JP6295966B2 - 全固体電池 - Google Patents
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Description
本発明は、硫化物固体電解質と金属硫酸塩の水和物とを含むセパレータ層を備えた、全固体電池である。「セパレータ層」とは、全固体電池において正極及び負極の間に設けられる層であって、正負極間のイオン伝導層として機能する層である。
本発明は特定のセパレータ層を備える点に特徴を有する。セパレータ層は後述の負極と正極との間に設けられる層であって、電極間のイオン伝導層として機能するものである。本発明において、セパレータ層には硫化物固体電解質と金属硫酸塩の水和物とが少なくとも含まれており、これらの他にバインダー等が含まれていてもよい。
本発明に係る全固体電池において、セパレータ層には硫化物固体電解質が含まれる。硫化物固体電解質としては、例えば、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2O−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5、Li2S−P2S5、Li3PS4等を挙げることができる。硫化物固体電解質は公知の製造方法で製造した硫化物固体電解質を適宜用いることができる。例えば、硫化物固体電解質を合成する際の出発原料は特に限定されず、その合成方法も、乾式のボールミル処理や、ヘプタン等の溶剤を用いる湿式のボールミル処理のほか、機械的エネルギーを付与することにより化学反応を進行させる他のメカノケミカル処理等を適宜用いることができる。また、硫化物固体電解質は、非晶質であっても良く、結晶質であっても良い。また、硫化物固体電解質の形状についても特に限定されるものではなく、粉体状、粒子状、塊状のもの等を用いることができる。
セパレータ層に含まれる硫化物固体電解質の含有量は、後述するCaSO4・2H2Oの含有量等を考慮しつつ適宜調整可能であり、特に限定されるものではない。例えば、セパレータ層全体を100質量%として、下限が好ましくは50質量%以上、より好ましくは70質量%以上あり、上限が好ましくは99質量%以下、より好ましくは95質量%以下である。
本発明に係る全固体電池において、セパレータ層には金属硫酸塩の水和物が含まれる。
本発明において金属硫酸塩の水和物としては、電池の温度上昇に伴って結晶内の水分を放出可能なものであればよい。特にCaSO4・2H2OやCuSO4・3H2Oが好ましい。例えば、CuSO4・3H2Oは約100℃で水分を放出することから、全固体電池の使用温度範囲内においては水分の放出が起こらず硫化物固体電解質のイオン伝導性を低下させない一方、100℃程度まで過剰に温度が上昇した場合はCuSO4・3H2Oから放出された水分によって硫化物固体電解質のイオン伝導性を低下させ、それ以上の発熱を抑制できる。
金属硫酸塩の水和物はセパレータ層全体に分散して含まれていることが好ましい。例えば、粉体状・粒子状の当該水和物がセパレータ層内に均一に分散して含まれたような形態である。
セパレータ層に含まれる金属硫酸塩の水和物の含有量は、高温時にセパレータ層において硫化物固体電解質へと十分に水分を供給することができる量であればよい。例えば、セパレータ層全体を100質量%として、下限が好ましくは1質量%以上、より好ましくは5質量%以上あり、上限が好ましくは50質量%以下、より好ましくは30質量%以下である。或いは、セパレータ層に含まれる硫化物固体電解質100質量部に対して金属硫酸塩の水和物を1質量部以上含ませることが好ましい。
本発明に係る全固体電池において、セパレータ層には上記したものに加えて、さらに硫化物固体電解質以外の固体電解質やバインダーが含まれていてもよい。硫化物固体電解質以外の固体電解質としては例えば公知の酸化物固体電解質が挙げられる。バインダーは、全固体電池において用いられる公知のバインダーを適宜用いることができる。例えば、アクリロニトリルブタジエンゴム(ABR)、ブタジエンゴム(BR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等である。セパレータ層に含まれるバインダーの含有量は、特に限定されるものではない。高出力化を図りやすくするために、固体電解質の過度の凝集を防止し且つ均一に分散された固体電解質を有する固体電解質層を形成可能にする等の観点から、固体電解質層に含有させるバインダーは5質量%以下とすることが好ましい。
本発明に係る全固体電池は、上述した特定のセパレータ層を備える点に特徴を有し、それ以外の構成については特に限定されるものではない。全固体電池において用いられている公知の電極等を採用できる。
2.1.1.負極活物質
本発明において、負極に含有させる負極活物質としては、例えば、カーボン活物質、酸化物活物質、及び、金属活物質等を挙げることができる。カーボン活物質としては、例えば天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。酸化物活物質としては、例えばNb2O5、Li4Ti5O12、SiO等を挙げることができる。金属活物質としては、例えばIn、Al、Si、及び、Sn等を挙げることができる。また、負極活物質として、リチウム含有金属活物質を用いても良い。リチウム含有金属活物質としては、少なくともLiを含有する活物質であれば特に限定されず、Li金属であっても良く、Li合金であっても良い。Li合金としては、例えば、Liと、In、Al、Si、及び、Snの少なくとも一種とを含有する合金を挙げることができる。負極活物質の形状は、例えば粒子状、薄膜状等にすることができる。負極における負極活物質の含有量は、例えば40質量%以上99質量%以下とすることが好ましい。
本発明では、上述のセパレータ層のみならず、負極にも、必要に応じて、全固体電池に使用可能な公知の固体電解質を含有させることができる。負極に固体電解質を含有させる場合、負極には、負極電位で分解しない固体電解質を含有させることが可能であり、正極に固体電解質を含有させる場合、正極には、正極電位で分解しない固体電解質を含有させることが可能である。負極や正極に含有させることが可能な固体電解質としては、上述した硫化物固体電解質の他、酸化物固体電解質等を含ませてもよい。ただし、全固体電池の性能を高めやすい形態にする等の観点から、固体電解質として硫化物固体電解質を用いることが好ましい。
負極には、負極活物質や固体電解質を結着させるバインダーや導電性を向上させる導電助剤が含有されていても良い。バインダーについてはセパレータ層に含まれるものと同様のものを用いることができる。また、負極には、公知の導電助剤を適宜含ませることができる。負極に含有させることが可能な導電材としては、気相成長炭素繊維、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノファイバー(CNF)等の炭素材料のほか、全固体電池の使用時の環境に耐えることが可能な金属材料を例示することができる。
2.2.1.正極活物質
本発明において、正極に含有させる正極活物質としては、全固体電池で使用可能な正極活物質を適宜用いることができる。そのような正極活物質としては、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiCoO2、LiNiO2、LiFePO4、LiMn2O4等を例示することができる。正極活物質の形状は、例えば粒子状や薄膜状等にすることができる。正極における正極活物質の含有量は、特に限定されないが、質量%で、例えば40%以上99%以下とすることが好ましい。
必要に応じて、正極にも、固体電解質を含有させることができる。正極に含有させることが可能な固体電解質としては、負極に含有させることが可能な上記固体電解質を例示することができる。
固体電解質として硫化物固体電解質を用いる場合、正極活物質と固体電解質との界面に高抵抗層が形成され難くすることにより、電池抵抗の増加を防止しやすい形態にする観点から、正極活物質は、イオン伝導性酸化物で被覆されていることが好ましい。正極活物質を被覆するリチウムイオン伝導性酸化物としては、例えば、一般式LixAOy(Aは、B、C、Al、Si、P、S、Ti、Zr、Nb、Mo、Ta又はWであり、x及びyは正の数である。)で表される酸化物を挙げることができる。具体的には、Li3BO3、LiBO2、Li2CO3、LiAlO2、Li4SiO4、Li2SiO3、Li3PO4、Li2SO4、Li2TiO3、Li4Ti5O12、Li2Ti2O5、Li2ZrO3、LiNbO3、Li2MoO4、Li2WO4等を例示することができる。正極活物質の表面をイオン伝導性酸化物で被覆する場合、イオン伝導性酸化物は、正極活物質の少なくとも一部を被覆してれば良く、正極活物質の全面を被覆していても良い。また、正極活物質の表面をイオン伝導性酸化物で被覆する方法は、特に限定されず、公知の方法で、正極活物質の表面をイオン伝導性酸化物で被覆することができる。また、正極活物質を被覆するイオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、0.1nm以上100nm以下であることが好ましく、1nm以上20nm以下であることがより好ましい。なお、イオン伝導性酸化物の厚さは、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)等を用いて測定することができる。
正極には、全固体電池の正極に含有させることが可能な公知のバインダーを用いることができる。そのようなバインダーとしては、負極に含有させることが可能な上記バインダー等を例示することができる。さらに、正極には、導電性を向上させる導電助剤が含有されていても良い。正極に含有させることが可能な導電助剤としては、負極に含有させることが可能な上記導電助剤等を例示することができる。
負極集電体や正極集電体は、全固体電池の集電体として使用可能な公知の金属を用いることができる。そのような金属としては、Cu、Ni、Al、V、Au、Pt、Mg、Fe、Ti、Co、Cr、Zn、Ge、Inからなる群から選択される一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。
金属硫酸塩の水和物は電池が高温となった時に硫化物固体電解質へと水分を放出・供給し、硫化物固体電解質のイオン伝導性を低下させるものである。すなわち、電池内の温度が所定温度以上となると、金属硫酸塩の水和物から水分(結晶水)が放出され、硫化物固体電解質に水分が吸着・吸収される。硫化物固体電解質は水分の吸着に伴って抵抗が上昇し、イオン伝導性が低下し、電池内の電気化学反応の進行が抑制され、結果として、電池の温度上昇を抑えることができる。
尚、従来においては、例えば結晶水の放出に伴う「吸熱反応」を利用した電池内の温度上昇抑制方法は知られていたが(特許文献2)、本発明のように硫化物固体電解質に水分を供給して、電池内の電気化学反応を意図的に抑えることについては、何ら知られておらず、この点において本発明は従来技術と明らかに異なる。本発明に係る全固体電池は、例えば、過充電時や電池短絡時において電池内の電気化学反応を抑制して温度上昇を抑えることが可能であり、安全性に優れた電池といえる。
硫化物固体電解質(20LiI・80(0.75Li2S・0.25P2S5)、作製法については特開2012−048973号や特開2014−102987号公報等を参照可能)に水分を吸着させ、硫化物固体電解質の水分吸着率と抵抗増加率とを測定した。結果を図1に示す。
2.1.評価用セルの作製
CuSO4・5H2Oをホットプレート上で100℃にて1時間加熱し、脱水させ、CuSO4・3H2Oを得た。硫化物固体電解質25gにCuSO4・3H2Oを0g、2.5g(硫化物固体電解質100質量部に対して10質量部、添加率10%)、5g(同添加率20%)、7.5g(同添加率30%)又は10g(同添加率40%)秤量して混合し、合材を得た。
作製した評価用セルを25℃に調整後、交流インピーダンス測定で抵抗を測定した。抵抗の逆数を厚さで規格化することで、加熱前後の合材の伝導度を求めた。結果を図2に示す。
3.1.正極合材スラリーの作製
平均粒径D50が5μmのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日亜化学工業社製)50gと、VGCF(昭和電工社製)1gと、硫化物固体電解質17gと、バインダーと、溶媒とを混合して正極合材スラリーを得た。尚、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2の表面は予めLiNbO3で被覆するものとした(特開2010−073539号公報を参照)。
グラファイト(三菱化学社製)36gと硫化物固体電解質25gと溶媒とを混合し負極合材スラリーとした。
上述した方法でCuSO4・3H2Oを得た。硫化物固体電解質25gとバインダー1gと溶媒とを混合したセパレータスラリー(比較例)、及び、硫化物固体電解質25gとバインダー1gと溶媒とに加え、CuSO4・3H2Oを7.5gさらに混合したセパレータスラリー(実施例)をそれぞれ用意した。
Al箔表面に正極合材スラリーを塗工・乾燥して裁断し正極を得る一方、Cu箔表面に負極合材スラリーを塗工・乾燥して裁断し負極を得た。得られた正極及び負極の間にセパレータ層が配置されるように比較例又は実施例に係るセパレータスラリーを塗工・乾燥し、プレスして単電池を作製した。単電池を8層積層し、集電タブをセル端子と超音波溶接し、ラミネートフィルム内に真空封入することで0.5Ah級の全固体の積層電池を得た。
作製した積層電池を電池電圧4.55VまでCCCV充電し、3VまでCCCV放電し(充放電電流:0.3046mA)、再度4.55VまでCCCV充電を実施し、積層電池の調整を行った。
積層電池を事前に満充電し、温度を60℃にした状態で釘刺し試験機に設置した。釘刺し試験機において10mm/秒の速度にて電池中央に釘を刺し、放電挙動、発熱温度を観測した。結果を図3に示す。
Claims (3)
- 硫化物固体電解質と金属硫酸塩の水和物とを含むセパレータ層を備えた、全固体電池。
- 前記金属硫酸塩の水和物がCaSO4・2H2Oである、請求項1に記載の全固体電池。
- 前記金属硫酸塩の水和物がCuSO4・3H2Oである、請求項1に記載の全固体電池。
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