JP2020024780A - All-solid battery and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】 出力特性に優れた全固体電池を提供することを目的とする。【解決手段】 本発明に係る全固体電池の製造方法は、正極層と、負極層と、固体電解質層と、を備え、正極活物質と、酸化物ガラス粉末と、分解温度が酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤と、を含む正極スラリーをシート状に成型して正極シートを作製する工程と、酸化物ガラス粉末と、分解温度が酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤とを含む固体電解質スラリーをシート状に成型して固体電解質シートを作製する工程と、正極シートと固体電解質シートを積層した後、加圧する積層工程と、積層された正極シート及び固体電解質シートを酸化物ガラスの結晶化温度未満で脱脂した後、加圧する脱脂工程と、プレスされた積層体を酸化物ガラスの結晶化温度以上300℃未満で加熱する結晶化工程と、を備える。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an all-solid-state battery having excellent output characteristics. A method for producing an all-solid battery according to the present invention includes a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer, and comprises a positive electrode active material, an oxide glass powder, and a decomposition temperature of oxide glass. The step of forming a positive electrode sheet by molding a positive electrode slurry containing a binder containing a binder and a solvent below the crystallization temperature into a sheet, and the oxide glass powder and the decomposition temperature of the oxide glass are lower than the crystallization temperature of the oxide glass. A step of forming a solid electrolyte sheet by molding a solid electrolyte slurry containing a binder and a solvent into a sheet, a laminating step of laminating a positive electrode sheet and a solid electrolyte sheet and then applying pressure, and a laminated positive electrode sheet and a solid. The electrolyte sheet is degreased at a temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass and then pressed, and the pressed laminate is heated at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of the oxide glass and lower than 300 ° C. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、固体電解質を用いた全固体電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an all-solid-state battery using a solid electrolyte and a method for manufacturing the same.
リチウムイオン電池は、各種モバイル端末のみならず車載、インフラ用途など、幅広い分野で使用されている。さらに近年、電子機器が高性能化したことで各種センサーやカメラなどが小型化し、リチウムイオン電池のそれら端末への応用が期待されている。電子機器類は過酷環境で使用されることもあり、リチウムイオン電池にも高い温度耐久性が求められる。 Lithium-ion batteries are used not only in various mobile terminals but also in a wide range of fields such as in-vehicle and infrastructure applications. Furthermore, in recent years, various sensors and cameras have been miniaturized due to the high performance of electronic devices, and application of lithium ion batteries to these terminals is expected. Electronic devices are sometimes used in harsh environments, and lithium-ion batteries also require high temperature durability.
リチウムイオン電池の高温での特性低下や安全性確保のために、電解液に代わりリチウムイオン伝導性の固体電解質を利用した全固体電池が提案されている。特にナシコン、ペロブスカイト、ガーネット構造をもったリチウムイオン伝導性の酸化物系固体電解質は、熱安定性が極めて高いことから全固体電池への応用研究が精力的に進められている。 An all-solid-state battery using a lithium-ion conductive solid electrolyte instead of an electrolyte has been proposed in order to lower the characteristics of a lithium-ion battery at high temperatures and to ensure safety. In particular, application studies on all-solid-state batteries are being vigorously pursued because lithium ion conductive oxide-based solid electrolytes having a NASICON, perovskite, or garnet structure have extremely high thermal stability.
例えば、特許文献1には、グリーンシート工法を適用した全固体電池の製造方法が開示されている。活物質、酸化物系の固体電解質、および集電体のスラリーをそれぞれ作製し、スラリーを塗布乾燥して得られるグリーンシートを積層して、酸化雰囲気中で焼結することで多積層構造の全固体電池が作製可能となる。
For example,
また、特許文献2には、300℃程度以下の加熱でも十分な導電性を与え得る酸化物固体電解質が開示されている。酸化物固体電解質は、一般式(I):Aa(B1-bSb)Oc(式中、AはNa及びLiから選択され、aは2.75<a<3であり、bは0<b<0.25であり、cは3<c<3.25である)で表されることが記載されている。
特許文献1に記載されている正極層と固体電解質層を一体として焼結する方法では、正極活物質の種類によっては固体電解質と正極活物質の化学反応により異相が形成する。異相の形成を抑制するためには、使用する正極活物質の種類を制限する必要がある。
In the method of sintering the positive electrode layer and the solid electrolyte layer integrally described in
一方で、特許文献2に記載されているガラスセラミックス状の固体電解質を用いれば、あらゆる活物質の適用が可能となる。しかしながら、特許文献2に記載されているように粉体をプレスする方法では、固体電解質層を100μmオーダー以下に薄片化することが難しく、高出力化が課題となっている。
On the other hand, if a glass-ceramic solid electrolyte described in
そこで、本発明は、出力特性に優れた全固体電池及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an all-solid-state battery having excellent output characteristics and a method for manufacturing the same.
本発明に係る全固体電池の製造方法は、正極層と、負極層と、正極層と負極層の間に配置された固体電解質層と、を備え、正極活物質と、酸化物ガラス粉末と、分解温度が酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤と、を含む正極スラリーをシート状に成型して正極シートを作製する工程と、酸化物ガラス粉末と、分解温度が酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤とを含む固体電解質スラリーをシート状に成型して固体電解質シートを作製する工程と、正極シートと固体電解質シートを積層した後、加圧する積層工程と、積層された正極シート及び固体電解質シートを酸化物ガラスの結晶化温度未満で脱脂した後、加圧する脱脂工程と、プレスされた積層体を酸化物ガラスの結晶化温度以上300℃未満で加熱する結晶化工程と、を備えることを特徴とする。 The method for manufacturing an all-solid battery according to the present invention includes a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, a positive electrode active material, and an oxide glass powder. Forming a positive electrode sheet by forming a positive electrode slurry containing a binder having a decomposition temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass and a solvent into a sheet shape, an oxide glass powder, and a decomposition temperature of the oxide glass A step of forming a solid electrolyte sheet by molding a solid electrolyte slurry containing a binder having a crystallization temperature of less than a solvent and a solvent into a sheet shape, and laminating the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet, and then pressing a laminating step, After degreasing the laminated positive electrode sheet and solid electrolyte sheet at a temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass, a degreasing step of applying pressure and heating the pressed laminate at a temperature higher than the crystallization temperature of the oxide glass and lower than 300 ° C Crystallization and process that, characterized in that it comprises a.
本発明によれば、出力特性に優れた全固体電池及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the all-solid-state battery excellent in output characteristics and its manufacturing method can be provided.
以下、本発明の一実施形態に係る全固体電池及びその製造方法について説明する。尚、全固体電池の構成及びその製造方法は、下記に示したものに限定されず、その要旨を変更しない範囲内において適宜変更して実施できるものである。 Hereinafter, an all-solid-state battery and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described. The configuration of the all-solid-state battery and the method of manufacturing the same are not limited to those described below, and can be practiced with appropriate changes within a scope that does not change the gist thereof.
<全固体電池の製造方法>
図1に一実施形態に係る全固体電池の作製工程を示す。
<Manufacturing method of all solid state battery>
FIG. 1 shows a manufacturing process of an all-solid-state battery according to one embodiment.
全固体電池の製造方法は、正極シート作製工程と、固体電解質シート作製工程と、積層工程と、脱脂工程と、結晶化工程と、を有する。以下、各工程について説明する。 The method for manufacturing an all-solid battery includes a positive electrode sheet preparation step, a solid electrolyte sheet preparation step, a lamination step, a degreasing step, and a crystallization step. Hereinafter, each step will be described.
(正極シート作製工程)
正極シート作製工程では、正極活物質と、酸化物ガラス粉末と、分解温度が酸化物温度の結晶化温度未満であるバインダと、溶剤と、を含む正極スラリーをシート状に成型することにより、正極シートを作製する。本明細書において、バインダの分解温度とは、バインダの90%が熱分解する温度と定義する。
(Positive electrode sheet manufacturing process)
In the positive electrode sheet preparation step, a positive electrode slurry containing a positive electrode active material, an oxide glass powder, a binder having a decomposition temperature lower than the crystallization temperature of the oxide temperature, and a solvent is formed into a sheet, thereby forming a positive electrode. Make a sheet. In the present specification, the decomposition temperature of the binder is defined as a temperature at which 90% of the binder is thermally decomposed.
図2は、一実施形態に係る正極シート作製工程を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating a positive electrode sheet manufacturing process according to one embodiment.
まず、正極活物質とリチウムイオン伝導性固体電解質の主材料となるイオン伝導性の酸化物ガラス粉末とバインダ溶液を混合し、正極スラリーを作製する。 First, a positive electrode slurry is prepared by mixing a positive electrode active material, an ion conductive oxide glass powder which is a main material of a lithium ion conductive solid electrolyte, and a binder solution.
正極スラリーには、導電助剤を添加してもよい。導電助剤としては、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などのグラファイト、単層または多層のカーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン、VGCF、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(商品名)、チャンネルブラック6、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック、炭素繊維などが使用可能である。これらを単独で使用してもよく、また、2種以上を併用してもよい。例えば、粒子状のものの場合、1次粒子のみに制限されず、2次粒子や鎖状構造などの集合体の形態を有するものも用いることができる。カーボンのDBP給油量(油がストラクチャの空隙にどの程度保持されるかという値)は、100(ml/100g)以上であることにより、正極スラリー固形分の2.5〜10wt%の少量添加で高温保存後の電子伝導性を充分に確保することが可能となる。 A conductive assistant may be added to the positive electrode slurry. Examples of the conductive additive include graphite such as natural graphite and artificial graphite, single- or multi-walled carbon nanotubes, graphene, fullerene, VGCF, acetylene black, Ketjen black (trade name), channel black 6, furnace black, and lamps. Carbon black such as black and thermal black, carbon fiber and the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more. For example, in the case of particles, the particles are not limited to primary particles, and those having an aggregate form such as secondary particles or a chain structure can also be used. Since the DBP lubrication amount of carbon (value of how much oil is retained in the voids of the structure) is 100 (ml / 100 g) or more, it can be added in a small amount of 2.5 to 10 wt% of the solid content of the positive electrode slurry. It becomes possible to sufficiently secure electron conductivity after high-temperature storage.
バインダ溶液の溶剤は酸化物ガラス粉末と化学反応しないものを用いる。酸化物ガラス粉末と化学反応しない溶剤としては例えば、エタノール、酢酸ブチル、ジブチルエーテル等が挙げられる。 As the solvent of the binder solution, a solvent that does not chemically react with the oxide glass powder is used. Examples of the solvent that does not chemically react with the oxide glass powder include ethanol, butyl acetate, dibutyl ether and the like.
バインダとしては、分解温度が300℃未満であることが好ましく、例えば、メチルセルロース、メチルブタントリオールを用いることができる。バインダは、上記溶剤に10質量%〜20質量%の重量比で溶解させる。 The binder preferably has a decomposition temperature of less than 300 ° C. For example, methylcellulose and methylbutanetriol can be used. The binder is dissolved in the solvent at a weight ratio of 10% by mass to 20% by mass.
イオン伝導性の酸化物ガラス粉末は、ビーズミル、ボールミル等の方法により特定の範囲の粒子径に粉砕する。あらかじめ特定の範囲の粒子径に粉砕された酸化物ガラス粉末を用いてもよい。酸化物ガラス粉末の平均粒径は10μm以下であることが好ましく、5μm以下がより好ましい。粒度分布は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置により測定することができる。平均粒径は、粒度分布の中央価(D50)に基づくものであり、粒径分布において、ある粒子径より小さい体積の総和が、全粉体の体積全体の50%を占めるときの粒子径である。 The ion-conductive oxide glass powder is pulverized to a specific range of particle diameter by a method such as a bead mill or a ball mill. Oxide glass powder previously ground to a specific range of particle size may be used. The average particle size of the oxide glass powder is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less. The particle size distribution can be measured by a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device. The average particle size is based on the median value (D50) of the particle size distribution. In the particle size distribution, the sum of volumes smaller than a certain particle size occupies 50% of the entire volume of the whole powder. is there.
イオン伝導性の酸化物ガラスは、リチウム、ホウ素、硫黄、及び酸素の少なくともいずれかを含むことが好ましく、Li3BO3及びLi2SO4を含むことがさらに好ましい。 The ion-conductive oxide glass preferably contains at least one of lithium, boron, sulfur, and oxygen, and more preferably contains Li 3 BO 3 and Li 2 SO 4 .
Li3BO3及びLi2SO4を含む酸化物ガラスは、Li3BO3とL2iSO4とを不活性雰囲気中でメカニカルミリングによって混合することで得ることができる。処理装置及び処理条件は限定されないが、遊星ボールミルが特に好ましく、ミリング処理の前に不活性雰囲気中で乳鉢等でLi3BO3とL2iSO4とを充分に混合しておくとよい。処理条件は、使用する処理装置に応じて適宜変更する必要があるが、遊星ボールミルを使用する場合には、回転速度が大きいほど及び/又は処理時間が長いほど、原料を均一に混合・反応できる。具体的には、遊星型ボールミルを使用する場合、試料の加速度とボール重量から算出される力が0.02N以上で1時間以上50時間以内の時間で処理することが好ましく、20時間以上50時間以内の時間で処理することがより好ましい。処理雰囲気は、アルゴンのような不活性雰囲気下であることが好ましいが、オーバーポット等を使用して密閉状態で処理してもよい。なお、メカニカルミリング処理時の加水分解反応を回避するため、無水状態であることが好ましく、両塩が結晶水を含む場合には、空気中で200℃以上600℃以下の温度で、かつ1時間から6時間以内で脱水しておくことが好ましい。 The oxide glass containing Li 3 BO 3 and Li 2 SO 4 can be obtained by mixing Li 3 BO 3 and L 2 ISO 4 by mechanical milling in an inert atmosphere. Although a processing apparatus and processing conditions are not limited, a planetary ball mill is particularly preferable, and it is preferable that Li 3 BO 3 and L 2 ISO 4 are sufficiently mixed in a mortar or the like in an inert atmosphere before milling. The processing conditions need to be appropriately changed according to the processing apparatus used. However, when a planetary ball mill is used, the higher the rotation speed and / or the longer the processing time, the more uniformly the raw materials can be mixed and reacted. . Specifically, when a planetary ball mill is used, it is preferable that the force calculated from the acceleration of the sample and the ball weight is 0.02 N or more and the treatment is performed for 1 hour to 50 hours, and for 20 hours to 50 hours. It is more preferable that the treatment is performed within a period of time. The processing atmosphere is preferably an inert atmosphere such as argon, but the processing may be performed in a closed state using an overpot or the like. In addition, in order to avoid the hydrolysis reaction at the time of mechanical milling treatment, it is preferable that the salt is in an anhydrous state. When both salts contain water of crystallization, the temperature is 200 ° C. or more and 600 ° C. or less in air for 1 hour. It is preferable to dehydrate within 6 hours.
正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能である既知の正極活物質を使用することができる。例えば、層状構造を有するLiMO2(Mは少なくとも1種の遷移金属)で表されるものであり、MはNi、Co、Mn、Fe、Ti、Zr、Al、Mg、Cr,Vなどがあげられる。その他にも、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムや、これらのマンガン、コベルト、ニッケルの一部を1種以上の遷移金属元素で置換したものを用いてもよい。また、LiM2O4で表されるスピネル系、LiFePO4等のオリビン系、Li過剰の層状固溶体、ケイ酸塩、バナジウム酸化物等の活物質を用いることができる。 As the positive electrode active material, a known positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions can be used. For example, it is represented by LiMO 2 having a layered structure (M is at least one transition metal), and M is Ni, Co, Mn, Fe, Ti, Zr, Al, Mg, Cr, V, etc. Can be In addition, lithium manganate, lithium cobaltate, lithium nickelate, or those in which part of these manganese, cobert, and nickel are substituted with one or more transition metal elements may be used. In addition, an active material such as a spinel-based material represented by LiM 2 O 4 , an olivine-based material such as LiFePO 4 , a layered solid solution in excess of Li, a silicate, and a vanadium oxide can be used.
正極スラリーの固形分比は、50%以上とすることが好ましく、70%以上がさらに好ましい。ここで、固形分比とは、スラリーの重量に対する正極活物質、酸化物ガラス粉末及びバインダ重量の総和である。スラリーの固形分比は溶剤の添加量により調整することができる。 The solid content ratio of the positive electrode slurry is preferably at least 50%, more preferably at least 70%. Here, the solid content ratio is the total weight of the positive electrode active material, the oxide glass powder, and the binder with respect to the weight of the slurry. The solid content ratio of the slurry can be adjusted by the amount of the solvent added.
酸化物ガラス粉末に対する正極活物質の比率は、重量比で1以上であることが好ましく、4以上であることがより好ましい。酸化物ガラス粉末と正極活物質の総和に対してバインダの比率は重量比で0.6未満であることが好ましく、0.3未満であることがより好ましい。 The weight ratio of the positive electrode active material to the oxide glass powder is preferably 1 or more, and more preferably 4 or more. The weight ratio of the binder to the sum of the oxide glass powder and the positive electrode active material is preferably less than 0.6, and more preferably less than 0.3.
次に、正極スラリーをシート状に成型する。ドクターブレード法、スクリーン印刷法等により、乾燥後の厚みが100μm以下のグリーンシートを得ることができる。具体的には正極スラリーを離型処理が施されたPET等のキャリアフィルム上に成形し、乾燥する。乾燥後、ベルトポンチ等により所定の大きさに打ち抜き、必要に応じてフィルムを剥離する。剥離した後、正極シートが所定の厚さとなるまで積層してもよい。なお、所定の厚さとなるまで正極シートを複数枚積層した後、所定の大きさに打ち抜いても良い。 Next, the positive electrode slurry is formed into a sheet. A green sheet having a thickness of 100 μm or less after drying can be obtained by a doctor blade method, a screen printing method, or the like. Specifically, the positive electrode slurry is formed on a carrier film such as PET which has been subjected to a release treatment, and dried. After drying, the film is punched to a predetermined size by a belt punch or the like, and the film is peeled off as necessary. After peeling, the positive electrode sheets may be laminated until a predetermined thickness is obtained. In addition, after laminating a plurality of positive electrode sheets until a predetermined thickness is obtained, the sheet may be punched to a predetermined size.
(固体電解質シート作製工程)
固体電解質シート作製工程では、酸化物ガラス粉末と、分解温度が酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤と、を含む固体電解質スラリーをシート状に成型して固体電解質シートを作製する。図3は固体電解質シート作製工程を示す図である。
(Solid electrolyte sheet production process)
In the solid electrolyte sheet preparation step, a solid electrolyte slurry containing oxide glass powder, a binder having a decomposition temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass, and a solvent is formed into a sheet to form a solid electrolyte sheet. . FIG. 3 is a diagram showing a solid electrolyte sheet manufacturing process.
まず、イオン伝導性の酸化物ガラス粉末とバインダ溶液とを混合し、固体電解質スラリーを作製する。固体電解質スラリーには導電助剤を添加しても良い。導電助剤には、正極スラリーに用いるものと同様のものを使用することができる。酸化物ガラス粉末、バインダ、バインダ溶液の溶剤は、正極スラリーで用いるものと同様の種類、大きさものを使用することができる。 First, a solid electrolyte slurry is prepared by mixing an ion-conductive oxide glass powder and a binder solution. A conductive additive may be added to the solid electrolyte slurry. As the conductive assistant, the same one as that used for the positive electrode slurry can be used. As the oxide glass powder, the binder, and the solvent of the binder solution, the same type and size as those used in the positive electrode slurry can be used.
固体電解質スラリーの固形分比は、50%以上であることが好ましく、70%以上とすることがより好ましい。固形分比を50%以上とすることにより、均一な厚さのシートを容易に作製することができる。 The solid content ratio of the solid electrolyte slurry is preferably 50% or more, more preferably 70% or more. By setting the solid content ratio to 50% or more, a sheet having a uniform thickness can be easily produced.
酸化物ガラス粉末に対するバインダの比率は、重量比で0.6未満であることが好ましく、0.3未満であることがより好ましい。バインダの比率を0.6未満とすることにより、脱脂工程後にバインダ除去されても、密度を維持することができる。その結果、シートの自立が容易となる。 次に、固体電解質スラリーをシート状に成型する。正極シートと同様の方法によりシート状に成型することが可能である。 The weight ratio of the binder to the oxide glass powder is preferably less than 0.6, and more preferably less than 0.3. By setting the ratio of the binder to less than 0.6, the density can be maintained even if the binder is removed after the degreasing step. As a result, the sheet becomes easy to stand on its own. Next, the solid electrolyte slurry is formed into a sheet. It can be formed into a sheet by the same method as the positive electrode sheet.
(積層工程)
積層工程では、正極シートと固体電解質シートを積層した後、加圧する。脱脂前に加圧することにより、正極シートと固体電解質シートを緻密化させ、シート同士を接着させる。油圧プレス機やロールプレス機を用いて加圧することができる。十分な緻密性を得るために、加圧時の圧力は100MPa以上とすることが好ましく、350MPa以上とすることがより好ましい。
(Lamination process)
In the laminating step, after the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet are laminated, pressure is applied. By applying pressure before degreasing, the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet are densified, and the sheets are bonded to each other. Pressurization can be performed using a hydraulic press or a roll press. In order to obtain sufficient compactness, the pressure at the time of pressurization is preferably 100 MPa or more, and more preferably 350 MPa or more.
(脱脂工程)
脱脂工程では、積層された正極シート及び固体電解質シートを、正極シート及び固体電解質シートに含まれる酸化物ガラスの結晶化温度未満に加熱することにより、脱脂した後、加圧する。
(Degreasing process)
In the degreasing step, the laminated positive electrode sheet and solid electrolyte sheet are degreased by heating to a temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass contained in the positive electrode sheet and solid electrolyte sheet, and then pressurized.
積層されたグリーンシートを脱脂した後、加圧することにより、正極と固体電解質層が一体化させることができる。 The positive electrode and the solid electrolyte layer can be integrated by applying pressure after degreasing the stacked green sheets.
脱脂時の温度は、正極シート及び固体電解質シートに含まれる酸化物ガラスの結晶化温度未満であればよいが、好ましくはバインダの分解開始温度近傍の200℃以上250℃未満である。 The temperature at the time of degreasing may be lower than the crystallization temperature of the oxide glass contained in the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet, and is preferably 200 ° C. or higher and lower than 250 ° C., which is near the binder decomposition start temperature.
(結晶化工程)
結晶化工程では、脱脂工程で一体化された正極層及び固体電解質層を300℃未満で加熱する。加熱することにより、正極層及び固体電解質層に含まれる酸化物ガラスの一部を結晶化させる。酸化物ガラスの一部を結晶化させることにより、ガラスセラミクスとなり、イオン伝導度を向上させることができる。加熱温度を300℃未満とすることにより、イオン伝導度の高い結晶相を成長させることができる。結晶化温度は、示唆走査熱量分析によって確認できる。
(Crystallization step)
In the crystallization step, the positive electrode layer and the solid electrolyte layer integrated in the degreasing step are heated at less than 300 ° C. By heating, a part of the oxide glass contained in the positive electrode layer and the solid electrolyte layer is crystallized. By crystallizing a part of the oxide glass, glass ceramics can be obtained, and ionic conductivity can be improved. By setting the heating temperature to less than 300 ° C., a crystal phase having high ionic conductivity can be grown. The crystallization temperature can be confirmed by suggestive scanning calorimetry.
ガラスセラミックス化するとヤング率が高くなるため、脱脂後のプレスで成型することが難しくなる。そのため、脱脂工程における脱脂温度を250℃以下、結晶化工程における加熱温度を250℃以上300℃未満とすることがより好ましい。 Since glass ceramics increases the Young's modulus, it becomes difficult to mold with a press after degreasing. Therefore, it is more preferable that the degreasing temperature in the degreasing step is 250 ° C. or less, and the heating temperature in the crystallization step is 250 ° C. or more and less than 300 ° C.
(接合工程)
接合工程では、結晶化工程後に負極層を固体電解質層に接合する。具体的には、固体電解質層に金属リチウム、インジウム、またはリチウムアルミ合金を蒸着、ないしはこれらの箔を圧着・加熱することで負極層を接合する。負極層を圧着する場合は、SUSやアルミニウムまたは銅箔等の集電体上に形成されていてもよい。
(Joining process)
In the joining step, the negative electrode layer is joined to the solid electrolyte layer after the crystallization step. Specifically, the negative electrode layer is joined by depositing metallic lithium, indium, or lithium aluminum alloy on the solid electrolyte layer, or by pressing and heating these foils. When the negative electrode layer is pressure-bonded, it may be formed on a current collector such as SUS, aluminum, or copper foil.
なお、負極層は以下の方法で接合してもよい。図5は、全固体電池の作製工程を示す図である。正極シート、固体電解質シートと同じように負極シートを作製する。負極シートは、負極活物質と、酸化物ガラス粉末と、分解温度が酸化物温度の結晶化温度未満であるバインダと、溶剤と、を含む負極スラリーをシート状に成型することにより作製する。 The negative electrode layer may be joined by the following method. FIG. 5 is a diagram illustrating a manufacturing process of the all-solid-state battery. A negative electrode sheet is prepared in the same manner as the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet. The negative electrode sheet is prepared by molding a negative electrode slurry containing a negative electrode active material, an oxide glass powder, a binder having a decomposition temperature lower than the crystallization temperature of the oxide temperature, and a solvent into a sheet shape.
積層工程において、正極シート、固体電解質シート、負極シートの順に積層、加圧した後、脱脂工程、結晶化工程を行うことにより全固体電池を作製してもよい。 In the laminating step, the all-solid-state battery may be manufactured by laminating and pressing the positive electrode sheet, the solid electrolyte sheet, and the negative electrode sheet in this order, and then performing a degreasing step and a crystallization step.
グリーンシート工法をガラス状の酸化物固体電解質に応用することにより、固体電解質層を薄片化することができる。固体電解質層の厚さを100μm以下にまで薄くすることができるため、全固体電池を高出力化できる。このように作製された全固体電池は、車載、インフラ用途で0℃以下の低温から80℃以上の高温環境において、優れた出力特性を発揮する。 By applying the green sheet method to a glassy oxide solid electrolyte, the solid electrolyte layer can be thinned. Since the thickness of the solid electrolyte layer can be reduced to 100 μm or less, the output of the all-solid-state battery can be increased. The all-solid-state battery manufactured in this manner exhibits excellent output characteristics in a high temperature environment of 80 ° C. or more from a low temperature of 0 ° C. or less for use in vehicles and infrastructure.
<全固体電池>
上記製造方法で作製された全固体電池について、図4を用いて説明する。
<All-solid-state battery>
The all solid state battery manufactured by the above manufacturing method will be described with reference to FIG.
図4は、一実施形態に係る全固体電池の断面図である。全固体電池は、正極層8と、負極層6と、正極層8と負極層6の間に配置された固体電解質層7(以下、電極群という。)とを備える。電極群は、正極側電池ケース1及び負極側電池ケース2にから構成される電池ケースに収容される。電池ケース内部には、ケース内部の気密性を保つため、また正極端子と負極端子の間の短絡を防止するためにガスケット4が設けられている。全固体電池は、電極群を固定させるために、ウェーブワッシャー4、スペーサー5をさらに備える。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the all-solid-state battery according to one embodiment. The all-solid-state battery includes a
上記製造方法により作製された全固体電池の固体電解質層は、一部が結晶化された酸化物ガラスと、分解温度が酸化物ガラスの結晶化温度以下であるバインダと、を含む。 The solid electrolyte layer of the all-solid-state battery manufactured by the above manufacturing method includes a partially crystallized oxide glass and a binder having a decomposition temperature equal to or lower than the crystallization temperature of the oxide glass.
酸化物ガラスは、リチウム、ホウ素、硫黄、及び酸素の少なくともいずれかを含むことを特徴とし、Li3BO3及びLi2SO4を含むことが好ましい。 The oxide glass contains at least one of lithium, boron, sulfur, and oxygen, and preferably contains Li 3 BO 3 and Li 2 SO 4 .
固体電解質シートに含まれているバインダの大部分は、脱脂工程により分解するが、バインダの一部は分解せずに固体電解質層に残留している。したがって、上記製造方法により作製された全固体電池の固体電解質層には、分解温度が酸化物ガラスの結晶化温度以下であるバインダが含まれる。バインダとしては、具体的には、メチルセルロース又はメチルブタントリオールであることが好ましい。 Most of the binder contained in the solid electrolyte sheet is decomposed in the degreasing step, but a part of the binder remains in the solid electrolyte layer without being decomposed. Therefore, the solid electrolyte layer of the all-solid-state battery manufactured by the above manufacturing method includes a binder whose decomposition temperature is equal to or lower than the crystallization temperature of the oxide glass. Specifically, the binder is preferably methylcellulose or methylbutanetriol.
固体電解質層の厚さは100μm以下であることが好ましい。 The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 100 μm or less.
固体電解質層と同様に、正極層にもバインダの残渣が残っている。そのため、正極層は、正極活物質と、一部が結晶化された酸化物ガラスと、分解温度が酸化物ガラスの結晶化温度以下であるバインダと、を含む。 Similarly to the solid electrolyte layer, binder residue remains in the positive electrode layer. Therefore, the positive electrode layer includes a positive electrode active material, a partially crystallized oxide glass, and a binder whose decomposition temperature is equal to or lower than the crystallization temperature of the oxide glass.
<正極活物質の作製>
Li源となる化合物としてLi2CO3、Co源となる化合物としてCo3O4を用いて、Coに対するLiのモル比が1.03となるように秤量して乳鉢で混合し、油圧プレス機で圧粉成型しペレット状にした。
<Preparation of positive electrode active material>
Using Li 2 CO 3 as a compound serving as a Li source and Co 3 O 4 as a compound serving as a Co source, weighing them so that the molar ratio of Li to Co becomes 1.03, mixing them in a mortar, and using a hydraulic press machine To form a pellet.
得られたペレットを酸素雰囲気中にて、1000℃で10時間熱処理後、乳鉢で粉砕して、平均粒子径15μmの一般組成式LiCoO2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。なお、本組成比は、ICP(Inductivity Coupled Plasma:誘導結合プラズマ発光分析)法により測定し、結晶構造はXRD(X−ray Diffraction)で空間群R−3mに帰属される層状構造になっていることを確認した。 The obtained pellets were heat-treated in an oxygen atmosphere at 1000 ° C. for 10 hours, and then pulverized in a mortar to synthesize a lithium-containing cobalt oxide represented by a general composition formula LiCoO 2 having an average particle diameter of 15 μm. The composition ratio is measured by an ICP (Inductivity Coupled Plasma: Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy) method, and the crystal structure is a layered structure belonging to the space group R-3m by XRD (X-ray Diffraction). It was confirmed.
合成されたLiCoO2粒子表面をLiNbO3で以下の方法により被覆した。まず、エタノール中にエトキシリチウムとペンタエトキシニオブがそれぞれ0.6mol/L含まれるように、エタノールに溶解させ、LiNbO3反応抑制層の前駆体溶液を作製した。LiNbO3前駆体のLiCoO2への被覆は転動流動コーティング装置(パウレック社製、MP−01)を用いて行った。LiCoO2を転動流動コーティング装置内に入れ、流動ガスとして、乾燥空気を導入した。正極活物質粉体を乾燥空気によって巻き上げて転動流動コーティング装置内部で循環させながら、LiNbO3前駆体溶液を1.5時間噴霧しコーティングした。次に、管状電気炉を用いて、酸素ガス雰囲気で400℃、30分間加熱処理することによってLiNbO3が被覆されたLiCoO2正極活物質を得た。 The surface of the synthesized LiCoO 2 particles was coated with LiNbO 3 by the following method. First, ethanol was dissolved in ethanol so that ethoxylithium and pentaethoxyniobium were each contained at 0.6 mol / L to prepare a precursor solution for the LiNbO 3 reaction suppression layer. The LiNbO 3 precursor was coated on LiCoO 2 using a tumbling fluidized coating apparatus (MP-01, manufactured by Powrex). LiCoO 2 was placed in a tumbling fluidized coating apparatus, and dry air was introduced as a fluidized gas. The LiNbO 3 precursor solution was sprayed for 1.5 hours while being coated with the positive electrode active material powder wound up by dry air and circulated inside the tumbling fluidized coating apparatus for coating. Next, a LiCoO 2 cathode active material coated with LiNbO 3 was obtained by performing a heat treatment at 400 ° C. for 30 minutes in an oxygen gas atmosphere using a tubular electric furnace.
得られた正極活物質の表面を、走査型電子顕微鏡SEM(Scanning Electron Microscope、日立S−4300)で観察し、EDS(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy、堀場製作所製)でNbが存在していることを確認した。 The surface of the obtained positive electrode active material was observed with a scanning electron microscope SEM (Scanning Electron Microscope, Hitachi S-4300), and Nb was present by EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, manufactured by Horiba, Ltd.). It was confirmed.
<イオン伝導性酸化物ガラスの作製>
Li2SO4・H2O(和光純薬純度98〜102%)を300℃の真空オーブンで2時間加熱し、脱水することでLi2SO4を得た。同様に、Li3BO3(豊島製作所)も300℃の真空オーブンで2時間加熱し乾燥させた。脱水、乾燥されたLi3BO3とLi2SO4を露点-100℃のAr雰囲気グローブボックス内にて、重量比9:1の比率で乳鉢を用いて10分間混合した。
<Preparation of ion-conductive oxide glass>
Li 2 SO 4 · H 2 O (Wako Pure Chemical purity 98-102%) was heated for 2 hours at 300 ° C. vacuum oven to give the Li 2 SO 4 by dehydration. Similarly, Li 3 BO 3 (Toshima Seisakusho) was dried by heating in a vacuum oven at 300 ° C. for 2 hours. The dehydrated and dried Li 3 BO 3 and Li 2 SO 4 were mixed in an Ar atmosphere glove box having a dew point of −100 ° C. in a 9: 1 weight ratio using a mortar for 10 minutes.
得られた混合粉をジルコニア製のボールミルポットに直径5mmのボールが35g分とともに投入し、SUS製のオーバーポットで封止した。遊星型ボールミル(Fritsch社製Pulverisette P−7)を用いて、回転数370rpmで20時間メカニカルミリング処理することで平均粒径5μmのi3BO3-Li2SO4ガラス粉末を得た。 The obtained mixed powder was charged into a zirconia ball mill pot together with 35 g of a ball having a diameter of 5 mm and sealed with an SUS overpot. Using a planetary ball mill (Pulverisette P-7, manufactured by Fritsch), a mechanical milling treatment was performed at 370 rpm for 20 hours to obtain i 3 BO 3 -Li 2 SO 4 glass powder having an average particle size of 5 μm.
尚、上記の製造法は、Journal of Power Sources 270 (2014) 603−607に準じている。 In addition, the said manufacturing method is based on Journal of Power Sources 270 (2014) 603-607.
<正極スラリーの作製>
酢酸ブチルに、メチルブタントリオールを濃度が15質量%となるように溶解させた。LiNbO3被覆LiCoO2粉末と、Li3BO3-Li2SO4ガラス粉末と、酢酸ブチルに溶解させたメチルブタントリオールと、を露点-30℃以下の環境で混合し、正極スラリーを作製した。
<Preparation of positive electrode slurry>
Methylbutanetriol was dissolved in butyl acetate to a concentration of 15% by mass. LiNbO 3 -coated LiCoO 2 powder, Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 glass powder, and methylbutanetriol dissolved in butyl acetate were mixed in an environment having a dew point of −30 ° C. or less to prepare a positive electrode slurry.
LiNbO3被覆LiCoO2粉末と、Li3BO3-Li2SO4ガラス粉末を重量比で1:1とし、これらの総和の重量に対してバインダが重量比で7:3となるように乳鉢で10分間混合しながら、酢酸ブチルを適量加えて正極スラリーとした。 The LiNbO 3 -coated LiCoO 2 powder and the Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 glass powder were set at a weight ratio of 1: 1. While mixing for 10 minutes, an appropriate amount of butyl acetate was added to obtain a positive electrode slurry.
<固体電解質スラリーの作製>
Li3BO3-Li2SO4ガラス粉末と、メチルブタントリオールを15質量%の濃度で酢酸ブチルに溶解させたバインダ溶液を露点-30℃以下の環境で混合し、固体電解質スラリーを作製した。
<Preparation of solid electrolyte slurry>
Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 glass powder and a binder solution in which methylbutanetriol was dissolved in butyl acetate at a concentration of 15% by mass were mixed in an environment having a dew point of −30 ° C. or less to prepare a solid electrolyte slurry.
Li3BO3-Li2SO4ガラス粉末とバインダが重量比で7:3となるように10分間混合しながら、酢酸ブチルを適量加えて固体電解質スラリーとした。 While mixing the Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 glass powder and the binder in a weight ratio of 7: 3 for 10 minutes, an appropriate amount of butyl acetate was added to obtain a solid electrolyte slurry.
<正極および固体電解質シートの作製>
正極スラリー及び固体電解質スラリーを、それぞれドクターブレード法により厚さ約50μmのグリーンシートに成型した。
<Preparation of positive electrode and solid electrolyte sheet>
Each of the positive electrode slurry and the solid electrolyte slurry was formed into a green sheet having a thickness of about 50 μm by a doctor blade method.
まず、正極スラリーおよび固体電解質スラリーを離型処理が施されたPET等のキャリアフィルム上にギャプ300μmのドクターブレードで塗布し、室温で乾燥した後、100℃の真空オーブンで2時間乾燥させた。 First, the positive electrode slurry and the solid electrolyte slurry were applied on a release-treated carrier film such as PET with a doctor blade having a gap of 300 μm, dried at room temperature, and then dried in a vacuum oven at 100 ° C. for 2 hours.
これをベルトポンチで打ち抜き、正極シートおよび固体電解質シートをそれぞれ得た。 This was punched with a belt punch to obtain a positive electrode sheet and a solid electrolyte sheet, respectively.
次に、正極シートと固体電解質シートを積層し、油圧プレス機で350MPaの圧力でプレスして一体化した。 Next, the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet were laminated and pressed with a hydraulic press at a pressure of 350 MPa to be integrated.
<全固体電池の作製>
得られたグリーンシートを、250℃で脱脂し、再びプレスすることによって、正極シートと固体電解質シートとを一体化させた。
<Preparation of all solid state battery>
The obtained green sheet was degreased at 250 ° C. and pressed again to integrate the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet.
一体化した正極シートと固体電解質シートを、さらに290℃で加熱することで、Li3BO3-Li2SO4ガラスを一部結晶化させて、高イオン伝導度のLi3BO3-Li2SO4ガラスセラミクスとし、正極と固体電解質層が一体化した電極を得た。 Integral positive electrode sheet and solid electrolyte sheet, by heating for a further 290 ℃, Li 3 BO 3 -Li 2 SO 4 glass by partially crystallized, the high ionic conductivity Li 3 BO 3 -Li 2 An electrode in which the positive electrode and the solid electrolyte layer were integrated as SO 4 glass ceramics was obtained.
結晶化工程後の固体電解質層側に金属リチウムを真空蒸着することで負極層を接合した。 The negative electrode layer was joined by vacuum-depositing metallic lithium on the solid electrolyte layer side after the crystallization step.
ステンレス製の正極側電池ケース1と負極側電池ケース2との間に、正極層8、固体電解質層7、および負極槽8からなる全固体電池の電極を収納し、ウェーブワッシャー2およびスペーサー5と積層して、両電池ケースの周囲をガスケット3を介してかしめることで図5に示すコイン型全固体電池を製作した。コイン型電池は、直径20mm、厚さ3.2mmであった。
The electrodes of the all-solid-state battery including the
<充放電試験>
充放電は10μA/cm2定電流で、4.05Vから3Vの範囲で、測定温度30℃で充放電試験の結果、充放電が繰り返し可能であることを確認した。
<Charging / discharging test>
The charge and discharge were performed at a constant current of 10 μA / cm 2 in the range of 4.05 V to 3 V at a measurement temperature of 30 ° C. As a result, it was confirmed that the charge and discharge could be repeated.
正極スラリーに、導電助剤を添加したこと以外実施例1と同様に全固体電池を作製し、充放電試験を行った。導電助剤としては、アセチレンブラックを用いた。導電助剤の添加量は、正極層に含まれる固体電解質と正極活物質と導電助剤の合計重量に対して5重量%とした。 An all-solid-state battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that a conductive additive was added to the positive electrode slurry, and a charge / discharge test was performed. Acetylene black was used as the conductive assistant. The amount of the conductive additive was 5% by weight based on the total weight of the solid electrolyte, the positive electrode active material, and the conductive additive contained in the positive electrode layer.
充放電試験の結果、充放電が繰り返し可能であることを確認した。 As a result of the charge / discharge test, it was confirmed that the charge / discharge could be repeated.
1…正極側電池ケース、2…負極側電池ケース、3…ガスケット、4…ウェーブワッシャー、5…スペーサー、6…負極層、7…固体電解質層、8…正極層
DESCRIPTION OF
Claims (10)
正極活物質と、酸化物ガラス粉末と、分解温度が前記酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤と、を含む正極スラリーをシート状に成型して正極シートを作製する工程と、
酸化物ガラス粉末と、分解温度が前記酸化物ガラスの結晶化温度未満であるバインダと、溶剤とを含む固体電解質スラリーをシート状に成型して固体電解質シートを作製する工程と、
前記正極シートと前記固体電解質シートを積層した後、加圧する積層工程と、
積層された前記正極シート及び前記固体電解質シートを前記酸化物ガラスの結晶化温度未満で脱脂した後、加圧する脱脂工程と、
前記脱脂工程により得られる積層体を、前記酸化物ガラスの結晶化温度以上300℃未満で加熱する結晶化工程と、
を備えることを特徴とする全固体電池の製造方法。 A method for manufacturing an all-solid battery including a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer,
Positive electrode active material, oxide glass powder, a binder whose decomposition temperature is lower than the crystallization temperature of the oxide glass, and a solvent, a step of forming a positive electrode slurry containing a positive electrode slurry into a sheet to form a positive electrode sheet,
Oxide glass powder, a binder having a decomposition temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass, and forming a solid electrolyte slurry containing a solvent into a sheet to form a solid electrolyte sheet,
After laminating the positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet, a laminating step of applying pressure,
After degreasing the stacked positive electrode sheet and the solid electrolyte sheet at a temperature lower than the crystallization temperature of the oxide glass, a degreasing step of applying pressure,
A crystallization step of heating the laminate obtained by the degreasing step at a temperature higher than the crystallization temperature of the oxide glass and less than 300 ° C.
A method for manufacturing an all-solid-state battery, comprising:
前記結晶化工程後に前記負極層を接合する接合工程を備えることを特徴とする全固体電池の製造方法。 It is a manufacturing method of the all-solid-state battery of Claim 1, Comprising:
A method for manufacturing an all-solid battery, comprising a joining step of joining the negative electrode layer after the crystallization step.
前記正極スラリーはさらに導電助剤を含むことを特徴とする全固体電池の製造方法。 It is a manufacturing method of the all-solid-state battery of Claim 1 or 2, Comprising:
The method for manufacturing an all-solid battery, wherein the positive electrode slurry further includes a conductive additive.
前記酸化物ガラスは、リチウム、ホウ素、硫黄、及び酸化の少なくともいずれかを含むことを特徴とする全固体電池の製造方法。 It is a manufacturing method of the all-solid-state battery of Claims 1-3, Comprising:
The method for manufacturing an all-solid battery, wherein the oxide glass includes at least one of lithium, boron, sulfur, and oxidation.
前記脱脂工程における脱脂温度は250℃以下であり、
前記結晶化工程における加熱温度は250℃以上であることを特徴とする全固体電池の製造方法。 It is a manufacturing method of the all-solid-state battery of any one of Claims 1-4, Comprising:
The degreasing temperature in the degreasing step is 250 ° C. or less,
A method for manufacturing an all-solid-state battery, wherein a heating temperature in the crystallization step is 250 ° C. or higher.
前記バインダは、メチルセルロース又はメチルブタントリオールであることを特徴とする全固体電池の製造方法。 A method for manufacturing an all-solid-state battery according to any one of claims 1 to 5,
The method for manufacturing an all-solid battery, wherein the binder is methylcellulose or methylbutanetriol.
前記固体電解質層は、一部が結晶化された酸化物ガラスと、分解温度が前記酸化物ガラスの結晶化温度以下のバインダと、を含み、
前記酸化物ガラスは、リチウム、ホウ素、硫黄、及び酸素の少なくともいずれかを含むことを特徴とする全固体電池。 A positive electrode layer, a negative electrode layer, a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, an all-solid battery,
The solid electrolyte layer includes a partially crystallized oxide glass, and a binder whose decomposition temperature is equal to or lower than the crystallization temperature of the oxide glass,
The all-solid-state battery, wherein the oxide glass includes at least one of lithium, boron, sulfur, and oxygen.
前記固体電解質層の厚さは100μm以下であることを特徴とする全固体電池。 The all-solid-state battery according to claim 7, wherein
An all-solid-state battery, wherein the thickness of the solid electrolyte layer is 100 μm or less.
前記酸化物ガラスは、Li3BO3及びLi2SO4を含むことを特徴とする全固体電池。 An all-solid-state battery according to claim 7 or 8, wherein
The oxide glass is, the all-solid-state battery, which comprises a Li 3 BO 3 and Li 2 SO 4.
前記バインダは、メチルセルロース又はメチルブタントリオールであることを特徴とする全固体電池。 An all solid state battery according to any one of claims 7 to 9, wherein
The all-solid-state battery, wherein the binder is methylcellulose or methylbutanetriol.
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