JP2017084515A - Negative electrode layer, and all-solid-state lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負極層、および当該負極層を備えた全固体リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode layer and an all solid lithium ion secondary battery including the negative electrode layer.
従来からスマートフォンやノート型パーソナルコンピューターなどの携帯型情報端末の電源として、充放電が可能であるとともに、電池容量が比較的に大きな全固体二次電池が用いられている。 2. Description of the Related Art Conventionally, all-solid-state secondary batteries that can be charged and discharged and have a relatively large battery capacity have been used as power sources for portable information terminals such as smartphones and notebook personal computers.
このような全固体二次電池は、電極層(正極層または負極層)の面積を増大させることによって、電子伝導性を向上させて出力密度を増大させることが知られていた。 It has been known that such an all-solid secondary battery improves the electron conductivity and increases the output density by increasing the area of the electrode layer (positive electrode layer or negative electrode layer).
例えば、特許文献1には、正極層、固体電解質層、負極層がこの順に積層され、焼結された積層体である全固体二次電池が開示されている。これらの正極層または負極層のうち少なくとも一方が、電極活物質と炭素材料を含む導電剤とを含み、この導電剤は、比表面比率が1000m2/g以下の炭素材料を含んでいる。 For example, Patent Document 1 discloses an all-solid-state secondary battery that is a laminated body in which a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer are laminated in this order and sintered. At least one of the positive electrode layer or the negative electrode layer includes an electrode active material and a conductive agent including a carbon material, and the conductive agent includes a carbon material having a specific surface ratio of 1000 m 2 / g or less.
このような炭素材料を導電剤に用いることにより、バインダーなどの有機材料を除去する焼成工程において、炭素材料の燃焼を抑制することができるので、炭素材料が電極層に残存する割合を高めることができる。 By using such a carbon material as a conductive agent, combustion of the carbon material can be suppressed in the firing step of removing an organic material such as a binder, so that the proportion of the carbon material remaining in the electrode layer can be increased. it can.
これにより、電極層と固体電解質層とを焼結接合させつつ、電子伝導性を向上させた全固体二次電池が開示されている。 Thus, an all-solid secondary battery in which the electron conductivity is improved while the electrode layer and the solid electrolyte layer are sintered and joined is disclosed.
しかしながら、特許文献1に記載の全固体二次電池は、負極層と固体電解質層との間に、活物質の金属層を設けて、リチウムイオンなどの伝導性を高めている。 However, in the all-solid-state secondary battery described in Patent Document 1, a metal layer of an active material is provided between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer to enhance conductivity such as lithium ions.
そのため、この金属層を、焼結によって多孔質化した負極層に、例えば、真空蒸着法などの気相成長法で形成した場合には、金属層が負極層の表面にしか形成されず、負極層の内部の空隙まで金属層を形成することが難しい。 Therefore, when this metal layer is formed on a negative electrode layer made porous by sintering, for example, by a vapor phase growth method such as a vacuum evaporation method, the metal layer is formed only on the surface of the negative electrode layer. It is difficult to form a metal layer up to the voids inside the layer.
その結果、負極層に対する金属層の面積の割合が限られてしまい、負極層における活物質の容量密度が実質的に向上せず、全固体二次電池の出力密度を十分に確保できないという課題があった。 As a result, the ratio of the area of the metal layer to the negative electrode layer is limited, the capacity density of the active material in the negative electrode layer does not substantially improve, and the output density of the all-solid-state secondary battery cannot be sufficiently secured. there were.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例に記載の負極層は、全固体リチウムイオン二次電池の負極層であって、複数の空隙を有する電子伝導性の多孔質体と、前記複数の空隙の表面に析出させたリチウム金属と、を備えたことを特徴とする。 [Application Example 1] The negative electrode layer described in this application example is a negative electrode layer of an all-solid-state lithium ion secondary battery, and is formed on an electron conductive porous body having a plurality of voids and on the surfaces of the plurality of voids. And deposited lithium metal.
本適用例によれば、多孔質体とリチウム金属とが接触する面積を大きくすることができる。その結果、全固体リチウムイオン二次電池の電池容量および出力密度を増大させることが可能な負極層を提供できる。 According to this application example, the area where the porous body and the lithium metal are in contact with each other can be increased. As a result, it is possible to provide a negative electrode layer capable of increasing the battery capacity and output density of the all solid lithium ion secondary battery.
[適用例2]上記適用例に記載の負極層において、前記複数の空隙は、連通した空隙を含むことが好ましい。 Application Example 2 In the negative electrode layer described in the application example, it is preferable that the plurality of voids include continuous voids.
この構成によれば、連通した空隙においては、より容易にリチウム金属を析出させることができ、リチウム次電池の負極として用いた場合に、より容量の多い電池とすることができる。 According to this configuration, lithium metal can be deposited more easily in the communicating voids, and when used as the negative electrode of a lithium secondary battery, a battery having a higher capacity can be obtained.
[適用例3]上記適用例に記載の負極層において、前記リチウム金属は、前記複数の空隙の表面の全領域に亘って析出していることが好ましい。 Application Example 3 In the negative electrode layer described in the application example, it is preferable that the lithium metal is deposited over the entire region of the surface of the plurality of voids.
この構成によれば、リチウム金属が、空隙の表面の一部に設けられている場合と比較して、多孔質体とリチウム金属との接触面積が大きくなる。従って、多孔質体とリチウム金属との界面において良好な電荷移動が可能となり、界面抵抗を低減できる。 According to this configuration, the contact area between the porous body and the lithium metal is increased as compared with the case where the lithium metal is provided on a part of the surface of the void. Therefore, good charge transfer is possible at the interface between the porous body and the lithium metal, and the interface resistance can be reduced.
[適用例4]上記適用例に記載の負極層において、前記複数の空隙の表面には、前記多孔質体の電子伝導性より高い電子伝導性を有する導電膜が設けられていることが好ましい。 Application Example 4 In the negative electrode layer described in the application example, it is preferable that a conductive film having an electron conductivity higher than that of the porous body is provided on the surface of the plurality of voids.
この構成によれば、空隙の表面において、電子の受け渡しがしやすくなる。 According to this configuration, it becomes easy to transfer electrons on the surface of the gap.
[適用例5]上記適用例に記載の負極層において、前記導電膜は、金属薄膜であることが好ましい。 Application Example 5 In the negative electrode layer described in the application example, the conductive film is preferably a metal thin film.
この構成によれば、非金属の導電膜と比較して、導電膜の電子伝導性を高くすることができる。そのため、負極層の抵抗を低減させることができる。 According to this configuration, the electronic conductivity of the conductive film can be increased as compared with the non-metallic conductive film. Therefore, the resistance of the negative electrode layer can be reduced.
[適用例6]上記適用例に記載の負極層において、前記リチウム金属の膜厚は、前記導電膜の膜厚より厚い、または同じであることが好ましい。 Application Example 6 In the negative electrode layer according to the application example described above, it is preferable that the lithium metal film is thicker than or equal to the film thickness of the conductive film.
この構成によれば、リチウム金属の膜厚が、導電膜の膜厚より薄い場合と比較して、負極層におけるリチウムの容量を高めることができ、充放電による負極層の反応を効率的に進められる。 According to this configuration, the lithium capacity in the negative electrode layer can be increased compared to the case where the thickness of the lithium metal film is smaller than that of the conductive film, and the reaction of the negative electrode layer due to charge / discharge can be efficiently advanced. It is done.
[適用例7]本適用例に記載の全固体リチウムイオン二次電池は、上記適用例に記載の負極層を備えていることを特徴とする。 [Application Example 7] The all-solid-state lithium ion secondary battery described in this application example includes the negative electrode layer described in the above application example.
本適用例によれば、多孔質体とリチウム金属とが接触する面積を大きくすることができる。その結果、全固体リチウムイオン二次電池の電池容量および出力密度を増大させることができる。 According to this application example, the area where the porous body and the lithium metal are in contact with each other can be increased. As a result, the battery capacity and output density of the all solid lithium ion secondary battery can be increased.
また、予めリチウム金属を析出させた負極層を用いてリチウム二次電池を構成することから、充放電に伴うリチウム金属の体積変動による電池の破損を防ぎ、全固体リチウムイオン二次電池を長寿命にすることができる。 In addition, since the lithium secondary battery is configured using a negative electrode layer on which lithium metal is pre-deposited, the battery is prevented from being damaged due to lithium metal volume fluctuations associated with charge / discharge, and the all-solid-state lithium ion secondary battery has a long service life. Can be.
以下に本発明を具体化した実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさにして、説明を分かりやすくするため、各構成要素の尺度を実際とは異なる尺度で記載している場合がある。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following figures, the scale of each component is described on a scale different from the actual scale so that each component can be recognized on the drawing for easy understanding. There is.
[第1実施形態]
<全固体リチウムイオン二次電池の構成>
本実施形態の全固体リチウムイオン二次電池(以下、単にリチウム電池という)の構成について、図1を参照して説明する。リチウム電池は、充放電可能であり、大きな出力エネルギーが得られることから、スマートフォンなどの携帯情報端末の電源として好適に用いることができる。
[First Embodiment]
<Configuration of all-solid-state lithium ion secondary battery>
A configuration of an all solid lithium ion secondary battery (hereinafter simply referred to as a lithium battery) of the present embodiment will be described with reference to FIG. Lithium batteries can be charged and discharged and can provide a large output energy, and thus can be suitably used as a power source for portable information terminals such as smartphones.
図1は、第1実施形態に係るリチウム電池の構成を示す概略斜視図である。図1に示すように、本実施形態のリチウム電池100は、正極層10と、セパレーター20と、負極層30と、を備えている。正極層10、セパレーター20、および負極層30をセル40という。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing the configuration of the lithium battery according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
また、リチウム電池100は、正極層10のセパレーター20に接する面と反対側の面に設けられた集電体41と、負極層30のセパレーター20に接する面と反対側の面に設けられた集電体42と、を備えている。つまり、リチウム電池100は、集電体41、正極層10、セパレーター20、負極層30、集電体42の順に積層された積層体である。
In addition, the
本実施形態のリチウム電池100は、円盤状に形成されており、外形の大きさは、例えばφ10mm、厚みは、例えば0.08mmである。なお、リチウム電池100の形状は、円盤状であることに限定されず、例えば多角形の盤状であってもよい。
The
(正極層)
正極層10は、遷移金属酸化物を含む活物質部と、活物質部に接し、イオン伝導性固体を含む固体電解質部と、を含んでおり、活物質部と固体電解質部とが互いに接するように形成されている。
(Positive electrode layer)
The
活物質部の好適例としては、LiCoO2、LiNiO2など遷移金属酸化物のうち、空間群R3mに帰属される層状の結晶構造を有する化合物が挙げられる。また、遷移金属酸化物は、CoやNiの他に、Mn、Cu、Zr、La、Ceなどの遷移金属や、Al、Erなどの金属を含んでいてもよい。 Preferable examples of the active material part include compounds having a layered crystal structure belonging to the space group R3m among transition metal oxides such as LiCoO 2 and LiNiO 2 . The transition metal oxide may contain transition metals such as Mn, Cu, Zr, La, and Ce, and metals such as Al and Er, in addition to Co and Ni.
固体電解質部は、イオン伝導性固体、すなわちイオン伝導性の固体電解質を含むものであって、イオン伝導性の固体電解質としては、後述するセパレーター20において示す材料を挙げることができる。
The solid electrolyte portion includes an ion conductive solid, that is, an ion conductive solid electrolyte, and examples of the ion conductive solid electrolyte include materials shown in the
(セパレーター)
セパレーター20は、正極層10と負極層30との間に設けられており、これらの電極層間の電気的な絶縁を保ちつつ、リチウムイオンの伝導を媒介する固体電解質層である。
(separator)
The
イオン伝導性を有する固体電解質としては、Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12、SiO2−SiO2−P2O5−Li2O、SiO2−P2O5−LiCl、Li2O−LiCl−B2O3、Li3.4V0.6Si0.4O4、Li14ZnGe4O16、Li3.6V0.4Ge0.6O4、Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)3、Li2.88PO3.73N0.14、LiNbO3、Li0.35La0.55TiO3、Li2S−SiS2、Li2S−SiS2−LiI、Li2S−SiS2−P2S5、Li3N、LiI、LiI−CaI2、LiI−CaO、LiAlCl4、LiAlF4、LiI−Al2O3、LiF−Al2O3、LiBr−Al2O3、Li2O−TiO2、La2O3−Li2O−TiO2、Li3NI2、Li3N−LiI−LiOH、Li3N−LiCl、Li6NBr3、LiSO4、Li4SiO4、Li3PO4−Li4SiO4、Li4GeO4−Li3VO4、Li4SiO4−Li3VO4、Li4GeO4−Zn2GeO2、Li4SiO4−LiMoO4、Li3PO4−Li4SiO4、Li4SiO4−Li3ZrO4、LiBH4、Li7-xPS6-xClx、Li10GeP2S12などの酸化物、硫化物、窒化物、水素化、または、それらの部分置換体の結晶質、非晶質および部分結晶化ガラスのいずれもが好適に用いられる。 The solid electrolyte having ion conductivity, Li 6.75 La 3 Zr 1.75 Nb 0.25 O 12, SiO 2 -SiO 2 -P 2 O 5 -Li 2 O, SiO 2 -P 2 O 5 -LiCl, Li 2 O- LiCl—B 2 O 3 , Li 3.4 V 0.6 Si 0.4 O 4 , Li 14 ZnGe 4 O 16 , Li 3.6 V 0.4 Ge 0.6 O 4 , Li 1.3 Ti 1.7 Al 0.3 (PO 4 ) 3 , Li 2.88 PO 3.73 N 0.14 LiNbO 3 , Li 0.35 La 0.55 TiO 3 , Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—SiS 2 —LiI, Li 2 S—SiS 2 —P 2 S 5 , Li 3 N, LiI, LiI—CaI 2 , LiI-CaO, LiAlCl 4, LiAlF 4, LiI-Al 2 O 3, LiF-Al 2 O 3, LiBr-Al 2 O 3, Li 2 O-TiO 2, La 2 O 3 -Li 2 O-TiO 2, Li 3 NI 2, Li 3 N -LiI-LiOH Li 3 N-LiCl, Li 6 NBr 3, LiSO 4, Li 4 SiO 4, Li 3 PO 4 -Li 4 SiO 4, Li 4 GeO 4 -Li 3 VO 4, Li 4 SiO 4 -Li 3 VO 4, Li 4 GeO 4 -Zn 2 GeO 2, Li 4 SiO 4 -LiMoO 4, Li 3 PO 4 -Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 -Li 3 ZrO 4, LiBH 4, Li 7-x PS 6-x Cl x Any of crystalline, amorphous, and partially crystallized glass of oxides, sulfides, nitrides, hydrogenations, or partially substituted products thereof, such as Li 10 GeP 2 S 12, is preferably used.
また、上記のような固体電解質を2種以上含むこともできる。必要に応じて、固体電解質中にAl2O3やSiO2、ZrO2などの絶縁物の微粒子を複合化したものも使用することができる。 Moreover, two or more kinds of solid electrolytes as described above can be included. If necessary, a solid electrolyte in which fine particles of an insulator such as Al 2 O 3 , SiO 2 , and ZrO 2 are combined can also be used.
セパレーター20の厚みは、50nm〜100μm程度が好ましいが、材料特性や設計により所望の値とすることができる。また、セパレーター20の負極層30側の面に、各種成型法、加工法を組み合わせて、トレンチ、グレーチング、ピラーなどの凹凸構造を設けることもできる。
The thickness of the
セパレーター20は、1層だけでなく、結晶質で形成された層の表面に、例えば、短絡を防ぐ目的で、ガラス電解質層を形成するなど、多層化された構造とすることもできる。
The
(集電体)
集電体41,42は、正極層10または負極層30と電気化学反応を生じることなく、かつ電子伝導性を有している材料であれば、いずれも好適に用いることができる。
(Current collector)
As the
集電体41,42の一例としては、Cu、Mg、Ti、Fe、Co、Ni、Zn、Al、Ge、In、Au、Pt、AgおよびPdからなる群から選ばれる1種の金属(金属単体)や、この群から選ばれる2種以上の金属元素を含む合金など、ITO、ATO、およびFTOなど導電性金属酸化物、TiN、ZrN、TaNなどの金属窒化物などが挙げられる。
As an example of the
集電体41,42は、電子伝導性を有する上記材料の薄膜の他、金属箔、板状、導電体微粉末を粘結剤とともに混練したペーストなど、使用者が目的に応じて適当なものを選択できる。
The
(負極層)
次に、本実施形態の負極層30について、図2および図3を参照して説明する。図2および図3は、負極層の構成を示す模式断面図である。詳しくは、図2は負極層の厚み方向と直交する方向に沿った模式断面図であり、図3は負極層の厚み方向に沿った模式断面図である。
(Negative electrode layer)
Next, the
図2に示すように、負極層30は、多孔質体31と、空隙32と、リチウム金属33と、を含んでいる。負極層30の厚みは、50nm〜100μmが好ましいが、所望の電池容量や材料特性に応じて任意に設計することができる。
As shown in FIG. 2, the
多孔質体31は、多孔質体31を構成する形成材料が電子伝導性を有するものでもよいし、多孔質体31を構成する形成材料が電子伝導性に乏しい場合には、電子伝導性物質と複合化されて、所望の電子伝導性が与えられたものであってもよい。
The
多孔質体31が電子伝導性を有するもので構成されている例としては、金属や電子伝導性の非金属をメッシュ状、繊維状、スポンジ状に加工したものが挙げられる。
As an example in which the
具体的には、シリコン−マンガン合金(Si−Mn)、シリコン−コバルト合金(Si−Co)、シリコン−ニッケル合金(Si−Ni)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、五酸化バナジウム(V2O5)、酸化チタン(TiO2)、酸化インジウム(In2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)、酸化ニッケル(NiO)などが挙げられる。 Specifically, a silicon-manganese alloy (Si-Mn), a silicon-cobalt alloy (Si-Co), a silicon-nickel alloy (Si-Ni), niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), nickel oxide (NiO) and the like.
また、多孔質体31を構成する形成材料が電子伝導性物質と複合化されて、所望の電子伝導性が与えられる例としては、イオン伝導性の酸化物、硫化物、ポリマーなどをメッシュ状、繊維状、スポンジ状など、所望の形状に加工したものが挙げられる。
In addition, as an example in which the forming material constituting the
具体的には、錫(Sn)が添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウム(Al)が添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウム(Ga)が添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモン(Sb)が添加された酸化スズ(ATO)、フッ素(F)が添加された酸化スズ(FTO)、炭素材料、炭素材料の層間にリチウムイオンが挿入された物質(LiC24、LiC6など)、TiO2のアナターゼ相、Li4Ti5O12,Li2Ti3O7などのリチウム複酸化物、Li金属などが挙げられる。 Specifically, indium oxide (ITO) to which tin (Sn) is added, zinc oxide (AZO) to which aluminum (Al) is added, zinc oxide (GZO) to which gallium (Ga) is added, antimony (Sb) ) Added tin oxide (ATO), fluorine (F) added tin oxide (FTO), carbon materials, substances in which lithium ions are inserted between carbon materials (LiC 24 , LiC 6 etc.), TiO 2 anatase phase, lithium double oxides such as Li 4 Ti 5 O 1 2 and Li 2 Ti 3 O 7 , Li metal and the like.
本実施形態の多孔質体31は、電子伝導物質である活性炭90重量部数に対し、粘結剤である、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を10重量部数混合し、加圧および焼結して成型することにより形成されている。
The
空隙32は、多孔質体31の内部に複数配置されている細孔である。空隙32における嵩密度空隙率は、以下の式(1)によって求めることができる。
空隙32における嵩密度空隙率は、10%以上50%以下であることが好ましい。嵩密度空隙率が10%未満では、高い容量密度を実現することが難しく、50%を超えると、多孔質体31に対して、空隙32の占める割合が大きくなり過ぎて脆くなるおそれがある。言い換えれば、嵩密度空隙率が10%以上50%以下となるように、電子伝導性物質の粒度分布や粘結剤の割合を調整すると共に、加圧および焼結条件を調整する。
The bulk density porosity in the
図3に示すように、このようにして形成された複数の空隙32は、多孔質体31の内部で、互いに網目状に連通している部分を含んでいる。なお、空隙32は、多孔質体31の表層だけでなく深部まで連通した状態となる。図3は連通した空隙32の状態を模式的に表したものであって、連通した空隙32は必ずしも一定形状となっているわけではなく、空隙32の大きさはランダムである。
As shown in FIG. 3, the plurality of
そのため、活物質として、結晶に電気化学的異方性があるものを用いたとしても、結晶の電子伝導性またはイオン伝導性の異方性によらず、連通した空隙32は、電気化学的に滑性な連続表面をなすものである。その結果、用いる活物質の種類によらず、良好な電子伝導性を有する負極層30を提供できる。
Therefore, even if an active material having an electrochemical anisotropy is used as the active material, the communicating
リチウム金属33は、多孔質体31の内部の各空隙32の表面の全領域に亘って設けられており、リチウム電池100を充電する際に、負極層30の電位をリチウムイオンの還元電位以下に維持することによって析出される。なお、リチウム金属33は、各空隙32の表面の全領域に亘って析出していることが好ましいが、負極層30は、各空隙32の表面の一部にリチウム金属33が析出した空隙32を含んでいてもよい。
The
空隙32の表面において、多孔質体31とリチウム金属33とが接する構造となっているので、電気的な容量密度が高い状態が実現されている。
Since the
<リチウム電池の製造方法>
次に、本実施形態のリチウム電池の製造方法について、図4〜図8を参照して説明する。図4は、セパレーター前駆体を形成する工程を示す工程図であり、図5は、正極層前駆体を形成する工程を示す工程図であり、図6は、セルを形成する工程を示す工程図であり、図7は、集電体を形成する工程を示す工程図であり、図8は、リチウム金属を析出させる工程を示す工程図である。
<Lithium battery manufacturing method>
Next, the manufacturing method of the lithium battery of this embodiment is demonstrated with reference to FIGS. FIG. 4 is a process diagram showing a process of forming a separator precursor, FIG. 5 is a process chart showing a process of forming a positive electrode layer precursor, and FIG. 6 is a process chart showing a process of forming a cell. FIG. 7 is a process diagram showing a process of forming a current collector, and FIG. 8 is a process chart showing a process of depositing lithium metal.
本実施形態のリチウム電池の製造方法は、セパレーター前駆体20aを形成する工程(ステップS1)と、正極層前駆体10aを形成する工程(ステップS2)と、セル40を形成する工程(ステップS3)と、集電体41,42を形成する工程(ステップS4)と、リチウム金属33を析出させる工程(ステップS5)と、を備えている。
The manufacturing method of the lithium battery of this embodiment includes a step of forming the
(1)ステップS1 セパレーター前駆体を形成する工程
図4に示すように、負極層30の表面30Sに、粉末状に加工したLi2.2C0.8B0.2O3のスラリーを塗布し、セパレーター前駆体20aを形成する。
(1) Step S1 Step of Forming Separator Precursor As shown in FIG. 4, a slurry of Li 2.2 C 0.8 B 0.2 O 3 processed into powder is applied to the
(2)ステップS2 正極層前駆体を形成する工程
図5に示すように、負極層30が、セパレーター20を介して、正極活物質と接続された構造とするために、正極活物質として、LiCoO2とPVdF、およびアセチレンブラックの混合物をそれぞれ85重量部数、10重量部数および5重量部数混合したものをセパレーター前駆体20aに塗布して積層し、正極層前駆体10aを形成する。
(2) Step S2 Step of Forming Positive Electrode Layer Precursor As shown in FIG. 5, in order to form a structure in which the
(3)ステップS3 セルを形成する工程
図6に示すように、負極層30にセパレーター前駆体20aおよび正極層前駆体10aが積層された積層体を不活性雰囲気中で、700℃で、5分間、熱処理(焼結)する。その結果、セパレーター20を介して負極層30と正極層10とが接続されたセル40が形成される。
(3) Step S3 Step of Forming Cell As shown in FIG. 6, a laminate in which the
(4)ステップS4 集電体形成工程
図7に示すように、正極層10と負極層30のそれぞれの表面にPt(白金)を膜厚がおよそ120nmとなるように成膜して集電体41,42を形成する。これにより、集電体41,42とセル40とが確実に接合される。
(4) Step S4 Current Collector Forming Step As shown in FIG. 7, the current collector is formed by depositing Pt (platinum) on each surface of the
集電体の形成方法は、適当な接着層を別途設けて接着する他、真空蒸着法、CVD法、PLD法、ALD法およびエアロゾルデポジション法などの気相堆積法、ゾルゲル法、有機金属熱分解法、およびめっきなどの湿式法など、集電体形成面との反応性や電気回路に望まれる電気伝導性、電気回路設計に応じて適当な手法を用いることができる。 The current collector can be formed by separately providing an appropriate adhesive layer for adhesion, as well as vapor deposition methods such as vacuum deposition, CVD, PLD, ALD, and aerosol deposition, sol-gel, and organometallic heat. An appropriate method can be used according to the reactivity with the current collector forming surface, the electrical conductivity desired for the electric circuit, and the electric circuit design, such as a decomposition method and a wet method such as plating.
集電体41,42は、必要に応じて形成されるが、例えば、導電性の基板上に電極層を複合化する場合などでは、必ずしも、正極層10および負極層30の両方に形成する必要はない。
The
また集電体41,42の形成は、正極層10、セパレーター20、負極層30の積層体を形成した後であっても、または、積層体を形成する前であってもよい。
The
(5)ステップS5 リチウム金属を析出させる工程
図8に示すように、上記のようにして得られたセル40の負極層30の電位をリチウムイオンの還元電位に維持する、つまり、正極層10を0Vの電位とし、負極層30を4.2Vの電位として過充電することによって、リチウムイオンが、正極層10側から負極層30側に移動して、負極層30のそれぞれの空隙32の表面にリチウム金属33が析出する。このとき、ネルンストの法則に基づいて、通電時間を制御することによって、リチウム金属33の膜厚を制御する。
(5) Step S5 Step of depositing lithium metal As shown in FIG. 8, the potential of the
このようにして、すでに図1に示した電子伝導性の多孔質体31の内部の空隙32の表面にリチウム金属33が析出した負極層30を有するリチウム電池100が得られる。以上のことから、本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
In this way, the
(1)本実施形態の負極層30は、多孔質体31内部の複数の空隙32の表面にリチウム金属33を備えていることから、多孔質体31とリチウム金属33とが接触する面積を大きくすることができる。その結果、リチウム電池100の電池容量および出力密度を増大させることが可能な負極層30を提供することができる。
(1) Since the
(2)連通した空隙32においては、より容易にリチウム金属33を析出させることができ、リチウム二次電池の負極として用いた場合に、より容量の多い電池とすることができる。
(2) In the communicating
(3)リチウム金属33は、複数の空隙32の表面の全領域に亘って析出していることから、リチウム金属33が、空隙32の表面の一部に設けられている場合と比較して、多孔質体31とリチウム金属33との接触面積が大きくなる。従って、多孔質体31とリチウム金属33との界面において、良好な電荷移動が可能となり、界面抵抗を低減させることができる。
(3) Since the
(4)本実施形態のリチウム電池100は、上記に記載の負極層30を備えていることから、多孔質体31とリチウム金属33とが接触する面積を大きくすることができる。その結果、リチウム電池100の電池容量および出力密度を増大させることができる。また、多孔質体31が複数の空隙32を有していることから、充放電に伴うリチウム金属33の体積変動による電池の破損を防ぎ、リチウム電池100を長寿命にすることができる。
(4) Since the
[第2実施形態]
<負極層の構成>
次に、第2実施形態の負極層について、図9を参照して説明する。なお、上記第1実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、上記第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
[Second Embodiment]
<Configuration of negative electrode layer>
Next, the negative electrode layer of 2nd Embodiment is demonstrated with reference to FIG. In addition, about a common part with the said 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted and it demonstrates centering on a different part from the said 1st Embodiment.
図9は、第2実施形態に係る負極層の構成を示す模式断面図である。詳しくは、図9は、負極層130の厚み方向と直交する方向に沿った模式断面図である。図9に示すように、本実施形態に係る負極層130は、第1実施形態の負極層30と比較すると、多孔質体31内部の空隙32の表面に導電膜34が設けられているところが異なっている。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the negative electrode layer according to the second embodiment. Specifically, FIG. 9 is a schematic cross-sectional view along a direction orthogonal to the thickness direction of the negative electrode layer 130. As shown in FIG. 9, the negative electrode layer 130 according to this embodiment is different from the
本実施形態に係る負極層130は、多孔質体31と、空隙32と、リチウム金属33と、導電膜34と、を含んでいる。リチウム金属33は、空隙32の表面を覆って設けられた導電膜34の表面に析出している。
The negative electrode layer 130 according to the present embodiment includes a
導電膜34は、各空隙32の表面に設けられており、多孔質体31の電子伝導性より高い電子伝導性を有している。このような導電膜34としては、例えば、白金(Pt)や白金(Pt)と金(Au)との合金などを挙げることができる。
The conductive film 34 is provided on the surface of each
また、導電膜34の形成方法としては、空隙32の表面にむらなく成膜するため、電解めっき法あるいは無電解めっき法を用いることが好ましい。導電膜34の膜厚は、例えば、50nm〜3μm程度である。
Further, as a method of forming the conductive film 34, it is preferable to use an electrolytic plating method or an electroless plating method in order to form a film uniformly on the surface of the
負極層130は、空隙32の表面において、リチウム金属33との間に導電膜34が設けられていることから、電子の受け渡しがしやすくなり、リチウム電池100を充電する際に、空隙32の表面にリチウム金属33が析出しやすくなる。
Since the conductive layer 34 is provided between the negative electrode layer 130 and the
また、導電膜34が金属薄膜であることから、電子伝導性を有する多孔質体31、すなわち負極層130の抵抗を低減できる。
Moreover, since the conductive film 34 is a metal thin film, the resistance of the
負極層130を用いた全固体リチウム二次電池の電池容量および出力密度を向上させる観点から、リチウム金属33の膜厚は、導電膜34の膜厚よりも厚いことが好ましい。なお、リチウム金属33の膜厚が、導電膜34の膜厚とほぼ同じであってもよい。
From the viewpoint of improving the battery capacity and output density of the all-solid lithium secondary battery using the negative electrode layer 130, the
[第3実施形態]
<負極層の製造方法>
本実施形態は、リチウム電池の構成要素のひとつとしての負極層の形成についての例を示すものである。負極層は、第1実施形態で示した多孔質体31を用いて形成してもよく、第2実施形態で示した導電膜34を備えた多孔質体31を用いて形成してもよい。本実施形態においては、便宜上、多孔質体31を用いて説明する。
[Third Embodiment]
<Method for producing negative electrode layer>
This embodiment shows an example of forming a negative electrode layer as one of the constituent elements of a lithium battery. The negative electrode layer may be formed using the
図10A〜図10Dは、本実施形態に係る負極層の製造方法を簡略化して示した模式断面図である。上述したが、本実施形態では多孔質体31を用いて説明しているが、導電膜34を備えた多孔質体31を用いて形成してもよい。
FIG. 10A to FIG. 10D are schematic cross-sectional views schematically showing the method for manufacturing the negative electrode layer according to this embodiment. Although described above using the
図10Aは、製造用集電極50を接続した多孔質体31である。製造用集電極50は、多孔質体31に剥離可能な導電性の接着剤など(図示しない)で仮止めされている。図10Bに示すように、製造用集電極50が接続された多孔質体31は、電解質液51とLiを含有する活物質52とを有する製造容器54に設置される。
FIG. 10A shows a
活物質52には、例えば、コバルト酸リチウムを含有する物質を用いることができる。製造容器54は、内部にセパレーター55を有し、析出したリチウム金属が多孔質体31と活物質52との間の短絡を防止する構造となっている。セパレーター55には電解質液51が浸透しており、リチウムイオンはセパレーター55を通過することができる。また、製造容器54は、活物質52に電気的に接続された集電極56を底部に有している。
For the
次に、図10Cに示すように、製造用集電極50と集電極56との間に活物質52により定められる適切な電圧を印加することにより、多孔質体31および活物質52のそれぞれにおける電極反応を生じさせることで、活物質52からのリチウムイオンが電解質液51を介して、多孔質体31にリチウム金属33として析出する。
Next, as shown in FIG. 10C, an appropriate voltage determined by the
次に、図10Dに示すように、製造容器54から製造用集電極50が接続された多孔質体31を取出し、多孔質体31から製造用集電極50を剥離することで、リチウム金属33が析出した多孔質体31、すなわち、図2で示した断面図を要する負極層30を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 10D, the
このように形成された負極層30は、リチウム電池に用いるだけでなく、汎用的な部品としても用いることができ、部品単体として流通させることができる。
The
本発明は、上記した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う負極層およびこの負極層を適用する全固体リチウムイオン二次電池もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。上記実施形態以外にも様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification. All-solid lithium ion secondary batteries to which the negative electrode layer is applied are also included in the technical scope of the present invention. Various modifications other than the above embodiment are conceivable. Hereinafter, a modification will be described.
[変形例]
空隙32の表面にリチウム金属33を析出させる方法としては、水素化リチウム、アルキル化リチウム(メチルリチウム、n−ブチルリチウムなど)を溶剤、例えば、トルエン、ヘキサンなどに溶解、または懸濁し、多孔質体31の電気伝導体に含浸してから溶媒を乾燥させることによって溶質を空隙32に被着させ、アルゴンガス雰囲気などの還元雰囲気で、400℃〜700℃で還元焼成することによって、リチウム金属33を析出させてもよい。
[Modification]
As a method for precipitating the
10…正極層、10a…正極層前駆体、20…セパレーター、20a…セパレーター前駆体、30…負極層、31…多孔質体、32…空隙、33…リチウム金属、34…導電膜、40…セル、41…集電体、42…集電体、100…全固体リチウムイオン二次電池としてのリチウム電池、130…負極層。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
複数の空隙を有する電子伝導性の多孔質体と、
前記複数の空隙の表面に析出させたリチウム金属と、を備えたことを特徴とする負極層。 A negative electrode layer of an all-solid-state lithium ion secondary battery,
An electron conductive porous body having a plurality of voids;
And a lithium metal deposited on the surfaces of the plurality of voids.
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