JP6730634B2 - 固体電解質、及び全固体電池 - Google Patents
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Description
1つの態様では、固体電解質は、
電解質粒子を含有し、
前記電解質粒子が、O−S−O構造及びO−S−OH構造の少なくともいずれかを有する。
正極活物質含有層と、負極活物質含有層と、前記正極活物質含有層及び前記負極活物質含有層の間に介在する固体電解質層とを有し、
前記固体電解質層が、前記固体電解質で構成される層である。
また、1つの側面として、低温で作製できる全固体電池を提供できる。
開示の固体電解質は、電解質粒子を含有する。
前記電解質粒子は、O−S−O構造及びO−S−OH構造の少なくともいずれかを有する。
前記遷移金属としては、結晶構造内で酸素(O)及び硫黄(S)と6配位の八面体分子が構成可能な中心金属である点から、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、及びNbの少なくともいずれかであることが好ましく、Tiがより好ましい。
前記基材粒子としては、固体電解質材料として知られている材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質などが挙げられる。
・LixLayTiO3
x=0.3〜0.7、y=0.3〜0.7
・Li7La3Zr2O12
・Li5La3Ta2O12
・Li3.5Zn0.25GeO4
・LiTi2P3O12
・Li1+x+y(Al,Ga)x(Ti,Ge)2−xSiyP3−yO12
0≦x≦1、0≦y≦1
・LiNbO3
・Li3PO4
・LiPON
・LiPOD
Dは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt、及びAuから選ばれた少なくとも1種
・LiAON
Aは、Si、B、Ge、Al、C、Ga等から選ばれた少なくとも1種
例えば、図1に示すように、1,000cm−1〜1,050cm−1及び1,100cm−1〜1,150cm−1に、O−S−Oの伸縮振動に基づく吸収が確認できる。これらの吸収により、O−S−O構造及びO−S−OH構造の存在が確認できる。
なお、ここで、O−S−O構造及びO−S−OH構造は、スルホン酸基(−SO3H)とは異なる。
例えば、図2に示すように、3600cm−1付近にOHに基づく吸収を有するのが、O−S−OH構造であり、3600cm−1付近にOHに基づく吸収を持たないのが、O−S−O構造である。
前記固体電解質においては、水成分を有することが好ましい。そうすることにより、良好なイオン伝導経路を構築できる。前記水成分は、前記電解質粒子の表面に有することが好ましい。
ここで、前記水成分とは、H2Oのみならず、OH−、H+をも含む。また、前記固体電解質における前記水成分の状態は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、クラスターやH3O+(オキソニウムイオン)であってよい。
前記電解質粒子の表面に前記水成分がどのような構造、及び状態で存在しているかを直接確認する分析方法は知られていない。間接的に確認する方法としては、例えば、後述するTG−DTA−MS(ThermoGravimetric Differential Thermal Analysis − Mass Spectrometer)分析が挙げられるが、その場合、前記水成分は、H2Oとして検出される。
本発明者らは、前記固体電解質における水成分の含有量と、イオン伝導率との関係とを調べた。
図3より、ドライルーム以下の湿度環境では、本来の粒界抵抗に相当するイオン伝導率しか有さないが、相対湿度40%以上では、イオン伝導率が向上していることが確認できる。更に相対湿度60%以上では、10−4S/cm以上のイオン伝導率が得られている。
そのため、20分後の重量減少から、保存湿度環境40%の固体電解質の水成分の含有量が、0.8質量%であることが確認できた。
また、20分後の重量減少から、保存湿度環境60%の固体電解質の水成分の含有量が、1.4質量%であることが確認できた。
また、保存湿度環境90%の固体電解質の水成分の含有量は、これらの結果と、図3の曲線とから、2.4質量%であると計算される。
前記固体電解質の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、硫化処理と、表面安定化処理とを含み、更に必要に応じて、還元処理などのその他の処理を含む。
前記硫化処理としては、基材粒子を、硫黄と反応させ、基材粒子の表面にSを付与する処理であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、基材粒子と、硫黄とを混合し、真空下において加熱する方法などが挙げられる。そうすることにより、例えば、下記部分構造式で表されるような、基材粒子表面の遷移金属(Ti)にSが結合した構造が得られる。
前記加熱における加熱時間としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、1時間〜5時間などが挙げられる。
前記表面安定化処理としては、前記硫化処理の後に、表面にSが付与された前記基材粒子を湿気存在下に曝し、Sを酸化させる処理であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、表面にSが付与された前記基材粒子を高湿度大気に曝す方法などが挙げられる。
なお、前記表面安定化処理では、Sの酸化の際にH2Oが用いられるため、前記表面安定化処理後には、前記電解質粒子の表面に水成分が存在している。
前記還元処理は、前記硫化処理の前処理であって、基材粒子の表面を還元する処理であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水素雰囲気下で加熱する方法などが挙げられる。
前記基材粒子は、保存状態によっては、その表面が酸化されていることがある。そのため、前記還元処理を行うことで、前記基材粒子の表面を還元し、続く前記硫化処理を行いやすくすることができる。
開示の全固体電池は、正極活物質含有層と、負極活物質含有層と、前記正極活物質含有層及び前記負極活物質含有層の間に介在する固体電解質層とを少なくとも有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
前記正極活物質含有層としては、例えば、正極活物質を含有する層であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極活物質含有層が、前記正極活物質と、前記固体電解質との混合物からなる層である場合、前記正極活物質含有層における、前記正極活物質と、前記固体電解質との割合としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、質量比(正極活物質:固体電解質)で、1.0:0.1〜1.0:2.0が好ましく、1.0:0.3〜1.0:1.5がより好ましく、1.0:0.5〜1.0:1.0が特に好ましい。
前記固体電解質層は、開示の前記固体電解質から構成される。
前記負極活物質含有層としては、例えば、負極活物質を含有する層であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記負極活物質含有層が、前記負極活物質と、前記固体電解質との混合物からなる層である場合、前記負極活物質含有層における、前記負極活物質と、前記固体電解質との割合としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、質量比(負極活物質:固体電解質)で、1.0:0.1〜1.0:2.0が好ましく、1.0:0.3〜1.0:1.5がより好ましく、1.0:0.5〜1.0:1.0が特に好ましい。
前記その他の部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正極集電体、負極集電体、電池ケースなどが挙げられる。
前記正極集電体の大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極集電体の材質としては、例えば、ダイス鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン合金、銅、ニッケルなどが挙げられる。
前記正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状などが挙げられる。
前記負極集電体の大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記負極集電体の材質としては、例えば、ダイス鋼、金、インジウム、ニッケル、銅、ステンレス鋼などが挙げられる。
前記負極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状などが挙げられる。
前記電池ケースとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、従来の全固体電池で使用可能な公知のラミネートフィルムなどが挙げられる。前記ラミネートフィルムとしては、例えば、樹脂製のラミネートフィルム、樹脂製のラミネートフィルムに金属を蒸着させたフィルムなどが挙げられる。
前記全固体電池の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正極活物質含有層を構成する材料の粉体と、粉体状の固体電解質と、負極活物質を構成する材料の粉体とを、層状に積層し、加圧成型する方法が挙げられる。
前記固体電解質を用いると、この加圧成型の際に、高温に加熱する必要がなく、低温で電池性能に優れる全固体電池を製造することができる。
前記加圧成型における圧力としては、例えば、127kgf/cm2〜1,270kgf/cm2などが挙げられる。
前記加圧成型における温度としては、例えば、常温などが挙げられる。
<固体電解質の合成方法>
<<還元処理>>
平均粒径2μmのLLTO粒子(Li0.33La0.55TiO3、株式会社豊島製作所製)を加圧成型によりペレット化した。得られたペレットを、900℃の水素雰囲気下で30分の還元処理を行った。還元後の圧粉体をLLTOHとする。
得られたLLTOHを硫黄(S)と10:1(LLTOH:硫黄)の質量比でメノウ乳鉢を用いて混合した。得られた粉体を加圧ペレット成型した後、石英菅に投入した。石英菅を10Paに減圧にし、ガスバーナーで真空封入を行った。真空封入した石英菅を、200℃で2時間焼成した。徐冷後、石英菅をGB内に移動し、GB内で開封し硫化されたLLTOHSを得た。
なお、混合操作、および石英への投入操作はすべてGB内で行った。
得られたLLTOHSを、25℃×90%RHの大気雰囲気に6時間曝すことで、LLTOHS固体電解質表面に水(H2O)を吸着させ固体電解質表面を酸化させた。
直径10mmのSKD11冶具を備えるPET管を用いて圧粉体電池(全固体電池)を作製した。具体的には以下の方法で作製した。
正極活物質にLiCoO2(LCO)、負極活物質にTiS2を用いた。
固体電解質には酸化処理後のLLTOHSを用いた。
作製雰囲気は25℃×55%RHの雰囲気で正極合材、及び負極合材を作製した。
正極には、LCOを6mg、及びLLTOHSを4mg混合した正極合材を用いた。
負極には、TiS2を3mg、及びLLTOHSを2mg混合した負極合材を用いた。
固体電解質には、酸化処理後のLLTOHSを70mg用いた。
PET管に、前記正極合材(10mg)、前記固体電解質(70mg)、及び前記負極合材(5mg)を、この順で投入し、SKD11冶具を押し付けて、加圧成型を行った。加圧成型は、25℃、圧力:1,270kgf/cm2、加圧時間:30秒で行った。
作製した全固体電池は2.2Vを上限として充電操作を行った。充電過程で2.2Vに達した電池を定電流0.25mAで放電操作したところ、正極理論容量に対して20%の放電容量を確認した。内部抵抗からイオン導電率を算出したところイオン導電率は、1.4×10−4S/cmであった。
図6において(A)で示す曲線が、酸化処理後のLLTOHSのFI−IRスペクトルである。(B)で示す曲線は、酸化処理前のLLTOHSのFI−IRスペクトルである。
測定装置として、サーモサイエンティフィック(Thermo Scientific)製のNicolet8700を用いた。
反射光学系の入射角80°で無偏光の赤外光を照射した。
光源としてグローワーランプを用いた。
マイケルソン型の干渉計とTGS(硫酸トリグリシン)系検出器を用いた。
測定される干渉パターンをフーリエ変換した。
装置の波数分解能は4cm−1である。
積算回数は64回とした。
酸化処理後のLLTOHSのTG−DTA−MS測定結果を図4に示す。
測定装置:リガク製 Thermo Mass Photo
測定雰囲気:He(露点温度−76℃)
ガス流量:300mL/min
温度範囲:室温→1,000℃→室温
昇温速度:10℃/min
<MS条件>
イオン化法:EI法(約70eV)
質量範囲:SCAN法 m/z=10〜200
これは、熱による水の揮発では水成分量の制御精度が低く高イオン伝導状態を作り出しにくいことを示す。即ち、これは、正極活物質含有層/固体電解質/負極活物質含有層からなる全固体電池において、電池電位を2.2Vとする水成分の電気分解によって、固体電解質表面の水成分量の制御を行うことが好ましいことを意味している。その理由は以下のとおりである。
図7に、前記全固体電池において、充電電圧が2.5Vに達した時の最大の放電容量を示した。図7において、各プロットに付した数値は、電流密度0.31mA/cm2の定電流充電を1時間後にカットオフした際の終止電圧である。
2.2Vに達するまでは充電電流のほとんどが余剰吸着水の分解に使われるため、充電が行われない。その結果クーロン効率(放電/充電×100[%])が低い。
その後、2.5Vまで充電電圧を上げていくと、ベース固体電解質が分解されはじめ、内部抵抗が上昇し、充電ができなくなりクーロン効率が低下していく。
図8に、前記全固体電池において、充電電圧が2.2Vに達した時の最大の放電容量を示した。図8において、各プロットに付した数値は、電流密度0.31mA/cm2の定電流充電を1時間後にカットオフした際の終止電圧である。
2.2Vに達するまでは充電電流のほとんどが余剰吸着水の分解に使われるため、充電が行われない。その結果クーロン効率(放電/充電×100[%])が低い。
その後、2.2Vに充電電圧を制御し続けると、固体電解質は分解されず、余剰のH2Oだけが分解され、クーロンは向上していく。
即ち、電池電圧(充電電圧)を2.2Vにすることで、固体電解質に吸着されている余剰のH2Oだけが分解され、電池のクーロン効率を向上させることができる。
全固体電池の放電曲線を求めた。結果を図9に示した。
充電条件は2.2Vを上限電圧として、電流密度0.31mA/cm2の定電流で充電を行った。
放電条件は0.5Vを下限電圧として、電流密度0.31mA/cm2の定電流で放電を行った。
放電曲線は平均電位1.5VでLCO理論容量に対して20%の放電容量を示した。
実施例1において、<<硫化処理>>を行わなかった以外は、実施例1と同様にして、全固体電池を作製した。硫化処理を行わないことで、LLTO粒子の表面には、硫黄(S)が存在しない。
得られた全固体電池について、実施例1と同様にして、放電曲線を求めた。結果を図10に示した。図10において、放電曲線は、0.00mAhで垂直に立ち上がっている。そのため、図10において、放電曲線は、縦軸と重なっている。即ち、放電曲線は平均電位1.5VでLCO理論容量に対して0%の放電容量を示した。
実施例1において、<<表面安定化処理>>を行わなかった以外は、実施例1と同様にして、全固体電池を作製した。表面安定化処理を行わないことで、LLTO粒子の表面には、硫黄(S)が存在するものの、O−S−O構造、又はO−S−OH構造は存在しない。
得られた全固体電池について、実施例1と同様にして、放電曲線を求めた。結果を図11に示した。図11において、放電曲線は、0.00mAhで垂直に立ち上がっている。そのため、図11において、放電曲線は、縦軸と重なっている。即ち、放電曲線は平均電位1.5VでLCO理論容量に対して0%の放電容量を示した。
2 正極活物質含有層
3 固体電解質層
4 負極活物質含有層
5 負極集電体
Claims (13)
- 電解質粒子を含有し、
前記電解質粒子が、周期表第4周期又は周期表第5周期の遷移金属を含有し、
前記電解質粒子が、表面にO−S−O構造及びO−S−OH構造の少なくともいずれかを有し、
前記O−S−O構造及びO−S−OH構造の少なくともいずれかにおけるSが、前記遷移金属と結合している、
ことを特徴とする固体電解質。 - 電解質粒子を含有し、
前記電解質粒子が、Li x La y TiO 3 (xは0.3〜0.7であり、かつyは0.3〜0.7である)、Li7La3Zr2O12、及びLiNbO3のいずれかである基材粒子と、前記基材粒子の表面にO−S−O構造及びO−S−OH構造の少なくともいずれかとを有する、
ことを特徴とする固体電解質。 - 水成分を有する請求項1又は2に記載の固体電解質。
- 0.8質量%〜2.4質量%の水成分を有する請求項1から3のいずれかに記載の固体電解質。
- 前記遷移金属が、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、及びNbの少なくともいずれかである請求項1に記載の固体電解質。
- 前記遷移金属が、Tiである請求項1及び5のいずれかに記載の固体電解質。
- 正極活物質含有層と、負極活物質含有層と、前記正極活物質含有層及び前記負極活物質含有層の間に介在する固体電解質層とを有し、
前記固体電解質層が、固体電解質で構成される層であり、
前記固体電解質が、電解質粒子を含有し、
前記電解質粒子が、周期表第4周期又は周期表第5周期の遷移金属を含有し、
前記電解質粒子が、表面にO−S−O構造及びO−S−OH構造の少なくともいずれかを有し、
前記O−S−O構造及びO−S−OH構造の少なくともいずれかにおけるSが、前記遷移金属と結合している、
ことを特徴とする全固体電池。 - 正極活物質含有層と、負極活物質含有層と、前記正極活物質含有層及び前記負極活物質含有層の間に介在する固体電解質層とを有し、
前記固体電解質層が、固体電解質で構成される層であり、
前記固体電解質が、電解質粒子を含有し、
前記電解質粒子が、Li x La y TiO 3 (xは0.3〜0.7であり、かつyは0.3〜0.7である)、Li0.33La0.55TiO3、Li7La3Zr2O12、及びLiNbO3のいずれかである基材粒子と、前記基材粒子の表面にO−S−O構造及びO−S−OH構造の少なくともいずれかとを有する、
ことを特徴とする全固体電池。 - 前記固体電解質が、水成分を有する請求項7又は8に記載の全固体電池。
- 前記固体電解質が、0.8質量%〜2.0質量%の水成分を有する請求項7から9のいずれかに記載の全固体電池。
- 前記遷移金属が、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、及びNbの少なくともいずれかである請求項7に記載の全固体電池。
- 前記遷移金属が、Tiである請求項7及び11のいずれかに記載の全固体電池。
- 前記正極活物質含有層が、LiCoO2を含有し、
前記負極活物質含有層が、TiS2を含有する、
請求項7から12のいずれかに記載の全固体電池。
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