JP7688500B2 - Electrode and power storage device - Google Patents
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Description
本明細書では、電極及び蓄電デバイスを開示する。 This specification discloses an electrode and an electricity storage device.
従来、蓄電デバイスとしてのリチウム二次電池としては、活物質及びリチウムイオン伝導性固体電解質からなる負極材層と正極材層とを有し、活物質の固体電解質に対する混合比率を集電体からの距離に応じて連続的に減少させたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このリチウム二次電池は、リチウムイオン電池の高性能化/高容量化に必要な薄膜化/大型化を実現し得ると共に、極材層の活物質が固体電解質層側に移動するのを防止することができるとしている。また、リチウム二次電池としては、正極集電体に近い正極活物質の濃度が固体電解質層に近い正極活物質の濃度よりも高く、負極集電体に近い負極活物質の濃度が固体電解質層に近い負極活物質の濃度よりも高く、濃度の高低は連続的な勾配を有する全固体電極を有するものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。このリチウム二次電池では、全固体電池の出力特性を向上させることができるとしている。また、リチウム二次電池としては、正極体および負極体のうち少なくとも一方の電極体の電極活物質層は、電極活物質層の一部分に含まれる固体電解質材料の体積に対する電極活物質の局所含有体積比が、電極活物質層の厚み方向を固体電解質層界面側から集電体界面側へ近づけるほど大きくなる組成分布を有するものが提案されている(例えば、特許文献3参照)。このリチウム二次電池では、拡散抵抗の低減およびレート特性の向上ができるとしている。また、リチウム二次電池としては、第1正極活物質と、第2正極活物質と、硫化物固体電解質とを有し、第2正極活物質の平均粒径に対する第1正極活物質の平均粒径の比率が、2.0以上4.3以下であることを特徴とする正極合材を有するものが提案されている(例えば、特許文献4参照)。このリチウム二次電池では、体積当たりのエネルギー密度が高い正極合材を提供することができるとしている。 Conventionally, as a lithium secondary battery as an electric storage device, a battery having a negative electrode material layer and a positive electrode material layer made of an active material and a lithium ion conductive solid electrolyte, in which the mixing ratio of the active material to the solid electrolyte is continuously decreased according to the distance from the current collector, has been proposed (see, for example, Patent Document 1). This lithium secondary battery is said to be capable of realizing the thinning/large size required for the high performance/high capacity of lithium ion batteries, and to prevent the active material of the electrode material layer from migrating to the solid electrolyte layer side. In addition, as a lithium secondary battery, a battery having an all-solid-state electrode with a continuous gradient of concentration has been proposed in which the concentration of the positive electrode active material close to the positive electrode current collector is higher than the concentration of the positive electrode active material close to the solid electrolyte layer, and the concentration of the negative electrode active material close to the negative electrode current collector is higher than the concentration of the negative electrode active material close to the solid electrolyte layer (see, for example, Patent Document 2). It is said that this lithium secondary battery can improve the output characteristics of an all-solid-state battery. Also, as a lithium secondary battery, an electrode active material layer of at least one of the positive and negative electrode bodies has been proposed that has a composition distribution in which the local volume ratio of the electrode active material to the volume of the solid electrolyte material contained in a part of the electrode active material layer increases as the thickness direction of the electrode active material layer approaches from the solid electrolyte layer interface side to the current collector interface side (see, for example, Patent Document 3). It is said that this lithium secondary battery can reduce the diffusion resistance and improve the rate characteristics. Also, as a lithium secondary battery, a cathode mixture has been proposed that has a first cathode active material, a second cathode active material, and a sulfide solid electrolyte, and is characterized in that the ratio of the average particle size of the first cathode active material to the average particle size of the second cathode active material is 2.0 to 4.3 (see, for example, Patent Document 4). It is said that this lithium secondary battery can provide a cathode mixture with a high energy density per volume.
しかしながら、特許文献1~4の蓄電デバイスでは、組成やその濃度などを調整して電池特性を向上しているが、高出力時(例えば2Cレート以上など)の容量を増大させることなどはまだ十分でなく、更なる改良が求められていた。 However, in the electricity storage devices of Patent Documents 1 to 4, although the composition and concentration are adjusted to improve the battery characteristics, the increase in capacity at high output (e.g., 2C rate or higher) is still insufficient, and further improvements are required.
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、高出力時の容量をより向上することができる電極及び蓄電デバイスを提供することを主目的とする。 This disclosure has been made in consideration of these issues, and its primary objective is to provide an electrode and an electricity storage device that can further improve capacity at high output.
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、固体電解質と電極活物質とを所定の範囲で含有する電極において、固体電解質のリッチ相とプア相とを所定の範囲とすれば、高出力時の容量をより向上することができることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。 After extensive research to achieve the above-mentioned objective, the inventors discovered that in an electrode containing a solid electrolyte and an electrode active material in a specified range, if the rich and poor phases of the solid electrolyte are set within a specified range, the capacity at high output can be further improved, and thus completed the invention disclosed in this specification.
即ち、本開示の電極は、
蓄電デバイスに用いられる電極であって、
前記電極には固体電解質と電極活物質とを含み、
電極全体の前記固体電解質Aと前記電極活物質Bとの体積比A/Bが10/90以上25/75以下の範囲の組成を有し、
前記固体電解質Aと前記電極活物質Bとの体積比A/Bが25/75以上50/50以下の範囲にある第1相と、
前記固体電解質Aと前記電極活物質Bとの体積比A/Bが0/100以上16/84以下の範囲にある第2相と、
を有するものである。
That is, the electrode of the present disclosure is
An electrode for use in an electricity storage device,
The electrode includes a solid electrolyte and an electrode active material,
The volume ratio A/B of the solid electrolyte A to the electrode active material B in the entire electrode is in the range of 10/90 or more and 25/75 or less,
a first phase in which a volume ratio A/B of the solid electrolyte A to the electrode active material B is in the range of 25/75 to 50/50;
a second phase in which a volume ratio A/B of the solid electrolyte A to the electrode active material B is in the range of 0/100 to 16/84;
It has the following characteristics.
本開示の蓄電デバイスは、
全固体二次電池である蓄電デバイスであって、
正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しキャリアイオンを伝導する固体電解質層と、を備え、
前記正極及び前記負極のいずれか1以上が上述する電極であるものである。
The electricity storage device of the present disclosure comprises:
An electricity storage device that is an all-solid-state secondary battery,
A positive electrode and
A negative electrode;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting carrier ions;
At least one of the positive electrode and the negative electrode is the electrode described above.
本開示の電極及び蓄電デバイスでは、高出力時の容量をより向上することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推測される。例えば、電極活物質と固体電解質とを含み、電極活物質が固体電解質に比して十分多い所定の体積比を有する場合、固体電解質の粒子間のつながり、即ちキャリアイオンの伝導パスの形成が阻害されることによって、電極内の有効イオン伝導率が著しく低下し、高出力時の容量低下を招くことがある。これに対して、本開示では、トータルの固体電解質の量はそのままに、固体電解質が多い第1相(リッチ相)と固体電解質が少ない第2相(プア相)の二つの相に分離することで、有効イオン伝導率の低下を抑制することができるものと推察される。また、このような構造を有すると、活物質比率に対する有効イオン伝導率の変化が線形でなくなり、二相の混合則から導かれる有効イオン伝導率が向上するためであると推察される。このように、本開示では、有効イオン伝導率の改善が高出力時の容量増大につながるものと推察される。 In the electrode and the power storage device of the present disclosure, the capacity at high output can be further improved. The reason for obtaining such an effect is presumed to be as follows. For example, when the electrode contains an electrode active material and a solid electrolyte and the electrode active material has a predetermined volume ratio that is sufficiently larger than the solid electrolyte, the connection between the particles of the solid electrolyte, that is, the formation of a conduction path of the carrier ions is inhibited, and the effective ion conductivity in the electrode is significantly reduced, which may lead to a decrease in capacity at high output. In contrast, in the present disclosure, it is presumed that the decrease in the effective ion conductivity can be suppressed by separating the total amount of solid electrolyte into two phases, a first phase (rich phase) with a large amount of solid electrolyte and a second phase (poor phase) with a small amount of solid electrolyte, while keeping the total amount of solid electrolyte the same. In addition, it is presumed that this is because, with such a structure, the change in the effective ion conductivity with respect to the active material ratio is no longer linear, and the effective ion conductivity derived from the two-phase mixing rule is improved. In this way, in the present disclosure, it is presumed that the improvement in the effective ion conductivity leads to an increase in capacity at high output.
(蓄電デバイス用電極)
実施形態で説明する本開示の電極は、蓄電デバイスに用いられる。蓄電デバイスは、例えば、電気二重層キャパシタやハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタ、アルカリ金属二次電池、アルカリ金属イオン電池などとしてもよい。蓄電デバイスのキャリアイオンは、リチウムイオンやナトリウムイオン、カリウムイオンなどのアルカリ金属イオンやマグネシウムイオンやストロンチウムイオン、カルシウムイオンなどの第2族イオンなどが挙げられる。ここでは、説明の便宜のため、リチウムイオンをキャリアとするリチウム二次電池を蓄電デバイスの主たる一例として以下説明する。
(Electrodes for Electricity Storage Devices)
The electrodes of the present disclosure described in the embodiments are used in an electricity storage device. The electricity storage device may be, for example, an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, a pseudo electric double layer capacitor, an alkali metal secondary battery, an alkali metal ion battery, or the like. Examples of carrier ions in the electricity storage device include alkali metal ions such as lithium ions, sodium ions, and potassium ions, and Group 2 ions such as magnesium ions, strontium ions, and calcium ions. Here, for convenience of explanation, a lithium secondary battery using lithium ions as a carrier will be described below as a main example of an electricity storage device.
本開示の電極は、固体電解質と電極活物質とを含む。この電極は、固体電解質と電極活物質とを含む電極合材層と、電極合材層に隣接する集電体とを備えるものとしてもよい。また、電極は、正極活物質を含む正極としてもよいし、負極活物質を含む負極としてもよい。この電極は、電極全体の固体電解質Aと電極活物質Bとの体積比A/Bが10/90以上25/75以下の範囲の組成を有する。即ち、この電極は、固体電解質と電極活物質との全体が100体積%であるときに、固体電解質が10体積%以上25体積%以下の範囲であり、電極活物質が90体積%以下75体積%以上の範囲を満たす。この電極全体の体積比A/Bは、15/85以上の範囲の組成を有することが好ましい。体積比A/Bがこのような範囲にあるものとすれば、比較的電極活物質の量が大きいため、固体電解質の添加によって生じる電極の容量低下をより抑制することができる。この電極は、固体電解質が比較的多い第1相(電解質リッチ相)と固体電解質が比較的少ない第2相(電解質プア相)とを有する二相分離型構造を有している。 The electrode of the present disclosure includes a solid electrolyte and an electrode active material. The electrode may include an electrode mixture layer including the solid electrolyte and the electrode active material, and a current collector adjacent to the electrode mixture layer. The electrode may also be a positive electrode including a positive electrode active material, or a negative electrode including a negative electrode active material. The electrode has a composition in which the volume ratio A/B of the solid electrolyte A and the electrode active material B of the entire electrode is in the range of 10/90 to 25/75. That is, when the entire solid electrolyte and the electrode active material are 100% by volume, the solid electrolyte is in the range of 10% by volume to 25% by volume, and the electrode active material is in the range of 90% by volume to 75% by volume. It is preferable that the volume ratio A/B of the entire electrode has a composition in the range of 15/85 or more. If the volume ratio A/B is in such a range, the amount of the electrode active material is relatively large, so that the capacity decrease of the electrode caused by the addition of the solid electrolyte can be further suppressed. This electrode has a two-phase separation structure with a first phase (electrolyte-rich phase) that contains a relatively large amount of solid electrolyte and a second phase (electrolyte-poor phase) that contains a relatively small amount of solid electrolyte.
第1相は、固体電解質Aと電極活物質Bとの体積比A/Bが25/75以上50/50以下の範囲にあることが好ましい。この第1相は、体積比A/Bが25/75を超え40/60以下の範囲であることがより好ましく、体積比A/Bが28/72を超える範囲であることが更に好ましい。また、第1相は、体積比A/Bが30/70以上の範囲であるものとしてもよいし、30/70を超える範囲としてもよい。即ち、第1相は、固体電解質と電極活物質との全体が100体積%であるときに、固体電解質が25体積%以上50体積%以下の範囲が好ましく、25体積%を超え40体積%以下の範囲がより好ましく、28体積%を超える範囲が更に好ましい。また、第1相は、固体電解質が30体積%以上としてもよいし、30体積%を超える範囲としてもよい。また、第1相は、電極活物質が75体積%以下50体積%以上の範囲が好ましく、75体積%未満40体積%以上の範囲がより好ましく、72体積%以下の範囲が更に好ましい。また、第1相は、電極活物質が70体積%以下としてもよいし、70体積%未満の範囲としてもよい。この電極は、このような第1相を含むものとすれば、電極内におけるイオン伝導性を確保しやすく、好ましい。 In the first phase, the volume ratio A/B of the solid electrolyte A and the electrode active material B is preferably in the range of 25/75 or more and 50/50 or less. In this first phase, the volume ratio A/B is more preferably in the range of more than 25/75 and 40/60 or less, and even more preferably in the range of more than 28/72. In addition, the volume ratio A/B of the first phase may be in the range of 30/70 or more, or may be in the range of more than 30/70. That is, when the total of the solid electrolyte and the electrode active material is 100 volume%, the solid electrolyte in the first phase is preferably in the range of 25 volume% or more and 50 volume% or less, more preferably in the range of more than 25 volume% and 40 volume% or less, and even more preferably in the range of more than 28 volume%. In addition, the solid electrolyte in the first phase may be 30 volume% or more, or may be in the range of more than 30 volume%. In addition, the first phase is preferably in the range of 75 volume % or less and 50 volume % or more of the electrode active material, more preferably in the range of less than 75 volume % and 40 volume % or more, and even more preferably in the range of 72 volume % or less. In addition, the first phase may be in the range of 70 volume % or less of the electrode active material, or may be in the range of less than 70 volume %. If this electrode contains such a first phase, it is easier to ensure ionic conductivity in the electrode, which is preferable.
第2相は、固体電解質Aと電極活物質Bとの体積比A/Bが0/100以上16/84以下の範囲にあることが好ましい。この第2相は、体積比A/Bが15/85以下の範囲であることがより好ましく、体積比A/Bが14/86未満の範囲であることが更に好ましい。また、第2相は、体積比A/Bが13/87以下の範囲であるものとしてもよいし、13/87未満の範囲としてもよい。即ち、第2相は、固体電解質と電極活物質との全体が100体積%であるときに、固体電解質が0体積%以上16体積%以下の範囲が好ましく、15体積%以下の範囲がより好ましく、14体積%未満の範囲が更に好ましい。また、第2相は、固体電解質が13体積%以下としてもよいし、13体積%未満の範囲としてもよい。また、第2相は、電極活物質が100体積%以下84体積%以上の範囲が好ましく、85体積%以上の範囲がより好ましく、86体積%を超える範囲が更に好ましい。また、第2相は、電極活物質が87体積%以上としてもよいし、87体積%を超える範囲としてもよい。この電極は、このような第2相を含むものとすれば、電極活物質の相対的な減少をより抑制し、電池容量を確保しやすく、好ましい。 In the second phase, the volume ratio A/B of the solid electrolyte A to the electrode active material B is preferably in the range of 0/100 or more and 16/84 or less. In this second phase, the volume ratio A/B is more preferably in the range of 15/85 or less, and even more preferably in the range of less than 14/86. In addition, the volume ratio A/B of the second phase may be in the range of 13/87 or less, or may be in the range of less than 13/87. That is, when the total of the solid electrolyte and the electrode active material is 100 volume%, the solid electrolyte is preferably in the range of 0 volume% or more and 16 volume% or less, more preferably in the range of 15 volume% or less, and even more preferably in the range of less than 14 volume%. In addition, the solid electrolyte may be in the range of 13 volume% or less and may be in the range of less than 13 volume%. In addition, in the second phase, the electrode active material is preferably in the range of 100 volume% or less and 84 volume% or more, more preferably in the range of 85 volume% or more, and even more preferably in the range of more than 86 volume%. In addition, the second phase may be 87% by volume or more of the electrode active material, or may be in a range exceeding 87% by volume. If this electrode contains such a second phase, the relative decrease in the electrode active material is further suppressed, and it is easier to ensure the battery capacity, which is preferable.
第1相は、ドメイン(液滴)サイズRが固体電解質及び電極活物質の粒子のうち大きい粒子の粒径d50の2倍以上であり、且つ電極の厚さTの1/2以下の範囲であることが好ましい(図1参照)。第1相のドメインサイズRが粒径d50の2倍以上では、イオン伝導率のばらつきをより抑制することができ、好ましい。また、第1相のドメインサイズRが電極の厚さTに対して1/2以下では、1つの液滴サイズが大きすぎず、面内での反応ムラなどの発生をより抑制することができ、好ましい。第1相は、ドメインサイズが10μm以上20μm以下の範囲であるものとしてもよい。第1相のドメインサイズRは、例えば、電極の切断面を元素分析し、固体電解質の量が多い領域を求め、この領域の最大の長さとして規定することができる。 The first phase preferably has a domain (droplet) size R that is at least twice the particle diameter d50 of the larger particles of the solid electrolyte and the electrode active material, and is in the range of 1/2 or less of the thickness T of the electrode (see FIG. 1). When the domain size R of the first phase is at least twice the particle diameter d50, the variation in ion conductivity can be further suppressed, which is preferable. Also, when the domain size R of the first phase is 1/2 or less of the thickness T of the electrode, the size of one droplet is not too large, and the occurrence of reaction unevenness in the surface can be further suppressed, which is preferable. The first phase may have a domain size in the range of 10 μm or more and 20 μm or less. The domain size R of the first phase can be determined, for example, by performing elemental analysis on the cut surface of the electrode to determine the region with a large amount of solid electrolyte, and is defined as the maximum length of this region.
固体電解質の粒径d50は、電極活物質の粒径d50を超えない範囲にあることが好ましい。固体電解質の粒径がこのような範囲であれば、電極活物質がキャリアイオンを吸蔵放出しやすく、好ましい。固体電解質の粒径d50は、例えば、0.1μm以上10μm以下の範囲としてもよい。電極活物質の粒径d50は、例えば、0.1μm以上20μm以下の範囲としてもよい。なお、固体電解質や電極活物質の粒径は、レーザー回折測定で求められたメディアン径とする。 It is preferable that the particle size d50 of the solid electrolyte is in a range not exceeding the particle size d50 of the electrode active material. If the particle size of the solid electrolyte is in such a range, the electrode active material is more likely to absorb and release carrier ions, which is preferable. The particle size d50 of the solid electrolyte may be, for example, in the range of 0.1 μm to 10 μm. The particle size d50 of the electrode active material may be, for example, in the range of 0.1 μm to 20 μm. The particle size of the solid electrolyte and the electrode active material is the median diameter determined by laser diffraction measurement.
この電極において、第1相及び第2相は、電極厚さ方向に直交する面内においてランダム又は二相交互に分散している構造を有することが好ましい。また、第1相は、第2相中に分散している構造を有するものとしてもよい。この電極では、電極厚さ方向及び電極面方向の分布において、第1相のみによって構成される層や第2相のみによって構成される層は少ない方が好ましく、第1相及び第2相は混在していることが好ましい。また、この電極において、電極合材中に、固体電解質の含有量が多い領域(第1相)が固体電解質の含有量が少ない領域(第2相)中にまだら状に分散しているものとしてもよい。 In this electrode, the first and second phases preferably have a structure in which they are randomly or alternately dispersed in two phases in a plane perpendicular to the electrode thickness direction. The first phase may also be dispersed in the second phase. In this electrode, it is preferable that there are fewer layers composed of only the first phase and layers composed of only the second phase in the distribution in the electrode thickness direction and the electrode surface direction, and it is preferable that the first and second phases are mixed. In this electrode, the electrode mixture may have a region with a high solid electrolyte content (first phase) dispersed in a mottled manner in a region with a low solid electrolyte content (second phase).
電極は、空隙率が0体積%以上35体積%以下の範囲であることが好ましい。空隙が少ないと、相対的に電極活物質の量などが多くなるため、容量やイオン伝導性の観点からは好ましい。また、空隙が大きいと充放電時に析出する金属などを収容することができ、耐久性の観点から好ましいことがある。この空隙率は、5体積%以上や10体積%以上としてもよいし、30体積%以下や20体積%以下としてもよい。 The electrode preferably has a porosity in the range of 0% by volume or more and 35% by volume or less. Fewer voids result in a relatively larger amount of electrode active material, which is preferable from the standpoint of capacity and ionic conductivity. Larger voids can accommodate metals that precipitate during charging and discharging, which may be preferable from the standpoint of durability. This porosity may be 5% by volume or more, 10% by volume or more, or 30% by volume or less, or 20% by volume or less.
この電極の厚さTは、特に限定されないが、蓄電デバイスの容量に応じて適宜設定するものとすればよい。例えば、電極の厚さTは、20μm以上や、50μm以上としてもよいし、500μm以下や300μm以下、200μm以下としてもよい。 The thickness T of the electrode is not particularly limited, but may be set appropriately depending on the capacity of the power storage device. For example, the thickness T of the electrode may be 20 μm or more, 50 μm or more, 500 μm or less, 300 μm or less, or 200 μm or less.
この電極は、電極活物質として正極活物質を含む正極としてもよい。この電極は、電極活物質と固体電解質とを含み、導電材や結着材などを含むものとしてもよい。この電極は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質としては、遷移金属元素を含む硫化物や、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物などを用いることができる。具体的には、TiS2、TiS3、MoS3、FeS2などの遷移金属硫化物、基本組成式をLi(1-x)MnO2(0<x<1など、以下同じ)やLi(1-x)Mn2O4などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoO2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiO2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiaCobMncO2(a+b+c=1)などとするリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、基本組成式をLiV2O3などとするリチウムバナジウム複合酸化物、基本組成式をV2O5などとする遷移金属酸化物などを用いることができる。これらのうち、リチウムの遷移金属複合酸化物、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、他の元素を含んでもよい趣旨である。あるいは、正極活物質は、キャパシタやリチウムイオンキャパシタなどに用いられている炭素質材料としてもよい。炭素質材料としては、例えば、活性炭類、コークス類、ガラス状炭素類、黒鉛類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維類、カーボンナノチューブ類、ポリアセン類などが挙げられる。このうち、高比表面積を示す活性炭類が好ましい。炭素質材料としての活性炭は、比表面積が1000m2/g以上であることが好ましく、1500m2/g以上であることがより好ましい。比表面積が1000m2/g以上では、放電容量をより高めることができる。この活性炭の比表面積は、作製の容易性から3000m2/g以下であることが好ましく、2000m2/g以下であることがより好ましい。 The electrode may be a positive electrode containing a positive electrode active material as an electrode active material. The electrode may contain an electrode active material and a solid electrolyte, and may also contain a conductive material, a binder, and the like. The electrode may be formed, for example, by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, adding an appropriate solvent to form a paste-like positive electrode mixture, applying it to the surface of a current collector, drying it, and compressing it to increase the electrode density as necessary. As the positive electrode active material, a sulfide containing a transition metal element, an oxide containing lithium and a transition metal element, and the like can be used. Specifically, transition metal sulfides such as TiS2 , TiS3 , MoS3 , and FeS2 , lithium manganese composite oxides having a basic composition formula such as Li (1-x) MnO2 (0<x<1, etc., the same applies below) and Li (1-x) Mn2O4 , lithium cobalt composite oxides having a basic composition formula such as Li (1-x) CoO2 , lithium nickel composite oxides having a basic composition formula such as Li( 1-x ) NiO2 , lithium nickel cobalt manganese composite oxides having a basic composition formula such as Li (1-x) NiaCobMncO2 (a+b+c=1 ) , lithium vanadium composite oxides having a basic composition formula such as LiV2O3 , and transition metal oxides having a basic composition formula such as V2O5 can be used. Among these, lithium transition metal composite oxides, such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , and LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, are preferred. The term "basic composition formula" means that other elements may be included. Alternatively, the positive electrode active material may be a carbonaceous material used in capacitors and lithium ion capacitors. Examples of carbonaceous materials include activated carbons, cokes, glassy carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, carbon fibers, carbon nanotubes, and polyacenes. Among these, activated carbons exhibiting a high specific surface area are preferred. The activated carbon as the carbonaceous material preferably has a specific surface area of 1000 m 2 /g or more, and more preferably 1500 m 2 /g or more. When the specific surface area is 1000 m 2 /g or more, the discharge capacity can be further increased. From the standpoint of ease of preparation, the specific surface area of this activated carbon is preferably 3000 m 2 /g or less, and more preferably 2000 m 2 /g or less.
導電材は、電極の電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。正極活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばN-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1~500μmのものが用いられる。 The conductive material is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not adversely affect the battery performance of the electrode. For example, graphite such as natural graphite (scale graphite, flake graphite) and artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.), etc., or a mixture of two or more of them can be used. Among these, carbon black and acetylene black are preferred as the conductive material from the viewpoint of electronic conductivity and coatability. The binder plays a role in connecting the active material particles and the conductive material particles, and can be, for example, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine rubber, etc., or thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM rubber, natural butyl rubber (NBR), etc., used alone or as a mixture of two or more. In addition, a cellulose-based aqueous binder or an aqueous dispersion of styrene butadiene rubber (SBR) can be used. As a solvent for dispersing the positive electrode active material, conductive material, and binder, for example, organic solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran can be used. In addition, a dispersant, a thickener, and the like can be added to water, and the active material can be slurried with latex such as SBR. As a thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethylcellulose and methylcellulose can be used alone or as a mixture of two or more kinds. Examples of the application method include roller coating such as an applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, and the like, and any thickness and shape can be obtained by using any of these. Examples of current collectors include aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, baked carbon, conductive polymers, conductive glass, and the like, as well as aluminum or copper whose surfaces have been treated with carbon, nickel, titanium, silver, or the like for the purpose of improving adhesion, conductivity, and oxidation resistance. The surfaces of these can also be subjected to oxidation treatment. Current collectors can be in the form of foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foamed, or formed from fibers. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm.
また、この電極は、例えば、負極活物質と集電体とを密着させて形成したものとしてもよいし、負極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。負極活物質としては、リチウム、リチウム合金、スズ化合物などの無機化合物、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素質材料、複数の元素を含む複合酸化物、導電性ポリマーなどが挙げられる。炭素質材料は、例えば、コークス類、ガラス状炭素類、グラファイト類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維などが挙げられる。このうち、人造黒鉛、天然黒鉛などのグラファイト類が、金属リチウムに近い作動電位を有し、高い作動電圧での充放電が可能であり支持塩としてリチウム塩を使用した場合に自己放電を抑え、且つ充電時における不可逆容量を少なくできるため、好ましい。複合酸化物としては、例えば、リチウムチタン複合酸化物やリチウムバナジウム複合酸化物などが挙げられる。負極活物質としては、このうち、炭素質材料が安全性の面から見て好ましい。また、負極に用いられる導電材、結着材、溶剤などは、それぞれ正極で例示したものを用いることができる。負極の集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al-Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状は、正極と同様のものを用いることができる。 The electrode may be formed by, for example, bonding the negative electrode active material and the current collector, or may be formed by mixing the negative electrode active material, the conductive material, and the binder, adding an appropriate solvent to form a paste-like negative electrode composite, applying it to the surface of the current collector, drying it, and compressing it to increase the electrode density as necessary. Examples of the negative electrode active material include inorganic compounds such as lithium, lithium alloys, and tin compounds, carbonaceous materials capable of absorbing and releasing lithium ions, composite oxides containing multiple elements, and conductive polymers. Examples of the carbonaceous material include cokes, glassy carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, and carbon fibers. Among these, graphites such as artificial graphite and natural graphite are preferred because they have an operating potential close to that of metallic lithium, can be charged and discharged at a high operating voltage, suppress self-discharge when a lithium salt is used as a supporting salt, and reduce irreversible capacity during charging. Examples of the composite oxide include lithium titanium composite oxide and lithium vanadium composite oxide. Of these, carbonaceous materials are preferred as the negative electrode active material from the viewpoint of safety. The conductive material, binder, solvent, etc. used in the negative electrode can be the same as those exemplified for the positive electrode. In addition to copper, nickel, stainless steel, titanium, aluminum, baked carbon, conductive polymer, conductive glass, Al-Cd alloy, etc., the negative electrode current collector can also be made of copper or the like whose surface has been treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. for the purpose of improving adhesion, conductivity, and reduction resistance. The surfaces of these materials can also be oxidized. The shape of the current collector can be the same as that of the positive electrode.
電極は、粒子状の固体電解質を含む。この固体電解質は、例えば、LiとLaとZrと少なくとも含むガーネット型酸化物の粒子としてもよい。この固体電解質は、基本組成がLi7.0+x-y(La3-x,Ax)(Zr2-y,Ty)O12であるものとしてもよい。但し、AはSr、Caのうち1種以上であり、TはNb、Taのうち1種以上であり、0<x≦1.0、0<y<0.75を満たすものである。あるいは、固体電解質は、基本組成(Li7-3z+x-yMz)(La3-xAx)(Zr2-yTy)O12や、(Li7-3z+x-yMz)(La3-xAx)(Y2-yTy)O12で表されるガーネット型酸化物であるものとしてもよい。但し、式中、元素MはAl,Gaのうち1以上、元素AはSr、Caのうち1以上、TはNb、Taのうち1以上であり、0≦z≦0.2、0≦x≦0.2、0≦y≦2であるものとしてもよい。また、この固体電解質は、Li3N、LISICONと呼ばれるLi14Zn(GeO4)4、硫化物のLi3.25Ge0.25P0.75S4、ペロブスカイト型のLa0.5Li0.5TiO3、(La2/3Li3x□1/3-2x)TiO3(□:原子空孔)、NASICON型と呼ばれるLiTi2(PO4)3、Li1.3M0.3Ti1.7(PO3)4(M=Sc,Al)などが挙げられる。また、ガラスセラミックスである80Li2S・20P2S5(mol%)組成のガラスから得られたLi7P3S11、さらに硫化物系で高い導電率を持つ物質であるLi10Ge2PS2なども挙げられる。ガラス系無機固体電解質ではLi2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-Li4SiO4、Li2S-P2S5、Li3PO4-Li4SiO4、Li3BO4-Li4SiO4、そしてSiO2、GeO2、B2O3、P2O5をガラス系物質としてLi2Oを網目修飾物質とするものなどが挙げられる。また、チオリシコン固体電解質としてLi2S-GeS2系、Li2S-GeS2-ZnS系、Li2S-Ga2S2系、Li2S-GeS2-Ga2S3系、Li2S-GeS2-P2S5系、Li2S-GeS2-SbS5系、Li2S-GeS2-Al2S3系、Li2S-SiS2系、Li2S-P2S5系、Li2S-Al2S3系、LiS-SiS2-Al2S3系、Li2S-SiS2-P2S5系などの固体電解質が挙げられる。 The electrode includes a particulate solid electrolyte. The solid electrolyte may be, for example, particles of a garnet-type oxide containing at least Li, La, and Zr. The solid electrolyte may have a basic composition of Li7.0 +xy (La3 -x , Ax )(Zr2 -y , Ty ) O12 , where A is one or more of Sr and Ca, T is one or more of Nb and Ta, and 0<x≦1.0 and 0<y<0.75 are satisfied. Alternatively, the solid electrolyte may be a garnet-type oxide represented by the basic composition (Li7-3z +xyMz ) (La3 - xAx )(Zr2 -yTy ) O12 or (Li7-3z +xyMz )( La3 - xAx )( Y2- yTy ) O12 , where in the formula, element M is one or more of Al and Ga, element A is one or more of Sr and Ca, T is one or more of Nb and Ta, and 0≦z≦0.2, 0≦x≦0.2, and 0≦y≦2. Examples of this solid electrolyte include Li3N , Li14Zn ( GeO4 ) 4 known as LISICON, the sulfide Li3.25Ge0.25P0.75S4 , the perovskite type La0.5Li0.5TiO3 , (La2 / 3Li3x □ 1/3-2x ) TiO3 (□: atomic vacancy), and the NASICON type LiTi2 ( PO4 ) 3 and Li1.3M0.3Ti1.7 ( PO3 ) 4 ( M = Sc , Al ) . Other examples include Li 7 P 3 S 11 obtained from glass having a composition of 80Li 2 S·20P 2 S 5 (mol %), which is a glass ceramic, and Li 10 Ge 2 PS 2, which is a sulfide-based substance having high electrical conductivity. Examples of glass-based inorganic solid electrolytes include Li2S - SiS2 , Li2S -SiS2- LiI , Li2S - SiS2 -Li3PO4, Li2S -SiS2- Li4SiO4 , Li2S - P2S5 , Li3PO4 - Li4SiO4 , Li3BO4 - Li4SiO4 , and those in which SiO2 , GeO2 , B2O3 , or P2O5 is the glass- based substance and Li2O is the network modifier. In addition, examples of thio-liquid oxide solid electrolytes include Li2S -GeS2 - based, Li2S -GeS2- ZnS -based, Li2S - Ga2S2 -based , Li2S - GeS2- Ga2S3 - based, Li2S - GeS2- P2S5 - based, Li2S -GeS2- SbS5 - based , Li2S - GeS2 - Al2S3 -based, Li2S -SiS2-based, Li2S- P2S5 - based , Li2S - Al2S3 - based , LiS- SiS2 - Al2S3 -based , and Li2S - SiS2 - P2S5 - based solid electrolytes.
(電極の製造方法)
電極の製造方法は、上述した電極を製造する方法であって、固体電解質を比較的リッチに含む第1相と、第1相に比して固体電解質が少ない第2相とを含む電極を作製する二相分離工程を含むものとしてもよい。この工程では、上述した固体電解質Aと電極活物質Bとの体積比A/Bの範囲になるように、原料を偏らせて配合するものとしてもよい。この工程では、第1相となる原料群を第2相に分散させたのち、圧力を付与して電極に成形するものとしてもよいし、個別に蓄積した第1相となる原料群と第2相となる原料群を電極基板上に同時に噴霧するものとしてもよい。また、電解質粒子として比較的粗粒な電極活物質粒子を一定量加えることで、電極内に電解質が疎なドメイン、つまりは第2相を形成することができるので、電極に用いる原料粉末の粒径を制御することでも本開示で狙いとする電極を製造することが可能である。
(Electrode manufacturing method)
The manufacturing method of the electrode may be a method for manufacturing the above-mentioned electrode, and may include a two-phase separation process for preparing an electrode including a first phase containing a relatively rich amount of solid electrolyte and a second phase containing less solid electrolyte than the first phase. In this process, the raw materials may be mixed biasedly so that the volume ratio A/B of the solid electrolyte A and the electrode active material B is within the range of the above-mentioned range. In this process, the raw materials to be the first phase may be dispersed in the second phase, and then pressure may be applied to form the electrode, or the raw materials to be the first phase and the raw materials to be the second phase, which are individually accumulated, may be simultaneously sprayed onto the electrode substrate. In addition, by adding a certain amount of relatively coarse electrode active material particles as electrolyte particles, a domain in which the electrolyte is sparse, that is, the second phase, can be formed in the electrode, so that the electrode targeted in the present disclosure can also be manufactured by controlling the particle size of the raw material powder used for the electrode.
(蓄電デバイス)
蓄電デバイスは、正極と、負極と、正極と負極との間に介在しキャリアイオンを伝導するイオン伝導媒体とを備えるものとしてもよい。この蓄電デバイスにおいて、正極及び負極のいずれか1以上が上述した本開示の電極であるものとしてもよい。
(Electricity storage device)
The power storage device may include a positive electrode, a negative electrode, and an ion-conducting medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting carrier ions. In this power storage device, at least one of the positive electrode and the negative electrode may be the electrode of the present disclosure described above.
イオン伝導媒体は、キャリアイオンを伝導する電解液を含むものとしてもよい。この電解液は、例えば、非水系溶媒などが挙げられる。電解液の溶媒としては、例えば、非水電解液の溶媒などが挙げられる。この溶媒としては、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。この電解液には、二次電池のキャリアであるイオンを含む支持塩を溶解したものとしてもよい。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。 The ionically conductive medium may include an electrolyte that conducts carrier ions. Examples of the electrolyte include nonaqueous solvents. Examples of the solvent for the electrolyte include solvents for nonaqueous electrolytes. Examples of the solvent include carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes, and dioxolanes, which may be used alone or in combination. Specifically, examples of the carbonates include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, and t-butyl-i-propyl carbonate; and γ-butyl carbonate. Examples of the electrolyte include cyclic esters such as valerolactone and γ-valerolactone, chain esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, and methyl butyrate, ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane, nitriles such as acetonitrile and benzonitrile, furans such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran, sulfolanes such as sulfolane and tetramethylsulfolane, and dioxolanes such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. The electrolyte may be one in which a supporting salt containing ions that serve as carriers for the secondary battery is dissolved. Examples of the supporting salt include LiPF6, LiBF4 , LiAsF6 , LiCF3SO3 , LiN ( CF3SO2 ) 2 , LiC( CF3SO2 ) 3 , LiSbF6, LiSiF6 , LiAlF4 , LiSCN, LiClO4 , LiCl, LiF , LiBr , LiI , and LiAlCl4 . Among these, it is preferable to use one or more salts selected from the group consisting of inorganic salts such as LiPF6 , LiBF4 , and LiClO4 , and organic salts such as LiCF3SO3 , LiN ( CF3SO2 ) 2 , and LiC( CF3SO2 ) 3 in combination from the viewpoint of electrical properties. The concentration of this supporting salt in the electrolyte is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, and more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less.
この蓄電デバイスは、正極と負極との間にキャリアイオンを伝導する固体電解質層を介在する全固体二次電池としてもよい。正極と負極との間に介在する固体電解質層は、上述した固体電解質のうちいずれか1以上を用いることができる。また、固体電解質層に含まれる固体電解質は、電極に含まれる固体電解質と同じであってもよいし、異なっていてもよい。この固体電解質層には、固体電解質粒子の粒界にホウ素を含む物質が介在するものとしてもよい。この物質は、ホウ酸リチウムであることが好ましい。ホウ酸リチウムとしては、例えば、Li3BO3、Li2B4O7、LiBO2などが挙げられ、このうち、Li3BO3(LBO)がより好ましい。LBOは、固体電解質との反応性がより低いため好ましい。固体電解質層は、25℃でのイオン伝導度が1.0×10-4S/cm以上であるものとしてもよい。固体電解質層のイオン伝導度は、より高いことが好ましく、25℃での伝導度が1.0×10-4(S/cm)以上であることが好ましく、2.5×10-4S/cm以上であることがより好ましい。この伝導度は、1.0×10-2S/cm以下としてもよい。なお、電気伝導度はイオン伝導度を表す。 The power storage device may be an all-solid-state secondary battery having a solid electrolyte layer that conducts carrier ions between the positive electrode and the negative electrode. The solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode may be any one or more of the above-mentioned solid electrolytes. The solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer may be the same as or different from the solid electrolyte contained in the electrode. The solid electrolyte layer may have a substance containing boron present at the grain boundaries of the solid electrolyte particles. This substance is preferably lithium borate. Examples of lithium borate include Li 3 BO 3 , Li 2 B 4 O 7 , and LiBO 2 , and among these, Li 3 BO 3 (LBO) is more preferable. LBO is preferable because it has a lower reactivity with the solid electrolyte. The solid electrolyte layer may have an ion conductivity of 1.0×10 −4 S/cm or more at 25° C. The ionic conductivity of the solid electrolyte layer is preferably higher, and the conductivity at 25° C. is preferably 1.0×10 −4 (S/cm) or more, and more preferably 2.5×10 −4 S/cm or more. This conductivity may be 1.0×10 −2 S/cm or less. Note that the electrical conductivity represents ionic conductivity.
図1は、蓄電デバイス10の構造の一例を示す説明図である。この蓄電デバイス10は、正極12と、負極15と、固体電解質層18とを有する。正極12は、正極活物質層13と、集電体14とを有する。負極15は、負極活物質層16と、集電体17とを有する。正極12及び負極15のうちいずれかは、上述した蓄電デバイス用の電極であり、第1相21と第2相22とを含む二相分離型構造を有しており、空孔23を含むものとしてもよい。第1相21は、電極活物質24と固体電解質25とを含み、比較的固体電解質25が多く含まれる電解質リッチ相である。この第1相21は、ドメイン(液滴)構造を有し第2相22の中の特定の領域として存在している。また、第2相22は、電極活物質24を含み、固体電解質25を含んでもよく、第1相21に比して固体電解質25が少なく含まれる電解質プア相である。この電極において、第1相21及び第2相22は、電極厚さ方向に直交する面内においてランダム又は二相交互に分散している構造を有する。また、第1相21は、第2相22中に分散している構造を有するものとしてもよい。
1 is an explanatory diagram showing an example of the structure of an
以上詳述した電極及び蓄電デバイスでは、高出力時の容量をより向上することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推測される。図2は、固体電解質(SE)の量とLi伝導パスとの関係を示す説明図であり、図2Aが電解質が多い場合、図2Bが少ない電解質がランダムに存在する場合、図2Cが少ない電解質で二相分離している場合である。図3は、第1相と第2相とによる二相分離型構造のイオン伝導率向上メカニズムのイメージ図である。例えば、図2Aに示すように、電極活物質と固体電解質とを含み、電解質が比較的多い場合は、イオン伝導パスが維持される。しかしながら、電解質は充放電容量に寄与しないため、より少ない方が望ましい。そして、図2Bに示すように、電極活物質が固体電解質に比して十分多い体積比を有する場合、固体電解質の粒子間のつながり、即ちキャリアイオンの伝導パスの形成が阻害されることによって、電極内の有効イオン伝導率が著しく低下し、高出力時の容量低下を招くことがある。これに対して、本開示では、図2Cに示すように、トータルの固体電解質の量は少ないままに、固体電解質が多い第1相(SEリッチ相)と固体電解質が少ない第2相(SEプア相)の二相に分離することで、有効イオン伝導率の低下を抑制することができるものと推察される。また、このような構造を有すると、図3の点線に示すように、活物質比率に対する有効イオン伝導率の変化が線形でなくなり、二相の混合則から導かれる有効イオン伝導率が向上するためであると推察される。このように、本開示では、有効イオン伝導率の改善が高出力時の容量増大につながるものと推察される。 In the electrode and the power storage device described above, the capacity at high output can be further improved. The reason for obtaining such an effect is presumed to be as follows. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of solid electrolyte (SE) and the Li conductive path, where FIG. 2A shows a case where there is a large amount of electrolyte, FIG. 2B shows a case where there is a small amount of electrolyte randomly, and FIG. 2C shows a case where there is a small amount of electrolyte and there is two-phase separation. FIG. 3 is an image diagram of the ion conductivity improvement mechanism of a two-phase separation type structure with a first phase and a second phase. For example, as shown in FIG. 2A, when the electrode active material and the solid electrolyte are included and the electrolyte is relatively large, the ion conductive path is maintained. However, since the electrolyte does not contribute to the charge/discharge capacity, it is preferable to have less of it. And, as shown in FIG. 2B, when the electrode active material has a volume ratio sufficiently large compared to the solid electrolyte, the connection between the particles of the solid electrolyte, that is, the formation of the conductive path of the carrier ions is inhibited, which may cause a significant decrease in the effective ion conductivity in the electrode, leading to a decrease in the capacity at high output. In contrast, in the present disclosure, as shown in FIG. 2C, the total amount of solid electrolyte is kept small, and the first phase (SE-rich phase) is separated into two phases, a first phase with a large amount of solid electrolyte (SE-rich phase) and a second phase (SE-poor phase) with a small amount of solid electrolyte, so that it is believed that the decrease in effective ionic conductivity can be suppressed. In addition, with such a structure, as shown by the dotted line in FIG. 3, the change in effective ionic conductivity with respect to the active material ratio is no longer linear, and the effective ionic conductivity derived from the two-phase rule of mixtures is improved. Thus, in the present disclosure, it is believed that the improvement in effective ionic conductivity leads to an increase in capacity at high output.
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-described embodiments, and may be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.
以下には、本開示の電極及び蓄電デバイスを具体的に検討した例を実施例として説明する。 Below, we will explain examples in which the electrodes and power storage devices disclosed herein are specifically examined.
電極構造の探索をバーチャルに作成した3D構造を用いて行った。まず、電極探索を行うに先立って、計算機上に仮想的に作成した活物質粒子、電解質粒子および導電材から成る正極構造から実験の充電曲線を再現できるかを確認した。活物質・電解質粒度分布はレーザー回折による実験粒度分布測定結果を、空隙サイズはSEM像の空隙サイズ分布を再現するようにモデル化した。電極厚さTを50μm、電解質Aと活物質Bとの体積比A/Bを20/80とし、空隙率を33.5体積%に設定し、図4に示す実構造を模したモデルを作成した。図4は、電極実構造をモデル化したモデル図である。図4において、白色が活物質粒子、淡灰色が固体電解質(SE)粒子、繊維状が導電材、黒色が残留空孔である。作成した正極モデルにおける各成分の配合比と実験配合比を表1にまとめた。 The electrode structure was searched for using a virtually created 3D structure. First, prior to the electrode search, it was confirmed whether the experimental charging curve could be reproduced from a positive electrode structure consisting of active material particles, electrolyte particles, and conductive material virtually created on a computer. The active material and electrolyte particle size distribution was modeled to reproduce the experimental particle size distribution measurement results by laser diffraction, and the void size was modeled to reproduce the void size distribution in the SEM image. The electrode thickness T was set to 50 μm, the volume ratio A/B of electrolyte A and active material B was set to 20/80, and the void ratio was set to 33.5 volume%, and a model simulating the actual structure shown in Figure 4 was created. Figure 4 is a model diagram of the actual electrode structure. In Figure 4, the white indicates active material particles, the light gray indicates solid electrolyte (SE) particles, the fibrous conductive material, and the black indicates residual pores. The compounding ratios of each component in the created positive electrode model and the experimental compounding ratios are summarized in Table 1.
次に、活物質をNCM811(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)とし、充電シミュレーションに用いる材料物性パラメータ(主に活物質内Li拡散係数値)を設定した。充電シミュレーションは、非特許文献(Solid State Ionics 2020;344:115079)に開示されたプログラムを用いて行った。ここで、充電シミュレーションについて説明する。電極の有効イオン伝導率σeは、式(1)で表される。ここで、σmは材料固有の伝導率、θは伝導に寄与する材料の体積分率(%)である。τは屈曲度ファクターであり、伝導の始点と終点を直線で結んだ距離Lに対する実伝導距離L’を用いて、τ=(L’/L)2として定義される。電極構成材料と各材料の配合比が同じ電極、即ちσmとθとが同じ電極では、τ値を評価することで、有効イオン伝導率の相対比を求めることができる。τ値評価は、3D電極イメージに基づいた交流インピーダンス計算によって行われる。交流インピーダンス計算では、τ値を評価する相の伝導率に対する他相の伝導率を1/100倍程度に設定してτ値を評価する相に伝導電流が流れるようにした上で、低周波数側の実軸切片の抵抗値(すなわち総抵抗値)を材料固有の抵抗と比較することでτ値を求めることができる。シミュレーションに用いた主な係数は、活物質内Li拡散係数を2×10-9(cm2/s)とし、反応抵抗を80(Ωcm2)とした。
σe=((θ/100)/τ)×σm …式(1)
Next, the active material was set to NCM811 (LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 ), and the material property parameters (mainly the Li diffusion coefficient value in the active material) used in the charging simulation were set. The charging simulation was performed using a program disclosed in a non-patent document (Solid State Ionics 2020; 344: 115079). Here, the charging simulation will be described. The effective ionic conductivity σ e of the electrode is expressed by formula (1). Here, σ m is the conductivity specific to the material, and θ is the volume fraction (%) of the material contributing to the conduction. τ is a tortuosity factor, and is defined as τ = (L' / L) 2 using the actual conduction distance L' for the distance L connecting the start point and the end point of the conduction with a straight line. In electrodes with the same compounding ratio of the electrode constituent materials and each material, that is, electrodes with the same σ m and θ, the relative ratio of the effective ionic conductivity can be obtained by evaluating the τ value. The τ value evaluation is performed by AC impedance calculation based on a 3D electrode image. In AC impedance calculation, the conductivity of the phase for which the τ value is to be evaluated is set to about 1/100 of the conductivity of the other phases so that a conduction current flows through the phase for which the τ value is to be evaluated, and then the resistance value of the real axis intercept on the low frequency side (i.e., the total resistance value) is compared with the resistance inherent to the material, whereby the τ value can be obtained. The main coefficients used in the simulation were the Li diffusion coefficient in the active material of 2×10 -9 (cm 2 /s) and the reaction resistance of 80 (Ωcm 2 ).
σ e = ((θ/100)/τ)×σ m …Formula (1)
充電条件は、残容量SOC=10%から0.1C、0.5C及び3Cで充電を開始するものとした。残容量SOC=100%は、206mAh/gに相当した。リチウム金属基準電位における電極電圧(V)と充電容量率△SOCとの関係を比較した。図5は、実測定と計算結果との充電時の正極電位の変化の関係図である。図5に示すように、本実施例で用いた充電シミュレーションは、0.1C~3Cの各充電条件で実験結果を再現していることが確認できた。 このように実験による実測値を定量的に再現できることを確認したモデルを用いて、種々の電極構造に対して有効イオン伝導率を評価した。また、高レート(3C=0.6mA/cm2)での充電計算を行って性能を確認した。 The charging conditions were such that charging was started at 0.1C, 0.5C, and 3C from a remaining capacity SOC of 10%. A remaining capacity SOC of 100% was equivalent to 206 mAh/g. The relationship between the electrode voltage (V) and the charge capacity rate ΔSOC at the lithium metal reference potential was compared. FIG. 5 is a relationship diagram of the change in the positive electrode potential during charging between the actual measurement and the calculation result. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the charging simulation used in this embodiment reproduced the experimental results under each charging condition of 0.1C to 3C. Using a model that confirmed that the actual measured values from the experiment could be quantitatively reproduced in this way, the effective ionic conductivity was evaluated for various electrode structures. In addition, a charging calculation was performed at a high rate (3C = 0.6 mA/cm 2 ) to confirm the performance.
第1相及び第2相を有する二相分離型電極は、図1のように示される。この構造は、(1)第1相および第2相内の活物質と電解質の体積比、(2)第1相のドメインサイズを規定することによって特定することができる。なお、第1相及び第2相の配合比は、体積比から導かれる。 A two-phase separated electrode having a first phase and a second phase is shown in Figure 1. This structure can be specified by specifying (1) the volume ratio of the active material and electrolyte in the first phase and the second phase, and (2) the domain size of the first phase. The compounding ratio of the first phase and the second phase is derived from the volume ratio.
図6は、二相分離型電極のバーチャル試作例のイメージ図であり、図6Aが固体電解質が比較的多く含まれる第1相(SEリッチ相)のドメイン(液滴)を含むモデルであり、図6Bが活物質及び電解質の体積比が所定値になるように粒子を配置したモデルである。図6に示した電極構造は、電極全体の電解質Aと活物質Bとの体積比A/Bを20/80、第1相内の電解質Aと活物質Bとの体積比A/Bを31/69、第2相内の電解質Aと活物質Bとの体積比A/Bを10/90とし、空隙率を10体積%、導電材を2体積%、活物質粒径を4μm、電解質粒径を2μmとしたモデルである。このように、3D構造をバーチャルに試作して、電極体の有効イオン伝導率から、上記(1)、(2)の最適範囲を求めた、次に、最適範囲内の構造と、活物質及び固体電解質がランダムに分散した従来構造とにおいて、3Cレートの高出力とした場合の充電容量の比較を行った。 Figure 6 is an image of a virtual prototype of a two-phase separation electrode, where Figure 6A is a model including domains (droplets) of the first phase (SE-rich phase) containing a relatively large amount of solid electrolyte, and Figure 6B is a model in which particles are arranged so that the volume ratio of the active material and electrolyte is a predetermined value. The electrode structure shown in Figure 6 is a model in which the volume ratio A/B of electrolyte A and active material B in the entire electrode is 20/80, the volume ratio A/B of electrolyte A and active material B in the first phase is 31/69, the volume ratio A/B of electrolyte A and active material B in the second phase is 10/90, the porosity is 10 volume %, the conductive material is 2 volume %, the active material particle size is 4 μm, and the electrolyte particle size is 2 μm. In this way, a 3D structure was virtually prototyped, and the optimal ranges for (1) and (2) above were determined from the effective ionic conductivity of the electrode body. Next, a comparison was made of the charging capacity at a high output of 3C rate between a structure within the optimal range and a conventional structure in which the active material and solid electrolyte are randomly dispersed.
第1相と第2相とを加えた電極全体としての固体電解質Aと活物質Bとの体積比A/Bは20/80に設定した。また、第1相のドメインサイズは12μmに設定した。第1相と第2相の組成比を適宜変更し、そのイオン伝導率を求めた。電極全体に平均して固体電解質が存在する従来構造のイオン伝導度を1として各々求めた結果を規格化した。表2に、従来構造を1として規格化した場合の二相分離型電極のイオン伝導率の評価結果をまとめた。イオン伝導率が1.1以上を示すものが良好であり、1.3以上を示すものがより良好であり、1.5以上を示すものが更に良好であると評価した。表2に示すように、第1相は、固体電解質Aと電極活物質Bとの体積比A/Bが25/75以上50/50以下の範囲がよく、25/75を超え40/60以下の範囲が好ましく、28/72を超える範囲がより好ましく、30/70以上が更に好ましいと推察された。また、第2相は、体積比A/Bが0/100以上16/84以下の範囲がよく、15/85以下の範囲が好ましく、14/86未満の範囲がより好ましく、12/88未満としてもよいものと推察された。 The volume ratio A/B of the solid electrolyte A and the active material B in the entire electrode including the first and second phases was set to 20/80. The domain size of the first phase was set to 12 μm. The composition ratio of the first and second phases was appropriately changed to obtain the ionic conductivity. The ionic conductivity of the conventional structure in which the solid electrolyte is present on average throughout the electrode was set to 1, and the results were normalized. Table 2 summarizes the evaluation results of the ionic conductivity of the two-phase separation type electrode when the conventional structure was normalized to 1. The ionic conductivity of 1.1 or more was evaluated as good, that of 1.3 or more was better, and that of 1.5 or more was even better. As shown in Table 2, it was inferred that the volume ratio A/B of the solid electrolyte A and the electrode active material B in the first phase is preferably in the range of 25/75 or more and 50/50 or less, preferably in the range of more than 25/75 and 40/60 or less, more preferably in the range of more than 28/72, and even more preferably in the range of 30/70 or more. It was also inferred that the volume ratio A/B of the second phase should be in the range of 0/100 to 16/84, preferably 15/85 or less, more preferably less than 14/86, and may be less than 12/88.
図7は、第1相のドメインサイズ(μm)と有効イオン伝導率との関係図である。ここでは、組成が異なる3種の第1相及び第2相の条件で評価した。組成1~3は、電極全体の固体電解質Aと活物質Bとの体積比A/Bを20/80に設定した。また、組成1~3は、第2相(SEプア相)内の活物質比率が異なり、それぞれ85質量%、86質量%、90質量%とした。組成1~3の第1相(SEリッチ相)内の活物質比率はいずれも同じで69質量%に設定した。組成1~3において、ドメイン(液滴)サイズを8、12、16μmとして評価を行った。図7に示すように、ドメインサイズが10μm未満のようにサイズが小さい場合は、イオン伝導率のばらつきが大きくなる傾向が認められた。用いた活物資粉末の粒径d50は5μmであったが、ドメインサイズが小さすぎると、含まれる粒子数が極端に減ることが要因と推察された。ドメインサイズRが電極の厚さTに対して1/2を超えるなど、1つの液滴サイズが大きすぎると、面内での反応ムラなどが生じ易くなると推察された。このため、ドメインサイズRは、電極厚さTの1/2以下の範囲であることが好ましいと推察された。また、ドメイン内に含まれる粒子数がより多い方がイオン伝導率のばらつきが低下すると考えられることから、ドメインサイズRは、活物質の粒子と固体電解質の粒子とのうち、より大きな粒子の粒径d50の2倍以上であることが好ましいと推察された。また、活物質や固体電解質の粒子の粒径は、数μm~10μm程度が好ましいことから、第1相のドメインサイズRは、10μm以上20μm以下の範囲が好ましいものと推察された。なお、活物質粒子がイオンを吸蔵放出することから、固体電解質の粒径d50は、電極活物質の粒径d50を超えない範囲にあることが好ましい。 Figure 7 is a relationship diagram between the domain size (μm) of the first phase and the effective ionic conductivity. Here, evaluation was performed under three conditions of the first and second phases with different compositions. For compositions 1 to 3, the volume ratio A/B of the solid electrolyte A and the active material B in the entire electrode was set to 20/80. Furthermore, for compositions 1 to 3, the active material ratio in the second phase (SE-poor phase) was different, being 85 mass%, 86 mass%, and 90 mass%, respectively. The active material ratio in the first phase (SE-rich phase) of compositions 1 to 3 was the same, being set to 69 mass%. For compositions 1 to 3, evaluation was performed with domain (droplet) sizes of 8, 12, and 16 μm. As shown in Figure 7, when the domain size was small, such as less than 10 μm, the ionic conductivity tended to vary widely. The particle size d50 of the active material powder used was 5 μm, but it was presumed that the reason for this was that the number of particles contained was extremely reduced when the domain size was too small. It was presumed that if the size of one droplet is too large, such as when the domain size R exceeds 1/2 of the thickness T of the electrode, reaction unevenness within the surface is likely to occur. For this reason, it was presumed that the domain size R is preferably in the range of 1/2 or less of the electrode thickness T. In addition, since it is considered that the greater the number of particles contained in a domain, the less the variation in ion conductivity, it was presumed that the domain size R is preferably at least twice the particle size d50 of the larger particle of the active material particles and the solid electrolyte particles. In addition, since the particle size of the active material and solid electrolyte particles is preferably several μm to 10 μm, it was presumed that the domain size R of the first phase is preferably in the range of 10 μm to 20 μm. In addition, since the active material particles absorb and release ions, it is preferable that the particle size d50 of the solid electrolyte is in a range not exceeding the particle size d50 of the electrode active material.
次に、二相分離型電極を正極としたリチウム二次電池と、従来構造のリチウム二次電池との充電容量について検討した。図8は、3C充電時の充電容量率△SOC(%)と正極電位(V)との関係図である。この充電容量は、対極として金属Liを用いて評価した。充電容量の評価は、組成4~6の電極を用いた。ここでは、活物質比率を変更し、第1相を65質量%とし第2相を90質量%としたものを組成4、第1相を60質量%とし第2相を100質量%としたものを組成5、第1相と第2相とを含まず均一としたものを組成6とした。組成4~6は、電極全体の固体電解質Aと活物質Bとの体積比A/Bを20/80に設定した。上述した充電条件は、残容量SOC=10%から3Cで充電を開始するものとした。残容量SOC=100%は、206mAh/gに相当した。図8に示すように、従来構造の電極に比して、二相分離型電極では、2割~4割の充電容量の増大が確認された。このように、二相分離型電極では、3Cという高レート充電において、容量をより高めることができることがわかった。 Next, the charging capacity of a lithium secondary battery with a two-phase separated electrode as the positive electrode and a lithium secondary battery with a conventional structure was examined. Figure 8 shows the relationship between the charging capacity rate ΔSOC (%) and the positive electrode potential (V) during 3C charging. This charging capacity was evaluated using metallic Li as the counter electrode. Electrodes with compositions 4 to 6 were used to evaluate the charging capacity. Here, the active material ratio was changed to composition 4, with the first phase being 65 mass% and the second phase being 90 mass%, composition 5, with the first phase being 60 mass% and the second phase being 100 mass%, and composition 6, with the first phase and the second phase not being included and being uniform. For compositions 4 to 6, the volume ratio A/B of the solid electrolyte A and active material B in the entire electrode was set to 20/80. The above-mentioned charging conditions were such that charging was started at 3C from a remaining capacity SOC of 10%. A remaining capacity SOC of 100% was equivalent to 206 mAh/g. As shown in Figure 8, a 20% to 40% increase in charge capacity was confirmed for the two-phase separation electrode compared to the conventional electrode structure. In this way, it was found that the two-phase separation electrode can further increase capacity at a high rate of 3C charging.
なお、本開示の電極及び蓄電デバイスは上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the electrodes and power storage devices disclosed herein are in no way limited to the above-described examples, and may be implemented in a variety of ways as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.
本開示は、電池産業の技術分野に利用可能である。 This disclosure is applicable to the technical field of the battery industry.
10 蓄電デバイス、12 正極、13 正極活物質層、14 集電体、15 負極、16 負極活物質層、17 集電体、18 固体電解質層、21 第1相、22 第2相、23 空隙、24 電極活物質、25 固体電解質、R ドメインサイズ、T 厚さ。 10: power storage device, 12: positive electrode, 13: positive electrode active material layer, 14: current collector, 15: negative electrode, 16: negative electrode active material layer, 17: current collector, 18: solid electrolyte layer, 21: first phase, 22: second phase, 23: void, 24: electrode active material, 25: solid electrolyte, R: domain size, T: thickness.
Claims (6)
前記電極には固体電解質と電極活物質とを含み、
電極全体の前記固体電解質の体積Aと前記電極活物質の体積Bとの体積比A/Bが10/90以上25/75以下の範囲の組成を有し、
前記体積比A/Bが25/75以上50/50以下の範囲にある第1相と、
前記体積比A/Bが0/100以上16/84以下の範囲にある第2相と、を有し、
前記第1相は、ドメインサイズが前記固体電解質及び前記電極活物質の粒子のうち大きい粒子の粒径d50の2倍以上であり、且つ前記電極の厚さの1/2以下の範囲であり、
前記固体電解質の粒径d50が前記電極活物質の粒径d50を超えない範囲にある、電極。 An electrode for use in an electricity storage device,
The electrode includes a solid electrolyte and an electrode active material,
The electrode has a volume ratio A/B of a volume A of the solid electrolyte to a volume B of the electrode active material in the entire electrode in a range of 10/90 or more and 25/75 or less,
A first phase having a volume ratio A/B in the range of 25/75 to 50/50;
A second phase having a volume ratio A/B in the range of 0/100 to 16/84,
The first phase has a domain size that is at least twice the particle size d50 of the larger particle of the solid electrolyte and the electrode active material, and is at most ½ of the thickness of the electrode;
An electrode, wherein the particle size d50 of the solid electrolyte is within a range not exceeding the particle size d50 of the electrode active material.
(1)前記第1相は、前記体積比A/Bが25/75を超え40/60以下の範囲である。
(2)前記第2相は、前記体積比A/Bが15/85以下の範囲である。 The electrode according to claim 1 or 2, which satisfies any one or more of (1) to (2).
(1) The first phase has a volume ratio A/B in the range of more than 25/75 and not more than 40/60.
(2) The second phase has a volume ratio A/B of 15/85 or less.
(3)前記第1相は、前記体積比A/Bが28/72を超える範囲である。
(4)前記第2相は、前記体積比A/Bが14/86未満の範囲である。 The electrode according to any one of claims 1 to 3, which satisfies any one or more of (3) to (4).
(3) The first phase has a volume ratio A/B exceeding 28/72.
(4) The second phase has a volume ratio A/B of less than 14/86.
(5)前記電極全体の前記体積比A/Bが15/85以上の範囲の組成を有する。
(6)前記第1相は、ドメインサイズが10μm以上20μm以下の範囲である。
(7)空隙率が0体積%以上35体積%以下の範囲である。 The electrode according to any one of claims 1 to 4, which satisfies any one or more of (5) to (7).
(5) The volume ratio A/B of the entire electrode is in the range of 15/85 or more.
(6) The first phase has a domain size in the range of 10 μm or more and 20 μm or less.
(7) The porosity is in the range of 0 volume % or more and 35 volume % or less.
正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に介在しキャリアイオンを伝導する固体電解質層と、を備え、
前記正極及び前記負極のいずれか1以上が請求項1~5のいずれか1項に記載の電極である、蓄電デバイス。 An electricity storage device that is an all-solid-state secondary battery,
A positive electrode and
A negative electrode;
a solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducting carrier ions;
The power storage device, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is the electrode according to any one of claims 1 to 5.
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