JP7107888B2 - 固体電池用負極活物質、当該活物質を用いた負極および固体電池 - Google Patents

固体電池用負極活物質、当該活物質を用いた負極および固体電池 Download PDF

Info

Publication number
JP7107888B2
JP7107888B2 JP2019090096A JP2019090096A JP7107888B2 JP 7107888 B2 JP7107888 B2 JP 7107888B2 JP 2019090096 A JP2019090096 A JP 2019090096A JP 2019090096 A JP2019090096 A JP 2019090096A JP 7107888 B2 JP7107888 B2 JP 7107888B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
negative electrode
solid
active material
battery
electrode active
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.)
Active
Application number
JP2019090096A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2020187865A (ja
Inventor
裕登 前山
則昭 釜谷
一毅 千葉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2019090096A priority Critical patent/JP7107888B2/ja
Priority to CN202010371597.6A priority patent/CN111916689A/zh
Priority to US16/867,578 priority patent/US20200358080A1/en
Priority to DE102020112419.8A priority patent/DE102020112419A1/de
Publication of JP2020187865A publication Critical patent/JP2020187865A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7107888B2 publication Critical patent/JP7107888B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/133Electrodes based on carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/20Graphite
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561Accumulators 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
    • H01M10/0562Solid materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Description

本発明は、固体電池用負極活物質、当該活物質を用いた負極および固体電池に関する。
従来、高エネルギー密度を有する二次電池として、リチウムイオン二次電池が幅広く普及している。リチウムイオン二次電池は、正極と負極との間にセパレータを存在させ、液体の電解質(電解液)を充填した構造を有する。
リチウムイオン二次電池の電解液は、通常、可燃性の有機溶媒であるため、特に、熱に対する安全性が問題となる場合があった。そこで、有機系の液体の電解質に代えて、無機系の固体の電解質を用いた固体二次電池が提案されている。
このような固体二次電池において、負極活物質にグラファイトやアモルファスカーボンを用いることが知られている(特許文献1参照)。
しかしながら、真密度の小さいアモルファスカーボンを用いると、負極層の体積エネルギー密度を増加させることができず、固体二次電池のエネルギー密度を増加させることが困難であった。
また、例えば、負極活物質としてグラファイトのみを用いる場合において、電池素子の拘束圧、負極活物質層の空隙率、負極活物質層の配向性および負極活物質の硬さを制御することで、高レート充電に適した固体二次電池が提案されている(特許文献2参照)。
しかしながら、固体二次電池のエネルギー密度を増加させるために必要である電極中の活物質の配合比率を高めつつ、正極および負極の間に存在する固体電解質層を薄くすると、固体二次電池製造時や電池素子の拘束時に短絡が発生する場合があり、歩留まりよく固体二次電池を製造することが困難であった。さらに、空隙率を小さくするために電池素子の拘束圧を制御しているが、固体二次電池を組電池化するときに拘束圧が高いと、組電池が大きくなることで体積や重量の点で不利になる可能性があった。
ここで、固体二次電池のエネルギー密度を高め、かつ電池の抵抗を低下させるためには、リチウムイオンの伝導を阻害する材料を極力排除しつつ、固体電解質層の厚みを薄くして単電池の厚みを薄くし、積層する固体電池の層数を多くする方法が挙げられる。また固体二次電池のエネルギー密度を高めるための別の方法として、電池内の負極層に存在する活物質の比率を高くする方法が挙げられる。
しかしながら、特許文献1や2のように、固体電解質層を薄くし、さらに、電極活物質の配合量を高くする場合には、固体電池の製造時に電極活物質が固体電解質層を貫通し、負極層の活物質と正極層の活物質とが接触して微少短絡を起こす場合があった。
図1に、固体電池の断面図を示す。図1において固体電池10は、正極集電体11および正極活物質12を含む正極と、固体電解質13と、負極活物質14と負極集電体15を含む負極と、からなる積層体である。
図1に示されるように、固体電解質13の層を薄くし、さらに、電極活物質の配合量を高くする場合には、固体電池の製造時に、電極活物質が固体電解質層を貫通し、負極層の活物質と正極層の活物質とが接触して微少短絡を起こす場合があった。図1では、破線で示された円の領域において、負極活物質14が固体電解質13の層を貫通し、正極活物質12と接触して、短絡を発生させている。
特開2012-146506号公報 国際公開第2014/016907号
本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極活物質の配合量を高くし、かつ、固体電解質層を薄く製造した場合であっても、固体電池における微少短絡を抑制することができ、その結果、製造時の歩留まりを向上するとともに、得られる固体電池のエネルギー密度を高めることのできる、固体電池用負極活物質、当該活物質を用いた負極および固体電池を提供することにある。
本発明者らは、固体電池に用いる活物質に着目した。そして、負極層に用いる負極活物質の主成分の物性と配合比率とを特定の範囲とすれば、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち本発明は、粒子径D10が、下記式(1)を満たし、粒子径D90が、下記式(2)を満たし、粒子径D50が、下記式(3)を満たす、固体電池用負極活物質である。
6μm≦D10 (1)
D90/2<d (2)
10μm≦D50 (3)
(式(1)、(2)、および式(3)中、
D10、D50、D90は、体積粒度分布における累積体積百分率が、10体積%、50体積%、90体積%の粒子径であり、
dは、固体電池とする際の固体電解質層の平均厚み(μm)である。)
固体電池用負極活物質は、アスペクト比が8.0以下であってもよい。
固体電池用負極活物質は、形状が略球形であってもよい。
前記固体電池用負極活物質の主成分は、グラファイトであってもよい。
また別の本発明は、上記の固体電池用負極活物質と、固体電解質とを含む固体電池用負極合材であって、前記固体電池用負極活物質の配合量は、前記固体電池用負極合材全体に対して50~72体積%である、固体電池用負極合材である。
また別の本発明は、上記の固体電池用負極活物質を含む、固体電池用負極である。
また別の本発明は、上記の固体電池用負極と、固体電解質層と、正極と、を備える固体電池である。
前記固体電池において、前記固体電解質層を構成する固体電解質粒子は、体積粒度分布における累積体積百分率が90体積%の粒子径D90が、前記固体電解質層の平均厚み(μm)より小さくてもよい。
本発明の固体電池用負極活物質によれば、製造時の微少短絡を抑制し、歩留まりよく固体電池を製造することができる。また、固体電解質層が薄い固体電池を製造できるため、固体電池のエネルギー密度を高めることができる。さらに、負極層中の負極活物質の配合比率が高いため、固体電池のエネルギー密度を高めることができる。
従来の固体電池の断面図である。 本発明の固体電池の断面図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。
<固体電池用負極活物質>
本発明は、固体電池用負極活物質に関し、粒子径D10が、下記式(1)を満たし、粒子径D90が、下記式(2)を満たし、粒子径D50が、下記式(3)を満たすことを特徴とする。
6μm≦D10 (1)
D90/2<d (2)
10μm≦D50 (3)
(式(1)、(2)、および式(3)中、
D10、D50、D90は、体積粒度分布における累積体積百分率が、10体積%、50体積%、90体積%の粒子径であり、
dは、固体電池とする際の固体電解質層の平均厚み(μm)である。)
固体電池用負極活物質が、上記の式(1)、式(2)、および式(3)を同時に満足することにより、製造時に電極活物質が固体電解質層を貫通し、負極層の活物質が正極層の活物質と接触して起こる微少短絡を抑制することができる。その結果、歩留まりよく固体電池を製造することができる。
また、製造時に電極活物質が固体電解質層を貫通することが抑制されるため、固体電解質層が薄い固体電池を製造でき、その結果、固体電池のエネルギー密度を高めることができる。
さらに、上記の式(1)、式(2)、および式(3)を同時に満足する固体電池用負極活物質は、負極層中において、その配合比率を高くすることができる。その結果、得られる固体電池のエネルギー密度を高めることができる。
図2に、本発明の固体電池用負極活物質を用いた固体電池の断面図を示す。固体電池20は、正極集電体21および正極活物質22を含む正極と、固体電解質23と、負極活物質24と負極集電体25を含む負極と、からなる積層体である。
図2に示されるように、本発明の固体電池用負極活物質を用いた固体電池は、固体電解質23の層を薄くし、さらに、電極活物質の配合量を高くしても、固体電池の製造時において電極活物質が固体電解質層を貫通することを抑制し、ひいては、負極層の活物質と正極層の活物質とが接触して起こる微少短絡を抑制することができる。
[粒子径D10]
本発明の固体電池用負極活物質は、粒子径D10が下記式(1)を満たす。ここで、粒子径D10とは、体積粒度分布における累積体積百分率が、10体積%の粒子径である。
6μm≦D10 (1)
粒子径D10が式(1)を満たすことにより、負極活物質に微粒子がほとんど含まれていないこととなる。その結果、活物質の配合比率を高めても、固体電解質と活物質との界面形成が良好となり、リチウムイオンパスが不足せず、負極層のエネルギー密度を高めることができる。固体電池においては、液体の電解質(電解液)を用いるリチウムイオン電池と異なり、活物質と固体電解質との間は、固体と固体により界面形成する必要があるため、活物質に微粒子が含まれていると比表面積が増大し、活物質表面に接触する固体電解質が多量に必要となる。したがって、本発明の固体電池用負極活物質は、式(1)を満たすように微粒子となっている活物質を除外する必要がある。
なお、本発明の固体電池用負極活物質は、粒子径D10が、下記式(1-2)を満たすことが好ましい。
7μm≦D10 (1-2)
[粒子径D90]
本発明の固体電池用負極活物質は、粒子径D90が下記式(2)を満たす。ここで、粒子径D90とは、体積粒度分布における累積体積百分率が、90体積%の粒子径である。また、下記式(2)において、dは、本発明の固体電池用負極活物質を負極に用いて固体電池を作製する際の、固体電解質層の平均厚み(μm)である。
D90/2<d (2)
粒子径D90が式(2)を満たすことにより、固体電池用負極活物質が固体電解質層を貫通し、その結果、負極層の活物質と正極層の活物質とが接触して起こる微少短絡を、抑制することができる。固体電池において、正極と負極とを隔離する固体電解質層は、固体電解質の粒子で形成されるため、負極活物質において粗大粒となる粒子径を制御しなければ、貫通して短絡する可能性が高まり、歩留まりよく製造することが困難となる。
[粒子径D50]
本発明の固体電池用負極活物質は、粒子径D50が下記式(3)を満たす。ここで、粒子径D50とは、体積粒度分布における累積体積百分率が、50体積%の粒子径である。
10μm≦D50 (3)
粒子径D50が式(3)を満たすことにより、固体電池用負極活物質が固体電解質層を貫通し、その結果、負極層の活物質と正極層の活物質とが接触して起こる微少短絡を、抑制することができる。また、負極活物質の粒子径が適切なサイズとなることで、活物質の配合比率を高めても、固体電解質と活物質との界面形成が良好となり、リチウムイオンパスが不足しないため、負極層のエネルギー密度を高めることができる。
なお、本発明の固体電池用負極活物質は、粒子径D50が、下記式(3-2)を満たすことが好ましく、下記式(3-3)を満たすことがさらに好ましく、下記式(3-4)を満たすことが最も好ましい。
11μm≦D50 (3-2)
12μm≦D50 (3-3)
13μm≦D50 (3-4)
[アスペクト比]
本発明の固体電池用負極活物質は、アスペクト比(長軸長さ/短軸長さ)が、8.0以下であることが好ましい。アスペクト比が8.0以下であることにより、本発明の固体電池用負極活物質を含む負極層のエネルギー密度を、向上させることができる。
アスペクト比(長軸長さ/短軸長さ)は、6.0以下であることがより好ましく、3.0以下であることが最も好ましい。
[形状]
本発明の固体電池用負極活物質は、略球形であることが好ましい。略球形であることにより、本発明の固体電池用負極活物質を含む負極層のエネルギー密度を、向上させることができる。
略球形の例としては、例えば、真球状、楕円球状等が挙げられる。
[材料]
本発明の固体電池用負極活物質の主成分は、グラファイトであることが好ましい。グラファイトは、固体電池の負極において、リチウムイオン等の電荷担体を、吸蔵および放出する機能を有する。グラファイトであれば、真密度と充放電容量の大きさから、高エネルギー密度の固体電池の形成が容易となる。
「主成分とする」とは、負極活物質の全成分に対して、成分の質量割合が最も大きいことを意味する。負極活物質に含まれるグラファイトの割合は、50質量%以上であることが好ましく、60質量%以上であることがさらに好ましく、70質量%以上であることが特に好ましく、100質量%であることが最も好ましい。
グラファイトとしては、例えば、高配向性グラファイト(HOPG)、天然黒鉛、人造黒鉛等を挙げることができる。
また、本発明の固体電池用負極活物質がグラファイトを主成分とする場合には、その他の成分としては、例えば、Si単体や、Si相とケイ素酸化物相との2相に不均化されたSiO(0.3≦x≦1.6)等が例示できる。
<固体電池用負極活物質の製造方法>
本発明の固体電池用負極活物質の製造方法は、得られる負極活物質が本発明に必要な物性等を有していれば、特に限定されるものではない。例えば、以下の方法によって得ることができる。
コークス、天然黒鉛、ピッチ、石炭等の炭素材料を、高温で熱処理することで得られる人造黒鉛を、先ず、バンタムミルを用いて粗粉砕し、続いて、遊星ボールミルを用いて微粉砕して、人造黒鉛粒子を作製する。得られた人造黒鉛粒子について、篩を用いて粗粉をカットし、粒度分布の比較的広い人造黒鉛粒子を得る。最後に、気流分級装置を用いて、所望の粒子径を有する人造黒鉛を得て、本発明の負極活物質とする。
<固体電池用負極合材>
本発明の固体電池用負極合材は、上記した本発明の固体電池用負極活物質と、固体電解質とを含む。負極合材層に含まれる固体電解質としては、酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質等の無機固体電解質であることが好ましい。なかでも、リチウムイオン導電率が高く、活物質との界面形成が容易であることから、硫化物系の固体電解質が望ましい。なお、本発明の固体電池用負極合材には、少なくとも、本発明の固体電池用負極活物質と、固体電解質とが含まれていればよく、任意に、導電助剤や結着剤等の他の成分を含んでいてもよい。
(固体電池用負極活物質の配合量)
本発明の固体電池用負極合材において、本発明の固体電池用負極活物質の配合量は、固体電池用負極合材全体に対して50~72体積%である。本発明の固体電池用負極活物質を用いて負極合材を作製する場合には、例えば、固体電解質層の平均厚さが20~50μmという薄い場合であっても、製造時の微少短絡を抑制しつつ、50~72体積%という高い配合を実現することができる。
したがって、本発明の固体電池用負極合材によれば、固体電解質層の薄い固体電池を製造できることから、得られる固体電池のエネルギー密度を高めることができる。また、負極活物質の配合比率を高くすることにより、得られる固体電池のエネルギー密度を高めることができる。
固体電池用負極合材における本発明の固体電池用負極活物質の配合量は、固体電池用負極合材全体に対して50~67体積%とすることが好ましい。
<固体電池用負極>
本発明の固体電池用負極は、本発明の固体電池用負極活物質を含むことを特徴とする。本発明の固体電池用負極活物質を含んでいれば、その他の構成は特に限定されるものではない。
また、本発明の固体電池用負極は、本発明の固体電池用負極活物質以外に、他の成分を含んでいてもよい。他の成分としては、例えば、固体電解質、導電助剤や結着剤等が挙げられる。
本発明の固体電池用負極は、例えば、本発明の固体電池用負極活物質、固体電解質、導電助剤、および結着剤を含む固体電池用負極合材を、集電体上に塗布して乾燥することにより得ることができる。なお、固体電池用負極合材は、上記した本発明の固体電池用負極合材であってもよい。
なお、本発明の固体電池用負極における空隙率は、特に限定されるものではないが、15%以下であることが好ましい。より好ましくは空隙率が10%以下であり、最も好ましくは5%以下である。
固体電池用負極における空隙率が15%以下であれば、活物質粒子と固体電解質粒子間、および固体電解質粒子間の空隙が減少し、イオンパスが良好となる。その結果、電池の抵抗が下がるため充電時のリチウムの電析が生じにくくなり、信頼性の高い固体電池を得ることができる。
また、電極に空隙が多く存在すると、電極の密度が小さくなるため、高エネルギー密度の電池が得られにくい。15%以下の空隙率とすることで、高エネルギー密度の電池が得られる点でも好ましい。
<固体電池>
本発明の固体電池は、本発明の固体電池用負極と、正極と、正極および負極の間に存在する固体電解質と、を備える積層体となっている。本発明の固体電池は、本発明の固体電池用負極活物質を含む本発明の固体電池用負極を用いていれば、その他の構成は特に限定されるものではない。
[正極]
固体電池を構成する正極は、通常、正極活物質と固体電解質とを含み、任意に、導電助剤や結着剤等を含む。通常、固体電池の正極を構成する化合物は、負極を構成する化合物の充放電電位と比較して、貴な電位を示すものとする。
本発明の固体電池においては、本発明の固体電池用負極活物質を含む本発明の固体電池用負極の標準電極電位に対して、十分に高い標準電極電位を提供する正極材料を選択することにより、固体電池としての特性が高く、また、所望の電池電圧を実現することが可能となる。
[固体電解質層]
固体電池を構成する固体電解質層は、正極と負極との間に存在し、正極と負極との間のイオン伝導を行う。固体電解質層を構成する固体電解質としては、例えば、酸化物系や硫化物系の固体電解質を挙げることができる。本発明においては、リチウムイオン導電率が高く、活物質との界面形成が容易であることから、硫化物系の固体電解質が望ましい。
(粒子径D90)
本発明の固体電池を構成する固体電解質層は、固体電解質層を構成する固体電解質粒子の体積粒度分布における、累積体積百分率が90体積%の粒子径D90が、固体電解質層の平均厚み(μm)より小さいことが好ましい。粒子径D90が、固体電解質層の平均厚み(μm)より小さいことにより、凹凸の少ない平滑な固体電解質層の形成が可能となる。その結果、電極内の抵抗のばらつきが緩和され、使用時に局所的に電極が劣化する領域が減少し、信頼性の高い全固体電池を得ることができる。
また、本発明の固体電池を構成する固体電解質層は、固体電解質層を構成する固体電解質粒子の体積粒度分布における、累積体積百分率が90体積%の粒子径D90が、20μm未満であることが好ましい。固体電解質粒子のD90が20μm以下であることにより、固体電解質層を薄く形成することが可能となる。D90が20μmよりも大きい場合には、固体電解質層の平均厚みを20μm未満にすることができない。
固体電解質層を構成する固体電解質粒子のD90は、15μm未満であることがより好ましく、10μm未満であることが、最も好ましい。また、本発明の固体電池を構成する固体電解質のD90は、ハンドリングの観点から、0.1μm以上であることが好ましい。
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
<実施例1~5、比較例1~3>
[固体電池用負極活物質の製造]
負極活物質となる材料として、コークスを原料とする人造黒鉛(グラファイト)を準備し、バンタムミルを用いて粗粉砕し、続いて遊星ボールミルを用いて微粉砕を行うことにより、人造黒鉛粒子を得た。得られた人造黒鉛粒子を、目開き62μmの篩を用いて粗粉をカットし、D10=6μm、D50=28μm、D90=52μmの粒度分布をもつ人造黒鉛粒子を得た。その後、気流分級機を用いて、表1に示す、粒子径D10、粒子径D50、および粒子径D90を有する実施例1~4、ならびに比較例1~3の固体電池用負極活物質を得た。得られた固体電池用負極活物質のアスペクト比を、表1に示す。
Figure 0007107888000001
<固体電池の作製>
以下の材料を用いて、以下の方法で、固体電池を作製した。
[固体電池用負極の製造]
上記で得られた固体電池用負極活物質と、硫化物系固体電解質としてLiIを含むLi2S-P2S5系ガラスセラミックス(D50=3.0μm)、結着剤としてSBRを、質量比で75:24:1となるように秤量した。溶媒として脱水キシレンを加えて、自転・公転ミキサーを用いて混合し、スラリーを得た。混合条件としては、2000rpmで4分間とした。
得られたスラリーを、アプリケーターでSUS箔上に塗工し、110℃で30分間乾燥して、固体電池用負極を作製した。塗工量は、7.5mg/cmとした。得られた固体電池用負極における、上記で得られた固体電池用負極活物質の配合比率(体積%)を、表1に示す。
[固体電池用正極の製造]
厚さ5nmのLiNbOで表面コートしたNCM三元系正極活物質LiNi1/3Co1/3Mn1/3(D50=3.4μm)、硫化物系固体電解質としてLiIを含むLi2S-P2S5系ガラスセラミックス(D50=3.0μm)、導電助剤としてアセチレンブラック、結着剤としてSBRを、質量比で75:22:3:2となるように秤量した。溶媒として脱水キシレンを加え、自転・公転ミキサーを用いて混合し、スラリーを得た。混合条件としては、2000rpmで4分間とした。
得られたスラリーを、アプリケーターでAl箔上に塗工し、110℃で30分間乾燥して、固体電池用正極を作製した。塗工量は、10.4mg/cmとした。
[固体電池用固体電解質層の製造]
硫化物系固体電解質としてLiIを含むLi2S-P2S5系ガラスセラミックス(D50=4μm)と、バインダとしてSBRを、質量比で100:2となるように秤量した。溶媒として脱水キシレンを加え、自転・公転ミキサーを用いて混合し、スラリーを得た。混合条件としては、2000rpmで2分間とした。
得られたスラリーを、アプリケーターでSUS箔上に塗工し、110℃で30分間乾燥して、固体電池用固体電解質層を作製した。
[固体電池]
上記のように準備した負極、固体電解質層、正極を、20mm角の金型を用いて、それぞれ切断した。負極上に固体電解質層を重ねて10MPaの圧力を加えることで、負極に固体電解質層を積層し、固体電解質層側のSUS箔を剥離することで、負極に固体電解質層を転写した。さらにその上に正極を重ねて100MPaでプレスを行い、負極、固体電解質層、正極の順に積層された積層体を得た。
得られた積層体をφ16mmの金型で切断し、500MPaでプレスを行った。続いて、負極集電体、正極集電体にそれぞれ、集電用のタブを取り付け、Alラミネートで真空シールすることで、固体電池を得た。得られた固体電池における固体電解質層の平均厚みを、表1に示す。
<評価>
得られた固体電池につき、以下の評価を行った。
[製造時の短絡の有無]
固体電池を製造する際に、短絡が発生しているかの確認を行った。Alラミネートで真空シールされた固体電池の正極と負極の端子間の電圧が、0.000Vであるときを、短絡有りとした。
[充電時の電析挙動の有無]
得られた固体電池につき、SUSの拘束治具を用いて、1MPaの圧力で、正極、固体電解質層、負極の積層方向に加圧した。0.14mA/cmの電流値で4.2Vまで定電流で充電し、その後0.14mA/cmの電流値で2.7Vまで定電流で放電を行った。設計充電容量が1.2倍を超えた時に、リチウムの電析有りとした。なお、比較例1および比較例2については、製造時に短絡が存在していたため、測定不可であった。
10、20 固体電池
11、21 正極集電体
12、22 正極活物質
13、23 固体電解質
14、24 負極活物質
15、25 負極集電体

Claims (8)

  1. 粒子径D10が、下記式(1)を満たし、
    粒子径D90が、下記式(2)を満たし、
    粒子径D50が、下記式(3)を満たす、固体電池用負極活物質。
    6μm≦D10 (1)
    D90/2<d (2)
    10μm≦D50 (3)
    (式(1)、(2)、および式(3)中、
    D10、D50、D90は、体積粒度分布における累積体積百分率が、10体積%、50体積%、90体積%の粒子径であり、
    dは、固体電池とする際の固体電解質層の平均厚み(μm)であり、20μm≦d<50μmである。)
  2. 前記固体電池用負極活物質のアスペクト比は、8.0以下である、請求項1に記載の固体電池用負極活物質。
  3. 前記固体電池用負極活物質の形状は、略球形である、請求項1または2に記載の固体電池用負極活物質。
  4. 前記固体電池用負極活物質の主成分は、グラファイトである、請求項1~3いずれかに記載の固体電池用負極活物質。
  5. 請求項1~4いずれかに記載の固体電池用負極活物質と、固体電解質とを含む固体電池用負極合材であって、
    前記固体電池用負極活物質の配合量は、前記固体電池用負極合材全体に対して50~72体積%である、固体電池用負極合材。
  6. 請求項1~5いずれか記載の固体電池用負極活物質を含む、固体電池用負極。
  7. 請求項6に記載の固体電池用負極と、固体電解質層と、正極と、を備える固体電池。
  8. 前記固体電解質層を構成する固体電解質粒子は、体積粒度分布における累積体積百分率が90体積%の粒子径D90が、前記固体電解質層の平均厚み(μm)より小さい、請求項7に記載の固体電池。
JP2019090096A 2019-05-10 2019-05-10 固体電池用負極活物質、当該活物質を用いた負極および固体電池 Active JP7107888B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019090096A JP7107888B2 (ja) 2019-05-10 2019-05-10 固体電池用負極活物質、当該活物質を用いた負極および固体電池
CN202010371597.6A CN111916689A (zh) 2019-05-10 2020-05-06 固体电池用负极活性物质、使用了该活性物质的负极及固体电池
US16/867,578 US20200358080A1 (en) 2019-05-10 2020-05-06 Negative electrode active material for solid battery, negative electrode using the active material, and solid battery
DE102020112419.8A DE102020112419A1 (de) 2019-05-10 2020-05-07 Aktives material einer negativen elektrode für eine festkörperbatterie, negative elektrode, die das aktive material verwendet, und festkörperbatterie

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019090096A JP7107888B2 (ja) 2019-05-10 2019-05-10 固体電池用負極活物質、当該活物質を用いた負極および固体電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020187865A JP2020187865A (ja) 2020-11-19
JP7107888B2 true JP7107888B2 (ja) 2022-07-27

Family

ID=72943710

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019090096A Active JP7107888B2 (ja) 2019-05-10 2019-05-10 固体電池用負極活物質、当該活物質を用いた負極および固体電池

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20200358080A1 (ja)
JP (1) JP7107888B2 (ja)
CN (1) CN111916689A (ja)
DE (1) DE102020112419A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114256452A (zh) * 2021-11-11 2022-03-29 珠海冠宇电池股份有限公司 一种负极活性材料及含有该负极活性材料的负极片和锂离子电池

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009022664A1 (ja) 2007-08-10 2009-02-19 Showa Denko K.K. リチウム系二次電池用負極、炭素系負極活物質の製造方法及びリチウム系二次電池及びその用途
JP2011233357A (ja) 2010-04-27 2011-11-17 Nissan Motor Co Ltd 二次電池用双極型電極の製造方法及び双極型二次電池
JP2012129070A (ja) 2010-12-15 2012-07-05 Nissan Motor Co Ltd 双極型電極およびその製造方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5458689B2 (ja) * 2008-06-25 2014-04-02 三菱化学株式会社 非水系二次電池用複合黒鉛粒子、それを含有する負極材料、負極及び非水系二次電池
JP5682318B2 (ja) * 2011-01-12 2015-03-11 トヨタ自動車株式会社 全固体電池
JP5177315B2 (ja) * 2011-08-11 2013-04-03 トヨタ自動車株式会社 硫化物系固体電池
CN109449446B (zh) * 2018-10-17 2020-09-11 宁德时代新能源科技股份有限公司 二次电池

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009022664A1 (ja) 2007-08-10 2009-02-19 Showa Denko K.K. リチウム系二次電池用負極、炭素系負極活物質の製造方法及びリチウム系二次電池及びその用途
JP2011233357A (ja) 2010-04-27 2011-11-17 Nissan Motor Co Ltd 二次電池用双極型電極の製造方法及び双極型二次電池
JP2012129070A (ja) 2010-12-15 2012-07-05 Nissan Motor Co Ltd 双極型電極およびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2020187865A (ja) 2020-11-19
US20200358080A1 (en) 2020-11-12
DE102020112419A1 (de) 2020-11-12
CN111916689A (zh) 2020-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6497282B2 (ja) 全固体電池用負極
JP5273931B2 (ja) 負極活物質及びその製造方法
KR101567203B1 (ko) 이차 전지용 음극 활물질 및 이의 방법
JP4861120B2 (ja) 負極活物質、その製造方法、並びにそれを採用した負極及びリチウム電池
JP5231648B2 (ja) リチウム二次電池用正極活物質、その製造方法、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池
KR101918815B1 (ko) 이차 전지용 음극 활물질 및 이의 제조 방법
JP5682318B2 (ja) 全固体電池
WO2016157751A1 (ja) リチウムイオン伝導体、固体電解質層、電極、電池および電子機器
JPWO2018193994A1 (ja) 全固体リチウムイオン二次電池
KR101786195B1 (ko) 탄소-실리콘 복합체 및 이를 포함하는 이차전지용 음극활물질
JP2015156385A (ja) 負極合材、負極合材混合液、負極、全固体リチウム電池および装置
JP2015201388A (ja) 非水系二次電池用正極活物質及びその製造方法
JP2009094029A (ja) 全固体型リチウム二次電池および全固体型リチウム二次電池用の電極
JP2015524988A (ja) リチウム二次電池用負極活物質及びそれを含むリチウム二次電池
JP2001243951A (ja) 非水系電解質二次電池用正極活物質および該正極活物質を用いた非水系電解質二次電池
JP7107888B2 (ja) 固体電池用負極活物質、当該活物質を用いた負極および固体電池
JP3456354B2 (ja) 非水電解質電池用電極の製造方法及びその電極を用いた非水電解質電池
JP2002151066A (ja) リチウム二次電池用負極材料
CN113711382A (zh) 非水电解质二次电池用的负极及非水电解质二次电池
JP2002050353A (ja) 非水電解質二次電池とその負極板の製造方法
KR101190548B1 (ko) 리튬이차전지의 양극극판 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 리튬이차전지
JP2010257982A (ja) リチウム二次電池用アノード活物質とこれを含むリチウム二次電池
KR101587882B1 (ko) 리튬 이온 이차 전지용 음극활물질로서 카본이 코팅된 NbO₂의 제조 방법
CN113972371B (zh) 负极材料及其制备方法、负极和全固态锂电池
WO2024069204A1 (ja) 全固体電池

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210329

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220316

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220322

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20220523

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220616

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: 20220628

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220714

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7107888

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150