JP2019033053A - リチウム固体電池、およびリチウム固体電池の製造方法 - Google Patents

リチウム固体電池、およびリチウム固体電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】デンドライトに起因する短絡の発生を抑制したリチウム固体電池の提供。【解決手段】負極集電体1、固体電解質層3、正極活物質層4及び正極集電体5をこの順で備え、負極集電体1と固体電解質層3との間にLi吸蔵層2を有し、Li吸蔵層2の空隙率は60〜100%未満、好ましくは78〜86%である、リチウム固体電池10。好ましくは、Li吸蔵層2には炭素材料が含まれ、更に好ましくはケッチェンブラックであるLi固体電池10。【選択図】図2

Description

本開示は、リチウム固体電池に関する。
近年におけるパソコン、ビデオカメラおよび携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の
急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自
動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容
量の電池の開発が進められている。現在、種々の電池の中でも、エネルギー密度が高いと
いう観点から、リチウム電池が注目を浴びている。
現在市販されているリチウム電池は、可燃性の有機溶媒を含む電解液が使用されている
ため、短絡時の温度上昇を抑える安全装置の取り付けや短絡防止のための構造が必要とな
る。これに対し、電解液を固体電解質層に変えて、電池を全固体化したリチウム電池は、
電池内に可燃性の有機溶媒を用いないので、安全装置の簡素化が図れ、製造コストや生産
性に優れると考えられている。
また、リチウム電池の分野において、デンドライトに起因する短絡の発生が知られてい
る。短絡は、充電時に負極活物質層に析出したリチウムが、正極活物質層の方向へ成長し、
物理的に負極活物質層及び正極活物質層が接触することによって生じる。デンドライトの
成長に起因する短絡を防止するために、幾つかの検討がなされている。例えば、特許文献
1においては、金属リチウムとカーボンブラックおよび固体電解質との混合体からなる負
極を備えるリチウム二次電池が開示されている。一方、特許文献2においては、負極反応
を金属リチウムの析出・溶解反応としたリチウム二次電池において、金属リチウムの析出・
溶解が生じる第1の電極(銅箔)と、金属リチウムのデンドライト析出を防ぐ第2の電極
(LiTiO)を備えるリチウム二次電池が開示されている。
特開2016−100088号公報 特開平10−302794号公報
従来技術においても、デンドライトの成長に関して十分に抑制されておらず、さらなるデンドライト成長の抑制が求められている。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、デンドライト成長を抑制したリチウム固体電池を提供することを主目的とする。
上記課題を解決するために、本開示においては、負極集電体、固体電解質層、正極活物質層および正極集電体をこの順で備え、前記負極集電体と前記固体電解質層との間にLi吸蔵層を有し、前記Li吸蔵層の空隙率は60%以上100%未満であることを特徴とするリチウム固体電池を提供する。
本開示によれば、負極集電体と前記固体電解質層との間にLi吸蔵層が設けられ、Li
吸蔵層が所定の空隙率を有することによって、Li吸蔵層中において金属リチウムを分散
させて析出させることができ、金属リチウムの析出に起因するデンドライト成長を抑制し
たリチウム固体電池を得ることができる。
またLi吸蔵層を設け、金属リチウムの析出に起因するデンドライト成長を抑制するこ
とによって、デンドライト成長に起因する電池の短絡も抑制することができる。
上記開示においては、上記Li吸蔵層の空隙率が78%以上86%以下であっても良い。
上記開示においては、上記Li吸蔵層が、炭素材料を含有していても良い。
上記開示においては、上記Li吸蔵層に用いた炭素材料が、ケッチェンブラックをさら
に含有していても良い。
上記開示においては、上記Li吸蔵層が、固体電解質を含有していても良い。
上記開示においては、Li吸蔵層が、炭素材料に対する固体電解質の重量比が0.5以
下であっても良い。
本開示のリチウム固体電池は、金属リチウムのデンドライト成長を抑制できるという
効果を奏する。
本開示のリチウム固体電池の比較形態を示す概略断面図である。 本開示のリチウム固体電池の一例を示す概略断面図である。 実施例および比較例のLi吸蔵層の空隙率に対する可逆容量比を示す図である。 実施例および比較例のLi吸蔵層を構成する固体電解質と炭素材料の重量比に対する可逆容量比を示す図である。
以下、本開示のリチウム固体電池、およびリチウム固体電池の製造方法について、詳
細に説明する。但し、以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にす
るため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。
リチウム固体電池
まず、本開示のリチウム固体電池は、2つの形態に大別できる。以下、本開示のリチウ
ム固体電池について、実施形態および比較形態に分けて説明する。
1. 比較形態
図1は、比較形態のリチウム固体電池を示す概略断面図である。
図1に示すように、比較形態のリチウム固体電池11は、負極集電体1、固体電解質層
3、正極活物質層4および正極集電体5をこの順で備え、実施形態とは異なり、負極集電
体1及び固体電解質層3の間にはLi吸蔵層を備えない。
2. 実施形態
図2は、実施形態のリチウム固体電池の一例を示す概略断面図である。
図2に示すように、実施形態のリチウム固体電池10は、負極集電体1、固体電解質層
3、正極活物質層4および正極集電体5をこの順で備え、負極集電体1及び固体電解質層
3の間にはLi吸蔵層2を備える。また、固体電解質層3は固体電解質を含有している。
本開示においては、Li吸蔵層2の空隙率が60%以上100%未満の範囲内であること
を大きな特徴とする。
実施形態によれば、負極集電体と固体電解質層の間に空隙を有するLi吸蔵層が形成さ
れ、さらに、Li吸蔵層の空隙率が、60%以上100%未満であることによって、金属
リチウムのデンドライト成長を抑制したリチウム固体電池とすることができる。
金属リチウムのデンドライト成長を抑制できる理由は、次のように推測される。まず、
負極集電体と固体電解質層の間にLi吸蔵層を備えない場合(比較形態に相当)、正極活
物質層からリチウムイオンが、負極集電体から電子が伝導し、固体電解質層と負極集電体
の界面が金属リチウムの析出点となり、金属リチウムが析出する。析出した金属リチウム
は固体電解質層の空隙を沿って、正極活物質層に向かって金属リチウムのデンドライトが
成長し、デンドライトが正極活物質層側まで成長、さらに電池の短絡が発生すると推測さ
れる。一方、負極集電体と固体電解質層の間にLi吸蔵層を備え、Li吸蔵層の空隙率が、
60%以上100%未満の場合(実施形態に相当)、析出した金属リチウムをLi吸蔵層
内の空隙内に析出させることができるため、デンドライトが正極活物質層側まで成長する
ことを抑制することができる。さらにデンドライトが正極活物質層側まで成長することを
抑制することができるため、デンドライトに起因する短絡の発生も抑制できると推測され
る。
Li吸蔵層の空隙率が60%以下の場合、金属リチウムを析出させる空隙が少ないため、
析出した金属リチウムはLi吸蔵層の空隙以外、例えば固体電解質層の空隙で析出してし
まい、特に金属リチウムが析出しやすい高電流密度での充電時において、正極活物質層へ
のデンドライトの成長抑制が不十分となり、Li吸蔵層からデンドライトが、正極活物質
層側まで顕著に成長すると推測される。
さらに、より好ましくはLi吸蔵層の空隙率が78%以上86%以下である。金属リチ
ウムのデンドライト成長を抑制するだけでなく、Li吸蔵層に析出した金属を可逆的に溶
解が可能である。その理由は、次のように推測される。Li吸蔵層の空隙率が86%以上
の場合、金属リチウムを析出させる空隙が多いため、金属リチウムはLi吸蔵層の空隙内
で分散して析出し、正極活物質層へのデンドライト成長を抑制できる。しかし、空隙によ
って金属リチウムとリチウムイオン伝導パスとして作用する固体電解質との接触点が減少
するため、充電時空隙内に析出した金属リチウムは、放電時に溶解することが困難となり、
電池の可逆容量が減少してしまうと推測される。
これに対して、Li吸蔵層の空隙率が78%以上86%以下であることによって、デン
ドライトが正極活物質層側まで成長することを抑制できる。また、Li吸蔵層の空隙率が
86%以上の場合に比べて、可逆的に析出・溶解させることができる金属リチウムが増加
し、電池の可逆容量を増加させることができると推測される。このように実施形態におい
ては、デンドライト成長の抑制と電池の可逆容量の増加を両立させることができる。
以下、リチウム固体電池に関して、構成ごとに説明する。
(1) 負極集電体
負極集電体の材料は、Liと合金化しない材料であることが好ましく、例えばSUS、
銅、ニッケル等を挙げることができる。負極集電体の形態としては、例えば、箔状、板状
等を挙げることができる。負極集電体の平面視形状は、特に限定されるものではないが、
例えば、円状、楕円状、矩形状、任意の多角形状等を挙げることができる。また、負極集
電体の厚さは、形状によって異なるものであるが、例えば1μm〜50μmの範囲内であ
り、5μm〜20μmの範囲内であることが好ましい。
(2)Li吸蔵層
Li吸蔵層は、炭素材料もしくは、炭素材料と固体電解質から構成される混合体である。
また、本開示において、下記で述べる算出方法によって求められるLi吸蔵層の空隙率は、
通常、60%以上、100%未満であることが好ましく、78%以上、86%以下である
ことがより好ましい。具体的には、後述する実施例に記載する方法を用いることによって、
Li吸蔵層の空隙率を求めることができる。
(2−1)炭素材料
炭素材料としては、例えば、ケッチェンブラック(KB)、気相成長カーボンファイバ
(VGCF)、アセチレンブラック(AB)、活性炭、ファーネスブラック、カーボンナ
ノチューブ(CNT)、グラフェン等を挙げることができる。用いる炭素材料としては、
ケッチェンブラック(KB)が好ましい。ケッチェンブラックの場合、層間にリチウムイ
オンが挿入されにくいため、金属リチウムの析出・溶解電位よりも貴な電位で充放電が進
行しにくく、電池のエネルギー密度向上のために好ましい。
炭素材料の平均粒径(D50)は、例えば10nm〜10μmの範囲内であることが好ま
しく、15nm〜5μmの範囲内であることがより好ましい。なお、平均粒径は、レーザ
ー回折式の粒度分布計により算出された値、またはSEM等の電子顕微鏡を用いた画像解
析に基づいて測定された値を用いることができる。
(2−2)固体電解質
Li吸蔵層中の固体電解質は、全固体リチウムイオン電池に使用できるものであれば、
特に制限はないが、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質等の無機固体電解質が
挙げられる。硫化物固体電解質としては、例えば、LiS−P、LiS−P
−LiI、LiS−P−LiI−LiBr、LiS−P−LiO、Li
−P−LiO−LiI、LiS−SiS、LiS−SiS−LiI、Li
−SiS−LiBr、LiS−SiS−LiCl、LiS−SiS−B−Li
I、LiS−SiS−P−LiI、LiS−B、LiS−P−Z
(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、LiS−GeS
、LiS−SiS−LiPO、LiS−SiS−LiMO(ただし、x、y
は正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)等が挙げられる。
また、酸化物固体電解質としては、例えば、LiO−B−P、LiO−Si
、LiLaTa12、LiLaZr12、LiBaLaTa12、Li
PO(4−3/2w)(w<1)、Li3.6Si0.60.4等が挙げられる。なお、上
記「LiS−P」の記載は、LiSおよびPを含む原料組成物を用いてなる
硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。
特に、硫化物固体電解質は、Li、A(Aは、P、Si、Ge、AlおよびBの少なく
とも一種である)、およびSを含有するイオン伝導体を備えることが好ましい。さらに、
上記イオン伝導体は、オルト組成のアニオン構造(PS 3−構造、SiS 4−構造、Ge
4−構造、AlS 3−構造、BS 3−構造)をアニオンの主成分として有することが好
ましい。化学安定性の高い硫化物固体電解質とすることができるからである。オルト組成
のアニオン構造の割合は、イオン伝導体における全アニオン構造に対して、70mol%
以上であることが好ましく、90mol%以上であることがより好ましい。オルト組成の
アニオン構造の割合は、ラマン分光法、NMR、XPS等により決定することができる。
硫化物固体電解質は、上記イオン伝導体に加えて、ハロゲン化リチウムを含有していて
も良い。ハロゲン化リチウムとしては、例えば、LiF、LiCl、LiBrおよびLi
Iを挙げることができ、中でも、LiCl、LiBrおよびLiIが好ましい。硫化物固
体電解質におけるLiX(X=I、Cl、Br)の割合は、例えば、5mol%〜30m
ol%の範囲内であり、15mol%〜25mol%の範囲内であっても良い。
固体電解質は、結晶性材料であっても良く、非晶質材料であっても良い。また、固体電
解質は、ガラスであっても良く、結晶化ガラス(ガラスセラミックス)であっても良い。
固体電解質の形状としては、例えば粒子状が挙げられる。
固体電解質の平均粒径(D50)は、例えば50nm〜10μmの範囲内であることが好
ましく、100nm〜5μmの範囲内であることが好ましい。なお、平均粒径は、レーザ
ー回折式の粒度分布計により算出された値、またはSEM等の電子顕微鏡を用いた画像解
析に基づいて測定された値を用いることができる。
Li吸蔵層中の炭素材料と固体電解質の比率は、これら2種類の材料の重量比に関して、
炭素材料:固体電解質=1:1〜10:0であることが好ましく、炭素材料:固体電解質
=2:1〜10:0であることがより好ましい。
炭素材料と固体電解質から構成される混合体を作製する方法としては、例えば、乳鉢と
乳棒を用いた手混ぜ混合や、ホモジナイザー、メカニカルミリング等を挙げることができ
る。メカニカルミリングは、乾式メカニカルミリングであっても良く、湿式メカニカルミ
リングであっても良い。
メカニカルミリングは、炭素材料と固体電解質を、機械的エネルギーを付与しながら混
合する方法であれば特に限定されるものではないが、例えばボールミル、振動ミル、ター
ボミル、メカノフュージョン、ディスクミル等を挙げることができ、中でもボールミルが
好ましく、特に遊星型ボールミルが好ましい。
ホモジナイザーを用いて混合体を作製する際に用いられる液体としては、硫化水素が発
生しない程度の非プロトン性を有していることが好ましく、具体的には、極性の非プロト
ン性液体、無極性の非プロトン性液体等の非プロトン性液体を挙げることができる。
本開示におけるLi吸蔵層は、下記で述べる算出方法によって求められるLi吸蔵層の
空隙率が上述した範囲内にあることを特徴とする。
(3) 固体電解質層
固体電解質層は、正極活物質層および負極集電体の間に形成される層である。また、固
体電解質層は、固体電解質を少なくとも含有し、必要に応じて、結着材をさらに含有して
いても良い。固体電解質層に用いられる固体電解質については、上記「(2−2)固体電
解質」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。なお固体電解質層に
用いられる固体電解質は、Li吸蔵層と同じ固体電解質を用いても良く、Li吸蔵層とは
異なる固体電解質を用いても良い。
固体電解質層における固体電解質の含有量は、例えば、10重量%〜100重量%の範
囲内であり、50重量%〜100重量%の範囲内であっても良い。また、固体電解質層の
厚さは、例えば、0.1μm〜1mmの範囲内であり、0.1μm〜700μmの範囲内
であっても良い。
(4) 正極活物質層
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、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。正極活物質は、通常、
Liを含有する。正極活物質としては、例えば酸化物活物質を挙げることができ、具体的
には、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、LiNi1/3Co1/3Mn
1/3等の岩塩層状型活物質、LiMn、Li(Ni0.5Mn1.5)O等のスピネ
ル型活物質、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCuPO等のオリ
ビン型活物質等を挙げることができる。また、LiFeSiO、LiMnSiO
のSi含有酸化物を正極活物質として用いても良く、LiSや多硫化リチウム等の硫化
物を正極活物質として用いても良い。正極活物質の平均粒径(D50)は、例えば10nm
〜50μmの範囲内であることが好ましく、100nm〜30μmの範囲内であることが
より好ましく、1μm〜20μmの範囲内であることがさらに好ましい。なお、平均粒径
は、レーザー回折式の粒度分布計により算出された値、またはSEM等の電子顕微鏡を用
いた画像解析に基づいて測定された値を用いることができる。
また、正極活物質の表面には、Liイオン伝導性酸化物を含有するコート層が形成され
ていても良い。正極活物質と、固体電解質(との反応を抑制できるからである。Liイオ
ン伝導性酸化物としては、例えば、LiNbO、LiTi12、LiPOが挙げら
れる。コート層の厚さは、例えば、0.1nm〜100nmの範囲内であり、1nm〜2
0nmの範囲内であっても良い。正極活物質表面におけるコート層の被覆率は、例えば、
50%以上であり、80%以上であっても良い。
正極活物質層は、さらに固体電解質を含有していても良い。固体電解質の種類は特に限
定されるものではないが、例えば、硫化物固体電解質を挙げることができる。硫化物固体
電解質としては、上述した硫化物固体電解質と同様の材料を用いることができる。
正極活物質層は、さらに導電化材を含有していても良い。導電化材の添加により、正極
活物質層の導電性を向上させることができる。導電化材としては、例えばアセチレンブラ
ック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー等を挙げることができる。また、正極活
物質層は、結着材を含有していても良い。結着材の種類としては、例えば、ブチレンゴム
(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム系結着材、ポリフッ化ビニリデン
(PVDF)等のフッ化物系結着材等を挙げることができる。また、正極活物質層の厚さ
は、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。
(5) 正極集電体
リチウム固体電池は、通常、正極活物質層の集電を行う正極集電体を有する。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る。正極集電体の厚さや形状等については、電池の用途等に応じて
適宜選択することが好ましい。
(6)その他の構成
本開示においては、組み立て時にLi吸蔵層と負極集電体の間に負極活物質層を設けた
リチウム固体電池、または、組み立て時にLi吸蔵層と負極集電体の間に負極活物質層を
設けず、その後充電により、負極活物質として金属リチウムを析出させたリチウム固体電
池であっても良い。また初回充電後、負極集電体と固体電解質層間に析出した金属リチウ
ムは、負極活物質として用いられる。
(7) リチウム固体電池
実施形態のリチウム固体電池は、負極集電体、固体電解質層、正極活物質層、正極集電
体およびLi吸蔵層を有するものであれば、特に限定されるものではない。また、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。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、円筒型および角型が挙げられる。
また、本開示においては、上記に記載した正極活物質層または固体電解質層とを重ねる
ように配置し、プレスするプレス工程を有する全固体電池の製造方法を提供することもで
きる。プレス圧は特に限定されないが、例えば、1ton/cm以上であり、4ton
/cm以上であっても良い。
なお、比較形態は上述した実施形態の各構成とほぼ同様の内容であるため、個々での記
載は省略する。
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であ
り、本開示の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様
な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。
[実施例1]
(硫化物固体電解質の作製)
LiS(ロックウッドリチウム社製)0.550g、P(アルドリッチ社製)0.887g、LiI(アルドリッチ社製)0.285g、及びLiBr(高純度化学研究所製)0.277gを秤量し、これらをメノウ乳鉢で5分間混合した。この混合物に、さらに脱水ヘプタン(関東化学工業社製)4gを加え、遊星型ボールミルを用い40時間メカニカルミリングすることにより、硫化物固体電解質を得た。
(正極材の調製)
正極活物質にLiNi1/3Co1/3Mn1/3(日亜化学工業社製)を使用した。この
正極活物質には、予めLiNbOの表面処理が施されている。この正極活物質、導電材
カーボンとしてVGCF(昭和電工社製)および上記硫化物固体電解質を重量比で85.
3:1.3:13.4となるように秤量し、混合したものを正極活物質となる正極材とし
た。
(Li吸蔵層材料の調製)
炭素材料としてケッチェンブラック(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製 E
CP600JD:KB、D50=34nm)と、固体電解質(SE)として上記硫化物固体
電解質(D50=0.5μm)を用い、重量比でKB:SE=2:1となるように秤量し、
手混ぜ混合後、ヘプタンを加え、ホモジナイザー(株式会社エスエムテー製、UH−50)
を用い3分間混合したものをLi吸蔵層の材料であるLi吸蔵層材料を得た。
(リチウム固体電池の作製)
セラミックス製の型(断面積:1cm、円筒型の容器を使用)に上記硫化物固体電解
質を101.7mg秤量し、1ton/cmでプレスすることにより、固体電解質層を
形成した。固体電解質層の片面に対し、上記正極材31.3 mgを加え、6ton/c
でプレスすることにより正極活物質層を形成した。固体電解質層に対し正極活物質層
とは反対側に上記Li吸蔵層材料を2 mg/cmを加えた。また、正極活物質層側に
正極集電体(アルミ箔)を、負極層側に負極集電体(SUS箔)を、それぞれ配置し、作
製したリチウム固体電池を0.2Nで拘束することによって、実施例1のリチウム固体電
池が得られた。なお、硫化物固体電解質を用いる作業は、いずれも、乾燥Ar雰囲気のグ
ローブボックス中で行った。
[実施例2]
Li吸蔵層に用いられるケッチェンブラック(KB)と、固体電解質(SE)の重量比
をKB:SE=4:1に変更した以外は、実施例1と同様にリチウム固体電池を得た。
[実施例3]
Li吸蔵層に用いられるケッチェンブラック(KB)と、固体電解質(SE)の重量比
をKB:SE=9:1に変更した以外は、実施例1と同様にリチウム固体電池を得た。
[実施例4]
Li吸蔵層に用いられるケッチェンブラック(KB)と、固体電解質(SE)の重量比
をKB:SE=10:0に変更した以外は、実施例1と同様にリチウム固体電池を得た。
[比較例1]
負極集電体と固体電解質層の間にLi吸蔵層を設けなかった以外は、実施例1と同様に
リチウム固体電池を得た。
[比較例2]
Li吸蔵層に用いられるケッチェンブラック(KB)と、固体電解質(SE)の重量比
をKB:SE=1:2に変更した以外は、実施例1と同様にリチウム固体電池を得た。
[評価]
(Li吸蔵層の空隙率の算出方法)
実施例1〜実施例4と、比較例2の各Li吸蔵層は下記で述べる方法によって、Li吸
蔵層の空隙率を算出した。
まず、円筒型の容器に負極集電体、硫化物固体電解質を配置し、1ton/cmでプ
レスすることにより、固体電解質層を形成した。固体電解質層の片面に対し、上記正極材
を加え、6ton/cmでプレスすることにより正極活物質層を形成、負極集電体と固
体電解質層の間にLi吸蔵層を有さない状態のリチウム固体電池(セル)を作製した。作
製したリチウム固体電池を0.2Nで拘束後、マイクロメータを用いて、セルを構成する
各集電体、正極活物質層および固体電解質層が積層する積層方向に対するセルの高さ(H
)を測定した。
負極集電体と固体電解質層の間に設けるLi吸蔵層のLi吸蔵層材料の重量(w)を秤
量し、負極集電体と固体電解質層の間にLi吸蔵層材料を配置し、4ton/cmでプ
レスすることによりLi吸蔵層を形成。0.2Nでセルを拘束した後に、Li吸蔵層を形
成したセルの、上述したセルの高さの測定方法と同様に、セル高さ(H)をマイクロメ
ータによって測定した。その後、HとHの差(H−H)からLi吸蔵層の上記積層
方向に対する厚み(d)を算出した。
上述したLi吸蔵層の重量(w)と、Li吸蔵層に用いた炭素材料であるケッチェンブ
ラックの真密度、および用いた固体電解質の真密度から、Li吸蔵層におけるLi吸蔵層
材料の占有体積(V)を算出した。
Li吸蔵層の厚み(d)とセルの底面積の積から、Li吸蔵層におけるLi吸蔵層材料
の実際の体積(V)を算出した。VからVを差し引いた体積の値を空間体積(V
−V)を算出し、分母にV、分子にVとした値に対して100を掛け合わせるこ
とによって、Li吸蔵層の空隙率(%)を算出した。
表1は実施例および比較例のLi吸蔵層の重量比、空隙率および可逆容量比を示す表で
ある。表1に示すように、実施例1〜実施例4と、比較例2の結果から、ケッチェンブラ
ックの割合が多いほど、Li吸蔵層の空隙率が大きくなることが確認された。
Figure 2019033053
(充放電測定)
実施例1〜実施例4と、比較例1〜比較例2で得られたリチウム固体電池を用い、予め
60 ℃の恒温槽で3時間放置した後に充放電測定を行った。測定条件は、25℃、電流
密度8.7 mA/cm、一定電流充電し、充電容量が4.35 mAh/cmに到達
すると充電を終了し、10分間電池を休止させた。その後、25℃、電流密度0.435
mA/cm、CC放電し、下限電圧が3.0 Vに到達すると放電を終了した。なお、
充電は負極集電体上でのリチウム析出、放電は負極集電体上でのリチウム溶解に対応し、
本開示のリチウム固体電池は、充電からスタートする。
その結果を、図3および図4に示す。電池の可逆容量比は、上記記載の通り、比較例2
の放電容量の値を100とした場合、実施例1−4および比較例1−2の放電容量比(可
逆容量比)の値を示す。なお、図3ではLi吸蔵層の空隙率に対して、上述した可逆容量
比をプロットしており、図5ではケッチェンブラック(KB)に対する固体電解質(SE)
の重量比に対し、可逆容量比をプロットしたグラフである。
金属リチウムのデンドライト成長に起因する短絡が発生した場合、正極活物質層側で正
極活物質が自己放電を起こしてしまう。そのため、上述した放電時の放電容量、つまり可
逆容量が低下してしまう。図3より、負極集電体と固体電解質層の間にLi吸蔵層を有す
る実施例1〜実施例4は、比較例1よりも可逆容量比が大きかった。このことから、負極
集電体と固体電解質層の間にLi吸蔵層を設けることによって、デンドライトに起因する
短絡が抑制され、正極活物質層側の正極活物質の自己放電が抑制されたことが確認された。
また実施例1〜実施例4は、比較例2よりも可逆容量が大きい値を示した。この結果から、
Li吸蔵層の空隙率が特定の値の範囲内にあることによっても、デンドライトに起因する
短絡を抑制できることも確認された。
また図4より、実施例1〜実施例4と比較例2を比較すると、負極集電体と固体電解質
層の間に、ケッチェンブラック(KB)に対する固体電解質(SE)の重量比が特定の値
を有するLi吸蔵層が設けられることによって、デンドライトに起因する短絡が抑制され、
正極活物質層側の正極活物質の自己放電が抑制されたことが確認された。
1 ・・・負極集電体
2 ・・・Li吸蔵層
3 ・・・固体電解質層
4 ・・・正極活物質層
5 ・・・正極集電体
10、11 ・・・リチウム固体電池



Claims (6)

  1. 負極集電体、固体電解質層、正極活物質層および正極集電体をこの順で備え、前記負極集電体と前記固体電解質層との間にLi吸蔵層を有し、前記Li吸蔵層の空隙率は60%以上100%未満であることを特徴とする、リチウム固体電池。
  2. 前記Li吸蔵層の空隙率は78%以上86%以下であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム固体電池。
  3. 前記Li吸蔵層には、炭素材料が含まれることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウム固体電池。
  4. 前記Li吸蔵層に用いた炭素材料は、ケッチェンブラックが含まれることを特徴とする請求項3に記載のリチウム固体電池。
  5. 前記Li吸蔵層には、固体電解質が含まれることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載のリチウム固体電池。
  6. 前記Li吸蔵層は、炭素材料に対する固体電解質の重量比が0.5以下であることを特徴とする請求項3から請求項5までのいずれかの請求項に記載のリチウム固体電池。
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