JP2012094437A - 全固体電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明においては、正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを有する全固体電池であって、上記固体電解質層が、固体電解質材料を圧粉成形してなり、上記固体電解質材料間の空隙に、アルゴンよりも高い耐電圧を有する絶縁材料が配置されていることを特徴とする全固体電池を提供することにより、上記課題を解決する。
【選択図】図1
Description
以下、本発明の全固体電池について、構成ごとに説明する。
まず、本発明における固体電解質層について説明する。本発明における固体電解質層は、正極活物質層および負極活物質層の間に形成され、固体電解質材料を圧粉成形してなり、固体電解質材料間の空隙に、アルゴンよりも高い耐電圧を有する絶縁材料が配置されている層である。
本発明における絶縁材料は、アルゴンよりも高い耐電圧を有するものであり、後述する固体電解質材料間の空隙に配置されているものである。ここで、耐電圧とは、絶縁材料が絶縁破壊を起こさずに一定時間耐えられる電圧のことをいう。また、本発明における耐電圧は、厚さ1cmの絶縁材料に対して、絶縁破壊が生じるまで印加電圧を上げてその限界の電圧を測定する方法により、求めることができる。本発明においては、絶縁材料の形態に関わらず、気体、液体、固体で統一された耐電圧の測定方法を用いることができる。なお、特開平9−63744号公報では、アルゴンの耐電圧は、8kV/cmとされている。
液体の絶縁材料は、固体電解質層に保持させるために、ゲル化しても良い。ゲル化の方法としては、例えば、液体の絶縁材料にゲル化剤を添加して加熱する方法等を挙げることができ、ゲル化剤としては、ジメチコンクロスポリマー、(ジメチコン/ビニルジメチコン)クロスポリマー等を挙げることができる。また、液体の絶縁材料が有する表面張力によって固体電解質材料を浮かせることができる程度に、固体電解質材料の粒子径を小さくすることで、液体の絶縁材料を固体電解質層に保持させることができる。具体的には、固体電解質材料の粒子径は、本発明に用いられる液体の絶縁材料および固体電解質材料に応じて適宜選択することが好ましいが、例えば、0.01μm〜30μmの範囲内であることが好ましく、0.01μm〜1μmの範囲内であることがより好ましい。
本発明における固体電解質材料は、イオン伝導性および絶縁性を有するものであれば特に限定されるものではなく、一般的な全固体電池に用いられるものと同様のものを用いることができ、例えば、硫化物固体電解質材料、酸化物固体電解質材料等を挙げることができる。中でも、硫化物固体電解質材料が好ましい。出力特性に優れた全固体電池とすることができるからである。
本発明における固体電解質層の空隙率としては、上記絶縁材料が、本発明の効果を発揮することができる程度に、上記固体電解質材料間の空隙に配置されていれば特に限定されるものではないが、例えば、30体積%以下であることが好ましく、10体積%以下であることがより好ましい。
次に、本発明における正極活物質層について説明する。本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。
次に、本発明における負極活物質層について説明する。本発明における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していても良い。
本発明の全固体電池は、上述した正極活物質層、負極活物質層および固体電解質層を少なくとも有するものである。さらに通常は、正極活物質層の集電を行う正極集電体、および負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えば、SUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、SUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができ、中でも、SUSが好ましい。また、正極集電体および負極集電体の厚さや形状等については、全固体電池の用途等に応じて適宜選択することが好ましい。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的な全固体電池の電池ケースを用いることができる。電池ケースとしては、例えば、SUS製電池ケース等を挙げることができる。
本発明の全固体電池の種類としては、全固体リチウム電池、全固体ナトリウム電池、全固体マグネシウム電池および全固体カルシウム電池等を挙げることができ、中でも、全固体リチウム電池および全固体ナトリウム電池が好ましく、特に、全固体リチウム電池が好ましい。また、本発明の全固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば、車載用電池として有用だからである。本発明の全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。
(固体電解質材料の合成)
まず、出発原料として、硫化リチウム(Li2S)および五硫化リン(P2S5)を用いた。これらの粉末をAr雰囲気下(露点−70℃)のグローブボックス内で、Li2S:P2S5=75:25のモル比となるように秤量し、メノウ乳鉢で混合し、原料組成物を得た。次に、得られた原料組成物1gを45mlのジルコニアポットに投入し、さらにジルコニアボール(Φ10mm、10個)を投入し、ポットを完全に密閉した(Ar雰囲気)。このポットを遊星型ボールミル機(フリッチュ製P7)に取り付け、台盤回転数370rpmで40時間メカニカルミリングを行い、硫化物固体電解質材料(Li3PS4)を得た。
まず、正極活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を、負極活物質としてグラファイトを、固体電解質材料としてLi3PS4を用意した。次に、窒素雰囲気下のグローブボックス内で、塗工法により、正極集電体上に厚さ100μmの正極活物質層を形成し、負極集電体上に厚さ120μmの負極活物質層を形成した。さらに、塗工法により、負極活物質層上に厚さ20μmの固体電解質層を形成し、正極活物質層と重ね合わせてプレスすることにより、電極体を作製した。得られた電極体をSUS缶に入れて封入し、全固体リチウム電池を得た。
グローブボックス内をAr雰囲気下としたこと、および、塗工法により、負極活物質層上に厚さ20μmの固体電解質層を形成後、シリコーンオイルを固体電解質層に塗布し、固体電解質層の空隙部にシリコーンオイルを充填してから、正極活物質層と重ね合わせてプレスすることにより、電極体を作製したこと以外は、実施例1と同様にして、全固体リチウム電池を得た。
グローブボックス内をAr雰囲気下としたこと、および、固体電解質層形成用ペーストにポリエチレン粉末を10%添加したものを用いて、塗工法により、負極活物質層上に厚さ20μmの固体電解質層を形成後、150℃のホットプレスを行い、固体電解質層の空隙部に溶融したポリエチレンを充填してから、正極活物質層と重ね合わせてプレスすることにより、電極体を作製したこと以外は、実施例1と同様にして、全固体リチウム電池を得た。
グローブボックス内をAr雰囲気下としたこと以外は、実施例1と同様にして、全固体リチウム電池を得た。
実施例1〜3および比較例で得られた全固体リチウム電池を用いて、電圧印加試験を行った。なお、電圧印加試験は、各全固体リチウム電池について、5サンプルずつ実施した。比較例で得られた全固体リチウム電池においては、1サンプルのみ4.5Vまで電圧印加を行うことができたものの、残りの4サンプルは3.8V〜4.5Vの間で短絡した。一方、実施例1〜3で得られた全固体リチウム電池においては、5サンプルとも全て4.5Vまで電圧印加を行うことができた。これは、実施例1〜3で得られた全固体リチウム電池では、窒素、シリコーンオイル、ポリエチレンがそれぞれ固体電解質層の空隙部を充填することにより、全固体リチウム電池の耐電圧を向上させることができ、短絡を防止することができたためと考えられる。
2 … 絶縁材料
11 … 正極活物質層
12 … 負極活物質層
13 … 固体電解質層
14 … 正極集電体
15 … 負極集電体
16 … 電池ケース
20 … 全固体電池
Claims (10)
- 正極活物質を含有する正極活物質層と、負極活物質を含有する負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを有する全固体電池であって、
前記固体電解質層が、固体電解質材料を圧粉成形してなり、
前記固体電解質材料間の空隙に、アルゴンよりも高い耐電圧を有する絶縁材料が配置されていることを特徴とする全固体電池。 - 前記絶縁材料が、気体であることを特徴とする請求項1に記載の全固体電池。
- 前記気体が、窒素であることを特徴とする請求項2に記載の全固体電池。
- 前記絶縁材料が、液体であることを特徴とする請求項1に記載の全固体電池。
- 前記液体が、絶縁油であることを特徴とする請求項4に記載の全固体電池。
- 前記絶縁油が、シリコーンオイルであることを特徴とする請求項5に記載の全固体電池。
- 前記絶縁材料が、固体であることを特徴とする請求項1に記載の全固体電池。
- 前記固体が、樹脂であることを特徴とする請求項7に記載の全固体電池。
- 前記樹脂が、飽和結合のみで形成されていることを特徴とする請求項8に記載の全固体電池。
- 前記樹脂が、ポリエチレンであることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の全固体電池。
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