JP6153802B2 - Electricity storage element - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池、リチウムイオンキャパシタ等のリチウムイオンの吸蔵及び脱離により充放電が行われる蓄電素子に関する。 The present invention relates to a storage element that is charged and discharged by insertion and extraction of lithium ions, such as a lithium ion secondary battery and a lithium ion capacitor.
近年、リチウムイオン二次電池が高いエネルギー密度の観点から注目されている。ところで、リチウムイオン電池では、正極と負極で異なる活物質が用いられている。すなわちリチウム挿入(insertion)にともなう酸化還元電位が貴な物質が正極として、卑な物質が負極として使用される。このように電池の端子電極は極性を有することから、電池の実装においては極性を識別して行われる必要がある。特に、1辺が5mm以下のような小型電池の場合には、実装における製造コストや作業負荷が大きい。このような問題に対し、特許文献1(特開2011−146202号公報)では、一つの電池セルの正極ともう一つの電池セルの負極が同じ端子電極に接続されるように電池セルを配置した無極性電池セル、すなわち実装において極性の識別が不要な電池セルが開示されている。しかしながら、このような構成では、一つの電池セルの正極ともう一つの電池セルの負極とが短絡している状態となるため、損失が大きくなるものと考えられる。 In recent years, lithium ion secondary batteries have attracted attention from the viewpoint of high energy density. By the way, in the lithium ion battery, different active materials are used for the positive electrode and the negative electrode. That is, a material having a noble oxidation-reduction potential associated with lithium insertion is used as a positive electrode, and a base material is used as a negative electrode. Thus, since the terminal electrode of a battery has polarity, in mounting of a battery, it is necessary to identify and perform polarity. In particular, in the case of a small battery having a side of 5 mm or less, the manufacturing cost and work load in mounting are large. With respect to such a problem, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-146202), the battery cell is arranged so that the positive electrode of one battery cell and the negative electrode of the other battery cell are connected to the same terminal electrode. Nonpolar battery cells, that is, battery cells that do not require identification of polarity in mounting, are disclosed. However, in such a configuration, since the positive electrode of one battery cell and the negative electrode of another battery cell are short-circuited, it is considered that the loss increases.
ところで、スピネル型のマンガン酸リチウム(LiMn2O4)(以下、LMOと略称することがある)は、印加電圧に応じてリチウムイオンを構造外に放出することも、構造内に取り込むことも可能であることが知られている(例えば、非特許文献1(J. Electrochem. Soc. 1995, Volume 142, Issue 6, P1742-1746)を参照)。したがって、この化合物で構成される2枚の電極で電解質を挟むことで、リチウムイオン二次電池を構成することができる。例えば、特許文献2(特開2011−129474号公報)には、互いに同一の活物質を含んで構成される第一電極層と第二電極層が電解質領域を介して交互に積層してなるリチウムイオン二次電池が開示されており、活物質としてスピネル型のマンガン酸リチウムを使用できることが記載されている。この文献では、Ag/Pd集電体とマンガン酸リチウムを同時焼成して電極層を作製しているが、安定なサイクル特性は得られていない。 By the way, spinel type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) (hereinafter sometimes abbreviated as LMO) can release lithium ions out of the structure or take them into the structure depending on the applied voltage. (See, for example, Non-Patent Document 1 (J. Electrochem. Soc. 1995, Volume 142, Issue 6, P1742-1746)). Therefore, a lithium ion secondary battery can be constituted by sandwiching an electrolyte between two electrodes made of this compound. For example, Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-129474) discloses lithium in which first electrode layers and second electrode layers each including the same active material are alternately stacked via an electrolyte region. An ion secondary battery is disclosed, which describes that spinel lithium manganate can be used as an active material. In this document, an electrode layer is produced by simultaneously firing an Ag / Pd current collector and lithium manganate, but stable cycle characteristics are not obtained.
一方、特許文献3(特開2010−212260号公報)には、スピネル構造のマンガン酸リチウムからなる一次粒子と、ビスマスを含むビスマス化合物とを含む多数の結晶粒子を含有する正極活物質が開示されており、複数の一次粒子が平面的に連結されてなる二次粒子を更に含むのが好ましいとされている。一方、負極としてはリチウム金属板が用いられている。 On the other hand, Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-212260) discloses a positive electrode active material containing a large number of crystal particles including primary particles made of spinel lithium manganate and a bismuth compound containing bismuth. It is preferable to further include secondary particles in which a plurality of primary particles are connected in a plane. On the other hand, a lithium metal plate is used as the negative electrode.
本発明者らは、今般、主として二次元的に連結されてなる複数のスピネル型マンガン酸リチウム系単結晶粒子から構成される活物質板を備えた電極を両極に用いることにより、極性の識別が不要な極めて簡素な構成でありながら、向上したサイクル特性で双方向に充放電可能な無極性の蓄電素子を提供できるとの知見を得た。 The present inventors are now able to identify polarity by using an electrode including an active material plate mainly composed of a plurality of spinel type lithium manganate single crystal particles that are two-dimensionally connected to each other. It was found that a non-polar storage element capable of bidirectional charge and discharge with improved cycle characteristics can be provided while having an unnecessary and extremely simple configuration.
したがって、本発明の目的は、極性の識別が不要な極めて簡素な構成でありながら、向上したサイクル特性で双方向に充放電可能な無極性の蓄電素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a non-polar storage element that can be charged and discharged bidirectionally with improved cycle characteristics, while having a very simple configuration that does not require polarity identification.
本発明の一態様によれば、
集電層と、該集電層の少なくとも片面に設けられ、主として二次元的に連結されてなる複数のスピネル型マンガン酸リチウム系単結晶粒子から構成される活物質板とを備えた第一電極及び第二電極と、
前記第一電極及び前記第二電極の間で前記活物質板と接触可能に設けられ、リチウムイオン伝導性を有する電解質と、
を備えた蓄電素子が提供される。
According to one aspect of the invention,
A first electrode comprising: a current collecting layer; and an active material plate comprising a plurality of spinel type lithium manganate single crystal particles provided on at least one side of the current collecting layer and mainly connected two-dimensionally And a second electrode;
An electrolyte provided between the first electrode and the second electrode so as to be in contact with the active material plate and having lithium ion conductivity;
Is provided.
蓄電素子
図1に、本発明による蓄電素子の構成を模式的に示す。図1に示される蓄電素子10は、第一電極12、第二電極14及び電解質16を備えてなる。第一電極12は、集電層12aと、この集電層の少なくとも片面に設けられる活物質板12bとを備えてなる。同様に、第二電極14は、集電層14aと、この集電層の少なくとも片面に設けられる活物質板14bとを備えてなる。活物質板12b,14bは、主として二次元的に連結されてなる複数のスピネル型マンガン酸リチウム系単結晶粒子Sから構成される。電解質16は、第一電極12及び第二電極14の間で活物質板12b,14bと接触可能に設けられ、リチウムイオン伝導性を有する。なお、図1に示される電解質16は固体電解質であるが、電解液の形態であってもよい。
Storage Element FIG. 1 schematically shows the configuration of a storage element according to the present invention. A power storage device 10 shown in FIG. 1 includes a first electrode 12, a second electrode 14, and an electrolyte 16. The first electrode 12 includes a current collecting layer 12a and an active material plate 12b provided on at least one surface of the current collecting layer. Similarly, the second electrode 14 includes a current collecting layer 14a and an active material plate 14b provided on at least one surface of the current collecting layer. The active material plates 12b and 14b are mainly composed of a plurality of spinel type lithium manganate single crystal particles S that are two-dimensionally connected. The electrolyte 16 is provided between the first electrode 12 and the second electrode 14 so as to be in contact with the active material plates 12b and 14b, and has lithium ion conductivity. The electrolyte 16 shown in FIG. 1 is a solid electrolyte, but may be in the form of an electrolytic solution.
このように、第一電極12及び第二電極14は構成に相違は無く、荷電状態ないし印加電圧に応じて正負極いずれにも機能しうる無極性電極である。すなわち、リチウムイオンを吸蔵脱離可能な電極12,14を無極性電極として用い、リチウムイオン伝導性の電解質16と組み合わせることで、電極間電位差に応じてリチウムイオンが電極12,14間で双方向に移動可能となる。これは、第一電極12及び第二電極14における活物質板12b,14bを構成するスピネル型マンガン酸リチウムは、リチウムイオンの吸蔵により酸化還元電位が低下し、かつ、リチウムイオンの脱離により酸化還元電位が上昇する性質を有するからである。このようにリチウムイオンの吸蔵や脱離に応じて酸化還元電位が変化することで、充放電が可能となる。したがって、このような性質を有する両電極12,14間にリチウムイオン伝導性を有する電解質16を介在させることで正負極を問わずに双方向の充放電が可能となり、無極性蓄電素子としての機能が確保される。すなわち、充電においては、活物質基本組成に由来して当初はリチウムイオン量が等しい第一電極12及び第二電極14間に電圧が印加されると、高電位側の電極から固体電解質を経て低電位の電極にリチウムイオンが移動する結果、電荷が蓄積される。一方、放電においては、低電位側の電極から固体電解質を経て高電位の電極にリチウムイオンが移動する結果、両電極は等電位となり電位差はゼロとなる。そして、第一電極12及び第二電極14は構成に相違は無いので、逆方向に充電させた場合であっても同様の原理により電荷が蓄積されて放電される。 Thus, the first electrode 12 and the second electrode 14 have no difference in configuration, and are nonpolar electrodes that can function as either a positive electrode or a negative electrode depending on the charged state or applied voltage. That is, when the electrodes 12 and 14 capable of inserting and extracting lithium ions are used as nonpolar electrodes and combined with the lithium ion conductive electrolyte 16, the lithium ions are bidirectional between the electrodes 12 and 14 according to the potential difference between the electrodes. It becomes possible to move to. This is because the spinel type lithium manganate constituting the active material plates 12b and 14b in the first electrode 12 and the second electrode 14 has a reduction in redox potential due to occlusion of lithium ions and oxidation due to desorption of lithium ions. This is because the reduction potential increases. As described above, charging / discharging can be performed by changing the oxidation-reduction potential in accordance with insertion and extraction of lithium ions. Accordingly, by interposing the electrolyte 16 having lithium ion conductivity between the electrodes 12 and 14 having such properties, bidirectional charge / discharge can be performed regardless of the positive and negative electrodes, and the function as a nonpolar storage element is achieved. Is secured. That is, in charging, when a voltage is applied between the first electrode 12 and the second electrode 14 that are initially derived from the basic composition of the active material and have the same lithium ion content, the voltage is reduced from the high potential side electrode through the solid electrolyte. As a result of the movement of lithium ions to the potential electrode, charge is accumulated. On the other hand, in the discharge, lithium ions move from the low potential side electrode to the high potential electrode through the solid electrolyte. As a result, both electrodes become equipotential and the potential difference becomes zero. Since the first electrode 12 and the second electrode 14 have no difference in configuration, charges are accumulated and discharged according to the same principle even when charged in the opposite direction.
したがって、LiMn2O4なる活物質基本組成を想定した場合、第一電極の活物質板12bの組成がLi1−αMn2O4(式中0<α≦1である)で表されるとき、第二電極の活物質板14bの組成がLi1+αMn2O4と表され、第一電極の組成がLi1+αMn2O4(式中0<α≦1である)で表されるとき、第二電極の組成がLi1−αMn2O4と表されることができる。この表現を用いて上述の充放電を説明すると、まず、放電完了時における蓄電素子10の電位差Eは0であり(すなわち両電極は等しい平衡電位Eeqを有する)リチウムの増減量を示す係数αは第一電極12及び第二電極14共に同じ0である。そして、蓄電素子10が充電されると、第一電極12の平衡電位がEminと低下してリチウムイオンの供給及び挿入によりリチウム量が1+αに増加する一方、第二電極14の平衡電位がEmaxと上昇してリチウムイオンの脱離及び放出によりリチウム量が1−αに減少する結果、蓄電素子10には電位差E=Emax−Emin>0が生じる。なお、この充電とは逆方向に充電を行った場合には、先の充電の場合と第一電極12及び第二電極14における電位及びリチウム量の関係が逆転し、蓄電素子10には反対の電位差E=Emin−Emax<0が生じる。このように、本発明による蓄電素子10は無極性の極めて簡素な構成でありながら双方向に充放電可能である。特に、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)はLi2Mn2O4の組成になるまでリチウムを吸蔵できる一方、Mn2O4の組成になるまでLiを放出することができる点で、双方向の充放電に極めて適しているといえる。また、特許文献1にみられるような正負極間を短絡するような構成を採る必要も無いので、少ない損失で充放電可能である。その上、実装において極性の識別が不要となるので、製造コストや作業負荷も低減できる。 Therefore, assuming the active material basic composition of LiMn 2 O 4, the composition of the active material plate 12b of the first electrode is represented by Li 1−α Mn 2 O 4 (where 0 <α ≦ 1). The composition of the active material plate 14b of the second electrode is expressed as Li 1 + α Mn 2 O 4 and the composition of the first electrode is expressed as Li 1 + α Mn 2 O 4 (where 0 <α ≦ 1). Sometimes the composition of the second electrode can be expressed as Li 1-α Mn 2 O 4 . The above-described charging / discharging will be described using this expression. First, the potential difference E of the electric storage element 10 at the time of completion of discharge is 0 (that is, both electrodes have the same equilibrium potential E eq ). Are the same 0 for both the first electrode 12 and the second electrode 14. When the storage element 10 is charged, the equilibrium potential of the first electrode 12 decreases to E min and the amount of lithium increases to 1 + α by the supply and insertion of lithium ions, while the equilibrium potential of the second electrode 14 increases to E As a result of increasing to max and decreasing the amount of lithium to 1−α due to desorption and release of lithium ions, a potential difference E = E max −E min > 0 is generated in the power storage element 10. When charging is performed in the opposite direction to this charging, the relationship between the potential and the amount of lithium in the first electrode 12 and the second electrode 14 is reversed from that in the previous charging, and is opposite to the power storage element 10. A potential difference E = E min −E max <0 occurs. As described above, the power storage device 10 according to the present invention can be charged and discharged bidirectionally while having a very simple configuration with no polarity. In particular, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) is bi-directional in that it can occlude lithium until it has a composition of Li 2 Mn 2 O 4 , while it can release Li until it has a composition of Mn 2 O 4. It can be said that it is extremely suitable for charging and discharging. In addition, since it is not necessary to adopt a configuration in which the positive and negative electrodes are short-circuited as disclosed in Patent Document 1, it is possible to charge and discharge with little loss. In addition, since it is not necessary to identify the polarity in mounting, the manufacturing cost and workload can be reduced.
ここで、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)は、Liを取り込んでLi1+αMn2O4に変化する際及びLiを放出してLi1−αMn2O4に変化する際に、格子体積の変化量が大きいという特性を有する。とりわけ、Liを取り込んでLi1+αMn2O4に変化する際の格子体積の変化は、立方晶から正方晶への結晶構造変化をともなうため、特に大きい。このため、マンガン酸リチウム粉末が導電助材と混合された構造の従来型電極においては、充放電サイクルを重ねることで、活物質粉末と導電助材の接触不良(すなわち活物質と導電助剤が外れる)が起こり、放電容量が大きく低下するという問題がある。この点、本発明の蓄電素子において用いる活物質板12b,14bは、図1に示されるように、主として二次元的に連結されてなる複数のスピネル型マンガン酸リチウム系単結晶粒子Sから構成されている。この構成においては、集電層12a,14aに一端で結合してなる各単結晶粒子Sがその他端において電解質16と接触する。つまり、集電層12a,14aと電解質16は単層に配列された単結晶粒子Sを介してリチウムイオン伝導可能に接続されている。すなわち、活物質板12b,14bの厚さは、単結晶粒子Sの各々の厚さ方向の粒径と概ね一致する。その意味で、そのような複数ないし多数の単結晶粒子Sから構成される活物質板12b,14bは厚さ方向に粒子の重なりに起因する粒界が実質的に又は殆ど無い構造ということができ、リチウムイオン伝導の粒界による阻害が起こりにくい構造となっている。その上、本発明の構成においては、活物質板12b,14bを構成する殆ど全ての単結晶粒子Sが集電層12a,14aと(好ましくは焼結により)結合しているため、体積変化しても剥離しない。しかも、体積変化に起因して割れやすい粒界が電極に対して略垂直な方向に沿ってしか存在しないため、割れたとしても、集電層12a,14aと電解質16の間のリチウムイオン伝導パスが粒界で分断されることがなく、それ故、集電への影響がない。これらの種々の要因により、本発明の蓄電素子においては、極性の識別が不要な極めて簡素な構成でありながら、サイクル特性を大いに向上することができる。 Here, when lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) takes in Li and changes to Li 1 + α Mn 2 O 4 and releases Li and changes to Li 1−α Mn 2 O 4 , the lattice volume It has the characteristic that the amount of change of is large. In particular, the change in the lattice volume when taking in Li and changing to Li 1 + α Mn 2 O 4 is particularly large because it involves a change in crystal structure from cubic to tetragonal. For this reason, in a conventional electrode having a structure in which lithium manganate powder is mixed with a conductive additive, the contact failure between the active material powder and the conductive additive (that is, the active material and the conductive additive are reduced) by repeated charge / discharge cycles. There is a problem that the discharge capacity is greatly reduced. In this regard, the active material plates 12b and 14b used in the electricity storage device of the present invention are mainly composed of a plurality of spinel type lithium manganate single crystal particles S that are two-dimensionally connected as shown in FIG. ing. In this configuration, each single crystal particle S formed by bonding to the current collecting layers 12a and 14a at one end contacts the electrolyte 16 at the other end. That is, the current collecting layers 12a, 14a and the electrolyte 16 are connected through the single crystal particles S arranged in a single layer so that lithium ion conduction is possible. That is, the thicknesses of the active material plates 12b and 14b substantially coincide with the grain sizes in the thickness direction of the single crystal particles S. In that sense, it can be said that the active material plates 12b and 14b composed of such a plurality or a large number of single crystal particles S have a structure in which there is substantially or almost no grain boundary due to the overlapping of particles in the thickness direction. In this structure, lithium ion conduction is not easily inhibited by grain boundaries. In addition, in the configuration of the present invention, since almost all the single crystal particles S constituting the active material plates 12b and 14b are bonded to the current collecting layers 12a and 14a (preferably by sintering), the volume changes. Even if it does not peel. In addition, since a grain boundary that easily breaks due to the volume change exists only in a direction substantially perpendicular to the electrode, even if it breaks, the lithium ion conduction path between the current collecting layers 12a and 14a and the electrolyte 16 Is not divided at the grain boundaries, and therefore has no effect on current collection. Due to these various factors, the power storage device of the present invention can greatly improve the cycle characteristics while having a very simple configuration that does not require polarity identification.
第一電極及び第二電極
第一電極12は、集電層12aと、この集電層の少なくとも片面に設けられる活物質板12bとを備えてなる。同様に、第二電極14は、集電層14aと、この集電層の少なくとも片面に設けられる活物質板14bとを備えてなる。活物質板12b,14bはそれぞれ集電層12a,14aに焼結により結合されることで、体積変化に起因する剥離を確実に防止できるように構成されるのが好ましい。
The first electrode and the second electrode first electrode 12 include a current collecting layer 12a and an active material plate 12b provided on at least one surface of the current collecting layer. Similarly, the second electrode 14 includes a current collecting layer 14a and an active material plate 14b provided on at least one surface of the current collecting layer. The active material plates 12b and 14b are preferably configured to be surely prevented from being peeled off due to volume changes by being bonded to the current collecting layers 12a and 14a by sintering.
集電層12a,14aは、主として導電体からなる集電体の層であり、板、箔又は膜の形態でありうる。集電層の材質は、ステンレス、金、白金、パラジウム、銅、ニッケル、銀、およびそれらの合金等の導電体であって、活物質板12b,14bと同時に焼成一体化可能なものであるのが好ましいが、金属箔を加工したものであってもよい。集電層の材質は、金属に限られるものではなく、リチウムイオン伝導体と電子伝導体の複合物であってもよい。集電層12a,14aの寸法は特に限定されないが、厚さは単位面積当たりの集電容量の観点から、0.1〜20μmが好ましく、より好ましくは0.2〜10μm、さらに好ましくは1〜5μmである。 The current collection layers 12a and 14a are current collector layers mainly made of a conductor, and may be in the form of a plate, foil, or film. The material of the current collecting layer is a conductor such as stainless steel, gold, platinum, palladium, copper, nickel, silver, and alloys thereof, and can be integrally fired at the same time as the active material plates 12b and 14b. However, a metal foil may be processed. The material of the current collecting layer is not limited to metal, and may be a composite of lithium ion conductor and electron conductor. The dimensions of the current collecting layers 12a and 14a are not particularly limited, but the thickness is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.2 to 10 μm, and still more preferably 1 to 1 in terms of the current collecting capacity per unit area. 5 μm.
活物質板12b,14bは、主として二次元的に連結されてなる複数のスピネル型マンガン酸リチウム系単結晶粒子Sから構成される。この活物質板は、粒成長時に、結晶粒子の粒成長が活物質板の厚さまで達しないものがあるため、結晶粒子が重なり合う部分が局所的に存在しうるが、概して厚さ方向に結晶粒子を1個だけ含むものである。すなわち、活物質板12b,14bの厚さは、単結晶粒子Sの各々の厚さ方向の粒径と概ね一致する。その意味で、活物質板12b,14bは厚さ方向に粒子の重なりに起因する粒界が実質的に又は殆ど無い構造ということができる。この活物質板は、結晶粒子を1個だけ含む部分が、活物質板の面積割合で70%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましく、90%以上であることがさらに好ましく、理想的には約100%である。 The active material plates 12b and 14b are mainly composed of a plurality of spinel type lithium manganate single crystal particles S that are two-dimensionally connected. In this active material plate, there is a grain growth of crystal particles that does not reach the thickness of the active material plate during grain growth. Is included. That is, the thicknesses of the active material plates 12b and 14b substantially coincide with the grain sizes in the thickness direction of the single crystal particles S. In that sense, it can be said that the active material plates 12b and 14b have a structure in which there is substantially or almost no grain boundary due to particle overlap in the thickness direction. In this active material plate, the portion containing only one crystal particle is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and more preferably 90% or more in terms of the area ratio of the active material plate. Preferably, it is about 100% ideally.
スピネル型マンガン酸リチウム系単結晶粒子Sは、リチウムとマンガンを構成元素として含むスピネル構造のマンガン酸リチウム系化合物からなる粒子であり、複数ないし多数の単結晶粒子Sが主として二次元的に連結されてなることで一枚の活物質板12b,14bを構成する。このような形態の活物質は正極活物質としては公知のものであり、例えば前述した特許文献3においても正極活物質として開示されている。しかしながら、本発明においては活物質板12b,14bは荷電状態ないし印加電圧に応じて正負極いずれにも機能しうる無極性電極を構成する。 The spinel type lithium manganate single crystal particle S is a particle made of a spinel structure lithium manganate compound containing lithium and manganese as constituent elements, and a plurality of single crystal particles S are mainly connected two-dimensionally. Thus, one active material plate 12b, 14b is formed. The active material in such a form is known as a positive electrode active material, and is disclosed as a positive electrode active material in, for example, Patent Document 3 described above. However, in the present invention, the active material plates 12b and 14b constitute nonpolar electrodes that can function as either positive or negative electrodes according to the charged state or applied voltage.
活物質板12b,14bを構成する単結晶粒子Sは、マンガン酸リチウム系化合物からなる。本発明においてマンガン酸リチウム系化合物は、スピネル構造を有する限り、マンガン酸リチウムの基本組成LiMn2O4又はこれに類する組成を有する化合物であることができる。具体的には、単結晶粒子Sは、一般式:
LiMxMn2−xO4 (1)
(式中、Mは、Li、Fe、Ni、Mg、Zn、Al、Co、Cr、Si、Sn、P、V、Sb、Nb、Ta、Mo及びWからなる群より選択される少なくとも一種の置換元素であり、前記少なくとも一種の元素と共にTi、Zr及びCeからなる群から選択される少なくとも一種が更に含んでいてもよく、0≦x<0.55、好ましくは0<x<0.4、より好ましくは0.05<x<0.15である)
で表される組成を有するのが好ましい。これは、Liは+1価、Fe、Mn、Ni、Mg及びZnは+2価、B、Al、Co及びCrは+3価、Si、Ti、Sn、Zr及びCeは+4価、P、V、Sb、Nb及びTaは+5価、Mo及びWは+6価のイオンとなり、いずれの元素も、理論上はLiMn2O4中に固溶するものであるからである。なお、Co及びSnについては+2価の場合、Fe、Sb及びTiについては+3価の場合、Mnについては+3価又は+4価の場合、Crについては+4価又は+6価の場合もあり得る。従って、置換元素Mは混合原子価を有する状態で存在する場合がある。また、酸素については、必ずしも上記の化学式で表されることを必須とせず、結晶構造を維持するための範囲内で欠損して又は過剰に存在していてもよい。
The single crystal particles S constituting the active material plates 12b and 14b are made of a lithium manganate compound. In the present invention, the lithium manganate-based compound may be a compound having a basic composition LiMn 2 O 4 of lithium manganate or a similar composition as long as it has a spinel structure. Specifically, the single crystal particle S has a general formula:
LiM x Mn 2-x O 4 (1)
(Wherein, M is at least one selected from the group consisting of Li, Fe, Ni, Mg, Zn, Al, Co, Cr, Si, Sn, P, V, Sb, Nb, Ta, Mo and W. It is a substitution element, and may contain at least one selected from the group consisting of Ti, Zr and Ce together with the at least one element, and 0 ≦ x <0.55, preferably 0 <x <0.4. More preferably 0.05 <x <0.15)
It is preferable to have a composition represented by: This is because Li is +1 valence, Fe, Mn, Ni, Mg and Zn are +2 valence, B, Al, Co and Cr are +3 valence, Si, Ti, Sn, Zr and Ce are +4 valence, P, V, Sb This is because Nb and Ta become +5 valence, and Mo and W become +6 valent ions, and both elements are theoretically dissolved in LiMn 2 O 4 . In addition, Co and Sn may be +2 valence, Fe, Sb and Ti may be +3 valence, Mn may be +3 or +4 valence, and Cr may be +4 or +6 valence. Therefore, the substitution element M may exist in a state having a mixed valence. In addition, oxygen is not necessarily represented by the above chemical formula, and may be deficient or excessive in the range for maintaining the crystal structure.
一般式(1)においてMnをLiで置換した場合(Li過剰の場合)には、マンガン酸リチウム系化合物の化学式は、Li(1+x)Mn(2−x)O4となる。なお、xの値は、0.05〜0.15であることが好ましい。xの値が0.05以上であると、MnをLiで置換したことによるサイクル特性の向上の効果が十分に得られる。また、格子歪(η)の値が小さくてもサイクル特性の低下を回避できる。一方、xの値が0.15以下であると、初期容量を例えば100mAh/g以上と大きくすることができる。 When Mn is substituted with Li in the general formula (1) (when Li is excessive), the chemical formula of the lithium manganate compound is Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 . Note that the value of x is preferably 0.05 to 0.15. When the value of x is 0.05 or more, the effect of improving the cycle characteristics due to the replacement of Mn with Li is sufficiently obtained. Moreover, even if the value of the lattice strain (η) is small, the deterioration of the cycle characteristics can be avoided. On the other hand, when the value of x is 0.15 or less, the initial capacity can be increased to, for example, 100 mAh / g or more.
一方、一般式(1)においてMnをLi以外の置換元素Mで置換した場合には、Li/Mn比は、1/(2−X)(即ち、Li/Mn比>0.5)となる。Li/Mn>0.5の関係を満たすマンガン酸リチウムを用いると、LiMn2O4で表される化学式のマンガン酸リチウムを用いた場合に比して結晶構造が更に安定化されるため、より高温でのサイクル特性に優れたリチウム二次電池を製造することができる。 On the other hand, when Mn is substituted with a substitution element M other than Li in the general formula (1), the Li / Mn ratio is 1 / (2-X) (that is, the Li / Mn ratio> 0.5). . When lithium manganate satisfying the relationship of Li / Mn> 0.5 is used, the crystal structure is further stabilized as compared with the case where lithium manganate having a chemical formula represented by LiMn 2 O 4 is used. A lithium secondary battery having excellent cycle characteristics at high temperatures can be produced.
単結晶粒子Sは、全Mnの25〜55mol%が、Ni、Co、Fe、Cu、Cr等で置換されたマンガン酸リチウム系化合物(例えば、LiNi0.5Mn1.5O4)からなる粒子であってもよい。このようなマンガン酸リチウム系化合物を用いることにより、得られる正極活物質は、高温サイクル特性が改善されたリチウム二次電池を製造可能な正極活物質であるだけでなく、充放電電位を高くして、エネルギー密度を増加させることができるため、いわゆる5V級の起電力を有するリチウム二次電池を製造することができる。 The single crystal particle S is composed of a lithium manganate compound (for example, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ) in which 25 to 55 mol% of the total Mn is substituted with Ni, Co, Fe, Cu, Cr, or the like. It may be a particle. By using such a lithium manganate compound, the obtained positive electrode active material is not only a positive electrode active material capable of producing a lithium secondary battery with improved high-temperature cycle characteristics, but also has a high charge / discharge potential. Since the energy density can be increased, a lithium secondary battery having a so-called 5V class electromotive force can be manufactured.
活物質板12b,14bは、ビスマス化合物を含みうる。ビスマス化合物に含まれるビスマスの含有割合は、マンガン酸リチウム系化合物に含まれるマンガンに対して、0.005〜0.5mol%であり、0.01〜0.2mol%であることが好ましく、0.01〜0.1mol%であることが更に好ましい。0.005mol%以上であると、高温でのサイクル特性に優れる。一方、0.5mol%以下であると、初期容量の低下を回避できる。なお、ビスマスの含有割合は、ICP(誘導結合プラズマ)発光分光分析装置(商品名「ULTIMA2」、堀場製作所社製)を用いて、リチウム、マンガン、ビスマスを定量し、その定量結果に基づいて算出することができる。ビスマス化合物の例としては、酸化ビスマスや、ビスマスとマンガンの化合物等が挙げられるが、ビスマスとマンガンの化合物であることが好ましい。ビスマスとマンガンの化合物の例としては、Bi2Mn4O10やBi12MnO20の化学式で表される化合物が挙げられる。これらの中でも、Bi2Mn4O10の化学式で表される化合物が特に好ましい。なお、ビスマス化合物は、X線回折測定(以下、「XRD測定」ともいう)又は電子線マイクロアナリシス(以下、「EPMA測定」ともいう)により同定することができる。ビスマス化合物、とりわけビスマスとマンガンの化合物が、単結晶粒子の表面又は複数の単結晶粒子が相互に連結する粒界部からのMnの溶出を抑制し、サイクル特性を向上させる効果があると推察される。そのため、ビスマス化合物は、単結晶粒子の表面及び複数の単結晶粒子が相互に連結する粒界部のいずれかに存在することが好ましい。なお、ビスマス化合物は、例えば、電子顕微鏡(商品名「JSM−6390」、日本電子社製)を用いてその存在を確認することができる。 The active material plates 12b and 14b may contain a bismuth compound. The content ratio of bismuth contained in the bismuth compound is 0.005 to 0.5 mol%, preferably 0.01 to 0.2 mol%, based on manganese contained in the lithium manganate compound. More preferably, it is 0.01-0.1 mol%. When it is 0.005 mol% or more, the cycle characteristics at high temperatures are excellent. On the other hand, when it is 0.5 mol% or less, a decrease in the initial capacity can be avoided. The content ratio of bismuth is calculated based on the result of quantitative determination of lithium, manganese, and bismuth using an ICP (inductively coupled plasma) emission spectrometer (trade name “ULTIMA2”, manufactured by HORIBA, Ltd.). can do. Examples of the bismuth compound include bismuth oxide and a compound of bismuth and manganese, and a compound of bismuth and manganese is preferable. Examples of bismuth and manganese compounds include compounds represented by the chemical formulas of Bi 2 Mn 4 O 10 and Bi 12 MnO 20 . Among these, a compound represented by the chemical formula of Bi 2 Mn 4 O 10 is particularly preferable. The bismuth compound can be identified by X-ray diffraction measurement (hereinafter also referred to as “XRD measurement”) or electron beam microanalysis (hereinafter also referred to as “EPMA measurement”). It is speculated that bismuth compounds, especially bismuth and manganese compounds, have the effect of improving the cycle characteristics by suppressing the elution of Mn from the surface of single crystal particles or from grain boundaries where a plurality of single crystal particles are interconnected. The Therefore, it is preferable that the bismuth compound exists in either the surface of the single crystal particle and the grain boundary part where the plurality of single crystal particles are connected to each other. The presence of the bismuth compound can be confirmed using, for example, an electron microscope (trade name “JSM-6390”, manufactured by JEOL Ltd.).
活物質板12b,14bは、典型的には板状の形状を有し、その寸法は特に限定されないが、厚さは、単位面積当りの活物質容量の観点から、0.1〜300μmが好ましく、より好ましくは10〜200μm、さらに好ましくは20〜100μmである。 The active material plates 12b and 14b typically have a plate shape and the dimensions thereof are not particularly limited, but the thickness is preferably 0.1 to 300 μm from the viewpoint of the active material capacity per unit area. More preferably, it is 10-200 micrometers, More preferably, it is 20-100 micrometers.
本発明の好ましい態様によれば、図1に示されるように、集電層12a,14aの片面にのみ活物質板12b,14bが設けられ、それにより集電層が外部集電層として構成されてなる。このような外部集電層付き電極は、図1に示されるような単位セル型の蓄電素子10や後述する図2に示されるような積層型蓄電素子20の外表面に位置する電極として適する。 According to a preferred embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, the active material plates 12b and 14b are provided only on one side of the current collecting layers 12a and 14a, whereby the current collecting layer is configured as an external current collecting layer. It becomes. Such an electrode with an external current collecting layer is suitable as an electrode located on the outer surface of a unit cell type power storage element 10 as shown in FIG. 1 or a stacked type power storage element 20 as shown in FIG. 2 described later.
本発明の別の好ましい態様によれば、第一電極及び第二電極の少なくともいずれか一方の集電層の両面に活物質板が設けられ、それにより集電層が内部集電層として構成されてもよい。例えば、後述する図2の蓄電素子20に示されるように、集電層12a’の両面に2枚の活物質板12b’,12b’が設けられ、かつ、集電層14a’の両面に2枚の活物質板14b’,14b’が設けられ、それにより各集電層12a’,14a’が内部集電層として構成されてもよい。このような内部集電層付き電極12’,14’は、図2に示されるような積層型蓄電素子20の内部に位置する電極として適する。 According to another preferred embodiment of the present invention, active material plates are provided on both sides of the current collecting layer of at least one of the first electrode and the second electrode, whereby the current collecting layer is configured as an internal current collecting layer. May be. For example, as shown in a power storage element 20 of FIG. 2 to be described later, two active material plates 12b ′ and 12b ′ are provided on both sides of the current collecting layer 12a ′, and 2 on both sides of the current collecting layer 14a ′. One active material plate 14b ′, 14b ′ may be provided, whereby each of the current collecting layers 12a ′, 14a ′ may be configured as an internal current collecting layer. Such electrodes 12 ′ and 14 ′ with an internal current collecting layer are suitable as electrodes positioned inside the stacked storage element 20 as shown in FIG. 2.
内部集電層は少なくとも1つの開口部を有し、開口部がスピネル型マンガン酸リチウム系単結晶粒子で充填されてなるものであってもよく、これにより開口部を通じて単結晶粒子が結合しているので、集電層との密着性をより一層向上することができる。したがって、開口部は集電層の全域にわたって複数ないし多数点在しているのが好ましい。また、この開口部を備えた内部集電層付き電極は、開口部内に充填される単結晶粒子を介して両面間でリチウムイオンが移動可能に構成されているため、単位セル型蓄電素子及び積層型蓄電素子を問わず、蓄電素子の外表面に位置する電極としても利用可能である。このような開口部の形状は特に限定されず、格子状、メッシュ状、無数の微細孔を有する構造等であることができるが、好ましくは格子状である。開口部には活物質が充填される必要があるところ、格子状にすれば、活物質の充填が容易にできることに加え、集電体の平坦性も確保しやすく、電極間距離が一定となり、電界集中が生じにくくなる。 The internal current collecting layer may have at least one opening, and the opening may be filled with spinel type lithium manganate single crystal particles, whereby the single crystal particles are bonded through the opening. Therefore, the adhesiveness with the current collecting layer can be further improved. Therefore, it is preferable that a plurality or a plurality of openings are scattered throughout the current collecting layer. In addition, the electrode with the internal current collecting layer provided with the opening is configured so that lithium ions can move between both surfaces via the single crystal particles filled in the opening. Regardless of the type of storage element, it can also be used as an electrode located on the outer surface of the storage element. The shape of such an opening is not particularly limited, and may be a lattice shape, a mesh shape, a structure having innumerable fine holes, or the like, but is preferably a lattice shape. Where the openings need to be filled with an active material, the grid shape makes it easy to fill the active material, as well as ensuring the flatness of the current collector, making the distance between the electrodes constant, Electric field concentration is less likely to occur.
電解質
電解質16はリチウムイオン伝導性を有する電解質であり、図1に示されるように固体電解質であってもよいし、電解質が溶解された電解液の形態であってもよい。例えば、電気特性や取り扱い易さから、有機溶媒等の非水系溶媒にリチウム塩等の電解質塩を溶解させた、非水溶媒系の電解液が好適に用いられる。もっとも、ポリマー電解質、ゲル電解質、有機固体電解質、又は無機固体電解質も電解質として問題なく用いることができる。例えば、無機固体電解質を用いることで、液漏れが無く安全性の高い全固体蓄電素子を構成することができる。また、起電力が1.2V以下である場合には、水溶液系の電解質も用いることができる。
The electrolyte electrolyte 16 is an electrolyte having lithium ion conductivity, and may be a solid electrolyte as shown in FIG. 1 or an electrolyte solution in which the electrolyte is dissolved. For example, a non-aqueous solvent based electrolyte in which an electrolyte salt such as a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent such as an organic solvent is preferably used because of its electrical characteristics and ease of handling. However, a polymer electrolyte, a gel electrolyte, an organic solid electrolyte, or an inorganic solid electrolyte can also be used without any problem as an electrolyte. For example, by using an inorganic solid electrolyte, it is possible to configure an all-solid power storage element that does not leak and has high safety. When the electromotive force is 1.2 V or less, an aqueous electrolyte can also be used.
非水電解液の溶媒としては、特に限定されないが、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピオンカーボネート等の鎖状エステル;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の誘電率の高い環状エステル;鎖状エステルと環状エステルの混合溶媒;等を用いることができ、鎖状エステルを主溶媒とした環状エステルとの混合溶媒が特に適している。 The solvent for the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, but for example, chain esters such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and methyl propion carbonate; dielectric constants such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate High cyclic esters; mixed solvents of chain esters and cyclic esters; and the like, and mixed solvents with cyclic esters having chain esters as the main solvent are particularly suitable.
非水電解液の調製にあたって上述の溶媒に溶解させる電解質塩としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(RfSO2)(Rf′SO2)、LiC(RfSO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≧2)、LiN(RfOSO2)2(式中、Rf及びRf′はフルオロアルキル基である)等を用いることができる。これらは、それぞれ単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。上述の電解質塩の中でも、炭素数2以上の含フッ素有機リチウム塩が特に好ましい。この含フッ素有機リチウム塩は、アニオン性が大きく且つイオン分離しやすいので、上述の溶媒に溶解し易いからである。非水電解液中における電解質塩の濃度は、特に限定されないが、例えば、0.3mol/l以上が好ましく、より好ましくは0.4mol/l以上であって、1.7mol/l以下、より好ましくは1.5mol/l以下である。 As the electrolyte salt to be dissolved in the solvent described above when the preparation of the non-aqueous electrolyte, for example, LiClO 4, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiSbF 6, LiCF 3 SO 3, LiC 4 F 9 SO 3, LiCF 3 CO 2 , Li 2 C 2 F 4 (SO 3 ) 2 , LiN (RfSO 2 ) (Rf′SO 2 ), LiC (RfSO 2 ) 3 , LiC n F 2n + 1 SO 3 (n ≧ 2), LiN (RfOSO 2 ) 2 (wherein Rf and Rf ′ are fluoroalkyl groups) and the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among the above electrolyte salts, a fluorine-containing organic lithium salt having 2 or more carbon atoms is particularly preferable. This is because the fluorine-containing organic lithium salt is highly anionic and easily separates ions, and thus is easily dissolved in the above-mentioned solvent. The concentration of the electrolyte salt in the nonaqueous electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably 0.3 mol / l or more, more preferably 0.4 mol / l or more, and more preferably 1.7 mol / l or less. Is 1.5 mol / l or less.
無機固体電解質の好ましい例としては、ガーネット系セラミックス材料、窒化物系セラミックス材料、ペロブスカイト系セラミックス材料、硫化物系セラミックス材料及びリン酸系セラミックス材料、ゼオライト系材料からなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。ガーネット系セラミックス材料の例としては、Li−La−Zr−O系材料(具体的には、Li7La3Zr2O12など)、Li−La−Ta−O系材料(具体的には、Li7La3Ta2O12など)が挙げられ、特許文献4〜6に記載されているものも用いることができる。窒化物系セラミックス材料の例としては、Li3N、LiPONなどが挙げられる。ペロブスカイト系セラミックス材料の例としては、Li−La−Zr−O系材料(具体的には、LiLa1−xTixO3(0.04≦x≦0.14)など)が挙げられる。硫化物系セラミックス材料の例としては、Li2S−P2S5、Li2S−P2S3、Li2S−P2S3−P2S5、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−SiS2−P2S5、Li2S−SiS2−Li4SiO4、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li3PS4−Li4GeS4、Li3.4P0.6Si0.4S4、Li3.25P0.25Ge0.76S4、Li4−xGe1−xPxS4、Li7P3S11等が挙げられる。リン酸系セラミックス材料の例としては、Li−Al−Ti−P−O,Li−Al−Ge−P−O、及びLi−Al−Ti−Si−P−O(具体的には、Li1+x+yAlxTi2−xSiyP3−yO12(0≦x≦0.4、0<y≦0.6)など)が挙げられる。 Preferred examples of the inorganic solid electrolyte include at least one selected from the group consisting of garnet ceramic materials, nitride ceramic materials, perovskite ceramic materials, sulfide ceramic materials, phosphate ceramic materials, and zeolite materials. Can be mentioned. Examples of garnet ceramic material, Li-La-Zr-O-based material (specifically, such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ), the Li-La-Ta-O-based material (specifically, Li 7 La 3 Ta 2 O 12 etc.) can be used, and those described in Patent Documents 4 to 6 can also be used. Examples of nitride ceramic materials include Li 3 N, LiPON, and the like. Examples of the perovskite-based ceramic material include Li-La-Zr-O-based materials (specifically, LiLa 1-x Ti x O 3 (0.04 ≦ x ≦ 0.14) and the like). Examples of sulfide-based ceramic materials include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 3 , Li 2 S—P 2 S 3 —P 2 S 5 , Li 2 S—SiS 2 , LiI. -Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5, Li 2 S-SiS 2 -Li 4 SiO 4, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4, Li 3 PS 4 -Li 4 GeS 4, Li 3.4 P 0.6 Si 0.4 S 4, Li 3.25 P 0.25 Ge 0.76 S 4, Li 4-x Ge 1-x P x S 4 , Li 7 P 3 S 11 and the like. Examples of phosphoric acid-based ceramic materials include Li-Al-Ti-PO, Li-Al-Ge-PO, and Li-Al-Ti-Si-PO (specifically, Li 1 + x + y al x Ti 2-x Si y P 3-y O 12 (0 ≦ x ≦ 0.4,0 <y ≦ 0.6) , and the like).
特に好ましいリチウムイオン伝導性無機固体電解質は、ガーネット系セラミックス材料である。とりわけ、Li、La、Zr及びOを含んで構成されるガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有する酸化物焼結体が、焼結性に優れて緻密化しやすく、かつ、イオン伝導率も高いことから好ましい。この種の組成のガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造はLLZ結晶構造と呼ばれ、CSD(Cambridge Structural Database)のX線回折ファイルNo.422259(Li7La3Zr2O12)に類似のXRDパターンを有する。なお、No.422259と比較すると構成元素が異なり、またセラミックス中のLi濃度などが異なる可能性があるため、回折角度や回折強度比が異なる場合もある。Laに対するLiのモル数の比Li/Laは2.0以上2.5以下であることが好ましく、Laに対するZrのモル比Zr/Laは0.5以上0.67以下であるのが好ましい。このガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造はNb及び/又はTaをさらに含んで構成されるものであってもよい。すなわち、LLZのZrの一部がNb及びTaのいずれか一方又は双方で置換されることにより、置換前に比べて伝導率を向上させることができる。ZrのNb及び/又はTaによる置換量(モル比)は、(Nb+Ta)/Laのモル比が0.03以上0.20以下となる量にすることが好ましい。また、このガーネット系酸化物焼結体はAl及び/又はMgをさらに含んでいるのが好ましく、これらの元素は結晶格子に存在してもよいし、結晶格子以外に存在していてもよい。Alの添加量は焼結体の0.01〜1質量%とするのが好ましく、Laに対するAlのモル比Al/Laは、0.008〜0.12であるのが好ましい。Mgの添加量は0.01〜1質量%以上が好ましく、より好ましくは0.05〜0.30質量%である。Laに対するMgのモル比Mg/Laは、0.0016〜0.07であるのが好ましい。このようなLLZ系セラミックスの製造は、特許文献4〜6に記載されるような公知の手法に従って又はそれを適宜修正することにより行うことができる。 A particularly preferable lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is a garnet-based ceramic material. In particular, an oxide sintered body having a garnet type or a garnet type-like crystal structure containing Li, La, Zr and O is excellent in sinterability and easily densified, and has high ionic conductivity. Therefore, it is preferable. A garnet-type or garnet-like crystal structure of this type of composition is called an LLZ crystal structure, and is referred to as an X-ray diffraction file No. of CSD (Cambridge Structural Database). It has an XRD pattern similar to 422259 (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ). In addition, No. Compared to 422259, the constituent elements are different and the Li concentration in the ceramics may be different, so the diffraction angle and the diffraction intensity ratio may be different. The molar ratio Li / La of Li to La is preferably 2.0 or more and 2.5 or less, and the molar ratio Zr / La to La is preferably 0.5 or more and 0.67 or less. This garnet-type or garnet-like crystal structure may further comprise Nb and / or Ta. That is, by replacing a part of Zr of LLZ with one or both of Nb and Ta, the conductivity can be improved as compared with that before the substitution. The substitution amount (molar ratio) of Zr with Nb and / or Ta is preferably set such that the molar ratio of (Nb + Ta) / La is 0.03 or more and 0.20 or less. The garnet-based oxide sintered body preferably further contains Al and / or Mg, and these elements may exist in the crystal lattice or may exist in other than the crystal lattice. The addition amount of Al is preferably 0.01 to 1% by mass of the sintered body, and the molar ratio Al / La to La is preferably 0.008 to 0.12. The addition amount of Mg is preferably 0.01 to 1% by mass or more, and more preferably 0.05 to 0.30% by mass. It is preferable that the molar ratio Mg / La of Mg to La is 0.0016 to 0.07. Such LLZ-based ceramics can be manufactured according to a known technique as described in Patent Documents 4 to 6, or by appropriately modifying it.
固体電解質16は典型的には板状の形状を有し、その寸法は特に限定されないが、厚さは充放電レート特性と機械的強度の観点から、0.005〜5mmが好ましく、より好ましくは0.01〜2mm、さらに好ましくは0.05〜1mmであり、板面の大きさは充放電容量と機械的強度の観点から、0.2mm×0.2mm〜500mm×500mmが好ましく、より好ましくは0.5mm×0.5mm〜200mm×200mmである。 The solid electrolyte 16 typically has a plate-like shape, and its dimensions are not particularly limited, but the thickness is preferably 0.005 to 5 mm, more preferably from the viewpoint of charge / discharge rate characteristics and mechanical strength. 0.01 to 2 mm, more preferably 0.05 to 1 mm, and the size of the plate surface is preferably 0.2 mm × 0.2 mm to 500 mm × 500 mm, more preferably from the viewpoint of charge / discharge capacity and mechanical strength. Is 0.5 mm × 0.5 mm to 200 mm × 200 mm.
積層型蓄電素子
図1に示される蓄電素子10は一対の第一電極12及び第二電極14を有する単位セル型の蓄電素子の例であるが、複数個の蓄電素子が集電体を介して複数個積層されたような、積層型の蓄電素子として構成されてもよい。例えば、図2に示されるように、第一電極12及び第二電極14の少なくともいずれか一方(図2では両方)が複数枚設けられ、第一電極12,12’及び第二電極14,14’が電解質16を介して交互に積層されてなり、少なくとも蓄電素子20の内部に位置する電極12’,14’は、集電層12a’,14a’の両面に活物質板12b’,14b’が設けられ、それにより集電層12a’,14a’が内部集電層として構成されてなるのが好ましい。この場合、内部集電層12a’,14a’が少なくとも1つの開口部を有し、開口部がスピネル型マンガン酸リチウム系単結晶粒子で充填されてなるように構成してもよい。蓄電素子20において、外表面に位置する電極12,14は、集電層12a,14aの片面にのみ活物質板12b,14bが設けられ、それにより集電層12a,14aが外部集電層として構成されてなるが、開口部を備えた内部集電層付き電極を積層型蓄電素子20の外表面に位置する電極としても使用することも可能である。これは、開口部内に充填される単結晶粒子(活物質)を介して両面間でリチウムイオンが移動可能に構成されているためである。
Power storage device 10 shown in stacked battery device Figure 1 shows an example of a storage element of the unit cell type having a first electrode 12 and the second electrode 14 of the pair, a plurality of the storage element via the collector You may be comprised as a laminated | stacked electrical storage element in which two or more were laminated | stacked. For example, as shown in FIG. 2, a plurality of at least one of the first electrode 12 and the second electrode 14 (both in FIG. 2) are provided, and the first electrode 12, 12 ′ and the second electrode 14, 14 are provided. 'Are alternately stacked via the electrolyte 16, and at least the electrodes 12 ′ and 14 ′ located inside the electricity storage device 20 have active material plates 12 b ′ and 14 b ′ on both surfaces of the current collecting layers 12 a ′ and 14 a ′. It is preferable that the current collecting layers 12a ′ and 14a ′ are configured as internal current collecting layers. In this case, the internal current collecting layers 12a ′ and 14a ′ may have at least one opening, and the opening may be filled with spinel type lithium manganate single crystal particles. In the electricity storage element 20, the electrodes 12 and 14 located on the outer surface are provided with the active material plates 12b and 14b only on one side of the current collecting layers 12a and 14a, whereby the current collecting layers 12a and 14a serve as external current collecting layers. Although configured, an electrode with an internal current collecting layer having an opening can also be used as an electrode positioned on the outer surface of the stacked power storage element 20. This is because lithium ions can move between both surfaces via single crystal particles (active material) filled in the opening.
このような積層構造とすることで、複数の単位セルが直列又は並列に接続された積層セルを構築することができる。直列で接続される場合、集電体12a’を挟んで対向する活物質板12b’,12b’と集電体14a’を挟んで対向する活物質板14b’,14b’はそれぞれ集電体12a’,14a’によってイオン的に絶縁、すなわちリチウムイオンの通過が遮断されるように隔離されて構成されるのが好ましく、この構成は、例えばピンホール等の欠陥が無くなる程度に厚くする集電層を形成することにより実現可能である。このように複数ないし多数の単位セルを直列に配線することで高い電圧を取り出せる蓄電素子が得られる。一方、並列で接続される場合、活物質板12b’/集電層12a’/活物質板12b’の組み合わせ、及び活物質板14b’/集電層14a’/活物質板14b’の組合せがそれぞれ実質的に一つの第一電極12’及び第二電極14’として機能しうる。この場合、実効的に、集電層両主面に配設された活物質板の総厚みとして電極は働くため、蓄電素子の充放電容量は低下しないことになる。また、実効的に働く電極(活物質板)の厚みを薄くできるので、充放電レートが向上しうる。その上、活物質板が薄くなっても、内部集電層に把持され、かつ集電層両主面に配設されるため、電極としての機械的強度は向上しうる。 With such a stacked structure, a stacked cell in which a plurality of unit cells are connected in series or in parallel can be constructed. When connected in series, the active material plates 12b ′ and 12b ′ facing each other with the current collector 12a ′ interposed therebetween and the active material plates 14b ′ and 14b ′ facing each other across the current collector 14a ′ are respectively connected to the current collector 12a. It is preferable that the insulating layer is ionically insulated by ', 14a', that is, isolated so as to block the passage of lithium ions, and this configuration has a current collecting layer that is thick enough to eliminate defects such as pinholes. It can be realized by forming. As described above, a power storage element capable of extracting a high voltage can be obtained by wiring a plurality or many unit cells in series. On the other hand, when connected in parallel, the combination of active material plate 12b ′ / current collecting layer 12a ′ / active material plate 12b ′ and active material plate 14b ′ / current collecting layer 14a ′ / active material plate 14b ′ Each can function as substantially one first electrode 12 ′ and second electrode 14 ′. In this case, since the electrode works effectively as the total thickness of the active material plates disposed on both main surfaces of the current collecting layer, the charge / discharge capacity of the power storage element does not decrease. Moreover, since the thickness of the electrode (active material plate) that works effectively can be reduced, the charge / discharge rate can be improved. Moreover, even if the active material plate is thinned, the mechanical strength as an electrode can be improved because it is held by the internal current collecting layer and disposed on both main surfaces of the current collecting layer.
製造方法
本発明による蓄電素子はいかなる方法により製造されたものであってもよい。例えば、無機固体電解質を用いた全固体蓄電素子の製造は、(a)いずれもセラミックス焼結体からなる、集電層12a、活物質板12b、固体電解質16、活物質板14b及び集電層14aを積層して積層体を得る工程と、(b)この積層体に加熱及び加圧を同時に施して固相反応により一体化させる工程とを含む方法により行うことができる。このように、本態様に用いられる活物質板及び固体電解質はいずれもセラミックス焼結体で構成されるため、圧粉体、グリーンシート及び気相合成薄膜ではない。本態様の方法では、このセラミックス焼結体からなる第一電極12/固体電解質16/第二電極14の積層体に加熱及び加圧を同時に施すことで、第一電極12、固体電解質16及び第二電極14を固相反応により一体化させることができる。このセラミックス焼結体同士の接合は、グリーンシートの積層で必要とされるような粉末同士の焼結を要しないので、加圧下にて比較的低温で行うことが可能であり、その結果、焼結温度等の極めて高い温度域において高活性の異種粉末間で起こりうる高抵抗な反応層の生成を抑制することができる。その上、同時加熱及び加圧により得られる複合体の接合界面の密着性は驚くほど高い。このように、本態様の方法によれば、比較的低温での接合を可能にして界面における高抵抗な反応層の生成を抑制するとともに、界面における電極及び固体電解質の密着性を高めて接合面積を最大化することができる。このような特徴を有する電極/固体電解質/電極複合体を用いることで、薄型でありながら極めて高い容量の全固体蓄電素子の提供が可能となる。
Manufacturing Method The power storage device according to the present invention may be manufactured by any method. For example, the manufacture of an all-solid-state electricity storage device using an inorganic solid electrolyte includes: (a) a current collecting layer 12a, an active material plate 12b, a solid electrolyte 16, an active material plate 14b, and a current collecting layer, all made of a ceramic sintered body. It can be performed by a method including a step of laminating 14a to obtain a laminated body, and (b) a step of simultaneously applying heat and pressure to the laminated body and integrating them by solid phase reaction. As described above, since the active material plate and the solid electrolyte used in this embodiment are both composed of a ceramic sintered body, they are not a green compact, a green sheet, and a vapor-phase synthetic thin film. In the method of this aspect, the first electrode 12, the solid electrolyte 16, and the first electrode 12, the solid electrolyte 16, and the second electrode 14 made of the ceramic sintered body are simultaneously heated and pressurized. The two electrodes 14 can be integrated by a solid phase reaction. The bonding between the sintered ceramics does not require the sintering of the powders as required for the lamination of the green sheets, and can be performed at a relatively low temperature under pressure. It is possible to suppress the formation of a high-resistance reaction layer that can occur between different types of highly active powders in an extremely high temperature range such as a sintering temperature. Moreover, the adhesion of the composite interface obtained by simultaneous heating and pressing is surprisingly high. As described above, according to the method of this aspect, bonding at a relatively low temperature is enabled to suppress the formation of a high-resistance reaction layer at the interface, and the adhesion between the electrode and the solid electrolyte at the interface is increased to increase the bonding area. Can be maximized. By using the electrode / solid electrolyte / electrode composite having such characteristics, it is possible to provide an all-solid-state energy storage device having an extremely high capacity while being thin.
本態様による加熱及び加圧は同時に行われるものであり、加熱しながら加圧している段階を含んでいればよく、加熱及び加圧のタイミングにずれがあってもよい。加熱及び加圧を同時に行う手法の例としては、ホットプレス法(HP)、熱間静水圧プレス法(HIP)、放電プラズマ焼結法(SPS)が挙げられるが、量産性が高く、製造コストを安く抑えることができることからホットプレス法(HP)が好ましい。 The heating and pressurization according to this aspect are performed simultaneously, and it is sufficient that the step of pressurizing while heating is included, and there may be a deviation in the timing of heating and pressurization. Examples of methods for performing heating and pressurization simultaneously include hot press method (HP), hot isostatic press method (HIP), and discharge plasma sintering method (SPS). Is preferable because the hot pressing method (HP) is preferable.
加熱は600〜800℃の温度で行われるのが好ましく、より好ましくは650〜750℃であり、さらに好ましくは675〜725℃である。加圧は5〜3000kgf/cm2の圧力で行われるのが好ましく、より好ましくは500〜2500kgf/cm2、より好ましくは1000〜2000kgf/cm2である。また、狙いの圧力への到達時間は、0.1〜10hで行われるのが好ましく、1〜7hで行われるのがより好ましく、3〜5hで行われるのがさらに好ましい。さらに、加圧開始のタイミングは、焼成プロファイルにおける昇温過程終了後であることが好ましい。加熱及び加圧は0.05〜10時間行われるのが好ましく、より好ましくは1〜8時間、さらに好ましくは2〜5時間である。このような範囲内であると、界面における高抵抗な反応層の生成をより一層確実に抑制するとともに、界面における電極及び固体電解質の密着性をより一層高めることができる。 Heating is preferably performed at a temperature of 600 to 800 ° C, more preferably 650 to 750 ° C, and even more preferably 675 to 725 ° C. Pressurization is preferably carried out at a pressure of 5~3000kgf / cm 2, more preferably 500~2500kgf / cm 2, more preferably 1000~2000kgf / cm 2. Further, the time to reach the target pressure is preferably 0.1 to 10 hours, more preferably 1 to 7 hours, and further preferably 3 to 5 hours. Furthermore, it is preferable that the timing of the pressurization start is after the end of the temperature raising process in the firing profile. Heating and pressing are preferably performed for 0.05 to 10 hours, more preferably 1 to 8 hours, and further preferably 2 to 5 hours. Within such a range, the formation of a high-resistance reaction layer at the interface can be more reliably suppressed, and the adhesion between the electrode and the solid electrolyte at the interface can be further enhanced.
なお、活物質板と固体電解質の界面抵抗を低減する目的で、活物質板上、もしくは固体電解質上に、活物質板と固体電解質を固相反応で一体化する際に形成される反応層の抵抗をより小さくするような元素からなる層(たとえば厚さ数十nm以下のNbOからなる薄膜)を形成しておいてもよい。 For the purpose of reducing the interface resistance between the active material plate and the solid electrolyte, the reaction layer formed when the active material plate and the solid electrolyte are integrated on the active material plate or the solid electrolyte by solid phase reaction. A layer made of an element that makes the resistance smaller (for example, a thin film made of NbO having a thickness of several tens of nm or less) may be formed.
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。 The present invention is more specifically described by the following examples.
例1
(1)LMOセラミックス板の作製
本発明において第一電極及び第二電極の活物質板として用いられるLMOセラミックス板を以下の手順で作製した。まず、Li1.08Mn1.83Al0.09O4の化学式となるように、Li2CO3粉末(本荘ケミカル社製、ファイングレード、平均粒子径3μm)、MnO2粉末(東ソー社製、電解二酸化マンガン、FMグレード、平均粒子径5μm、純度95%)、及びAl(OH)3粉末(昭和電工社製 H−43M、平均粒子径0.8μm)を秤量し、更に、Bi2O3粉末(平均粒子径0.3μm、太陽鉱工社製)を、MnO2原料に含まれるMnに対するBiの添加量が0.4mol%となるように秤量した。この秤量物100質量部と、分散媒としての有機溶媒(トルエン及びイソプロピルアルコールを等量混合した混合液)100質量部とを、合成樹脂製の円筒型広口瓶に入れ、ボールミル(直径5mmのジルコニアボール)で16時間、湿式混合及び粉砕を行って混合粉末を得た。
Example 1
(1) Production of LMO ceramic plate In the present invention, an LMO ceramic plate used as an active material plate for the first electrode and the second electrode was produced by the following procedure. First, Li 2 CO 3 powder (made by Honjo Chemical Co., fine grade, average particle size 3 μm), MnO 2 powder (made by Tosoh Corporation) so as to have a chemical formula of Li 1.08 Mn 1.83 Al 0.09 O 4 , Electrolytic manganese dioxide, FM grade, average particle size 5 μm, purity 95%), and Al (OH) 3 powder (Showa Denko H-43M, average particle size 0.8 μm) were weighed, and Bi 2 O Three powders (average particle size 0.3 μm, manufactured by Taiyo Mining Co., Ltd.) were weighed so that the amount of Bi added to Mn contained in the MnO 2 raw material was 0.4 mol%. 100 parts by weight of this weighed product and 100 parts by weight of an organic solvent (mixed liquid in which equal amounts of toluene and isopropyl alcohol are mixed) as a dispersion medium are put in a cylindrical wide-mouth bottle made of synthetic resin, and a ball mill (zirconia having a diameter of 5 mm) is placed. Ball) for 16 hours to obtain a mixed powder.
この混合粉末100質量部に対して、バインダーとしてのポリビニルブチラール(エスレックBM−2、積水化学社製)10質量部と、可塑剤(DOP、黒金化成社製)4質量部と、分散剤(レオドールSP−O30、花王社製)2質量部とを添加して混合することで、スラリー状成形原料を得た。得られたスラリー状成形原料を減圧下で撹拌して脱泡することで、スラリーの粘度を4000mPa・sに調整した。粘度を調整したスラリー状成形原料を、ドクターブレード法により、PETフィルムの上に成形してシート状成形体を得た。なお、乾燥後のシート状成形体の厚さを20μmとした。 For 100 parts by mass of the mixed powder, 10 parts by mass of polyvinyl butyral (ESREC BM-2, manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) as a binder, 4 parts by mass of a plasticizer (DOP, manufactured by Kurokin Kasei Co., Ltd.), and a dispersant ( A slurry-like forming raw material was obtained by adding and mixing 2 parts by mass of Rheodor SP-O30 (manufactured by Kao Corporation). The resulting slurry-like forming raw material was stirred and degassed under reduced pressure, whereby the viscosity of the slurry was adjusted to 4000 mPa · s. The slurry-like forming raw material with adjusted viscosity was formed on a PET film by a doctor blade method to obtain a sheet-like formed body. In addition, the thickness of the sheet-like molded object after drying was 20 micrometers.
PETフィルムから剥がしたシート状の成形体を、カッターで12mm角に切り出し、突起の大きさが300μmのエンボス加工を施したジルコニア製セッター(寸法90mm角、高さ1mm)の中央に載置し、大気中で、600℃で2時間脱脂し、その後、900℃で5時間焼成した。これにより、図3に示されるSEM写真のような、単結晶が平面的に連結したセラミックス板が得られた。 The sheet-like molded body peeled off from the PET film was cut into a 12 mm square with a cutter, and placed in the center of a zirconia setter (dimension 90 mm square, height 1 mm) with an embossed projection of 300 μm in size. Degreasing was performed at 600 ° C. for 2 hours in the air, and then calcined at 900 ° C. for 5 hours. As a result, a ceramic plate in which single crystals were connected in a plane was obtained as in the SEM photograph shown in FIG.
(2)LLZセラミックス板の作製
本発明において固体電解質として用いられるLLZセラミックス板を以下の手順で作製した。まず、焼成用原料調製のための各原料成分として、水酸化リチウム(関東化学株式会社)、水酸化ランタン(信越化学工業株式会社)、酸化ジルコニウム(東ソー株式会社)、酸化タンタルを用意した。これらの粉末をLiOH:La(OH)3:ZrO2:Ta2O5=7:3:1.625:0.1875になるように秤量及び配合し、ライカイ機にて混合して焼成用原料を得た。
(2) Production of LLZ ceramic plate A LLZ ceramic plate used as a solid electrolyte in the present invention was produced by the following procedure. First, lithium hydroxide (Kanto Chemical Co., Ltd.), lanthanum hydroxide (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), zirconium oxide (Tosoh Corp.), and tantalum oxide were prepared as raw material components for preparing the raw material for firing. These powders are weighed and blended so as to be LiOH: La (OH) 3 : ZrO 2 : Ta 2 O 5 = 7: 3: 1.625: 0.1875, and mixed by a laika machine to be a raw material for firing. Got.
第一の焼成工程として、上記焼成用原料をアルミナ坩堝に入れて大気雰囲気で600℃/時間にて昇温し900℃にて6時間保持した。 As the first firing step, the firing raw material was placed in an alumina crucible, heated at 600 ° C./hour in the air atmosphere, and held at 900 ° C. for 6 hours.
第二の焼成工程として、第一の焼成工程で得られた粉末に対しγ−Al2O3をAl濃度が0.08wt%となるように添加し、この粉末と玉石を混合し振動ミルを用いて3時間粉砕した。この粉砕粉を篩通しした後、得られた粉末を、金型を用いて約100MPaにてプレス成形してペレット状にした。得られたペレットをマグネシア製のセッター上に乗せ、セッターごとマグネシア製のサヤ内に入れて、Ar雰囲気にて200℃/時間で昇温し、1000℃で36時間保持することにより、35mm×18mmのサイズで厚さ11mmの焼結体を得て、そこから1.5mm×1.5mmのサイズで厚さ0.2mmのLLZセラミックス板を固体電解質として得た。なお、Ar雰囲気として、事前に容量約3Lの炉内を真空引きした後、純度99.99%以上のArガスを電気炉に2L/分で流した。 As a second firing step, γ-Al 2 O 3 is added to the powder obtained in the first firing step so that the Al concentration is 0.08 wt%, and this powder and cobblestone are mixed to form a vibration mill. And milled for 3 hours. After pulverizing this pulverized powder, the obtained powder was press-molded at about 100 MPa using a mold into pellets. The obtained pellets are placed on a magnesia setter, and the whole setter is placed in a magnesia sheath, heated at 200 ° C./hour in an Ar atmosphere, and held at 1000 ° C. for 36 hours to obtain 35 mm × 18 mm. A sintered body having a size of 11 mm and a thickness of 11 mm was obtained, from which a LLZ ceramic plate having a size of 1.5 mm × 1.5 mm and a thickness of 0.2 mm was obtained as a solid electrolyte. As the Ar atmosphere, the inside of the furnace having a capacity of about 3 L was evacuated in advance, and then Ar gas having a purity of 99.99% or more was flowed into the electric furnace at 2 L / min.
得られた焼結体試料の上下面を研磨した後、以下に示される各種の評価ないし測定を行った。焼結体試料のX線回折測定を行ったところ、CSD(Cambridge Structural Database)のX線回折ファイルNo.422259(Li7La3Zr2O12)類似の結晶構造が得られた。このことから、得られた試料がLLZ結晶構造の特徴を有することが確認された。また、焼結体試料のAl及びMg含有量を把握するため、誘導結合プラズマ発光分析(ICP分析)により化学分析を行ったところ、Al含有量は0.08wt%、Mg含有量は0.07wt%であった。 After polishing the upper and lower surfaces of the obtained sintered body sample, various evaluations and measurements shown below were performed. When the X-ray diffraction measurement of the sintered body sample was performed, the X-ray diffraction file No. of CSD (Cambridge Structural Database). A crystal structure similar to 422259 (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) was obtained. From this, it was confirmed that the obtained sample has the characteristics of the LLZ crystal structure. Further, in order to grasp the Al and Mg contents of the sintered body sample, when chemical analysis was performed by inductively coupled plasma emission analysis (ICP analysis), the Al content was 0.08 wt% and the Mg content was 0.07 wt. %Met.
(3)全固体蓄電素子及びコインセルの作製及び評価
上記(1)で得られたLMOセラミックス板に、集電層となるAu箔(厚さ20μm)を重ね、その反対側に上記(2)で得られたLLZセラミックス板を重ねた。得られた積層物のLLZセラミックス板上に、LMOセラミックス板及びAu箔をさらに重ねてAu/LMO/LLZ/LMO/Au積層物とし、これを焼成条件700℃で5時間、2000kgf/cm2の圧力でホットプレス焼成した。こうして得られたAu/LMO/LLZ/LMO/Au複合体をステンレス製CR2032ケースに組み込み、コインセルとした。このコインセルに対して、0V〜1.2Vの間で、0.1Cレートの電流密度で充放電を繰り返した。
このとき、1回目の放電容量に対する、50回目の放電容量の維持率は、75%であった。充放電を50回繰り返した後の電池を解体し、Au/LMO/LLZ/LMO/Au複合体の低電位側の電極の断面をSEMで観察したところ、LMOセラミックス板中には、Au〜LLZ間のリチウムイオン伝導パスを分断するような、面内方向のクラックは見られなかった。
(3) Production and evaluation of all-solid-state electricity storage element and coin cell On the LMO ceramic plate obtained in (1) above, an Au foil (thickness 20 μm) serving as a current collecting layer is stacked, and on the opposite side in (2) above The obtained LLZ ceramic plates were stacked. On the LLZ ceramic plate of the obtained laminate, an LMO ceramic plate and an Au foil are further stacked to form an Au / LMO / LLZ / LMO / Au laminate, which is fired under conditions of 700 ° C. for 5 hours and 2000 kgf / cm 2 . Hot press firing was performed under pressure. The Au / LMO / LLZ / LMO / Au composite thus obtained was incorporated into a stainless steel CR2032 case to obtain a coin cell. This coin cell was repeatedly charged and discharged at a current density of 0.1 C between 0V and 1.2V.
At this time, the maintenance ratio of the 50th discharge capacity with respect to the first discharge capacity was 75%. The battery after the 50th charge / discharge cycle was disassembled, and the cross section of the electrode on the low potential side of the Au / LMO / LLZ / LMO / Au composite was observed with SEM. No cracks were observed in the in-plane direction that disrupted the lithium ion conduction path.
例2(比較)
LMOセラミックス板の原料調整工程でBi2O3を加えなかったこと以外は例1と同様にして、電池を作製した。このとき得られた焼成後のLMOセラミックス板の厚さは10μm程度であり、LMO系単結晶粒子の1次粒径は2μm程度であったことから、厚さ方向に単結晶粒子の重なりに起因する多数の粒界を含む状態であった。この電池における1回目の放電容量に対する50回目の放電容量の維持率は45%であった。充放電を50回繰り返した後の電池を解体し、Au/LMO/LLZ/LMO/Au複合体の低電位側の電極の断面をSEMで観察したところ、LMOセラミックスシート中に、粒界に起因する割れが多数発生し、Au〜LLZ間のリチウムイオン伝導パスを分断するように、面内方向にクラックが走っている様子が観察された。
Example 2 (Comparison)
A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that Bi 2 O 3 was not added in the LMO ceramic plate raw material adjustment step. The thickness of the fired LMO ceramic plate obtained at this time was about 10 μm, and the primary particle size of the LMO-based single crystal particles was about 2 μm, which was caused by the overlap of the single crystal particles in the thickness direction. It was in a state that included many grain boundaries. The maintenance ratio of the 50th discharge capacity to the first discharge capacity in this battery was 45%. The battery after 50 charge / discharge cycles was disassembled and the cross section of the low potential side electrode of the Au / LMO / LLZ / LMO / Au composite was observed by SEM. A large number of cracks occurred, and it was observed that cracks were running in the in-plane direction so as to break the lithium ion conduction path between Au and LLZ.
Claims (9)
前記第一電極及び前記第二電極の間で前記活物質板と接触可能に設けられ、リチウムイオン伝導性を有する電解質と、
を備えた蓄電素子。 An active material composed of a current collector layer and a plurality of spinel-type lithium manganate single crystal particles provided on at least one surface of the current collector layer and mainly connected two-dimensionally and composed of a ceramic sintered body A first electrode and a second electrode comprising a plate;
An electrolyte provided between the first electrode and the second electrode so as to be in contact with the active material plate and having lithium ion conductivity;
A power storage device comprising:
LiMxMn2−xO4 (1)
(式中、Mは、Li、Fe、Ni、Mg、Zn、Al、Co、Cr、Si、Sn、P、V、Sb、Nb、Ta、Mo及びWからなる群より選択される少なくとも一種の置換元素であり、前記少なくとも一種の元素と共にTi、Zr及びCeからなる群から選択される少なくとも一種が更に含んでいてもよく、0≦x<0.55である)
で表される組成を有する、請求項1に記載の蓄電素子。 The single crystal particles have the general formula:
LiM x Mn 2-x O 4 (1)
(Wherein, M is at least one selected from the group consisting of Li, Fe, Ni, Mg, Zn, Al, Co, Cr, Si, Sn, P, V, Sb, Nb, Ta, Mo and W. A substitution element, and at least one selected from the group consisting of Ti, Zr and Ce may be further contained together with the at least one element, and 0 ≦ x <0.55)
The electrical storage element of Claim 1 which has a composition represented by these.
少なくとも前記蓄電素子の内部に位置する電極は、前記集電層の両面に前記活物質板が設けられ、それにより前記集電層が内部集電層として構成されてなる、請求項1〜5のいずれか一項に記載の蓄電素子。 A plurality of at least one of the first electrode and the second electrode are provided, and the first electrode and the second electrode are alternately stacked via the electrolyte,
The electrode located within at least the electric storage device, the active material sheet is provided on both surfaces of the current collector layer, the collector layer are configured as an internal collector layer thereby, according to claim 1 to 5 The electrical storage element as described in any one.
The electrical storage element as described in any one of Claims 1-8 whose said electrolyte is an inorganic solid electrolyte which has lithium ion conductivity.
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