JP7384088B2 - ガーネット型固体電解質セパレータ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献2には、ガーネット型固体電解質を含む固体電解質基板の表面に、薄い炭酸リチウム層を被覆することで短絡を抑制する技術が開示されている。具体的には、次の事項が記載されている。固体電解質の結晶粒径を10μm以下とする。これにより、固体電解質表面の凹凸が軽減し、比表面積が向上するため、端子間の距離の不均一による短絡が抑制され、界面抵抗を軽減することができる。界面抵抗が軽減することで局所への電流の集中により短絡を抑制することができる。また、固体電解質基板に100nm以下の厚さの炭酸リチウム層を形成する。これにより、固体電解質基板の穴や傷を埋め、短絡をより抑制することができる。
本開示のガーネット型固体電解質セパレータは、ガーネット型固体電解質を含み、少なくとも一方の表面に炭素濃化層が存在するとともに、該表面から深さ10μmの位置までの範囲に炭素濃化部が存在していることを特徴としている。
本開示において、ガーネット型固体電解質とはLiイオン伝導性を有し、少なくともLiを含み、LixA3B2O12の化学組成で表される、ガーネット型の結晶構造を有する固体電解質である。ここで、XはAの価数をa、Bの価数をbとしたとき、X=24-3a-2bの関係を満たす。このようなガーネット型固体電解質としては、例えば、LLZと呼ばれる(Li7-3Y-Z,AlY)(La3)(Zr2-Z,MZ)O12(M=Nb、Taからなる群より選ばれる少なくとも1つ以上の元素。Y、Zは、0≦Y<0.22、0≦Z≦2の範囲の任意の数である。)を挙げることができる。LLZとしては、公知の組成のものを採用することができる。例えば、代表的な組成としてLi7La3Zr2O12を挙げることができる。
本開示のガーネット型固体電解質セパレータは少なくとも一方の表面に炭素濃化層を備えている。「炭素濃化層」とは、炭素元素濃度がその他の部分よりも高い領域が層状に存在している部分を指す。炭素濃化層はガーネット型固体電解質セパレータの両方の表面に備えられていてもよい。ここで、「表面」とはガーネット型固体電解質セパレータをリチウムイオン電池に使用したときに、正極層又は負極層に接する又は対向する面を意味する。
本開示のガーネット型固体電解質セパレータは、表面(炭素濃化層が形成されている側の表面)から深さ10μmの位置までの範囲に炭素濃化部が存在している。
「炭素濃化部」とは、炭素元素濃度がその他の部分よりも高い領域であり、Li2CO3を主体としていることが好ましい。炭素濃化部の有無はSEM像等により特定することができる。炭素濃化部はガーネット型固体電解質セパレータの表面付近(表面から深さ10μmの範囲)に存在する欠陥(固体電解質間の隙間等)に形成される。通常、原料である固体電解質焼結体はこのような欠陥を多数有するため、本開示における炭素濃化部は表面付近に多数点在して形成されている。
このような割断方法を用いると、炭素濃化部が露出するように割断されるので、表面の炭素濃度と表面付近の割断面の炭素濃度とは差異が生じ得る。そのため、表面よりも表面付近の割断面の炭素濃度の方が高くなる傾向にある。
以上、本開示のガーネット型固体電解質セパレータについて説明した。上記に説明したとおり、本開示のガーネット型固体電解質セパレータは表面に炭素濃化層を有し、さらに表面付近の内部に炭素濃化部が存在している。これにより、相乗的に限界電流密度を向上することができるため、優れた短絡耐性を示すことができる。
次に上記したガーネット型固体電解質セパレータの製造方法について説明する。上記したガーネット型固体電解質セパレータの製造方法は特に限定されるものではないが、本願では次の製造方法を開示する。
溶媒接触工程S1は、ガーネット型固体電解質焼結体の表面に酸素元素を含む溶媒を接触させる工程である。ガーネット型固体電解質焼結体の表面に酸素元素を含む溶媒を接触させることにより、後述する加熱工程S2において、ガーネット型固体電解質と溶媒とが反応し、Li2CO3を析出させることができる。Li2CO3が表面で析出すると炭素濃化層となり、表面付近の内部で析出すると炭素濃化部となる。
加熱工程S2は、溶媒接触工程S1後に行うものであり、ガーネット型固体電解質焼結体の表面を炭素濃化層の生成温度以上の温度で加熱する工程である。溶媒接触工程S1により、上記の溶媒がガーネット型固体電解質焼結体の表面及び表面付近の欠陥(焼結欠陥、ミクロボイド、ミクロクラック)に浸漬しているため、加熱工程S2により当該表面を加熱することで、ガーネット型固体電解質焼結体の表面に炭素濃化層を形成し、表面付近の内部に炭素濃化部を形成することができる。
加熱工程S2の加熱方法は特に限定されないが、例えばホットプレート等を用いて行うことができる。加熱雰囲気は大気雰囲気中でもよい。
ガーネット型固体電解質セパレータの基礎となる焼結体にLLZ焼結体を用いた。LLZ焼結体は豊島製作所製であり、φ11.2mm×t3mmの円盤形状である。組成はLi6.6La3Zr1.6Ta0.4O12であり、相対密度が97%以上である。このLLZ焼結体に対し以下の表面処理を行い、実施例1~3及び比較例1~4に係るガーネット型固体電解質セパレータを作製した。
比較例2に係るセパレータは、大気中で上記のLLZ焼結体の一方の表面全体を#2000のサンドペーパーで研磨した後、大気中で450℃のホットプレートにて当該表面を15分間加熱し、その後放冷することにより作製した。
比較例3に係るセパレータは、上記のLLZ焼結体の一方の表面全体に対し、大気中でエタノールを滴下しながら#2000のサンドペーパーで研磨し、その後大気中で400℃のホットプレートにて当該表面を10分間加熱し、その後放冷することにより作製した。
実施例1に係るセパレータは、上記のLLZ焼結体の一方の表面全体に対し、大気中でエタノールを滴下しながら#2000のサンドペーパーで研磨し、その後大気中で450℃のホットプレートにて当該表面を15分間加熱し、その後放冷することにより作製した。
実施例2に係るセパレータは、上記のLLZ焼結体の一方の表面全体に対し、大気中でエタノールを滴下しながら#2000のサンドペーパーで研磨し、その後大気中で550℃のホットプレートにて当該表面を1時間加熱し、その後放冷することにより作製した。
実施例3に係るセパレータは、上記のLLZ焼結体の一方の表面全体に対し、大気中で水を滴下しながら#2000のサンドペーパーで研磨し、その後大気中で550℃のホットプレートにて当該表面を1時間加熱し、その後放冷することにより作製した。
比較例4に係るセパレータは、上記のLLZ焼結体の一方の表面全体に対し、大気中でエタノールを滴下しながら#2000のサンドペーパーで研磨し、その後大気中で700℃のホットプレートにて当該表面を1時間加熱し、その後放冷することにより作製した。
(限界電流密度の測定)
実施例1、2及び比較例1~4に係るセパレータそれぞれについて、上記の処理を行った面に金属リチウム箔(厚さ50μm)を接着し、他方の面に銅箔(厚さ10μm)を接着し、実施例1、2及び比較例1~4に係る評価用電池(ハーフセル)を作製した。
そして、評価用電池に対し、低電流モードで±0.1mA/cm2、±0.25mA/cm2、±0.4mA/cm2、±0.5mA/cm2、±1mA/cm2、±2mA/cm2、±4mA/cm2、±8mA/cm2、±16mA/cm2の順に段階的に上昇させながら、それぞれの電流モードについて1hずつ通電し、その際の電圧を測定した。電圧値が0V近くに急激に減少した時点で短絡したと判断し、その時点における限界電流密度(CCD:Critical Current Density)を、短絡した時点よりも1段低い電流密度とした。結果を表1に示した。ここで、実施例1及び比較例1、3はそれぞれ4例ずつ、実施例2及び比較例2はそれぞれ2例ずつ行った。また、比較例4はLLZ焼結体表面の炭素濃化層が厚く、金属Liとの界面形成が困難であったため測定できなかった。
実施例1及び比較例1、2に係るセパレータについて、処理を行った側の表面をXPSによって測定した。XPS装置はアルバックファイ製PHI-5000 VersaProve IIを用いた。得られたスペクトル(O-1sスペクトル及びC-1sスペクトルを図4、5に示した。
実施例1~3及び比較例1~4に係るセパレータについて、処理を行った側の表面をSEM-EDXによって測定し、表面組成(質量%)を算出した。SEMは日立ハイテクノロジーズ製SU-8000を用いた。EDXは堀場製作所製X-max 80mm2を用いて、加速電圧を5kVとして測定した。測定は任意の3領域で行い、炭素、酸素、ジルコニウムの含有量を算出した。表2、3に結果を示した。
表3は実施例1~3及び比較例1~4について、表面処理の条件と表面組成の結果とを比較できるように掲載したものである。表3の炭素濃度、C/Zr比、C/O比は表2と同様に、平均値に基づいて算出されている。
このことから、LLZ焼結体の表面に対して、溶媒を接触させてから加熱処理を行うことにより、より厚みを持った炭素濃化層を形成することができると考えられる。
実施例1及び比較例1、2に係るセパレータを割断し、その割断面についてSEM-EDXによる分析を行った。割断は、セパレータ表面にダイヤモンドペンを用いて線状痕を付与し、当該線状痕を挟んでセパレータ両端をプライヤーで保持し、曲げ応力を付加して線状痕に沿って劈開させる方法で行った。図6~図8に実施例1及び比較例1、2に係るセパレータの表面(金属Li箔/LLZ(セパレータ)界面)付近のSEM像を示した。図6は比較例1のSEM像であり、図7は比較例2のSEM像であり、図8は実施例1のSEM像である。
結果を図9~図13に示した。図9は比較例1の結果であり、図10は比較例2の結果であり、図11は比較例3の結果であり、図12は実施例1の結果であり、図13は実施例2の結果である。
以上の結果から、ガーネット型固体電解質セパレータの表面付近はLi2CO3由来の炭素に富む組織であることが分かった。セラミックスのような脆性材料は、表面にある微細な凹部やクラックを起点に亀裂が進展して割断されることが知られている。従って、割断面の表面付近には焼結時に生じたボイドやクラックといった欠陥が露出していると考えられる。実施例1ではこのような欠陥にLi2CO3が多く分布していることから(図8)、表面処理の際にエタノールが欠陥部に浸透し、熱処理によってエタノールとガーネット型固体電解質とが反応することにより、Li2CO3が生成したと考えられる。
そして、Li2CO3は金属リチウムとのぬれ性が極めて低いため、欠陥部を覆う炭酸リチウムがリチウムデンドライトの進展を妨げることで、短絡耐性が向上したと考えられる(表1)。
Claims (8)
- ガーネット型固体電解質を含むガーネット型固体電解質焼結体と、
前記ガーネット型固体電解質焼結体の少なくとも一方の表面に存在する炭素濃化層と、
該炭素濃化層の表面から深さ10μmの位置までの範囲であって、前記ガーネット型固体電解質焼結体の内部に存在する炭素濃化部と、を備え、
EDXにより算出される前記炭素濃化層の表面の組成において、炭素濃度が6.8質量%以上である、
ガーネット型固体電解質セパレータ。 - ガーネット型固体電解質が(Li7-3Y-Z,AlY)(La3)(Zr2-Z,MZ)O12(M=Nb、Taからなる群より選ばれる少なくとも1つ以上の元素。Y、Zは、0≦Y<0.22、0≦Z≦2の範囲の任意の数である。)である、請求項1に記載のガーネット型固体電解質セパレータ。
- 前記炭素濃化層の表面のXPSスペクトルにおいて、Li2CO3のピークが存在する、請求項1又は2に記載のガーネット型固体電解質セパレータ。
- EDXにより算出される前記炭素濃化層の表面の組成において、質量基準で炭素/酸素比が0.17以上であり、炭素/ジルコニウム比が0.23以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載のガーネット型固体電解質セパレータ。
- 前記ガーネット型固体電解質セパレータを前記炭素濃化部が露出するように厚さ方向に割断したときの、EDXにより算出される割断面の組成において、前記炭素濃化層の表面から深さ10μmの位置まで範囲であって、前記ガーネット型固体電解質焼結体の内部の平均炭素濃度が10質量%以上である、請求項1~4のいずれか1項に記載のガーネット型固体電解質セパレータ。
- 前記平均炭素濃度が20質量%以上である、請求項5に記載のガーネット型固体電解質セパレータ。
- ガーネット型固体電解質焼結体の表面に酸素元素を含む溶媒を接触させる溶媒接触工程と、
前記溶媒接触工程後に、前記表面を450℃以上700℃未満の温度で加熱する加熱工程と、
を有する、ガーネット型固体電解質セパレータの製造方法。 - 前記溶媒がアルコールである、請求項7に記載のガーネット型固体電解質セパレータの製造方法。
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