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特開2024-22911固体電解質シート、及び全固体二次電池
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  • 特開-固体電解質シート、及び全固体二次電池 図1
  • 特開-固体電解質シート、及び全固体二次電池 図2
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024022911
(43)【公開日】2024-02-21
(54)【発明の名称】固体電解質シート、及び全固体二次電池
(51)【国際特許分類】
   H01M 10/0562 20100101AFI20240214BHJP
   H01M 10/052 20100101ALI20240214BHJP
   H01M 50/454 20210101ALI20240214BHJP
   H01M 50/457 20210101ALI20240214BHJP
   H01M 50/437 20210101ALI20240214BHJP
   H01M 50/44 20210101ALI20240214BHJP
   H01M 50/434 20210101ALI20240214BHJP
   H01M 50/491 20210101ALI20240214BHJP
   H01B 1/06 20060101ALI20240214BHJP
   H01M 50/489 20210101ALI20240214BHJP
【FI】
H01M10/0562
H01M10/052
H01M50/454
H01M50/457
H01M50/437
H01M50/44
H01M50/434
H01M50/491
H01B1/06 A
H01M50/489
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022126359
(22)【出願日】2022-08-08
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成30年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)「先進・革新蓄電池材料評価技術開発(第2期)」委託研究、産業技術力強化法第17条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000000033
【氏名又は名称】旭化成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100108903
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 和広
(74)【代理人】
【識別番号】100142387
【弁理士】
【氏名又は名称】齋藤 都子
(74)【代理人】
【識別番号】100135895
【弁理士】
【氏名又は名称】三間 俊介
(74)【代理人】
【識別番号】100190137
【弁理士】
【氏名又は名称】大谷 仁郎
(72)【発明者】
【氏名】兼清 浩司
【テーマコード(参考)】
5G301
5H021
5H029
【Fターム(参考)】
5G301CD01
5H021CC02
5H021CC04
5H021EE21
5H021EE28
5H021HH01
5H021HH02
5H021HH03
5H021HH04
5H021HH10
5H029AJ02
5H029AJ06
5H029AJ11
5H029AK01
5H029AK03
5H029AL01
5H029AL02
5H029AL03
5H029AL06
5H029AL07
5H029AL08
5H029AL11
5H029AL12
5H029AM12
5H029DJ04
5H029DJ15
5H029DJ17
5H029EJ06
5H029EJ08
5H029HJ04
5H029HJ05
5H029HJ07
5H029HJ09
5H029HJ12
(57)【要約】
【課題】自立した大面積、薄膜の固体電解質シートにおいて、シート強度とイオン伝導度の両方に優れた固体電解質シートを提供する。
【解決手段】硫化物系固体電解質と、開口率が20~60%のガラス繊維織布と、を含む固体電解質シートであって、ガラス繊維織布の膜厚方向において、ガラス繊維の一端側及び他端側のそれぞれに、膜厚5~30μmの固体電解質層を備える。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
硫化物系固体電解質と、開口率が20~60%のガラス繊維織布と、を含む固体電解質シートであって、
前記ガラス繊維織布の膜厚方向において、ガラス繊維の一端側及び他端側のそれぞれに、膜厚5~30μmの固体電解質層を備える、固体電解質シート。
【請求項2】
前記固体電解質シートの膜厚が40μm以下である、請求項1に記載の固体電解質シート。
【請求項3】
前記固体電解質シートにおいて、前記ガラス繊維織布の膜厚が20μm以下である、請求項1に記載の固体電解質シート。
【請求項4】
前記固体電解質シートの膜厚に対する前記ガラス繊維織布の膜厚の割合(前記ガラス繊維織布の膜厚/前記固体電解質シートの膜厚)が10~65%である、請求項1に記載の固体電解質シート。
【請求項5】
前記固体電解質シート中の固体電解質の体積割合が55~70%である、請求項1に記載の固体電解質シート。
【請求項6】
前記硫化物系固体電解質がアルジロダイト型硫化物系固体電解質である、請求項1に記載の固体電解質シート。
【請求項7】
前記硫化物系固体電解質の平均粒径が0.1~10μmである、請求項1に記載の固体電解質シート。
【請求項8】
請求項1~7のいずれか1項に記載の固体電解質シートを用いた全固体二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体電解質シート、及び全固体二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
近年の環境技術への関心の高まりに伴い、従来、携帯機器用充電池として用いられてきたリチウムイオン二次電池は、ハイブリッド自動車及び電気自動車用電池としての使用が増加してきている。
【0003】
リチウムイオン二次電池が自動車に用いられる場合、従来の携帯機器用として用いられる場合と比較して、更に大電流での使用が要求されている。また、自動車用電池には、大容量で使用されることに伴う、更なる安全性の向上も要求されている。
【0004】
現行のリチウムイオン二次電池は、電解質として主に有機系電解液が用いられているが、電解液成分の有機溶媒が可燃性であるため、安全性向上の方法の1つとして、有機系電解液に代えて不燃性の固体電解質を用いることが挙げられる。また、固体電解質はイオンの輸率が1であるため、大電流での使用にも適していると考えられる。
【0005】
他方、固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池において、固体電解質は通常粉末で、その成形体は脆性で加工に難がある。そのため、電池製造時において固体電解質の取り扱い性が悪く、また固体電解質の成形体が厚くなることから、電池のエネルギー密度が低下する等の問題がある。そのため、固体電解質の薄膜化、大面積化が望まれている。
【0006】
特許文献1~3では、固体電解質と支持体からなる複合体で、大面積を有する固体電解質シートを提供する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2008-103258号公報
【特許文献2】特開2014-96311号公報
【特許文献3】国際公開第2020/054081号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献1~3では、実施例に用いられている固体電解質シートの厚みは全て50μm以上であり、有機系電解液が用いられたリチウムイオン二次電池のセパレーターの厚みに比べ2倍以上でかなり大きく、電池のエネルギー密度の観点から、上記従来の全固体二次電池において、いまだ改善の余地があった。また、大電流での充放電についての記載もなく、この観点からも、上記従来の全固体二次電池において、いまだ改善の余地があった。
【0009】
そこで、本発明は、自立した大面積、薄膜の固体電解質シートにおいて、シート強度とイオン伝導度の両方に優れた固体電解質シート、及び優れた大電流特性を有する全固体二次電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様は、下記のとおりである。
[1]
硫化物系固体電解質と、開口率が20~60%のガラス繊維織布と、を含む固体電解質シートであって、
前記ガラス繊維織布の膜厚方向において、ガラス繊維の一端側及び他端側のそれぞれに、膜厚5~30μmの固体電解質層を備える、固体電解質シート。
[2]
前記固体電解質シートの膜厚が40μm以下である、[1]に記載の固体電解質シート。
[3]
前記固体電解質シートにおいて、前記ガラス繊維織布の膜厚が20μm以下である、[1]又は[2]に記載の固体電解質シート。
[4]
前記固体電解質シートの膜厚に対する前記ガラス繊維織布の膜厚の割合(前記ガラス繊維織布の膜厚/前記固体電解質シートの膜厚)が10~65%である、[1]~[3]のいずれか1項に記載の固体電解質シート。
[5]
前記固体電解質シート中の固体電解質の体積割合が55~70%である、[1]~[4]のいずれか1項に記載の固体電解質シート。
[6]
前記硫化物系固体電解質がアルジロダイト型硫化物系固体電解質である、[1]~[5]のいずれか1項に記載の固体電解質シート。
[7]
前記硫化物系固体電解質の平均粒径が0.1~10μmである、[1]~[6]のいずれか1項に記載の固体電解質シート。
[8]
[1]~[7]のいずれか1項に記載の固体電解質シートを用いた全固体二次電池。
【発明の効果】
【0011】
本発明の固体電解質シートは、自立した大面積、薄膜シートであり、シート強度とイオン伝導度の両方に優れる。また、上記固体電解質シートを用いた全固体二次電池は、大電流特性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】本実施形態に関するガラス繊維織布の一例を示す、概略図である。
図2】本実施形態の固体電解質シートの一例を示す、概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」ともいう。)について詳細に説明する。以下の説明は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施することができる。
本明細書中、段階的に記載される数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換わってよい。本明細書中、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に記載の値に置き換ってよい。図面に示される内容において、縮尺、形状、及び長さは、明確性を更に図るために、誇張して示されている場合がある。
【0014】
-ガラス繊維織布-
図1は、本実施形態で用いられるガラス繊維織布(以下、単に「ガラス繊維織布」ともいう。)の一例を示す、概略図である。言い換えれば、図1は、ガラス繊維織布をその膜厚方向(Z方向)に沿って見た、平面図である。ガラス繊維織布1は、ガラスのフィラメントを所定の本数束ね、必要に応じて撚って得られた糸(ヤーン)を、図中のX方向に沿うタテ糸2と、図中のY方向に沿うヨコ糸3と、を用いて織機で製織したものとしてよい。図中、X方向、Y方向、及びZ方向は、互いに交差する関係(例えば、垂直関係)を有する。
【0015】
フィラメントのガラスは、Eガラス、Dガラス、Lガラス、NEガラス、Sガラス、Tガラス、Hガラス等を使用してよい。ガラスフィラメントの直径は、好ましくは2~5μmである。ガラスヤーンのフィラメント数は、好ましくは5~150本である。
【0016】
ガラス繊維織布の織り構造としては、例えば、平織り、ななこ織り、朱子織り、綾織り、等の織り構造が挙げられる。なかでも、平織り構造が好ましい。
【0017】
タテ糸の糸幅(繊維幅)とヨコ糸の糸幅(繊維幅)は、好ましくは一方が30~200μm、より好ましくは両方が30~200μmである。糸幅の測定は、従来公知の方法で測定したものでよいが、例えば、表面観察で、所定の箇所と所定の数の平均をとることで測定することができる。
【0018】
タテ糸同士の間隔とヨコ糸同士の間隔は、好ましくは50~250μmである。糸同士の間隔は、従来公知の方法で測定したものでよいが、例えば、表面観察で、所定の箇所と所定の数の平均をとることで測定することができる。
【0019】
ガラス繊維織布の開口率は、20~60%である。開口率が20%未満になると、固体電解質シートに含まれる固体電解質が少なくなり、イオン伝導度が低下する。開口率が60%を超えると、固体電解質シートに含まれる支持体(ガラス繊維織布)の割合が少なくなり、固体電解質シートの強度が下がるため、製造上での取り扱いが困難となる。同様の観点から、開口率は、好ましくは20~50%、より好ましくは20~40%である。
【0020】
なお、ガラス繊維織布の開口率は、例えば、表面観察で糸の面積と糸のない部分(開口部)の面積を測定し、以下の式:
開口率(%)=(糸のない部分の面積)×100/[(糸の面積)+(糸のない部分の面積)]
で算出することができる。
また、平織り構造の場合は、例えば、以下の式:
開口率(%)=[(タテ糸同士の間隔)×(ヨコ糸同士の間隔)]×100/[{(タテ糸の糸幅)+(タテ糸同士の間隔)}×{(ヨコ糸の糸幅)+(ヨコ糸同士の間隔)}]
でも算出することができる。
更に、タテ糸の糸幅とヨコ糸の糸幅が同じ、及びタテ糸同士の間隔とヨコ糸同士の間隔が同じの場合は、以下の式:
開口率(%)=[(糸同士の間隔)×(糸同士の間隔)]×100/[{(糸の糸幅)+(糸同士の間隔)}×{(糸の糸幅)+(糸同士の間隔)}]
でも算出することができる。
上記測定は、同様の箇所又は異なる箇所で複数回(例えば、10回)行い、得られた結果から平均値を算出してよい。そして、この平均値を、本実施形態における「ガラス繊維織布の開口率」として扱ってよい。
【0021】
ガラス繊維織布の膜厚は、その膜厚が小さくなると固体電解質シートの膜厚も小さくなり、全固体二次電池に使用した時のエネルギー密度が上がり易いため、20μm以下が好ましい。また、ガラス繊維織布の膜厚は、固体電解質シートの強度の点から、5μm以上が好ましい。膜厚は、例えば、JIS R 3420に準拠して測定することができる。
【0022】
-硫化物系固体電解質-
本実施形態で用いられる硫化物系固体電解質(以下、単に「硫化物系固体電解質」又は「固体電解質」ともいう。)は、硫黄(S)を含有し、イオン伝導性を有する。
【0023】
硫化物系固体電解質は、リチウムを含む材料が好ましい。硫化物系固体電解質としては、例えば、ガラス系やガラスセラミックス系では、LiS-P、LiS-P、LiS-P-P、LiS-P-GeS、LiS-P-B、LiS-SiS、LiS-SiS-P、LiI-LiS-SiS、LiI-LiS-P、LiI-LiS-P、LiI-LiPO-P、LiI-LiS-SiS-P、LiS-SiS-LiPO、LiBr-LiS-SiS、LiS-GeS、LiS-GeS-ZnS、LiS-GeS-Sb、LiS-GeS-Ga、LiS-GeS-Al、LiI-LiS-GeS、LiS-GeS-LiPO、LiS-Ga、LiS-B、LiS-Al、LiS-SiS-Al、LiI-LiS-B、LiS-B-LiPO、LiS-P-LiBr、LiS-P-LiN、LiS-P-LiBH等が挙げられる。
【0024】
また、硫化物系固体電解質としては、結晶系では、アルジロダイト型といわれるLiPSX(式中、X=Cl、Br、I)、Li7-xPS6-x(式中、X=Cl、Br、I、0≦x≦1.8)等や、LGPS型といわれるLi3.40.6Si0.4、Li9.54Si1.741.4411.7Cl0.3、Li4-xGe1-x(式中、0≦x≦1)、Li10GeP11.70.3等が挙げられる。
【0025】
なかでも、高いイオン伝導度を有し、電気化学的に安定である点から、硫化物系固体電解質は、結晶系であるアルジロダイト型の硫化物系固体電解質が好ましい。硫化物系固体電解質は、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0026】
硫化物系固体電解質の粒径は、平均粒径が小さくなると、固体電解質シート作製における固体電解質スラリーの分散が難しくなり易く、その結果、均一な固体電解質シートが得られ難い。また、平均粒径が大きくなると、大粒径の固体電解質粒子の割合が大きくなるため、均一な薄い固体電解質シートが得られ難い。よって、硫化物系固体電解質の平均粒径は、0.1~10μmが好ましい。
【0027】
-固体電解質シート、及びその製造方法-
図2は、本実施形態の固体電解質シートの一例の概略図である。図示するように、固体電解質シート4は、上記ガラス繊維織布1と、上記ガラス繊維織布1を含んだ硫化物系固体電解質6との複合体シートであり、上記ガラス繊維織布1の膜厚方向において、ガラス繊維の一端側及び他端側のそれぞれに、膜厚5~30μmの固体電解質層6aを備える。
図中、符号5は、ガラス繊維織布1を構成するガラスフィラメントを示している。
【0028】
図中、Z方向は、固体電解質シートの膜厚方向に沿っており、X方向、及びY方向は、固体電解質シートの面方向に沿っている。図中、X方向、Y方向、及びZ方向は、互いに交差する関係(例えば、垂直関係)を有する。
【0029】
ガラス繊維の一端側及び他端側のそれぞれに備える固体電解質6aの膜厚は、互いに同一でも異なってもよい。
【0030】
固体電解質層6aの膜厚が5μm未満になると、固体電解質シートのイオン伝導度が低下する。上記膜厚が30μmを越えると、固体電解質シートの膜厚が厚くなり過ぎ、全固体二次電池に使用した時のエネルギー密度が下がる。
上記膜厚の測定は、例えば、固体電解質シートの断面観察で、所定の箇所(同一又は異なる箇所)において複数回(例えば、10回)行うことができる。得られた結果から平均値を算出し、この平均値を、本実施形態における「固体電解質層の膜厚」として扱ってよい。
【0031】
固体電解質シートの膜厚は40μm以下がより好ましい。上記固体電解質シートの膜厚が40μm以下の場合、全固体二次電池に使用した時のエネルギー密度が上がり易い。固体電解質シートの膜厚は、10μm超えが好ましい。これによれば、ガラス繊維織布と硫化物系固体電解質とのそれぞれについて、所定の膜厚を確保し易く、これにより、例えば、固体電解質シートの所定の強度を確保し易い。
上記膜厚の測定は、従来公知の方法で測定したものでよいが、例えば、固体電解質シートの断面観察で、所定の箇所(同一又は異なる箇所)において複数回(例えば、10回)行うことができる。得られた結果から平均値を算出し、この平均値を、本実施形態における「固体電解質シートの膜厚」として扱ってよい。
【0032】
固体電解質シートの膜厚に対するガラス繊維織布の膜厚の割合(ガラス繊維織布の膜厚/固体電解質シートの膜厚)は、10~65%であることがより好ましい。
上記膜厚の割合が小さくなると、固体電解質シートのイオン伝導度が確保し易い。また、上記膜厚の割合が大きくなると、固体電解質シートに含まれる支持体(ガラス繊維織布)の割合を確保し易く、これにより、固体電解質シートの強度を確保し易いため、製造上での取り扱いが容易になる。
【0033】
固体電解質シート中の固体電解質の体積割合は、55~70%であることが好ましい。
上記固体電解質の体積割合が大きくなると、固体電解質シートのイオン伝導度が確保し易い。また、上記固体電解質の体積割合が小さくなると、固体電解質シートに含まれる支持体(ガラス繊維織布)の割合を確保し易く、これにより、固体電解質シートの強度を確保し易いため、製造上での取り扱いが容易になる。
【0034】
固体電解質シートは、従来公知の方法で製造することができるが、例えば、上記硫化物系固体電解質のスラリーを上記ガラス繊維織布に塗布、及び乾燥することによって製造することができる。必要に応じて乾燥後のシートをプレスしてもよい。スラリーの製造、塗布、及び乾燥は、従来公知の方法で実施することができる。
【0035】
スラリーの製造方法としては、例えば、自公転ミキサー、プラネタリーミキサー、ビーズミル、薄膜旋回型ミキサー等が挙げられる。
スラリーの塗布方法としては、例えば、ダイコート、コンマコート、グラビアコート、ロールコート等が挙げられる。
スラリーの乾燥方法としては、例えば、熱風、赤外線、ランプ等が挙げられる。
上記乾燥後のシートのプレス方法としては、例えば、ロールプレス、平板プレス、冷間等方圧プレス、温間等方圧プレス等が挙げられる。
【0036】
上記硫化物固体電解質のスラリーは、下記の結着材を含んでよい。また、上記硫化物固体電解質のスラリーの作製にあたり、下記の結着材を溶解する溶媒を使用してよい。すなわち、固体電解質シート、特に、硫化物固体電解質は、下記の結着材を含んでよい。
【0037】
--結着材(バインダー)および溶媒--
固体電解質シートに含まれ得る結着材(バインダー)としては、上記ガラス繊維織布と上記硫化物系固体電解質を結着できる、公知のものとしてよい。
【0038】
このような結着材(バインダー)としては、例えば、カルボキシメチルセルロースのようなセルロース、スチレン-ブタジエンの架橋ゴムラテックス、アクリル系ラテックス、ポリフッ化ビニリデン、及びフッ素ゴム、スチレン-ブタジエンの共重合体(架橋ゴム)のようなゴム系樹脂が好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0039】
結着材(バインダー)を溶解する溶媒としては、結着材(バインダー)を溶解するが、硫化物系固体電解質を溶解や表面で反応などをしない、低極性の溶媒であればよい。例えば、ヘキサン、ペンタン、2-エチルヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、シクロヘキサン、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン(テトラリン)、1,3,5-トリメチルベンゼン(メシチレン)、メトキシベンゼン(アニソール)等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0040】
また、これらの溶媒は、脱水処理されていることが好ましく、水分含有量が低いことが好ましい。水分含有量は、100ppm以下、好ましくは30ppm以下、より好ましくは10ppm以下、更に好ましくは1ppm以下である。水分含有量は0ppm以上でよい。
【0041】
-正極-
本実施形態の全固体二次電池に用いられる正極活物質は、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵及び放出可能なものであり、好適には、上記硫化物系固体電解質、導電材、集電体、結着材(バインダー)と共に、正極を構成することが好ましい。
【0042】
--正極活物質--
正極に含まれ得る正極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵及び放出可能なものである。特に、正極活物質としては、リチウムを含む材料が好ましい。このような正極活物質としては、例えば、
下記式(1):
LixNi1-yyz・・・(1)
(式中、Mは、遷移金属元素からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示し、0<x≦1.3、0≦y<1、1.8<z<2.2である。)
で表される酸化物、
下記式(2):
Lixyz・・・(2)
(式中、Mは、遷移金属元素からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示し、0<x≦1.3、0.8<y<1.2、1.8<z<2.2である。)で表される層状酸化物、
下記式(3):
LixMn2-yyz・・・(3)
(式中、Mは、遷移金属元素からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示し、0<x≦1.3、0.2<y<0.8、3.5<z<4.5である。)
で表される酸化物、
下記式(4):
LiMn2-xMax4・・・(4)
(式中、Maは、遷移金属元素からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示し、0.2≦x≦0.7である。)
で表されるスピネル型酸化物、
下記式(5-1):
Li2McO3・・・(5-1)
(式中、Mcは、遷移金属元素からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す。)
で表される酸化物と、下記式(5-2):
LiMdO2・・・(5-2)
(式中、Mdは、遷移金属元素からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す。)
で表される酸化物との複合酸化物であって、下記式(5-3):
zLi2McO3-(1-z)LiMdO2・・・(5-3)
(式(5-3)中、Mc及びMdは、それぞれ上記式(5-1)及び(5-2)におけるものと同義であり、0.1≦z≦0.9である。)
で表されるLi過剰層状酸化物正極活物質、
下記式(6):
LiMb1-yFeyPO4・・・(6)
(式中、Mbは、Mn及びCoからなる群から選択される少なくとも1種の元素を示し、0≦y≦1.0である。)
で表されるオリビン型正極活物質、下記式(7):
Li2MePO4F・・・(7)
(式中、Meは、遷移金属元素からなる群から選択される少なくとも1種の元素を示す。)
で表される化合物が挙げられる。
【0043】
これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0044】
--導電材--
正極に含まれ得る導電材としては、電子を伝導できる公知のものとしてよい。導電材としては、例えば、活性炭、各種コークス、カーボンブラック及びアセチレンブラック等の非黒鉛炭素質材料、黒鉛(グラファイト)、並びにアルミニウム、チタン、ステンレス等の金属粉末が好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0045】
--集電体--
正極に含まれ得る集電体としては、例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス等の金属箔、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル、カーボンクロス及びカーボンペーパー等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。また、集電体の表面に上記正極導電材を備えた上記正極集電体であってもよい。
【0046】
--結着材(バインダー)--
正極に含まれ得る結着材(バインダー)としては、上記正極活物質、上記導電材、上記硫化物系固体電解質、及び上記集電体からなる群から選択される少なくとも2つを結着できる公知のものとしてよい。
【0047】
このような結着材(バインダー)としては、例えば、カルボキシメチルセルロースのようなセルロース、ポリフッ化ビニリデン、及びフッ素ゴム、スチレン-ブタジエンの共重合体(架橋ゴム)のようなゴム系樹脂が好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0048】
結着材(バインダー)を溶解する溶媒としては、結着材(バインダー)を溶解するが、硫化物系固体電解質を溶解や表面で反応などをしない、低極性の溶媒であればよい。例えば、ヘキサン、ペンタン、2-エチルヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、シクロヘキサン、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン(テトラリン)、1,3,5-トリメチルベンゼン(メシチレン)、メトキシベンゼン(アニソール)などが挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0049】
また、これらの溶媒は、脱水処理されていることが好ましく、水分含有量が低いことが好ましい。水分含有量は、100ppm以下、好ましくは30ppm以下、より好ましくは10ppm以下、更に好ましくは1ppm以下である。水分含有量は0ppm以上でよい。
【0050】
--正極の製造方法--
正極は、例えば、上記正極活物質と、好適には上記硫化物系固体電解質、上記導電材、上記結着材を含むスラリーを上記集電体に塗布、乾燥することにより製造することができる。必要に応じて乾燥後の正極をプレスしてもよい。スラリーの製造、塗布、および乾燥は、従来公知の方法で実施することができる。
【0051】
スラリーの製造方法としては、例えば、自公転ミキサー、プラネタリーミキサー、ビーズミル、薄膜旋回型ミキサー等が挙げられる。
スラリーの塗布方法としては、例えば、ダイコート、コンマコート、グラビアコート、ロールコート等が挙げられる。
スラリーの乾燥方法としては、例えば、熱風、赤外線、ランプ等が挙げられる。
上記乾燥後の正極のプレス方法としては、例えば、ロールプレス、平板プレス、冷間等方圧プレス、温間等方圧プレス等が挙げられる。
【0052】
-負極-
本実施形態に係る全固体二次電池に用いられる負極活物質は、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵及び放出可能なものであり、好適には、上記硫化物系固体電解質、導電材、集電体、結着材(バインダー)と共に、負極を構成することが好ましい。
【0053】
--負極活物質--
負極に含まれ得る負極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵及び放出可能な炭素材料、金属、半金属、合金、酸化物、及び窒化物からなる群から選択される少なくとも1種としてよい。
【0054】
電気化学的にリチウムイオンを吸蔵及び放出可能な炭素材料としては、例えば、ハードカーボン、ソフトカーボン、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛、熱分解炭素、コークス、ガラス状炭素、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭、炭素コロイド、カーボンブラック等が挙げられる。
特に、コークスとしては、例えば、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等が挙げられる。また、有機高分子化合物の焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂等の高分子材料を適当な温度で焼成して、炭素化したものである。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0055】
金属、半金属としては、従来公知のものとしてよい。
金属元素及び半金属元素としては、例えば、リチウム(Li)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、ハフニウム( Hf)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、イン ジウム(In)、ケイ素(Si)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、ガリウム( Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)等が挙げられる。これらの中でも、リチウム(Li)、および長周期 型周期表における4族又は14族の金属元素及び半金属元素が好ましく、リチウム(Li)、チタン(Ti)、スズ(Sn)及びケイ素(Si)が特に好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0056】
合金としては、2種以上の金属元素(前述)からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含む。また、合金は、その全体として金属の性質を有するものであれば、非金属元素を有していてもよい。その合金の組織には、固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物又はこれらのうちの2種以上が共存する。
【0057】
酸化物としては、例えば、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化ケイ素、五酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化モリブデン、二酸化チタン、チタン酸リチウム(例えば、Li4Ti512等)等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0058】
窒化物としては、従来公知のものとしてよく、例えば、一般式:Li3-xxN(式中、M=Co、Ni、Mn)で表されるもの等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0059】
これらの炭素材料、半金属、金属、合金、酸化物、及び窒化物は、1種単独で用いても、2種以上併用してもよい。
【0060】
--導電材--
負極に含まれ得る導電材としては、電子を伝導できる公知のものとしてよい。導電材としては、例えば、黒鉛、各種コークス、カーボンブラック、及びアセチレンブラック等の非黒鉛炭素質材料が好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0061】
--集電体--
負極に含まれ得る集電体としては、例えば、銅、ニッケル、ステンレス等の金属箔、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル、カーボンクロス及びカーボンペーパー等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。また、集電体の表面に負極導電材を備えた負極集電体であってもよい。
【0062】
--結着材(バインダー)--
負極に含まれ得る結着材(バインダー)としては、上記全固体二次電池用負極活物質、上記硫化物系固体電解質、上記導電材、及び上記集電体からなる群から選択される少なくとも2つを結着できる公知のものとしてよい。このような結着材(バインダー)としては、特に限定されることはないが、例えば、カルボキシメチルセルロースのようなセルロース、スチレン-ブタジエンの架橋ゴムラテックス、アクリル系ラテックス、ポリフッ化ビニリデン、及びフッ素ゴム、スチレン-ブタジエンの共重合体(架橋ゴム)のようなゴム系樹脂が好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0063】
結着材(バインダー)を溶解する溶媒としては、結着材(バインダー)を溶解するが、硫化物系固体電解質を溶解や表面で反応などをしない、低極性の溶媒であればよい。例えば、ヘキサン、ペンタン、2-エチルヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、シクロヘキサン、ヘキセン、ヘプテン、シクロヘキセン、トルエン、キシレン、デカリン、1,2,3,4-テトラヒドロナフタレン(テトラリン)、1,3,5-トリメチルベンゼン(メシチレン)、メトキシベンゼン(アニソール)等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて併用してもよい。
【0064】
また、これらの溶媒は、脱水処理されていることが好ましく、水分含有量が低いことが好ましい。水分含有量は、100ppm以下、好ましくは30ppm以下、より好ましくは10ppm以下、更に好ましくは1ppm以下である。水分含有量は0ppm以上でよい。
【0065】
--負極の製造方法--
負極は、例えば、上記活物質が金属の場合は、箔として単独、あるいは集電体と貼り付けて製造することができる。
【0066】
また、例えば、上記負極活物質と、好適には上記硫化物系固体電解質、上記導電材、上記結着材を含むスラリーを上記集電体に塗布、乾燥することにより製造することができる。必要に応じて乾燥後の負極をプレスしてもよい。スラリーの製造、塗布、および乾燥は、従来公知の方法で実施することができる。
【0067】
スラリーの製造方法としては、例えば、自公転ミキサー、プラネタリーミキサー、ビーズミル、薄膜旋回型ミキサー等が挙げられる。
スラリーの塗布方法としては、例えば、ダイコート、コンマコート、グラビアコート、ロールコート等が挙げられる。
スラリーの乾燥方法としては、例えば、熱風、赤外線、ランプ等が挙げられる。
上記乾燥後の負極のプレス方法としては、例えば、ロールプレス、平板プレス、冷間等方圧プレス、温間等方圧プレス等が挙げられる。
【0068】
-全固体二次電池-
本実施形態の全固体二次電池は、少なくとも本実施形態の固体電解質シートを上記正極と上記負極の間に有するものである。必要に応じて、これらを接合してもよい。上記正極、上記負極、及び上記固体電解質シート以外の電池部材については、従来公知の電池部材を使用してよい。
【0069】
上記接合する方法としては、例えば、上記正極、上記固体電解質シート、上記負極を積層して、ロールプレス、平板プレス、冷間等方圧プレス、温間等方圧プレスでプレスする方法等が挙げられる。また、固体電解質シートと、正極又は負極と、の接合面に、イオン伝導性を有する物質、及び/又は、イオン伝導性を阻害しない接着物質を配置して接合してよい。これらは、1種のみでなく2種以上を組み合わせて接合してもよい。
【実施例0070】
以下、実施例を挙げて本実施形態を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【0071】
[実施例1]
[固体電解質スラリーの調整]
硫化物系固体電解質として、アルジロダイト型硫化物固体電解質Li7-xPS6-xCl(式中、x≒1)の粉末(平均粒径3μm)と;
硫化物系固体電解質と反応しない低極性有機溶媒にゴム系樹脂を5質量%溶解したバインダー溶液と;
を、硫化物固体電解質とゴム系樹脂との質量比が97.7:2.3になるように秤量し、粘度調整のために上記低極性有機溶媒を更に加えて、自公転ミキサーで混練して、固体電解質スラリーを得た。
【0072】
[固体電解質シートの作製]
アプリケーターの卓上塗工機上に、厚み約38μmのポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムを載せ、固体電解質スラリーを所定のクリアランスのアプリケーターで塗布し、常圧で温度70℃、1時間、乾燥機で乾燥させた。その後、所定の厚みに固体電解質が塗布されたPET上に、ガラス繊維織布(支持体:繊維(糸)束の幅約90μm、繊維(糸)同士の間隔約180μm、厚み約18μm、開口率約44%)を載せた。その後、ガラス繊維織布上に固体電解質スラリーを所定のクリアランスのアプリケーターで塗布し、常圧で温度70℃、1時間、乾燥機で乾燥させた後、減圧して温度70℃、20時間乾燥機で乾燥させた。これにより、PET上に固体電解質、ガラス繊維織布、及び固体電解質が順次積層された、塗布シートを得た。
【0073】
次に、得られた塗布シートを圧力392MPaでプレスしてPETフィルムを剥離させ、自立した固体電解質シート(実施例1)を得た。得られた固体電解質シートの膜厚は30μm、ガラス繊維織布の膜厚方向においてガラス繊維の一端側及び他端側のそれぞれに固体電解質層を備え、かつ、その固体電解質層の膜厚はそれぞれ7μmであった。
また、固体電解質シートの膜厚に対するガラス繊維織布の膜厚の割合(ガラス繊維織布の膜厚/固体電解質シートの膜厚)は60%、固体電解質シート中の固体電解質の体積割合は65%であった。
【0074】
[固体電解質シートのイオン伝導度の測定]
得られた固体電解質シートを10mmφの円形にくりぬき、ステンレス製のシリンダ型のイオン伝導度測定治具にセットして、196MPaで加圧しながら、交流インピーダンス法(測定周波数:7M~1Hz)によりイオン伝導度を室温(約23℃)で測定したところ、2×10―4S/cmであった。
【0075】
[比較例1]
実施例1において、固体電解質シート作製においてアプリケーターのクリアランス(PETフィルムにスラリーを塗布するアプリケーター、及び、ガラス繊維にスラリーを塗布するアプリケーターの、それぞれのクリアランス)を変更する以外は、実施例1と同様の操作により、比較例1の固体電解質シートを得た。得られた固体電解質シートの膜厚は20μm、ガラス繊維織布の膜厚方向においてガラス繊維の一端側及び他端側のそれぞれに固体電解質層を備え、かつ、その固体電解質層の厚みはそれぞれ3μmであった。なお、一般には、アプリケーターのクリアランスを狭めると塗膜の膜厚が小さくなる傾向があり、また、アプリケーターのクリアランスを広げると塗膜の膜厚が大きくなる傾向がある。
また、固体電解質シートの膜厚に対するガラス繊維織布の膜厚の割合(ガラス繊維織布の膜厚/固体電解質シートの膜厚)は90%、固体電解質シート中の固体電解質の体積割合は53%であった。
【0076】
得られた固体電解質シートのイオン伝導度を、実施例1と同様の操作により測定したところ、9×10―5S/cmであった。
【0077】
[実施例2]
[正極の作製]
正極活物質として、表面にLiとNbの複合酸化物が形成されたLiNi0.5Co0.2Mn0.3の粉末(平均粒径5μm)と;
アルジロダイト型硫化物固体電解質Li7-xPS6-xCl(式中、x≒1)の粉末(平均粒径0.6μm)と;
導電助剤として、炭素繊維(昭和電工社製「VGCF」(商品名))と;
硫化物系固体電解質と反応しない低極性有機溶媒にゴム系樹脂を5質量%溶解したバインダー溶液と;
を、正極活物質と硫化物固体電解質と炭素繊維とゴム系樹脂との質量比が82.6:15.3:1.2:0.9になるように秤量し、粘度調整のため上記低極性有機溶媒を更に加えて、自公転ミキサーで混練して、正極スラリーを得た。
【0078】
アプリケーターの卓上塗工機上に、厚み20μmのアルミニウム箔を載せ、正極スラリーを所定のクリアランスのアプリケーターで塗布し、常圧で温度100℃、1時間、乾燥機で乾燥させた後、減圧で温度100℃、20時間乾燥機で乾燥させることにより、正極を得た。
【0079】
[負極の作製]
負極活物質として、天然黒鉛粉末(平均粒径16μm)と;
アルジロダイト型硫化物固体電解質Li7-xPS6-xCl(式中、x≒1)の粉末(平均粒径0.6μm)と;
硫化物系固体電解質と反応しない低極性有機溶媒にゴム系樹脂を5質量%溶解したバインダー溶液と;
を、負極活物質と硫化物固体電解質とゴム系樹脂との重量比が67.5:30.5:2になるように秤量し、粘度調整のため上記低極性有機溶媒を更に加えて、自公転ミキサーで混練して、負極スラリーを得た。
【0080】
アプリケーターの卓上塗工機上に、厚み10μmの表面にカーボンがコートされたステンレス箔を載せ、負極スラリーを所定のクリアランスのアプリケーターで塗布し、常圧で温度100℃、1時間、乾燥機で乾燥させた後、減圧で温度100℃、20時間乾燥機で乾燥させることにより、負極を得た。
【0081】
[固体電解質シートの作製]
実施例1において、固体電解質シート作製においてアプリケーターのクリアランス(PETフィルムにスラリーを塗布するアプリケーター、及び、ガラス繊維にスラリーを塗布するアプリケーターの、それぞれのクリアランス)を変更し、使用したガラス繊維織布(繊維(糸)束の幅約85μm、繊維(糸)同士の間隔約190μm、厚み約18μm、開口率約48%)にしたこと以外は、実施例1と同様の操作により、実施例2の固体電解質シートを得た。得られた固体電解質シートの膜厚は30μm、ガラス繊維織布の膜厚方向においてガラス繊維の一端側及び他端側のそれぞれに固体電解質層を備え、かつ、その固体電解質層の厚みはそれぞれ7μmであった。
また、固体電解質シートの膜厚に対するガラス繊維織布の膜厚の割合(ガラス繊維織布の膜厚/固体電解質シートの膜厚)は60%、固体電解質シート中の固体電解質の体積割合は68%であった。
【0082】
得られた固体電解質シートのイオン伝導度を実施例1と同様の操作により測定したところ、2×10―4S/cmであった。
【0083】
固体電解質シートに関する各種の結果を表1に示す。
【0084】
[全固体電池の作製]
上記正極、上記負極、上記固体電解質シートを所定の大きさにくりぬき、正極、固体電解質シート、負極の順番に、正極塗布部と負極塗布部が対向するように重ねて、積層体を得た。得られた積層体をステンレス箔で包み、その外側をアルミラミネートフィルムで包み減圧シールすることにより、積層体を包材の中に入れた。包材の中に入れた積層体を、温間等方圧プレスにて、積層体の緻密化と接合のプレスを実施した。
プレス後の積層体を包材から取り出し、正極と負極にリードタブを超音波溶接し、アルミラミネートでリードタブを取り付けた積層体を包み減圧シールすることにより、全固体電池を作製した。
【0085】
[全固体電池の充放電評価]
作製した全固体電池を、ステンレス製の拘束治具で圧力19.6MPaで拘束した状態で充放電評価を実施した。
【0086】
(初期充放電)
一定温度:25℃の恒温槽中で、充放電装置(東洋システム(株)製、製品名:TOSCAT-3000)を用いて、0.1C定電流の後、4.35V定電圧で終止電流が0.01Cになるまで充電した。その後、0.1C定電流の後、3.0Vの定電圧で終止電流が0.01Cになるまで放電した(1サイクル目の充放電)。なお、「1.0C」とは、満充電状態の電池が電気量を1時間で放電できる電流値を指す。1サイクル目と同じ条件で、2サイクル目、3サイクル目の充放電を実施した。
【0087】
(充電負荷特性評価)
初期充放電後、一定温度:60℃の 恒温槽中で、充放電装置(東洋システム(株)製、製品名:TOSCAT-3000)を用いて、0.1C定電流の後、4.35V定電圧で終止電流が0.01Cになるまで充電した。その後、0.1C定電流の後、3.0Vの定電圧で終止電流が0.01Cになるまで放電した。その時の充放電効率(%)=[(放電容量)/(充電容量)]×100は、99.2%となった。
【0088】
その後、1C定電流で、終止電圧が4.35Vになるまで充電した後、0.1C定電流放電の後、3.0Vの定電圧で終止電流が0.01Cになるまで放電した(充放電条件A)。その時の充放電効率は、100.0%となった。
【0089】
以後、充電の電流値を2C、3C、4C、5C、6Cにした以外は、充放電条件Aと同様に充放電を繰り返し実施した。各充電電流値での充放電効率を表2に示す。なお、各充電電流での充放電効率において、99%未満になったときに電池が短絡したと判断した。充放電評価の結果を表3に示す。
【0090】
[比較例2]
実施例2において、ガラス繊維織布の代わりにポリエステル不織布(厚み約12μm、空隙率約49%)を用いた以外は、実施例2と同様の操作により、比較例2の固体電解質シートを得た。得られた固体電解質シートを用いて、実施例2と同様の操作により、正極の作製、負極の作製、全固体電池の作製、及び充放電評価を行った。
【0091】
[実施例3]
実施例2において、繊維(糸)束の幅約135μm、繊維(糸)同士の間隔約120μm、厚み約18μm、開口率約22%のガラス繊維織布を用いた以外は、実施例2と同様の操作により、実施例3の固体電解質シートを得た。得られた固体電解質シートを用いて、実施例2と同様の操作により、正極の作製、負極の作製、全固体電池の作製、及び充放電評価を行った。
【0092】
[比較例3]
実施例2において、繊維(糸)束の幅約60μm、繊維(糸)同士の間隔約245μm、厚み約12μm、開口率約65%のガラス繊維織布を用いた以外は、実施例2と同様の操作により、比較例3の固体電解質シートを得た。得られた固体電解質シートを用いて、実施例2と同様の操作により、正極の作製、負極の作製、全固体電池の作製、及び充放電評価を行った。
【0093】
【表1】
【表2】
【表3】
【0094】
以上より、実施例の固体電解質シートは、自立した大面積、薄膜シートであり、比較例と比べて、支持体の膜厚が大きく、かつ、イオン伝導度が大きい結果が得られた。ゆえに、実施例の固体電解質シートは、比較例と比べて、シート強度とイオン伝導度の両方に優れることが確かめられた。そして、実施例の固体電解質シートを用いた全固体二次電池は、比較例と比べて、大電流特性に優れることが確かめられた。
【産業上の利用可能性】
【0095】
本発明の固体電解質シートを使用した全固体二次電池は、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、電動二輪車、電動自転車、定置用蓄電システム、移動体通信機器、携帯用電子機器等の蓄電池に利用することができる。
【符号の説明】
【0096】
1:ガラス繊維織布
2:ガラス繊維(糸) タテ糸
3:ガラス繊維(糸) ヨコ糸
4:固体電解質シート
5:ガラスモノフィラメント
6:固体電解質
図1
図2