JP2019096478A - 負極材料、負極及び電池 - Google Patents
負極材料、負極及び電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019096478A JP2019096478A JP2017225081A JP2017225081A JP2019096478A JP 2019096478 A JP2019096478 A JP 2019096478A JP 2017225081 A JP2017225081 A JP 2017225081A JP 2017225081 A JP2017225081 A JP 2017225081A JP 2019096478 A JP2019096478 A JP 2019096478A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- less
- electrolyte
- mass
- content
- negative electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
- H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
- H01M10/0562—Solid materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
現在市販されているリチウムイオン二次電池の多くは、高いエネルギー密度を有するために有機溶媒などの液体の電解質(電解液)が一般的に使用されている。この電解液は、炭酸エステルや環状エステルなどの非プロトン性有機溶媒などにリチウム塩を溶解させて用いられている。
すなわち、本発明によれば以下に示す全固体電池が提供される。
本発明で使用されるガラス電解質は、Li2O−G(G=Al2O3、Nb2O5、Y2O3、SiO2、B2O5、P2O5、V2O5、TeO2、CeO2、GeO2、Bi2O3など一種以上)が上げられるが、リチウム濃度が酸化物換算で15質量%以上でありアモルファス状であり室温のリチウムイオン伝導度が1×10−11S/cm以上であれば特に限定しない。特に優れた特性を示すものとしては、Li2O−Al2O3−P2O5を基本組成とする。本発明のガラス電解質に含まれる各成分の含有量は、特に明記しない限りは酸化物基準の質量%で表す。ここで、「酸化物換算組成」は、ガラス電解質の原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物等が溶融時に全て分解され酸化物へ変化すると仮定した場合に、当該生成酸化物の総質量を100質量%として、ガラス電解質中に含有される各成分を表記した組成である。
本発明の全固体電池における負極層は、負極材料及び、リチウムイオン伝導性の固体電解質としてのガラス電解質、セラミックス電解質又はガラスセラミックス電解質の少なくとも1つ以上及び導電助剤を含む材料を焼結したものであることが好ましい。
負極層材料の全質量に対する負極材料の含有量は、20質量%〜90質量%が好ましい。特にこの含有量を20質量%以上にすることで、全固体電池の電池容量を高めることができる。そのため、負極材料の含有量は、好ましくは20質量%以上、より好ましくは30質量%以上とする。一方で、この含有量を90質量%以下にすることで、電極層の電子伝導を確保し易くできる。そのため、負極材料の含有量は、好ましくは90質量%以下、好ましくは70質量%以下、より好ましくは50質量%以下とする。
Li1+x+y+2ZAZMxT2−x−zP3−ySiyO12(x=0.1〜1.0、y=0〜0.5、z=0〜0.2)の充電前の結晶構造はいずれも菱面体晶系であることが好ましい。
xは、結晶構造をイオン伝導性の高い菱面体晶系に保ち、価数が変わることにより充放電が可能となるため、好ましくは0.1以上、より好ましくは0.2以上、さらに好ましくは0.3以上とする。他方で、xが高くなり過ぎると菱面体晶系の結晶構造に歪みが生じ、イオン伝導度が低下する。そのため、xは1.0以下、より好ましくは0.8以下、さらに好ましくは0.7以下とする。
yは負極材料中のリチウムの量を増やし伝導度を上げることができる。好ましくは0以上、より好ましくは0.02以上、より好ましくは0.05以上、さらに好ましくは0.08以上とする。他方でyが高くなり過ぎると合成温度があがり、イオン伝導度も低下する。そのため、yは0.5以下、より好ましくは0.3以下、さらに好ましくは0.2以下とする。
zは結晶構造をイオン伝導性の高い菱面体晶系に保ち、価数変化しないことで結晶構造を安定化させることのできる任意成分である。好ましくは0以上、より好ましくは0.02以上、より好ましくは0.05以上、さらに好ましくは0.1以上とする。他方でzが高くなり過ぎると、負極層あるいは電解質層中にガラス電解質などを用いている場合、共有アルカリ効果を発生させることで全体のイオン伝導性が低下する。そのため、zは0.2以下、より好ましくは0.15以下、さらに好ましくは0.12以下とする。
他方で、Fe成分の含有量を化学組成比で0.8以下にすることで、結晶構造を菱面体晶系で保つことができ、活物質として機能することができる。従って、Fe成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.8以下、より好ましくは0.7以下、更に好ましくは0.6以下とする。
Fe成分は、原料としてFe2O3、Fe(OH)2、FeCO3等を用いることができる。
他方で、Al成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電に寄与する元素を保持したまま結晶構造を菱面体晶系で保つことができ活物質として機能することができる。従って、Al成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
Al成分は、原料としてAl2O3、Al(OH)3、Al(PO3)3等を用いることができる。
他方で、Y成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電に寄与する元素を保持したまま結晶構造を菱面体晶系で保つことができ活物質として機能することができる。従って、Y成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
他方で、Sc成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電に寄与する元素を保持したまま結晶構造を菱面体晶系で保つことができ活物質として機能することができる。従って、Sc成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
他方で、Mn成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電電位を低電位に保持することができる。従って、Mn成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
他方で、Ni成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電電位を低電位に保持することができる。従って、Ni成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
他方で、Cr成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電電位を低電位に保持することができる。従って、Cr成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
他方で、V成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電電位を低電位に保持することができる。従って、V成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
他方で、Co成分の含有量を化学組成比で0.3以下にすることで、充放電電位を低電位に保持することができる。従って、Co成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.25以下、更に好ましくは0.2以下とする。
他方で、Mg成分の含有量を化学組成比で0.2以下にすることで、結晶構造の安定化とリチウムイオン伝導性ガラス電解質との反応でMg成分がリチウムイオン伝導性ガラス電解質に溶け出し共有アルカリ効果を発生させることにより、リチウムイオン伝導性ガラスの伝導度を下げることを抑制することができる。従って、Mg成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.2以下、更に好ましくは0.15以下とする。
他方で、Ca成分の含有量を化学組成比で0.2以下にすることで、結晶構造の安定化とリチウムイオン伝導性ガラス電解質との反応でCa成分がリチウムイオン伝導性ガラス電解質に溶け出し共有アルカリ効果を発生させることにより、リチウムイオン伝導性ガラスの伝導度を下げることを抑制することができる。従って、Ca成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.3以下、より好ましくは0.2以下、更に好ましくは0.15以下とする。
他方で、Ti成分の含有量を化学組成比で1.95以下にすることで、結晶構造を菱面体晶系で保つことができ、活物質として機能することができる。従って、Ti成分の含有量は、好ましくは化学組成比で1.95以下、より好ましくは1.9以下、更に好ましくは1.8以下とする。
他方で、Zr成分の含有量を化学組成比で1.9以下にすることで、結晶自体のリチウムイオン伝導度を高い状態で保つことができ、反応抵抗を下げることができる。従って、Ti成分の含有量は、好ましくは化学組成比で1.9以下、より好ましくは1.8以下、更に好ましくは1.7以下とする。
他方で、Ge成分の含有量を化学組成比で1.9以下にすることで、結晶自体のリチウムイオン伝導度を高い状態で保つことができ、反応抵抗を下げることができる。従って、Ge成分の含有量は、好ましくは化学組成比で1.9以下、より好ましくは1.8以下、更に好ましくは1.7以下とする。
他方で、Sn成分の含有量を化学組成比で1.9以下にすることで、結晶自体のリチウムイオン伝導度を高い状態で保つことができ、反応抵抗を下げることができる。従って、Sn成分の含有量は、好ましくは化学組成比で1.9以下、より好ましくは1.8以下、更に好ましくは1.7以下とする。
他方で、P成分の含有量を化学組成比で3以下にすることで、Siを含有させることができるが、価数のバランスによりLiを多く結晶に含ませることにより電位を下げることができる。従って、P成分の含有量は、好ましくは化学組成比で3以下、より好ましくは2.95以下、更に好ましくは2.9以下とする。
他方で、Si成分の含有量を化学組成比で0.5以下にすることで、結晶構造の安定化と焼成温度の低温下ができる。従って、Si成分の含有量は、好ましくは化学組成比で0.5以下、より好ましくは0.3以下、更に好ましくは0.2以下とする。
他方で、上記正極層材料の全質量に対するガラス電解質の含有量を20質量%以下にすることで、セラミックス電解質に比べて低いリチウムイオン伝導度のガラス電解質が過剰に存在にすることに起因するリチウムイオン伝導度の低下を抑制できる。また、負極層中の電子伝導は導電助剤同士の接触又は接合によって生じる電子伝達によって成るので、電子伝導性を有しないガラス電解質により導電助剤同士の接触が阻害されると電子伝導の抵抗が高くなる。よって、電子伝導性を有しないガラス電解質が過剰に存在することに起因する電子伝導度の低下を抑制できる。従って、ガラス電解質の含有量は、好ましくは20質量%以下、より好ましくは15質量%以下、更に好ましくは10質量%以下とする。
上記負極層材料の全質量に対する、導電助剤の含有量は導電助剤の種類にもよるが5質量%〜30質量%であることが好ましい。
特に、上記含有量を5質量%以上にすることで、導電助剤によって形成される電子伝導のネットワークが確保され易くなるため、電池の充放電特性や電池容量をより高め易くできる。従って、負極層における導電助剤の合計含有量は、好ましくは5質量%以上、より好ましくは7質量%以上、更に好ましくは8質量%以上とする。
他方で、上記含有量を30質量%以下にすることで、負極層中に含まれる負極材料の含有量が増加するため、全固体電池のエネルギー密度を高められる。よって、負極層における上記導電助剤の含有量は、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下、さらに好ましくは15質量%以下とする。
本発明の全固体電池における正極層は、正極材料及び、リチウムイオン伝導性の固体電解質としてのガラス電解質、セラミックス電解質又はガラスセラミックス電解質の少なくとも1つ以上及び導電助剤を含む材料を焼結したものであることが好ましい。
上記正極層の正極材料の種類は限定されない。本発明の正極材料としては、オリビン構造を有するLiRPO4であって、RはFe、Co、Mn、Niのうち1種以上で、Alなどにより一部を置換してもよい。また、Pの一部をSi又はBで置換してもよい。Oの一部をFで置換してもよい。また、スピネル構造を持つLiMn2O4、層状酸化物のLiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiNi1/2Mn1/2O2、LiNiO2、LiCoO2などを用いてもよい。最も好適な正極材料は、焼成時に固体電解質と反応し酸素が放出されると放電容量が低下するため、酸素がリンと強硬に結合しているオリビン構造である。次に好適な正極材料は、順にスピネル構造を持つLiMn2O4、次いで上記層状酸化物である。
正極層材料の全質量に対する上記正極材料の含有量は、10質量%〜60質量%が好ましい。特にこの含有量を10質量%以上にすることで、全固体電池の電池容量を高めることができる。そのため、正極材料の含有量は、好ましくは10質量%以上、より好ましくは18質量%以上とする。一方で、この含有量を60質量%以下にすることで、電極層のイオン伝導性を確保し易くできる。そのため、正極材料の含有量は、好ましくは60質量%以下、好ましくは50質量%以下、より好ましくは35質量%以下とする。
他方で、上記正極層材料の全質量に対するガラス電解質の含有量を20質量%以下にすることで、セラミックス電解質に比べて低いリチウムイオン伝導度のガラス電解質が過剰に存在にすることに起因するリチウムイオン伝導度の低下を抑制できる。また、負極層中の電子伝導は導電助剤同士の接触又は接合によって生じる電子伝達によって成るので、電子伝導性を有しないガラス電解質により導電助剤同士の接触が阻害されると電子伝導の抵抗が高くなる。よって、電子伝導性を有しないガラス電解質が過剰に存在することに起因する電子伝導度の低下を抑制できる。従って、ガラス電解質の含有量は、好ましくは20質量%以下、より好ましくは15質量%以下、更に好ましくは10質量%以下とする。
特に、上記含有量を30質量%以上にすることで、ガラス電解質によって形成されるリチウムイオンの移動経路が確保され易くなるため、電池の充放電特性や電池容量をより高め易くできる。従って、電極層におけるリチウム伝導性の固体電解質の合計含有量は、好ましくは30質量%以上、より好ましくは45質量%以上、更に好ましくは55質量%以上とする。
他方で、上記含有量を80質量%以下にすることで、正極層中に含まれる正極材料の含有量が増加するため、全固体電池のエネルギー密度を高められる。よって、正極層における上記リチウム伝導性の固体電解質の含有量は、好ましくは75質量%以下、より好ましくは70質量%以下、さらに好ましくは65質量%以下とする。
本発明の正極層材料の導電助剤は、カーボン、グラファイト、カーボンナノチューブ、アルミ合金、亜鉛合金、銀、ルテニウムなど電子伝導性を有する材料を用いることができる。異なる材料を混合または複合して良い。
上記正極層材料の全質量に対する、導電助剤の含有量は導電助剤の種類にもよるが5質量%〜30質量%であることが好ましい。
特に、上記含有量を5質量%以上にすることで、導電助剤によって形成される電子伝導のネットワークが確保され易くなるため、電池の充放電特性や電池容量をより高め易くできる。従って、正極層における導電助剤の合計含有量は、好ましくは5質量%以上、より好ましくは7質量%以上、更に好ましくは8質量%以上とする。
他方で、上記含有量を30質量%以下にすることで、正極層中に含まれる正極材料の含有量が増加するため、全固体電池のエネルギー密度を高められる。よって、正極層における上記導電助剤の含有量は、好ましくは30質量%以下、より好ましくは20質量%以下、さらに好ましくは15質量%以下とする。
本発明の全固体電池における固体電解質層は、固体電解質としての、ガラス電解質、セラミックス電解質又はガラスセラミックス電解質の少なくとも1つ以上を含む材料を焼結したものであることが好ましい。
他方で、上記ガラス電解質の含有量が15質量%を超えると、セラミックス電解質同士をつないでいる上記ガラス電解質の膜厚が厚くなり、リチウムイオンがガラス電解質を通る距離が長くなる。セラミックス電解質よりも伝導度が低いガラス電解質の伝導度の影響が強くなり、結果としてイオン伝導度が低下する。そこで、上記ガラス電解質の含有量を15質量%以下にすることで上記のようなイオン伝導度の低下を防ぐことができる。従って、ガラス電解質の含有量は、好ましくは15質量%以下、より好ましくは12質量%以下、更に好ましくは9質量%以下とする。
他方で、上記リチウムイオン伝導性の固体電解質の含有量の上限は特に限定されず、100質量%であってもよい。
<負極材料作製>
負極材料は調合、焼成、粉砕の3つの手順で作製した。
表1の実施例1〜実施例17までの負極材料について原料をLiPO3、Fe2O3、MgO、Al(PO3)3、Y2O3、MnO2、CoO、TiO2、GeO2、ZrO2、正リン酸(H3PO4)、SiO2とし、それぞれ量論比で混合した。正リン酸成分以外をアルミナ乳鉢で混合し、のちに正リン酸を加えて、泡とり錬太郎で5分間混練し2分冷却を1セットとし、3セット混練した。
Zrを使用しない実施例1〜実施例11および実施例16については、石英るつぼに入れて大気下で1000℃5時間焼成した。Zrを化学量論比で0.2および0.5使用する実施例12および13は大気下で1100℃5時間焼成した。Zrを化学量論比で1および1.5使用する実施例14および15は1100℃5時間焼成した後に、アルミナ乳鉢で粉砕し、白金板の上に移して、1350℃で1時間焼成した。
焼成した試料はアルミナ乳鉢・乳棒を用いて、106μmメッシュパスまで粉砕後、湿式の遊星ボールミルでD90で1.5μm以下まで粉砕した。
得られた試料は106メッシュパスまで粉砕した試料について粉末X線回折測定を行い、結晶構造を評価した。実施例4のX線回折測定結果を図1に、実施例15のX線回折測定結果を図2に示す。いずれもNASICON型のLATP12あるいはLAZP12と同様に菱面体晶系であった。実施例1から17いずれの負極材料も菱面体晶系であることを確認した。
(ICP発光分光分析)
焼成後の試料のLi成分はXRF・ZSX Primus II(アジレント・テクノロジー製)で評価した。いずれの試料も仕込み組成の±10%以内に収まることを確認した。
(蛍光X線分析)
焼成後の試料のLi成分以外の元素はXRF・ZSX Primus II(RIGAKU製)で評価した。いずれの組成も仕込み組成の±10%以内に収まることを確認した。
<固体電解質の調製 LATP12>
セラミックス電解質の1つとして、Li1.2Al0.15Ti1.85Si0.05P2.95O12を調製した。原料としてLiPO3、TiO2、Al(PO3)3、及びSiO2の微紛体と、H3PO4溶液とを量論比で混合した後、石英るつぼにて1000℃で5時間焼成した。焼成した原料の混合物をスタンプミルで106μm以下に粉砕し、湿式の遊星ボールミルで1μm以下まで粉砕することで固体電解質を得た(以降この固体電解質をLATP12と言及する)。
固体電解質の1つとして、Ti成分を含まないLi1.2Al0.15Zr1.85Si0.05P2.95O12を調製した。原料としてLiPO3、ZrO2、Al(PO3)3、及びSiO2の微紛体と、H3PO4溶液とを量論比で混合した後、白金板上にて1400℃で1時間焼成した。焼成した原料の混合物をスタンプミルで106μm以下に粉砕し、湿式の遊星ボールミルで1μm以下まで粉砕することで耐還元性固体電解質を得た(以降この耐還元性固体電解質をLAZP12と言及する)。
ガラス電解質として、Li2O−Al2O3−P2O5系ガラスを作製した。酸化物基準組成で、20質量%のLi2O、4.5質量%のAl2O3及び75.5質量%のP2O5を含有するように原料を秤量して均一に混合した後、坩堝に投入して1250℃で溶解した。熔解したガラスを水中にキャストして、ガラス電解質を調製した。上記電解質を、スタンプミルを用いて106μmメッシュパスまで粉砕後、湿式の遊星ボールミルで平均粒径1μm以下まで粉砕することで、ガラス電解質を得た(以降このガラス電解質をLIGAl9と言及する)。
作製した負極材料と、導電性付与材としてのアセチレンブラック(デンカブラック:電気化学工業株式会社製、粒状品)、結着材としてPVdF(ポリフッ化ビニリデン)とを固形分の質量比で62:9:9となるように混合・混練して、厚さ0.2mmギャップにて銅箔上にシート成形し、これを直径1.5cmに打抜き、マイティプレスにて銅箔を含まない密度が2.5g/cm3になるようにプレスして電極合剤とした。
負極材料の全固体電池での機能を確認するために、Li金属を対極とした半電池を作製して全固体電池における負極材料の充放電特性を評価した。上記半電池はLi金属、Liイオン伝導性ポリマー電解質層、固体電解質層及び負極層で構成される。Liイオン伝導性ポリマー電解質は、ZEOSPAN8100(商標)(日本ゼオン)及びLi−TFSI(化学式(CF3SO2)2NLi)を質量比でZEOSPAN:Li−TFSI=7.7:2.3になるように混合し、エタノールでスラリー状にした後、シート成形後乾燥して作製した。
固体電解質層及び負極層は粉末を圧粉して加圧成形後に焼結させることで作製した。
上記負極層及び上記固体電解質層を表3及び表4に従って調製し、Φ5mmのYTZボール(ニッカトー製)100gを加え、泡とり錬太郎(シンキー製ARV−200)を用いて1000rpmで5分間混合及び3分間冷却を3回繰り返した後、YTZボールを分離し、溶媒を乾燥除去した。乾燥した粉末をラボミルサーで粉末状にしたものを以降の実験に使用した。
φ11mmの金型に混合した負極層の材料を30mg加えてスパチュラで整えて押し具で面を整えた後に、混合した固体電解質層の材料を60mg加えてスパチュラで面を整えた。次いで、2000kg/cm2の圧力でプレスした後、600℃で焼成し、焼結体を得た。負極層表面及び固体電解質層表面を800番の耐水研磨紙で軽く研磨した後、負極層面側に集電用の銅箔をカーボンペースト及びカーボンペーパーを用いて接着し、露点−50℃のドライルーム内において150℃で1時間焼成した。
銅箔に対してLi金属を圧着した後、Liイオン伝導性ポリマー電解質を保護層として、Liイオン伝導性ポリマー電解質と上記焼結体の固体電解質層とが接するように張り付けた。銅箔が外部端子に接続できるように外部に出した状態でアルミラミネートパッケージングで上記Li金属、上記焼結体及び上記リチウムイオン伝導性ポリマー電解質を真空パックすることにより外気と遮断した。
表5に比較例1、比較例2、実施例18および実施例19の全固体半電池の密度と抵抗測定の結果を示す。質量は0.1mgまで測定できる電子天秤を用い、厚さはデジタルマイクロメータを、径はデジタルノギスを用いて評価した。抵抗測定は、LCRメータ(日置電機製 3522−50 LCR HiTESTER)を用い、1V、1kHzの抵抗を測定した。Ti系の固体電解質であるLATP12を電解質層として用いた比較例2および実施例19は、Tiを用いない耐還元性固体電解質であるLAZP12を電解質層として用いた比較例1および実施例18に比べて1/20程度の低抵抗となった。固体電解質にTi系のLATP12を用いることで、全固体半電池の抵抗値を大きく下げることができることが確認できた。
図4に比較例1の、図5に比較例2の、図6に実施例18、図7に実施例19の全固体半電池の充放電測定結果を示す。充放電試験はアスカ電子製充放電試験機(ACD−M01A)を用い評価した。充放電電流は17μA、比較例1は1.2Vカットオフ、比較例2および実施例18は2.0Vカットオフ、実施例19は2.4VでCC充電後、3VカットオフでCC放電を行って評価した。
比較例1は2.0Vの放電電圧を示した。比較例2は、抵抗は低かったが充電と放電の不可逆容量が高く、TiO2を負極材料としているのにも関わらず、放電電圧は2.7V程度であった。このことにより固体電解質であるLATP12がTiO2を負極活物質として使用できないことが、本試験でも確認できた。耐還元性固体電解質であるTiを使用しないLAZP12を使用した比較例2においては、TiO2が充放電できることを確認した。同様に実施例18において、耐還元性固体電解質LAZP12を用いると充放電できることが確認できた。Ti系の固体電解質であるLATP12を用いた実施例19は平均2.6Vの放電電圧を示した。実施例19により作製した負極材料Li1.5Fe0.5Ti1.5P3O12を用いればLATP12固体電解質を使用して充放電できることが確認できた。 実施例19と同様の実験方法でLATP12固体電解質を用いて実施例1から実施例17の負極活物質よりなる半電池の充放電特性評価した、実施例19〜実施例35の結果を表6に示す。
正極材料としてLiMn0.75Fe0.25PO4を用いた全固体電池を作製し、負極材料の特性を評価した。
正極層の組成を表7に従って調製し、Φ5mmのYTZボール(ニッカトー製)100gを加え、泡とり錬太郎(シンキー製ARV−200)を用いて1000rpmで5分間混合及び3分間冷却を3回繰り返した後、YTZボールを分離し、溶媒を乾燥除去した。乾燥した粉末をラボミルサーで粉末状にしたものを以降の実験に使用した。
作製した負極材料の電極材料での機能を確認するため、表8の組成で全固体電池を構成した。φ11mmの金型に混合した負極層の材料を30mg加えてスパチュラで整えて押し具で面を整えた後に、混合した固体電解質層の材料を60mg加えてスパチュラで面を整えた。最後に混合した正極層の材料を30mg加えスパチュラで面を整えた。次いで、2000kg/cm2の圧力でプレスした後、600℃で焼成し、焼結体を得た。負極層表面及び正極表面を800番の耐水研磨紙で軽く研磨し、外周の短絡を抑制するために100μmほど外周を研削した後、負極層面側に集電用の銅箔をカーボンペースト及びカーボンペーパーを用いて接着し、正極層面側に集電用のアルミ箔をカーボンペーストおよびカーボンペーパーを用いて接着した。露点−50℃のドライルーム内において150℃で1時間焼成した。焼成後、集電用の銅箔およびアルミ箔が外部に出るようにアルミラミネートフィルムにて真空パックし、全固体電池を外気と遮断した。
質量は0.1mgまで測定できる電子天秤を用い、厚さはデジタルマイクロメータを径はデジタルノギスを用いて評価した。抵抗測定は、LCRメータ(日置電機製 3522−50 LCR HiTESTER)を用い、1V、1kHzの抵抗を測定した。充放電試験はアスカ電子製充放電試験機(ACD−M01A)を用い評価した。充放電電流は17μA、比較例3は3.2Vカットオフ、比較例4および実施例36は2.2VカットオフでCC充電後、0.1VカットオフでCC放電を行って評価した。
表9に試作した全固体電池の密度および抵抗測定の結果を示す。図8に実施例36の充放電測定の結果を示す。比較例3は、放電電圧は高くできるが、抵抗が高い。比較例4は比較例2の半電池での結果と同様に抵抗が低いが、2サイクル目以降は充放電挙動を示さなかった。LATP12を固体電解質として用いた実施例36はLAZP12固体電解質を用いた比較例3に比べ1/40の抵抗であることが確認できた。これによりLiMn0.75Fe0.25PO4が全固体電池の負極として機能できることが確認できた。
Claims (4)
- Li1+x+y+2ZAZMxT2−x−zP3−ySiyO12(x=0.1〜1.0、y=0〜0.5、z=0〜0.2)を含む負極材料。
(AはMg、Caから選ばれる1種類以上とする。)
(MはFe、Mn、Co、Ni、Cr、Y、Sc、Al、Vから選ばれる1種類以上とする。)
(TはTi、Zr、Ge、Snから選ばれる1種類以上とする。) - 請求項1に記載の負極材料を用いる全固体電池。
- 請求項1に記載の負極材料を用い、正極層、負極層又は電解質層の少なくともいずれか一つに、ガラス電解質、セラミックス電解質又はガラスセラミックス電解質の少なくともいずれか一つを用いる全固体電池。
- 電解質層がLi1+xAlxTi2−xP3-ySiyO12(x=0.1〜0.5、y=0.1〜0.3)を含み、請求項1に記載の負極材料を用いることを特徴とする全固体電池。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017225081A JP7105055B2 (ja) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | 負極材料、負極及び電池 |
PCT/JP2018/039163 WO2019102762A1 (ja) | 2017-11-22 | 2018-10-22 | 負極材料、負極及び電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017225081A JP7105055B2 (ja) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | 負極材料、負極及び電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019096478A true JP2019096478A (ja) | 2019-06-20 |
JP7105055B2 JP7105055B2 (ja) | 2022-07-22 |
Family
ID=66630595
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017225081A Active JP7105055B2 (ja) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | 負極材料、負極及び電池 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7105055B2 (ja) |
WO (1) | WO2019102762A1 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021125286A1 (ja) | 2019-12-17 | 2021-06-24 | Apb株式会社 | リチウムイオン電池用被覆正極活物質粒子、リチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池用被覆正極活物質粒子の製造方法 |
WO2021215403A1 (ja) * | 2020-04-22 | 2021-10-28 | 株式会社オハラ | リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス |
WO2022039201A1 (ja) | 2020-08-18 | 2022-02-24 | Apb株式会社 | リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子、リチウムイオン電池用負極、リチウムイオン電池、及び、リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子の製造方法 |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114901592B (zh) * | 2019-12-20 | 2024-03-15 | 佳能奥普特龙株式会社 | 离子导电固体和全固态电池 |
JP6948676B2 (ja) * | 2019-12-20 | 2021-10-13 | キヤノンオプトロン株式会社 | イオン伝導性固体及び全固体電池 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002519836A (ja) * | 1998-06-26 | 2002-07-02 | ヴァレンス テクノロジー、 インク. | リチウム含有リン酸ケイ素塩と、その製造方法および使用方法 |
JP2007517364A (ja) * | 2003-12-29 | 2007-06-28 | シエル・インターナシヨネイル・リサーチ・マーチヤツピイ・ベー・ウイ | 高温で使用するための電気化学素子 |
JP2013125750A (ja) * | 2011-12-13 | 2013-06-24 | Samsung Electronics Co Ltd | 保護負極、これを含むリチウム空気電池及びこれを含む全固体電池 |
JP2015153588A (ja) * | 2014-02-13 | 2015-08-24 | 株式会社オハラ | ガラス電解質及び全固体リチウムイオン二次電池 |
JP2016066550A (ja) * | 2014-09-25 | 2016-04-28 | 太陽誘電株式会社 | 全固体二次電池 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2013137224A1 (ja) * | 2012-03-15 | 2015-08-03 | 株式会社村田製作所 | 全固体電池およびその製造方法 |
-
2017
- 2017-11-22 JP JP2017225081A patent/JP7105055B2/ja active Active
-
2018
- 2018-10-22 WO PCT/JP2018/039163 patent/WO2019102762A1/ja active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002519836A (ja) * | 1998-06-26 | 2002-07-02 | ヴァレンス テクノロジー、 インク. | リチウム含有リン酸ケイ素塩と、その製造方法および使用方法 |
JP2007517364A (ja) * | 2003-12-29 | 2007-06-28 | シエル・インターナシヨネイル・リサーチ・マーチヤツピイ・ベー・ウイ | 高温で使用するための電気化学素子 |
JP2013125750A (ja) * | 2011-12-13 | 2013-06-24 | Samsung Electronics Co Ltd | 保護負極、これを含むリチウム空気電池及びこれを含む全固体電池 |
JP2015153588A (ja) * | 2014-02-13 | 2015-08-24 | 株式会社オハラ | ガラス電解質及び全固体リチウムイオン二次電池 |
JP2016066550A (ja) * | 2014-09-25 | 2016-04-28 | 太陽誘電株式会社 | 全固体二次電池 |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021125286A1 (ja) | 2019-12-17 | 2021-06-24 | Apb株式会社 | リチウムイオン電池用被覆正極活物質粒子、リチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池用被覆正極活物質粒子の製造方法 |
WO2021215403A1 (ja) * | 2020-04-22 | 2021-10-28 | 株式会社オハラ | リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス |
WO2022039201A1 (ja) | 2020-08-18 | 2022-02-24 | Apb株式会社 | リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子、リチウムイオン電池用負極、リチウムイオン電池、及び、リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子の製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2019102762A1 (ja) | 2019-05-31 |
JP7105055B2 (ja) | 2022-07-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2019093403A1 (ja) | 全固体電池 | |
JP6164812B2 (ja) | 全固体リチウムイオン二次電池 | |
JP5721540B2 (ja) | リチウムイオン伝導性無機物質 | |
KR102410194B1 (ko) | 나트륨 이온 전지용 전극합재, 그 제조 방법 및 나트륨 전고체 전지 | |
WO2019102762A1 (ja) | 負極材料、負極及び電池 | |
JP6861942B2 (ja) | 固体電解質シート及びその製造方法、並びにナトリウムイオン全固体二次電池 | |
CN111033858B (zh) | 共烧成型全固体电池 | |
JP7394757B2 (ja) | 非晶質固体電解質およびそれを用いた全固体二次電池 | |
WO2013137224A1 (ja) | 全固体電池およびその製造方法 | |
JP2007134305A (ja) | リチウムイオン伝導性固体電解質およびその製造方法 | |
JP6242620B2 (ja) | 全固体電池 | |
WO2019044901A1 (ja) | 固体電解質及び全固体電池 | |
JP2013137889A (ja) | 硫化物系固体電解質 | |
JP2012243743A (ja) | 全固体リチウムイオン電池 | |
CN108463916A (zh) | 固体电解质及全固态电池 | |
JP7218725B2 (ja) | バイポーラ型全固体ナトリウムイオン二次電池 | |
JP6679843B2 (ja) | 電極、電極の製造方法及び電池 | |
JP2015076324A (ja) | 固体電解質材料およびそれを用いた全固体電池 | |
JP2009140911A (ja) | 全固体電池 | |
JP2019125547A (ja) | 固体電解質粉末、並びにそれを用いてなる電極合材及び全固体ナトリウムイオン二次電池 | |
EP3890063A1 (en) | Negative electrode material and battery | |
WO2018020990A1 (ja) | 固体電解質粉末、並びにそれを用いてなる電極合材及び全固体ナトリウムイオン二次電池 | |
WO2018198494A1 (ja) | 全固体電池 | |
JP6840946B2 (ja) | 固体電解質、全固体電池、およびそれらの製造方法 | |
WO2018235575A1 (ja) | ナトリウムイオン二次電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200409 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210420 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20210617 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210811 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210928 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20211126 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20211228 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20220225 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220324 |
|
C60 | Trial request (containing other claim documents, opposition documents) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C60 Effective date: 20220324 |
|
A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20220404 |
|
C21 | Notice of transfer of a case for reconsideration by examiners before appeal proceedings |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: C21 Effective date: 20220405 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20220412 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220426 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220620 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220705 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220711 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7105055 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |