JP6825535B2 - 全固体電池 - Google Patents
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Description
図1は、本開示における全固体電池の一例を示す概略断面図である。図1に示す全固体電池100は、正極集電体層4、正極活物質層1、固体電解質層3、負極活物質層2および負極集電体層5をこの順に備えた積層体10と、積層体10の積層方向に拘束圧力を与える拘束部材20とを有する。また、全固体電池100は、正極活物質層1と正極集電体層4との間にPTC膜30をさらに有する。PTC膜30は、導電材と絶縁性無機物とポリマーとを含有する。図1に示すPTC膜30における絶縁性無機物の含有量は、10体積%以上40体積%以下である。また、PTC膜30の厚さ(TPTC)に対する、絶縁性無機物の粒子径D90(D90)の割合(D90/TPTC)が0.6以上1.0以下である。
拘束部材20は、積層体10の両表面を挟む板状部21と、2つの板状部21を連結する棒状部22と、棒状部22に連結され、ねじ構造等により拘束圧力を調整する調整部23とを有する。
また、「絶縁性無機物の粒子径D90」とは、絶縁性無機物の粒子径の分布を測定したときに、小さい側から累積90%となる粒子径をいう。
PTC膜には、拘束部材からの圧縮加重(拘束圧力)が加わっているため、溶融したポリマーが変形、流動することで、導電材間の距離が短くなり、導電材同士が再導通することで、電子抵抗が低下してしまう。すなわち、PTC特性が消失してしまう。
その理由は以下のように推測される。本開示においては、D90/TPTCを所定の範囲内とする。すなわち、絶縁性無機物の粒子径D90が十分に大きい。そのため、絶縁性無機物の含有量が比較的少なくても、拘束部材による拘束圧力によってPTC膜が圧縮されることを抑制することができる。その結果、ポリマーの変形、流動により導電材が再導通することを抑制することができるため、電子抵抗の低下を抑制することができると推測される。
本開示におけるPTC膜は、正極活物質層と正極集電体層との間、および、負極活物質層と負極集電体層との間の少なくとも一方に配置される。また、PTC膜は、導電材と絶縁性無機物とポリマーとを含有する。
なお、本開示におけるPTC膜の厚さ(TPTC)は平均厚さであり、例えば、膜厚測定装置を用いることにより測定することができる。また、PTC膜の厚さはSEM(走査型電子顕微鏡)による、PTC膜の断面観察像から測定することもできる。
本開示に用いられる絶縁性無機物は、拘束圧力によるPTC膜の圧縮を抑制する機能を有する。絶縁性無機物は、通常、粒子状である。絶縁性無機物は一次粒子であってもよく、二次粒子であってもよい。
本開示における絶縁性無機物は、上記PTC膜の厚さに対する絶縁性無機物の粒子径D90の割合が、所定の範囲内となるものである。絶縁性無機物の粒子径D90は、PTC膜の厚さに応じて適宜選択され、特に限定されない。絶縁性無機物の粒子径D90は、例えば、0.1μm以上であってもよく、0.5μm以上であってもよく、1μm以上であってもよい。また、絶縁性無機物の粒子径D90は、例えば、50μm以下であってもよく、20μm以下であってもよく、10μm以下であってもよい。
なお、「絶縁性無機物の粒子径D90が所定の値である」とは、絶縁性無機物の全ての粒子のうち、10%(存在比)の絶縁性無機物の粒子径が所定の値以上となることを指す。
絶縁性無機物の粒子の分布は、特に限定されない。絶縁性無機物の粒子の分布は、例えば、頻度分布で示した場合に正規分布を示していてもよい。
導電材としては、所望の電子伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、炭素材料を挙げることができる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、サーマルブラック等のカーボンブラックや、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の炭素繊維や、活性炭、カーボン、グラファイト、グラフェン、フラーレン等を挙げることができ、中でも上記カーボンブラックを用いることが好ましい。上記カーボンブラックは、添加量に対する電子伝導度が高いという利点を有するからである。導電材の形状は、特に限定されるものではないが、例えば、粒子状を挙げることができる。導電材の平均一次粒子径は、例えば、10nm以上200nm以下であることが好ましく、15nm以上100nm以下であることがより好ましい。ここで、導電材の平均一次粒子径は、例えば、SEM(走査型電子顕微鏡)等の電子顕微鏡を用いた画像解析に基づいて30個以上の一次粒子径を測定し、それらの算術平均として得られる値を採用することができる。
ポリマーとしては、温度上昇時に体積膨張できるものであれば特に制限されるものではないが、例えば、熱可塑性樹脂を挙げることができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)樹脂、メタクリル樹脂、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアセタール等を挙げることができる。
ポリマーの融点は、電池の通常使用時の温度よりも高い温度であればよく、例えば、80℃以上300℃以下であることが好ましく、100℃以上250℃以下であることがより好ましい。融点は、例えば、示差熱分析(DTA)により測定することができる。
PTC膜の形成方法は、上述したPTC膜を得ることができる方法であれば特に限定されるものではないが、例えば、上述した導電材と、上述した絶縁性無機物と、上述したポリマーとを、N−メチルピロリドン等の有機溶媒と混合してペースト状にし、集電体層に塗工し、乾燥させることで形成する方法を挙げることができる。
本開示における積層体は、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層および負極集電体層をこの順に備えた構成を有する。
正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層である。また、正極活物質層は、正極活物質の他に、固体電解質材料、導電材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していてもよい。
負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層である。また、負極活物質層は、負極活物質の他に、固体電解質材料、導電材および結着材の少なくとも一つをさらに含有していてもよい。
固体電解質層は、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成される層である。固体電解質層に用いられる固体電解質材料は、上述した「2.積層体 (1)正極活物質層」に記載した材料と同様の材料を用いることができる。
正極集電体層および負極集電体層は、全固体電池の集電体として使用可能な公知の金属を用いることができる。そのような金属としては、Cu、Ni、Al、V、Au、Pt、Mg、Fe、Ti、Co、Cr、Zn、Ge、In等の一又は二以上の元素を含む金属材料を例示することができる。正極集電体層及び負極集電体層の形状は特に限定されるものではなく、例えば、箔状、メッシュ状、多孔質状等を挙げることができる。
拘束部材は、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層および負極集電体層をこの順に備えた積層体に、積層方向の拘束圧力を与えることができればよく、全固体電池の拘束部材として使用可能な公知の拘束部材を用いることができる。例えば、積層体の両表面を挟む板状部と、2つの板状部を連結する棒状部と、棒状部に連結され、ねじ構造等により拘束圧力を調整する調整部を有する拘束部材が挙げられる。調整部によって、積層体に所望の拘束圧力を与えることができる。
拘束圧力は、特に限定されるものではないが、例えば、0.1MPa以上であることが好ましく、1MPa以上であることがより好ましく、5MPa以上であることがさらに好ましい。拘束圧力を大きくすることで、各層の接触を良好にしやすいという利点があるためである。一方、拘束圧力は、例えば、100MPa以下であることが好ましく、50MPa以下であることがより好ましく、20MPa以下であることがさらに好ましい。拘束圧力が大きすぎると、拘束部材に高い剛性が求められ、拘束部材が大型化する可能性があるためである。
本開示の全固体電池は、一次電池であってもよく、二次電池であってもよいが、中でも、二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば、車載用電池として有用だからである。また、全固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。また、本開示の全固体電池は、積層体を少なくとも1つ有していればよく、例えば、複数の積層体を厚さ方向に複数有していてもよい。
また、本開示の全固体電池は、リチウム電池であることが好ましい。
下記の手順で、アルミニウム箔上にPTC膜を作製した。PTC膜は、PTC膜の厚さ(TPTC)に対する、絶縁性無機物の粒子径D90(D90)の割合(D90/TPTC)が0.6となるように作製した。
まず、導電材として平均一次粒子径が66nmであるファーネスブラック(東海カーボン株式会社製)、絶縁性無機物としてアルミナ(粒子径D90:6μm)、ポリマーとしてPVDF(株式会社クレハ製KFポリマーL#9130)を準備した。ファーネスブラック:アルミナ:PVDF=10:10:80の体積比となるように溶剤であるN−メチルピロリドンと混合して、ペーストを作製した。その後、厚さ15μmのアルミニウム箔にペーストを塗工し、定置乾燥炉で100℃、1時間の条件で乾燥させてPTC膜を作製した。なお、実施例1−1においては、TPTC=10μmとした。以下の実施例および比較例のTPTCも同様とした。
ファーネスブラックの体積%を10体積%に固定して、アルミナおよびPVDFの体積%を変化させた点以外は実施例1−1と同様にして、PTC膜を有するアルミニウム箔を作製した。具体的なアルミナおよびPVDFの体積比は、それぞれ、アルミナ:PVDF=20:70(実施例1−2)、30:60(実施例1−3)、40:50(実施例1−4)、50:40(比較例1−1)、60:30(比較例1−2)とした。
絶縁性無機物としてアルミナ(粒子径D90:8μm)を用いた点、および、D90/TPTCが0.8となるように作製した点以外は、実施例1−1と同様にして、PTC膜を作製した。
ファーネスブラックの体積%を10体積%に固定して、アルミナおよびPVDFの体積%を変化させた点以外は実施例2−1と同様にして、PTC膜を有するアルミニウム箔を作製した。具体的なアルミナおよびPVDFの体積比は、それぞれ、アルミナ:PVDF=20:70(実施例2−2)、30:60(実施例2−3)、40:50(実施例2−4)、50:40(比較例2−1)、60:30(比較例2−2)とした。
絶縁性無機物としてアルミナ(粒子径D90:10μm)を用いた点、および、D90/TPTCが1.0となるように作製した点以外は、実施例1−1と同様にして、PTC膜を作製した。
ファーネスブラックの体積%を10体積%に固定して、アルミナおよびPVDFの体積%を変化させた点以外は実施例3−1と同様にして、PTC膜を有するアルミニウム箔を作製した。具体的なアルミナおよびPVDFの体積比は、それぞれ、アルミナ:PVDF=20:70(実施例3−2)、30:60(実施例3−3)、40:50(実施例3−4)、50:40(比較例3−1)、60:30(比較例3−2)とした。
絶縁性無機物としてアルミナ(粒子径D90:2μm)を用いた点、および、D90/TPTCが0.2となるように作製した点以外は、実施例1−1と同様にして、PTC膜を作製した。
また、ファーネスブラックの体積%を10体積%に固定して、アルミナおよびPVDFの体積%を変化させた点以外は比較例4−1と同様にして、PTC膜を有するアルミニウム箔を作製した。具体的なアルミナおよびPVDFの体積比は、それぞれ、アルミナ:PVDF=20:70(比較例4−2)、30:60(比較例4−3)、40:50(比較例4−4)、50:40(比較例4−5)、60:30(比較例4−6)とした。
絶縁性無機物としてアルミナ(粒子径D90:4μm)を用いた点、および、D90/TPTCが0.4となるように作製した点以外は、実施例1−1と同様にして、PTC膜を作製した。
また、ファーネスブラックの体積%を10体積%に固定して、アルミナおよびPVDFの体積%を変化させた点以外は比較例5−1と同様にして、PTC膜を有するアルミニウム箔を作製した。具体的なアルミナおよびPVDFの体積比は、それぞれ、アルミナ:PVDF=20:70(比較例5−2)、30:60(比較例5−3)、40:50(比較例5−4)、50:40(比較例5−5)、60:30(比較例5−6)とした。
(加熱時の電子抵抗測定)
各実施例および各比較例で得られたPTC膜を有するアルミニウム箔に対して、加熱時の電子抵抗を測定した。
具体的には、作製したPTC膜を有するアルミニウム箔を直径11.28cmの円形状に打ち抜き、同径の円柱状端子で挟み、端子間に10MPaの拘束圧力を与えた。次に、PTC膜を有するアルミニウム箔を挟んだ端子ごと恒温槽に設置し、200℃まで昇温した後、1時間保持した時点での電子抵抗を測定した。電子抵抗の測定には、端子間に1mAの定電流通電を行い、端子間の電圧を測定して電子抵抗値を算出した。結果を表1に示す。
一方、D90/TPTCが0.2およびD90/TPTCが0.4の場合は、絶縁性無機物の含有量が40体積%を超える場合(比較例4−5〜比較例4−6、および比較例5−5〜比較例5−6)、40体積%以下の場合と比べて加熱時の電子抵抗が大きくなるものの、比較例1−1、1−2、比較例2−1、2−2、および比較例3−1、3−2と同程度であった。また、実施例1−1〜1−4、実施例2−1〜2−4および実施例3−1〜3−4と比べて加熱時の電子抵抗は小さかった。この結果から、D90/TPTCが0.2およびD90/TPTCが0.4であり、絶縁性無機物の含有量が40体積%を超える場合、加熱時の電子抵抗を十分に大きくすることができないことが確認された。
各実施例および各比較例で得られたPTC膜を有するアルミニウム箔に対して、加熱前の電子抵抗を測定した。PTC膜を有するアルミニウム箔を挟んだ端子ごと恒温槽に設置しなかった点以外は、加熱時の電子抵抗測定と同様の測定方法で、加熱前の電子抵抗を測定した。結果を表2に示す。
2 … 負極活物質層
3 … 固体電解質層
4 … 正極集電体層
5 … 負極集電体層
10 … 積層体
20 … 拘束部材
21 … 板状部
22 … 棒状部
23 … 調整部
30 … PTC膜
100 … 全固体電池
Claims (2)
- 正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層および負極集電体層をこの順に備えた積層体と、前記積層体の積層方向に拘束圧力を与える拘束部材とを有する全固体電池であって、
前記正極活物質層と前記正極集電体層との間、および、前記負極活物質層と前記負極集電体層との間の少なくとも一方に、導電材と絶縁性無機物とポリマーとを含有するPTC膜をさらに有し、
前記PTC膜における前記絶縁性無機物の含有量が10体積%以上40体積%以下であり、
前記PTC膜の厚さ(TPTC)に対する、前記絶縁性無機物の粒子径D90(D90)の割合(D90/TPTC)が0.6以上1.0以下である、全固体電池。 - 前記PTC膜の厚さ(TPTC)に対する、前記絶縁性無機物の粒子径D90(D90)の割合(D90/TPTC)が0.8以下である、請求項1に記載の全固体電池。
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