JP6642901B2 - 全固体電池の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、全固体電池の製造方法、及び全固体電池に関する。
近年、パソコン、ビデオカメラ、携帯電話等の情報通信関連機器、電気自動車、電力貯蔵用の電源等として、リチウムイオン電池等の電池の需要が増大している。しかしこうした電池の多くは電解質として可燃性の有機電解液を用いているため、液漏れ、短絡、過充電などを想定した厳重な安全対策が必須であり、とくに高容量かつ高エネルギー密度の電池については高い安全性の確保が求められる。
一方、昨今、注目されている全固体電池は、電解質として酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いるため、発熱や熱暴走により発火、火災等に至る危険が少なく、高エネルギー密度化、長寿命化が可能であり、また全固体電池は単一セルに電極を何層も積層することができるため、多様な電圧への対応や小型化が容易であるといった優れた特徴も兼ね備える。そのため、全固体電池は将来的に大きな需要が見込まれており、様々な分野で研究開発が精力的に進められている。
全固体電池に関し、例えば、特許文献1には、集電体層の酸化を抑制すべく、集電体を含むグリーンシート群を、不活性雰囲気中で焼成した後、酸素を含む雰囲気中でさらに焼成すること、電子伝導性材料とを用いて集電体層を作成すること、ガラス粉末を用いて固体電解質を作成すること等が記載されている。
また特許文献2には、内部抵抗が低く、大容量である全固体電池を得るために、活物質グリーンシートおよび固体電解質グリーンシートを形成し、活物質グリーンシートの一方の面に固体電解質グリーンシートを積層して第1グリーンシート群を得、活物質グリーンシートの他方の面に、集電体スラリーを用いて、集電体グリーンシート層を形成して第2グリーンシート群を得、第2グリーンシート群を、酸化雰囲気中、200℃以上400℃以下で加熱し、加熱した第2グリーンシート群を、低酸素雰囲気中、加熱工程の加熱温度よりも高い焼成温度で焼成して、積層体を得ることが記載されている。
国際公開第2012/060350号 特開2007−227362号公報
電極層(正極層、負極層)、固体電解質層、及び集電体層を積層した全固体電池を作成する場合には、全固体電池の放電性能や電池寿命等に影響を与える、各層間(界面)の状態を良好に保つことが重要である。また材料として酸化物を用いて全固体電池を作成する場合には、各層を構成している異種の材料を積層して焼成する必要があるが、この場合、収縮率の違いによる層間(界面)での割れの発生が問題となる。
本発明は、全固体電池を作成する際に層間(界面)の状態を良好に保つことが可能な全固体電池の製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の一つは、正極層、固体電解質層、負極層がこの順に積層されてなる構造を発電単位とした全固体電池の製造方法であって、
焼結することによって、前記発電単位の正極層側と負極層側とに、集電体層が積層されてなる構造を作製し、
前記焼結時の温度より高い温度で軟化する材料を酸化物セラミックス材料とするとともに、前記焼結時の温度より低い温度で軟化する材料をガラス材料として、
前記集電体層に、前記ガラス材料と前記酸化物セラミックス材料と導電助剤とを含ませ、
前記ガラス材料を600℃で軟化する材料とし、
前記酸化物セラミックス材料をAlとし、
前記導電助剤をカーボンナノファイバーとし、
前記集電体層の収縮率を前記正極層又は前記負極層の収縮率に一致させるように、前記集電体層に、平均粒子径が0.5μm以上1.9μm以下の前記ガラス材料と、平均粒子径が2.0μm以上4.0μm以下の前記酸化物セラミックス材料とを夫々50%の重量比で含ませ、
前記導電助剤を、前記ガラス材料と前記酸化物セラミックス材料との重量合計に対して0.5%以上3%以下の重量比で含ませる、
ことを特徴としている。
本発明のうちの他の一つは、上記製造方法であって、前記全固体電池は、複数の前記発電単位が前記集電体層を介して積層された層構造を有することとしている。
その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。
本発明によれば、全固体電池を作成する際に層間(界面)の状態を良好に保つことができる。
全固体電池1の層構造の例を示す図である。 全固体電池1の層構造の例を示す図である。 ガラス材料のサンプル(a)〜(e)及びサンプルとして作成した電極層の夫々についての収縮率の測定結果を示すグラフである。 ガラス材料に酸化物セラミックス材料を加えたサンプル及びサンプルとして作成した電極層の夫々についての収縮率の測定結果を示すグラフである。 サンプル(o)を用いて作成した集電体層とサンプルとして作成した電極層とを積層して焼成することにより得た層構造の断面のSEM像である。 サンプルとして作成した電極層と異なる収縮率を有するガラス材のみを用いて構成した集電体層とを積層して焼成することにより得た層構造の断面のSEM像である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下の説明において、例えば、「集電体層10a〜c」を「集電体層10」と表記する等、類似する構成について添字を省略して共通する性質等を説明することがある。
図1A,図1Bは、いずれも全固体電池1の層構造の例である。これらの図に示すように、全固体電池1は、集電体層10、電極層(負極層11、正極層12)、及び固体電解質層13が積層されてなる多層(スタック)構造を有する。
図1Aに示す全固体電池1は、負極層11a、固体電解質層13a、及び正極層12aがこの順に隣接して積層されてなる発電単位と、負極層11b、固体電解質層13b、及び正極層12bがこの順に隣接して積層されてなる発電単位とを、集電体層10bを介して直列接続した構成を有する。同図に示すように、集電体層10bは、正極層12aと負極層11bの間に介在している。負極層11aと正極層12aとの間には、固体電解質層13aが介在している。負極層11bと正極層12aとの間には、固体電解質層13bが介在している。負極層11aの固体電解質層13aが接する面と対峙する側の面には、集電体層10aが積層されている。正極層12bの固体電解質層13bが接する面と対峙する側の面には、集電体層10cが積層されている。集電体層10aに負極端子14が接続されており、集電体層10cには正極端子15が接続されている。
図1Bに示す全固体電池1は、正極層12a、固体電解質層13a、及び負極層11aがこの順に隣接して積層されてなる発電単位と、負極層11b、固体電解質層13b、及び正極層12bがこの順に隣接して積層されてなる発電単位とを、集電体層10bを介して並列接続した構成を有する。同図に示すように、集電体層10bは、負極層11aと負極層11bの間に介在している。正極層12aと負極層11aとの間には、固体電解質層13aが介在している。負極層11bと正極層12aとの間には、固体電解質層13bが介在している。正極層12aの固体電解質層13aが接する面と対峙する側の面には、集電体層10aが積層されている。正極層12bの固体電解質層13bが接する面と対峙する側の面には、集電体層10cが積層されている。集電体層10aと集電体層10cは共通接続されており、これに正極端子15が接続されている。集電体層10bには負極端子14が接続されている。
図1A,図1Bに示す層構造は、例えば、ドクターブレード法によって形成され、例えば、焼成前の無機酸化物等のセラミックス粉体に、バインダとしてポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール (PVB)、ポリフッ化ビニリレン(PVDF)、アクリル、エチルメチルセルロース等に溶剤等を混合したスラリーを作成し、これを塗布や印刷により簿板状に成形してグリーンシート(正極シート、負極シート、固体電解質シート)を作成し、これらを積層して焼成することにより形成される。尚、層構造は、例えば、ダイコート法、グラビアコート法等の他の方法を用いて形成することもできる。
電極層(負極層11a,b、正極層12a,b)は、電極活物質(負極活物質、正極活物質)、炭素導電化材、及びバインダを含む。負極活物質は、例えば、MOx(MはTi、Si、Sn、Cr、FeおよびMoからなる群より選ばれた少なくとも1種以上の元素であり、xは0.9≦x≦2.0の範囲内の数値である)で表わされる組成を有する化合物である。負極活物質として、TiO2とSiO2などの異なる元素Mを含むMOxで表わされる組成を有する2つ以上の活物質を混合した混合物を用いてもよい。また負極活物質として、黒鉛-リチウム化合物、Li‐Alなどのリチウム合金、Li32(PO43、Li3Fe2(PO43、Li4Ti512などの酸化物を用いてもよい。正極活物質は、例えば、リン酸バナジウムリチウム(Li32(PO43)を含む。また正極活物質は、Li32(PO43などのナシコン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物、LiFePO4、LiMnPO4などのオリビン型構造を有するリチウム含有リン酸化合物、LiCoO2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/32などの層状化合物、LiMn24、LiNi0.5Mn1.54などのスピネル型構造を有するリチウム含有化合物を用いることができる。
固体電解質層13a,bは、LiaXbYcPdOe(XはB、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、Sb及びSeよりなる群から選択される少なくとも1種であり、YはTi、Zr、Ge、In、Ga、Sn及びAlよりなる群から選択される少なくとも1種であり、a〜eは、0.5<a<5.0、0≦b<2.98、0.5≦c<3.0、0.02<d≦3.0、2.0<b+d<4.0、3.0<e≦12.0の関係を満たす。)等のナシコン型の酸化物を含む。尚、固体電解質層13a,bとして用いるナシコン型の酸化物としては、とくに、X=Al、Y=Tiである酸化物(Li−Al−Ti−P−O系)、及び、X=Al、Y=Ge若しくはX=Ge、Y=Alである酸化物(Li−Al−Ge−PO系)が好適である。ナシコン型の酸化物以外の、例えば、ペロブスカイト型やガーネット型の酸化物を用いて固体電解質層13a,bを構成してもよい。
集電体層10a〜cは、酸化物セラミックス(例えば、SiO2、B23、Al23、ZrO2)を含む。
<試験>
全固体電池1の上記層構造の焼成時における、電極層(負極層11a,b、正極層12a,b)と集電体層の界面での割れの発生を防ぐため、その収縮率が電極層(負極層11a,b、正極層12a,b)の収縮率と一致するような集電体層の組成を見出すべく、以下の試験1〜3を行った。
(試験1) ガラス材料及び電極層の収縮率の測定
まず集電体層10a〜cとして用いるガラス材料として好適なものを選出すべく、複数のガラス材料のサンプル(a)〜(e)及びサンプルとして作成した電極層の夫々について、TMA(熱機械分析装置)により収縮率を測定した。ガラス材料のサンプル(a)〜(e)としてはいずれも700℃以下の軟化点を持つもの(焼成時に軟化するもの)を選択した。電極層の組成は、LVP(リチウム含有バナジウムリン酸化合物)(48.5wt%)/LAGP(ナシコン型アルミニウム置換リン酸ゲルマニウムリチウム)(48.5wt%)/導電助剤(VGCF(カーボンナノファイバー))(3wt%)とした。
図2に測定結果を示す。同図に示すように、ガラス材料のサンプル(a)〜(e)のいずれも600℃前後で軟化していることがわかる。
(試験2) ガラス材料に酸化物セラミックス材料を加えたサンプルの収縮率の測定
試験1におけるガラス材料の5つのサンプル(a)〜(e)のうち軟化点が電極層の軟化点に最も近いガラス材料(a)を選出し、これに夫々異なる重量比で酸化物セラミックス材料(700℃を超える(焼成温度を超える)軟化点を有するもの(本実施形態ではAl2O3))を加えた5つのサンプル((l)20wt%、(m)30wt%、(n)40wt%、(o)50wt%、(p)60wt%)を作成し、夫々についてTMA(熱機械分析装置)により収縮率を測定した。尚、酸化物セラミックスとして焼成温度を超える軟化点を有するものを選択することで、集電体層の焼成時にこれを骨格として機能させ、ガラス材料のみを収縮させることができ、収縮率の調節を容易化することができる。
図3に測定結果を示す。同図に示すように、酸化物セラミックス材料の重量比を50%としたサンプル(o)の収縮率が、その収縮率の変化がなだらかな領域においてサンプルとして作成した電極層の収縮率と一致する(図3において符号Zで示す点)ことがわかった。
図4は、サンプル(o)を用いて作成した集電体層とサンプルとして作成した電極層とを積層して焼成することにより得た層構造の断面のSEM像である。同図からわかるように、集電体層と電極層(正極層、負極層)の界面における割れは殆ど見られない。
図5は、図4の比較例として示したSEM像であり、サンプルとして作成した電極層と異なる収縮率を有するガラス材のみを用いて構成した集電体層とを積層して焼成することにより得た層構造の断面のSEM像である。同図に示すように、集電体層と電極層(正極層、負極層)の界面に割れが生じている。
以上より、ガラス材料の重量比を50%とし、酸化物セラミックス材料の重量比を50%として集電体層を作成することで集電体層の収縮率を電極層の収縮率と一致させることができ、集電体層と電極層(正極層、負極層)の界面での割れの発生を防ぐことができることがわかった。
(試験3)
続いて、酸化物セラミックス材料の平均粒子径として好適な範囲を特定すべく、含有する酸化物セラミックス材料の平均粒子径を1.0μm〜5.0μmの範囲で変化させた複数種の集電体層のサンプルを作成し、夫々について収縮率を測定した。酸化物セラミックス材料の重量比は、いずれのサンプルについても50%(ガラス材料の重量比はいずれも50%)とした。混合するガラス材料としては、いずれのサンプルについても平均粒子径が1μmのものを用いた。集電体層のいずれのサンプルについても焼成は還元性雰囲気下700℃で行った。
表1に結果を示す。判定の基準は、700℃で焼成した電極層のサンプルの収縮率(2%)に対して±10%以内のものを合格(「○」)とし、それ以外のものは不合格(「×」)とした。
表1に示すように、平均粒子径が2.0μm以上4.0μm以下の酸化物セラミックス材料を用いて作成した集電体層のサンプルについては、電極層の収縮率(2%)に比較的近い収縮率になることがわかった。
尚、酸化物セラミックス材料の粒子径が小さい場合に収縮率が小さくなるのは、酸化物セラミックス材料の粒子径が小さいと、焼成により集電体層の密度が高くなるからであると考えられる。また酸化物セラミックス材料の粒子径が大きい場合に収縮率が大きくなるのは、酸化物セラミックス材料の粒子径が大きいと、焼成により集電体層の密度が小さくなるからであると考えられる。
(試験4)
続いて、含有するガラス材料の平均粒子径として好適な範囲を特定すべく、含有する酸化物セラミックス材料として実施例3において良好な結果が得られた平均粒子径が3μmのものを用い、含有するガラス材料の平均粒子径を0.2μm〜3μmの範囲で変化させた複数種の集電体層のサンプルを作成し、夫々についてTMA(熱機械分析装置)により収縮率を測定した。酸化物セラミックス材料の重量比は、いずれのサンプルについても50%(ガラス材料の重量比はいずれも50%)とした。集電体層のいずれのサンプルについても焼成は還元性雰囲気下700℃で行った。
表2に結果を示す。判定の基準は、試験3と同様、700℃で焼成した電極層のサンプルの収縮率(2%)に対して±10%以内のものを合格(「○」)とし、それ以外のものは不合格(「×」)とした。
表2に示すように、平均粒子径が0.5μm以上1.9μm以下であるガラス材料を用いて作成した集電体層のサンプルについては、電極層の収縮率(2%)に比較的近い収縮率になることがわかった。
尚、ガラス材料の粒子径が小さい場合に収縮率が大きくなるのは、ガラス材料が酸化物セラミックス材料に対して体積比で大きくなるからであると考えられる。またガラス材料の粒子径が大きい場合に収縮率が小さくなるのは、ガラス材料が酸化物セラミックス材料に対して体積比で小さくなるからであると考えられる。
(試験5) 導電助剤
続いて、集電体層に導電助剤を加えた場合における集電体層の導電特性を評価すべく、含有する酸化物セラミックス材料として実施例3において良好な結果が得られた平均粒子径が3μmのものを用い、含有するガラス材料として実施例4において良好な結果が得られた平均粒子径が1μmのものを用い、導電助剤(カーボンナノファイバー,昭和電工製)の含有量を、酸化物セラミックス材料とガラス材料の合計重量に対して重量比を0.2%〜4%の範囲で変化させた複数種の集電体層を作成し、夫々について電気抵抗率を測定した。酸化物セラミックス材料の重量比はいずれのサンプルについても50%(ガラス材料の重量比はいずれも50%)とした。各サンプルは、いずれもまずスラリー作成してこれをアルミナ板上に印刷し、これを還元性雰囲気下700℃で焼成することにより作成した。電気抵抗率は焼成後成の集電体層について四端子法により測定した。
表3に結果を示す。判定の基準は、電気抵抗率が10-1(Ω/cm)以下のものを合格(「○」)とし、それ以外のものは不合格(「×」)とした。
表3に示すように、導電助剤の含有量が0.5wt%以上3.0wt%以下の範囲において電気抵抗率が小さくなることがわかった。尚、導電助剤の量が少ない場合に電気抵抗率が増大するのは、導電助剤の量が不足するためであると考えられる。また導電助剤の量が多い場合に電気抵抗率が減少するのは、焼成が不完全となるからであると考えられる。
以上より、酸化物セラミックス材料及びガラス材料を混合した集電体層を作成することで、集電体層の収縮率を電極層の収縮率に一致させることができ、全固体電池を作成する際に層間(界面)の状態を良好に保つことができることがわかった。尚、以上の結果から明らかなように、焼成条件が異なる場合でも、酸化物セラミックス材料とガラス材料の混合比を変えることで、層間の割れが発生しないように収縮率を容易に調整することが可能である。
ところで、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば、導電助剤としてAB(アセチレンブラック)、KB(ケッチェンブラック)等を用いてもよい。
1 全固体電池、10a〜c 集電体層、11a,b 負極層、12a,b 正極層、13a,b 固体電解質層

Claims (2)

  1. 正極層、固体電解質層、負極層がこの順に積層されてなる構造を発電単位とした全固体電池の製造方法であって、
    焼結することによって、前記発電単位の正極層側と負極層側とに、集電体層が積層されてなる構造を作製し、
    前記焼結時の温度より高い温度で軟化する材料を酸化物セラミックス材料とするとともに、前記焼結時の温度より低い温度で軟化する材料をガラス材料として、
    前記集電体層に、前記ガラス材料と前記酸化物セラミックス材料と導電助剤とを含ませ、
    前記ガラス材料を600℃で軟化する材料とし、
    前記酸化物セラミックス材料をAlとし、
    前記導電助剤をカーボンナノファイバーとし、
    前記集電体層の収縮率を前記正極層又は前記負極層の収縮率に一致させるように、前記集電体層に、平均粒子径が0.5μm以上1.9μm以下の前記ガラス材料と、平均粒子径が2.0μm以上4.0μm以下の前記酸化物セラミックス材料とを夫々50%の重量比で含ませ、
    前記導電助剤を、前記ガラス材料と前記酸化物セラミックス材料との重量合計に対して0.5%以上3%以下の重量比で含ませる、
    ことを特徴とする全固体電池の製造方法。
  2. 請求項1に記載の全固体電池の製造方法であって、前記全固体電池は、複数の前記発電単位が前記集電体層を介して積層された層構造を有することを特徴とする全固体電池の製造方法。
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