KR20220038423A - 축전 디바이스용 전극 및 축전 디바이스 - Google Patents

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다이스케 시시하라
히데아키 히코사카
히로시 야마모토
아야코 곤도
스구루 미야모토
히데토시 미즈타니
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니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
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Abstract

축전 디바이스용 전극에 있어서, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 향상시킨다. 축전 디바이스용 전극은, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과, 활물질과, 이온 액체를 함유한다.

Description

축전 디바이스용 전극 및 축전 디바이스
본 명세서에 의해 개시되는 기술은, 축전 디바이스용 전극에 관한 것이다.
최근, PC나 휴대 전화 등의 전자기기의 보급, 전기 자동차의 보급, 태양광이나 풍력 등의 자연 에너지의 이용 확대 등에 따라, 고성능의 전지의 수요가 높아지고 있다. 그 중에서도, 전지 요소가 전부 고체로 구성된 전고체 리튬 이온 2차 전지(이하, 「전고체 전지」라고 한다.)의 활용이 기대되고 있다. 전고체 전지는, 유기 용매에 리튬염을 용해시킨 유기 전해액을 이용하는 종래형 리튬 이온 2차 전지에 비해, 유기 전해액의 누설이나 발화 등의 우려가 없기 때문에 안전하고, 또한, 외장을 간략화할 수 있기 때문에 단위 질량 또는 단위 체적당 에너지 밀도를 향상시킬 수 있다.
전고체 전지의 고체 전해질층을 구성하는 고체 전해질로서는, 예를 들면, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질이나 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질이 이용된다. 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질은, 분말 상태에 있어서 비교적 딱딱하기 때문에, 분말을 가압 성형한 성형체(압분체) 상태나 바인더를 이용하여 시트 형상으로 성형한 성형체 상태에 있어서는, 입자 간의 밀착성이 낮아, 리튬 이온 전도성이 낮다. 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 분말을 이용하여 소결이나 증착을 행함으로써, 리튬 이온 전도성을 높게 할 수 있지만, 열처리에 따른 휨이나 변형에 의해서 전지의 대형화가 곤란해진다.
한편, 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질은, 분말 상태에 있어서 비교적 부드럽기 때문에, 분말을 가압 성형한 성형체나 바인더를 이용해 시트 형상으로 성형한 성형체 상태에 있어서, 입자 간의 밀착성이 높아, 리튬 이온 전도성이 높다. 그러나, 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질은, 대기 중에서 수분과 반응하여 황화수소 가스가 발생하기 때문에, 안전 면에 있어서 바람직하지 않은 경우가 있다.
또, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질을 혼합하여 리튬 이온 전도체를 제작함으로써, 안전성의 향상과 리튬 이온 전도성의 향상을 양립시키는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
미국 특허출원공개 제2015/0171463호 명세서
전고체 전지에 있어서, 예를 들면, 전극(양극 및/또는 음극, 이하 동일)의 리튬 이온 전도성을 향상시키기 위하여, 전극에, 활물질에 더하여 리튬 이온 전도성 고체 전해질을 첨가하는 것을 생각할 수 있다. 전극에 첨가하는 고체 전해질로서, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질을 이용하면, 상술한 고체 전해질층의 경우와 마찬가지로, 가압 성형한 성형체의 상태나 바인더를 이용해 시트 형상으로 성형한 성형체 상태에 있어서, 입자 간의 밀착성이 낮아, 리튬 이온 전도성이 낮아진다. 한편, 전극에 첨가하는 고체 전해질로서, 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질을 이용하면, 안전 면에 있어서 바람직하지 않은 경우가 있다. 또한, 전극에 첨가하는 고체 전해질로서, 상기와 같은 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 혼합물을 이용하면, 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 함유 비율은 줄어들지만, 역시 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질을 포함하기 때문에, 안전 면에 있어서 향상의 여지가 있다.
또한, 이러한 과제는, 전고체 리튬 이온 2차 전지용의 전극에 한정하지 않고, 축전 디바이스용의 전극에 공통된 과제이다.
본 명세서에서는, 상술한 과제를 해결하는 것이 가능한 기술을 개시한다.
본 명세서에 개시되는 기술은, 예를 들면, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 명세서에 개시되는 축전 디바이스용 전극은, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과, 활물질과, 이온 액체를 함유한다. 본 축전 디바이스용 전극은, 독성 가스의 발생 우려가 있는 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질이 아니고, 독성 가스의 발생 우려가 없는 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질을 함유하기 때문에, 독성 가스의 발생을 회피할 수 있다. 또한, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질은, 소성 변형 하기 어려운 재료이기 때문에, 소성을 행하지 않으면 입자 간의 접촉이 불충분하게 되어, 높은 리튬 이온 전도성을 발휘할 수 없지만, 본 전극은, 불휘발성·난연성이며, 또한 유동성이 있는 리튬 이온 전도 성분으로서 기능하는 이온 액체를 함유하기 때문에, 이온 액체의 존재에 의하여 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 전극을 이용하여 축전 디바이스를 구성하면, 축전 디바이스의 성능을 향상시킬 수 있다.
(2) 상기 축전 디바이스용 전극에 있어서, 상기 활물질의 체적 함유율이 40vol% 이상, 85vol% 이하이고, 상기 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 체적 함유율이 5vol% 이상, 40vol% 이하이고, 상기 이온 액체의 체적 함유율이 3vol% 이상, 35vol% 이하인 구성으로 해도 된다. 이러한 구성을 채용하면, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 이러한 구성의 전극을 이용하여 축전 디바이스를 구성하면, 축전 디바이스의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
(3) 상기 축전 디바이스용 전극에 있어서, 상기 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질은, Li와 La와 Zr과 O를 적어도 함유하는 가닛형 결정 구조를 가지는 구성으로 해도 된다. 이러한 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질은, 다른 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과 비교하여 전위창이 넓기 때문에, 본 구성을 채용하면, 전극의 활물질의 재료 선택 범위를 넓게 할 수 있어, 최적의 활물질 재료를 함유하는 전극을 구성할 수 있다.
(4) 본 명세서에 개시되는 축전 디바이스는, 고체 전해질층과, 양극과, 음극과, 집전체를 구비하며, 상기 양극과 상기 음극 중 적어도 한쪽은, 상기 축전 디바이스용 전극인 구성으로 해도 된다. 본 축전 디바이스에 의하면, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 향상시킴으로써, 축전 디바이스의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시되는 기술은, 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하며, 예를 들면, 축전 디바이스용 전극, 축전 디바이스용 전극을 구비하는 축전 디바이스, 그들의 제조 방법 등의 형태로 실현하는 것이 가능하다.
도 1은, 본 실시형태에 있어서의 전고체 리튬 이온 2차 전지(102)의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 2는, 양극(114)의 일부분의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 3는, 음극(116)의 일부분의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 4는, 가닛형 결정 구조를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 5는, 양극(114)에 대한 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다.
도 6은, 양극(114)에 대한 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다.
도 7은, 음극(116)에 대한 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다.
도 8은, 음극(116)에 대한 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다.
도 9는, 양극(114)에 대한 성능 평가에 이용된 가압 지그(300) 및 샘플(S)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 10은, 음극(116)에 대한 성능 평가에 이용된 가압 지그(300) 및 샘플(S)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
A. 실시형태:
A-1. 전고체 전지(102)의 구성:
(전체 구성)
도 1은, 본 실시형태에 있어서의 전고체 리튬 이온 2차 전지(이하, 「전고체 전지」라고 한다.)(102)의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다. 도 1에는, 방향을 특정하기 위한 서로 직교하는 XYZ축이 나타나 있다. 본 명세서에서는, 편의적으로, Z축 정방향을 상방향이라고 하고, Z축 부방향을 하방향이라고 한다.
전고체 전지(102)는, 전지 본체(110)와, 전지 본체(110)의 일방측(상측)에 배치된 양극측 집전체(154)와, 전지 본체(110)의 타방측(하측)에 배치된 음극측 집전체(156)를 구비한다. 양극측 집전체(154) 및 음극측 집전체(156)는, 도전성을 가지는 대략 평판 형상의 부재이며, 예를 들면, 스테인리스 강, Ni(니켈), Ti(티탄), Fe(철), Cu(구리), Al(알루미늄), 이들의 합금으로부터 선택되는 도전성 금속 재료, 탄소 재료 등에 의해 형성되어 있다. 이하의 설명에서는, 양극측 집전체(154)와 음극측 집전체(156)를, 합쳐서 집전체라고도 한다.
(전지 본체(110)의 구성)
전지 본체(110)는, 전지 요소가 전부 고체로 구성된 리튬 이온 2차 전지 본체이다. 또한, 본 명세서에 있어서, 전지 요소가 전부 고체로 구성되어 있다는 것은, 모든 전지 요소의 골격이 고체로 구성되어 있는 것을 의미하며, 예를 들면, 당해 골격 중에 액체가 함침한 형태 등을 배제하는 것은 아니다. 전지 본체(110)는, 양극(114)과, 음극(116)과, 양극(114)과 음극(116) 사이에 배치된 고체 전해질층(112)을 구비한다. 이하의 설명에서는, 양극(114)과 음극(116)을, 합쳐서 전극이라고도 한다. 전고체 전지(102) 또는 전지 본체(110)는, 특허 청구의 범위에 있어서의 축전 디바이스에 상당한다.
(고체 전해질층(112)의 구성)
고체 전해질층(112)은, 대략 평판 형상의 부재이며, 리튬 이온 전도성 고체 전해질(예를 들면, 후술하는 LLZ계 리튬 이온 전도성 고체 전해질)을 포함하고 있다. 고체 전해질층(112)은, 또한, 리튬 이온 전도성을 가지는 이온 액체를 포함하고 있어도 된다. 고체 전해질층(112)은, 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 분말을 가압 성형한 성형체(압분체)여도 되고, 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 분말에 바인더를 가해 시트 형상으로 성형한 성형체여도 된다.
(양극(114)의 구성)
양극(114)은, 대략 평판 형상의 부재이다. 도 2는, 양극(114)의 일부분(도 1의 X1 부분)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 양극(114)은, 양극 활물질(214)을 포함하고 있다. 양극 활물질(214)은, 예를 들면, 양극(114)에 있어서 리튬 이온의 삽입·이탈 가능한 양을 늘려, 에너지 밀도를 향상시키기 위해서 첨가된다. 양극 활물질(214)로서는, 예를 들면, S(유황), TiS2, LiCoO2(이하, 「LCO」라고 한다.), LiMn2O4, LiFePO4, Li(Co1/3Ni1/3Mn1/3)O2(이하, 「NCM」이라고 한다.), LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(이하, 「NCA」라고 한다.) 등이 이용된다. 양극(114)은, 또한, 도전조제(예를 들면, 도전성 카본, Ni(니켈), Pt(백금), Ag(은))를 포함하고 있어도 된다.
또한, 양극(114)은, 리튬 이온 전도성을 갖는 이온 액체(224)를 포함하고 있다. 이온 액체(224)는, 예를 들면, 양극(114)의 내부 저항을 저하시키기 위해서 첨가된다. 리튬 이온 전도성을 가지는 이온 액체(224)는, 예를 들면, 리튬염을 용해시킨 이온 액체이다. 또한, 이온 액체는, 카티온 및 아니온 만으로 이루어지고, 상온에서 액체이며, 불휘발성, 난연성의 물질이다. 양극(114)이 함유하는 이온 액체(224)의 구체적인 재료 등에 대해서는 후술하도록 한다.
또한, 양극(114)은, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)를 포함하고 있다. 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)은, 예를 들면, 양극(114)의 리튬 이온 전도성의 저하를 억제하기 위해, 및, 양극(114)에 인접하여 설치되는 양극측 집전체(154)에 이온 액체(224)가 닿는 면적을 작게 함으로써 양극측 집전체(154)의 부식을 억제하기 위해서 첨가된다. 양극(114)이 함유하는 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)의 구체적인 재료 등에 대해서는 후술하도록 한다.
(음극(116)의 구성)
음극(116)은, 대략 평판 형상의 부재이다. 도 3은, 음극(116)의 일부분(도 1의 X2 부분)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 음극(116)은, 음극 활물질(216)을 포함하고 있다. 음극 활물질(216)은, 예를 들면, 음극(116)에 있어서 리튬 이온의 삽입·이탈 가능한 양을 늘려, 에너지 밀도를 향상시키기 위해서 첨가된다. 음극 활물질(216)로서는, 예를 들면, Li 금속, Li-Al 합금, Li4Ti5O12(이하, 「LTO」라고 한다.), 카본(그래파이트, 천연 흑연, 인조 흑연, 표면에 저결정성 탄소가 코팅된 코어 쉘형 흑연), Si(규소), SiO 등이 이용된다. 음극(116)은, 또한, 도전조제(예를 들면, 도전성 카본, Ni, Pt, Ag)를 포함하고 있어도 된다.
또한, 음극(116)은, 리튬 이온 전도성을 가지는 이온 액체(226)를 포함하고 있다. 이온 액체(226)는, 예를 들면, 음극(116)의 내부 저항을 저하시키기 위해서 첨가된다. 리튬 이온 전도성을 가지는 이온 액체(226)는, 예를 들면, 리튬염을 용해시킨 이온 액체이다. 음극(116)이 함유하는 이온 액체(226)의 구체적인 재료 등에 대해서는 후술하도록 한다.
또한, 음극(116)은, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)을 포함하고 있다. 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)은, 예를 들면, 음극(116)의 리튬 이온 전도성의 저하를 억제하기 위해, 및, 음극(116)에 인접하여 설치되는 음극측 집전체(156)에 이온 액체(226)가 닿는 면적을 작게 함으로써 음극측 집전체(156)의 부식을 억제하기 위해서 첨가된다. 음극(116)이 함유하는 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)의 구체적인 재료 등에 대해서는 후술하도록 한다.
A-2. 양극(114) 및 음극(116)의 상세 구성:
다음으로, 전지 본체(110)를 구성하는 전극(양극(114) 및 음극(116))의 구성에 대하여 더 상세하게 설명한다. 상술한 바와 같이, 양극(114)은, 양극 활물질(214)에 더하여, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)를 포함하고 있고, 음극(116)은, 음극 활물질(216)에 더하여, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)을 포함하고 있다. 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)로서는, 예를 들면, Li(리튬)과 La(란탄)과 Zr(지르코늄)과 O(산소)를 적어도 함유하는 가닛형 결정 구조를 가지는 고체 전해질이 이용된다. 보다 구체적으로는, 예를 들면, Li7La3Zr2O12(이하, 「LLZ」라고 한다.)나, LLZ에 대해, Mg(마그네슘)와 A(A는, Ca(칼슘), Sr(스트론튬) 및 Ba(바륨)으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소) 중 적어도 하나의 원소 치환을 행한 것(예를 들면, LLZ에 대해 Mg 및 Sr의 원소 치환을 행한 것(이하, 「LLZ-MgSr」이라고 한다.))이 이용된다. 이하, 이들 리튬 이온 전도성 고체 전해질을, 「LLZ계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(또는 LLZ계 리튬 이온 전도성 분말)」이라고 한다.
또한, 「가닛형 결정 구조」란, 일반식 C3A2B3O12로 표현되는 결정 구조이다. 도 4는, 가닛형 결정 구조를 모식적으로 나타내는 설명도이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 가닛형 결정 구조에 있어서, C사이트(Sc)는 산소 원자(Oa)와 12면체 배위되고, A사이트(Sa)는 산소 원자(Oa)와 8면체 배위되고, B사이트(Sb)는 산소 원자(Oa)와 4면체 배위되어 있다. 또한, 가닛형 결정 구조를 가지는 리튬 이온 전도성 분말(리튬 이온 전도성 고체 전해질)에서는, 통상의 가닛형 결정 구조에서는 산소 원자(Oa)와 8면체 배위되는 개소로서, 공극(V)이 되는 개소에 리튬이 존재할 수 있다. 공극(V)은, 예를 들면, 도 4에 있어서의 B사이트 Sb1와 B사이트 Sb2에 끼워지는 개소이다. 공극(V)에 존재하는 리튬은, B사이트 Sb1를 형성하는 4면체의 면(Fb1)과 B사이트 Sb2를 형성하는 4면체의 면(Fb2)을 일부에 포함하는 8면체를 구성하는 산소 원자(Oa)와 8면체 배위되어 있다. 예를 들면, Li7La3Zr2O12라고 하는 조성의 가닛형 결정 구조를 가지는 리튬 이온 전도성 분말(리튬 이온 전도성 고체 전해질)에서는, C사이트(Sc)를 란탄이 점유하고, A사이트(Sa)를 지르코늄이 점유하고, B사이트(Sb)와 공극(V)을 리튬이 점유할 수 있다.
또한, 리튬 이온 전도성 고체 전해질(리튬 이온 전도성 분말)이 Li와 La와 Zr과 O를 적어도 함유하는 가닛형 결정 구조를 가지는 것인 것은, X선 회절 장치(XRD)로 분석함으로써 확인할 수 있다. 구체적으로는, 리튬 이온 전도성 고체 전해질을 X선 회절 장치에 의해 분석함으로써, X선 회절 패턴을 얻는다. 얻어진 X선 회절 패턴과 LLZ에 대응하는 ICDD(International Center for Diffraction Data) 카드(01-080-4947)(Li7La3Zr2O12)를 대비하여, 양자에 있어서의 회절 피크의 회절 각도 및 회절 강도비가 대체로 일치하는 경우, 당해 리튬 이온 전도성 고체 전해질은 Li와 La와 Zr과 O를 적어도 함유하는 가닛형 결정 구조를 가지는 것이라고 판정할 수 있다. 예를 들면, 후술하는 「A-7. LLZ계 리튬 이온 전도성 분말의 바람직한 양태」에 기재된 각 리튬 이온 전도성 분말은, 당해 리튬 이온 전도성 분말로부터 얻어진 X선 회절 패턴과 LLZ에 대응하는 ICDD 카드의 양자에 있어서의 회절 피크의 회절 각도 및 회절 강도비가 대체로 일치하기 때문에, Li와 La와 Zr과 O를 적어도 함유하는 가닛형 결정 구조를 가지는 것이라고 판정된다.
또한, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)로서, LLZ계 리튬 이온 전도성 고체 전해질 이외의 고체 전해질(예를 들면, 이하의 것)이 이용되어도 된다.
(1) 적어도 Li와 M(M은 Ti, Zr, Ge(게르마늄) 중 적어도 1개)과 P(인)와 O를 함유하는 NASICON형 결정 구조를 가지는 고체 전해질(예를 들면, (Li, Ti, Al)(PO4)3, LiZr2(PO4)3, (Li, Ge, Al)(PO4)3)
(2) 적어도 Li와 Ti와 La와 O를 함유하는 페로브스카이트형 결정 구조를 가지는 고체 전해질(예를 들면, (La, Li)TiO3)
(3) 적어도 Li와 Cl과 O를 함유하는 안티페로브스카이트형 결정 구조를 가지는 고체 전해질(예를 들면, Li2(OH)Cl)
(4) 착체 수소화물
또한, 전극(양극(114) 및 음극(116))에 포함되는 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)의 평균 입경은 0.1μm 이상, 10μm 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상술한 바와 같이, 양극(114)은 리튬염을 용해시킨 이온 액체(224)를 포함하고 있고, 음극(116)은 리튬염을 용해시킨 이온 액체(226)를 포함하고 있다. 상기 리튬염으로서는, 예를 들면, 4불화 붕산 리튬(LiBF4), 6불화 인산 리튬(LiPF6), 과염소산 리튬(LiClO4), 트리플루오로메탄술폰산 리튬(CF3SO3Li), 리튬비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드(LiN(SO2CF3)2)(이하, 「Li-TFSI」라고 한다.), 리튬비스(플루오로술포닐)이미드(LiN(SO2F)2)(이하, 「Li-FSI」라고 한다.), 리튬비스(펜타플루오로에탄술포닐)이미드(LiN(SO2C2F5)2) 등이 이용된다.
또한, 상기 이온 액체로서는, 카티온으로서,
부틸트리메틸암모늄, 트리메틸프로필암모늄 등의 암모늄계,
1-에틸-3-메틸이미다졸륨, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 등의 이미다졸륨계,
1-부틸-1-메틸피페리디늄, 1-메틸-1-프로필피페리디늄 등의 피페리디늄계,
1-부틸-4-메틸피리디늄, 1-에틸피리디늄 등의 피리디늄계,
1-부틸-1-메틸피롤리디늄, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄 등의 피롤리디늄계,
트리메틸술포늄, 트리에틸술포늄 등의 설포늄계,
포스포늄계,
모르폴리늄계,
등을 가지는 것이 이용된다.
또한, 상기 이온 액체로서는, 아니온으로서,
Cl-, Br- 등의 할로겐화물계,
BF4- 등의 붕소화물계,
(NC)2N-,
(CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- 등의 아민계,
CH3SO4-,
CF3SO3- 등의 설페이트, 설포네이트계,
PF6- 등의 인산계,
등을 가지는 것이 이용된다.
보다 구체적으로는, 상기 이온 액체로서, 부틸트리메틸암모늄비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 트리메틸프로필암모늄비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨비스(플루오로술포닐)이미드(이하, 「EMI-FSI」라고 한다.), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨테트라플루오로보레이트, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-메틸-1-프로필피롤리디늄비스(플루오로술포닐)이미드(이하, 「P13-FSI」라고 한다.), 1-메틸-1-프로필피페리디늄비스(플루오로술포닐)이미드(이하, 「PP13-FSI」라고 한다.) 등이 이용된다.
또한, 본 실시형태의 전극(양극(114) 및 음극(116))은, 고온 소성을 행함으로써 형성된 소결체는 아니다. 그 때문에, 본 실시형태의 전극은, 탄화수소를 포함하고 있다. 보다 구체적으로는, 본 실시형태의 전극을 구성하는 이온 액체는, 탄화수소를 포함하고 있다. 또한, 전극(이온 액체)이 탄화수소를 포함하고 있는 것은, NMR(핵 자기 공명), 라먼 분광법, LC-MS(액체 크로마토그래피 질량 분석법), GC-MS(가스 크로마토그래피 질량 분석법), FT-IR(푸리에 변환 적외 분광법) 등의 방법 중 1개 또는 복수의 조합에 의해 특정할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태의 전극(양극(114) 및 음극(116))은, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206) 및 활물질(양극 활물질(214), 음극 활물질(216))에 더하여, 리튬 이온 전도성을 가지는 이온 액체(224, 226)를 포함하고 있어, 가압 성형된 성형체(압분체) 상태에 있어서 높은 리튬 이온 전도성을 가진다. 그 때문에, 본 실시형태의 전극을 이용하면, 전지 본체(110)의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시형태의 전극이 이러한 높은 리튬 이온 전도성을 가지는 이유는, 반드시 분명하지는 않지만, 이하와 같이 추측된다.
일반적으로, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질은, 산화물계 이외의 리튬 이온 전도성 고체 전해질(예를 들면, 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질)과 비교하여 딱딱하기 때문에, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 분말을 가압 성형한 성형체(압분체) 상태에 있어서는, 입자 간의 접촉이 점접촉이 되어 입자 간의 저항이 높아져, 리튬 이온 전도성이 비교적 낮아진다. 또한, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 분말을 고온에서 소성함으로써, 리튬 이온 전도성을 높게 할 수 있지만, 고온 소성에 수반하여 휨이나 변형이 일어나기 때문에 전지의 대형화가 곤란하고, 또한, 고온 소성에 수반하는 전극 활물질 등과의 반응에 의해 고저항층이 생성되어 리튬 이온 전도성이 저하될 우려가 있다. 그러나, 본 실시형태의 전극(양극(114) 및 음극(116))은, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)에 더하여, 리튬 이온 전도성을 가지는 이온 액체(224, 226)를 포함하고 있다. 이온 액체(224, 226)는, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)의 입자 주위에 분포한다. 그 때문에, 가압 성형된 성형체 상태에 있어서, 당해 성형체의 전체에 걸쳐 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)의 입계에 리튬 이온 전도 패스로서 기능하는 이온 액체(224, 226)가 개재되어, 당해 입계에 있어서의 리튬 이온 전도성이 향상되고, 그 결과, 전극 내 및 전극과 다른 부재(예를 들면, 고체 전해질층(112))의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성이 향상된 것이라고 생각된다.
또한, 본 실시형태의 전극(양극(114) 및 음극(116))은, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206), 활물질(양극 활물질(214), 음극 활물질(216)) 및 이온 액체(224, 226)에 더하여, 바인더를 더 포함하여, 시트 형상으로 형성된 구성이어도 된다. 바인더로서는, 예를 들면, 폴리불화 비닐리덴(PVDF), 폴리불화 비닐리덴(PVDF)과 헥사플루오로프로필렌(HFP)의 공중합체(이하, 「PVDF-HFP」라고 한다.), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리이미드, 폴리아미드, 실리콘(폴리실록산), 스티렌·부타디엔 고무(SBR), 아크릴 수지(PMMA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 등이 이용된다. 이와 같은 구성으로 하면, 전극의 리튬 이온 전도성을 향상시키면서, 전극의 성형성이나 핸들링을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 전극(양극(114) 및 음극(116))에 있어서, 활물질(양극 활물질(214), 음극 활물질(216))의 체적 함유율은 40vol% 이상, 85vol% 이하인 것이 바람직하다. 전극에 있어서의 활물질의 체적 함유율이 과도하게 낮으면, 전지의 용량이 충분히 확보되지 않고, 반대로 전극에 있어서의 활물질의 체적 함유율이 과도하게 높으면, 전극의 내부 저항을 효과적으로 저하시킬 수 없다. 전극에 있어서의 활물질의 체적 함유율은 40vol% 이상, 70vol% 이하인 것이 더 바람직하다.
또한, 전극(양극(114) 및 음극(116))에 있어서, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)의 체적 함유율은 5vol% 이상, 40vol% 이하인 것이 바람직하다. 전극에 있어서의 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)의 체적 함유율이 과도하게 낮으면, 전극의 리튬 이온 전도성의 저하를 억제하지 못하며, 또한 집전체의 부식을 효과적으로 억제하지 못하고, 반대로 전극에 있어서의 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)의 체적 함유율이 과도하게 높으면, 전극의 내부 저항을 효과적으로 저하시킬 수 없다. 전극에 있어서의 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)의 체적 함유율은 10vol% 이상, 40vol% 이하인 것이 더 바람직하고, 20vol% 이상, 40vol% 이하인 것이 한층 바람직하다.
또한, 전극(양극(114) 및 음극(116))에 있어서, 이온 액체(224, 226)의 체적 함유율은 3vol% 이상, 35vol% 이하인 것이 바람직하다. 전극에 있어서의 이온 액체(224, 226)의 체적 함유율이 과도하게 낮으면, 전극의 내부 저항을 효과적으로 저하시키지 못하고, 반대로 전극에 있어서의 이온 액체(224, 226)의 체적 함유율이 과도하게 높으면, 이온 액체의 배어 나옴이 발생할 우려가 있다. 전극에 있어서의 이온 액체(224, 226)의 체적 함유율은 10vol% 이상, 25vol% 이하인 것이 더 바람직하다.
전극(양극(114) 및 음극(116))에 있어서, 활물질(양극 활물질(214), 음극 활물질(216))의 체적 함유율을 40vol% 이상, 85vol% 이하로 하고, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)의 체적 함유율을 5vol% 이상, 40vol% 이하로 하고, 이온 액체(224, 226)의 체적 함유율을 3vol% 이상, 35vol% 이하로 하면, 집전체의 부식의 발생이나 이온 액체가 배어 나오는 것의 발생을 억제하면서, 전극 내 및 전극과 다른 부재(예를 들면, 고체 전해질층(112))의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 효과적으로 향상시킬 수 있어, 당해 전극을 이용한 전지 본체(110)의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
A-3. 전고체 전지(102)의 제조 방법:
다음으로, 본 실시형태의 전고체 전지(102)의 제조 방법의 일례를 설명한다. 우선, 고체 전해질층(112)을 제작한다. 예를 들면, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 분말과 이온 액체를 혼합하고, 이 혼합체를 소정의 압력으로 가압 성형하거나, 바인더를 첨가하여 시트 형상으로 성형함으로써, 고체 전해질층(112)을 제작한다.
또한, 별도로 양극(114) 및 음극(116)을 제작한다. 구체적으로는, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)의 분말과 이온 액체(224)를 혼합하고, 이 혼합체에, 양극 활물질(214)의 분말(도전조제를 이용하는 경우에는, 양극 활물질(214)의 분말과 도전조제의 혼합물)을 더해 한층 더 혼합한다. 이 혼합체를 소정의 압력으로 가압 성형하거나, 바인더를 첨가하여 시트 형상으로 성형함으로써, 양극(114)을 제작한다. 마찬가지로, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)의 분말과 이온 액체(226)를 혼합하고, 이 혼합체에, 음극 활물질(216)의 분말(도전조제를 이용하는 경우에는, 음극 활물질(216)의 분말과 도전조제의 혼합물)을 더해 한층 더 혼합한다. 이 혼합체를 소정의 압력으로 가압 성형하거나 바인더를 첨가하여 시트 형상으로 성형함으로써, 음극(116)을 제작한다.
다음으로, 양극측 집전체(154)와, 양극(114)과, 고체 전해질층(112)과, 음극(116)과, 음극측 집전체(156)를 이 순서로 적층하여 가압함으로써 일체화한다. 이상의 공정에 의해, 상술한 구성의 전고체 전지(102)가 제조된다.
A-4. 본 실시형태의 효과:
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 전지 본체(110) 용의 전극(양극(114) 및 음극(116))은, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)과, 활물질(양극 활물질(214), 음극 활물질(216))과, 이온 액체(224, 226)를 함유한다. 이와 같이, 본 실시형태의 전극(양극(114) 및 음극(116))은, 독성 가스의 발생 우려가 있는 황화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질이 아니고, 독성 가스의 발생 우려가 없는 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)을 함유하기 때문에, 독성 가스의 발생을 회피할 수 있다. 또한, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)은, 소성 변형하기 어려운 재료이기 때문에, 소성을 행하지 않으면 입자 간의 접촉이 불충분하게 되어, 높은 리튬 이온 전도성을 발휘할 수 없지만, 본 실시형태의 전극(양극(114) 및 음극(116))은, 불휘발성·난연성이며, 또한 유동성이 있는 리튬 이온 전도 성분으로서 기능하는 이온 액체(224, 226)를 함유하기 때문에, 이온 액체(224, 226)의 존재에 의하여 전극 내 및 전극과 다른 부재(예를 들면, 고체 전해질층(112))의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 전극을 이용하여 전지 본체(110)를 구성하면, 전지 본체(110)의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 전극(양극(114) 및 음극(116))은, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)을 함유하기 때문에, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)을 함유하지 않는 구성과 비교하여, 전극에 인접해서 설치되는 집전체(양극측 집전체(154) 및 음극측 집전체(156))에 이온 액체(224, 226)가 닿는 면적을 작게 할 수 있어, 집전체의 부식을 억제할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이온 액체(224, 226)에 포함되는 리튬염의 농도가 높으면(구체적으로는, 0.4 mol/L 이상이면), 집전체의 부식이 발생하기 쉽기 때문에, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)을 함유하는 것에 의한 집전체의 부식 억제 효과가 보다 유용해진다.
또한, 본 실시형태의 전극(양극(114) 및 음극(116))에 있어서, 활물질(양극 활물질(214), 음극 활물질(216))의 체적 함유율은 40vol% 이상, 85vol% 이하인 것이 바람직하고, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)의 체적 함유율은 5vol% 이상, 40vol% 이하인 것이 바람직하고, 이온 액체(224, 226)의 체적 함유율은 3vol% 이상, 35vol% 이하인 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 하면, 전극 내 및 전극과 다른 부재(예를 들면, 고체 전해질층(112))의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 이러한 구성의 전극을 이용해 전지 본체(110)를 구성하면, 전지 본체(110)의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 전극(양극(114) 및 음극(116))에 포함되는 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206)은, Li와 La와 Zr과 O를 적어도 함유하는 가닛형 결정 구조를 가지는 고체 전해질(LLZ계 리튬 이온 전도성 고체 전해질)인 것이 바람직하다. LLZ계 리튬 이온 전도성 고체 전해질은, 다른 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과 비교하여 전위창이 넓기 때문에, 전극의 활물질(양극 활물질(214), 음극 활물질(216))의 재료 선택 범위를 넓게 할 수 있어 최적의 활물질 재료를 함유하는 전극을 구성할 수 있다. 예를 들면, 양극 재료로서는 LCO, LiMn2O4, LiFePO4, NCM, NCA 등을 들 수 있고, 음극 재료로서는 Li 금속, Li-Al 합금, LTO, 카본(그래파이트, 천연 흑연, 인조 흑연, 표면에 저결정성 탄소가 코팅된 코어 쉘형 흑연), Si(규소), SiO 등을 들 수 있다.
A-5. 전극의 조성(각 성분의 체적 함유율)의 특정 방법:
전지 본체(110)를 구성하는 전극(양극(114), 음극(116))의 조성, 즉, 활물질(양극 활물질(214), 음극 활물질(216)), 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204, 206) 및 이온 액체(224, 226)의 각각의 체적 함유율(vol%)의 특정 방법은, 이하와 같다.
대상이 되는 전극 합재를 용매(예를 들면, 클로로포름) 중에 용해시키고, 가용물(바인더, 이온 액체)과 침전물(활물질, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질, 도전조제)로 분리한다. 가용물에 대해서는, LC-MS 측정(액체 크로마토그래피 질량 분석법)에 의해 재료 성분(이온 액체, 바인더)의 정성 분석을 행함으로써, 바인더의 성분과 이온 액체의 성분을 특정한다. 또한, 각 재료 성분에 대해 검량선을 작성함으로써, 각 재료 성분의 결과로부터 가용물 전체에 있어서의 각 성분의 함유량을 구한다.
침전물에 대해서는, 침전물 전체의 중량을 측정한다. 또한, 침전물에 대해서 XRD 측정(X선 해석)을 행함으로써, 화학 조성을 분석하고, 활물질과 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 재료 성분을 특정한다. 또한, 침전물에 대해서 XRF 측정(형광 X선 분석)을 행함으로써, 재료 성분의 비율을 측정한다. 이에 의해, 활물질과 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과 도전조제의 비율을 특정한다. 침전물 전체의 중량, 그리고 활물질과 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과 도전조제의 비율로부터, 활물질과 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 함유량을 구한다.
상기에 있어서 산출한 각 성분(바인더, 이온 액체, 활물질, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질)의 함유량으로부터, 각 성분의 체적 함유율을 특정한다.
또한, 활물질 및 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 비율에 대해서는, 이하의 방법으로 구하는 것도 가능하다. 대상이 되는 전극에 대해서, 각 물질이 고정된 상태를 얻기 위하여 액체 질소 등으로 동결시키고, CP법(크로스 섹션 폴리셔법)에 의해 단면을 얻고, 이 단면을 대상으로 하여, EDS(에너지 분산형 X선 분석)에 의한 원소 매핑을 행함으로써, 활물질 및 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 체적 비율을 구하는 것이 가능하다.
A-6. 성능 평가:
전지 본체(110) 용의 전극(양극(114), 음극(116))에 대해서, 성능 평가를 행했다. 도 5 및 도 6은, 양극(114)에 대한 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이며, 도 7 및 도 8은, 음극(116)에 대한 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다. 또한, 도 9는, 양극(114)에 대한 성능 평가에 이용된 가압 지그(300) 및 샘플(S)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이며, 도 10은, 음극(116)에 대한 성능 평가에 이용된 가압 지그(300) 및 샘플(S)의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 양극(114)의 성능 평가에는 12개의 샘플(S1~S12)이 이용되었다. 또한, 도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 음극(116)의 성능 평가에는 13개의 샘플 (S21~S33)이 이용되었다. 양극(114) 및 음극(116)의 각각에 대하여, 각 샘플은, 조성(각 성분의 재료 및 체적 함유율)이 서로 상이하다.
도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 양극(114)에 대해서, 샘플 S1~S10은, 양극 활물질(214)과, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)과, 이온 액체(224)와, 도전조제와, 바인더를 함유하는 시트 형상의 성형체이다. 또한, 샘플 S11은, 양극 활물질(214)과, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)과, 이온 액체(224)와, 도전조제를 함유하고, 바인더를 함유하지 않는 압분체이다. 한편, 샘플 S12는, 양극 활물질(214)과, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)과, 도전조제와, 바인더를 함유하는 시트 형상의 성형체이지만, 다른 샘플과 달리, 이온 액체(224)를 함유하고 있지 않다.
또한, 양극 활물질(214)로서는, 샘플 S1~S9, S12에서는 상술한 NCA(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)가 이용되고, 샘플 S10에서는 상술한 LCO(LiCoO2)가 이용되고, 샘플 S11에서는 상술한 NCM(Li(Co1/3Ni1/3Mn1/3)O2)가 이용되었다. 또한, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)로서는, 어느 샘플에서도 상술한 LLZ-Mg, Sr이 이용되었다. 또한, 이온 액체(224)로서는, 샘플 S1~S9에서는 상술한 리튬염 Li-FSI을 용해시킨 이온 액체 EMI-FSI(이하, 「Li-FSI(EMI-FSI)」라고 한다.)(리튬염의 농도: 1.0M(=mol/L))가 이용되고, 샘플 S10, S11에서는 상술한 리튬염 Li-TFSI를 용해시킨 이온 액체 EMI-FSI(이하, 「Li-TFSI(EMI-FSI)」라고 한다.)(리튬염의 농도: 0.8M)가 이용되었다. 또한, 도전조제로서는, 샘플 S1~S6, S11, S12에서는 아세틸렌 블랙(AB)이 이용되고, 샘플 S7~S10에서는, 기상 성장 탄소섬유(VGCF)가 이용되었다. 또한, 바인더로서는, 바인더를 함유하는 어느 샘플(S1~S10, S12)에서도, 상술한 PVDF-HFP가 이용되었다.
또한, 도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 음극(116)에 대해서, 샘플 S21~S30, S32는, 음극 활물질(216)과, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)과, 이온 액체(226)와, 바인더를 함유하는 시트 형상의 성형체이다. 또한, 샘플 S29, S30, S32는, 도전조제(VGCF)를 더 함유하고 있다. 또한, 샘플 S31은, 음극 활물질(216)과, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)과, 이온 액체(226)를 함유하고, 바인더를 함유하지 않는 압분체이다. 한편, 샘플 S33은, 음극 활물질(216)과, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)과, 바인더를 함유하는 시트 형상의 성형체이지만, 다른 샘플과 달리, 이온 액체(226)를 함유하고 있지 않다.
또한, 음극 활물질(216)로서는, 샘플 S21~S27, S31~S33에서는 인조 흑연(MCMB)이 이용되고, 샘플 S28~S30에서는 천연 흑연이 이용되었다. 또한, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)으로서는, 어느 샘플에서도 상술한 LLZ-Mg, Sr이 이용되었다. 또한, 이온 액체(226)로서는, 이온 액체(226)를 함유하는 어느 샘플(S21~S32)에서도 1.0M의 Li-FSI(EMI-FSI)가 이용되었다. 또한, 바인더로서는, 바인더를 함유하는 어느 샘플(S21~S30, S32, S33)에서도 상술한 PVDF-HFP가 이용되었다.
이하의 순서에 따라 각 샘플을 작성하고, 각 샘플의 방전 용량을 측정했다. 우선, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질로서의 LLZ-MgSr 분말을, 이하와 같이 제작했다. 즉, 조성: Li6.95Mg0.15La2.75Sr0.25Zr2.0O12(LLZ-MgSr)이 되도록, Li2CO3, MgO, La(OH)3, SrCO3, ZrO2를 칭량했다. 그 때, 소성 시의 Li의 휘발을 고려하여, 원소 환산으로 15mol% 정도 과잉이 되도록, Li2CO3를 추가로 더했다. 이 원료를 지르코니아 볼과 함께 나일론 포트에 투입하고, 유기 용제 중에서 15시간, 볼 밀로 분쇄 혼합을 행했다. 분쇄 혼합 후, 슬러리를 건조시키고, 1100℃에서 10시간, MgO판 상에서 가소성(假燒成)을 행했다. 가소성 후의 분말에 바인더를 더하고, 유기 용제 중에서 15시간, 볼 밀로 분쇄 혼합을 행했다. 분쇄 혼합 후, 슬러리를 건조시키고, 직경 12mm의 금형에 투입하여, 두께가 1.5mm 정도가 되도록 프레스 성형한 후, 냉간 정수 등방압 프레스기(CIP)를 이용하여 1.5t/cm2의 정수압을 인가함으로써, 성형체를 얻었다. 이 성형체를 성형체와 같은 조성의 가소 분말로 덮고, 환원 분위기에 있어서 1100℃에서 4시간 소성함으로써 소결체를 얻었다. 이 소결체를 아르곤 분위기의 글러브 박스 내에서 분쇄하여, LLZ-MgSr의 분말을 얻었다. 얻어진 LLZ-MgSr의 입경은, 0.3~0.8μm 정도였다.
이렇게 하여 얻어진 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(LLZ-MgSr)의 분말에, 샘플마다 정해진 이온 액체를 더해 유발 혼합하여, 고체 전해질과 이온 액체의 합재를 얻었다. 또한, 양극(114)에 대해서는, 샘플마다 정해진 양극 활물질(214)과 도전조제를 더해 유발 혼합하고, 이 혼합재를, 상술한 고체 전해질과 이온 액체의 합재(단, 샘플 S12에 대해서는 고체 전해질)에 더해 혼합함으로써 전극 복합 분말을 얻었다. 또한, 음극(116)에 대해서는, 샘플마다 정해진 음극 활물질(216)을, 상술한 고체 전해질과 이온 액체의 합재(단, 샘플 S33에 대해서는 고체 전해질)에 더해 혼합함으로써 전극 복합 분말을 얻었다.
또한, 바인더를 함유하는 샘플에 대해서는, 상술한 전극 복합 분말에, 10 wt%의 PVDF-DMC(탄산 디메틸) 용액을 소량씩 적하하면서 마노 유발에서 혼합하고, 추가로 DMC 용매를 소량씩 더해 점도를 조정함으로써, 전극 복합 슬러리를 얻었다. 유리 위에 DMC와 롤러를 이용하여 균일하게 붙인 금속박 상에, 어플리케이터를 이용해 전극 복합 슬러리를 도공하고, 80℃로 10시간, 감압 건조시킴으로써, 전극 복합 시트를 얻었다.
다음으로, 도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 가압 지그(300)의 단축에 마코르관을 세팅하고, 별도 준비한 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(LLZ-MgSr)과 이온 액체(1.0M의 Li-FSI(EMI-FSI))의 합재(고체 전해질층의 재료)를 150 mg 칭량하여 투입했다. 그 후, 장축을 마코르관에 세팅하고, 100MPa로 가압했다. 가압 후, 단축을 빼내고, 전극(양극(114) 또는 음극(116))의 재료, 즉, 직경 10mm로 펀칭한 전극 복합 시트(또는, 전극 복합 분말)를 투입하고, 단축을 마코르관에 세팅하여 500MPa로 가압했다. 그 후, 가압 지그를 반전시켜 장축을 빼내고, 대극의 재료, 즉, 직경 10mm로 펀칭한 In-Li박을 투입하고, 직경 10mm로 펀칭한 Cu박을 더 투입한 후, 장축을 마코르관에 세팅하여 80MPa로 가압했다. 그 후, 고정용 지그(칼라)를 부착하고, 볼트에 의해 8N으로 체결 고정했다.
이 상태로, 전류 밀도: 50μA/cm2, 측정 온도: 25℃, 절단 전압: 2.0~3.9V(양극(114)의 샘플에 있어서 양극 활물질(214)로서 NCM를 이용했을 경우), 2.0~3.7V(양극(114)의 샘플에 있어서 양극 활물질(214)로서 NCA 또는 LCO를 이용했을 경우), -0.6~1.0V(음극(116)의 샘플)라고 하는 조건으로 전지의 방전을 행하여, 초회 방전 용량을 측정했다. 양극(114)에 대해서는, 방전 용량이 50μAh 미만이었을 경우에 「X」(불합격)로 판정하고, 방전 용량이 50μAh 이상, 400μAh 미만이었을 경우에 「O」(합격)로 판정하고, 방전 용량이 400μAh 이상이었을 경우에 「◎」(우수)로 판정했다. 음극(116)에 대해서는, 방전 용량이 100μAh 미만이었을 경우에 「X」(불합격)로 판정하고, 방전 용량이 100μAh 이상, 400μAh 미만이었을 경우에 「O」(합격)로 판정하고, 방전 용량이 400μAh 이상이었을 경우에 「◎」(우수)로 판정했다.
도 5 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 양극(114)에 대해서는, 이온 액체(224)를 함유하지 않는 샘플 S12에서는, 방전 용량이 50μAh 미만이었기 때문에, 불합격(X)으로 판정되었다. 샘플 S12는, 이온 액체(224)를 함유하지 않기 때문에, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)의 입자 간의 접촉이 점접촉이 되어 입자 간의 저항이 높아져, 그 결과, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성이 낮아지고, 전지의 용량이 낮아진 것이라고 생각된다.
이에 반해, 이온 액체(224)를 함유하는 샘플 S1~S11(단, 샘플 S6을 제외함)에서는, 방전 용량이 50μAh 이상이었기 때문에, 합격(O) 또는 우수(◎)로 판정되었다. 이들 샘플은, 이온 액체(224)를 함유하기 때문에, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)의 입자 간에 리튬 이온 전도 패스로서 기능하는 이온 액체(224)가 개재되어, 당해 입계에 있어서의 리튬 이온 전도성이 향상되고, 그 결과, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성이 향상되어, 전지의 용량이 높아진 것이라고 생각된다. 이 결과로부터, 양극(114)이 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204) 및 양극 활물질(214)에 더하여, 이온 액체(224)를 함유하고 있으면, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 향상시킬 수 있다고 할 수 있다.
또한, 샘플 S7~S11에서는, 방전 용량이 400μAh 이상이었기 때문에, 우수(◎)로 판정되었다. 이들 샘플에서는, 양극 활물질(214)의 체적 함유율이 40vol% 이상, 85vol% 이하이고, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(204)의 체적 함유율이 5vol% 이상, 40vol% 이하이고, 이온 액체(224)의 체적 함유율이 3vol% 이상, 35vol% 이하이다. 한편, 샘플 S6은, 성형 시에 이온 액체의 배어 나옴이 발생했기 때문에, 측정 불능(-)으로 판정되었다. 이들 결과로부터, 전극이 상기 체적 함유율에 대한 조건을 충족하면, 이온 액체가 배어 나오는 것의 발생을 억제하면서, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 효과적으로 향상시킬 수 있다고 할 수 있다.
또한, 도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 음극(116)에 대해서는, 이온 액체(226)를 함유하지 않는 샘플 S33에서는, 방전 용량이 100μAh 미만이었기 때문에, 불합격(X)으로 판정되었다. 샘플 S33은, 이온 액체(226)를 함유하지 않기 때문에, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)의 입자 간의 접촉이 점접촉이 되어 입자 간의 저항이 높아져, 그 결과, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성이 낮아져서, 전지의 용량이 낮아진 것이라고 생각된다.
이에 반해, 이온 액체(226)를 함유하는 샘플 S21~S32(단, 샘플 S26을 제외함)에서는, 방전 용량이 100μAh 이상이었기 때문에, 합격(O) 또는 우수(◎)로 판정되었다. 이들 샘플은, 이온 액체(226)를 함유하기 때문에, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)의 입자 간에 리튬 이온 전도 패스로서 기능하는 이온 액체(226)가 개재되어, 당해 입계에 있어서의 리튬 이온 전도성이 향상되고, 그 결과, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성이 향상되어, 전지의 용량이 높아진 것이라고 생각된다. 이 결과로부터, 음극(116)이 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206) 및 음극 활물질(216)에 더하여, 이온 액체(226)를 함유하고 있으면, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 향상시킬 수 있다고 할 수 있다.
또한, 샘플 S27~S32에서는, 방전 용량이 400μAh 이상이었기 때문에, 우수(◎)로 판정되었다. 이들 샘플에서는, 음극 활물질(216)의 체적 함유율이 40vol% 이상, 85vol% 이하이며, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질(206)의 체적 함유율이 5vol% 이상, 40vol% 이하이며, 이온 액체(226)의 체적 함유율이 3vol% 이상, 35vol% 이하이다. 한편, 샘플 S26은, 성형 시에 이온 액체의 배어 나옴이 발생했기 때문에, 측정 불능(-)으로 판정되었다. 이러한 결과로부터, 전극이 상기 체적 함유율에 대한 조건을 충족하면, 이온 액체가 배어 나오는 것의 발생을 억제하면서, 전극 내 및 전극과 다른 부재의 계면에 있어서의 리튬 이온 전도성을 효과적으로 향상시킬 수 있다고 할 수 있다.
A-7. LLZ계 이온 전도성 분말의 바람직한 양태:
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 리튬 이온 전도체는, LLZ계 이온 전도성 분말(Li와 La와 Zr과 O를 적어도 함유하는 가닛형 결정 구조를 가지는 이온 전도성 고체 전해질 분말)을 포함하고 있다. LLZ계 이온 전도성 분말로서는, Mg, Al, Si, Ca(칼슘), Ti, V(바나듐), Ga(갈륨), Sr, Y(이트륨), Nb(니오브), Sn(주석), Sb(안티몬), Ba(바륨), Hf(하프늄), Ta(탄탈), W(텅스텐), Bi(비스무트) 및 란타노이드 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 원소를 포함하는 것을 채용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 하면, LLZ계 이온 전도성 분말이 양호한 리튬 이온 전도율을 나타낸다.
또한, LLZ계 이온 전도성 분말로서, Mg와 원소 A(A는, Ca, Sr 및 Ba로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 원소) 중 적어도 하나를 포함하고, 함유되는 각 원소가 몰비로 하기의 식 (1)~(3)을 만족하는 것을 채용하는 것이 바람직하다. 또, Mg 및 원소 A는, 비교적 매장량이 많고 염가이기 때문에, LLZ계 이온 전도성 분말의 치환 원소로서 Mg 및/또는 원소 A를 이용하면, LLZ계 이온 전도성 분말의 안정적인 공급을 기대할 수 있음과 동시에 비용을 저감할 수 있다.
(1) 1.33≤Li/(La+A)≤3
(2) 0≤Mg/(La＋A)≤0.5
(3) 0≤A/(La＋A)≤0.67
또한, LLZ계 이온 전도성 분말로서는, Mg와 원소 A의 양쪽을 포함하고, 함유되는 각 원소가 몰비로 하기의 식 (1′)~(3′)을 만족하는 것을 채용하는 것이 보다 바람직하다.
(1′) 2.0≤Li/(La＋A)≤2.5
(2′) 0.01≤Mg/(La＋A)≤0.14
(3′) 0.04≤A/(La＋A)≤0.17
상술의 사항을 환언하면, LLZ계 이온 전도성 분말은, 다음의 (a)~(c) 중 어느 하나를 만족하는 것이 바람직하고, 이들 중에서도 (c)를 만족하는 것이 보다 바람직하고, (d)를 만족하는 것이 더 바람직하다고 할 수 있다.
(a) Mg를 포함하고, 각 원소의 함유량이 몰비로, 1.33≤Li/La≤3, 또한, 0≤Mg/La≤0.5를 만족한다.
(b) 원소 A를 포함하고, 각 원소의 함유량이 몰비로, 1.33≤Li/(La＋A)≤3, 또한, 0≤A/(La＋A)≤0.67을 만족한다.
(c) Mg 및 원소 A를 포함하고, 각 원소의 함유량이 몰비로, 1.33≤Li/(La＋A)≤3, 0≤Mg/(La＋A)≤0.5, 또한 0≤A/(La＋A)≤0.67을 만족한다.
(d) Mg 및 원소 A를 포함하고, 각 원소의 함유량이 몰비로, 2.0≤Li/(La＋A)≤2.5, 0.01≤Mg/(La＋A)≤0.14, 또한 0.04≤A/(La＋A)≤0.17을 만족한다.
LLZ계 이온 전도성 분말은, 상기 (a)를 만족할 때, 즉, Li, La, Zr 및 Mg를, 몰비로 상기 식(1) 및 (2)를 만족하도록 포함할 때, 양호한 리튬 이온 전도율을 나타낸다. 그 메카니즘은 분명하지 않지만, 예를 들면, LLZ계 이온 전도성 분말이 Mg를 함유하면, Li의 이온 반경과 Mg의 이온 반경은 가깝기 때문에, LLZ 결정상에 있어서 Li가 배치되어 있는 Li사이트에 Mg가 배치되기 쉽고, Li가 Mg로 치환됨으로써, Li와 Mg의 전하의 상이에 의해 결정 구조 내의 Li사이트에 공공(空孔)이 생겨 Li 이온이 움직이기 쉬워지고, 그 결과, 리튬 이온 전도율이 향상된다고 생각된다. LLZ계 이온 전도성 분말에 있어서, La와 원소 A의 합에 대한 Li의 몰비가 1.33 미만 또는 3을 초과하면, 가닛형 결정 구조를 가지는 이온 전도성 분말뿐만이 아니라, 다른 금속 산화물이 형성되기 쉬워진다. 다른 금속 산화물의 함유량이 커질수록 상대적으로 가닛형 결정 구조를 가지는 이온 전도성 분말의 함유량이 작아지고, 또 다른 금속 산화물의 리튬 이온 전도율은 낮기 때문에, 리튬 이온 전도율이 저하된다. LLZ계 이온 전도성 분말에 있어서의 Mg의 함유량이 많아질수록 Li사이트에 Mg가 배치되고, Li사이트에 공공이 생겨, 리튬 이온 전도율이 향상되지만, La와 원소 A의 합에 대한 Mg의 몰비가 0.5를 초과하면, Mg를 함유하는 다른 금속 산화물이 형성되기 쉬워진다. 이 Mg를 함유하는 다른 금속 산화물의 함유량이 커질수록 상대적으로 가닛형 결정 구조를 가지는 이온 전도성 분말의 함유량이 작아진다. Mg를 함유하는 다른 금속 산화물의 리튬 이온 전도율은 낮기 때문에, La와 원소 A의 합에 대한 Mg의 몰비가 0.5를 초과하면, 리튬 이온 전도율이 저하된다.
LLZ계 이온 전도성 분말은, 상기 (b)를 만족할 때, 즉, Li, La, Zr 및 원소 A를, 몰비로 상기 식(1) 및 (3)을 만족하도록 포함할 때, 양호한 리튬 이온 전도율을 나타낸다. 그 메카니즘은 분명하지 않지만, 예를 들면, LLZ계 이온 전도성 분말이 원소 A를 함유하면, La의 이온 반경과 원소 A의 이온 반경이 가깝기 때문에, LLZ 결정상에 있어서 La가 배치되어 있는 La사이트에 원소 A가 배치되기 쉽고, La가 원소 A로 치환됨으로써, 격자 변형이 생기고, 또한 La와 원소 A의 전하의 상이에 의해 자유로운 Li 이온이 증가하여, 리튬 이온 전도율이 향상된다고 생각된다. LLZ계 이온 전도성 분말에 있어서, La와 원소 A의 합에 대한 Li의 몰비가 1.33 미만 또는 3을 초과하면, 가닛형 결정 구조를 가지는 이온 전도성 분말뿐만이 아니라, 다른 금속 산화물이 형성되기 쉬워진다. 다른 금속 산화물의 함유량이 커질수록 상대적으로 가닛형 결정 구조를 가지는 이온 전도성 분말의 함유량이 작아지고, 또 다른 금속 산화물의 리튬 이온 전도율은 낮기 때문에, 리튬 이온 전도율이 저하된다. LLZ계 이온 전도성 분말에 있어서의 원소 A의 함유량이 많아질수록 La사이트에 원소 A가 배치되어, 격자 변형이 커지고, 또한 La와 원소 A의 전하의 상이에 의해 자유로운 Li 이온이 증가하여, 리튬 이온 전도율이 향상되지만, La와 원소 A의 합에 대한 원소 A의 몰비가 0.67을 초과하면, 원소 A를 함유하는 다른 금속 산화물이 형성되기 쉬워진다. 이 원소 A를 함유하는 다른 금속 산화물의 함유량이 커질수록 상대적으로 가닛형 결정 구조를 가지는 이온 전도성 분말의 함유량이 작아지고, 또 원소 A를 함유하는 다른 금속 산화물의 리튬 이온 전도율은 낮기 때문에, 리튬 이온 전도율이 저하된다.
상기 원소 A는, Ca, Sr 및 Ba로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종류의 원소이다. Ca, Sr 및 Ba는, 주기율표에 있어서의 제2족 원소이며, 2가의 양이온이 되기 쉽고, 모두 이온 반경이 가깝다는 공통의 성질을 가진다. Ca, Sr 및 Ba는, 모두 La와 이온 반경이 가깝기 때문에, LLZ계 이온 전도성 분말에 있어서의 La사이트에 배치되어 있는 La와 치환되기 쉽다. LLZ계 이온 전도성 분말이, 이들 원소 A 중에서도 Sr를 함유하는 것이, 소결에 의해 용이하게 형성될 수 있어, 높은 리튬 이온 전도율을 얻을 수 있는 점에서 바람직하다.
LLZ계 이온 전도성 분말은, 상기 (c)를 만족할 때, 즉, Li, La, Zr, Mg 및 원소 A를, 몰비로 상기 식 (1)~(3)을 만족하도록 포함할 때, 소결에 의해 용이하게 형성될 수 있어, 리튬 이온 전도율이 보다 한층 향상된다. 또한, LLZ계 이온 전도성 분말이, 상기 (d)를 만족할 때, 즉, Li, La, Zr, Mg 및 원소 A를, 몰비로 상기 식 (1′)~(3′)을 만족하도록 포함할 때, 리튬 이온 전도율이 보다 한층 향상된다. 그 메카니즘은 분명하지 않지만, 예를 들면, LLZ계 이온 전도성 분말에 있어서의 Li사이트의 Li가 Mg로 치환되고, 또, La사이트의 La가 원소 A로 치환됨으로써, Li사이트에 공공이 생기고, 또한 자유로운 Li 이온이 증가하여, 리튬 이온 전도율이 보다 한층 양호해진다고 생각된다. 또한, LLZ계 이온 전도성 분말이, Li, La, Zr, Mg 및 Sr을 상기 식 (1)~(3)을 만족하도록, 특히 상기 식 (1′)~(3′)을 만족하도록 포함하는 것이, 높은 리튬 이온 전도율을 얻을 수 있으며, 또, 높은 상대 밀도를 가지는 리튬 이온 전도체를 얻을 수 있는 점에서 바람직하다.
또한, 상기 (a)~(d) 중 어느 경우에 있어서도, LLZ계 이온 전도성 분말은, Zr을, 몰비로 이하의 식 (4)를 만족하도록 포함하는 것이 바람직하다. Zr을 당해 범위로 함유함으로써, 가닛형 결정 구조를 가지는 이온 전도성 분말을 얻기 쉬워진다.
(4) 0.33≤Zr/(La＋A)≤1
B. 변형예:
본 명세서에서 개시되는 기술은, 상기 실시형태로 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 형태로 변형할 수 있고, 예를 들면 다음과 같은 변형도 가능하다.
상기 실시형태에 있어서의 전고체 전지(102)의 구성은, 어디까지나 일례이며, 다양하게 변경 가능하다. 예를 들면, 상기 실시형태에서는, 양극(114) 및 음극(116)은, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과, 활물질과, 이온 액체를 함유하고 있지만, 양극(114) 및 음극(116)이, 이들 이외의 다른 성분을 포함하고 있어도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 양극(114) 및 음극(116)의 양쪽에 대해서, 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과, 활물질과, 이온 액체를 함유하는 구성이 채용되어 있지만, 양극(114) 및 음극(116)의 한쪽에 대해서만 당해 구성이 채용되어도 된다. 예를 들면, 양극(114)은 이온 액체를 함유하지만, 음극(116)은 이온 액체를 함유하지 않는 구성이 채용되어도 된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서, 전고체 전지(102)를 구성하는 각 요소를 형성하는 재료는, 어디까지나 예시이며, 각 요소가 다른 재료에 의해 형성되어도 된다. 또한, 상기 실시형태에 있어서, 전고체 전지(102)의 제조 방법은, 어디까지나 일례이며, 다른 제조 방법이 채용되어도 된다.
또한, 본 명세서에 개시되는 기술은, 전고체 전지(102) 용의 전극에 한정되지 않고, 다른 축전 디바이스(예를 들면, 리튬 공기 전지나 리튬 플로우 전지, 고체 커패시터 등) 용의 전극에도 적용 가능하다.
102: 전고체 리튬 이온 2차 전지
110: 전지 본체
112: 고체 전해질층
114: 양극
116: 음극
154: 양극측 집전체
156: 음극측 집전체
204, 206: 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질
214: 양극 활물질
216: 음극 활물질
224, 226: 이온 액체
300: 가압 지그

Claims (4)

  1. 축전 디바이스용 전극에 있어서,
    산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질과,
    활물질과,
    이온 액체
    를 함유하는 것을 특징으로 하는 축전 디바이스용 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 활물질의 체적 함유율이 40vol% 이상, 85vol% 이하이며,
    상기 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질의 체적 함유율이 5vol% 이상, 40vol% 이하이며,
    상기 이온 액체의 체적 함유율이 3vol% 이상, 35vol% 이하인 것을 특징으로 하는 축전 디바이스용 전극.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 산화물계 리튬 이온 전도성 고체 전해질은, Li와 La와 Zr과 O를 적어도 함유하는 가닛형 결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 축전 디바이스용 전극.
  4. 고체 전해질층과, 양극과, 음극과, 집전체를 구비하는 축전 디바이스에 있어서,
    상기 양극과 상기 음극 중 적어도 한 쪽은, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 축전 디바이스용 전극인 것을 특징으로 하는 축전 디바이스.
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