yの両端側に、異なる4とおりの断面形態で絶縁層32a、32b、32c、32dが形成されている。このように、例えば、絶縁層32aは、第二活物質層30よりも厚みが厚くてもよい。また、絶縁層32bは、第二活物質層30よりも厚みが薄くてもよい。さらに、絶縁層32cは、その端部が固体電解質層10よりも幅方向Yに突出していてもよい。また、絶縁層32dは、幅方向Yの寸法が、厚み方向Zに沿って変化していてもよい。これらの絶縁層32a、32b、32c、32dは、圧延工程(e)において、図5(B)に示すように、少なくとも第二活物質層30と絶縁層32の表面が面一となるまで圧延される。したがって、このような圧延が可能な構成であれば、上記実施形態と同様に本技術の効果を実現することができる。
Further, in the above embodiment, before the rolling step (e), the dimensions of the second
しかしながら、絶縁層32a、32bについては、第二活物質層30と相対的に厚みが違いすぎると、圧延工程(e)において固体電解質層10に加わる圧力にムラを生じ得るために好ましくない。そこで、第二活物質層30と絶縁層32の構成材料にもよるため一概には言えないものの、例えば、圧延前の絶縁層32bの厚みT1は、圧延前の第二活物質層30の厚みT2に対して、0.6×T2≦T1の関係を満たすことが望ましく、0.75×T2≦T1がより望ましく、例えば0.8×T2≦T1であってよい。また、厚みT1とT2は、T1≦1.8×T2の関係を満たすことが望ましく、T1≦1.6×T2や、T1≦1.4×T2、さらにはT1≦1.25×T2やT1≦1.2×T2の関係を満たすことがより望ましい。これにより、第二活物質層30と絶縁層32の厚みが異なる場合であっても、固体電解質層10をより均質に圧延することができる。
However, if the thicknesses of the insulating
また、固体電解質層10により均一な圧力を伝えるとの観点からは、第二活物質層30と絶縁層32とは圧縮時の変形抵抗が類似していることが好ましい。本発明者らの検討によると、例えば、工程(d)において用意する(換言すると、圧延前の)絶縁層32bの圧縮変形抵抗率(圧縮弾性率、単に「弾性率」等ともいう。)E1は、圧延前の第二活物質層30の圧縮変形抵抗率E2に対して、E1≧0.1×E2を満たすことが好ましく、E1≧0.2×E2がより好ましい。これにより、固体電解質層10により良好に圧力を伝えることができる。圧縮変形抵抗率E1は、0.5×E2以上であることが好ましく、0.8×E2以上がより好ましく、0.9×E2以上がさらに好ましく、E2以上であることが特に好ましい。また、本発明者らの検討によると、絶縁層32は、過度でなければ第二活物質層30と比較して相対的に伸び変形し難くても許容される。したがって、圧縮変形抵抗率E1は、凡そ2×E2以下であることが好ましく、1.5×E2以下がより好ましく、1.3×E2以下がさらに好ましく、1.2×E2以下が特に好ましい。これにより、第二活物質層30と絶縁層32の材質が異なる場合であっても、上記実施形態と同様に本技術の効果を発揮することができる。また、絶縁層32の設計の指針が提供される。
Further, from the viewpoint of transmitting a uniform pressure to the
なお、第二活物質層30の緻密化を十分に行いながら、固体電解質層10の割れ等の抑制を高いレベルでバランスよく実現するには、圧延に供する第二活物質層30および絶縁層32の厚みと圧縮変形抵抗率とは、以下の関係を満たすことが好ましい。すなわち、まず、E1≧0.2×E2であることが好ましい。そして、(1)0.2×E2≦E1≦0.5×E2の場合は、0.75×T2≦T1≦1.6×T2であることが好ましい。また、(2)0.5×E2<E1の場合は、0.75×T2≦T1≦1.25×T2であることが好ましい。
In order to sufficiently densify the second
なお、本明細書において、圧縮変形抵抗率とは、圧縮応力を受けたときの当該圧縮応力の伝達効率を意味する。この圧縮変形抵抗率は、例えば、圧延前の絶縁層32bと圧延前の第二活物質層30とに相当する試料について、上記圧延工程(e)と同等の温度および圧縮荷重による圧縮試験を行って得られる応力−ひずみ曲線の傾きとして把握することができる。応力−ひずみ曲線の傾きの算出に際しては、試料厚みが極めて薄いことから、応力−ひずみ曲線を直線補完して傾きを求めてもよい。また、絶縁層が第二活物質層と同様に複合材料からなる場合は、応力−ひずみ曲線に降伏点や破壊点が見られる場合がある。その場合、上記傾きは、複合則に基き算出してもよいし、当該降伏点(または破壊点)に至るまでの初期ひずみ領域における曲線を直線補完して求めてもよい。圧縮試験は、例えば、JIS K7181、K7056、R1608等に準じて適宜実施することができる。なお、実際的には、圧延前の絶縁層や第二活物質層のような薄膜状(典型的には、厚み100〜200μm)の試料について、500MPaを超える圧縮荷重を付加したときの応力ひずみ特性の測定が困難な場合があり得る。その場合、圧縮変形抵抗率は、例えば、圧延工程(e)における圧縮荷重として、500MPa(代表値)を採用してもよい。なお、上記の絶縁層の圧縮変形抵抗率E1と第二活物質層の圧縮変形抵抗率E2との関係は、例えば、精密万能試験機を用い、特別に作製した治具を用いて、種々の絶縁層試料および第二活物質層試料について、室温(25℃)から200℃(典型的には170℃)の温度条件下で500MPaの圧縮力を印加したときの圧縮変形抵抗率E1、E2を基に導出されたものである。
In this specification, the compressive deformation resistivity means the transmission efficiency of the compressive stress when it is subjected to the compressive stress. For this compressive deformation resistance, for example, a compression test is performed on a sample corresponding to the insulating
[第二実施形態]
(CAE解析)
全固体電池の電極体を製造するにあたり、固体電解質層と正極活物質層および絶縁層とが積層された積層体に、所定の圧延を行ったときの固体電解質層の圧延状態を、応答曲面法に基づくCAE(computer aided engineering)解析により予測した結果を図6に示した。図6は、縦軸に正極活物質層に対する絶縁層の圧延前の厚みの比を、横軸に正極活物質層に対する絶縁層の弾性率(圧縮変形抵抗率)の比を示している。この図6では、領域IIと領域IIIとを合わせた領域が、正極活物質層と絶縁層との関係が、プレスによって正極活物質層に所定値以上の圧縮応力が加わる領域であることを示す。これに対し、正極活物質層と絶縁層との関係が領域Iにあるときは、絶縁層が硬すぎたり厚すぎたりするために、絶縁層およびこれに接する固体電解質層部分だけにプレス圧が負荷され、正極活物質層には必要な圧縮荷重が加わらないことを示す。また、正極活物質層と絶縁層との関係が領域Iと領域IIとを合わせた領域にあるときは、絶縁層を介してこれに接する固体電解質層に圧縮応力が加わるものの、ロールプレス時に搬送方向に引張応力が加わらないことを示す。これに対し、正極活物質層と絶縁層との関係がそれ以外の領域III(左側〜下半分ほどの領域)にあるときは、絶縁層が柔らかすぎたり薄すぎたりして絶縁層に接する固体電解質層を圧縮できず、絶縁層に接する固体電解質層に引張応力が加わり、絶縁層や固体電解質層に割れ等が発生することを示している。したがって、正極活物質層と絶縁層との関係が、領域IIにあるときに、固体電解質層に割れ等が発生することなく、且つ、正極活物質層をしっかりと緻密化することができる。[Second Embodiment]
(CAE analysis)
In manufacturing an electrode body of an all-solid-state battery, the response curved surface method is used to determine the rolled state of the solid electrolyte layer when a predetermined rolling is performed on the laminated body in which the solid electrolyte layer, the positive electrode active material layer and the insulating layer are laminated. The results predicted by CAE (computer aided engineering) analysis based on the above are shown in FIG. In FIG. 6, the vertical axis shows the ratio of the thickness of the insulating layer to the positive electrode active material layer before rolling, and the horizontal axis shows the ratio of the elastic modulus (compressive deformation resistivity) of the insulating layer to the positive electrode active material layer. FIG. 6 shows that the combined region of region II and region III is a region in which the relationship between the positive electrode active material layer and the insulating layer is a region in which compressive stress of a predetermined value or more is applied to the positive electrode active material layer by pressing. .. On the other hand, when the relationship between the positive electrode active material layer and the insulating layer is in region I, the insulating layer is too hard or too thick, so that the pressing pressure is applied only to the insulating layer and the solid electrolyte layer portion in contact with the insulating layer. It is shown that it is loaded and the required compressive load is not applied to the positive electrode active material layer. Further, when the relationship between the positive electrode active material layer and the insulating layer is in the region where the regions I and II are combined, compressive stress is applied to the solid electrolyte layer in contact with the region I via the insulating layer, but the solid electrolyte layer is conveyed during roll pressing. Indicates that no tensile stress is applied in the direction. On the other hand, when the relationship between the positive electrode active material layer and the insulating layer is in the other region III (the region from the left side to the lower half), the insulating layer is too soft or too thin and is in contact with the insulating layer. It is shown that the electrolyte layer cannot be compressed, tensile stress is applied to the solid electrolyte layer in contact with the insulating layer, and cracks or the like occur in the insulating layer or the solid electrolyte layer. Therefore, when the relationship between the positive electrode active material layer and the insulating layer is in region II, the solid electrolyte layer is not cracked or the like, and the positive electrode active material layer can be firmly densified.
[電極体作製試験]
また、図6のCAE解析による予測が適正かどうかを、以下の電極体作製試験にて確認した。図6には、この電極体作製試験の結果も併せて示した。
(例1〜2)
正極活物質としての平均粒子径4μmのリチウム遷移金属酸化物(LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2)粉末と、硫化物固体電解質としての平均粒子径0.8μmのLiI含有Li2S−P2S5系ガラスセラミックと、導電材としてのVGCFと、バインダ溶液としてのPVdFの5質量%酪酸ブチル溶液と、分散媒としての酪酸ブチル溶液とをフィルミックス分散装置で撹拌し、正極用ペーストを得た。
負極活物質としての平均粒子径5μmのシリコン粉末と、硫化物固体電解質としての平均粒子径2.5μmのLiI含有Li2S−P2S5系ガラスセラミックと、バインダ溶液としてのPVdFの5質量%酪酸ブチル溶液と、分散媒としての酪酸ブチル溶液とを超音波分散装置で30秒間撹拌し、負極用ペーストを得た。[Electrode body fabrication test]
In addition, it was confirmed by the following electrode body fabrication test whether or not the prediction by the CAE analysis in FIG. 6 was appropriate. FIG. 6 also shows the results of this electrode body fabrication test.
(Examples 1 and 2)
Lithium transition metal oxide (LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 ) powder with an average particle size of 4 μm as a positive electrode active material and LiI-containing Li with an average particle size of 0.8 μm as a sulfide solid electrolyte 2 SP 2 S 5 series glass ceramic, VGCF as a conductive material, 5% by mass butyl butyrate solution of PVdF as a binder solution, and butyl butyrate solution as a dispersion medium are stirred by a fill mix disperser. A positive electrode paste was obtained.
Silicon powder with an average particle size of 5 μm as a negative electrode active material, Li 2 SP 2 S 5 system glass ceramic with an average particle size of 2.5 μm as a sulfide solid electrolyte, and 5 masses of PVdF as a binder solution. The% butyl butyrate solution and the butyl butyrate solution as a dispersion medium were stirred with an ultrasonic disperser for 30 seconds to obtain a negative electrode paste.
硫化物固体電解質としての平均粒子径2.5μmのLiI含有Li2S−P2S5系ガラスセラミックと、ブタジエンゴム(BR)系バインダの5質量%ヘプタン溶液と、分散媒としてのヘプタンとを超音波分散装置で30秒間撹拌し、SE層用ペーストを得た。
絶縁層材料としての平均粒子径5μmのアルミナ粉末と、ブタジエンゴム(BR)系バインダの10質量%メシチレン溶液と、分散媒としてのメシチレンとを超音波分散装置で30秒間撹拌し、絶縁層用ペーストを得た。Li 2 SP 2 S 5 glass ceramic containing LiI with an average particle size of 2.5 μm as a sulfide solid electrolyte, a 5 mass% heptane solution of a butadiene rubber (BR) binder, and heptane as a dispersion medium. The mixture was stirred with an ultrasonic disperser for 30 seconds to obtain a paste for the SE layer.
Alumina powder with an average particle size of 5 μm as an insulating layer material, a 10 mass% mesitylene solution of a butadiene rubber (BR) binder, and mesityylene as a dispersion medium are stirred for 30 seconds with an ultrasonic disperser, and a paste for the insulating layer is used. Got
アルミニウム箔上に正極用ペーストおよびSE層用ペーストをブレード法にてそれぞれ塗工し、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させることで、正極活物質層およびSE層を作製した。正極活物質層の厚みは60μmとなるようにした。次いで、銅箔の片面に負極用ペーストをブレード法にて塗工し、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させたのち、銅箔のもう一方の面に負極用ペーストをブレード法にて塗工し、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させることで、銅箔の両面に負極活物質層を備えた負極を得た。なお、負極活物質層とSE層の平面視での寸法は同じであり、正極活物質層はSE層よりも幅方向の寸法を狭く形成した。 A positive electrode active material layer and an SE layer were prepared by applying a positive electrode paste and an SE layer paste on an aluminum foil by a blade method and drying them on a hot plate at 100 ° C. for 30 minutes. The thickness of the positive electrode active material layer was set to 60 μm. Next, the negative electrode paste is applied to one side of the copper foil by the blade method, dried on a hot plate at 100 ° C. for 30 minutes, and then the negative electrode paste is applied to the other side of the copper foil by the blade method. The work was carried out and dried on a hot plate at 100 ° C. for 30 minutes to obtain a negative electrode having negative electrode active material layers on both sides of the copper foil. The dimensions of the negative electrode active material layer and the SE layer in a plan view are the same, and the positive electrode active material layer is formed to have a narrower dimension in the width direction than the SE layer.
用意した負極の両面の負極活物質層の上に、用意したSE層をそれぞれ重ね合わせ、常温(25℃)でロールプレスしたのちアルミニウム箔を剥がすことにより、負極上にSE層を転写法により成膜した。さらに同様にして、SE層上に正極活物質層を転写した。これによりSE層および負極活物質層は、正極活物質層よりも幅方向の両端で突出し、SE層と正極活物質層の幅方向の端部との間に段差部が両面で計4カ所に形成された。これらの段差部の幅は約2mmであり、段差部高さは正極活物質層の厚みに一致して60μmであった。 The prepared SE layers are laminated on the negative electrode active material layers on both sides of the prepared negative electrode, roll-pressed at room temperature (25 ° C.), and then the aluminum foil is peeled off to form the SE layer on the negative electrode by the transfer method. Membrane. Further, in the same manner, the positive electrode active material layer was transferred onto the SE layer. As a result, the SE layer and the negative electrode active material layer protrude at both ends in the width direction from the positive electrode active material layer, and there are a total of four steps on both sides between the SE layer and the positive electrode active material layer at both ends in the width direction. Been formed. The width of these stepped portions was about 2 mm, and the height of these stepped portions was 60 μm, which coincided with the thickness of the positive electrode active material layer.
そこで、段差部に、ディスペンサーにて絶縁層用ペーストを供給し、100℃のホットプレート上で30分間乾燥させることで絶縁層を形成した。ただし、例1では、絶縁層の厚みが60μmとなるように形成し、例2では絶縁層の厚みが55μmとなるように形成した。絶縁層は、片面あたり2カ所ずつ、両面で計4カ所に設け、これにより積層体を用意した。その後、この積層体を厚さ0.1mmの2枚のSUS板で挟み、170℃のロールプレス機にて線圧50kN/cmで圧延し、各層を緻密化することで、例1および例2の全固体電池用の電極体を得た。 Therefore, the insulating layer paste was supplied to the stepped portion by a dispenser and dried on a hot plate at 100 ° C. for 30 minutes to form an insulating layer. However, in Example 1, it was formed so that the thickness of the insulating layer was 60 μm, and in Example 2, it was formed so that the thickness of the insulating layer was 55 μm. Two insulating layers were provided on each side, and a total of four insulating layers were provided on both sides to prepare a laminated body. Then, this laminated body is sandwiched between two SUS plates having a thickness of 0.1 mm, rolled at a linear pressure of 50 kN / cm with a roll press machine at 170 ° C., and each layer is densified to form Examples 1 and 2. An electrode body for an all-solid-state battery was obtained.
(例3)
絶縁層材料として、平均粒子径2.5μmのLiI含有Li2S−P2S5系ガラスセラミックを用いたこと以外は、例1と同様にして、例3の電極体を得た。
(例4)
絶縁層を形成しなかったこと以外は、例1と同様にして、例4の電極体を得た。(Example 3)
An electrode body of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that a Li I-containing Li 2 SP 2 S 5 series glass ceramic having an average particle diameter of 2.5 μm was used as the insulating layer material.
(Example 4)
The electrode body of Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the insulating layer was not formed.
(例5〜6)
段差部に、スクリーン印刷法にてアクリル樹脂系のUV硬化樹脂を供給し、UVを照射することで絶縁層を形成した。ここで例5では、絶縁層の厚みが60μmとなるように形成し、例6では絶縁層の厚みが52μmとなるように形成した。これら以外は例1と同様にして、例5および例6の電極体を得た。(Examples 5 to 6)
An acrylic resin-based UV curable resin was supplied to the stepped portion by a screen printing method, and an insulating layer was formed by irradiating the step portion with UV. Here, in Example 5, the thickness of the insulating layer was formed to be 60 μm, and in Example 6, the thickness of the insulating layer was formed to be 52 μm. Except for these, the electrode bodies of Examples 5 and 6 were obtained in the same manner as in Example 1.
[絶縁層の弾性率]
各例の電極体の絶縁層部分を同様の条件で作製し、170℃の環境下で圧縮試験を行うことで、各例の絶縁層の圧縮変形抵抗率(以下、単に「弾性率」と示す。)を測定した。その結果を、下記の表1に示した。なお、参考のため、ロールプレス前の正極活物質層の弾性率は、約8000MPaであった。
[固体電解質層の評価]
各例の電極体の絶縁層および絶縁層に接する固体電解質層を観察し、下記の表1に、割れ等の欠陥の有無を示した。[Elastic modulus of insulating layer]
By producing the insulating layer portion of the electrode body of each example under the same conditions and performing a compression test in an environment of 170 ° C., the compressive deformation resistivity of the insulating layer of each example (hereinafter, simply referred to as “elastic modulus”) is shown. .) Was measured. The results are shown in Table 1 below. For reference, the elastic modulus of the positive electrode active material layer before the roll press was about 8000 MPa.
[Evaluation of solid electrolyte layer]
The insulating layer of the electrode body of each example and the solid electrolyte layer in contact with the insulating layer were observed, and the presence or absence of defects such as cracks is shown in Table 1 below.
絶縁層材料としてアルミナを用いた例1、2の電極体では、固体電解質層に割れ等を発生させることなく、一度のロール圧延で固体電解質層をムラなく均質に圧延できることが確認された。絶縁層材料としてアルミナ等の正極活物質材料と弾性率の近い材料(約+15%)を用いることで、正極活物質層と絶縁層の厚みが5μm程度(約−8%)程度異なる場合であっても、良好な圧延を行えることが解った。また、例3の電極体についても、絶縁層材料として正極活物質材料と弾性率が近い固体電解質材料(約−24%)を用いることにより、ムラのない均質な圧延が実施できることが確認された。
一方で、絶縁層を設けなかった例4の電極体では、ロール圧延中に(線圧20kN/cm以上で)固体電解質層が破損してしまうことが確認された。また、絶縁層材料として正極活物質材料と弾性率が大きく異なるアクリル系樹脂(約−99%)を用いた例5、6の電極体については、正極活物質層と絶縁層の厚みが同じ場合(例5)も8μm程度(約−13%)程度異なる場合(例6)であっても、ロール圧延中に絶縁層および固体電解質層が破損してしまうことが確認された。例5では、絶縁層が圧縮応力に耐えられないほど低弾性であったために絶縁層が破壊されたことによると考えられる。例6では、絶縁層の厚みが薄く、正極活物質層およびこれに接する固体電解質層に圧延応力が作用し、絶縁層とこれに接する固体電解質層は圧延応力を受ける前に、絶縁層に接する固体電解質層に引張応力が及び、このような引張応力差で絶縁層とこれに接する固体電解質層とが破損したものと考えられる。It was confirmed that in the electrode bodies of Examples 1 and 2 in which alumina was used as the insulating layer material, the solid electrolyte layer could be rolled uniformly and uniformly by one roll rolling without causing cracks in the solid electrolyte layer. By using a material (about + 15%) having an elastic modulus close to that of the positive electrode active material such as alumina as the insulating layer material, the thickness of the positive electrode active material layer and the insulating layer may differ by about 5 μm (about -8%). However, it was found that good rolling can be performed. It was also confirmed that the electrode body of Example 3 can be rolled uniformly and uniformly by using a solid electrolyte material (about -24%) having an elastic modulus close to that of the positive electrode active material as the insulating layer material. ..
On the other hand, in the electrode body of Example 4 in which the insulating layer was not provided, it was confirmed that the solid electrolyte layer was damaged during roll rolling (at a linear pressure of 20 kN / cm or more). Further, for the electrode bodies of Examples 5 and 6 in which an acrylic resin (about -99%) having a elastic modulus significantly different from that of the positive electrode active material is used as the insulating layer material, the thickness of the positive electrode active material layer and the insulating layer are the same. It was confirmed that the insulating layer and the solid electrolyte layer were damaged during roll rolling even when (Example 5) was different by about 8 μm (about -13%) (Example 6). In Example 5, it is considered that the insulating layer was broken because the insulating layer was so low in elasticity that it could not withstand the compressive stress. In Example 6, the thickness of the insulating layer is thin, rolling stress acts on the positive electrode active material layer and the solid electrolyte layer in contact with the positive electrode active material layer, and the insulating layer and the solid electrolyte layer in contact with the insulating layer come into contact with the insulating layer before receiving the rolling stress. It is probable that tensile stress was applied to the solid electrolyte layer, and such a difference in tensile stress damaged the insulating layer and the solid electrolyte layer in contact with the insulating layer.
以上の例1〜3、5、6の絶縁層と正極活物質層との厚みや弾性率の関係は、図6に示されるとおり、CAEによる解析結果とよく一致することが確認された。このことから、圧延条件を考慮して、正極活物質層に適した絶縁層および絶縁層材料を選択できることが確認された。なお、固体電解質層をムラなく圧延できる領域IIは、圧延前の絶縁層の厚みT1と弾性率E1、正極活物質層の厚みT2と弾性率E2とから、おおよそ以下の(1)または(2)により示されることがわかる。このことから、以下の(1)または(2)を満たすように、圧延前の絶縁層と正極活物質層とを設計すればよいことが解る。
(1)0.2×E2≦E1≦0.5×E2かつ0.75×T2≦T1≦1.6×T2
(2)0.5×E2<E1かつ0.75×T2≦T1≦1.25×T2As shown in FIG. 6, it was confirmed that the relationship between the thickness and elastic modulus of the insulating layer of the above examples 1, 3, 5 and 6 and the positive electrode active material layer was in good agreement with the analysis result by CAE. From this, it was confirmed that the insulating layer and the insulating layer material suitable for the positive electrode active material layer can be selected in consideration of the rolling conditions. The region II in which the solid electrolyte layer can be rolled evenly is approximately the following (1) or (2) based on the thickness T1 and elastic modulus E1 of the insulating layer before rolling and the thickness T2 and elastic modulus E2 of the positive electrode active material layer. ) Indicates. From this, it can be seen that the insulating layer before rolling and the positive electrode active material layer may be designed so as to satisfy the following (1) or (2).
(1) 0.2 × E2 ≦ E1 ≦ 0.5 × E2 and 0.75 × T2 ≦ T1 ≦ 1.6 × T2
(2) 0.5 × E2 <E1 and 0.75 × T2 ≦ T1 ≦ 1.25 × T2
[第三実施形態]
上記第一実施形態では、工程(d)において、アルミナスラリーを用い、アルミナ粉体成形物からなる絶縁層32を用意した。本第二実施形態では、工程(d)において、紫外線硬化性樹脂によって絶縁層32を用意する場合について説明する。またこれに伴い、絶縁層32を用意する工程(d)を、第二活物質層を用意する工程(c)よりも前に実施した。これら以外については、上述した第一実施形態と同様にしたため、重複しての説明は省略する。[Third Embodiment]
In the first embodiment, in the step (d), an alumina slurry was used to prepare an insulating
本実施形態では、絶縁層32を構成する材料として、アクリル系モノマーをベースポリマーとし、光重合開始剤を含む、紫外線硬化性アクリル樹脂組成物を用意した。また、絶縁層32の圧縮特性を調整する調整材として、シラスバルーンを用意した。シラスバルーンとは、火山噴出物であるシラスを原料として製造される微細中空ガラス球状体であって、軽量で嵩密度が低く、一軸圧縮強度が比較的低いという性質を有する無機粉体である。そして、この紫外線硬化性アクリル樹脂組成物にシラスバルーンを、体積比で、50:50の割合で配合し、絶縁層用材料(前駆材料)とした。
In the present embodiment, as a material constituting the insulating
本実施形態における電極体1の製造に際しては、乾燥工程(b’)に引き続き、絶縁層32を用意する工程(d)を実施する。したがって、図2に示すスラリー塗工装置S3に代えて、樹脂アプリケーターと紫外線ランプとを用意した。そして、搬送経路上に設けたアプリケーターによって、上記の絶縁層用材料を固体電解質層10の周縁部12aに供給し、紫外線ランプを照射することで、絶縁層用材料を硬化させた。これにより、固体電解質層10の幅方向Yの両端に設定された周縁部12aに立設するように、二条の絶縁層32を形成した。
In the production of the
次いで、第二活物質層30を用意する工程(c)を実施した。すなわち、スラリー塗工装置S4を用い、第一実施形態とおなじ正極用スラリーを、固体電解質層10の両端に沿って形成された絶縁層32の間に供給した。その後、正極用スラリー中の分散媒を揮発させることによって第二活物質層30を形成した。そして引き続き、第一実施形態と同様に圧延工程(e)と集電体24の切断とを実施することで、所定の寸法の電極体1を得た。得られた電極体1において、固体電解質層10の周縁部12aと第二活物質層30との間には、絶縁層32が充填されている。絶縁層32は、アクリル系樹脂硬化物中に、シラスバルーンが分散して存在する擬多孔質体である。
Next, the step (c) of preparing the second
上記の構成によると、絶縁層32を用意する時間を大幅に短縮することができ、延いては電極体1の製造に要する時間を削減することができる。また、工程(d)のあとに工程(c)を行うことで、厚みの厚い第二活物質層30を、両端部のダレを抑制して簡便に形成することができるために好適である。また、アクリル系樹脂は、硬化後の圧縮強度が比較的高く、絶縁層32を紫外線硬化アクリル樹脂のみによって形成すると、次工程(e)で圧延し難いという問題が生じ得る。あるいは、絶縁層32と第二活物質層30とで圧縮挙動が大きく異なることから、圧延によって固体電解質層10の第二面12に伝わる圧力にムラが生じ、固体電解質層10に割れをもたらする虞がある。これに対し、上記実施形態においては、絶縁層32を構成する紫外線硬化アクリル樹脂に調整材を配合することで、絶縁層32の圧縮特性を第二活物質層30の圧縮特性に合わせるように調整している。このことによって、圧延工程(e)はもちろんのこと、全固体電池の使用時においても、固体電解質層10に加わる圧力ムラを抑制することができる。延いては、固体電解質層10の割れが抑制された、高品質な電極体1を製造することができる。
According to the above configuration, the time required for preparing the insulating
上記実施形態では、調整材として、シラスバルーンを用いていた。しかしながら、調整材はこれに限定されない。例えば、調整材としては、多孔質セラミック粉体、セラミック中空粒子、セラミック粒子の中空凝集体、多孔質樹脂粒子、中空樹脂粒子、絶縁性繊維状フィラー等から1種以上を単独で、あるいは、2種以上を組み合わせて使用することができる。またこれらの調整材は、製造された電極体1の絶縁層32において、例えば、圧壊物や、圧潰物、圧縮物、凝集物等として高充填密度で含まれていることによりその存在を確認することができる。
In the above embodiment, a shirasu balloon was used as the adjusting material. However, the adjusting material is not limited to this. For example, as the adjusting material, one or more of porous ceramic powder, ceramic hollow particles, hollow aggregates of ceramic particles, porous resin particles, hollow resin particles, insulating fibrous filler, etc., alone or 2 More than seeds can be used in combination. Further, the existence of these adjusting materials is confirmed by being contained in the insulating
なお、特許文献4には、電池構成用構造体を得たのち、必要に応じて電池構成用構造体の未封止部分をポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂で封止することが開示されている。しかしながら、この封止材料は、電池構成用構造体を得たのち充填される点において、本技術により提供される製造方法とは異なる。また、特許文献4の電池構成用構造体は、固体電解質層よりも面方向の寸法の小さい電極活物質層を備えていない点、また、固体電解質層と電極活物質層との寸法の違いにより生じる段差を当該封止材料が生めていない点等において、本技術により提供される電極体とは異なる。
It should be noted that
[用途]
ここに開示される電極体1は、第一活物質層20には集電体24が接続されており、第二活物質層30には図示しない第二集電体を電気的に接続することができる。そしてこれら集電体または集電体に電気的に接続した引き出し電極を外部に引き出しつつ、電池ケースに収容することで、全固体電池を構成することができる。電池ケースの形態は限定されず、角型(直方体型)、円筒型、ラミネートパック型のいずれであってもよい。電極体1は、複数(例えば、2〜10個、好ましくは2〜5個)を積層した状態で、1つの電池ケースに収容してもよい。全固体電池は、電極体1の例えば面方向の中央部、好ましくは電極体1の面方向の全体を、均一に加圧して用いてもよい。全固体電池は、さらに複数個が電気的に接続された組電池の形態で使用することもできる。このような全固体電池は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。[Use]
In the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above.
1 電極体
10 固体電解質層
20 第一活物質層
24 集電体
30 第二活物質層
32 絶縁層1
Claims (15)
(a)前記第一活物質層を用意すること、
(b)前記第一活物質層の第一面と、前記固体電解質層の前記第一面とが接するように、前記固体電解質層を用意すること、
ここで、前記固体電解質層の前記第二面は、周縁の少なくとも一部である周縁部と、前記周縁部を除く積層部と、を含み、
(c)前記固体電解質層の前記積層部と接するように、前記第二活物質層を用意すること、
(d)前記固体電解質層の前記周縁部と接するように、絶縁層を用意すること、および、
(e)前記第一活物質層、前記固体電解質層、前記第二活物質層および前記絶縁層を含む積層体を、少なくとも前記第二活物質層および前記絶縁層の表面が面一となるまで積層方向に加圧して前記電極体を得ること、
を含む、製造方法。A solid electrolyte layer, a first active material layer provided on the first surface of the solid electrolyte layer, and a second active material layer provided on the second surface of the solid electrolyte layer opposite to the first surface. Is a method of manufacturing an electrode body of an all-solid-state battery including
(A) Preparing the first active material layer,
(B) The solid electrolyte layer is prepared so that the first surface of the first active material layer and the first surface of the solid electrolyte layer are in contact with each other.
Here, the second surface of the solid electrolyte layer includes a peripheral edge portion which is at least a part of the peripheral edge, and a laminated portion excluding the peripheral edge portion.
(C) The second active material layer is prepared so as to be in contact with the laminated portion of the solid electrolyte layer.
(D) An insulating layer is prepared so as to be in contact with the peripheral portion of the solid electrolyte layer, and
(E) A laminate containing the first active material layer, the solid electrolyte layer, the second active material layer and the insulating layer until at least the surfaces of the second active material layer and the insulating layer are flush with each other. Pressurizing in the stacking direction to obtain the electrode body,
Manufacturing method, including.
、請求項1〜11のいずれか1項に記載の製造方法。In the step (a), the first active material layer is prepared on both sides of the current collector.
, The manufacturing method according to any one of claims 1 to 11.
前記固体電解質層と前記第一活物質層との接合面における前記固体電解質層の面積と前記第一活物質層の面積とに差異があるときは、
前記固体電解質層と前記第一活物質層とを重ね合わせること、
より小さい面積の前記固体電解質層または前記第一活物質層の端部に接し、かつ、前記差異を埋める領域に、絶縁層を設けること、
前記固体電解質層と前記第一活物質層と前記絶縁層とを、前記固体電解質層と前記第一活物質層との積層方向に加圧すること、
を含む、製造方法。A method for manufacturing an electrode body of an all-solid-state battery including a solid electrolyte layer and a first active material layer bonded to the first surface of the solid electrolyte layer.
When there is a difference between the area of the solid electrolyte layer and the area of the first active material layer at the joint surface between the solid electrolyte layer and the first active material layer,
Overlapping the solid electrolyte layer and the first active material layer,
An insulating layer is provided in a region that is in contact with the end of the solid electrolyte layer or the first active material layer having a smaller area and that fills the difference.
Pressurizing the solid electrolyte layer, the first active material layer, and the insulating layer in the stacking direction of the solid electrolyte layer and the first active material layer.
Manufacturing method, including.
前記固体電解質層は、第一面と、前記第一面とは反対側の第二面とを有し、
前記第二面は、前記固体電解質層の周縁の少なくとも一部である周縁部と、前記周縁部を除く積層部と、を含み、
前記第一活物質層は、前記第一面に備えられ、
前記第二活物質層は、前記積層部に備えられ、
前記絶縁層は、前記周縁部に備えられ、
前記第二活物質層および前記絶縁層の前記第二面とは反対側の表面は面一である、全固体電池の電極体。Includes a solid electrolyte layer, a first active material layer, a second active material layer, and an insulating layer.
The solid electrolyte layer has a first surface and a second surface opposite to the first surface.
The second surface includes a peripheral edge portion that is at least a part of the peripheral edge of the solid electrolyte layer, and a laminated portion excluding the peripheral edge portion.
The first active material layer is provided on the first surface.
The second active material layer is provided in the laminated portion and is provided.
The insulating layer is provided on the peripheral portion and is provided.
An electrode body of an all-solid-state battery in which the surfaces of the second active material layer and the insulating layer opposite to the second surface are flush with each other.
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