JP7327102B2 - BATTERY MATERIAL, BATTERY AND BATTERY MANUFACTURING METHOD - Google Patents
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Description
本発明は、電池の材料、電池及び電池の製造方法に関する。 The present invention relates to battery materials, batteries, and methods of manufacturing batteries.
リチウムイオン二次電池のうち、電解質に液体を使用しない全固体型リチウム二次電池は、液漏れによる発火のおそれがなく安全性が高い。正極にLiCoO2、電解質にLiPON、負極にLiを用いた構成の全固体型リチウム二次電池が実用化されている。しかし、LiCoO2を正極活物質層として用いた電池はエネルギー密度が十分でない。エネルギー密度は、電極の電位と電池の平均充放電容量値とを乗算した値に相当する。 Among lithium-ion secondary batteries, all-solid-state lithium secondary batteries that do not use a liquid as an electrolyte are highly safe because there is no risk of ignition due to liquid leakage. An all-solid-state lithium secondary battery using LiCoO 2 as the positive electrode, LiPON as the electrolyte, and Li as the negative electrode has been put into practical use. However, batteries using LiCoO 2 as a positive electrode active material layer do not have sufficient energy density. The energy density corresponds to the value obtained by multiplying the potential of the electrodes by the average charge/discharge capacity value of the battery.
二次電池のエネルギー密度を向上させる方法は、例えば、高電位の材料を正極活物質層として用いることである。高電位の正極活物質層材料としてLi2CoP2O7が知られている。Li2CoP2O7のCoの一部をNiに置換した組成のLi2Co1-xNixP2O7(0<x≦0.2)は、Li2CoP2O7よりも高電位であることが知られている。 A method for improving the energy density of a secondary battery is to use, for example, a high-potential material as the positive electrode active material layer. Li 2 CoP 2 O 7 is known as a high potential positive electrode active material layer material. Li 2 Co 1-x Ni x P 2 O 7 (0<x≦0.2) having a composition in which part of Co in Li 2 CoP 2 O 7 is replaced with Ni has a higher concentration than Li 2 CoP 2 O 7 . is known to be an electric potential.
従来の、Li2Co1-xNixP2O7(0<x≦0.2)の組成で結晶性を有する正極活物質層を用いた電池は、二次電池の性能を評価する際に標準的な、エネルギー密度が十分でなかった。 A conventional battery using a positive electrode active material layer having a composition of Li 2 Co 1-x Ni x P 2 O 7 (0<x≦0.2) and having crystallinity is standard, the energy density was not sufficient.
本発明は、電池のエネルギー密度を向上させる材料、当該材料を用いた電池及び電池の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a material that improves the energy density of a battery, a battery using the material, and a method for manufacturing a battery.
1つの態様では、電池の材料は、組成式Li2Co1-xNixP2O7(0<x<1)で表され、X線回折において、2θ=21.8°±0.5°の範囲に半値幅が0.46°以下の回折ピークを有しないことを特徴とする。 In one aspect, the material of the battery is represented by the composition formula Li 2 Co 1-x Ni x P 2 O 7 (0<x<1), and in X-ray diffraction, 2θ=21.8°±0.5 It is characterized by not having a diffraction peak with a half-value width of 0.46° or less in the range of °.
1つの側面として、電池のエネルギー密度を向上させる電池の材料を提供できる。 In one aspect, a battery material can be provided that improves the energy density of the battery.
実施形態にかかる電池の製造方法を図1~図3を用いて説明する。実施形態にかかる電池は、正極活物質層としてアモルファス状態のLi2Co1-xNixP2O7(0<x<1)を有する。 A method for manufacturing a battery according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. The battery according to the embodiment has amorphous Li 2 Co 1-x Ni x P 2 O 7 (0<x<1) as a positive electrode active material layer.
図1は、実施形態にかかる電池の製造方法のうち、基板上に集電層を形成する工程を示す図である。まず、基板1上に集電層2を形成する。基板1は、例えば、酸化膜付きシリコンウエハである。集電層2の形成は、例えば、スパッタリング法によって行われる。集電層2は、電池の層間の接触抵抗を低減するために、低抵抗の材料が好ましい。集電層2は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、Ni又はTi及びPtの2層である。
FIG. 1 is a diagram showing a step of forming a current collection layer on a substrate in a battery manufacturing method according to an embodiment. First, the
図2は、実施形態にかかる電池の製造方法のうち、集電層2上に正極活物質層を形成する工程を示す図である。基板1上に集電層2を形成した後に、集電層2上に正極活物質層3を形成する。正極活物質層3の形成は、例えば、ターゲット材料のLi2Co1-xNixP2O7(0<x<1)を用いたスパッタリング法によって行われる。正極活物質層3の厚さは、例えば、10nm~100nmである。ここで、スパッタリング法で形成されたLi2Co1-xNixP2O7(0<x<1)は、結晶性のないアモルファス状態となっている。
FIG. 2 is a diagram showing a step of forming a positive electrode active material layer on the current collecting
集電層2上に正極活物質層3を形成した後に、正極活物質層3に熱処理を施す。熱処理の時間は、例えば、10秒間~10分間である。熱処理は、酸素含有雰囲気下で行ってもよい。酸素含有雰囲気は、例えば、大気である。熱処理の温度は、アモルファス状態で形成された正極活物質層3の材料を完全に結晶化させない条件で行うことが、実施形態にかかる電池の充放電容量を増加させることでエネルギー密度を増加させる観点から好ましい。Liを含む正極活物質層3の材料を完全に結晶化させない熱処理の温度は、400℃以上600℃以下である。400℃以上の温度で熱処理を行うことによってアモルファス状態の材料が結晶化し始めることが知られている。また、600℃以下の温度で熱処理を行うことによってアモルファス状態の材料が完全に結晶化しないことが知られている。
After forming the positive electrode
熱処理を施した正極活物質層3は、材料が結晶状態に近いアモルファス状態であることが、実施形態にかかる電池の充放電容量を増加させることでエネルギー密度を増加させる観点から好ましい。材料が結晶状態に近いアモルファス状態であることの定義と、正極活物質層3の特性を示すための材料測定結果は、後述する。
The heat-treated positive electrode
図3は、実施形態にかかる電池の製造方法のうち、正極活物質層3上に電解質層及び負極を形成する工程を示す図である。正極活物質層3に熱処理を施した後に、正極活物質層3上に電解質層4及び負極5を形成する。電解質層4の形成は、例えば、スパッタリング法で行われる。負極5の形成は、例えば、蒸着法で行われる。電解質は、例えば、Li3PO4である。
FIG. 3 is a diagram showing a step of forming an electrolyte layer and a negative electrode on the positive electrode
電解質は、例えば、固体電解質又は非水電解液である。電解質として固体電解質を用いた電池は全固体電池となる。 The electrolyte is, for example, a solid electrolyte or a non-aqueous electrolyte. A battery using a solid electrolyte as an electrolyte is an all-solid battery.
固体電解質は、充放電反応を担うキャリアであるリチウムイオンの伝導性を有する固体の電解質であれば特に制限はなく、例えば、酸化物系固体電解質又は硫化物系固体電解質である。 The solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a solid electrolyte having conductivity of lithium ions, which are carriers responsible for charge-discharge reactions, and is, for example, an oxide-based solid electrolyte or a sulfide-based solid electrolyte.
酸化物系固体電解質は、例えば、ペロブスカイト型酸化物、NASICON型酸化物、LISICON型酸化物又はガーネット型酸化物である。 The oxide-based solid electrolyte is, for example, a perovskite-type oxide, a NASICON-type oxide, a LISICON-type oxide, or a garnet-type oxide.
硫化物系固体電解質は、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li3.25P0.25Ge0.76S4、Li4-rGe1-rPrS4(0≦r≦1)、Li7P3S11又はLi2S-SiS2-Li3PO4である。硫化物系固体電解質は、結晶性硫化物、非晶性硫化物のいずれであってもよい。 Sulfide-based solid electrolytes include, for example, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S—SiS 2 , Li 3.25 P 0.25 Ge 0.76 S 4 , Li 4-r Ge 1-r P r S 4 (0≦r≦1), Li 7 P 3 S 11 or Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 . The sulfide-based solid electrolyte may be either crystalline sulfide or amorphous sulfide.
なお、これらの固体電解質は、結晶構造が同等である限り、元素の一部が他の元素に置換されたものでもよく、元素組成比が異なるものでもよい。 These solid electrolytes may be those in which some of the elements are substituted with other elements, or may have different elemental composition ratios, as long as they have the same crystal structure.
また、これらの固体電解質は、一種を単独で選択されてもよく、二種以上を選択されてもよい。 One of these solid electrolytes may be selected alone, or two or more of them may be selected.
層状の固体電解質の平均厚さは、例えば、0.05μm~5.0μmである。 The average thickness of the layered solid electrolyte is, for example, 0.05 μm to 5.0 μm.
非水電解液は、例えば、リチウム塩と、有機溶媒とを含有する非水電解液である。 The nonaqueous electrolyte is, for example, a nonaqueous electrolyte containing a lithium salt and an organic solvent.
リチウム塩は、例えば、六フルオロリン酸リチウム、四フルオロホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホン)イミド又はリチウムビス(トリフルオロメタンスルホン)イミドである。これらのリチウム塩は、一種を単独で選択されてもよく、二種以上を選択されてもよい。 Lithium salts are, for example, lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium bis(pentafluoroethanesulfone)imide or lithium bis(trifluoromethanesulfone)imide. One of these lithium salts may be selected alone, or two or more thereof may be selected.
リチウム塩の濃度は、特に制限はないが、有機溶媒中に0.5mol/L~3mol/Lであることがイオン伝導度の点で好ましい。 Although the concentration of the lithium salt is not particularly limited, it is preferably 0.5 mol/L to 3 mol/L in the organic solvent in terms of ionic conductivity.
有機溶媒は、例えば、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート又はエチルメチルカーボネートである。これらの有機溶媒は、一種を単独で選択されてもよく、二種以上を選択されてもよい。 Organic solvents are, for example, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate or ethyl methyl carbonate. One of these organic solvents may be selected alone, or two or more thereof may be selected.
有機溶媒の非水電解液中の含有量は、特に制限はないが、75質量%~95質量%が好ましく、80質量%~90質量%がより好ましい。 The content of the organic solvent in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, but is preferably 75% by mass to 95% by mass, more preferably 80% by mass to 90% by mass.
有機溶媒の含有量が、75質量%未満であると、非水電解液の粘度が増加し、電極への濡れ性が低下するため、電池の内部抵抗の上昇を招くことがあり、95質量%を超えると、イオン伝導度が低下し、電池の出力の低下を招くことがある。一方、有機溶媒の含有量が80質量%~90質量%であると、高いイオン伝導度を維持することができ、非水電解液の粘度を抑えることで電池への濡れ性を維持する点で有利である。 If the content of the organic solvent is less than 75% by mass, the viscosity of the non-aqueous electrolyte increases and the wettability to the electrode decreases, which may lead to an increase in the internal resistance of the battery. If it exceeds , the ionic conductivity may decrease, which may lead to a decrease in battery output. On the other hand, when the content of the organic solvent is 80% by mass to 90% by mass, high ionic conductivity can be maintained, and the viscosity of the non-aqueous electrolyte is suppressed to maintain wettability to the battery. Advantageous.
電池における電解質の含有量は、特に制限はない。 The electrolyte content in the battery is not particularly limited.
負極5は、例えば、少なくとも負極活物質層を有し、更に必要に応じて、集電層を有する。負極5の大きさ、形状に特に制限はない。負極5の形状は、例えば、棒状、円板状又は薄膜状である。負極5は、例えば、リチウム、リチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金、リチウムチタン酸化物、リチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物又はリチウムマンガン窒化物である。負極5の平均厚さは、例えば、0.05μm~5μmである。
The
実施形態にかかる電池は、Li2Co1-xNixP2O7(0<x≦0.2)を正極活物質層に用いた電池よりも充放電容量が高い。これは、電池の正極活物質層3が組成式Li2Co1-xNixP2O7(0<x<1)で表され、X線回折において、2θ=21.8°±0.5°の範囲に半値幅が0.46°以下の回折ピークを有しないことに起因する。Li2CoP2O7のCoの一部をNiに置換された材料はエネルギー準位が上がりLi2CoP2O7よりも電位が向上する。X線回折において結晶性を示すピークを有しない材料はアモルファス状態であり、結晶状態よりも充放電によって移動するリチウムイオンの出入りがしやすく容量が向上する。
The battery according to the embodiment has higher charge/discharge capacity than the battery using Li 2 Co 1-x Ni x P 2 O 7 (0<x≦0.2) for the positive electrode active material layer. This is because the positive electrode
以下、正極活物質層3の組成が互いに異なる第1サンプル、第2サンプル及び第3サンプル、並びに第1サンプル及び第2サンプルと製造方法の異なる第4サンプル及び第5サンプルの電池の正極活物質層3の特性と、第1サンプル及び第2サンプル、第3サンプルの電池の性能について、測定結果を説明する。
Hereinafter, positive electrode active materials of batteries of first, second, and third samples in which the composition of the positive electrode
第1サンプル、第2サンプル及び第3サンプルの電池の構成は、基板1は酸化膜付きシリコンウエハ、集電層2は膜厚30nmのチタンと膜厚170nmの白金との2層、正極活物質層3は100nmのLi2Co1-xNixP2O7(0≦x≦0.5)、電解質層4は2μmのLi3PO4、負極5は2μmのLiを成膜した点で同じである。第1サンプル、第2サンプル及び第3サンプルの電池の製造方法は、集電層2、電解質層4及び正極活物質層3をスパッタリング法で形成し、負極5は蒸着法で形成した点、正極活物質層3の熱処理を大気下で525℃、2分で行った点で同じである。第1サンプル、第2サンプル及び第3サンプルの電池の構成は、正極活物質層3の材料組成のみ互いに異なり、以下の通りである。
(第1サンプル)
正極活物質層3:Li2Co0.5Ni0.5P2O7
(第2サンプル)
正極活物質層3:Li2Co0.9Ni0.1P2O7
(第3サンプル)
正極活物質層3:Li2CoP2O7
The batteries of the first, second, and third samples are configured as follows: The
(first sample)
Positive electrode active material layer 3: Li2Co0.5Ni0.5P2O7
(Second sample)
(Third sample)
Positive electrode active material layer 3: Li2CoP2O7
図4は、第1サンプル及び第2サンプルの正極活物質層3のX線回折スペクトルである。図4の上側のプロットは、第1サンプルの正極活物質層3について測定した結果を示す。図4の下側のプロットは、第2サンプルの正極活物質層3について測定した結果を示す。第1サンプル及び第2サンプルの正極活物質層3は、X線回折において、2θ=21.8°±0.5°の範囲に、半値幅が0.46°以下の回折ピークを有しない。X線回折における2θ=21.8°±0.5°の範囲はリチウムコバルトリン酸化合物に由来するピークが現れ、半値幅が0.46°以下の回折ピークを有することは材料の結晶性を示すものである。このことから、第1サンプル及び第2サンプルの正極活物質層3は、結晶性を有しないことがわかる。
FIG. 4 shows X-ray diffraction spectra of the positive electrode
第4サンプル及び第5サンプルの電池は、製造方法のみ互いに異なり、以下の通りである。
(第4サンプル)
第4サンプルは、第1サンプルと同様の構成で、正極活物質層3を形成した後に熱処理を施さない製造方法で製造した。
(第5サンプル)
第5サンプルは、第2サンプルと同様の構成で、正極活物質層3を形成した後に熱処理を施さない製造方法で製造した。
The batteries of the fourth sample and the fifth sample differ from each other only in the manufacturing method as follows.
(4th sample)
A fourth sample had the same structure as the first sample, and was manufactured by a manufacturing method in which heat treatment was not performed after forming the positive electrode
(5th sample)
A fifth sample had the same structure as the second sample, and was manufactured by a manufacturing method in which heat treatment was not performed after forming the positive electrode
図5は、第1サンプル及び第4サンプルの正極活物質層3のFT-IRスペクトルである。図5の上側のプロットは、第1サンプルの正極活物質層3について測定した結果を示す。図5の下側のプロットは、第4サンプルの正極活物質層3について測定した結果を示す。図6は、第2サンプル及び第5サンプルの正極活物質層3のFT-IRスペクトルである。図6の上側のプロットは、第2サンプルの正極活物質層3について測定した結果を示す。図6の下側のプロットは、第5サンプルの正極活物質層3について測定した結果を示す。図5、図6は、上下のプロットのFT-IRスペクトルの形状を両者間で比較するため上下に並べているものであり、上側のプロットが下側のプロットよりもFT-IRスペクトルの強度が高いことを示すものではない。
FIG. 5 shows FT-IR spectra of the positive electrode
第1サンプル及び第2サンプルの正極活物質層3は、FT-IR測定において、700cm-1~800cm-1の範囲にP2O7に由来する半値幅が73cm-1以下のピークが観察される。第1サンプル及び第2サンプルの正極活物質層3のFT-IR測定結果における700cm-1~800cm-1の範囲にて観察されるピークの半値幅は、少なくとも73cm-1以下であり、X線回折において2θ=21.8°±0.5°の範囲に半値幅が0.46°以下の回折ピークを有しない限り70cm-1以下であってもよいし、60cm-1以下であってもよいし、50cm-1以下であってもよい。
In the positive electrode
第1サンプル及び第2サンプルの正極活物質層3のFT-IR測定結果に現れる700cm-1~800cm-1のピークは、熱処理を行っていない第4サンプル及び第5サンプルに比べて、明瞭に観察されることがわかる。正極活物質層3のFT-IR測定において700cm-1~800cm-1の範囲にピークが観察されることは、材料が結晶状態に近いことを示す。
The peaks at 700 cm −1 to 800 cm −1 appearing in the FT-IR measurement results of the positive electrode
正極活物質層3のX線回折測定において半値幅が0.46°以下の回折ピークが観測されず、かつ、正極活物質層3のFT-IR測定において700cm-1~800cm-1の範囲に半値幅が73cm-1以下のピークが観察される状態を、結晶状態に近いアモルファス状態と定義する。
In the X-ray diffraction measurement of the positive electrode
図7は、第1サンプル、第2サンプル及び第3サンプルの正極活物質層3を含む電池の平均電位を示す図である。図7の縦軸は平均電位を示し、横軸は正極活物質層3のLi2Co1-xNixP2O7のxの値を示す。Li2Co1-xNixP2O7のxの値は、Li2CoP2O7のCoをNiに置換した割合に対応する。
FIG. 7 is a graph showing average potentials of batteries including positive electrode
電池の充放電評価は、充電:CC-CV、0.5mA、5.4V終止、放電:CC、0.5mA、2V終止の条件で室温にて行った。 The charging and discharging evaluation of the battery was performed at room temperature under the following conditions: charging: CC-CV, 0.5 mA, 5.4 V termination; discharging: CC, 0.5 mA, 2 V termination.
第3サンプル、第2サンプル、第1サンプルの順でNi置換割合が上がるにつれ、平均電位が向上することがわかる。
符号の説明
It can be seen that as the Ni substitution ratio increases in the order of the 3rd sample, the 2nd sample, and the 1st sample, the average potential improves.
Code explanation
1 基板
2 集電層
3 正極活物質層
4 電解質層
5 負極
Claims (10)
ことを特徴とする電池の材料。 It is represented by the composition formula Li 2 Co 1-x Ni x P 2 O 7 (0<x<1), and has a half width of 0.46 in the range of 2θ = 21.8° ± 0.5° in X-ray diffraction. A battery material characterized by not having a diffraction peak of less than °C.
ことを特徴とする請求項1に記載の電池の材料。 2. The battery material according to claim 1, which has a peak with a half width of 73 cm −1 or less in the range of 700 cm −1 to 800 cm −1 in FT-IR measurement.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電池の材料。 3. The battery material according to claim 1 or 2, wherein said x is further in the range of 0.1≤x≤0.5.
前記正極とイオン交換可能な状態の負極と、
前記正極と前記負極との間に配置され、前記正極及び前記負極とイオン交換可能な状態の電解質と、
を備えることを特徴とする電池。 It is represented by the composition formula Li 2 Co 1-x Ni x P 2 O 7 (0<x<1), and has a half width of 0.46 in the range of 2θ = 21.8° ± 0.5° in X-ray diffraction. A positive electrode having a material that does not have a diffraction peak of ° or less;
a negative electrode in a state capable of ion exchange with the positive electrode;
an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode and capable of ion exchange with the positive electrode and the negative electrode;
A battery comprising:
ことを特徴とする請求項4に記載の電池。 5. The battery according to claim 4, wherein the positive electrode has a peak with a half width of 73 cm −1 or less in the range of 700 cm −1 to 800 cm −1 in FT-IR measurement.
ことを特徴とする請求項4又は5に記載の電池。 6. The battery according to claim 4, wherein said x is further defined within a range of 0.1≤x≤0.5.
ことを特徴とする請求項4~6いずれか一項に記載の電池。 The battery according to any one of claims 4 to 6, wherein the electrolyte includes at least one of a lithium-containing oxide solid electrolyte, a lithium-containing sulfide solid electrolyte, and a lithium salt. .
前記正極がX線回折において、2θ=21.8°±0.5°の範囲に半値幅が0.46°以下の回折ピークを有しないようになるよう熱処理を施し、
前記正極上に電解質を形成し、
前記電解質上に負極を形成する
ことを含むことを特徴とする電池の製造方法。 forming a positive electrode having a material represented by a composition formula Li 2 Co 1-x Ni x P 2 O 7 (0<x<1) on a substrate;
subjecting the positive electrode to heat treatment so that it does not have a diffraction peak with a half width of 0.46° or less in the range of 2θ=21.8°±0.5° in X-ray diffraction;
forming an electrolyte on the positive electrode;
A method of manufacturing a battery, comprising: forming a negative electrode on the electrolyte.
ことを特徴とする請求項8に記載の電池の製造方法。 9. The method of manufacturing a battery according to claim 8, wherein said x is further defined within a range of 0.1≤x≤0.5.
ことを特徴とする請求項8又は9に記載の電池の製造方法。 10. The method of manufacturing a battery according to claim 8, wherein the positive electrode is heat-treated at a temperature of 525[deg.]C.
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