JP7042059B2 - All solid state battery - Google Patents
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Description
本発明は、全固体電池に関する。 The present invention relates to an all-solid-state battery.
近年、二次電池が様々な分野で利用されている。電解液を用いた二次電池には、電解液の漏液等の問題がある。そこで、固体電解質を備え、他の構成要素も固体で構成した全固体電池の開発が行われている。また、容量密度向上のため、電池単位を多積層化することが望まれている。多積層化の際に、全固体電池の積層方向の上下にカバー層を設ける技術が開示されている(例えば、特許文献1~4参照)。
In recent years, secondary batteries have been used in various fields. A secondary battery using an electrolytic solution has a problem such as leakage of the electrolytic solution. Therefore, an all-solid-state battery having a solid electrolyte and having other components made of solid is being developed. Further, in order to improve the capacity density, it is desired to increase the number of battery units. A technique for providing cover layers above and below the all-solid-state battery in the stacking direction in the case of multiple stacking is disclosed (see, for example,
カバー層は、固体電解質層と焼成時に相互拡散しない材料によって構成されることが好ましい。そこで、カバー層として固体電解質層と同じ組成の材料を用いることが考えられる。しかしながら、上述した全固体電池を複数積層して電池モジュールを構成する場合、カバー層におけるイオン伝導によって、カバー層を介した不測の電池反応が生じるおそれがある。 The cover layer is preferably composed of a solid electrolyte layer and a material that does not interdiffuse during firing. Therefore, it is conceivable to use a material having the same composition as the solid electrolyte layer as the cover layer. However, when a plurality of the above-mentioned all-solid-state batteries are stacked to form a battery module, ionic conduction in the cover layer may cause an unexpected battery reaction via the cover layer.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、固体電解質層とカバー層との焼成時の相互拡散が抑制され、カバー層を介した不測の電池反応が抑制された全固体電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an all-solid-state battery in which mutual diffusion between the solid electrolyte layer and the cover layer during firing is suppressed, and unexpected battery reaction via the cover layer is suppressed. The purpose is.
本発明に係る全固体電池は、固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の面上に形成された正極層と、前記固体電解質層の他方の面上に形成された負極層と、前記固体電解質層、前記正極層および前記負極層を含む積層構造において、積層方向の第1最外層に積層された第1カバー層と、前記積層構造において、前記第1最外層とは反対側の第2最外層に積層された第2カバー層と、を備え、前記第1カバー層および前記第2カバー層は、前記固体電解質層よりもイオン伝導性が低く、前記固体電解質層よりもZrの割合が多い固体電解質で構成されており、同一温度において、前記第1カバー層および前記第2カバー層の総合イオン導電率は、前記固体電解質層の総合イオン導電率よりも2桁以上低いことを特徴とする。 The all-solid battery according to the present invention includes a solid electrolyte layer, a positive electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte layer, a negative electrode layer formed on the other surface of the solid electrolyte layer, and the solid. In the laminated structure including the electrolyte layer, the positive electrode layer and the negative electrode layer, the first cover layer laminated on the first outermost layer in the laminating direction and the second layer on the opposite side of the first outermost layer in the laminated structure. A second cover layer laminated on the outermost layer is provided, and the first cover layer and the second cover layer have lower ionic conductivity than the solid electrolyte layer and have a Zr ratio higher than that of the solid electrolyte layer. The total ionic conductivity of the first cover layer and the second cover layer is two orders of magnitude or more lower than the total ionic conductivity of the solid electrolyte layer at the same temperature. And.
上記全固体電池において、前記固体電解質層は、NASICON型結晶構造の固体電解質で構成されていてもよい。 In the all-solid-state battery, the solid electrolyte layer may be composed of a solid electrolyte having a NASICON type crystal structure.
上記全固体電池において、前記第1カバー層および前記第2カバー層は、Li-Al-Zr-P-O系材料で構成され、前記固体電解質層はLi-Al-Ge-P-O系材料で構成されていてもよい。
In the all-solid-state battery, the first cover layer and the second cover layer are composed of a Li-Al-Zr-PO-based material, and the solid electrolyte layer is a Li-Al-Ge-PO-based material. It may be composed of .
本発明によれば、固体電解質層とカバー層との焼成時の相互拡散が抑制され、カバー層を介した不測の電池反応が抑制された全固体電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an all-solid-state battery in which mutual diffusion between the solid electrolyte layer and the cover layer during firing is suppressed, and an unexpected battery reaction via the cover layer is suppressed.
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(実施形態)
図1は、実施形態に係る全固体電池100の模式的断面図である。図2は、後述する正極20および負極40の積層構造を表す分解図である。図1は、図2のA-A線断面に相当する。なお、図2では、後述する固体電解質層30を省略している。
(Embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the all-solid-
全固体電池100は、略直方体形状を有する。図1で例示するように、全固体電池100は、第1カバー層10上において、正極20上に固体電解質層30が積層された第1積層単位と、負極40上に固体電解質層30が積層された第2積層単位と、が交互に積層された構造を有する。最上部の積層単位が第1積層単位である場合には、当該最上部の第1積層単位上に、負極40および第2カバー層50がこの順に積層されている。最上部の積層単位が第2積層単位である場合には、当該最上部の第2積層単位上に、正極20および第2カバー層50がこの順に積層されている。各固体電解質層30は、略同形状を有する。隣接する2層の固体電解質層30は、正極20または負極40を挟んで互いに対向する。
The all-solid-
図1および図2で例示するように、第1積層単位において、正極20は、固体電解質層30の下面において、一部が固体電解質層30の一方の端面である第1縁部25に達している。固体電解質層30の下面において、正極20が設けられていない周囲部分には、正極20と実質的に同じ厚みを有する第1余白層60が設けられている。
As illustrated in FIGS. 1 and 2, in the first laminated unit, the
第2積層単位において、負極40は、固体電解質層30の下面において、一部が固体電解質層30の他方の端面である第2縁部45に達している。固体電解質層30の両端面は、互いに対向する位置関係を有している。固体電解質層30の下面において、負極40が設けられていない周囲部分には、負極40と実質的に同じ厚みを有する第2余白層70が設けられている。
In the second laminated unit, the
正極20は、正極層21と集電体層22とを備える。一例として、正極20は、2層の正極層21で集電体層22を挟持する構造を有する。第1縁部において、各集電体層22と接続された第1外部電極80が設けられている。負極40は、負極層41と集電体層42とを備える。一例として、負極40は、2層の負極層41で集電体層42を挟持する構造を有する。第2縁部において、各集電体層42と接続された第2外部電極90が設けられている。各層の厚みは、特に限定されない。ただし、電極層が薄すぎると容量密度を高めにくくなるおそれがあり、厚すぎると全固体電池100の応答性(出力特性)が低下するおそれがある。そこで、正極層21および負極層41の層厚は、1μm~100μmであることが好ましく、2μm~50μmであることがより好ましい。集電体層が薄すぎると集電体の連続率が低下、すなわち全固体電池100の実効面積が低下するおそれがある。集電体層自体は電池容量に寄与しない部分であるため、集電体層が厚すぎると容量密度が低下するおそれがある。そこで、集電体層22および集電体層42の層厚は、0.1μm~5μmであることが好ましく、1μm~3μmであることがより好ましい。
The
図1の断面は、正極20が第1縁部25に達している部分と、負極40が第2縁部45に達している部分とを通る断面である。したがって、図1の積層方向において、第1余白層60と他の第1余白層60との間に、負極40が介在する。また、図1の積層方向において、第2余白層70と他の第2余白層70との間に、正極20が介在する。
The cross section of FIG. 1 is a cross section passing through a portion where the
図3は、全固体電池100の模式的断面図である。図4は、正極20および負極40の積層構造を表す分解図である。図3は、図4のB-B線断面に相当する。B-B線断面は、正極20が第1縁部25に達している部分と、負極40が第2縁部45に達している部分とを通らない断面である。したがって、図3の積層方向において、第1余白層60と他の第1余白層60との間に、負極40ではなく第2余白層70が介在する。また、図3の積層方向において、第2余白層70と他の第2余白層70との間に、正極20ではなく第1余白層60が介在する。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the all-solid-
全固体電池100を備える電池モジュールは、複数の全固体電池100が並列接続された構成を有している。例えば、図5(a)で例示するように、第1の全固体電池100の第2カバー層50上に第2の全固体電池100の第1カバー層10が対向するように、第1の全固体電池100と第2の全固体電池100とが積層される。また、図5(b)で例示するように、第1の全固体電池100の第2外部電極90と第2の全固体電池100の第2外部電極90とが同一平面をなすように、第1の全固体電池100と第2の全固体電池100とが積層される。第1の全固体電池100の第1外部電極80と第2の全固体電池100の第1外部電極80とを接続し、第1の全固体電池100の第2外部電極90と第2の全固体電池の第2外部電極90とを接続することで、第1の全固体電池100と第2の全固体電池100とを並列接続することができる。
The battery module including the all-solid-
第1の全固体電池100と第2の全固体電池100との積層体の上に、さらに同様の積層体を積層してもよい。なお、第1外部電極80に、他の全固体電池100の第2外部電極90を接続することで、2つの全固体電池100を直列接続することができる。
A similar laminate may be further laminated on the laminate of the first all-solid-
本実施形態においては、図5(c)で例示するように、一例として、電池モジュール200は、1対の全固体電池100を直列接続し、当該1対の全固体電池100を8組並列接続させた構造を有する。これらの全固体電池100は、例えば、外装缶300内に収容されている。
In the present embodiment, as illustrated in FIG. 5C, as an example, in the
固体電解質層30は、酸化物系固体電解質であれば特に限定されるものではないが、例えば、NASICON構造を有する酸化物系固体電解質を主成分とする。NASICON構造を有する酸化物系固体電解質は、高いイオン導電率を有するとともに、大気中で安定しているという性質を有している。NASICON構造を有する酸化物系固体電解質は、例えば、リチウムを含んだリン酸塩などである。当該リン酸塩は、特に限定されるものではないが、例えば、Tiとの複合リン酸リチウム塩(例えば、Li1+xAlxTi2-x(PO4)3)などが挙げられる。以下、Li1+xAlxTi2-x(PO4)3のことをLATPと称することもある。または、TiをGe,Sn,Hf,Zrなどといった4価の遷移金属に一部あるいは全部置換することもできる。また、Li含有量を増加させるために、Al,Ga,In,Y,Laなどの3価の遷移金属に一部置換してもよい。リチウムを含みNASICON構造をもつリン酸塩は、より具体的には、例えば、Li-Al-Ge-P-O系材料(Li1+xAlxGe2-x(PO4)3)や、Li-Al-Zr-P-O系材料(Li1+xAlxZr2-x(PO4)3)や、Li-Al-Ti-P-O系材料(Li1+xAlxTi2-x(PO4)3)などが挙げられる。以下、Li1+xAlxGe2-x(PO4)3のことをLAGPと称することもあり、Li1+xAlxZr2-x(PO4)3のことをLAZPと称することもある。例えば、正極層21および負極層41に含有されるオリビン型結晶構造をもつリン酸塩が含む遷移金属と同じ遷移金属を予め添加させたLAGP系材料が好ましい。例えば、正極層21および負極層41にCoおよびLiを含むリン酸塩が含有される場合には、Coを予め添加したLAGP系材料が固体電解質層30に含まれることが好ましい。この場合、電極活物質が含む遷移金属の電解質への溶出を抑制する効果が得られる。
The
正極層21は、オリビン型結晶構造をもつ物質を電極活物質として含有する。負極層41も、当該電極活物質を含有していることが好ましい。このような電極活物質として、遷移金属とリチウムとを含むリン酸塩が挙げられる。オリビン型結晶構造は、天然のカンラン石(olivine)が有する結晶であり、X線回折において判別することができる。
The
オリビン型結晶構造をもつ電極活物質の典型例として、Coを含むLiCoPO4などを用いることができる。前記化学式において遷移金属のCoが置き換わったリン酸塩などを用いることもできる。ここで、価数に応じてLiやPO4の比率は変動し得る。なお、遷移金属として、Co,Mn,Fe,Niなどを用いることが好ましい。 As a typical example of the electrode active material having an olivine type crystal structure, LiCoPO 4 containing Co can be used. Phosphate in which the transition metal Co is replaced in the chemical formula can also be used. Here, the ratio of Li and PO 4 may fluctuate depending on the valence. It is preferable to use Co, Mn, Fe, Ni or the like as the transition metal.
オリビン型結晶構造をもつ電極活物質は、正極層21においては、正極活物質として作用する。例えば、正極層21にのみオリビン型結晶構造をもつ電極活物質が含まれる場合には、当該電極活物質が正極活物質として作用する。負極層41にもオリビン型結晶構造をもつ電極活物質が含まれる場合に、負極層41においては、その作用メカニズムは完全には判明してはいないものの、負極活物質との部分的な固溶状態の形成に基づくと推察される、放電容量の増大、ならびに、放電に伴う動作電位の上昇という効果が発揮される。
The electrode active material having an olivine type crystal structure acts as a positive electrode active material in the
正極層21および負極層41の両方ともオリビン型結晶構造をもつ電極活物質を含有する場合に、それぞれの電極活物質には、好ましくは、互いに同一であっても異なっていてもよい遷移金属が含まれる。「互いに同一であっても異なっていてもよい」ということは、正極層21および負極層41が含有する電極活物質が同種の遷移金属を含んでいてもよいし、互いに異なる種類の遷移金属が含まれていてもよい、ということである。正極層21および負極層41には一種だけの遷移金属が含まれていてもよいし、二種以上の遷移金属が含まれていてもよい。好ましくは、正極層21および負極層41には同種の遷移金属が含まれる。より好ましくは、両電極層が含有する電極活物質は化学組成が同一である。正極層21および負極層41に同種の遷移金属が含まれていたり、同組成の電極活物質が含まれていたりすることにより、両電極層の組成の類似性が高まるので、全固体電池の端子の取り付けを正負逆にしてしまった場合であっても、用途によっては誤作動せずに実使用に耐えられるという効果を有する。
When both the
正極層21および負極層41のうち負極層41に、負極活物質として公知である物質をさらに含有させてもよい。一方の電解層だけに負極活物質を含有させることによって、当該一方の電極層は負極として作用し、他方の電極層が正極として作用することが明確になる。一方の電極層だけに負極活物質を含有させる場合には、当該一方の電極層は負極層41であることが好ましい。なお、両方の電解層に負極活物質として公知である物質を含有させてもよい。電極の負極活物質については、二次電池における従来技術を適宜参照することができ、例えば、チタン酸化物、リチウムチタン複合酸化物、カーボン、リチウムチタン複合リン酸塩、リン酸バナジウムリチウムなどの化合物が挙げられる。
Of the
正極層21および負極層41の作製においては、これら活物質に加えて、酸化物系固体電解質材料や、カーボンや金属といった導電性材料(導電助剤)などをさらに添加してもよい。これらの部材については、バインダと可塑剤を水あるいは有機溶剤に均一分散させることで電極層用ペーストを得ることができる。導電助剤の金属としては、Pd、Ni、Cu、Fe、これらを含む合金などが挙げられる。
In the production of the
集電体層22,42にもカーボンや金属といった導電性材料を適用することができる。導電性金属としては、Ni、Cu、Pd、Ag、Pt、Au、Al、Feなどの金属の単体あるいは合金あるいは酸化物を用いることができる。 Conductive materials such as carbon and metal can also be applied to the current collector layers 22 and 42. As the conductive metal, simple substances, alloys or oxides of metals such as Ni, Cu, Pd, Ag, Pt, Au, Al and Fe can be used.
固体電解質層30の組成変化を抑制するためには、第1カバー層10および第2カバー層50は、固体電解質層30と焼成時に相互拡散しないことが好ましい。したがって、第1カバー層10および第2カバー層50を、固体電解質層30と近い組成にすることが考えられる。そこで、本実施形態においては、第1カバー層10および第2カバー層50は、酸化物系固体電解質を主成分とする。
In order to suppress the composition change of the
しかしながら、第1カバー層10および第2カバー層50が酸化物系固体電解質を主成分とすると、第1カバー層10および第2カバー層50のイオン伝導性が高くなるおそれがある。第1カバー層10および第2カバー層50のイオン伝導性が高いと第1カバー層10および第2カバー層50においてイオン伝導が生じるようになる。この場合、例えば、図5(a)~図5(c)で例示した電池モジュール200においては、対向する第1カバー層10および第2カバー層50を挟んで、正極20と負極40との間で不測の電池反応が生じるおそれがある。特に電池モジュール200のように、複数の全固体電池100を積層する場合には、容量密度向上のため、第1カバー層10および第2カバー層50は極力薄く形成し(例えば、30μm以下の厚み)、全固体電池同士の隙間を小さくするため、不測の電池反応が生じやすくなる。そこで、本実施形態においては、第1カバー層10および第2カバー層50は、固体電解質層30と比較して、低いイオン伝導性を有している。
However, if the
この構成によれば、第1カバー層10および第2カバー層50と、固体電解質層30との間の焼成時の相互拡散を抑制しつつ、不測の電池反応を抑制することができる。なお、イオン伝導性の高低は、交流インピーダンス法で測定される、バルク抵抗と粒界抵抗とのトータルの抵抗値から計算される導電率である総合イオン導電率を、同一温度で比較して判断する。
According to this configuration, it is possible to suppress an unexpected battery reaction while suppressing mutual diffusion during firing between the
続いて、第1カバー層10および第2カバー層50の具体的な材料組成について説明する。固体電解質層30が、NASICON型のLi-X-Y-P-O組成を有している場合には、第1カバー層10および第2カバー層50も、NASICON型のLi-X-Y-P-O組成を有していることが好ましい。Xサイトは、AlやGa等の3価の金属元素である。Yサイトは、Ti,Ge,Zrなどの遷移金属である。例えば、固体電解質層30におけるZrの組成割合よりも、第1カバー層10および第2カバー層50におけるZrの組成割合を高くすることで、第1カバー層10および第2カバー層50のイオン伝導性を低くすることが好ましい。例えば、Yサイトに入る遷移金属のうちZrが占める割合において、固体電解質層30では50%以下であることが好ましく、30%以下であることがより好ましく、10%以下であることがさらに好ましい。また、例えば、Yサイトに入る遷移金属のうちZrが占める割合において、第1カバー層10および第2カバー層50では50%以上が好ましく、70%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い。
Subsequently, the specific material composition of the
固体電解質層30にも、Zr含有のNASICON型結晶構造の固体電解質を適用可能であるが、低イオン伝導相であるLi-Zr-P-O(例えば三斜晶構造)では、電池の内部抵抗が高くなってしまうため、好ましくはない。そこで、菱面体晶構造のLi-Zr-P-Oが多く含まれることが好ましい。一方、第1カバー層10および第2カバー層50に適用する固体電解質には、主として低イオン伝導相であるLi-Zr-P-Oを用いることが好ましく、不測の電池反応が懸念される高イオン伝導相(菱面体晶構造)のLi-Zr-P-Oはあまり好ましくない。以下、Li-Zr-P-OのことをLZPと称することもある。上記構造であれば特に限定はされないが、例えば、固体電解質層30に適用する固体電解質をLAGP(Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)とした場合、焼成時の相互拡散を抑制する観点から第1余白層60および第2余白層70に適用する固体電解質も同一組成のLAZP(Li1.5Al0.5Zr1.5(PO4)3)が好ましい。
A Zr-containing NASICON-type crystal structure solid electrolyte can be applied to the
ここで、イオン伝導体における高イオン伝導および低イオン伝導の定義について検討する。高イオン伝導とは、例えば、室温での総合イオン導電率が1×10-5S/cm以上と定義することができる。低イオン伝導とは、例えば、室温での総合イオン導電率が1×10-6S/cm未満と定義することができる。このように、イオン伝導体における高イオン伝導と低イオン伝導との間には、1桁以上の差異がある。本実施形態においては、イオン伝導体として機能しなくてもよいため、同一温度(例えば室温)において、第1カバー層10および第2カバー層50の総合イオン導電率は、固体電解質層30の総合イオン電導率に対して2桁以上低いことが好ましい。
Here, the definitions of high ionic conduction and low ionic conduction in ionic conductors will be examined. High ionic conductivity can be defined, for example, as a total ionic conductivity of 1 × 10 -5 S / cm or more at room temperature. Low ionic conductivity can be defined, for example, as a total ionic conductivity of less than 1 × 10 -6 S / cm at room temperature. As described above, there is a difference of one digit or more between high ionic conduction and low ionic conduction in the ionic conductor. In the present embodiment, since it does not have to function as an ionic conductor, the total ionic conductivity of the
図6は、LAZPの総合イオン導電率を例示する図である。図7は、LAGPの総合イオン導電率を例示する図である。例えば、室温(25℃)において、LAZPの総合イオン導電率は3.5×10-9S/cmであり、LAGPの総合イオン導電率は1.1×10-4S/cmである。このように、室温において、LAZPの総合イオン導電率は、LAGPの総合イオン導電率よりも4ケタ程度低くなっている。他の温度でも、同様の結果が得られている。したがって、第1カバー層10および第2カバー層50にLAZPを用い、固体電解質層30にLAGPを用いることが好ましい。
FIG. 6 is a diagram illustrating the total ionic conductivity of LAZP. FIG. 7 is a diagram illustrating the total ionic conductivity of LAGP. For example, at room temperature (25 ° C.), the total ionic conductivity of LAZP is 3.5 × 10 -9 S / cm, and the total ionic conductivity of LAGP is 1.1 × 10 -4 S / cm. As described above, at room temperature, the total ionic conductivity of LAZP is about 4 digits lower than the total ionic conductivity of LAGP. Similar results have been obtained at other temperatures. Therefore, it is preferable to use LAZP for the
本実施形態においては、第1カバー層10および第2カバー層50が酸化物系固体電解質を主成分とすることから、第1カバー層10および第2カバー層50と、固体電解質層30とが近い組成を有するようになる。それにより、第1カバー層10および第2カバー層50と、固体電解質層30との間の焼成時の相互拡散を抑制することができる。また、第1カバー層10および第2カバー層50が固体電解質層30よりも低いイオン伝導性を有することから、これらを介した不測の電池反応を抑制することができる。
In the present embodiment, since the
なお、第1余白層60および第2余白層70は、固体電解質層30と焼成時に相互拡散しないことが好ましい。そこで、本実施形態においては、第1余白層60および第2余白層70は、酸化物系固体電解質を主成分とすることが好ましい。しかしながら、第1余白層60および第2余白層70が酸化物系固体電解質を主成分とすると、第1余白層60および第2余白層70のイオン伝導性が高くなるおそれがある。第1余白層60および第2余白層70のイオン伝導性が高いと、ある位置の電極層が余白層および固体電解質層30を経由して、隣接する対極(極性が異なる電極)ではない、離れた位置にある対極との間で電池反応が生じるおそれがある。例えば、図3の矢印に示すように、正極20における正極層21が接している固体電解質層30を介して対向する、最隣接の負極40における負極層41との間での電池反応以外に、最隣接ではない負極40における負極層41との間で電池反応が生じるおそれがある。そこで、第1余白層60および第2余白層70は、固体電解質層30と比較して、低いイオン伝導性を有していることが好ましい。例えば、第1余白層60および第2余白層70は、第1カバー層10および第2カバー層50と実質的に同じ組成を有していることが好ましい。
It is preferable that the
続いて、全固体電池100の製造方法について説明する。図8は、全固体電池100の製造方法のフローを例示する図である。
Subsequently, a method for manufacturing the all-solid-
(グリーンシート作製工程)
上述の固体電解質層30を構成する酸化物系固体電解質の粉末が適切な粒度分布をもつように調製し、バインダ、分散剤、可塑剤などとともに、水あるいは有機溶剤に均一分散させることで、スラリーを得る。このとき、ビーズミル、湿式ジェットミル、各種混錬機、高圧ホモジナイザーなどを用いることができ、粒度分布の調整と分散とを同時に行うことができる観点からビーズミルを用いることが好ましい。得られたスラリーを塗工して所望の厚さをもつグリーンシートを得ることができる。塗工方法は、特に限定されるものではなく、スロットダイ方式、リバースコート方式、グラビアコート方式、バーコート方式、ドクターブレード方式などを用いることができる。
(Green sheet manufacturing process)
The powder of the oxide-based solid electrolyte constituting the above-mentioned
(カバーシート作製工程)
上述の第1カバー層10を構成する酸化物系固体電解質の粉末が適切な粒度分布をもつように調製し、結着材、バインダ、可塑剤などとともに、水あるいは有機溶剤に均一分散させることで、スラリーを得る。このとき、ビーズミル、湿式ジェットミル、各種混錬機、高圧ホモジナイザーなどを用いることができ、粒度分布の調整と分散とを同時に行うことができる観点からビーズミルを用いることが好ましい。得られたスラリーを塗工して所望の厚さをもつグリーンシートを得ることができる。塗工方法は、特に限定されるものではなく、スロットダイ方式、リバースコート方式、グラビアコート方式、バーコート方式、ドクターブレード方式などを用いることができる。第2カバー層50を形成するためのカバーシートも、同様の手法により作製することができる。
(Cover sheet manufacturing process)
The powder of the oxide-based solid electrolyte constituting the
(電極層用ペースト作製工程)
導電助剤、活物質、固体電解質材料、バインダ、可塑剤などを水あるいは有機溶剤に均一分散させることで電極層用ペーストを得ることができる。電極層用ペーストは、正極層21および負極層41の形成に用いられる。導電助剤として、カーボン、または、Pd、Ni、Cu、Feもしくはこれらを含む合金などを用いてもよい。この電極層用ペーストの一面に集電体層22,42の形成用の導電性金属ペーストの印刷層を形成し、その上に、さらに電極層用ペーストの印刷層を形成する。
(Paste preparation process for electrode layer)
A paste for an electrode layer can be obtained by uniformly dispersing a conductive auxiliary agent, an active material, a solid electrolyte material, a binder, a plasticizer, etc. in water or an organic solvent. The electrode layer paste is used for forming the
(積層工程)
電極層用ペーストおよび集電体用の導電性金属ペーストのパターンを、グリーンシート上に配置する。次に、第1余白層60および第2余白層70を構成する酸化物系固体電解質の粉末が適切な粒度分布をもつように調製し、バインダ、分散剤、可塑剤などとともに、水あるいは有機溶剤に均一分散させることで、余白層形成用ペーストを得る。次に、グリーンシート上の余白部分に、この余白層形成用ペーストを印刷する。印刷の方法は、特に限定されるものではなく、スクリーン印刷法、凹版印刷法、凸版印刷法、カレンダロール法などを用いることができる。薄層かつ高積層の積層デバイスを作製するにはスクリーン印刷がもっとも一般的と考えられる一方、ごく微細な電極パターンや特殊形状が必要な場合はインクジェット印刷を適用する方が好ましい場合もある。必要数のグリーンシートを積層し、最外層にカバーシートを配置して、圧着することで、積層体が得られる。
(Laminating process)
A pattern of the paste for the electrode layer and the conductive metal paste for the current collector is placed on the green sheet. Next, the powder of the oxide-based solid electrolyte constituting the
(焼成工程)
次に、得られた積層体を焼成する。焼成の条件は酸化性雰囲気下あるいは非酸化性雰囲気下で、最高温度を好ましくは400℃~1000℃、より好ましくは500℃~900℃などが特に限定なく挙げられる。最高温度に達するまでにバインダを十分に除去するために酸化性雰囲気において最高温度より低い温度で保持する工程を設けてもよい。プロセスコストを低減するためにはできるだけ低温で焼成することが望ましい。焼成後に、再酸化処理を施してもよい。このようにして、全固体電池100が製造される。
(Baking process)
Next, the obtained laminate is fired. The firing conditions are an oxidizing atmosphere or a non-oxidizing atmosphere, and the maximum temperature is preferably 400 ° C. to 1000 ° C., more preferably 500 ° C. to 900 ° C., and the like is not particularly limited. In order to sufficiently remove the binder until the maximum temperature is reached, a step of holding the binder at a temperature lower than the maximum temperature in an oxidizing atmosphere may be provided. In order to reduce the process cost, it is desirable to bake at the lowest possible temperature. After firing, a reoxidation treatment may be performed. In this way, the all-solid-
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the examples of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific examples thereof, and various modifications and variations are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 第1カバー層
20 正極
21 正極層
22 集電体層
25 第1縁部
30 固体電解質層
40 負極
41 負極層
42 集電体層
45 第2縁部
50 第2カバー層
60 第1余白層
70 第2余白層
80 第1外部電極
90 第2外部電極
100 全固体電池
200 電池モジュール
300 外装缶
10
Claims (3)
前記固体電解質層の一方の面上に形成された正極層と、
前記固体電解質層の他方の面上に形成された負極層と、
前記固体電解質層、前記正極層および前記負極層を含む積層構造において、積層方向の第1最外層に積層された第1カバー層と、
前記積層構造において、前記第1最外層とは反対側の第2最外層に積層された第2カバー層と、を備え、
前記第1カバー層および前記第2カバー層は、前記固体電解質層よりもイオン伝導性が低く、前記固体電解質層よりもZrの割合が多い固体電解質で構成されており、
同一温度において、前記第1カバー層および前記第2カバー層の総合イオン導電率は、前記固体電解質層の総合イオン導電率よりも2桁以上低いことを特徴とする全固体電池。 With a solid electrolyte layer,
A positive electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte layer and
A negative electrode layer formed on the other surface of the solid electrolyte layer and
In a laminated structure including the solid electrolyte layer, the positive electrode layer, and the negative electrode layer, a first cover layer laminated on the first outermost layer in the stacking direction, and
In the laminated structure, a second cover layer laminated on a second outermost layer opposite to the first outermost layer is provided.
The first cover layer and the second cover layer are composed of a solid electrolyte having a lower ion conductivity than the solid electrolyte layer and a higher proportion of Zr than the solid electrolyte layer.
An all-solid-state battery characterized in that , at the same temperature, the total ionic conductivity of the first cover layer and the second cover layer is two orders of magnitude or more lower than the total ionic conductivity of the solid electrolyte layer .
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