JP6340955B2 - 複合積層体の製造方法、複合積層体及びリチウム電池 - Google Patents
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Description
LiとLaとZrとを少なくとも含有するガーネット型酸化物を含む第1層の表面にCo、Ni及びMnのうち1以上を含む金属及び/又は化合物からなる中間層を形成する形成工程と、
前記中間層に含まれるCo、Ni及びMnのうち1以上の元素を含有する複合酸化物の粒子とLiを含有する融剤とを含む第2層を前記中間層の上に形成し積層体とする積層工程と、
前記積層体を焼成する焼成工程と、
を含むものである。
LiとLaとZrとを少なくとも含有するガーネット型酸化物を含む第1層と、
Co、Ni及びMnのうち1以上の元素を含有する複合酸化物の粒子とLiを含有する融剤とを含む第2層と、
前記複合酸化物に含まれるCo、Ni及びMnのうち1以上の元素を含有し前記融剤中において前記第1層と前記複合酸化物粒子との間に形成された前記融剤と異なる界面部と、を備えたものである。
ガーネット型酸化物として、Li6.75La3Zr1.75Nb0.25O12(LLZ)を合成した。出発原料は、Li2CO3、La(OH)3、ZrO2およびNb2O5とした。出発原料を化学量論比になるように秤量した。ただし本焼結でのLiの欠損を補う目的で、組成中のLi量に対して10at.%になるようにLi2CO3を過剰添加した。ジルコニアボールを用い、エタノール中にて遊星ボールミル(300rpm)で1時間、混合・粉砕を行った。出発原料の混合粉末をボールとエタノールから分離したのち、Al2O3るつぼ中にて、LLZNbを950℃、10時間、大気雰囲気で仮焼した。その後、この混合粉末を、ジルコニアボールを用い、エタノール中にて遊星ボールミル(300rpm)で1時間混合粉砕した。得られた粉末を再び上記条件下(950℃、10時間、大気雰囲気)で仮焼し、その後、直径13mmのペレット状に成形した。このペレットを1150℃、36時間、大気雰囲気下で本焼結し、試料(固体電解質層)を得た。
LiCoO2(LCO)は、日本化学製セルシード10Nを用いた。
Li3BO3(LBO)は、Li2CO3、B2O3を出発原料とし、化学量論比になるよう秤量し、ボールミルで混合したのち、600℃、10時間焼成して得た。
固体電解質層の電気伝導度を測定した。恒温槽中にてACインピーダンスアナライザー(Agilent4294A)を用い、周波数40Hz〜110MHz、振幅電圧100mVの条件で、ナイキストプロットの円弧より抵抗値を求め、この抵抗値から電気伝導度を算出した。ACインピーダンスアナライザーで測定する際のブロッキング電極にはAu電極を用いた。Au電極は市販のAuペーストを850℃、30分の条件で焼き付けることで形成した。その測定結果では、固体電解質層は、電気伝導度が5×10-4Scm-1であった。
固体電解質層(第1層)の表面にCoの金属層(中間層)を形成した(形成工程)。上記ガーネット型酸化物の固体電解質層の表面を研磨したのち、この表面に直径6mmの開口を有するマスクを載せ、Co金属をターゲットとしてイオンコーター内にセットした。ロータリーポンプで10Paまで減圧した後、400〜600Vを印加してCoを固体電解質層の表面にイオンコートした。処理後の固体電解質層の質量増加を測定し、コートしたCo量を求めた。次に、Co金属層の上に複合酸化物を含む活物質層(第2層)を積層した(積層工程)。融剤(LBO)を2.7g、複合酸化物(LCO)を7.3g、及び結着剤(ECビヒクル、日新化成製EC−200FTD)を10g、秤量し混練して活物質合材ペーストとした。固体電解質層のCoをイオンコートとした領域に、直径6mmの開口を有するマスクを載せ、上記ペーストをスクリーン印刷し、積層体とした。続いて、積層体を焼成した(焼成工程)。焼成炉に上記積層体を入れ、750℃で1時間保持し、その後、炉冷して複合積層体を得た。これを実施例1の複合積層体とした。焼成処理後の複合積層体の質量増加を測定し、測定した質量及び原料組成から、含まれる活物質量を求めた。また、上記中間層を形成しない以外は上記各工程を経て得られたものを比較例1の複合積層体とした。
実施例1の複合積層体の活物質層の表面にAuを100nmイオンコートし、Al薄板を正極集電体として配設した。また、固体電解質層の裏面に負極活物質としてのLi金属を蒸着し、Cu薄板を負極集電体として配設し、実施例1の全固体リチウム二次電池を得た。また、比較例1の複合積層体を用いて、実施例1と同様の工程を経て比較例1の全固体リチウム二次電池を得た。
作製した実施例1の積層複合体の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察した。SEM観察は、日立ハイテクノロジーズ社製S−3600Nを用いて2000〜5000倍の条件で行った。図3は、複合積層体の断面のSEM写真である。図3に示すように、実施例1の複合積層体では、形成工程で形成した中間層は明確に残っていなかった。また、中間層の代わりに、活物質粒子と固体電解質層との間に、これらを接合する、融剤とは異なるくびれ形状の界面部が形成されていた。この界面部は、具体的な組成は不明であるが、例えば、焼成工程において、固体電解質層から放出されたLiと中間層のCo金属とが反応し、活物質と同様のLCOのような化合物が生成して形成されたのではないかと推察された。
電池評価として、サイクリックボルタモグラム(CV)を測定した。CV測定は、電気化学測定システム(北斗電工社製、HZ−3000)を用いて行った。開回路電圧(OCV)を計測したのち、0.1V/sの掃引速度で、負極(Li金属)に対して、OCVから4.05V、2.50V、4.05Vのサイクルで測定した。この結果、実施例1及び比較例1共に電池として作動することを確認した。次に、得られた電気量から仮のCレートを設定し、その1/10の値で、負極に対して、2.50Vから4.05Vまで充電させ、4.05Vから2.50Vまで放電させ、より正確な充放電量を求め、Cレートを算出した。次に、0.1Cで負極に対して4.05Vまで充電後、4.05Vで1時間保持して充電した。1時間の休止後、放電電流値500μAで終止電圧2.50V(対負極)まで放電した。更に、1時間の休止を間に挟み、電流値を200μA、100μA、50μAと順に小さくして放電容量を測定した。測定した電流値では、それよりも大きな電流値で測定された放電容量も得られるものとし、これらの放電容量の和を放電容量Q(mAh/g)とした。また、複合積層体に含まれる活物質がすべて放電した場合の放電容量Q0により放電容量Qを規格化し(Q/Q0)、このQ/Q0と、Cレート換算した放電電流I(I/C)との関係を検討した。また、中間層の形成量(Co量)を変えた複合積層体を作製し、この放電容量を測定した。
実施例1及び比較例1の測定結果を表1に示す。図4は、実施例1及び比較例1の全固体リチウム二次電池の放電電流I/Cと放電容量Q/Q0との関係図である。図4及び表1に示すように、比較例1では、低い電流値での放電容量は比較的あるものの、Cレートの増加に伴い放電容量は大きく減少し、1Cでは放電容量がほとんどなかった。これに対し、固体電解質層の表面に中間層を形成して作製した実施例1では、0.1C以上、特に、1Cでの放電容量が著しく向上することがわかった。この結果より、実施例1では、固体電解質層と複合酸化物(活物質粒子)との間のリチウムイオンの移動が速やかになったものと推察された。この理由は、以下のように推察された。例えば、LiとLaとZrとを少なくとも含有するガーネット型酸化物を含む固体電解質層(第1層)は、焼成されるとその表面にLiが析出しやすい性質を有している。この析出したLiは、リチウムイオンを伝導しにくいアルカリ金属化合物層(抵抗層)を形成することがある。比較例1の複合積層体では、固体電解質層の上に直接又は抵抗層を介して複合酸化物が接合される。このため、点接触に近い状態、あるいは抵抗層を介するから、固体電解質と複合酸化物との間のリチウムイオンの移動量が少ないと推察された。これに対して、実施例1の複合積層体では、複合酸化物に含有されるCo、Ni及びMnのうち1以上の元素を含有する中間層を予め第1層上に形成しておくことにより、この析出するLiと反応し、リチウムイオンをより伝導しやすい界面部が形成されるものと推察された。この界面部は、例えば、LiとCoとを含むことが容易に推察されるから、リチウムイオンを移動しやすい、複合酸化物(LCO)と同様の化合物であると推察された。この界面部により、活物質粒子と第1層との間でのリチウムイオンの伝導性がより高まるため、より大きな電流での放電を行うことができるものと推察された。
Claims (12)
- LiとLaとZrとを少なくとも含有するガーネット型酸化物を含む第1層の表面にCo、Ni及びMnのうち1以上を含む金属及び/又は化合物からなる中間層を形成する形成工程と、
前記中間層に含まれるCo、Ni及びMnのうち1以上の元素を含有する複合酸化物の粒子とLiを含有する融剤とを含む第2層を前記中間層の上に形成し積層体とする積層工程と、
前記積層体を焼成する焼成工程と、を含み、
前記焼成工程では、前記積層体を焼成することにより、前記融剤中において前記第1層と前記複合酸化物粒子との間に前記融剤と異なる界面部を形成する、複合積層体の製造方法。 - 前記形成工程では、前記中間層の形成量を50μg/cm2以上で形成する、請求項1に記載の複合積層体の製造方法。
- 前記形成工程では、前記中間層としてCo金属を形成し、
前記積層工程では、少なくともCoを含む前記複合酸化物の粒子を用いる、請求項1又は2に記載の複合積層体の製造方法。 - 前記形成工程では、スパッタ法、化学蒸着法、イオンコート法及びPLD法のうちいずれかの方法で前記中間層を形成する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複合積層体の製造方法。
- 前記積層工程では、前記融剤としてLiとBとを含む化合物を用いる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の複合積層体の製造方法。
- 前記形成工程では、基本組成Li7+X-YLa3-XAXZr2-YTYO12(式中、元素Aは、Ba,Sr,Ca,MgおよびYからなる群より選ばれた1種類以上の元素であり、元素Tは、Sc,Ti,V,Y,Nb,Hf,Ta,Al,Si,GaおよびGeからなる群より選ばれた1種類以上の元素であり、0<X≦1、0≦Y≦1、X<Yを満たす)で表される前記ガーネット型酸化物を用いる、請求項1〜5のいずれか1項に記載の複合積層体の製造方法。
- 前記積層工程では、基本組成LiCoaNibMncO2(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1)で表される前記複合酸化物を用いる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の複合積層体の製造方法。
- LiとLaとZrとを少なくとも含有するガーネット型酸化物を含む第1層と、
Co、Ni及びMnのうち1以上の元素を含有する複合酸化物の粒子とLiを含有する融剤とを含む第2層と、
前記複合酸化物に含まれるCo、Ni及びMnのうち1以上の元素を含有し前記融剤中において前記第1層と前記複合酸化物粒子との間に形成された前記融剤と異なる界面部と、
を備えた複合積層体。 - 前記ガーネット型酸化物は、基本組成Li7+X-YLa3-XAXZr2-YTYO12(式中、元素Aは、Ba,Sr,Ca,MgおよびYからなる群より選ばれた1種類以上の元素であり、元素Tは、Sc,Ti,V,Y,Nb,Hf,Ta,Al,Si,GaおよびGeからなる群より選ばれた1種類以上の元素であり、0<X≦1、0≦Y≦1、X<Yを満たす)で表される、請求項8に記載の複合積層体。
- 前記複合酸化物は、基本組成LiCoaNibMncO2(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1)で表される、請求項8又は9に記載の複合積層体。
- 前記融剤は、LiとBとを含む化合物である、請求項8〜10のいずれか1項に記載の複合積層体。
- 請求項8〜11のいずれか1項に記載の複合積層体を備えた、リチウム電池。
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