JP2020191202A - 全固体リチウム二次電池 - Google Patents
全固体リチウム二次電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020191202A JP2020191202A JP2019095156A JP2019095156A JP2020191202A JP 2020191202 A JP2020191202 A JP 2020191202A JP 2019095156 A JP2019095156 A JP 2019095156A JP 2019095156 A JP2019095156 A JP 2019095156A JP 2020191202 A JP2020191202 A JP 2020191202A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- negative electrode
- active material
- electrode active
- solid
- material layer
- 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
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 109
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 107
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 claims abstract description 119
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 56
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 claims abstract description 37
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 17
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 197
- 239000000463 material Substances 0.000 description 29
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 19
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 17
- 235000019241 carbon black Nutrition 0.000 description 17
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 17
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 15
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 12
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 10
- 229910008266 Li-Ag Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910008445 Li—Ag Inorganic materials 0.000 description 8
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 8
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 8
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 7
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 6
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 6
- 229910018130 Li 2 S-P 2 S 5 Inorganic materials 0.000 description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 235000002639 sodium chloride Nutrition 0.000 description 5
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910018091 Li 2 S Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000003701 mechanical milling Methods 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 3
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 3
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 3
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 3
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 3
- KVNYFPKFSJIPBJ-UHFFFAOYSA-N 1,2-diethylbenzene Chemical compound CCC1=CC=CC=C1CC KVNYFPKFSJIPBJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910013716 LiNi Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 2
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 2
- 238000007578 melt-quenching technique Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012454 non-polar solvent Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910017941 Ag—Li Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018127 Li 2 S-GeS 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018133 Li 2 S-SiS 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009324 Li2S-SiS2-Li3PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009320 Li2S-SiS2-LiBr Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009316 Li2S-SiS2-LiCl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009318 Li2S-SiS2-LiI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009328 Li2S-SiS2—Li3PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007281 Li2S—SiS2—B2S3LiI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007295 Li2S—SiS2—Li3PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007291 Li2S—SiS2—LiBr Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007288 Li2S—SiS2—LiCl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007289 Li2S—SiS2—LiI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007306 Li2S—SiS2—P2S5LiI Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002995 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- QTHKJEYUQSLYTH-UHFFFAOYSA-N [Co]=O.[Ni].[Li] Chemical compound [Co]=O.[Ni].[Li] QTHKJEYUQSLYTH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HFCVPDYCRZVZDF-UHFFFAOYSA-N [Li+].[Co+2].[Ni+2].[O-][Mn]([O-])(=O)=O Chemical compound [Li+].[Co+2].[Ni+2].[O-][Mn]([O-])(=O)=O HFCVPDYCRZVZDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- NDPGDHBNXZOBJS-UHFFFAOYSA-N aluminum lithium cobalt(2+) nickel(2+) oxygen(2-) Chemical compound [Li+].[O--].[O--].[O--].[O--].[Al+3].[Co++].[Ni++] NDPGDHBNXZOBJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000006258 conductive agent Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- QHGJSLXSVXVKHZ-UHFFFAOYSA-N dilithium;dioxido(dioxo)manganese Chemical compound [Li+].[Li+].[O-][Mn]([O-])(=O)=O QHGJSLXSVXVKHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000007610 electrostatic coating method Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000006232 furnace black Substances 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 1
- 150000002641 lithium Chemical class 0.000 description 1
- 229910000625 lithium cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Inorganic materials [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- CASZBAVUIZZLOB-UHFFFAOYSA-N lithium iron(2+) oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Fe+2].[Li+] CASZBAVUIZZLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GLNWILHOFOBOFD-UHFFFAOYSA-N lithium sulfide Chemical compound [Li+].[Li+].[S-2] GLNWILHOFOBOFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N lithium;oxido(oxo)cobalt Chemical compound [Li+].[O-][Co]=O BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- URIIGZKXFBNRAU-UHFFFAOYSA-N lithium;oxonickel Chemical compound [Li].[Ni]=O URIIGZKXFBNRAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 description 1
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002203 sulfidic glass Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- 238000004846 x-ray emission Methods 0.000 description 1
- 239000008096 xylene Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/134—Electrodes based on metals, Si or alloys
-
- 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
-
- 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
- H01M4/362—Composites
- H01M4/364—Composites as mixtures
-
- 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
- H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
-
- 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
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/44—Methods for charging or discharging
- H01M10/446—Initial charging measures
-
- 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
- H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
- H01M2004/027—Negative electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
-
- 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
- H01M4/64—Carriers or collectors
- H01M4/66—Selection of materials
- H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
-
- 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
-
- 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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Description
本実施形態の全固体リチウムイオン二次電池1は、正極と負極との間をリチウムイオンが移動することで充放電を行う、所謂リチウム二次電池である。具体的にこの全固体リチウムイオン二次電池1は、図1に示すように、正極層10と、負極層20と、正極層10と負極層20の間に配置された固体電解質層30と備えている。
正極層10は、負極層20に向かって順に配置された正極集電体11及び正極活物質層12を有する。
負極層20は、正極層10に向かって順に配置された負極集電体21及び負極活物質層22を含む。
また、析出したLi−Ag固溶体中のAgの量は、例えば次のようにして測定することができる。XRD測定を行うと、純粋な金属リチウムとAgが固溶した金属リチウム(Li−Ag固溶体)とでは回折ピーク位置が異なる。Agが固溶した金属リチウムの回折ピーク位置は、Agの固溶濃度が下がるほど純粋な金属リチウムのピーク位置に近づく。具体的には、Cuターゲットを用いたXRD測定では、Agの固溶濃度が下がると、回折ピークが2θ=37.0°近傍から36.5°近傍へとシフトする。このピーク位置からAgの固溶量を見積もることができる。この他にも、ICP等でも固溶量を測定することは可能である。
固体電解質層30は、正極層10と負極層20の間(具体的には、正極活物質層12と負極活物質層22の間)に配置されている。固体電解質層30は、イオンを移動させることができる固体電解質を含有する。
本実施形態の全固体リチウム二次電池1は、負極活物質層22の初期充電容量に対して正極活物質層12の初期充電容量が過大になるように構成されている。後述するように、本実施形態の全固体リチウム二次電池1では、負極活物質層22の初期充電容量を超えて充電(すなわち過充電)させて使用する。充電の初期には、負極活物質層22内にリチウムが吸蔵される。すなわち、負極活物質は、正極層10から移動してきたリチウムイオンと合金又は化合物を形成する。負極活物質層22の初期充電容量を超えて充電が行われると、図2に示すように、負極活物質層22の裏側、すなわち負極集電体21と負極活物質層22との間にリチウムが析出し、このリチウムによって金属層23が形成される。金属層23は主にAgが固溶したリチウム(すなわち、Ag−Li固溶体)で構成される。このような現象は、負極活物質を特定の物質、すなわちリチウムと合金又は化合物を形成する物質で構成することで生じる。放電時には、負極活物質層22及び金属層23中のリチウムは、固溶しているAgを残存させたままイオン化し、正極層10側に移動する。したがって、全固体リチウム二次電池1では、リチウムを負極活物質として使用することができる。さらに、負極活物質層22は、金属層23を被覆するので、金属層23の保護層として機能するとともに、樹枝状の金属リチウムの析出及び成長を抑制することができる。
0.01<b/a<0.5 (1)
(ここで、aは正極活物質層12の初期充電容量(mAh)であり、bは負極活物質層22の初期充電容量(mAh)である)
一方で、初期充電容量比が0.5以上になると、負極におけるリチウムの析出量が減少するため電池容量が減ってしまう恐れがある。そのため、初期充電容量比は0.5未満が好ましい。
次に、前記した全固体リチウム二次電池1の製造方法について説明する。本実施形態に係る全固体リチウム二次電池1は、正極層10、負極層20、及び固体電解質層30をそれぞれ作製した後、上記の各層を積層することにより得ることができる。
まず、正極活物質層12を構成する材料(正極活物質、バインダ等)を非極性溶媒に添加して、スラリー(ペーストであってもよい)を作製する。ついで、得られたスラリーを、準備した正極集電体11上に塗布する。これを乾燥させることにより積層体を得る。次いで得られた積層体を、例えば静水圧を用いて加圧することで、正極層10が得られる。なお加圧工程は省略されてもよい。
まず、負極活物質層22を構成する材料(Agを必ず含む負極活物質、バインダ等)を極性溶媒又は非極性溶媒に添加することで、スラリー(ペーストであってもよい)を作製する。ついで、得られたスラリーを準備した負極集電体21上に塗布する。これを乾燥させることにより積層体を得る。次いで、得られた積層体を例えば静水圧を用いて加圧することで、負極層20を作製する。なお加圧工程は省略されてもよい。なお、スラリーを負極集電体21に塗布する方法は、特に限定されず、例えば、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法等であってよい。
固体電解質層30は、硫化物系固体電解質材料から形成された固体電解質により作製することができる。
正極層10と負極層20とで固体電解質層30を挟むように配置し、これを例えば静水圧等を用いて加圧することにより、本実施形態に係る全固体リチウム二次電池1を得ることができる。なお、本実施形態の全固体リチウム二次電池1は、エンドプレート等を用いて高い外部圧力を印加する必要がなく、使用時において、正極層10、負極層20及び固体電解質層30に印加される外部圧力が1MPa以下であっても、上記した優れた放電容量を発揮できる。
次に、全固体リチウム二次電池1の充電方法について説明する。
<1.サンプル作製>
まず以下の手順により、負極活物質層として無定形炭素を含有する全固体リチウム二次電池のサンプル(No.1〜37)を作製した。
正極活物質としてLiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)を準備した。この正極活物質に対し、非特許文献1に書かれている方法により、Li2O−ZrO2で被覆を行った。また固体電解質として、Argyrodite型結晶であるLi6PS5Clを準備した。また、バインダとして、ポリテトラフルオロエチレン(デュポン社製テフロン(登録商標)バインダ)を準備した。また、導電助剤としてカーボンナノファイバー(CNF)を準備した。ついで、これらの材料を、正極活物質:固体電解質:導電助剤:バインダ=88:12:2:1の質量比で混合した。混合物をシート状に引き伸ばして、正極活物質シートを作製した。そしてこの正極活物質シートを約1.7cm角に成形し、18μm厚のアルミ箔からなる正極集電体に圧着することにより、サンプルNo.1〜37に用いる正極層を作製した。
次にサンプルNo.1〜37に用いる負極層を次のようにして作成した。
10μm厚のNi箔(サンプル1)と、10μm厚のSUS304箔から成る負極集電体上に30μm厚のLi金属箔を積層した積層体(サンプル2)とを準備した。これらを、それぞれ約2cm角で打ち抜き負極層とした。ただし、この負極層には、突出部があり、後述するように電池の負極用端子として用いる。このようにして、サンプルNo.1及び2に用いる負極層を作製した。
N−メチルピロリドン(NMP)溶液に溶かしたバインダ(クレハ社製#9300)を準備した。表1に示す負極活物質をこのバインダに投入した後、この混合溶液にNMPを少しずつ加えながら撹拌することでスラリーを作製した。そしてスクリーン印刷法により、10μm厚のSUS304箔から成る負極集電体上に、作製したスラリーを負極活物質層として塗布した。ここで、各サンプルの負極活物質層における負極活物質の含有量、負極活物質層の層厚は表1に示す値になるよう調整した。例えば、サンプルNo.15の負極層は、負極活物質層が負極活物質としてカーボンブラック(表1でCBと表記)とAgとSiを含有し、それぞれの含有量は75wt%、7.5wt%、17.5wt%である。また、負極層の積層方向(すなわち負極集電体におけるスラリーの塗布面に垂直な方向)から視た単位面積当たりのAgの含有量が、表1に示す値になるように調整した。そして、空気中で約80℃で約20分間乾燥させたのち、100℃で約12時間真空乾燥して積層体を得た。この積層体を約2cm角で打ち抜き負極層とした。ただし、この負極層には、突出部があり、後述するように電池の負極用端子として用いる。このようにして、サンプルNo.3〜13及び15〜37に用いる負極層を作製した。
No.10、12では、負極活物質の含有量が異なるスラリーを負極集電体上に二層塗した。具体的にはNo.10では、負極活物質としてカーボンブラック(負極活物質層全体における負極活物質の総重量を100wt%として60wt%。以下同じ。)のみを含有するスラリーをまず負極集電体上に塗布し、その上に負極活物質としてカーボンブラック(20wt%)とAg(20wt%)を含有するスラリーを塗布した。No.12では、負極活物質としてカーボンブラック(20wt%)とAg(20wt%)を含有するスラリーをまず負極集電体上に塗布し、その上に負極活物質としてカーボンブラック(60wt%)のみを含有するスラリーを塗布した。
またNo.14では、負極集電体上に負極活物質として、まずAgめっき箔を積層し、この上にCBのみを含有するスラリーを塗布した。
Li6PS5Cl固体電解質に、当該固体電解質の質量に対して1質量%のゴム系バインダを加えた。この混合物にキシレンとジエチルベンゼンを加えながら撹拌することで、スラリーを作製した。このスラリーを不織布の上にブレードコーターを用いて塗布し、空気中で40℃で乾燥させた。これにより得られた積層体を40℃で12時間真空乾燥した。この積層体を約2.2cm角で打ち抜き、サンプルNo.1〜37に用いる固体電解質層を作製した。
作製した正極層、固体電解質層及び負極層をこの順で重ねて、真空中でラミネートフィルムに封じることにより全固体リチウム二次電池のサンプルNo.1〜37を作製した。ここで、正極集電体と負極集電体のそれぞれ一部を、電池の真空を破らないようにラミネートフィルムから外に突出させた。これらの突出部を正極層及び負極層の端子とした。さらに、この全固体リチウム二次電池を490MPaで30分間静水圧処理した。その後、いずれのサンプルに対しても、エンドプレートによる挟み込み等による圧力の印加(加圧)を行わなかった。すなわち、各サンプルに作用していた外部圧力は1MPa以下(具体的には大気圧程度)であったといえる。
作製したサンプルNo.1〜37の全固体リチウム二次電池に対して、以下の要領で充放電試験を行い、その電池特性(放電容量)を評価した。
具体的には、作製した全固体リチウム二次電池を60℃の恒温槽に入れて、電池特性を評価した。第1サイクルでは、電池電圧が4.25Vになるまで0.6mA/cm2の定電流で充電を行い、電流が0.5mAになるまで4.25Vの定電圧で充電を行った。その後電池電圧が2.5Vになるまで1.2mA/cm2の定電流で放電を行った(0.2C放電)。第2サイクル及び第3サイクルでは、第1サイクルと同じ条件で充電を行った。そして、第2サイクルでは、電池電圧が2.5Vになるまで、2.0mA/cm2(0.33C放電)の定電流で放電を行った。第3サイクルでは、電池電圧が2.5Vになるまで、6.0mA/cm2(1C放電)の定電流で放電を行った。その結果を表2に示す。
ここで、0.2C放電での放電容量が100mAh/g以上であるものを放電容量に優れている(表2において〇と表記)と評価した。また、外部からの圧力の印加を行わない場合にもっとも影響を受けやすい1C放電での放電容量が100mAh/g以上であるものを、放電容量に特に優れている(表2において◎と表記)評価した。
表1及び表2に示すように、サンプルNo.3及び9〜36は、いずれも本発明で規定する要件(負極活物質層がAgを有する)を満たす発明例たる全固体リチウム二次電池である。これらの全固体二次電池のサンプルはいずれも0.2C放電容量が100mAh/g以上であり、高い外圧を加えることなく優れた放電容量を発揮することを確認できた。
10 正極層
11 正極集電体
12 正極活物質層
20 負極層
21 負極集電体
22 負極活物質層
23 金属層
30 固体電解質層
Claims (11)
- 正極活物質層と、固体電解質層と、リチウムと合金又は化合物を形成する負極活物質層とをこの順に備えるものであって、
前記負極活物質層がAgを含有する全固体リチウム二次電池。 - 前記負極活物質層が、含有する負極活物質の総重量を100wt%として、Agを10wt%以上、100wt%以下含有する請求項1に記載の全固体リチウム二次電池。
- 前記負極活物質層が、含有する負極活物質の総重量を100wt%として、Agを20wt%以上、80wt%以下含有する請求項2記載の全固体リチウム二次電池。
- 前記負極活物質層における単位面積当たりのAgの含有量が、0.05mg/cm2以上、5mg/cm2以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の全固体リチウム二次電池。
- 前記負極活物質層における単位面積当たりのAgの含有量が、0.1mg/cm2以上、2.0mg/cm2以下である請求項4に記載の全固体リチウム二次電池。
- 前記負極活物質層が、無定形炭素、金、白金、パラジウム、ケイ素、アルミニウム、ビスマス、錫、インジウム及び亜鉛よりなる群から選択される少なくとも1種を更に含む請求項1〜5のいずれかに記載の全固体リチウム二次電池。
- 過充電した状態において前記負極活物質層近傍に析出した金属層が、γ1相又はβLi相の少なくとも一方のLi(Ag)合金を含有する請求項1〜6のいずれかに記載の全固体リチウム二次電池。
- 前記負極活物質層が、粒子状又は膜状のAgを含有する請求項1〜7のいずれかに記載の全固体リチウム二次電池。
- 使用時に、前記正極活物質層、前記固体電解質層及び前記負極活物質層に印加される外部圧力が1.0Mpa以下である請求項1〜8のいずれか1項に記載の全固体リチウム二次電池。
- 請求項1〜9の何れか1項に記載の全固体二次電池を、前記負極活物質層の容量を超えて充電することを特徴とする、全固体リチウム二次電池の充電方法。
- 充電量が前記負極活物質層の充電容量の2倍以上100倍以下の間の値であることを特徴とする、請求項10に記載の全固体リチウム二次電池の充電方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019095156A JP7321769B2 (ja) | 2019-05-21 | 2019-05-21 | 全固体リチウム二次電池 |
KR1020190097640A KR20200134126A (ko) | 2019-05-21 | 2019-08-09 | 전고체 리튬이차전지 및 이의 충전방법 |
US16/846,900 US11824155B2 (en) | 2019-05-21 | 2020-04-13 | All-solid lithium secondary battery and method of charging the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019095156A JP7321769B2 (ja) | 2019-05-21 | 2019-05-21 | 全固体リチウム二次電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020191202A true JP2020191202A (ja) | 2020-11-26 |
JP7321769B2 JP7321769B2 (ja) | 2023-08-07 |
Family
ID=73455139
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019095156A Active JP7321769B2 (ja) | 2019-05-21 | 2019-05-21 | 全固体リチウム二次電池 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7321769B2 (ja) |
KR (1) | KR20200134126A (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20210133085A (ko) * | 2020-04-28 | 2021-11-05 | 삼성에스디아이 주식회사 | 전고체 이차 전지 |
KR102570543B1 (ko) * | 2021-05-26 | 2023-08-28 | (주)나노제네시스 | 그래핀-금속 입자 복합체를 포함하는 전고체전지용 음극 및 이를 포함하는 전고체전지 |
KR20230064467A (ko) | 2021-11-03 | 2023-05-10 | 한국전기연구원 | 리튬 친화성 물질과 리튬의 금속간 상을 포함하는 리튬 이차전지용 음극 및 그 제조방법 |
WO2023096447A1 (ko) * | 2021-11-26 | 2023-06-01 | 삼성에스디아이 주식회사 | 이차 전지용 음극 재료, 이차 전지용 음극층, 고체 이차 전지 및 그 충전 방법 |
WO2024096594A1 (ko) * | 2022-11-02 | 2024-05-10 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 전고체 리튬이온 이차전지 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014096311A (ja) * | 2012-11-12 | 2014-05-22 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 固体電解質シート、電極シート、及び全固体二次電池 |
JP2016039006A (ja) * | 2014-08-06 | 2016-03-22 | 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. | リチウムイオン二次電池 |
JP2018092955A (ja) * | 2016-02-01 | 2018-06-14 | 株式会社東芝 | 二次電池、組電池、電池パック、及び車両 |
-
2019
- 2019-05-21 JP JP2019095156A patent/JP7321769B2/ja active Active
- 2019-08-09 KR KR1020190097640A patent/KR20200134126A/ko active Search and Examination
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014096311A (ja) * | 2012-11-12 | 2014-05-22 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 固体電解質シート、電極シート、及び全固体二次電池 |
JP2016039006A (ja) * | 2014-08-06 | 2016-03-22 | 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. | リチウムイオン二次電池 |
JP2018092955A (ja) * | 2016-02-01 | 2018-06-14 | 株式会社東芝 | 二次電池、組電池、電池パック、及び車両 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7321769B2 (ja) | 2023-08-07 |
KR20200134126A (ko) | 2020-12-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7063653B2 (ja) | 全固体型二次電池 | |
US11764407B2 (en) | All-solid-state secondary battery including anode active material alloyable with lithium and method of charging the same | |
KR102651551B1 (ko) | 전 고체형 2차 전지용 음극, 전 고체형 2차 전지 및 그 제조방법 | |
JP7321769B2 (ja) | 全固体リチウム二次電池 | |
KR20220050112A (ko) | 리튬 이차 전지 및 상기 리튬 이차 전지의 제조방법 | |
US11923502B2 (en) | All-solid secondary battery and method of preparing same | |
US11682791B2 (en) | Solid electrolyte, electrochemical battery including the solid electrolyte, and method of preparing the solid electrolyte | |
US20210296691A1 (en) | Cathode for all-solid secondary battery and all-solid secondary battery including the same | |
JP2020184407A (ja) | 全固体電池 | |
US20230275261A1 (en) | All-solid-state secondary battery and manufacturing method therefor | |
US11594717B2 (en) | All-solid lithium secondary battery, manufacturing method thereof, method of use thereof, and charging method thereof | |
JP7130911B2 (ja) | 全固体二次電池用正極、及びそれを含む全固体二次電池 | |
JP2021039876A (ja) | 全固体電池 | |
JP2021051866A (ja) | 全固体電池 | |
JP2023524057A (ja) | 全固体二次電池 | |
JP2019117768A (ja) | 全固体二次電池 | |
JP2020167146A (ja) | 全固体二次電池、その製造方法、その使用方法及びその充電方法 | |
JP7263977B2 (ja) | 全固体電池 | |
JP2021197302A (ja) | 固体電池 | |
JP2021089814A (ja) | 全固体電池 | |
WO2024018246A1 (ja) | 全固体電池の製造方法 | |
WO2023132304A1 (ja) | 正極材料および電池 | |
WO2024028622A1 (ja) | 二次電池 | |
JP2022125899A (ja) | 全固体二次電池およびその充電方法 | |
JP2022056859A (ja) | 負極材料及び固体電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220419 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230308 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230314 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230419 |
|
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: 20230711 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230726 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7321769 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |