JP7769290B2 - Positive electrode material for electric device, and positive electrode for electric device and electric device using the same - Google Patents
Positive electrode material for electric device, and positive electrode for electric device and electric device using the sameInfo
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Description
本発明は、電気デバイス用正極材料並びにこれを用いた電気デバイス用正極および電気デバイスに関する。 The present invention relates to a positive electrode material for an electric device, as well as a positive electrode for an electric device and an electric device using the same.
近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの非水電解質二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, there has been a strong desire to reduce carbon dioxide emissions in order to combat global warming. The automotive industry is pinning its hopes on reducing carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and there has been active development of non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as motor drive secondary batteries, which hold the key to commercializing these vehicles.
モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウム二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、現実的な全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウム二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 Secondary batteries for driving motors are required to have extremely high output characteristics and high energy compared to consumer lithium secondary batteries used in mobile phones, laptops, etc. Therefore, lithium secondary batteries, which have the highest theoretical energy of all practical batteries, are attracting attention and are currently being rapidly developed.
ここで、現在一般に普及しているリチウム二次電池は、電解質に可燃性の有機電解液を用いている。このような液系リチウム二次電池では、液漏れ、短絡、過充電などに対する安全対策が他の電池よりも厳しく求められる。 Currently widely used lithium secondary batteries use a flammable organic electrolyte. These liquid-based lithium secondary batteries require stricter safety measures against leakage, short circuits, overcharging, and other issues than other batteries.
そこで近年、電解質に酸化物系や硫化物系の固体電解質を用いた全固体リチウム二次電池に関する研究開発が盛んに行われている。固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しない。 In recent years, therefore, there has been active research and development into all-solid-state lithium secondary batteries that use oxide- or sulfide-based solid electrolytes. Solid electrolytes are materials primarily composed of ionic conductors that allow ions to be conducted in a solid state. For this reason, all-solid-state lithium secondary batteries do not, in principle, encounter the various problems associated with flammable organic electrolytes that occur with conventional liquid-based lithium secondary batteries.
従来、硫化物固体電解質を用いて電極活物質の表面を被覆することにより、電極活物質および硫化物固体電解質材料の界面における高抵抗層の形成を抑制し、電池の高出力化を図る技術が知られていた。しかしながら、このような電極材料では、当該電極材料が導電助剤を含む場合に当該導電助剤の分散性が十分でないことに起因して、電池の内部抵抗を十分に低減させることができないという問題があった。 A conventional technology has been known in which the surface of an electrode active material is coated with a sulfide solid electrolyte to suppress the formation of a high-resistance layer at the interface between the electrode active material and the sulfide solid electrolyte material, thereby increasing the output of the battery. However, when such electrode materials contain a conductive additive, the dispersibility of the conductive additive is insufficient, making it impossible to sufficiently reduce the internal resistance of the battery.
このような問題を解決することを目的として、特許文献1では、電極活物質の粒子に硫化物固体電解質を被覆してなる複合活物質粒子に加えて、繊維状の導電助剤と、当該複合活物質粒子よりも平均粒子径の小さい硫化物固体電解質粒子とをさらに配合して電極材料とする技術が提案されている。特許文献1では、このような構成とすることで、電池の内部抵抗を低減させることが可能であるとされている。 To solve these problems, Patent Document 1 proposes a technology for creating an electrode material by further blending composite active material particles, which are made by coating particles of electrode active material with a sulfide solid electrolyte, with a fibrous conductive additive and sulfide solid electrolyte particles with an average particle size smaller than that of the composite active material particles. Patent Document 1 claims that this configuration makes it possible to reduce the internal resistance of the battery.
上述した特許文献1に記載の技術は、電池の出力特性を向上させるべく、主として電池の寿命初期(BOL;Beginning Of Life)における内部抵抗の低減を図ることを目的としたものである。ここで、本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載の技術を電気デバイス用の正極材料に採用したときに、当該正極材料が適用された電気デバイスのサイクル耐久性が十分に確保されない場合があることが判明した。 The technology described in Patent Document 1 above aims to improve the output characteristics of a battery by reducing internal resistance primarily at the beginning of battery life (BOL; Beginning of Life). However, the inventors' investigations have revealed that when the technology described in Patent Document 1 is employed in a positive electrode material for an electrical device, the cycle durability of the electrical device to which the positive electrode material is applied may not be sufficiently ensured.
そこで本発明は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質、導電助剤および固体電解質を含む正極材料を用いた電気デバイスにおいて、サイクル耐久性をよりいっそう向上させうる手段を提供することを目的とする。 The present invention therefore aims to provide a means for further improving the cycle durability of electrical devices that use positive electrode materials containing a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions, a conductive additive, and a solid electrolyte.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、正極材料を成形して得られる正極活物質層の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した際の観察画像における正極活物質および固体電解質のそれぞれの面積のプロファイルが所定の関係を満足するように制御することで、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The inventors conducted extensive research to solve the above-mentioned problems. As a result, they discovered that the above-mentioned problems could be solved by controlling the area profiles of the positive electrode active material and solid electrolyte in an image obtained by observing a cross section of a positive electrode active material layer obtained by molding a positive electrode material using a scanning electron microscope so that they satisfy a predetermined relationship, leading to the completion of the present invention.
本発明の一形態は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質と、導電助剤と、固体電解質と、を含む電気デバイス用正極材料に関する。そして、当該正極材料は、当該正極材料を成形して得られる正極活物質層の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した際の観察画像に占める、前記正極活物質および前記固体電解質の面積割合をそれぞれVAMおよびVSEとし、前記観察画像における前記導電助剤から前記正極活物質の平均粒子径(D50)までの距離に存在する前記正極活物質および前記固体電解質の面積割合をそれぞれSAMおよびSSEとしたときに、下記数式1で表されるSV比の値が1よりも大きい点に特徴がある。 One aspect of the present invention relates to a cathode material for an electric device, the cathode material comprising a cathode active material capable of absorbing and releasing lithium ions, a conductive additive, and a solid electrolyte. The cathode material is characterized in that, when a cross-section of a cathode active material layer obtained by molding the cathode material is observed using a scanning electron microscope, the area proportions of the cathode active material and the solid electrolyte in an observed image are defined as V AM and V SE , respectively, and the area proportions of the cathode active material and the solid electrolyte present at a distance from the conductive additive to an average particle diameter (D50) of the cathode active material in the observed image are defined as S AM and S SE , respectively.
本発明によれば、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質、導電助剤および固体電解質を含む正極材料を用いた電気デバイスにおいて、サイクル耐久性をよりいっそう向上させることができる。 The present invention makes it possible to further improve cycle durability in electrical devices that use a positive electrode material containing a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions, a conductive additive, and a solid electrolyte.
以下、図面を参照しながら、上述した本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。以下では、二次電池の一形態である、積層型(内部並列接続型)の全固体リチウム二次電池を例に挙げて本発明を説明する。上述したように、全固体リチウム二次電池を構成する固体電解質は、固体中でイオン伝導が可能なイオン伝導体を主体として構成される材料である。このため、全固体リチウム二次電池においては、従来の液系リチウム二次電池のように可燃性の有機電解液に起因する各種問題が原理的に発生しないという利点がある。また一般に、高電位・大容量の正極材料、大容量の負極材料を用いると電池の出力密度およびエネルギー密度の大幅な向上が図れるという利点もある。 The following describes the above-described embodiments of the present invention with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the claims and is not limited to the following embodiments. Note that the dimensional proportions in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual proportions. The following describes the present invention using a stacked-type (internal parallel connection) all-solid-state lithium secondary battery, which is one form of secondary battery. As described above, the solid electrolyte that constitutes an all-solid-state lithium secondary battery is a material composed primarily of an ion conductor capable of ion conduction in a solid. Therefore, all-solid-state lithium secondary batteries have the advantage that, in principle, they do not encounter the various problems associated with flammable organic electrolytes, as occurs in conventional liquid-based lithium secondary batteries. Furthermore, the use of high-potential, high-capacity positive electrode materials and high-capacity negative electrode materials generally has the advantage of significantly improving the battery's output density and energy density.
本発明の一形態は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質と、導電助剤と、固体電解質と、を含む電気デバイス用正極材料であって、正極材料を成形して得られる正極活物質層の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した際の観察画像に占める、前記正極活物質および前記固体電解質の面積割合をそれぞれVAMおよびVSEとし、前記観察画像における前記導電助剤から前記正極活物質の平均粒子径(D50)までの距離に存在する前記正極活物質および前記固体電解質の面積割合をそれぞれSAMおよびSSEとしたときに、下記数式1: One embodiment of the present invention is a positive electrode material for an electric device, comprising a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions, a conductive additive, and a solid electrolyte, wherein when a cross section of a positive electrode active material layer obtained by molding the positive electrode material is observed using a scanning electron microscope, the area proportions of the positive electrode active material and the solid electrolyte in an observed image are defined as V AM and V SE , respectively, and the area proportions of the positive electrode active material and the solid electrolyte present at a distance from the conductive additive to an average particle diameter (D50) of the positive electrode active material in the observed image are defined as S AM and S ...
で表されるSV比の値が1よりも大きいことを特徴とする、電気デバイス用正極材料である。本形態に係る電気デバイス用正極材料によれば、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質、導電助剤および固体電解質を含む正極材料を用いた電気デバイスにおいて、サイクル耐久性をよりいっそう向上させることができる。 This positive electrode material for an electric device is characterized by having an SV ratio represented by the formula: greater than 1. The positive electrode material for an electric device according to this embodiment can further improve the cycle durability of an electric device that uses a positive electrode material containing a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions, a conductive additive, and a solid electrolyte.
図1は、本発明に係る正極材料の一実施形態である扁平積層型の全固体リチウム二次電池の外観を表した斜視図である。図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。積層型とすることで、電池をコンパクトにかつ高容量化することができる。なお、本明細書においては、図1および図2に示す扁平積層型の双極型でないリチウム二次電池(以下、単に「積層型電池」とも称する)を例に挙げて詳細に説明する。ただし、本形態に係るリチウム二次電池の内部における電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。 Figure 1 is a perspective view showing the appearance of a flat-layered all-solid-state lithium secondary battery, which is one embodiment of the positive electrode material of the present invention. Figure 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 in Figure 1. The layered structure allows the battery to be compact and have a high capacity. This specification will explain in detail the flat-layered, non-bipolar lithium secondary battery (hereinafter simply referred to as a "layered battery") shown in Figures 1 and 2 as an example. However, when viewed from the perspective of the internal electrical connection configuration (electrode structure) of the lithium secondary battery of this embodiment, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries.
図1に示すように、積層型電池10aは、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための負極集電板25、正極集電板27が引き出されている。発電要素21は、積層型電池10aの電池外装材(ラミネートフィルム29)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は、負極集電板25および正極集電板27を外部に引き出した状態で密封されている。 As shown in Figure 1, the stacked battery 10a has a flat, rectangular shape, with a negative electrode current collector 25 and a positive electrode current collector 27 extending from both sides for extracting power. The power generating element 21 is wrapped in the battery exterior material (laminate film 29) of the stacked battery 10a, and its periphery is heat-sealed, sealing the power generating element 21 with the negative electrode current collector 25 and positive electrode current collector 27 extending to the outside.
なお、本形態に係るリチウム二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型のリチウム二次電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材にラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムを含むラミネートフィルムの内部に収容される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium secondary battery according to this embodiment is not limited to a laminated, flat shape. A wound lithium secondary battery may be cylindrical, or may be a cylindrical battery modified to have a flat, rectangular shape, and is not particularly limited. The cylindrical battery may use a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) as its exterior material, and is not particularly limited. Preferably, the power generating element is housed inside a laminate film containing aluminum. This configuration can achieve weight reduction.
また、図1に示す集電板(25、27)の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。負極集電板25と正極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、負極集電板25と正極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図1に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウム電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Furthermore, there are no particular limitations on how the current collectors (25, 27) shown in Figure 1 are removed. The negative current collector 25 and the positive current collector 27 may be pulled out from the same side, or the negative current collector 25 and the positive current collector 27 may each be divided into multiple pieces and removed from each side; they are not limited to what is shown in Figure 1. Furthermore, in wound-type lithium batteries, terminals may be formed using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of tabs.
図2に示すように、本実施形態の積層型電池10aは、実際に充放電反応が進行する扁平略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、固体電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。正極は、正極集電体11”の両面に正極活物質を含有する正極活物質層15が配置された構造を有する。負極は、負極集電体11’の両面に負極活物質を含有する負極活物質層13が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、固体電解質層17を介して対向するようにして、正極、固体電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、固体電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。 As shown in Figure 2, the stacked battery 10a of this embodiment has a structure in which a flat, approximately rectangular power generating element 21, where the actual charge/discharge reaction takes place, is sealed inside a laminate film 29, which is the battery exterior material. Here, the power generating element 21 has a structure in which a positive electrode, a solid electrolyte layer 17, and a negative electrode are stacked. The positive electrode has a structure in which positive electrode active material layers 15 containing positive electrode active material are disposed on both sides of a positive electrode current collector 11". The negative electrode has a structure in which negative electrode active material layers 13 containing negative electrode active material are disposed on both sides of a negative electrode current collector 11'. Specifically, the positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode are stacked in this order so that one positive electrode active material layer 15 faces the adjacent negative electrode active material layer 13 with the solid electrolyte layer 17 interposed between them. As a result, the adjacent positive electrode, solid electrolyte layer, and negative electrode constitute a single cell layer 19. Therefore, the stacked battery 10a shown in Figure 1 can be said to have a configuration in which a plurality of cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel.
図2に示すように、発電要素21の両最外層に位置する最外層負極集電体には、いずれも片面のみに負極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、場合によっては、集電体(11’,11”)を用いることなく、負極活物質層13および正極活物質層15をそれぞれ負極および正極として用いてもよい。 As shown in FIG. 2, the outermost negative electrode current collectors located on both outermost layers of the power generating element 21 each have a negative electrode active material layer 13 disposed on only one side, but active material layers may be provided on both sides. In other words, instead of using a current collector exclusively for the outermost layer with an active material layer provided on only one side, a current collector with active material layers on both sides may be used as the outermost current collector. In some cases, the negative electrode active material layer 13 and the positive electrode active material layer 15 may be used as the negative electrode and positive electrode, respectively, without using current collectors (11', 11").
負極集電体11’および正極集電体11”は、各電極(正極および負極)と導通される負極集電板(タブ)25および正極集電板(タブ)27がそれぞれ取り付けられ、電池外装材であるラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11”および負極集電体11’に超音波溶接や抵抗溶接などにより取り付けられていてもよい。 The negative electrode current collector 11' and the positive electrode current collector 11" are respectively fitted with a negative electrode current collector (tab) 25 and a positive electrode current collector (tab) 27 that are electrically connected to the respective electrodes (positive and negative electrodes), and are structured so as to be sandwiched between the edges of the laminate film 29, which is the battery outer casing, and extend to the outside of the laminate film 29. The positive electrode current collector 27 and the negative electrode current collector 25 may be attached to the positive electrode current collector 11" and the negative electrode current collector 11' of each electrode via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown) by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, as necessary.
以下、本形態に係る正極材料の実施形態であるリチウム二次電池の主要な構成部材について説明する。 The following describes the main components of a lithium secondary battery, which is an embodiment of the positive electrode material according to this embodiment.
[集電体]
集電体は、電極活物質層からの電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the transfer of electrons from the electrode active material layer. There are no particular limitations on the material constituting the current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material constituting the current collector.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. Other materials that may be used include clad materials of nickel and aluminum, and clad materials of copper and aluminum. Foils in which the metal surface is coated with aluminum may also be used. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the standpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering.
また、後者の導電性を有する樹脂としては、導電性高分子材料や非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 The latter conductive resins include resins made from conductive polymer materials or non-conductive polymer materials to which conductive fillers have been added as needed.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of non-conductive polymeric materials include polyethylene (PE; high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), and polystyrene (PS). Such non-conductive polymeric materials may have excellent potential resistance or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 Conductive fillers can be added to the above-mentioned conductive polymer materials or non-conductive polymer materials as needed. In particular, when the resin that forms the base material of the current collector consists solely of non-conductive polymers, a conductive filler is inevitably required to impart conductivity to the resin.
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 Any conductive filler can be used without particular restrictions, as long as it is a conductive material. Examples of materials with excellent conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties include metals and conductive carbon. There are no particular restrictions on the metal, but it is preferable that it contains at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or an alloy or metal oxide containing such a metal. There are also no particular restrictions on the conductive carbon. It is preferable that it contains at least one material selected from the group consisting of acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjen Black (registered trademark), carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon nanoballoons, and fullerenes.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、集電体の全質量100質量%に対して5~80質量%である。 There are no particular restrictions on the amount of conductive filler added, as long as it is an amount that can impart sufficient conductivity to the current collector. Generally, it is 5 to 80% by mass, based on 100% by mass of the total mass of the current collector.
なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。さらに、後述する負極活物質層や正極活物質層がそれ自体で導電性を有し集電機能を発揮できるのであれば、これらの電極活物質層とは別の部材としての集電体を用いなくともよい。このような形態においては、後述する負極活物質層がそのまま負極を構成し、後述する正極活物質層がそのまま正極を構成することとなる。 The current collector may have a single layer structure made of a single material, or a laminate structure made of an appropriate combination of layers made of these materials. From the perspective of reducing the weight of the current collector, it is preferable for it to contain at least a conductive resin layer made of a conductive resin. Furthermore, from the perspective of blocking the movement of lithium ions between the cell layers, a metal layer may be provided on part of the current collector. Furthermore, if the negative electrode active material layer and positive electrode active material layer described below are themselves conductive and can perform a current collecting function, it is not necessary to use a current collector as a separate component from these electrode active material layers. In such a configuration, the negative electrode active material layer described below directly constitutes the negative electrode, and the positive electrode active material layer described below directly constitutes the positive electrode.
[負極(負極活物質層)]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、負極活物質層13は、負極活物質を含む。負極活物質の種類としては、特に制限されないが、炭素材料、金属酸化物および金属活物質が挙げられる。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。また、金属酸化物としては、例えば、Nb2O5、Li4Ti5O12等が挙げられる。さらに、ケイ素系負極活物質やスズ系負極活物質が用いられてもよい。ここで、ケイ素およびスズは第14族元素に属し、非水電解質二次電池の容量を大きく向上させうる負極活物質であることが知られている。これらの単体は単位体積(質量)あたり多数の電荷担体(リチウムイオン等)を吸蔵および放出しうることから、高容量の負極活物質となる。ここで、ケイ素系負極活物質としては、Si単体を用いることが好ましい。また同様に、Si相とケイ素酸化物相との2相に不均化されたSiOx(0.3≦x≦1.6)などのケイ素酸化物を用いることも好ましい。この際、xの範囲は0.5≦x≦1.5であることがより好ましく、0.7≦x≦1.2であることがさらに好ましい。さらには、ケイ素を含有する合金(ケイ素含有合金系負極活物質)が用いられてもよい。一方、スズ元素を含む負極活物質(スズ系負極活物質)としては、Sn単体、スズ合金(Cu-Sn合金、Co-Sn合金)、アモルファススズ酸化物、スズケイ素酸化物等が挙げられる。このうち、アモルファススズ酸化物としてはSnB0.4P0.6O3.1が例示される。また、スズケイ素酸化物としてはSnSiO3が例示される。また、負極活物質として、リチウムを含有する金属を用いてもよい。このような負極活物質は、リチウムを含有する活物質であれば特に限定されず、リチウム金属のほか、リチウム含有合金が挙げられる。リチウム含有合金としては、例えば、Liと、In、Al、SiおよびSnの少なくとも1種との合金が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。負極活物質は、リチウム金属、リチウム含有合金、ケイ素系負極活物質またはスズ系負極活物質を含むことが好ましく、リチウム金属またはリチウム含有合金を含むことが特に好ましい。このように、負極活物質がリチウム金属またはリチウム含有合金を含む場合、本形態に係る二次電池は、充電過程において負極集電体上にリチウム金属またはリチウム含有合金を析出させる、いわゆるリチウム析出型のものでありうる。この場合、充電過程において負極集電体上に析出するリチウム金属またはリチウム含有合金からなる層が、リチウム二次電池の負極活物質層となる。したがって、充電過程の進行に伴って負極活物質層の厚さは大きくなり、放電過程の進行に伴って負極活物質層の厚さは小さくなる。完全放電時には負極活物質層は存在していなくともよいが、場合によってはある程度のリチウム金属またはリチウム含有合金からなる負極活物質層を完全放電時において配置しておいてもよい。
[Negative electrode (negative electrode active material layer)]
In the stacked battery according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 , the negative electrode active material layer 13 contains a negative electrode active material. The type of negative electrode active material is not particularly limited, but examples include carbon materials, metal oxides, and metal active materials. Examples of carbon materials include natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. Examples of metal oxides include Nb 2 O 5 and Li 4 Ti 5 O 12. Silicon-based negative electrode active materials and tin-based negative electrode active materials may also be used. Silicon and tin belong to Group 14 elements and are known to be negative electrode active materials that can significantly improve the capacity of nonaqueous electrolyte secondary batteries. These elements can absorb and release a large number of charge carriers (such as lithium ions) per unit volume (mass), resulting in high-capacity negative electrode active materials. Here, it is preferable to use Si as the silicon-based negative electrode active material. Similarly, it is also preferable to use silicon oxides such as SiO x (0.3≦x≦1.6) disproportionated into two phases, a Si phase and a silicon oxide phase. In this case, the range of x is more preferably 0.5≦x≦1.5, and even more preferably 0.7≦x≦1.2. Furthermore, an alloy containing silicon (silicon-containing alloy-based negative electrode active material) may be used. On the other hand, negative electrode active materials containing tin element (tin-based negative electrode active materials) include simple Sn, tin alloys (Cu—Sn alloys, Co—Sn alloys), amorphous tin oxide, tin silicon oxide, etc. Among these, an example of amorphous tin oxide is SnB 0.4 P 0.6 O 3.1 . An example of tin silicon oxide is SnSiO 3. Furthermore, a metal containing lithium may be used as the negative electrode active material. Such negative electrode active materials are not particularly limited as long as they are active materials containing lithium, and examples include lithium metal and lithium-containing alloys. Examples of lithium-containing alloys include alloys of Li and at least one of In, Al, Si, and Sn. In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination. Of course, negative electrode active materials other than those mentioned above may also be used. The negative electrode active material preferably includes lithium metal, a lithium-containing alloy, a silicon-based negative electrode active material, or a tin-based negative electrode active material, and particularly preferably includes lithium metal or a lithium-containing alloy. When the negative electrode active material includes lithium metal or a lithium-containing alloy, the secondary battery according to this embodiment may be a so-called lithium deposition type in which lithium metal or a lithium-containing alloy is deposited on the negative electrode current collector during charging. In this case, the layer of lithium metal or a lithium-containing alloy deposited on the negative electrode current collector during charging constitutes the negative electrode active material layer of the lithium secondary battery. Therefore, the thickness of the negative electrode active material layer increases as the charging process progresses, and the thickness of the negative electrode active material layer decreases as the discharging process progresses. The negative electrode active material layer does not need to be present during full discharge, but in some cases, a negative electrode active material layer made of a certain amount of lithium metal or lithium-containing alloy may be present during full discharge.
負極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。負極活物質が粒子形状である場合、その平均粒子径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒子径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 The shape of the negative electrode active material can be, for example, particulate (spherical, fibrous), thin film, etc. When the negative electrode active material is particulate, its average particle diameter (D50) is preferably, for example, in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, even more preferably in the range of 100 nm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm. In this specification, the average particle diameter (D50) of the active material can be measured by laser diffraction scattering.
負極活物質層における負極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 40 to 99% by mass, and more preferably in the range of 50 to 90% by mass.
負極活物質層は、固体電解質をさらに含むことが好ましい。負極活物質層が固体電解質を含むことにより、負極活物質層のイオン伝導性を向上させることができる。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質や酸化物固体電解質が挙げられるが、硫化物固体電解質であることが好ましい。 The negative electrode active material layer preferably further contains a solid electrolyte. By including a solid electrolyte in the negative electrode active material layer, the ionic conductivity of the negative electrode active material layer can be improved. Examples of solid electrolytes include sulfide solid electrolytes and oxide solid electrolytes, but a sulfide solid electrolyte is preferred.
硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(ただし、m、nは正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、Li2S-GeS2、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-LixMOy(ただし、x、yは正の数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれかである)等が挙げられる。なお、「Li2S-P2S5」の記載は、Li2SおよびP2S5を含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。 Examples of the sulfide solid electrolyte include LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 SP 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4 , Li 3 PS 4 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2 -LiI, Li 2 S-SiS 2 -LiBr, Li 2 S—SiS 2 —LiCl, Li 2 S—SiS 2 —B 2 S 3 —LiI, Li 2 S—SiS 2 —P 2 S 5 —LiI, Li 2 S—B 2 S 3 , Li 2 S—P 2 S 5 —Z m S n (where m and n are positive numbers and Z is Ge, Zn or Ga), Li 2 S—GeS 2 , Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 , Li 2 S—SiS 2 —Li x MO y (where x and y are positive numbers and M is P, Si, Ge, B, Al, Ga or In), etc. The term "Li 2 S-P 2 S 5 " means a sulfide solid electrolyte obtained using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5 , and the same applies to other terms.
硫化物固体電解質は、例えば、Li3PS4骨格を有していてもよく、Li4P2S7骨格を有していてもよく、Li4P2S6骨格を有していてもよい。Li3PS4骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4が挙げられる。また、Li4P2S7骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li7P3S11)が挙げられる。また、硫化物固体電解質として、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)PxS4(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、活物質層に含まれる硫化物固体電解質は、P元素を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、Li2S-P2S5を主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。好ましい一実施形態において、硫化物固体電解質はLi6PS5X(ここで、XはCl、BrもしくはIであり、好ましくはClである)を含む。 The sulfide solid electrolyte may have, for example, a Li 3 PS 4 skeleton, a Li 4 P 2 S 7 skeleton, or a Li 4 P 2 S 6 skeleton. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 3 PS 4 skeleton include LiI-Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4 , and Li 3 PS 4 . Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li-P-S solid electrolytes known as LPS (for example, Li 7 P 3 S 11 ). Examples of sulfide solid electrolytes that may be used include LGPS, which is represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (where x satisfies 0<x<1). In particular, the sulfide solid electrolyte contained in the active material layer is preferably a sulfide solid electrolyte containing P element, and the sulfide solid electrolyte is more preferably a material containing Li 2 S—P 2 S 5 as a main component. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain a halogen (F, Cl, Br, I). In a preferred embodiment, the sulfide solid electrolyte contains Li 6 PS 5 X (where X is Cl, Br, or I, preferably Cl).
また、硫化物固体電解質がLi2S-P2S5系である場合、Li2SおよびP2S5の割合は、モル比で、Li2S:P2S5=50:50~100:0の範囲内であることが好ましく、なかでもLi2S:P2S5=70:30~80:20であることが好ましい。 Furthermore, when the sulfide solid electrolyte is a Li 2 S—P 2 S 5 system, the molar ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is preferably within the range of Li 2 S:P 2 S 5 = 50:50 to 100:0, and particularly preferably Li 2 S:P 2 S 5 = 70:30 to 80:20.
また、硫化物固体電解質は、硫化物ガラスであってもよく、結晶化硫化物ガラスであってもよく、固相法により得られる結晶質材料であってもよい。なお、硫化物ガラスは、例えば原料組成物に対してメカニカルミリング(ボールミル等)を行うことにより得ることができる。また、結晶化硫化物ガラスは、例えば硫化物ガラスを結晶化温度以上の温度で熱処理を行うことにより得ることができる。また、硫化物固体電解質の常温(25℃)におけるイオン伝導度(例えば、Liイオン伝導度)は、例えば、1×10-5S/cm以上であることが好ましく、1×10-4S/cm以上であることがより好ましい。なお、固体電解質のイオン伝導度の値は、交流インピーダンス法により測定することができる。 The sulfide solid electrolyte may be sulfide glass, crystallized sulfide glass, or a crystalline material obtained by a solid-phase method. Sulfide glass can be obtained, for example, by mechanical milling (ball mill, etc.) a raw material composition. Crystallized sulfide glass can be obtained, for example, by heat treating sulfide glass at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature. The ionic conductivity (e.g., Li ion conductivity) of the sulfide solid electrolyte at room temperature (25°C) is preferably, for example, 1×10 −5 S/cm or more, and more preferably 1×10 −4 S/cm or more. The ionic conductivity value of the solid electrolyte can be measured by an AC impedance method.
酸化物固体電解質としては、例えば、NASICON型構造を有する化合物等が挙げられる。NASICON型構造を有する化合物の一例としては、一般式Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物(LAGP)、一般式Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0≦x≦2)で表される化合物(LATP)等が挙げられる。また、酸化物固体電解質の他の例としては、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO3)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.3N0.46)、LiLaZrO(例えば、Li7La3Zr2O12)等が挙げられる。 Examples of oxide solid electrolytes include compounds having a NASICON structure. Examples of compounds having a NASICON structure include compounds (LAGP) represented by the general formula Li1 + xAlxGe2 -x ( PO4 ) 3 (0≦x≦2) and compounds (LATP) represented by the general formula Li1 + xAlxTi2 -x ( PO4 ) 3 ( 0≦ x ≦2). Other examples of oxide solid electrolytes include LiLaTiO (e.g., Li0.34La0.51TiO3), LiPON (e.g., Li2.9PO3.3N0.46 ) , and LiLaZrO ( e.g., Li7La3Zr2O12 ) .
固体電解質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状、薄膜形状等が挙げられる。固体電解質が粒子形状である場合、その平均粒子径(D50)は、特に限定されないが、40μm以下であることが好ましく、20μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。一方、平均粒子径(D50)は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。 The shape of the solid electrolyte can be, for example, a particulate shape such as a spherical or oval sphere, or a thin film shape. When the solid electrolyte is particulate, its average particle diameter (D50) is not particularly limited, but is preferably 40 μm or less, more preferably 20 μm or less, and even more preferably 10 μm or less. On the other hand, the average particle diameter (D50) is preferably 0.01 μm or more, and more preferably 0.1 μm or more.
負極活物質層における固体電解質の含有量は、例えば、1~60質量%の範囲内であることが好ましく、10~50質量%の範囲内であることがより好ましい。 The solid electrolyte content in the negative electrode active material layer is preferably within the range of 1 to 60 mass%, and more preferably within the range of 10 to 50 mass%.
負極活物質層は、上述した負極活物質および固体電解質に加えて、導電助剤およびバインダの少なくとも1つをさらに含有していてもよい。 In addition to the above-mentioned negative electrode active material and solid electrolyte, the negative electrode active material layer may further contain at least one of a conductive additive and a binder.
導電助剤としては、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅、チタン等の金属、これらの金属を含む合金または金属酸化物;炭素繊維(具体的には、気相成長炭素繊維(VGCF)、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、活性炭素繊維等)、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンブラック(具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラック等)等のカーボンが挙げられるが、これらに限定されない。また、粒子状のセラミック材料や樹脂材料の周りに上記金属材料をめっき等でコーティングしたものも導電助剤として使用できる。これらの導電助剤のなかでも、電気的安定性の観点から、アルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、アルミニウム、ステンレス、銀、金、およびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種を含むことがより好ましく、カーボンを少なくとも1種を含むことがさらに好ましい。これらの導電助剤は、1種のみを単独で使用してもよいし、2種以上を併用しても構わない。 Examples of conductive additives include, but are not limited to, metals such as aluminum, stainless steel (SUS), silver, gold, copper, and titanium; alloys or metal oxides containing these metals; carbon fibers (specifically, vapor-grown carbon fibers (VGCF), polyacrylonitrile-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, rayon-based carbon fibers, activated carbon fibers, etc.); carbon nanotubes (CNT); and carbon black (specifically, acetylene black, Ketjen Black (registered trademark), furnace black, channel black, thermal lamp black, etc.). Conductive additives can also be used in which particulate ceramic or resin materials are coated with the above-mentioned metal materials by plating or other methods. Among these conductive additives, from the perspective of electrical stability, it is preferable to use at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, copper, titanium, and carbon. It is more preferable to use at least one selected from the group consisting of aluminum, stainless steel, silver, gold, and carbon, and even more preferable to use at least one type of carbon. These conductive additives may be used alone or in combination.
導電助剤の形状は、粒子状または繊維状であることが好ましい。導電助剤が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。 The conductive additive is preferably in the form of particles or fibers. When the conductive additive is in the form of particles, the shape of the particles is not particularly limited and may be any shape, such as powder, sphere, rod, needle, plate, column, irregular shape, scale, or spindle shape.
導電助剤が粒子状である場合の平均粒子径(一次粒子径)は、特に限定されるものではないが、電池の電気特性の観点から、0.01~10μmであることが好ましい。なお、本明細書において、「導電助剤の粒子径」としては、レーザー回折/散乱式粒度分布装置による50%累積径(D50)を採用するものとする。ただし、この手法による測定が不可能または著しく困難である場合には、活物質層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した際の観察画像から、画像認識処理により算出するものとする。この場合には、統計誤差の影響が小さくなるように、活物質層が厚さ方向にすべて収まる観察画像を用いて測定を行う。 When the conductive additive is particulate, the average particle diameter (primary particle diameter) is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10 μm from the perspective of the electrical characteristics of the battery. In this specification, the "particle diameter of the conductive additive" refers to the 50% cumulative diameter (D50) measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer. However, if measurement using this method is impossible or extremely difficult, the particle diameter is calculated using image recognition processing from an image of the cross section of the active material layer observed using a scanning electron microscope (SEM). In this case, to minimize the influence of statistical error, measurements are made using an image that contains the entire active material layer in the thickness direction.
負極活物質層が導電助剤を含む場合、当該負極活物質層における導電助剤の含有量は特に制限されないが、負極活物質層の合計質量に対して、好ましくは0~10質量%であり、より好ましくは2~8質量%であり、さらに好ましくは4~7質量%である。このような範囲であれば、負極活物質層においてより強固な電子伝導パスを形成することが可能となり、電池特性の向上に有効に寄与することが可能である。 When the negative electrode active material layer contains a conductive additive, the content of the conductive additive in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 0 to 10 mass %, more preferably 2 to 8 mass %, and even more preferably 4 to 7 mass %, relative to the total mass of the negative electrode active material layer. Within these ranges, a stronger electron conduction path can be formed in the negative electrode active material layer, which can effectively contribute to improving battery characteristics.
一方、バインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。 On the other hand, binders are not particularly limited, but examples include the following materials:
ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。 Thermoplastic polymers such as polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are replaced by other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyethernitrile, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer and its hydrogenated products, styrene-isoprene-styrene block copolymer and its hydrogenated products, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene Fluorine resins such as ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluororubber (VDF-HFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE ...hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber), vinylide Examples of suitable fluororubbers include vinylidene fluoride-based fluororubbers such as vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFMVE-TFE-based fluororubber), and vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubber (VDF-CTFE-based fluororubber), as well as epoxy resins. Among these, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferred.
負極活物質層の厚さは、目的とする二次電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the negative electrode active material layer varies depending on the configuration of the desired secondary battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.
[固体電解質層]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、固体電解質層は、上述した正極活物質層と負極活物質層との間に介在し、固体電解質を必須に含有する層である。
[Solid electrolyte layer]
In the stacked battery according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 , the solid electrolyte layer is interposed between the above-described positive electrode active material layer and negative electrode active material layer, and is a layer that essentially contains a solid electrolyte.
固体電解質層に含有される固体電解質の具体的な形態について特に制限はなく、負極活物質層の欄において例示した固体電解質およびその好ましい形態が同様に採用されうる。場合によっては、上述した固体電解質以外の固体電解質が併用されてもよい。 There are no particular restrictions on the specific form of the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer, and the solid electrolytes and their preferred forms exemplified in the section on the negative electrode active material layer can be used. In some cases, solid electrolytes other than those mentioned above may be used in combination.
固体電解質層は、上述した所定の固体電解質に加えて、バインダをさらに含有していてもよい。固体電解質層に含有されうるバインダについても、負極活物質層の欄において説明した例示および好ましい形態が同様に採用されうる。 The solid electrolyte layer may further contain a binder in addition to the above-mentioned specific solid electrolyte. The examples and preferred forms described in the section on the negative electrode active material layer can also be used for the binder that can be contained in the solid electrolyte layer.
固体電解質層の厚みは、目的とするリチウム二次電池の構成によっても異なるが、電池の体積エネルギー密度を向上させうるという観点からは、好ましくは600μm以下であり、より好ましくは500μm以下であり、さらに好ましくは400μm以下である。一方、固体電解質層の厚みの下限値について特に制限はないが、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは5μm以上であり、さらに好ましくは10μm以上である。 The thickness of the solid electrolyte layer varies depending on the configuration of the desired lithium secondary battery, but from the perspective of improving the volumetric energy density of the battery, it is preferably 600 μm or less, more preferably 500 μm or less, and even more preferably 400 μm or less. On the other hand, there is no particular lower limit on the thickness of the solid electrolyte layer, but it is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and even more preferably 10 μm or more.
[正極活物質層]
図1および図2に示す実施形態に係る積層型電池において、正極活物質層は、本発明の一形態に係る電気デバイス用正極材料を含む。当該電気デバイス用正極材料は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質と、導電助剤と、固体電解質とを含む。以下、本発明の一形態に係る正極材料の構成要素について、説明する。
[Cathode active material layer]
1 and 2 , the positive electrode active material layer contains a positive electrode material for an electric device according to one embodiment of the present invention. The positive electrode material for an electric device includes a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions, a conductive additive, and a solid electrolyte. The components of the positive electrode material according to one embodiment of the present invention will be described below.
(リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質)
リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質としては、二次電池の充電過程においてリチウムイオンを放出し、放電過程においてリチウムイオンを吸蔵しうる物質であれば特に制限されない。このような正極活物質の一例として、M1元素およびO元素を含有し、前記M1元素はLi、Mn、Ni、Co、Cr、FeおよびPからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含有するものが挙げられる。このような正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、Li(Ni-Mn-Co)O2等の層状岩塩型活物質、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4等のスピネル型活物質、LiFePO4、LiMnPO4等のオリビン型活物質、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等のSi含有活物質等が挙げられる。また上記以外の酸化物活物質としては、例えば、Li4Ti5O12、LiVO2が挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
(Positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions)
The positive electrode active material capable of absorbing and desorbing lithium ions is not particularly limited as long as it is a material that can release lithium ions during the charging process of the secondary battery and absorb lithium ions during the discharging process. An example of such a positive electrode active material is one that contains an M1 element and an O element, and the M1 element contains at least one element selected from the group consisting of Li, Mn, Ni, Co, Cr, Fe, and P. Examples of such positive electrode active materials include layered rock salt active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , and Li(Ni—Mn—Co)O 2 , spinel active materials such as LiMn 2 O 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , olivine active materials such as LiFePO 4 and LiMnPO 4 , and Si-containing active materials such as Li 2 FeSiO 4 and Li 2 MnSiO 4 . Examples of oxide active materials other than those listed above include Li 4 Ti 5 O 12 and LiVO 2 . In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Of course, positive electrode active materials other than those listed above may also be used.
好ましい実施形態において、正極活物質は、出力特性の観点から、Li(Ni-Mn-Co)O2またはこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換された組成を有するNMC複合酸化物を含む。ここで、正極活物質の全量100質量%に占める上記NMC複合酸化物の含有量の割合は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 In a preferred embodiment, from the viewpoint of output characteristics, the positive electrode active material contains Li(Ni-Mn-Co) O2 or an NMC composite oxide having a composition in which a portion of the transition metal in the NMC composite oxide is substituted with another element. Here, the content of the NMC composite oxide relative to the total amount (100 mass%) of the positive electrode active material is preferably 50 mass% or more, more preferably 70 mass% or more, even more preferably 80 mass% or more, even more preferably 90 mass% or more, particularly preferably 95 mass% or more, and most preferably 100 mass%.
正極活物質の形状は、粒子状である。正極活物質が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。正極活物質の平均粒子径は、出力特性の観点から、好ましくは10μm以下であり、より好ましくは1nm~10μmであり、さらに好ましくは10nm~9μmであり、特に好ましくは100nm~8μmであり、特に好ましくは1~7μmである。なお、本明細書において、「正極活物質の粒子径」としては、レーザー回折/散乱式粒度分布装置による50%累積径(D50)を採用するものとする。ただし、この手法による測定が不可能または著しく困難である場合には、活物質層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した際の観察画像から、画像認識処理により算出するものとする。この場合には、統計誤差の影響が小さくなるように、活物質層が厚さ方向にすべて収まる観察画像を用いて測定を行う。 The positive electrode active material is particulate. When the positive electrode active material is particulate, the particle shape is not particularly limited and may be any shape, such as powder, sphere, rod, needle, plate, column, irregular shape, scale, or spindle shape. From the perspective of output characteristics, the average particle diameter of the positive electrode active material is preferably 10 μm or less, more preferably 1 nm to 10 μm, even more preferably 10 nm to 9 μm, particularly preferably 100 nm to 8 μm, and particularly preferably 1 to 7 μm. In this specification, the "particle diameter of the positive electrode active material" refers to the 50% cumulative diameter (D50) measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer. However, if measurement using this method is impossible or extremely difficult, the particle diameter is calculated using image recognition processing of an image of a cross section of the active material layer observed using a scanning electron microscope (SEM). In this case, measurement is performed using an image that contains the entire active material layer in the thickness direction to minimize the influence of statistical error.
正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、例えば、30~99質量%の範囲内であることが好ましく、40~90質量%の範囲内であることがより好ましく、45~80質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 30 to 99% by mass, more preferably in the range of 40 to 90% by mass, and even more preferably in the range of 45 to 80% by mass.
(固体電解質)
本形態に係る正極材料は固体電解質を必須に含む。本形態に係る正極材料に含まれる固体電解質の具体的な形態について特に制限はなく、負極活物質層の欄において例示した固体電解質およびその好ましい形態が同様に採用されうる。場合によっては、上述した固体電解質以外の固体電解質が併用されてもよい。
(solid electrolyte)
The positive electrode material according to this embodiment essentially contains a solid electrolyte. There are no particular limitations on the specific form of the solid electrolyte contained in the positive electrode material according to this embodiment, and the solid electrolytes exemplified in the section on the negative electrode active material layer and their preferred forms may be similarly employed. In some cases, a solid electrolyte other than the above-mentioned solid electrolytes may be used in combination.
なかでも、本形態に係る正極材料に含まれる固体電解質は、イオン伝導度に優れるという観点から、硫化物固体電解質を含むことが好ましい。別の好ましい実施形態では、固体電解質層に含まれる固体電解質は、アルカリ金属原子を含有するものである。ここで、固体電解質に含まれうるアルカリ金属としては、Li、NaまたはKが挙げられるが、なかでもイオン伝導度に優れるという点でLiが好ましい。さらに他の好ましい実施形態では、正極材料に含まれる固体電解質は、アルカリ金属原子(例えば、Li、NaまたはK;好ましくはLi)と、リン原子および/またはホウ素原子と含有するものである。このようなアルカリ金属原子と、リン原子および/またはホウ素原子とを含有する硫化物固体電解質としては、例えば、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5、LiI-Li3PS4、LiI-LiBr-Li3PS4、Li3PS4、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(ただし、m、nは正の数であり、Zは、Ge、Zn、Gaのいずれかである)、Li2S-SiS2-Li3PO4等が挙げられる。また、Li4P2S7骨格を有する硫化物固体電解質としては、例えば、LPSと称されるLi-P-S系固体電解質(例えば、Li7P3S11)が挙げられる。また、例えば、Li(4-x)Ge(1-x)PxS4(xは、0<x<1を満たす)で表されるLGPS等を用いてもよい。なかでも、活物質層に含まれる硫化物固体電解質は、リン原子を含む硫化物固体電解質であることが好ましく、硫化物固体電解質は、Li2S-P2S5を主成分とする材料であることがより好ましい。さらに、硫化物固体電解質は、ハロゲン(F、Cl、Br、I)を含有していてもよい。好ましい一実施形態において、硫化物固体電解質はLi6PS5X(ここで、XはCl、BrもしくはIであり、好ましくはClである)を含む。これらの固体電解質は高いイオン伝導度を有していることから、本発明の作用効果の発現にも有効に寄与しうる。 In particular, the solid electrolyte contained in the positive electrode material according to this embodiment preferably contains a sulfide solid electrolyte from the viewpoint of excellent ionic conductivity. In another preferred embodiment, the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer contains alkali metal atoms. Here, examples of alkali metals that can be contained in the solid electrolyte include Li, Na, and K, with Li being preferred in terms of excellent ionic conductivity. In yet another preferred embodiment, the solid electrolyte contained in the positive electrode material contains alkali metal atoms (e.g., Li, Na, or K; preferably Li) and phosphorus and/or boron atoms. Examples of sulfide solid electrolytes containing such alkali metal atoms and phosphorus and/or boron atoms include LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 , LiI -Li 3 PS 4 , LiI-LiBr-Li 3 PS 4 , Li 3 PS 4 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI , Li 2 S - P 2 S 5 -Li 2 O , Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 -B 2 S 3 -LiI, and Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-B 2 S 3 , Li 2 S-P 2 S 5 -Z m S n (where m and n are positive numbers, and Z is Ge, Zn, or Ga), Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , etc. Examples of sulfide solid electrolytes having a Li 4 P 2 S 7 skeleton include Li-P-S solid electrolytes known as LPS (e.g., Li 7 P 3 S 11 ). Also, for example, LGPS, etc., represented by Li (4-x) Ge (1-x) P x S 4 (x satisfies 0<x<1), may be used. In particular, the sulfide solid electrolyte contained in the active material layer is preferably a sulfide solid electrolyte containing phosphorus atoms, and the sulfide solid electrolyte is more preferably a material containing Li 2 S—P 2 S 5 as a main component. Furthermore, the sulfide solid electrolyte may contain a halogen (F, Cl, Br, I). In a preferred embodiment, the sulfide solid electrolyte contains Li 6 PS 5 X (where X is Cl, Br, or I, preferably Cl). These solid electrolytes have high ionic conductivity and can therefore effectively contribute to the realization of the effects of the present invention.
本形態に係る正極材料に含まれる固体電解質の形状は、粒子状である。固体電解質が粒子状である場合、粒子の形状は特に限定されず、粉末状、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状等、いずれの形状であっても構わない。固体電解質の平均粒子径は、出力特性の観点から、好ましくは5μm以下であり、より好ましくは1nm~5μmであり、さらに好ましくは10nm~4.5μmであり、特に好ましくは100nm~4μmであり、特に好ましくは1~3μmである。なお、本明細書において、「固体電解質の粒子径」としては、レーザー回折/散乱式粒度分布装置による50%累積径(D50)を採用するものとする。ただし、この手法による測定が不可能または著しく困難である場合には、活物質層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した際の観察画像から、画像認識処理により算出するものとする。この場合には、統計誤差の影響が小さくなるように、活物質層が厚さ方向にすべて収まる観察画像を用いて測定を行う。 The solid electrolyte contained in the positive electrode material according to this embodiment is particulate. When the solid electrolyte is particulate, the particle shape is not particularly limited and may be any shape, such as powder, sphere, rod, needle, plate, column, irregular shape, scale, or spindle shape. From the viewpoint of output characteristics, the average particle diameter of the solid electrolyte is preferably 5 μm or less, more preferably 1 nm to 5 μm, even more preferably 10 nm to 4.5 μm, particularly preferably 100 nm to 4 μm, and particularly preferably 1 to 3 μm. In this specification, the "particle diameter of the solid electrolyte" refers to the 50% cumulative diameter (D50) measured by a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer. However, if measurement using this method is impossible or extremely difficult, the particle diameter is calculated by image recognition processing from an image of a cross section of the active material layer observed using a scanning electron microscope (SEM). In this case, measurement is performed using an image that contains the entire active material layer in the thickness direction, to minimize the influence of statistical error.
正極活物質層における固体電解質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、1~70質量%の範囲内であることが好ましく、10~60質量%の範囲内であることがより好ましく、20~55質量%の範囲内であることがさらに好ましい。 The content of solid electrolyte in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 70 mass%, more preferably in the range of 10 to 60 mass%, and even more preferably in the range of 20 to 55 mass%.
(導電助剤)
本形態に係る正極材料は、上述した正極活物質および固体電解質に加えて、導電助剤を必須に含む。導電助剤の具体的な形態および好ましい形態としては、負極活物質層の構成材料としての導電助剤について上述した形態が同様に採用されうるため、ここでは詳細な説明を省略する。
(Conductive additive)
The positive electrode material according to this embodiment essentially contains a conductive additive in addition to the positive electrode active material and solid electrolyte described above. Specific and preferred forms of the conductive additive may be the same as those described above for the conductive additive as a constituent material of the negative electrode active material layer, and therefore detailed description thereof will be omitted here.
正極活物質層における導電助剤の含有量は特に制限されないが、正極活物質層の合計質量に対して、好ましくは1~10質量%であり、より好ましくは2~8質量%であり、さらに好ましくは4~7質量%である。このような範囲であれば、正極活物質層においてより強固な電子伝導パスを形成することが可能となり、電池特性の向上に有効に寄与することが可能である。 The content of the conductive additive in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 10 mass %, more preferably 2 to 8 mass %, and even more preferably 4 to 7 mass %, relative to the total mass of the positive electrode active material layer. Within this range, a stronger electron conduction path can be formed in the positive electrode active material layer, which can effectively contribute to improving battery characteristics.
正極活物質層の厚さは、目的とする全固体電池の構成によっても異なるが、例えば、0.1~1000μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the positive electrode active material layer varies depending on the desired configuration of the all-solid-state battery, but is preferably within the range of 0.1 to 1000 μm, for example.
本形態に係る電気デバイス用正極材料は、当該正極材料を成形して得られる正極活物質層の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した際の観察画像における正極活物質および固体電解質のそれぞれの面積のプロファイルが所定の関係を満足するように制御されている点に特徴がある。具体的には、本形態に係る電気デバイス用正極材料を成形して得られる正極活物質層の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した際の観察画像に占める、前記正極活物質および前記固体電解質の面積割合をそれぞれVAMおよびVSEとし、前記観察画像における前記導電助剤から前記正極活物質の平均粒子径(D50)までの距離に存在する前記正極活物質および前記固体電解質の面積割合をそれぞれSAMおよびSSEとしたときに、下記数式1で表されるSV比の値が1よりも大きい点に特徴があるのである。 The positive electrode material for an electric device according to this embodiment is characterized in that, when a cross section of a positive electrode active material layer obtained by molding the positive electrode material is observed using a scanning electron microscope, the area profiles of the positive electrode active material and the solid electrolyte in an observation image are controlled to satisfy a predetermined relationship. Specifically, when the area proportions of the positive electrode active material and the solid electrolyte in an observation image of a cross section of a positive electrode active material layer obtained by molding the positive electrode material for an electric device according to this embodiment are defined as V AM and V SE , respectively, and the area proportions of the positive electrode active material and the solid electrolyte present at a distance from the conductive additive to the average particle diameter (D50) of the positive electrode active material in the observation image are defined as S AM and S SE , respectively, the value of the SV ratio, expressed by the following mathematical formula 1, is greater than 1:
なお、SV比の値を算出する具体的な手法としては、後述する実施例の欄に記載の手法を採用するものとする。ここでは、SV比の値を算出する手法について、図3を参照しつつ簡単に説明する。 The specific method for calculating the SV ratio value will be the method described in the Examples section below. Here, the method for calculating the SV ratio value will be briefly explained with reference to Figure 3.
まず、本形態に係る正極材料を用いて、後述する実施例の欄に記載の手法により、正極活物質層を作製する。次いで、正極活物質層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察して、図3(a)に示すような観察画像を取得する。 First, a positive electrode active material layer is fabricated using the positive electrode material according to the present embodiment by the method described in the Examples section below. Next, a cross section of the positive electrode active material layer is observed using a scanning electron microscope (SEM) to obtain an observation image such as that shown in Figure 3(a).
続いて、エネルギー分散型X線分析(EDX)により、上記で取得された観察画像について、C元素のマッピングを行うことにより、導電助剤(アセチレンブラック)の存在を検出する。また、同様にして、正極活物質および固体電解質の存在についても検出を行う。そして、観察画像に占める、正極活物質の面積割合(VAM)および固体電解質の面積割合(VSE)をそれぞれ算出する(図3(b)を参照)。 Next, the presence of the conductive additive (acetylene black) is detected by mapping the C element in the observed image obtained above using energy dispersive X-ray analysis (EDX). Similarly, the presence of the positive electrode active material and the solid electrolyte is also detected. The area ratio of the positive electrode active material (V AM ) and the area ratio of the solid electrolyte (V SE ) in the observed image are then calculated (see FIG. 3( b)).
その後、上記で検出された導電助剤の全てについて、導電助剤から正極活物質の平均粒子径(D50)までの距離に存在する正極活物質および固体電解質の領域を特定し、特定された各領域が観察画像に占める面積割合として、SAM(正極活物質)およびSSE(固体電解質)を算出する(図3(c)(d)を参照)。そして、このようにして算出されたVAM、VSE、SAMおよびSSEの値から、数式1に従ってSV比を算出する。 Then, for all of the conductive additives detected above, the regions of the positive electrode active material and solid electrolyte present at a distance from the conductive additive to the average particle diameter (D50) of the positive electrode active material are identified, and S AM (positive electrode active material) and S SE (solid electrolyte) are calculated as the area ratios of each identified region to the observed image (see FIGS. 3( c) and 3(d)). Then, the SV ratio is calculated from the values of V AM , V SE , S AM , and S SE calculated in this way according to Equation 1.
本形態に係る電気デバイス用正極材料は、上記のようにして算出されるSV比の値が1よりも大きい点に特徴がある。また、SV比の値が大きいほど、得られる電気デバイスのサイクル耐久性の向上効果が高いという利点がある。このような観点から、SV比の値は、好ましくは1.1以上であり、より好ましくは1.3以上であり、さらに好ましくは1.5以上である。SV比の上限値について特に制限はないが、通常は2.0以下である。 The positive electrode material for an electrical device according to this embodiment is characterized in that the SV ratio calculated as described above is greater than 1. Furthermore, the larger the SV ratio, the greater the effect of improving the cycle durability of the resulting electrical device. From this perspective, the SV ratio is preferably 1.1 or greater, more preferably 1.3 or greater, and even more preferably 1.5 or greater. There is no particular upper limit to the SV ratio, but it is usually 2.0 or less.
SV比の値が1よりも大きいことでリチウム二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性が大幅に向上するメカニズムは完全には明らかではないが、以下のメカニズムが推定されている。すなわち、数式1の右辺の分母(VAM/(VAM+VSE))は、正極材料中に含まれる正極活物質および固体電解質の合計に占める正極活物質の体積割合(仕込み比)を示すものとみなすことができる。一方、数式1の右辺の分子(SAM/(SAM+SSE))は、正極活物質層において導電助剤の周囲に存在する正極活物質の体積割合(存在比率)を示すものとみなすことができる。このことから、SV比の値が1よりも大きいことは、数式1の分子が数式1の分母よりも大きいこと、すなわち、正極材料中に含まれる正極活物質および固体電解質の合計に占める正極活物質の体積割合(仕込み比)から想定される正極活物質の存在比率と比較して、導電助剤の周囲に選択的に正極活物質が存在している(固体電解質の存在比率が低い)ことを意味するといえる。このように導電助剤の周囲に正極活物質が存在している(言い換えれば、導電助剤の周囲に固体電解質が存在していない)と、導電助剤から正極活物質への導電パスは十分に確保される一方で、電池性能の劣化を引き起こす導電助剤から固体電解質への電子の伝導を防止することが可能となる。言い換えれば、固体電解質は電子と接触することによって不可逆な分解反応(電気化学的な劣化)を生じることから、SV比を1よりも大きい値として導電助剤から固体電解質への電子伝導を抑制することにより、固体電解質の分解による劣化が防止され、サイクル耐久性等の電池性能の向上が図られるものと推定されている。なお、SV比の値を制御するためには、正極材料における各成分の配合比率や正極材料の調製の際における配合順序などを調節するといった手法が採用されうる。 Although the mechanism by which an SV ratio greater than 1 significantly improves the cycle durability of an electric device such as a lithium secondary battery is not completely clear, the following mechanism is presumed. That is, the denominator on the right side of Equation 1 (V AM /(V AM +V SE )) can be considered to represent the volume fraction (feed ratio) of the positive electrode active material in the total of the positive electrode active material and solid electrolyte contained in the positive electrode material. On the other hand, the numerator on the right side of Equation 1 (S AM /(S AM +S SE )) can be considered to represent the volume fraction (abundance ratio) of the positive electrode active material present around the conductive additive in the positive electrode active material layer. From this, it can be said that an SV ratio greater than 1 means that the numerator of Equation 1 is greater than the denominator of Equation 1, i.e., that the positive electrode active material is selectively present around the conductive additive (i.e., the solid electrolyte is present at a lower ratio) compared to the ratio of the positive electrode active material estimated from the volume fraction (feed ratio) of the positive electrode active material to the total positive electrode active material and solid electrolyte contained in the positive electrode material. When the positive electrode active material is present around the conductive additive (i.e., no solid electrolyte is present around the conductive additive), a conductive path from the conductive additive to the positive electrode active material is sufficiently secured while preventing the conduction of electrons from the conductive additive to the solid electrolyte, which would cause deterioration of battery performance. In other words, since solid electrolytes undergo irreversible decomposition reactions (electrochemical degradation) when in contact with electrons, it is believed that suppressing electron conduction from the conductive additive to the solid electrolyte by setting the SV ratio greater than 1 prevents degradation due to decomposition of the solid electrolyte and improves battery performance, such as cycle durability. In order to control the SV ratio, techniques such as adjusting the blending ratio of each component in the positive electrode material or the blending order when preparing the positive electrode material can be adopted.
[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive electrode current collector plate and negative electrode current collector plate]
The material constituting the current collector plates (25, 27) is not particularly limited, and known highly conductive materials conventionally used as current collector plates for secondary batteries can be used. Metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferred as constituent materials of the current collector plates. From the viewpoints of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferred, and aluminum is particularly preferred. The positive current collector plate 27 and the negative current collector plate 25 may be made of the same material or different materials.
[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体と集電板との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウム二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive electrode lead and negative electrode lead]
Although not shown, the current collector and the current collecting plate may be electrically connected via a positive electrode lead or a negative electrode lead. Materials used in known lithium secondary batteries may be used as the constituent materials of the positive electrode and negative electrode lead. It is preferable that the portion removed from the outer casing be covered with a heat-resistant, insulating heat-shrinkable tube or the like to prevent contact with peripheral devices or wiring, resulting in electrical leakage and affecting the product (e.g., automotive parts, particularly electronic devices).
[電池外装材]
電池外装材としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior material]
As the battery exterior material, a known metal can case can be used, or a bag-shaped case using an aluminum-containing laminate film 29 that can cover the power generating element as shown in Figures 1 and 2 can be used. The laminate film can be, for example, a three-layer laminate film formed by laminating PP, aluminum, and nylon in this order, but is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint of its high output and excellent cooling performance, making it suitable for use in batteries for large equipment such as EVs and HEVs. Furthermore, an aluminum-containing laminate film is more preferable for the exterior body because it allows for easy adjustment of the collective pressure applied to the power generating element from the outside.
本形態に係る積層型電池は、複数の単電池層が並列に接続された構成を有することにより、高容量でサイクル耐久性に優れるものである。したがって、本形態に係る積層型電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The stacked battery according to this embodiment has a configuration in which multiple single cell layers are connected in parallel, resulting in high capacity and excellent cycle durability. Therefore, the stacked battery according to this embodiment is suitable for use as a power source for driving EVs and HEVs.
以上、リチウム二次電池の一実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 The above describes one embodiment of a lithium secondary battery, but the present invention is not limited to the configuration described in the above embodiment and can be modified as appropriate based on the claims.
例えば、本形態に係るリチウム二次電池が適用される電池の種類として、集電体の一方の面に電気的に結合した正極活物質層と、集電体の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層とを有する双極型電極を含む、双極型(バイポーラ型)の電池も挙げられる。 For example, the lithium secondary battery according to this embodiment can be used in a bipolar battery, which includes a bipolar electrode having a positive electrode active material layer electrically bonded to one surface of a current collector and a negative electrode active material layer electrically bonded to the opposite surface of the current collector.
また、本形態に係る二次電池は、全固体型でなくてもよい。すなわち、固体電解質層は、従来公知の液体電解質(電解液)をさらに含有していてもよい。固体電解質層に含まれうる液体電解質(電解液)の量について特に制限はないが、固体電解質により形成された固体電解質層の形状が保持され、液体電解質(電解液)の液漏れが生じない程度の量であることが好ましい。 Furthermore, the secondary battery according to this embodiment does not have to be an all-solid-state type. That is, the solid electrolyte layer may further contain a conventionally known liquid electrolyte (electrolytic solution). There are no particular restrictions on the amount of liquid electrolyte (electrolytic solution) that can be contained in the solid electrolyte layer, but it is preferable that the amount be such that the shape of the solid electrolyte layer formed by the solid electrolyte is maintained and leakage of the liquid electrolyte (electrolytic solution) does not occur.
用いられうる液体電解質(電解液)は、有機溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。用いられる有機溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4-メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2-メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)などが挙げられる。中でも、有機溶媒は、急速充電特性および出力特性をより向上できるとの観点から、好ましくは鎖状カーボネートであり、より好ましくはジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)からなる群から選択される少なくとも1種であり、より好ましくはエチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)から選択される。 The liquid electrolyte (electrolyte solution) that can be used has a form in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent. Examples of organic solvents that can be used include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propionate (MP), methyl acetate (MA), methyl formate (MF), 4-methyldioxolane (4MeDOL), dioxolane (DOL), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), tetrahydrofuran (THF), dimethoxyethane (DME), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl sulfoxide (DMSO), and gamma-butyrolactone (GBL). Among these, from the viewpoint of further improving the rapid charging characteristics and output characteristics, the organic solvent is preferably a chain carbonate, more preferably at least one selected from the group consisting of diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC), and more preferably selected from ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC).
リチウム塩としては、Li(FSO2)2N(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。中でも、リチウム塩は、電池出力および充放電サイクル特性の観点から、好ましくはLi(FSO2)2N(LiFSI)である。 Examples of lithium salts include Li( FSO2 ) 2N (lithium bis( fluorosulfonyl)imide; LiFSI), Li(C2F5SO2 ) 2N , LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiAsF6 , and LiCF3SO3 . Of these, the lithium salt is preferably Li( FSO2 ) 2N (LiFSI) from the viewpoints of battery output and charge/discharge cycle characteristics.
液体電解質(電解液)は、上述した成分以外の添加剤をさらに含有してもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2-ジビニルエチレンカーボネート、1-メチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-メチル-2-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-2-ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1-ジメチル-2-メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。これらの添加剤は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、添加剤を電解液に使用する場合の使用量は、適宜調整することができる。 The liquid electrolyte (electrolytic solution) may further contain additives other than the components described above. Specific examples of such compounds include ethylene carbonate, vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, dimethyl vinylene carbonate, phenyl vinylene carbonate, diphenyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, diethyl vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, 1,2-divinyl ethylene carbonate, 1-methyl-1-vinyl ethylene carbonate, 1-methyl-2-vinyl ethylene carbonate, 1-ethyl-1-vinyl ethylene carbonate, and 1-ethyl-2-vinyl ethylene carbonate. Examples of additives include ethylene carbonate, vinyl vinylene carbonate, allyl ethylene carbonate, vinyloxymethyl ethylene carbonate, allyloxymethyl ethylene carbonate, acryloxymethyl ethylene carbonate, methacryloxymethyl ethylene carbonate, ethynyl ethylene carbonate, propargyl ethylene carbonate, ethynyloxymethyl ethylene carbonate, propargyloxyethylene carbonate, methylene ethylene carbonate, and 1,1-dimethyl-2-methylene ethylene carbonate. These additives may be used alone or in combination of two or more. Furthermore, when an additive is used in the electrolyte, the amount used can be adjusted as appropriate.
[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Battery assembly]
A battery pack is made up of multiple batteries connected together. Specifically, it is made up of at least two batteries connected in series, parallel, or both. By connecting them in series or parallel, it is possible to freely adjust the capacity and voltage.
電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列にまたは並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池(電池モジュール、電池パックなど)を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 Multiple batteries can be connected in series or parallel to form a small, detachable battery pack. Then, multiple such small, detachable battery packs can be connected in series or parallel to form a large-capacity, high-output battery pack (battery module, battery pack, etc.) suitable for vehicle drive power sources and auxiliary power sources that require high volumetric energy density and high volumetric output density. The number of batteries connected to form a battery pack, and the number of stacked small battery packs to form a large-capacity battery pack, can be determined based on the battery capacity and output of the vehicle (electric vehicle) in which it will be installed.
[車両]
電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、長期信頼性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。
[vehicle]
A battery or a battery pack formed by combining a plurality of such batteries can be mounted on a vehicle. Since the present invention can provide a long-life battery with excellent long-term reliability, the use of such a battery can be used to construct plug-in hybrid electric vehicles with long EV driving distances and electric vehicles with long driving distances per charge. For example, a battery or a battery pack formed by combining a plurality of such batteries can be used in hybrid vehicles, fuel cell vehicles, and electric vehicles (all of which include four-wheeled vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, and buses, and light vehicles), as well as two-wheeled vehicles (motorcycles) and three-wheeled vehicles) to produce a vehicle with a long life and high reliability. However, the use of the battery is not limited to automobiles, and it can also be applied to various power sources for other vehicles, such as trains, and can also be used as an on-board power source for uninterruptible power supplies and the like.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The present invention will be described in more detail below using examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.
[評価用セルの作製]
<実施例1>
(正極の作製)
まず、正極活物質としてのLiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(平均粒子径(D50)=10μm)、導電助剤としてのアセチレンブラック、硫化物固体電解質(LPS(Li2S-P2S5)、平均粒子径(D50)=5μm)、およびバインダ(スチレン-ブタジエンゴム(SBR))を、50:30:20:2の質量比となるように秤量した。次いで、これらのうち硫化物固体電解質以外の成分をグローブボックス内でメノウ乳鉢で混合した後、遊星ボールミルでさらに混合撹拌した。その後、得られた混合粉体に対して硫化物固体電解質および適量のスラリー粘度調整溶媒(メチシレン)をさらに添加し、遊星ボールミルで混合攪拌して、正極活物質スラリーを調製した。
[Preparation of evaluation cell]
Example 1
(Preparation of Positive Electrode)
First, LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (average particle size ( D50 ) = 10 μm ) as the positive electrode active material, acetylene black as the conductive additive, sulfide solid electrolyte (LPS ( Li2S - P2S5 ) , average particle size (D50) = 5 μm), and binder (styrene-butadiene rubber (SBR)) were weighed out to a mass ratio of 50:30:20:2. Next, all components except the sulfide solid electrolyte were mixed in an agate mortar in a glove box, and then further mixed and stirred in a planetary ball mill. Thereafter, the sulfide solid electrolyte and an appropriate amount of a slurry viscosity adjusting solvent (methylene chloride) were further added to the obtained mixed powder, and the mixture was mixed and stirred in a planetary ball mill to prepare a positive electrode active material slurry.
次いで、上記で調製した正極活物質スラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔の表面に塗工し、乾燥し、プレス処理を施すことにより正極活物質層(厚さ50μm)を形成して、正極を作製した。このようにして作製した正極の正極活物質層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察して、図3(a)に示す観察画像を取得した。続いて、以下の手法により、SV比の値を算出した。 The positive electrode active material slurry prepared above was then applied to the surface of aluminum foil serving as a positive electrode current collector, dried, and pressed to form a positive electrode active material layer (50 μm thick), thereby producing a positive electrode. The cross section of the positive electrode active material layer of the positive electrode thus produced was observed using a scanning electron microscope (SEM), and the image shown in Figure 3(a) was obtained. The SV ratio was then calculated using the following method.
すなわち、エネルギー分散型X線分析(EDX)により、図3(a)に示す観察画像について、C元素のマッピングを行うことにより、導電助剤(アセチレンブラック)の存在を検出した。また、同様にして、正極活物質および固体電解質の存在についても検出を行った。そして、観察画像に占める、正極活物質の面積割合(VAM)および固体電解質の面積割合(VSE)をそれぞれ算出した(図3(b)を参照)。 Specifically, the presence of the conductive additive (acetylene black) was detected by mapping the C element in the observation image shown in Figure 3(a) using energy dispersive X-ray analysis (EDX). Similarly, the presence of the positive electrode active material and the solid electrolyte was also detected. The area ratio of the positive electrode active material (V AM ) and the area ratio of the solid electrolyte (V SE ) in the observation image were then calculated (see Figure 3(b)).
その後、上記で検出された導電助剤の全てについて、導電助剤から正極活物質の平均粒子径(D50)までの距離に存在する正極活物質および固体電解質の領域を特定し、特定された各領域が観察画像に占める面積割合として、SAM(正極活物質)およびSSE(固体電解質)を算出した(図3(c)(d)を参照)。そして、このようにして算出されたVAM、VSE、SAMおよびSSEの値から、数式1に従ってSV比を算出した。その結果、本実施例に係る正極材料のSV比の値は、1.5であった。 Thereafter, for all of the conductive additives detected above, the regions of the positive electrode active material and solid electrolyte present at a distance from the conductive additive to the average particle diameter (D50) of the positive electrode active material were identified, and S AM (positive electrode active material) and S SE (solid electrolyte) were calculated as the area ratio of each identified region to the observed image (see FIGS. 3(c) and 3(d)). The SV ratio was then calculated from the values of V AM , V SE , S AM , and S SE calculated in this manner according to Equation 1. As a result, the SV ratio value of the positive electrode material according to this example was 1.5.
(固体電解質層の作製)
上記と同様の硫化物固体電解質(LPS(Li2S-P2S5))100質量部に対してスチレン-ブタジエンゴム(SBR)を2質量部加え、メチシレンを溶媒として加えて固体電解質スラリーを調製した。次いで、上記で調製した固体電解質スラリーを支持体としてのステンレス箔の表面に塗工し、乾燥して、自立膜としての固体電解質層(厚さ30μm)を得た。
(Preparation of solid electrolyte layer)
A solid electrolyte slurry was prepared by adding 2 parts by mass of styrene-butadiene rubber (SBR) to 100 parts by mass of the same sulfide solid electrolyte (LPS (Li 2 S—P 2 S 5 )) as above, and adding methylene chloride as a solvent. The solid electrolyte slurry prepared above was then applied to the surface of a stainless steel foil support and dried to obtain a solid electrolyte layer (thickness 30 μm) as a free-standing membrane.
(評価用セルの作製)
上記で作製した正極の正極活物質層側に、同様に上記で作製した固体電解質層を、固体電解質層の露出表面が正極活物質層と向き合うように冷間等方圧プレス(CIP)により転写した。最後に、負極集電体としてのステンレス箔を固体電解質層の露出表面に積層して、負極活物質層が存在しない評価用セル(リチウム析出型の全固体リチウム二次電池)を作製した。
(Preparation of evaluation cell)
The solid electrolyte layer prepared above was transferred to the positive electrode active material layer side of the positive electrode prepared above by cold isostatic pressing (CIP) so that the exposed surface of the solid electrolyte layer faced the positive electrode active material layer. Finally, a stainless steel foil was laminated as a negative electrode current collector on the exposed surface of the solid electrolyte layer to prepare an evaluation cell (lithium deposition-type all-solid-state lithium secondary battery) without a negative electrode active material layer.
<実施例2>
正極材料のSV比の値が1.3となるように正極材料における各成分の種類、配合比率または正極材料の調製の際における配合順序を調節した(具体的には、バインダの種類をより結着性の低いもの(低分子量SBR)に変更した)こと以外は、上述した実施例1と同様のS手法により、本実施例の評価用セルを作製した。
Example 2
The evaluation cell of this example was produced by the same S method as in Example 1 described above, except that the type and blending ratio of each component in the positive electrode material or the blending order during preparation of the positive electrode material were adjusted so that the SV ratio of the positive electrode material would be 1.3 (specifically, the type of binder was changed to one with lower binding properties (low-molecular-weight SBR)).
<実施例3>
正極材料のSV比の値が1.1となるように正極材料における各成分の種類、配合比率または正極材料の調製の際における配合順序を調節した(具体的には、すべての成分を同時に投入して混合攪拌を行った)こと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本実施例の評価用セルを作製した。
Example 3
The evaluation cell of this example was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that the type and blending ratio of each component in the positive electrode material or the blending order during preparation of the positive electrode material were adjusted so that the SV ratio of the positive electrode material would be 1.1 (specifically, all components were added at the same time and mixed and stirred).
<比較例1>
正極材料のSV比の値が1.0となるように正極材料における各成分の種類、配合比率または正極材料の調製の際における配合順序を調節した(具体的には、正極活物質として平均粒子径(D50)が15μmのものを用いた)こと以外は、上述した実施例3と同様の手法により、本比較例の評価用セルを作製した。
<Comparative Example 1>
The evaluation cell of this comparative example was produced in the same manner as in Example 3 described above, except that the type and blending ratio of each component in the positive electrode material or the blending order during preparation of the positive electrode material were adjusted so that the SV ratio of the positive electrode material was 1.0 (specifically, a positive electrode active material having an average particle diameter (D50) of 15 μm was used).
<比較例2>
正極材料のSV比の値が0.5となるように正極材料における各成分の種類、配合比率または正極材料の調製の際における配合順序を調節した(具体的には、硫化物固体電解質として平均粒子径(D50)が7μmのものを用い、正極活物質以外の成分を予め混合攪拌した後に正極活物質およびスラリー粘度調整溶媒を添加してさらに混合攪拌を行った)こと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本比較例の評価用セルを作製した。
<Comparative Example 2>
The evaluation cell of this comparative example was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that the type and blending ratio of each component in the positive electrode material or the blending order during preparation of the positive electrode material were adjusted so that the SV ratio of the positive electrode material would be 0.5 (specifically, a sulfide solid electrolyte having an average particle size (D50) of 7 μm was used, and the components other than the positive electrode active material were mixed and stirred in advance, and then the positive electrode active material and a slurry viscosity adjusting solvent were added, and further mixing and stirring were performed).
<比較例3>
正極材料のSV比の値が0.2となるように正極材料における各成分の種類、配合比率または正極材料の調製の際における配合順序を調節した(具体的には、硫化物固体電解質として平均粒子径(D50)が5μmのものを用い、バインダの種類をより結着性の高いもの(高分子量SBR)に変更した)こと以外は、上述した比較例2と同様の手法により、本比較例の評価用セルを作製した。
<Comparative Example 3>
The evaluation cell of this comparative example was produced in the same manner as in Comparative Example 2 described above, except that the type and blending ratio of each component in the positive electrode material or the blending order during preparation of the positive electrode material were adjusted so that the SV ratio of the positive electrode material would be 0.2 (specifically, a sulfide solid electrolyte having an average particle size (D50) of 5 μm was used, and the type of binder was changed to one with higher binding properties (high molecular weight SBR)).
[評価用セルの評価(充放電効率の測定)]
上記の実施例および比較例で作製した評価用セルの正極集電体および負極集電体のそれぞれに正極リードおよび負極リードを接続し、以下の充放電試験条件に従って50サイクルの充放電を行った。
[Evaluation of evaluation cells (measurement of charge/discharge efficiency)]
A positive electrode lead and a negative electrode lead were connected to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, respectively, of the evaluation cells produced in the above Examples and Comparative Examples, and 50 cycles of charge and discharge were carried out under the following charge and discharge test conditions.
(充放電試験条件)
1)充放電条件
[電圧範囲]3.0~4.3V
[充電過程]CCCV
[放電過程]CC
[充放電レート]0.2C
(充放電後、それぞれ30分休止)
2)評価温度:298K(25℃)。
(Charge/discharge test conditions)
1) Charge/discharge conditions [Voltage range] 3.0 to 4.3 V
[Charging process] CCCV
[Discharge process] CC
[Charge/discharge rate] 0.2C
(After charging and discharging, rest for 30 minutes each)
2) Evaluation temperature: 298K (25°C).
評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程(負極集電体上へリチウム金属が析出する)では、定電流・定電圧(CCCV)モードとし、0.2Cにて3.0Vから4.3Vまで充電した。その後、放電過程(負極集電体上のリチウム金属が溶解する)では、定電流・定電圧(CCCV)モードとし、0.2Cにて4.3Vから3.0Vまで放電した。ここで、1Cとは、その電流値で1時間充電すると、ちょうどその電池が満充電(100%充電)状態になる電流値のことである。ここで、評価用セルの充放電処理の際に、充電容量(充電時の電池容量)および放電容量(放電時の電池容量)をそれぞれ測定した。そして、1サイクル目の充電時の電池容量に対する放電時の電池容量の割合として、初回充放電効率を算出した。また、1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の百分率として、放電容量維持率を測定した。ここで、上述した実施例および比較例におけるSV比の値を算出するために用いた各パラメータの値を下記の表1に示す。なお、表1に示す値は、各パラメータの算出に用いた断面画像の倍率が異なることを考慮して規格化されている。また、放電容量維持率の測定結果を下記の表2に示す。 The evaluation cell was charged in a constant current/constant voltage (CCCV) mode at 0.2 C from 3.0 V to 4.3 V in a thermostatic chamber set at the evaluation temperature using a charge/discharge tester. During the charge process (lithium metal deposition on the negative electrode current collector), the cell was charged at 0.2 C from 3.0 V to 4.3 V. During the discharge process (lithium metal dissolution on the negative electrode current collector), the cell was discharged at 0.2 C from 4.3 V to 3.0 V in CCCV mode. Here, 1 C refers to the current value at which the battery is fully charged (100% charged) after one hour of charging. During the charge/discharge process, the charge capacity (battery capacity at charge) and discharge capacity (battery capacity at discharge) of the evaluation cell were measured. The initial charge/discharge efficiency was calculated as the ratio of the battery capacity at discharge to the battery capacity at charge in the first cycle. The discharge capacity retention rate was also measured as the percentage of the discharge capacity at the 50th cycle relative to the discharge capacity at the first cycle. The values of each parameter used to calculate the SV ratio in the above-mentioned examples and comparative examples are shown in Table 1 below. Note that the values shown in Table 1 have been normalized to take into account the different magnifications of the cross-sectional images used to calculate each parameter. The measurement results of the discharge capacity retention rate are shown in Table 2 below.
表2に示す結果からもわかるように、正極材料のSV比の値が1よりも大きい実施例1~3においては、SV比の値が1.0以下である比較例1~3と比較して、放電容量維持率および初回充放電効率が大幅に向上した。また、SV比の値が1.3以上である実施例1および実施例2では、これらの電池性能が特に向上し、さらにはSV比の値が1.5である実施例1では、これらの電池性能が著しく向上する結果となった。 As can be seen from the results shown in Table 2, in Examples 1 to 3, where the SV ratio of the positive electrode material was greater than 1, the discharge capacity retention rate and initial charge/discharge efficiency were significantly improved compared to Comparative Examples 1 to 3, where the SV ratio was 1.0 or less. Furthermore, in Examples 1 and 2, where the SV ratio was 1.3 or greater, the battery performance was particularly improved, and in Example 1, where the SV ratio was 1.5, the battery performance was significantly improved.
10a 積層型電池、
11’ 負極集電体、
11” 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 固体電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 ラミネートフィルム。
10a stacked battery,
11′ negative electrode current collector,
11” positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 solid electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generating element,
25 negative electrode current collector plate,
27 positive electrode current collector plate,
29 Laminating film.
Claims (11)
正極材料を成形して得られる正極活物質層の断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察した際の観察画像に占める、前記正極活物質および前記固体電解質の面積割合をそれぞれVAMおよびVSEとし、前記観察画像における前記導電助剤から前記正極活物質の平均粒子径(D50)までの距離に存在する前記正極活物質および前記固体電解質の面積割合をそれぞれSAMおよびSSEとしたときに、下記数式1:
で表されるSV比の値が1よりも大きいことを特徴とする、電気デバイス用正極材料。 A positive electrode material for an electric device, comprising: a positive electrode active material capable of absorbing and releasing lithium ions; a conductive additive; and a solid electrolyte,
When a cross section of a positive electrode active material layer obtained by molding a positive electrode material is observed using a scanning electron microscope, the area proportions of the positive electrode active material and the solid electrolyte in an observed image are defined as V AM and V SE , respectively, and the area proportions of the positive electrode active material and the solid electrolyte present at a distance from the conductive additive to the average particle diameter (D50) of the positive electrode active material in the observed image are defined as S AM and S SE , respectively, and the following formula 1 is obtained:
A positive electrode material for an electric device, characterized in that the SV ratio represented by the following formula is greater than 1.
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