JP7735669B2 - Lithium-sulfur solid-state battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム硫黄固体電池に関する。 The present invention relates to a lithium-sulfur solid-state battery.
電子機器や電気自動車等の電源として従来のリチウムイオン二次電池よりも大きなエネルギー密度を有する二次電池の開発が望まれているなか、理論容量密度が極めて高い硫黄を正極の構成材料とするリチウム硫黄固体電池が注目されている。例えば、特許文献1には固体電解質を備えたリチウム硫黄固体電池が開示されており、特許文献2にはその充電方法が提案されている。 Amid a desire to develop secondary batteries with higher energy densities than conventional lithium-ion secondary batteries as power sources for electronic devices, electric vehicles, and other devices, lithium-sulfur solid-state batteries, which use sulfur, which has an extremely high theoretical capacity density, as a constituent material for the positive electrode, have attracted attention. For example, Patent Document 1 discloses a lithium-sulfur solid-state battery equipped with a solid electrolyte, and Patent Document 2 proposes a charging method for such a battery.
リチウム硫黄固体電池には、充放電を繰り返しているうちに内部で短絡する問題がある。この短絡は、樹状のリチウム金属が析出して成長し最終的に正極と負極とを導通させることによって生じる。この短絡が生じるまでの充放電の繰り返し回数(サイクル特性)の向上が望まれている。 Lithium-sulfur solid-state batteries have the problem of internal short circuits occurring during repeated charge and discharge cycles. These short circuits occur when lithium metal dendrites precipitate and grow, eventually connecting the positive and negative electrodes. There is a need to improve the number of charge and discharge cycles (cycle characteristics) required before a short circuit occurs.
本発明は、サイクル特性が向上したリチウム硫黄固体電池を提供する。 The present invention provides a lithium-sulfur solid-state battery with improved cycle characteristics.
[1] 硫黄正極と、Li-Al合金負極と、固体電解質と、を備え、前記固体電解質は、前記硫黄正極と前記Li-Al合金負極との間に配置され、前記Li-Al合金負極におけるリチウムとアルミニウムのモル比が、95:5~55:45である、リチウム硫黄固体電池。
[2] 前記Li-Al合金負極と前記固体電解質との間に、電解液又は電解質ゲルを有する、[1]に記載のリチウム硫黄固体電池。
[3] 前記電解液又は前記電解質ゲルがイオン液体を含む、[2]に記載のリチウム硫黄固体電池。
[4] 前記Li-Al合金負極と前記固体電解質との間に、リチウムイオン伝導層がさらに配置されており、前記リチウムイオン伝導層は前記電解液又は前記電解質ゲルを含有する、[2]又は[3]に記載のリチウム硫黄固体電池。
[1] A lithium-sulfur solid state battery comprising: a sulfur positive electrode; a Li-Al alloy negative electrode; and a solid electrolyte, wherein the solid electrolyte is disposed between the sulfur positive electrode and the Li-Al alloy negative electrode; and wherein a molar ratio of lithium to aluminum in the Li-Al alloy negative electrode is 95:5 to 55:45.
[2] The lithium-sulfur solid state battery according to [1], wherein an electrolytic solution or an electrolytic gel is disposed between the Li-Al alloy negative electrode and the solid electrolyte.
[3] The lithium-sulfur solid state battery according to [2], wherein the electrolytic solution or the electrolytic gel contains an ionic liquid.
[4] The lithium-sulfur solid state battery according to [2] or [3], wherein a lithium ion conductive layer is further disposed between the Li-Al alloy negative electrode and the solid electrolyte, and the lithium ion conductive layer contains the electrolytic solution or the electrolytic gel.
本発明のリチウム硫黄固体電池にあっては、サイクル特性が向上している。 The lithium-sulfur solid state battery of the present invention has improved cycle characteristics.
≪リチウム硫黄固体電池≫
本発明の第一態様は、硫黄正極と、Li-Al合金負極と、固体電解質と、を備え、
前記固体電解質は、前記硫黄正極と前記Li-Al合金負極との間に配置され、
前記Li-Al合金負極におけるリチウムとアルミニウムのモル比が、95:5~55:45である、リチウム硫黄固体電池である。
<Lithium-sulfur solid-state battery>
A first aspect of the present invention is a battery comprising a sulfur positive electrode, a Li-Al alloy negative electrode, and a solid electrolyte,
the solid electrolyte is disposed between the sulfur positive electrode and the Li-Al alloy negative electrode;
The lithium-sulfur solid state battery has a lithium to aluminum molar ratio of 95:5 to 55:45 in the Li-Al alloy negative electrode.
本態様のリチウム硫黄固体電池は、界面抵抗を低減する観点から、前記Li-Al合金負極と前記固体電解質との間に電解液又は電解質ゲルを有することが好ましい。 From the viewpoint of reducing interfacial resistance, the lithium-sulfur solid state battery of this embodiment preferably has an electrolyte solution or electrolyte gel between the Li-Al alloy negative electrode and the solid electrolyte.
以下、図面を参照して、リチウム硫黄固体電池の一実施形形態を説明する。各図は、説明の便宜上、部分的に拡大したり、縮小したりしている場合がある。
また、以下の説明では、特に明記しない限り、電解液は電解質ゲル(溶媒と電解質とを含むゲル状の電解質)であってもよい。
Hereinafter, an embodiment of a lithium-sulfur solid state battery will be described with reference to the drawings. For the sake of convenience, the drawings may be partially enlarged or reduced in size.
In the following description, unless otherwise specified, the electrolytic solution may be an electrolyte gel (a gel-like electrolyte containing a solvent and an electrolyte).
[積層構造]
図1に示すリチウム硫黄固体電池1は、硫黄正極11と、Li-Al合金負極12と、固体電解質13と、リチウムイオン伝導層14とを備え、図示の順序で厚さ方向に積層されている。リチウムイオン伝導層14には、電解液15の一部又は全部が含浸されている。
[Laminated structure]
The lithium-sulfur solid state battery 1 shown in Fig. 1 includes a sulfur positive electrode 11, a Li-Al alloy negative electrode 12, a solid electrolyte 13, and a lithium ion conductive layer 14, which are stacked in the thickness direction in the order shown in the figure. The lithium ion conductive layer 14 is impregnated with a part or all of an electrolytic solution 15.
図1では便宜上、リチウムイオン伝導層14の両面に電解液15の層の存在を描いているが、電解液15は必ずしも層を形成している必要はなく、リチウムイオン伝導層14の表面に染み出した状態であればよい。したがって、固体電解質13の第2面13bとリチウムイオン伝導層14の第1面14aは、電解液15の層を介在して互いに接触しなくてもよいし、電解液15の層を介在せずに互いに接触していてもよい。同様に、リチウムイオン伝導層14の第2面14bと、Li-Al合金負極12の第1面12aは、互いに接触してもよいし、接触しなくてもよい。 For convenience, Figure 1 depicts layers of electrolyte solution 15 on both sides of the lithium ion conductive layer 14; however, the electrolyte solution 15 does not necessarily need to form a layer; it may simply be in a state of seeping out onto the surface of the lithium ion conductive layer 14. Therefore, the second surface 13b of the solid electrolyte 13 and the first surface 14a of the lithium ion conductive layer 14 may not be in contact with each other through a layer of electrolyte solution 15, or they may be in contact with each other without a layer of electrolyte solution 15 interposed. Similarly, the second surface 14b of the lithium ion conductive layer 14 and the first surface 12a of the Li-Al alloy negative electrode 12 may or may not be in contact with each other.
リチウム硫黄固体電池1の積層構造は、容器中に収納されて電解液15が保持されていることが好ましい。硫黄正極11及びLi-Al合金負極12には、図示しない外部回路への接続端子が設けられている。 The laminated structure of the lithium-sulfur solid state battery 1 is preferably housed in a container containing an electrolyte solution 15. The sulfur positive electrode 11 and the Li-Al alloy negative electrode 12 are provided with connection terminals to an external circuit (not shown).
[硫黄正極11]
硫黄正極11は、硫黄を含有し、正極として機能するものであれば特に限定されず、公知のリチウム硫黄固体電池の硫黄正極を適用することができる。好ましい硫黄正極として、例えば、空隙部を多数有する導電性シートを備え、前記空隙部は、前記導電性シートの外部に対して開口しており、前記導電性シートは、前記空隙部に、硫黄及び電解液を含有したものが挙げられる。
[Sulfur positive electrode 11]
The sulfur positive electrode 11 is not particularly limited as long as it contains sulfur and functions as a positive electrode, and sulfur positive electrodes of known lithium-sulfur solid state batteries can be used. A preferred sulfur positive electrode includes, for example, a conductive sheet having a large number of voids, the voids being open to the outside of the conductive sheet, and the conductive sheet containing sulfur and an electrolyte in the voids.
導電性シートとしては、例えば、カーボンフェルト、カーボンクロス等が挙げられる。
導電性シートの厚さは、例えば、50μm~30000μmとすることができる。硫黄正極の厚さも同様とすることができる。
Examples of the conductive sheet include carbon felt and carbon cloth.
The thickness of the conductive sheet can be, for example, 50 μm to 30,000 μm, and the thickness of the sulfur positive electrode can be the same.
前記空隙部には、グラファイト、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、フラーレン等の炭素材料が導電助剤として含まれていてもよい。
前記空隙部には、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリル酸、スチレンブタジエンゴム等のバインダーが含まれていてもよい。
The voids may contain a carbon material such as graphite, carbon black, carbon nanotubes, graphene, or fullerene as a conductive additive.
The voids may contain a binder such as polyvinylidene fluoride, polyacrylic acid, or styrene-butadiene rubber.
[Li-Al合金負極12]
Li-Al合金負極12は、リチウムとアルミニウムの合金を含有し、負極として機能するものであれば特に制限されず、公知のLi-Al合金を適用することができる。Li-Al合金負極としては、Li-Al合金からなる負極が好ましく、Li-Al合金からなる平坦面又は曲面を有する負極がより好ましく、Li-Al合金箔がさらに好ましい。
[Li-Al alloy negative electrode 12]
The Li-Al alloy negative electrode 12 is not particularly limited as long as it contains an alloy of lithium and aluminum and functions as a negative electrode, and a known Li-Al alloy can be used. As the Li-Al alloy negative electrode, a negative electrode made of a Li-Al alloy is preferred, a negative electrode made of a Li-Al alloy having a flat or curved surface is more preferred, and a Li-Al alloy foil is even more preferred.
Li-Al合金負極の厚さは、例えば、10μm~2000μmとすることができ、100μm~1000μmが好ましい。 The thickness of the Li-Al alloy negative electrode can be, for example, 10 μm to 2000 μm, and preferably 100 μm to 1000 μm.
前記負極を構成するLi-Al合金において、Li原子とAl原子のモル比は、Li:Al=95:5~55:45であり、95:5~70:30が好ましく、90:10~80:20がより好ましく、90:10~85:15がさらに好ましい。
上記範囲の下限値以上であると、本態様のリチウム硫黄固体電池のサイクル特性が向上する。上記範囲の上限値以下であると、本態様のリチウム硫黄固体電池の出力を高めることができる。ここで、出力とは、電池の電流密度または電圧をいう。負極を構成するLi-Al合金のAl含有量が前記モル比で50以上になると、Li含有量が低過ぎるために電池出力を高めることが困難になる。なお、Li-Al合金は充放電に伴う体積膨張と収縮の変化率が少ないので、この点でも固体電池に求められる性質(体積変化が小さいこと)を備えている。
In the Li-Al alloy constituting the negative electrode, the molar ratio of Li atoms to Al atoms is Li:Al=95:5 to 55:45, preferably 95:5 to 70:30, more preferably 90:10 to 80:20, and even more preferably 90:10 to 85:15.
When the molar ratio is equal to or greater than the lower limit of the above range, the cycle characteristics of the lithium-sulfur solid state battery of this embodiment are improved. When the molar ratio is equal to or less than the upper limit of the above range, the output of the lithium-sulfur solid state battery of this embodiment can be increased. Here, output refers to the current density or voltage of the battery. When the Al content of the Li-Al alloy constituting the negative electrode is 50 or more in the above molar ratio, the Li content is too low, making it difficult to increase the battery output. Furthermore, since the Li-Al alloy has a small rate of change in volume expansion and contraction during charge and discharge, it also has the property (small volume change) required for a solid state battery in this respect.
前記負極を構成するLi-Al合金の前記モル比は、前記Li-Al合金の全体積で均一であることが好ましいが、少なくとも、正極側に露出する表面において前記モル比の範囲であることが重要である。なぜならば、充放電サイクルにおいて前記表面においてLiの溶出及び吸収が繰り返される際に、前記表面が上述の所定範囲のモル比であると、Liが負極表面に不定形又は樹状に析出することを抑制できるからである。このメカニズムの詳細は未解明であるが、所定範囲のモル比であると、Liのマトリックス中にAlのネットワーク(枠組み)が形成されており、Liの溶出後にAlのネットワークが維持され、再びAlのネットワーク中に吸収されて元の状態に戻り易いことが要因の一つと推測される。 The molar ratio of the Li-Al alloy constituting the negative electrode is preferably uniform throughout the entire volume of the Li-Al alloy, but it is important that it is within this range at least on the surface exposed to the positive electrode. This is because, when Li is repeatedly dissolved and absorbed on the surface during charge-discharge cycles, if the molar ratio on the surface is within the specified range, it is possible to prevent Li from depositing in an amorphous or dendritic form on the negative electrode surface. While the details of this mechanism are unclear, one possible reason is that when the molar ratio is within the specified range, an Al network (framework) is formed in the Li matrix, and after Li is dissolved, the Al network is maintained and easily absorbed back into the Al network, returning it to its original state.
前記負極の表面におけるLiとAlのモル比は、X線光電子分光法(XPS)又はエネルギー分散型X線分析(EDX,EDS)測定により、単位面積(例えばφ100μmの円形に含まれるLi原子とAl原子の個数比(含有比)として求められる。なお、負極表面において、充放電や大気暴露に伴う皮膜が形成される場合がある。上記のLiとAlのモル比を正確に求めるためには、この皮膜を測定前に除去するか又は皮膜の影響を考慮することが望ましい。 The molar ratio of Li to Al on the surface of the negative electrode is determined as the ratio of the number of Li atoms to Al atoms (content ratio) per unit area (e.g., a circle with a diameter of 100 μm) using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) or energy dispersive X-ray analysis (EDX, EDS). Note that a film may form on the surface of the negative electrode during charge/discharge or exposure to the atmosphere. To accurately determine the molar ratio of Li to Al, it is desirable to remove this film before measurement or to take into account the effect of the film.
[固体電解質13]
固体電解質13は、公知のリチウム硫黄固体電池の固体電解質を適用することができる。
固体電解質13は、結晶性材料、アモルファス材料及びガラス材料のいずれであってもよい。固体電解質13の構成材料として、例えば、硫化物を含まない酸化物系材料、少なくとも硫化物を含む硫化物系材料が挙げられる。
[Solid electrolyte 13]
The solid electrolyte 13 may be a solid electrolyte used in a known lithium-sulfur solid state battery.
The solid electrolyte 13 may be a crystalline material, an amorphous material, or a glass material. Examples of the material for the solid electrolyte 13 include an oxide-based material that does not contain sulfide and a sulfide-based material that contains at least sulfide.
酸化物系材料としては、例えば、Li7La3Zr2O12(略称:LLZ)、Li2.9PO3.3N0.46(略称:LIPON)、La0.51Li0.34TiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、50Li4SiO4・50Li3BO3、Li3.6Si0.6P0.4O4、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3等が挙げられる。LLZには、アルミニウム、タンタル、ニオブ、ビスマス等の元素の1種以上がドープされていてもよい。 Examples of oxide- based materials include Li7La3Zr2O12 (abbreviation: LLZ ) , Li2.9PO3.3N0.46 ( abbreviation: LIPON), La0.51Li0.34TiO2.94 , Li1.3Al0.3Ti1.7 ( PO4 ) 3 , 50Li4SiO4.50Li3BO3 , Li3.6Si0.6P0.4O4 , Li1.07Al0.69Ti1.46 ( PO4 ) 3 , and Li1.5Al0.5Ge1.5 ( PO4 ) 3 . The LLZ may be doped with one or more elements such as aluminum, tantalum, niobium, and bismuth.
硫化物系材料としては、例えば、Li10GeP2S12(略称:LGPS)、Li3.25Ge0.25P0.75S4、30Li2S・26B2S3・44LiI、63Li2S・36SiS2・1Li3PO4、57Li2S・38SiS2・5Li4SiO4、70Li2S・30P2S5(略称:LISPS)、50Li2S・50GeS2、Li7P3S11、Li3.25P0.95S4等が挙げられる。 Examples of sulfide-based materials include Li10GeP2S12 ( abbreviation : LGPS ), Li3.25Ge0.25P0.75S4 , 30Li2S.26B2S3.44LiI , 63Li2S.36SiS2.1Li3PO4 , 57Li2S.38SiS2.5Li4SiO4 , 70Li2S.30P2S5 ( abbreviation : LISPS ) , 50Li2S.50GeS2 , Li7P3S11 , and Li3.25P0.95S4 .
固体電解質13の構成材料は、大気中における安定性が高く、緻密性が高い固体電解質を作製できる点から、酸化物系材料であることが好ましい。
固体電解質13の構成材料の種類は1種類でもよいし、2種類以上でもよい。
The constituent material of the solid electrolyte 13 is preferably an oxide-based material, since it has high stability in the atmosphere and can produce a highly dense solid electrolyte.
The solid electrolyte 13 may be made of one or more types of constituent materials.
固体電解質13の厚さは、例えば、10μm~1200μmとすることができる。 The thickness of the solid electrolyte 13 can be, for example, 10 μm to 1200 μm.
[リチウムイオン伝導層14]
リチウムイオン伝導層14の本体部は、第1面14aから第2面14bまで到達する空隙部(図示略)を多数有しており、空隙部には電解液15の一部又は全部が含浸されている。したがって、リチウムイオン伝導層14を介して、Li-Al合金負極12と固体電解質13との間で、リチウムイオンを含む電解液の移動が可能である。
[Lithium ion conductive layer 14]
The main body of the lithium ion conductive layer 14 has many voids (not shown) that extend from the first surface 14 a to the second surface 14 b, and the voids are impregnated with a part or all of the electrolyte solution 15. Therefore, the electrolyte solution containing lithium ions can move between the Li-Al alloy negative electrode 12 and the solid electrolyte 13 via the lithium ion conductive layer 14.
リチウムイオン伝導層14の本体部としては、例えば、多孔質体、又は、繊維状の材料が集合して層を構成してなる繊維集合体等が挙げられる。
本体部の具体的な構成材料は、従来のリチウム硫黄固体電池で使用されているものが適用でき、例えば、合成樹脂、ガラス、紙類等が挙げられる。合成樹脂としてはポリイミドが好ましい。前記構成材料は、1種でもよいし、2種以上でもよい。
The main body of the lithium ion conductive layer 14 may be, for example, a porous body or a fiber aggregate formed by assembling fibrous materials to form a layer.
The main body may be made of a material that is used in conventional lithium-sulfur solid-state batteries, such as synthetic resin, glass, or paper. Polyimide is preferred as the synthetic resin. The main body may be made of one or more materials.
リチウムイオン伝導層14の厚さは、例えば、10μm以上100μm以下とすることができる。
リチウムイオン伝導層14を構成する本体部は1層でもよいし、2層以上の積層構造であってもよい。
複数層からなるリチウムイオン伝導層14の厚さは、複数層の合計の厚さを意味する。
The thickness of the lithium ion conductive layer 14 can be, for example, 10 μm or more and 100 μm or less.
The main body constituting lithium ion conductive layer 14 may be a single layer or may have a laminated structure of two or more layers.
The thickness of the lithium ion conductive layer 14 made up of multiple layers means the total thickness of the multiple layers.
リチウムイオン伝導層14に含まれる電解液15の含有量は、特に限定されない。例えば、リチウムイオン伝導層14の本体部が有する空隙の体積の80~120%程度の量が目安として挙げられる。 The amount of electrolyte solution 15 contained in the lithium ion conductive layer 14 is not particularly limited. For example, a guideline is an amount of approximately 80 to 120% of the volume of the voids in the main body of the lithium ion conductive layer 14.
[電解液15]
電解液15は、溶媒と、リチウムイオン(Li+)とを含む。リチウムイオンはカウンターイオンとともに塩として含まれていてもよい。
[Electrolyte 15]
The electrolyte solution 15 contains a solvent and lithium ions (Li + ). The lithium ions may be contained as a salt together with counter ions.
電解液15に含まれるリチウムイオンは、電気化学反応の主体であり、その含有量は、従来のリチウム硫黄固体電池における含有量と同様でもよいし、より高い濃度であってもよい。従来のリチウム硫黄固体電池では、例えば、グライム-リチウム塩錯体からなる溶媒和イオン液体がリチウムイオンの移動媒体(キャリア)となっている。 The lithium ions contained in the electrolyte solution 15 are the main ion carriers for the electrochemical reaction, and their content may be the same as that in conventional lithium-sulfur solid-state batteries, or may be at a higher concentration. In conventional lithium-sulfur solid-state batteries, for example, a solvated ionic liquid consisting of a glyme-lithium salt complex serves as a carrier for the lithium ions.
電解液15に含まれる溶媒は、リチウムイオンを溶解可能なものであれば特に制限されず、イオン液体を含むことが好ましい。
電解液15がイオン液体を含むことにより、リチウム硫黄固体電池1の電池特性がより向上する。電解液15が含むイオン液体は、1種のみでもよいし、2種以上でもよい。
The solvent contained in the electrolytic solution 15 is not particularly limited as long as it can dissolve lithium ions, and preferably contains an ionic liquid.
The inclusion of an ionic liquid in electrolytic solution 15 further improves the battery characteristics of lithium-sulfur solid state battery 1. Electrolytic solution 15 may contain only one type of ionic liquid, or two or more types of ionic liquid.
イオン液体としては、従来のリチウム硫黄固体電池に使用されるイオン液体が適用できる。種々のイオン液体のなかでも、電池特性を向上させることができることから、グライム-リチウム塩錯体からなる溶媒和イオン液体であることが好ましい。 The ionic liquid used in conventional lithium-sulfur solid-state batteries can be used. Among the various ionic liquids, a solvated ionic liquid consisting of a glyme-lithium salt complex is preferred because it can improve battery characteristics.
グライム-リチウム塩錯体におけるリチウム塩としては、例えば、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiN(SO2F)2、略称:LiFSI)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiN(SO2CF3)2、略称:LiTFSI)等が挙げられる。 Examples of the lithium salt in the glyme-lithium salt complex include lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiN(SO 2 F) 2 , abbreviated as LiFSI) and lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiN(SO 2 CF 3 ) 2 , abbreviated as LiTFSI).
グライム-リチウム塩錯体におけるグライムとしては、例えば、トリエチレングリコールジメチルエーテル(略称:トリグライム)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(略称:テトラグライム)等が挙げられる。 Examples of glymes in glyme-lithium salt complexes include triethylene glycol dimethyl ether (abbreviated as triglyme) and tetraethylene glycol dimethyl ether (abbreviated as tetraglyme).
好ましいグライム-リチウム塩錯体としては、例えば、トリグライム-LiFSI錯体、テトラグライム-LiFSI錯体、トリグライム-LiTFSI錯体、テトラグライム-LiTFSI錯体等が挙げられる。 Preferred glyme-lithium salt complexes include, for example, triglyme-LiFSI complex, tetraglyme-LiFSI complex, triglyme-LiTFSI complex, and tetraglyme-LiTFSI complex.
電解液15には、本発明の趣旨を損なわない限り、その他の添加剤が含まれていてもよい。その他の添加剤として、例えば、リチウムボロハイドライド(LiBH4)、リチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)等が挙げられる。これらの添加剤は金属リチウムの析出を抑制し得る。 The electrolyte solution 15 may contain other additives as long as they do not impair the spirit of the present invention. Examples of other additives include lithium borohydride (LiBH 4 ), lithium bis(oxalato)borate (LiBOB), etc. These additives can suppress the precipitation of metallic lithium.
<その他の実施形態>
図1のリチウム硫黄固体電池1のリチウムイオン伝導層14は任意の構成であり、省略が可能である。本態様のリチウム硫黄固体電池は、例えば、図2に示す積層構造を有していてもよい。図2における図1と同じ構成要素には、図1と同じ符号を付けている。
リチウム硫黄固体電池2の電解液15は、図示しない容器によって固体電解質13とLi-Al合金負極12の間に保持されている。
<Other embodiments>
The lithium ion conductive layer 14 of the lithium-sulfur solid state battery 1 in Fig. 1 has an optional configuration and can be omitted. The lithium-sulfur solid state battery of this embodiment may have, for example, a layered structure shown in Fig. 2. The same components in Fig. 2 as those in Fig. 1 are denoted by the same reference numerals as those in Fig. 1.
The electrolyte 15 of the lithium-sulfur solid state battery 2 is held between the solid electrolyte 13 and the Li—Al alloy negative electrode 12 by a container (not shown).
<リチウム硫黄固体電池の製造方法>
本態様のリチウム硫黄固体電池は、負極としてLi-Al合金を用いる点を除いて、公知のリチウム硫黄固体電池と同様に製造することができる。
<Method of manufacturing a lithium-sulfur solid-state battery>
The lithium-sulfur solid state battery of this embodiment can be manufactured in the same manner as known lithium-sulfur solid state batteries, except that a Li—Al alloy is used as the negative electrode.
以下、実施例を説明するが、本発明は実施例だけに限定されるものではない。 The following describes examples, but the present invention is not limited to these examples.
<ハーフセルの製造>
[実施例1]
電解液の調製は次のように行った。LiTFSIの1gとテトラグライムの0.774gを混合して溶媒和イオン液体1.774gを得た。電解液中のLiTFSI:テトラグライムのモル比は1:1とした。
上記で得た電解液80μLをポリイミド製シート(直径17mm、厚さ30μm)からなる本体部に充分に含浸させて、リチウムイオン伝導層を得た。
<Manufacturing half cells>
[Example 1]
The electrolyte solution was prepared as follows: 1 g of LiTFSI and 0.774 g of tetraglyme were mixed to obtain 1.774 g of solvated ionic liquid. The molar ratio of LiTFSI to tetraglyme in the electrolyte solution was 1:1.
A main body made of a polyimide sheet (diameter 17 mm, thickness 30 μm) was thoroughly impregnated with 80 μL of the electrolyte solution obtained above to obtain a lithium ion conductive layer.
Li-Al合金(Li:Alモル比=90:10)からなる負極(直径15mm、厚さ600μm)と、上記の電解液を含むリチウムイオン伝導層と、Li-Al合金(Li:Alモル比=90:10)からなる正極(直径15mm、厚さ600μm)と、をこの順に、これらの厚さ方向において同心状に積層し、コイン型のハーフセルを製造した。 A coin-shaped half cell was produced by concentrically stacking a negative electrode (diameter 15 mm, thickness 600 μm) made of a Li-Al alloy (Li:Al molar ratio = 90:10), a lithium ion conductive layer containing the above electrolyte, and a positive electrode (diameter 15 mm, thickness 600 μm) made of a Li-Al alloy (Li:Al molar ratio = 90:10) in this order in the thickness direction.
[実施例2]
正極および負極に用いたLi-Al合金のLi:Alモル比を80:20に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、コイン型のハーフセルを製造した。
[Example 2]
A coin-shaped half cell was produced in the same manner as in Example 1, except that the Li:Al molar ratio of the Li-Al alloy used in the positive electrode and negative electrode was changed to 80:20.
[比較例1]
Li-Al合金からなる負極の代わりに、リチウム箔からなるLi負極(Li:Alモル比=100:0)を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、コイン型のハーフセルを製造した。
[Comparative Example 1]
A coin-shaped half cell was produced in the same manner as in Example 1, except that a Li negative electrode made of lithium foil (Li:Al molar ratio = 100:0) was used instead of the negative electrode made of Li-Al alloy.
<サイクル特性の評価>
実施例1~2、比較例1で製造したハーフセルを使用し、80℃の温度条件下で、放電レート2C、充電レート2Cの充放電を1サイクルとして、充放電サイクルを繰り返し行い、充電又は放電が不能になるまでのサイクルを計測した。その結果のグラフを図3に示す。
測定結果から、実施例1及び実施例2のLi-Al合金からなる負極を用いたハーフセルのサイクル特性は、Li箔からなる負極を用いた比較例1のハーフセルよりも優れていることが明らかである。
また、実施例1と実施例2を比較すると、実施例1のLi-Al合金からなる負極のLi含有量が高いので高出力が得られるうえに、サイクル特性もより一層優れることが確認された。
<Evaluation of cycle characteristics>
Using the half cells produced in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, charge/discharge cycles were repeated at a temperature of 80°C, with one cycle consisting of a discharge rate of 2C and a charge rate of 2C, and the number of cycles until charging or discharging became impossible was measured. The results are shown in a graph in Figure 3.
The measurement results clearly show that the cycle characteristics of the half cells using negative electrodes made of Li-Al alloys in Examples 1 and 2 are superior to those of the half cell of Comparative Example 1 using a negative electrode made of Li foil.
Furthermore, when comparing Example 1 and Example 2, it was confirmed that the negative electrode made of the Li-Al alloy in Example 1 has a high Li content, and therefore not only can a high output be obtained, but the cycle characteristics are also further improved.
<負極の表面状態の観察>
実施例1~2、比較例1と同様に新たに製造したハーフセルを使用し、80℃の温度条件下で、放電レート2C、充電レート2Cの充放電を1サイクルとして、充放電サイクルを繰り返し行い、90サイクルで充放電を終了し(すなわち、比較例1のハーフセルが短絡する直前に終了し)、各ハーフセルから負極を取り出した。
取り出した負極のリチウムイオン伝導層側に配置されていた表面をSEMで観察したところ、図6に示す様に、比較例1のLi負極の表面には金属リチウムが析出して形成されたと考えられる大きな凹凸が多数確認された。一方、図4、図5に示すように、実施例1~2のLi-Al合金からなる負極の表面は、小さな凹凸模様が確認されるのみで比較例1よりも平滑であった。実施例1のLi-Al合金からなる負極の表面は、一部に凹凸が形成されているものの、大部分は実施例2及び比較例1の表面よりも平滑であった。この負極表面の状態は、サイクル特性を反映していると考えられる。
<Observation of the surface condition of the negative electrode>
As in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, newly produced half cells were used, and charge/discharge cycles were repeatedly performed at a temperature of 80°C, with one cycle consisting of a discharge rate of 2C and a charge rate of 2C. The charge/discharge cycle was terminated after 90 cycles (i.e., immediately before the half cell of Comparative Example 1 was short-circuited), and the negative electrode was removed from each half cell.
When the surface of the removed negative electrode located on the lithium ion conductive layer side was observed with an SEM, numerous large irregularities presumably formed by the deposition of metallic lithium were confirmed on the surface of the Li negative electrode of Comparative Example 1, as shown in FIG. 6. On the other hand, as shown in FIGS. 4 and 5, the surfaces of the negative electrodes made of the Li-Al alloys of Examples 1 and 2 were smoother than those of Comparative Example 1, with only small irregularities being confirmed. The surface of the negative electrode made of the Li-Al alloy of Example 1 was partially uneven, but was mostly smoother than the surfaces of Example 2 and Comparative Example 1. It is believed that this state of the negative electrode surface reflects the cycle characteristics.
以上の結果から、本発明のリチウム硫黄固体電池にあっては、特定のモル比のLi-Al合金を負極として用いたことにより、サイクル特性が向上していることが明らかである。
なお、実施例2は比較例である。
From the above results, it is clear that the lithium-sulfur solid state battery of the present invention has improved cycle characteristics by using a Li-Al alloy with a specific molar ratio as the negative electrode.
It should be noted that Example 2 is a comparative example.
なお、二次電池の試験においてハーフセルを使用することは一般的であり、上記で製造したハーフセルを用いた試験の結果は、本発明に係るリチウム硫黄固体電池を用いた試験においても同様に得られる結果である。 It is common to use half cells in testing secondary batteries, and the test results using the half cells manufactured above are similar to those obtained in tests using the lithium-sulfur solid state battery according to the present invention.
1,2…リチウム硫黄固体電池、11…硫黄正極、12…Li-Al合金負極、
13…固体電解質、14…リチウムイオン伝導層、15…電解液又は電解質ゲル
1, 2... Lithium-sulfur solid state battery, 11... sulfur positive electrode, 12... Li-Al alloy negative electrode
13... solid electrolyte, 14... lithium ion conductive layer, 15... electrolyte solution or electrolyte gel
Claims (4)
前記固体電解質は、前記硫黄正極と前記Li-Al合金負極との間に配置され、
前記Li-Al合金負極におけるリチウムとアルミニウムのモル比が、95:5~85:15である、リチウム硫黄固体電池。 The battery comprises a sulfur positive electrode, a Li-Al alloy negative electrode, and a solid electrolyte;
the solid electrolyte is disposed between the sulfur positive electrode and the Li-Al alloy negative electrode;
The lithium-sulfur solid state battery, wherein the molar ratio of lithium to aluminum in the Li-Al alloy negative electrode is 95:5 to 85:15 .
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