JP7794587B2 - Manufacturing method of energy storage element - Google Patents
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Description
本発明は、分散液、分散液の製造方法、スラリー、蓄電素子の製造方法、及び、蓄電素子に関する。 The present invention relates to a dispersion, a method for producing a dispersion, a slurry, a method for producing an electric storage element, and an electric storage element.
特許文献1には、Li元素、P元素およびS元素を含有する硫化物固体電解質と、PVDF系バインダーと、溶媒とを含有するスラリーを用いて、電解質含有層を形成する工程を有し、前記溶媒は、第一溶媒として、特定の分子構造式で表されるケトン溶媒を50体積%以上含有する、全固体電池の製造方法が記載されている。 Patent Document 1 describes a method for manufacturing an all-solid-state battery, which includes a step of forming an electrolyte-containing layer using a slurry containing a sulfide solid electrolyte containing Li, P, and S elements, a PVDF-based binder, and a solvent, the solvent containing 50% by volume or more of a ketone solvent represented by a specific molecular structure formula as a first solvent.
本発明の一の目的は、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士が良好に結着され、しかも、製造時における硫化物固体電解質の劣化が抑制されている蓄電素子、及び、該蓄電素子の製造方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、蓄電素子の製造において、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、硫化物固体電解質の劣化を抑制できる分散液、該分散液を含む固体電解質含有スラリー、及び、前記分散液の製造方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide an electric storage element in which particles of a sulfide solid electrolyte are well bound to each other by fluororesin particles and in which deterioration of the sulfide solid electrolyte during production is suppressed, and a method for producing the electric storage element.
Another object of the present invention is to provide a dispersion that can satisfactorily bond sulfide solid electrolyte particles together using fluororesin particles and that can suppress deterioration of the sulfide solid electrolyte in the production of an energy storage element, a solid electrolyte-containing slurry that includes the dispersion, and a method for producing the dispersion.
本発明の一側面に係る分散液は、低極性溶媒と、該低極性溶媒中に分散したフッ素樹脂の粒子と、を含み、
前記低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方であり、
前記粒子の平均粒子径が200nm以下である。
A dispersion according to one aspect of the present invention includes a low-polarity solvent and fluororesin particles dispersed in the low-polarity solvent,
the low-polarity solvent is at least one of a hydrocarbon compound and a compound having only a hydrocarbon group and an ether group in the molecule;
The particles have an average particle size of 200 nm or less.
本発明の他の一側面に係る分散液の製造方法は、水を含有する高極性溶媒と、該高極性溶媒中に分散した平均粒子径が200nm以下のフッ素樹脂の粒子とを含む原液を調製することと、
前記水を、前記高極性溶媒よりも極性の低い低極性溶媒に置換する置換処理を前記原液に施すことによって、前記フッ素樹脂の粒子の分散液を得ることと、を備え、
前記低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方である。
A method for producing a dispersion liquid according to another aspect of the present invention includes preparing a stock solution containing a highly polar solvent containing water and fluororesin particles having an average particle size of 200 nm or less dispersed in the highly polar solvent;
and subjecting the raw liquid to a substitution treatment in which the water is substituted with a low-polarity solvent having a lower polarity than the high-polarity solvent, thereby obtaining a dispersion liquid of the fluororesin particles,
The low polarity solvent is at least one of a hydrocarbon compound and a compound having only a hydrocarbon group and an ether group in the molecule.
本発明のさらに他の一側面に係るスラリーは、上記の分散液と、
硫化物固体電解質の粒子、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子、及び、炭素材料の粒子のうち少なくとも1種と、を含む。
A slurry according to yet another aspect of the present invention comprises the above-described dispersion and
The battery includes at least one of particles of a sulfide solid electrolyte, particles of a lithium transition metal composite oxide, and particles of a carbon material.
本発明の別の一側面に係る蓄電素子の製造方法は、低極性溶媒と、フッ素樹脂の粒子と、硫化物固体電解質の粒子と、を含む固体電解質含有スラリーを調製することと、
前記固体電解質含有スラリーの塗布物から、フッ素樹脂と硫化物固体電解質の粒子とを含む電解質含有層を作製することとを備え、
前記固体電解質含有スラリーを調製することにおいて、前記低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方であり、且つ、前記粒子の平均粒子径が200nm以下であり、
前記電解質含有層を作製することにおいて、前記低極性溶媒を揮発させる乾燥処理を前記塗布物に施す。
A method for producing an electric storage element according to another aspect of the present invention includes preparing a solid electrolyte-containing slurry containing a low-polarity solvent, fluororesin particles, and sulfide solid electrolyte particles;
and preparing an electrolyte-containing layer containing fluororesin and sulfide solid electrolyte particles from the coated material of the solid electrolyte-containing slurry,
In preparing the solid electrolyte-containing slurry, the low-polarity solvent is at least one of a hydrocarbon compound and a compound having only a hydrocarbon group and an ether group in the molecule, and the particles have an average particle size of 200 nm or less;
In preparing the electrolyte-containing layer, the coating is subjected to a drying treatment for volatilizing the low-polarity solvent.
本発明のさらに別の一側面に係る蓄電素子は、低極性溶媒と、フッ素樹脂の粒子と、硫化物固体電解質の粒子と、を含む固体電解質含有スラリーの塗布物が乾燥処理された電解質含有層を備え、
前記低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方であり、且つ、前記フッ素樹脂の粒子の平均粒子径は、200nm以下であり、
前記電解質含有層では、前記硫化物固体電解質の粒子間に前記フッ素樹脂が存在している。
According to yet another aspect of the present invention, there is provided an electric storage element including an electrolyte-containing layer formed by drying an applied material of a solid electrolyte-containing slurry including a low-polarity solvent, fluororesin particles, and sulfide solid electrolyte particles;
the low-polarity solvent is at least one of a hydrocarbon compound and a compound having only a hydrocarbon group and an ether group in the molecule, and the average particle size of the fluororesin particles is 200 nm or less;
In the electrolyte-containing layer, the fluororesin is present between particles of the sulfide solid electrolyte.
本発明の一側面に係る蓄電素子においては、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士が良好に結着され、しかも、製造時における硫化物固体電解質の劣化が抑制されている。
また、本発明の他の一側面に係る蓄電素子の製造方法によって、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、硫化物固体電解質の劣化を抑制できる。
また、本発明の別の一側面に係る分散液又は該分散液を含む固体電解質含有スラリーによれば、蓄電素子の製造において、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、硫化物固体電解質の劣化を抑制できる。
また、本発明のさらに別の一側面に係る分散液の製造方法によって、蓄電素子の製造のために使用できる分散液であって、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、製造時における硫化物固体電解質の劣化を抑制できる分散液を得ることができる。
In the energy storage element according to one aspect of the present invention, the particles of the sulfide solid electrolyte are well bound together by the fluororesin particles, and deterioration of the sulfide solid electrolyte during production is suppressed.
Furthermore, by the method for producing an electric storage element according to another aspect of the present invention, the particles of the sulfide solid electrolyte can be well bound together by the fluororesin particles, and deterioration of the sulfide solid electrolyte can be suppressed.
Furthermore, according to the dispersion liquid or the solid electrolyte-containing slurry containing the dispersion liquid according to another aspect of the present invention, in the production of an electric storage element, the particles of the sulfide solid electrolyte can be well bound together by the fluororesin particles, and deterioration of the sulfide solid electrolyte can be suppressed.
Furthermore, by a method for producing a dispersion according to yet another aspect of the present invention, it is possible to obtain a dispersion that can be used for producing an energy storage element, in which the particles of the sulfide solid electrolyte can be well bound together by the fluororesin particles and deterioration of the sulfide solid electrolyte during production can be suppressed.
本明細書によって開示される蓄電素子1、及び、蓄電素子の製造方法の概要について説明する。また、本明細書によって開示される分散液、及び、分散液の製造方法の概要について説明する。また、本明細書によって開示されるスラリーの概要について説明する。 This section provides an overview of the energy storage element 1 and the method for manufacturing the energy storage element disclosed in this specification. It also provides an overview of the dispersion liquid and the method for manufacturing the dispersion liquid disclosed in this specification. It also provides an overview of the slurry disclosed in this specification.
本発明の一側面に係る蓄電素子1は、
低極性溶媒と、フッ素樹脂の粒子と、硫化物固体電解質の粒子と、を含む固体電解質含有スラリーの塗布物が乾燥処理された電解質含有層を備え、
前記低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方であり、且つ、前記フッ素樹脂の粒子の平均粒子径は、200nm以下であり、
前記電解質含有層では、前記硫化物固体電解質の粒子間に前記フッ素樹脂が存在している。
斯かる構成の蓄電素子では、フッ素樹脂粒子が製造時において比較的小さいため、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士が良好に結着され、しかも、製造時における硫化物固体電解質の劣化が抑制されている。
An energy storage device 1 according to one aspect of the present invention includes:
The electrochemical cell has an electrolyte-containing layer formed by drying an applied layer of a solid electrolyte-containing slurry containing a low-polarity solvent, fluororesin particles, and sulfide solid electrolyte particles,
the low-polarity solvent is at least one of a hydrocarbon compound and a compound having only a hydrocarbon group and an ether group in the molecule, and the average particle size of the fluororesin particles is 200 nm or less;
In the electrolyte-containing layer, the fluororesin is present between particles of the sulfide solid electrolyte.
In an energy storage element having such a configuration, the fluororesin particles are relatively small during production, and therefore the particles of the sulfide solid electrolyte are well bound together by the fluororesin particles, and deterioration of the sulfide solid electrolyte during production is suppressed.
本発明の他の一側面に係る蓄電素子の製造方法は、
水を含有する高極性溶媒と、該高極性溶媒中に分散した平均粒子径が200nm以下のフッ素樹脂の粒子とを含む原液を調製することと、
前記水を、前記高極性溶媒よりも極性の低い低極性溶媒に置換する置換処理を前記原液に施すことによって、前記フッ素樹脂の粒子の分散液を得ることと、を備え、
前記低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方である。
斯かる構成の製造方法によって、フッ素樹脂粒子が比較的小さいため、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、硫化物固体電解質の劣化を抑制できる。
A method for manufacturing an energy storage element according to another aspect of the present invention includes:
preparing a stock solution containing a highly polar solvent containing water and fluororesin particles having an average particle size of 200 nm or less dispersed in the highly polar solvent;
and subjecting the raw liquid to a substitution treatment in which the water is substituted with a low-polarity solvent having a lower polarity than the high-polarity solvent, thereby obtaining a dispersion liquid of the fluororesin particles,
The low polarity solvent is at least one of a hydrocarbon compound and a compound having only a hydrocarbon group and an ether group in the molecule.
In the manufacturing method having such a configuration, since the fluororesin particles are relatively small, the particles of the sulfide solid electrolyte can be well bound together by the fluororesin particles, and deterioration of the sulfide solid electrolyte can be suppressed.
本発明のさらに他の一側面に係る分散液は、
低極性溶媒と、該低極性溶媒中に分散したフッ素樹脂の粒子と、を含み、
前記低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方であり、
前記粒子の平均粒子径が200nm以下である。
斯かる構成の分散液によって、蓄電素子の製造において、フッ素樹脂粒子が比較的小さいため、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、硫化物固体電解質の劣化を抑制できる。
A dispersion according to yet another aspect of the present invention comprises:
A low-polarity solvent and fluororesin particles dispersed in the low-polarity solvent,
the low-polarity solvent is at least one of a hydrocarbon compound and a compound having only a hydrocarbon group and an ether group in the molecule;
The particles have an average particle size of 200 nm or less.
By using a dispersion liquid having such a configuration, in the production of an electricity storage element, the fluororesin particles are relatively small, so that the particles of the sulfide solid electrolyte can be well bound together by the fluororesin particles, and deterioration of the sulfide solid electrolyte can be suppressed.
本発明の別の一側面に係る分散液の製造方法は、
水を含有する高極性溶媒と、該高極性溶媒中に分散した平均粒子径が200nm以下のフッ素樹脂の粒子とを含む原液を調製することと、
前記水を、前記高極性溶媒よりも極性の低い低極性溶媒に置換する置換処理を前記原液に施すことによって、前記フッ素樹脂の粒子の分散液を得ることと、を備え、
前記低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方である。
斯かる構成の分散液の製造方法によって、フッ素樹脂粒子が比較的小さいため、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、製造時における硫化物固体電解質の劣化を抑制できる分散液を得ることができる。得られた分散液は、蓄電素子の製造のために使用できる。
A method for producing a dispersion according to another aspect of the present invention includes the steps of:
preparing a stock solution containing a highly polar solvent containing water and fluororesin particles having an average particle size of 200 nm or less dispersed in the highly polar solvent;
and subjecting the raw liquid to a substitution treatment in which the water is substituted with a low-polarity solvent having a lower polarity than the high-polarity solvent, thereby obtaining a dispersion liquid of the fluororesin particles,
The low polarity solvent is at least one of a hydrocarbon compound and a compound having only a hydrocarbon group and an ether group in the molecule.
By using the method for producing a dispersion having such a configuration, it is possible to obtain a dispersion in which the fluororesin particles are relatively small, so that the particles of the sulfide solid electrolyte can be well bound together by the fluororesin particles, and further, deterioration of the sulfide solid electrolyte during production can be suppressed. The obtained dispersion can be used for producing an energy storage element.
本発明のさらに別の一側面に係るスラリーは、
上記の分散液と、
硫化物固体電解質の粒子、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子、及び、炭素材料の粒子のうち少なくとも1種と、を含む。
斯かる構成のスラリーによって、蓄電素子の製造において、フッ素樹脂粒子が比較的小さいため、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、硫化物固体電解質の劣化を抑制できる。
A slurry according to yet another aspect of the present invention comprises:
The dispersion liquid,
The battery includes at least one of particles of a sulfide solid electrolyte, particles of a lithium transition metal composite oxide, and particles of a carbon material.
In the production of an electric storage element using a slurry having such a configuration, the fluororesin particles are relatively small, so that the particles of the sulfide solid electrolyte can be well bound together by the fluororesin particles, and deterioration of the sulfide solid electrolyte can be suppressed.
従来、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質電池(蓄電素子)が備える電極は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)に代表されるフッ素樹脂をバインダとして含む場合が多い。このような電極の作製工程では、一般的に上記のフッ素樹脂は、N-メチルピロリドン(NMP)に代表される極性溶媒に溶解された溶液の状態、並びに、該溶液を含むスラリーの状態で、又は、粉体の状態で、使用される。しかしながら、NMPのようにカルボニル基などの極性基を含有する極性溶媒は、電極の作製工程において、固体電解質のうちの硫化物固体電解質を劣化させるおそれがある。一方、乾燥した状態でフッ素樹脂の粉体を電極用材料と乾式混合すると、フッ素樹脂の粒子同士が凝集しているため、さらに溶媒を加えても、フッ素樹脂の粒子が電極中で偏在し、フッ素樹脂の粒子による結着性能があまり発揮されないおそれがある。なお、結着性能を十分に発揮させるためにフッ素樹脂の粒子の配合割合を増やすと、活物質粒子同士の電子伝導、活物質粒子と固体電解質粒子との間のイオン伝導、及び、固体電解質粒子同士のイオン伝導を阻害して充放電反応に影響するだけでなく、電極のエネルギー密度を低下させ得る。
そこで、固体電解質として硫化物固体電解質を用いた電極を作製する場合に、硫化物固体電解質を劣化させる上記のごとき極性溶媒を使用せずに、フッ素樹脂による結着性を十分に発揮させることが求められていた。
Conventionally, electrodes of nonaqueous electrolyte batteries (energy storage elements), such as lithium-ion secondary batteries, often contain a fluororesin, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), as a binder. In the process of fabricating such electrodes, the fluororesin is generally used in the form of a solution dissolved in a polar solvent, such as N-methylpyrrolidone (NMP), a slurry containing the solution, or a powder. However, polar solvents containing polar groups, such as carbonyl groups, such as NMP, may deteriorate the sulfide solid electrolyte in the solid electrolyte during the electrode fabrication process. Meanwhile, when fluororesin powder is dry-mixed with an electrode material in a dry state, the fluororesin particles aggregate, and even if a solvent is added, the fluororesin particles may be unevenly distributed in the electrode, potentially resulting in insufficient binding performance of the fluororesin particles. Increasing the blending ratio of the fluororesin particles in order to fully exert the binding performance not only affects the charge/discharge reaction by inhibiting electronic conduction between the active material particles, ionic conduction between the active material particles and the solid electrolyte particles, and ionic conduction between the solid electrolyte particles, but also reduces the energy density of the electrode.
Therefore, when producing an electrode using a sulfide solid electrolyte as the solid electrolyte, it has been desired to fully utilize the binding properties of the fluororesin without using the above-mentioned polar solvents that deteriorate the sulfide solid electrolyte.
これに関して、本発明者らは、スラリーに含まれる上記のごとき極性溶媒がフッ素樹脂を溶解させる性質を有しているため、硫化物固体電解質が劣化すると考えた。そこで、本発明者らは、フッ素樹脂を溶解する溶媒で調製したフッ素樹脂溶液でスラリーを調製する代わりに、フッ素樹脂を溶解させにくい溶媒で調製したフッ素樹脂の分散液でスラリーを調製することに着目した。そして、斯かるスラリーを用いて調製された硫化物固体電解質を含む蓄電素子、及び、斯かるスラリーを用いて蓄電素子を製造する蓄電素子の製造方法などを見い出した。 In this regard, the inventors believed that the sulfide solid electrolyte deteriorated because the polar solvent contained in the slurry, as described above, has the property of dissolving fluororesin. Therefore, instead of preparing a slurry from a fluororesin solution prepared in a solvent that dissolves fluororesin, the inventors focused on preparing a slurry from a fluororesin dispersion prepared in a solvent that does not easily dissolve fluororesin. They then discovered an energy storage element containing a sulfide solid electrolyte prepared using such a slurry, as well as a method for producing an energy storage element using such a slurry.
上述したように、本発明の一側面では、上記スラリー又は分散液において、フッ素樹脂の粒子の平均粒子径が200nm以下と十分に小さい。よって、上記スラリーを用いて作製されたいずれかの電解質含有層では、フッ素樹脂の含有割合が体積基準で同じであれば、フッ素樹脂の粒子数が十分に多くなる。従って、電解質含有層内で上記フッ素樹脂を十分に分散させた状態で、硫化物固体電解質の粒子間における上記フッ素樹脂粒子の偏在を抑えることができる。これにより、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着できる。また、フッ素樹脂の粒子の平均粒子径が小さい分、十分な結着性を得るためのフッ素樹脂の必要量が少なくなる。そのため、硫化物固体電解質の粒子同士の接触界面の総面積を大きくすることができる。従って、硫化物固体電解質の粒子間でのイオン伝導が、フッ素樹脂粒子によって阻害されるという悪影響を小さくできる。また、フッ素樹脂の粒子の平均粒子径が十分に小さいことから、スラリーを塗布した際にフッ素樹脂が沈降することを抑制できる。そのため、より均一に近い電解質含有層を作製できる。 As described above, in one aspect of the present invention, the average particle diameter of the fluororesin particles in the slurry or dispersion is sufficiently small, at 200 nm or less. Therefore, in any electrolyte-containing layer prepared using the slurry, the number of fluororesin particles is sufficiently large, assuming the same volumetric content of fluororesin. Therefore, with the fluororesin sufficiently dispersed in the electrolyte-containing layer, uneven distribution of the fluororesin particles between sulfide solid electrolyte particles can be suppressed. This allows the fluororesin particles to effectively bond the sulfide solid electrolyte particles together. Furthermore, since the average particle diameter of the fluororesin particles is small, the amount of fluororesin required to achieve sufficient bonding is reduced. This allows the total area of the contact interfaces between sulfide solid electrolyte particles to be increased. This reduces the adverse effect of ionic conduction between sulfide solid electrolyte particles being inhibited by the fluororesin particles. Furthermore, because the average particle diameter of the fluororesin particles is sufficiently small, settling of the fluororesin when the slurry is applied can be suppressed. This allows for the preparation of a more uniform electrolyte-containing layer.
本発明の一実施形態に係る蓄電素子1の構成、蓄電装置100の構成、及び蓄電素子1の製造方法、並びにその他の実施形態について詳述する。なお、各実施形態に用いられる各構成部材(各構成要素)の名称は、背景技術に用いられる各構成部材(各構成要素)の名称と異なる場合がある。 The configuration of the energy storage element 1 according to one embodiment of the present invention, the configuration of the energy storage device 100, and a method for manufacturing the energy storage element 1, as well as other embodiments, will be described in detail. Note that the names of the components (elementary components) used in each embodiment may differ from the names of the components (elementary components) used in the background art.
<蓄電素子の構成>
本発明の一実施形態に係る蓄電素子1は、図1から図3に示すように、正極40、負極50、及び固体電解質層60を有する電極体2と、上記電極体2を収容する容器3と、を備える。本実施形態に係る蓄電素子1は、電解液を実質的に含まないため、以下、「全固体型蓄電素子」と称される場合がある。本実施形態において、電極体2は、正極40と負極50と固体電解質層60とが積層された積層型電極体である。容器3は、2枚のシート状物で電極体2を両側から挟み込むように、電極体2を内部に収容している。換言すると、容器3は、扁平形状のいわゆるパウチ容器である。正極40は、固体電解質と正極活物質とを含む正極活物質層42を有し、負極50は、固体電解質と負極活物質とを含む負極活物質層52を有する。固体電解質層60は、正極40と負極50との間に配置され、主に固体電解質を含む。全固体型蓄電素子の一例として、全固体型リチウムイオン二次電池(以下、単に「二次電池」ともいう。)について説明する。
<Configuration of Energy Storage Element>
As shown in FIGS. 1 to 3 , an energy storage element 1 according to one embodiment of the present invention includes an electrode assembly 2 having a positive electrode 40, a negative electrode 50, and a solid electrolyte layer 60, and a container 3 that houses the electrode assembly 2. Because the energy storage element 1 according to this embodiment substantially does not contain an electrolyte solution, it may be referred to as an “all-solid-state energy storage element” hereinafter. In this embodiment, the electrode assembly 2 is a stacked electrode assembly in which the positive electrode 40, the negative electrode 50, and the solid electrolyte layer 60 are stacked. The container 3 houses the electrode assembly 2 such that the electrode assembly 2 is sandwiched between two sheets. In other words, the container 3 is a so-called flat pouch container. The positive electrode 40 has a positive electrode active material layer 42 containing a solid electrolyte and a positive electrode active material, and the negative electrode 50 has a negative electrode active material layer 52 containing a solid electrolyte and a negative electrode active material. The solid electrolyte layer 60 is disposed between the positive electrode 40 and the negative electrode 50 and mainly contains a solid electrolyte. As an example of the all-solid-state energy storage element, an all-solid-state lithium ion secondary battery (hereinafter simply referred to as "secondary battery") will be described.
詳しくは、本実施形態の蓄電素子1は、図1から図3に示すように、正極40と負極50とが固体電解質層60を介して積層された積層型の電極体2と、電極体2を収容する上記の容器3と、2つの外部端子(正極端子4及び負極端子5)とを備える。正極端子4は、正極40の正極基材41(後述)の一部が外方へ延びたタブ部によって構成されている。同様に、負極端子5は、負極50の負極基材51(後述)の一部が外方へ延びたタブ部によって構成されている。
蓄電素子1は、電極体2と任意の外部機器との間において、正極端子4及び負極端子5を介して充放電時に電気が流れるように構成されている。本実施形態の蓄電素子1では、1つの電極体2が容器3内に収容され、電極体2が充放電反応するように構成される。
また、容器3は、厚さ方向において、外方から内部へ向けて圧縮力を受けた状態であることが好ましい。これにより、正極40及び負極50と、固体電解質層60との間における界面抵抗をより下げることができる。なお、容器3に収容される電極体2は、1つであっても複数であってもよい。
1 to 3 , the energy storage element 1 of this embodiment includes a stacked electrode assembly 2 in which a positive electrode 40 and a negative electrode 50 are stacked with a solid electrolyte layer 60 interposed therebetween, the container 3 that houses the electrode assembly 2, and two external terminals (a positive electrode terminal 4 and a negative electrode terminal 5). The positive electrode terminal 4 is formed by a tab portion that is formed by a portion of a positive electrode substrate 41 (described later) of the positive electrode 40 extending outward. Similarly, the negative electrode terminal 5 is formed by a tab portion that is formed by a portion of a negative electrode substrate 51 (described later) of the negative electrode 50 extending outward.
The energy storage element 1 is configured so that electricity flows between the electrode body 2 and an arbitrary external device via a positive electrode terminal 4 and a negative electrode terminal 5 during charging and discharging. In the energy storage element 1 of this embodiment, one electrode body 2 is housed in a container 3, and the electrode body 2 is configured to undergo a charging and discharging reaction.
Furthermore, the container 3 is preferably in a state in which a compressive force is applied from the outside to the inside in the thickness direction, which can further reduce the interfacial resistance between the positive electrode 40 and the negative electrode 50 and the solid electrolyte layer 60. The container 3 may contain one or more electrode bodies 2.
電極体2は、矩形シート状の正極40と、矩形シート状の負極50とが固体電解質層60を介して重ねられて積層されている。図3に示すように、固体電解質層60は、正極40及び負極50を電気的に絶縁するように配置されている。固体電解質層60は、正極活物質及び負極活物質のいずれも含まない。本実施形態では、電極体2及び容器3は、いずれも扁平形状を有する。電極体2における電極の積層方向と、容器3の厚さ方向とが同じ方向になるように、電極体2が容器3内に配置されている。 The electrode assembly 2 is formed by stacking a rectangular sheet-shaped positive electrode 40 and a rectangular sheet-shaped negative electrode 50 with a solid electrolyte layer 60 interposed between them. As shown in FIG. 3 , the solid electrolyte layer 60 is arranged to electrically insulate the positive electrode 40 and the negative electrode 50. The solid electrolyte layer 60 does not contain either a positive electrode active material or a negative electrode active material. In this embodiment, the electrode assembly 2 and the container 3 both have a flat shape. The electrode assembly 2 is arranged in the container 3 so that the stacking direction of the electrodes in the electrode assembly 2 and the thickness direction of the container 3 are the same.
本実施形態の電極体2において、正極40の正極活物質層42、負極50の負極活物質層52、及び固体電解質層60のうち少なくともいずれかが、固体電解質を含む。詳しくは、本実施形態において、正極活物質層42、負極活物質層52、及び固体電解質層60のうち少なくともいずれかが、後に詳述する硫化物固体電解質の粒子を固体電解質として含む。本実施形態の一例において、正極活物質層42、負極活物質層52、及び固体電解質層60は、いずれも硫化物固体電解質を含むことから、以下、図3に示すように、正極活物質層42、負極活物質層52、及び固体電解質層60を電解質含有層Aと称する。なお、本発明の一側面では、電解質含有層Aのうち少なくとも1つの層(正極活物質層42、負極活物質層52、及び固体電解質層60のうち少なくともいずれか)において、硫化物固体電解質の粒子間にフッ素樹脂(後述)が存在していればよい。以下の説明では、少なくとも正極活物質層42において、硫化物固体電解質の粒子間にフッ素樹脂(後述)が存在している態様について詳しく説明する。 In the electrode assembly 2 of this embodiment, at least one of the positive electrode active material layer 42 of the positive electrode 40, the negative electrode active material layer 52 of the negative electrode 50, and the solid electrolyte layer 60 contains a solid electrolyte. Specifically, in this embodiment, at least one of the positive electrode active material layer 42, the negative electrode active material layer 52, and the solid electrolyte layer 60 contains sulfide solid electrolyte particles, which will be described in detail later, as the solid electrolyte. In one example of this embodiment, the positive electrode active material layer 42, the negative electrode active material layer 52, and the solid electrolyte layer 60 all contain a sulfide solid electrolyte. Therefore, hereinafter, as shown in FIG. 3, the positive electrode active material layer 42, the negative electrode active material layer 52, and the solid electrolyte layer 60 are referred to as an electrolyte-containing layer A. In one aspect of the present invention, a fluororesin (described below) may be present between the sulfide solid electrolyte particles in at least one of the electrolyte-containing layers A (at least one of the positive electrode active material layer 42, the negative electrode active material layer 52, and the solid electrolyte layer 60). The following description will focus on an embodiment in which fluororesin (described below) is present between particles of sulfide solid electrolyte at least in the positive electrode active material layer 42.
(正極)
正極40は、正極基材41と、当該正極基材41に直接又は所定の層などを介して重なる正極活物質層42とを有する。本実施形態では、正極40において正極基材41と正極活物質層42とが直接重なり合っている。また、本実施形態では、正極基材41の一方の面(片面)に正極活物質層42が重ねられている。正極活物質層42と負極活物質層52とは、互いの間で充放電反応を起こす。
(positive electrode)
The positive electrode 40 has a positive electrode substrate 41 and a positive electrode active material layer 42 that overlaps the positive electrode substrate 41 directly or via a predetermined layer. In this embodiment, the positive electrode substrate 41 and the positive electrode active material layer 42 overlap directly in the positive electrode 40. In this embodiment, the positive electrode active material layer 42 is overlapped on one surface (one side) of the positive electrode substrate 41. The positive electrode active material layer 42 and the negative electrode active material layer 52 undergo a charge/discharge reaction between each other.
正極基材41は、導電性を有する。「導電性」を有するか否かは、JIS-H-0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が107Ω・cmを閾値として判定する。正極基材41の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレス鋼等の金属又はこれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ、及びコストの観点からアルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。正極基材41としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、正極基材41としてはアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔が好ましい。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、JIS-H-4000(2014年)に規定されるA1085、A3003等が例示できる。 The positive electrode substrate 41 is conductive. Whether or not a material has "conductivity" is determined by using a volume resistivity of 10 7 Ω·cm measured in accordance with JIS-H-0505 (1975) as a threshold value. The material for the positive electrode substrate 41 may be a metal such as aluminum, titanium, tantalum, or stainless steel, or an alloy thereof. Among these, aluminum or an aluminum alloy is preferred from the viewpoints of potential resistance, high conductivity, and cost. Examples of the positive electrode substrate 41 include foils and vapor-deposited films, with foil being preferred from the viewpoint of cost. Therefore, aluminum foil or aluminum alloy foil is preferred for the positive electrode substrate 41. Examples of aluminum or aluminum alloys include A1085 and A3003 specified in JIS-H-4000 (2014).
正極基材41の平均厚さは、1μm以上50μm以下が好ましく、30μm以下がより好ましく、15μm以下がさらに好ましい。正極基材41の平均厚さを上記の範囲とすることで、正極基材41の強度を高めつつ、二次電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。 The average thickness of the positive electrode substrate 41 is preferably 1 μm or more and 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and even more preferably 15 μm or less. By keeping the average thickness of the positive electrode substrate 41 within the above range, the strength of the positive electrode substrate 41 can be increased while also increasing the energy density per volume of the secondary battery.
正極活物質層42は、正極活物質と、硫化物固体電解質の粒子と、フッ素樹脂とを含む。フッ素樹脂は、少なくとも硫化物固体電解質の粒子間に存在している。正極活物質層42は、必要に応じて、導電剤、フッ素樹脂以外のバインダ(結着剤)、増粘剤等の任意成分を含む。 The positive electrode active material layer 42 contains a positive electrode active material, particles of a sulfide solid electrolyte, and a fluororesin. The fluororesin is present at least between the particles of the sulfide solid electrolyte. The positive electrode active material layer 42 may contain optional components such as a conductive agent, a binder (binding agent) other than the fluororesin, and a thickener, as needed.
正極活物質としては、公知の正極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。正極活物質としては、例えば、α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、ポリアニオン化合物、カルコゲン化合物、硫黄等が挙げられる。α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、例えば、Li[LixNi(1-x)]O2(0≦x<0.5)、Li[LixNiγCo(1-x-γ)]O2(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LixCo(1-x)]O2(0≦x<0.5)、Li[LiNiMn(1-x-γ)]O2(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LixNiγMnβCo(1-x-γ-β)]O2(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)、Li[LixNiγCoβAl(1-x-γ-β)]O2(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)等が挙げられる。スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、LixMn2O4、LixNiγMn(2-γ)O4等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4,Li3V2(PO4)3、Li2MnSiO4、Li2CoPO4F等が挙げられる。カルコゲン化合物として、二硫化チタン、二硫化モリブデン、硫化鉄、硫化コバルト、硫化銅、硫化ニッケル、銅シェブレル等が挙げられる。なお、硫黄、酸化ビスマス、鉛酸ビスマス、酸化銅、酸化バナジウム等を正極活物質として用いることもできる。
これらの材料中の原子又はポリアニオンは、他の元素からなる原子又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。これらの材料は表面が他の材料で被覆されていてもよい。正極活物質層42においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
これらの材料の中でも、正極活物質としては、リチウム遷移金属複合酸化物が好ましい。
正極活物質として、リチウムイオン伝導性酸化物等の材料を含有するコート層によって被覆された状態のものを選択することが好ましい。リチウムイオン伝導性酸化物として、LiNbO3、Li2WO4、Li4Ti5O12、Li3PO4等が挙げられる。この中でも、LiNbO3を選択することが好ましい。コート層は、正極活物質の表面全体を被覆していてもよく、又は、表面を部分的に被覆していてもよい。
The positive electrode active material can be appropriately selected from known positive electrode active materials. A material capable of absorbing and releasing lithium ions is typically used as the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries. Examples of the positive electrode active material include lithium transition metal composite oxides having an α-NaFeO 2 -type crystal structure, lithium transition metal composite oxides having a spinel-type crystal structure, polyanion compounds, chalcogen compounds, and sulfur. Examples of lithium transition metal composite oxides having α-NaFeO 2 type crystal structure include Li[Li x Ni (1-x) ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Co (1-x-γ) ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ<1), Li[Li x Co (1-x) ]O 2 (0≦x<0.5), Li[LiNiMn (1-x-γ) ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ<1), Li[Li x Ni γ Mn β Co (1-x-γ-β) ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1), Li[Li x Ni γ Co β Al (1-x-γ-β) ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1), etc. Examples of lithium transition metal composite oxides having a spinel crystal structure include Li x Mn 2 O 4 and Li x Ni γ Mn (2-γ) O 4 , etc. Examples of polyanion compounds include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 MnSiO 4 , and Li 2 CoPO 4 F, etc. Examples of chalcogen compounds include titanium disulfide, molybdenum disulfide, iron sulfide, cobalt sulfide, copper sulfide, nickel sulfide, and copper Chevrel. Sulfur, bismuth oxide, bismuth plumbate, copper oxide, vanadium oxide, etc. can also be used as the positive electrode active material.
The atoms or polyanions in these materials may be partially substituted with atoms or anion species of other elements. The surfaces of these materials may be coated with other materials. In the positive electrode active material layer 42, one of these materials may be used alone, or two or more of them may be used in combination.
Among these materials, lithium transition metal composite oxides are preferred as the positive electrode active material.
It is preferable to select a positive electrode active material that is coated with a coating layer containing a material such as a lithium ion conductive oxide. Examples of lithium ion conductive oxides include LiNbO3 , Li2WO4 , Li4Ti5O12 , and Li3PO4 . Among these, it is preferable to select LiNbO3 . The coating layer may cover the entire surface of the positive electrode active material, or may cover only a portion of the surface.
正極活物質は、通常、粒子状である。正極活物質の平均粒子径は、例えば、0.1μm以上20μm以下であることが好ましい。正極活物質の平均粒子径が上記の下限以上であることで、正極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。正極活物質の平均粒子径が上記の上限以下であることで、正極活物質層42の電子伝導性が向上する。なお、正極活物質と他の材料との複合体を用いる場合(例えば、正極活物質の表面をコート層によって被覆している場合)、該複合体の平均粒子径を正極活物質の平均粒子径とする。「平均粒子径」とは、JIS-Z-8825(2013年)に準拠し、粒子を溶媒で希釈した希釈液に対しレーザー回折・散乱法により測定した粒径分布に基づき、JIS-Z-8819-2(2001年)に準拠し計算される体積基準積算分布が50%となる値を意味する。 The positive electrode active material is typically particulate. The average particle diameter of the positive electrode active material is preferably, for example, 0.1 μm or more and 20 μm or less. Having an average particle diameter of the positive electrode active material equal to or greater than the above-mentioned lower limit facilitates the production and handling of the positive electrode active material. Having an average particle diameter of the positive electrode active material equal to or less than the above-mentioned upper limit improves the electronic conductivity of the positive electrode active material layer 42. When a composite of the positive electrode active material and another material is used (e.g., when the surface of the positive electrode active material is coated with a coating layer), the average particle diameter of the composite is taken as the average particle diameter of the positive electrode active material. "Average particle diameter" refers to the value at which the volume-based cumulative distribution calculated in accordance with JIS-Z-8819-2 (2001) is 50% based on the particle size distribution measured by laser diffraction/scattering in a diluted solution obtained by diluting particles with a solvent in accordance with JIS-Z-8825 (2013).
正極活物質の粉体を所定の粒径で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法として、例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェットミル、旋回気流型ジェットミル又は篩等を用いる方法が挙げられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、篩や風力分級機等が、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。 To obtain powder of the positive electrode active material with the specified particle size, a grinder or classifier is used. Grinding methods include, for example, using a mortar, ball mill, sand mill, vibrating ball mill, planetary ball mill, jet mill, counter jet mill, swirling air jet mill, or sieve. Wet grinding in the presence of water or an organic solvent such as hexane can also be used. Sieves or air classifiers can be used as classification methods, both dry and wet, as needed.
正極活物質層42における正極活物質の含有量は、好ましくは10質量%以上95質量%以下であり、より好ましくは20質量%以上90質量%以下であり、さらに好ましくは30質量%以上80質量%以下である。正極活物質の含有量が上記の範囲であることで、正極活物質層42の高エネルギー密度化と、正極活物質層42の比較的簡便な製造とを両立できる。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer 42 is preferably 10% by mass or more and 95% by mass or less, more preferably 20% by mass or more and 90% by mass or less, and even more preferably 30% by mass or more and 80% by mass or less. By having the content of the positive electrode active material in this range, it is possible to achieve both a high energy density of the positive electrode active material layer 42 and relatively simple manufacturing of the positive electrode active material layer 42.
正極活物質層42の固体電解質は、少なくとも硫化物固体電解質を含む。正極活物質層42の固体電解質は、後に詳しく説明する硫化物固体電解質以外の固体電解質をさらに含んでもよいが、硫化物固体電解質のみを含むことが好ましい。正極活物質層42に含まれる固体電解質は、固体電解質層60に含まれる固体電解質と同じ種類のものであってもよく、異なる種類のものであってもよい。正極活物質層42における固体電解質の含有量は、好ましくは5質量%以上90質量%以下であり、より好ましくは10質量%以上80質量%以下であり、さらに好ましくは15質量%以上70質量%以下である。正極活物質層42における固体電解質の含有量が上記範囲であることによって、当該蓄電素子が比較的大きい電気容量を有することができる。 The solid electrolyte of the positive electrode active material layer 42 contains at least a sulfide solid electrolyte. The solid electrolyte of the positive electrode active material layer 42 may further contain a solid electrolyte other than the sulfide solid electrolyte, which will be described in detail later, but preferably contains only a sulfide solid electrolyte. The solid electrolyte contained in the positive electrode active material layer 42 may be the same type as the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer 60, or may be a different type. The solid electrolyte content in the positive electrode active material layer 42 is preferably 5% by mass or more and 90% by mass or less, more preferably 10% by mass or more and 80% by mass or less, and even more preferably 15% by mass or more and 70% by mass or less. When the solid electrolyte content in the positive electrode active material layer 42 is within the above range, the energy storage device can have a relatively large electrical capacity.
導電剤は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、例えば、炭素材料、金属、導電性セラミックス等が挙げられる。炭素材料としては、黒鉛化炭素、非黒鉛化炭素、グラフェン系炭素等が挙げられる。非黒鉛化炭素としては、カーボンファイバー、ピッチ系炭素繊維、カーボンブラック等が挙げられる。カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が挙げられる。グラフェン系炭素としては、グラフェン、カーボンナノチューブ(CNT)、フラーレン等が挙げられる。導電剤の形状は、粒状又は繊維状等であってもよい。導電剤のうち1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。また、上記の材料を複合化して用いてもよい。例えば、カーボンブラックとCNTとを複合化した材料を用いてもよい。上記の導電剤のうち、電子伝導性の観点でカーボンファイバーが好ましい。 The conductive agent is not particularly limited as long as it is a material that is conductive. Examples of such conductive agents include carbon materials, metals, and conductive ceramics. Carbon materials include graphitized carbon, non-graphitized carbon, and graphene-based carbon. Non-graphitized carbon includes carbon fiber, pitch-based carbon fiber, and carbon black. Carbon black includes furnace black, acetylene black, and ketjen black. Graphene-based carbon includes graphene, carbon nanotubes (CNT), and fullerene. The conductive agent may be granular or fibrous. One type of conductive agent may be used alone, or two or more types may be mixed. The above materials may also be used in combination. For example, a composite of carbon black and CNT may be used. Of the above conductive agents, carbon fiber is preferred from the perspective of electronic conductivity.
正極活物質層42が導電剤を含む場合、正極活物質層42における導電剤の含有量は、好ましくは1質量%以上10質量%以下であり、より好ましくは3質量%以上9質量%以下である。導電剤の含有量が上記の範囲であることで、二次電池のエネルギー密度を高めることができる。 When the positive electrode active material layer 42 contains a conductive agent, the content of the conductive agent in the positive electrode active material layer 42 is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less. Having the conductive agent content in this range can increase the energy density of the secondary battery.
フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ化ビニリデン重合体などが挙げられる。フッ化ビニリデン重合体としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ化ビニリデンとフッ化ビニリデン以外とのコポリマーなどが挙げられる。フッ化ビニリデンと共重合できるモノマーとしては、例えば、フッ化ビニル、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびパーフルオロアルキルビニルエーテル等が挙げられる。フッ素樹脂としては、より広い電位窓を有するという点で、フッ化ビニリデン重合体が好ましく、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)がより好ましい。硫化物固体電解質の粒子間に存在しているフッ素樹脂の形状は、特に限定されない。斯かる形状は、例えば、粒子状であってもよく、形状が特定できない不定形状であってもよい。 Examples of fluororesins include polytetrafluoroethylene (PTFE) and vinylidene fluoride polymers. Examples of vinylidene fluoride polymers include polyvinylidene fluoride (PVDF) and copolymers of vinylidene fluoride and compounds other than vinylidene fluoride. Monomers copolymerizable with vinylidene fluoride include vinyl fluoride, trifluoroethylene, tetrafluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, hexafluoropropylene, and perfluoroalkyl vinyl ether. As a fluororesin, vinylidene fluoride polymers are preferred, and polyvinylidene fluoride (PVDF) is more preferred, due to their wider potential window. The shape of the fluororesin present between particles of the sulfide solid electrolyte is not particularly limited. For example, the shape may be particulate or an undefined shape.
正極活物質層42にさらに含まれ得るフッ素樹脂以外のバインダとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子等が挙げられる。 Examples of binders other than fluororesin that may be further included in the positive electrode active material layer 42 include thermoplastic resins such as polyethylene, polypropylene, polyacrylic, and polyimide; elastomers such as ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber (SBR), and fluororubber; and polysaccharide polymers.
正極活物質層42におけるバインダ(フッ素樹脂を含むバインダ総量)の含有量は、好ましくは0.01質量%以上10質量%以下であり、より好ましくは0.1質量%以上7.0質量%以下である。バインダの含有量が上記の範囲であることで、活物質を安定して保持することができる。 The binder content (total amount of binder including fluororesin) in the positive electrode active material layer 42 is preferably 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 0.1% by mass or more and 7.0% by mass or less. Having the binder content within this range allows the active material to be stably maintained.
正極活物質層42は、バインダとしてフッ素樹脂のみを含んでもよい。正極活物質層42は、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)のみを含んでもよい。バインダのうちフッ素樹脂(特にPDVF)が占める割合は、95質量%以上であってもよい。 The positive electrode active material layer 42 may contain only a fluororesin as a binder. The positive electrode active material layer 42 may contain only polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder. The proportion of the fluororesin (particularly PVDF) in the binder may be 95 mass% or more.
正極活物質層42が増粘剤を含む場合、増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。増粘剤がリチウム等と反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させてもよい。 When the positive electrode active material layer 42 contains a thickener, examples of the thickener include polysaccharide polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC) and methyl cellulose. If the thickener has a functional group that reacts with lithium or the like, this functional group may be deactivated in advance by methylation or the like.
本実施形態において、電解質含有層Aのうちの少なくとも正極活物質層42は、蓄電素子の製造方法について後に説明するように、低極性溶媒と、平均粒子径が200nm以下のフッ素樹脂の粒子と、硫化物固体電解質の粒子と、を含む固体電解質含有スラリーの塗布物が乾燥処理されたものである。このように、フッ素樹脂粒子が製造時において比較的小さいため、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士が良好に結着され、しかも、製造時における硫化物固体電解質の劣化が抑制されている。 In this embodiment, at least the positive electrode active material layer 42 of the electrolyte-containing layer A is formed by drying an applied solid electrolyte-containing slurry containing a low-polarity solvent, fluororesin particles with an average particle size of 200 nm or less, and sulfide solid electrolyte particles, as described later in the manufacturing method of the energy storage device. Because the fluororesin particles are relatively small during manufacturing, the sulfide solid electrolyte particles are well bonded together by the fluororesin particles, and deterioration of the sulfide solid electrolyte during manufacturing is suppressed.
上述したように、固体電解質含有スラリーにおいて、フッ素樹脂の粒子の平均粒子径が200nm以下であり十分に小さい。よって、上記スラリーを用いて作製された正極活物質層42では、フッ素樹脂の含有割合が体積基準で同じであれば、フッ素樹脂の粒子数が十分に多くなる。従って、正極活物質層内で上記フッ素樹脂を十分に分散させた状態で、硫化物固体電解質の粒子間における上記フッ素樹脂粒子の偏在を抑えることができる。これにより、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着できる。また、フッ素樹脂の粒子の平均粒子径が小さい分、十分な結着性を得るためフッ素樹脂の必要量が少なくなる。そのため、硫化物固体電解質の粒子同士の接触界面の総面積を大きくすることができる。従って、硫化物固体電解質の粒子間でのイオン伝導が、フッ素樹脂粒子によって阻害されるという悪影響を小さくできる。また、フッ素樹脂の粒子の平均粒子径が十分に小さいことから、スラリーを塗布した際にフッ素樹脂が沈降することを抑制できる。そのため、より均一に近い正極活物質層42を作製できる。 As described above, the solid electrolyte-containing slurry contains fluororesin particles with a sufficiently small average particle diameter of 200 nm or less. Therefore, in a positive electrode active material layer 42 fabricated using the above slurry, the number of fluororesin particles is sufficiently large, assuming the same volumetric content of fluororesin. Therefore, while the fluororesin is sufficiently dispersed within the positive electrode active material layer, uneven distribution of the fluororesin particles between sulfide solid electrolyte particles can be suppressed. This allows the fluororesin particles to effectively bond the sulfide solid electrolyte particles together. Furthermore, since the average particle diameter of the fluororesin particles is small, less fluororesin is required to achieve sufficient bonding. This allows the total area of the contact interfaces between sulfide solid electrolyte particles to be increased. This reduces the adverse effect of fluororesin particles impeding ionic conduction between sulfide solid electrolyte particles. Furthermore, because the average particle diameter of the fluororesin particles is sufficiently small, settling of the fluororesin can be suppressed when the slurry is applied. This allows for the fabrication of a more uniform positive electrode active material layer 42.
なお、上記のごとく固体電解質含有スラリーを用いて作製された正極活物質層42では、フッ素樹脂の粒子が硫化物固体電解質の粒子の間に配置された状態となる。このような状態のフッ素樹脂の粒子は、例えば球状などの粒子形状を必ずしも保っていないため、平均粒子径を測定することが困難である。よって、正極活物質層42に含まれるフッ素樹脂の粒子の平均粒子径を規定することは、ほぼ不可能であり非実際的である。 In the positive electrode active material layer 42 produced using the solid electrolyte-containing slurry as described above, the fluororesin particles are arranged between the sulfide solid electrolyte particles. The fluororesin particles in this state do not necessarily maintain a particle shape, such as a spherical shape, making it difficult to measure their average particle diameter. Therefore, it is nearly impossible and impractical to specify the average particle diameter of the fluororesin particles contained in the positive electrode active material layer 42.
(負極)
負極50は、負極基材51と、当該負極基材51に直接又は所定の層などを介して重なる負極活物質層52とを有する。本実施形態では、負極50において負極基材51と負極活物質層52とが直接重なり合っている。また、本実施形態では、負極基材51の片面(一方の面)に負極活物質層52が重ねられている。
(Negative electrode)
The negative electrode 50 has a negative electrode substrate 51 and a negative electrode active material layer 52 that overlaps the negative electrode substrate 51 directly or via a predetermined layer or the like. In this embodiment, the negative electrode substrate 51 and the negative electrode active material layer 52 overlap directly in the negative electrode 50. In this embodiment, the negative electrode active material layer 52 is overlapped on one surface (one side) of the negative electrode substrate 51.
負極基材51は、導電性を有する。負極基材51の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼、アルミニウム等の金属又はこれらの合金が用いられる。これらの中でもステンレス鋼、ニッケル若しくはニッケル合金又は銅若しくは銅合金が好ましい。負極基材51としては、金属箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの観点から金属箔が好ましい。負極基材51としては、例えば、ステンレス箔、ニッケル箔若しくはニッケル合金箔、又は、銅箔若しくは銅合金箔が挙げられる。銅箔の例としては、圧延銅箔、電解銅箔等が挙げられる。 The negative electrode substrate 51 is electrically conductive. Materials used for the negative electrode substrate 51 include metals such as copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, and aluminum, as well as alloys of these. Among these, stainless steel, nickel or nickel alloys, and copper or copper alloys are preferred. Examples of the negative electrode substrate 51 include metal foils and vapor-deposited films, with metal foils being preferred from a cost perspective. Examples of the negative electrode substrate 51 include stainless steel foils, nickel foils or nickel alloy foils, and copper foils or copper alloy foils. Examples of copper foils include rolled copper foils and electrolytic copper foils.
負極基材51の平均厚さは、1μm以上50μm以下が好ましく、30μm以下がより好ましく、15μm以下がさらに好ましい。負極基材51の平均厚さを上記の範囲とすることで、負極基材51の強度を高めつつ、二次電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。 The average thickness of the negative electrode substrate 51 is preferably 1 μm or more and 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and even more preferably 15 μm or less. By setting the average thickness of the negative electrode substrate 51 within the above range, the strength of the negative electrode substrate 51 can be increased while also increasing the energy density per volume of the secondary battery.
負極活物質層52は、負極活物質と、固体電解質の粒子とを含む。負極活物質層52は、必要に応じて導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分は、上記正極40で例示した材料から選択できる。負極活物質層52は、正極活物質層42と同様に、バインダとしてフッ素樹脂のみを含んでもよく、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)のみを含んでもよい。バインダのうちフッ素樹脂(特にPDVF)が占める割合は、95質量%以上であってもよい。 The negative electrode active material layer 52 contains a negative electrode active material and particles of a solid electrolyte. The negative electrode active material layer 52 may contain optional components such as a conductive agent, binder, thickener, and filler as needed. The optional components such as the conductive agent, binder, thickener, and filler can be selected from the materials exemplified for the positive electrode 40 above. Like the positive electrode active material layer 42, the negative electrode active material layer 52 may contain only a fluororesin as the binder, or only polyvinylidene fluoride (PVDF). The proportion of the fluororesin (particularly PVDF) in the binder may be 95% by mass or more.
負極活物質層52は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba、等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb、W等の遷移金属元素を負極活物質、固体電解質、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The negative electrode active material layer 52 may contain typical non-metallic elements such as B, N, P, F, Cl, Br, and I; typical metallic elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sn, Sr, and Ba; and transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Ta, Hf, Nb, and W as components other than the negative electrode active material, solid electrolyte, conductive agent, binder, thickener, and filler.
負極活物質としては、公知の負極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。負極活物質としては、例えば、金属Li;Si、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Ti酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;Li4Ti5O12、LiTiO2、TiNb2O7等のチタン含有酸化物;ポリリン酸化合物;炭化ケイ素;黒鉛(グラファイト)、非黒鉛質炭素(易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素)等の炭素材料等が挙げられる。これらの材料の中でも、黒鉛及び非黒鉛質炭素が好ましい。負極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The negative electrode active material can be appropriately selected from known negative electrode active materials. A material capable of absorbing and releasing lithium ions is typically used as the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries. Examples of negative electrode active materials include metal Li; metals or semimetals such as Si and Sn; metal oxides or semimetal oxides such as Si oxide, Ti oxide, and Sn oxide; titanium-containing oxides such as Li 4 Ti 5 O 12 , LiTiO 2 , and TiNb 2 O 7 ; polyphosphate compounds; silicon carbide; carbon materials such as graphite and non-graphitic carbon (easily graphitizable carbon or non-graphitizable carbon). Among these materials, graphite and non-graphitic carbon are preferred. In the negative electrode active material layer, one of these materials may be used alone, or two or more may be mixed and used.
「黒鉛」とは、充放電前又は放電状態において、X線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.33nm以上0.34nm未満の炭素材料をいう。黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。安定した物性の材料を入手できるという観点で、人造黒鉛が好ましい。 "Graphite" refers to a carbon material in which the average lattice spacing (d 002 ) of the (002) plane, as determined by X-ray diffraction before charge/discharge or in a discharged state, is 0.33 nm or more and less than 0.34 nm. Examples of graphite include natural graphite and artificial graphite. Artificial graphite is preferred from the viewpoint of being able to obtain a material with stable physical properties.
「非黒鉛質炭素」とは、充放電前又は放電状態においてX線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.34nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。非黒鉛質炭素としては、難黒鉛化性炭素や、易黒鉛化性炭素が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、例えば、樹脂由来の材料、石油ピッチまたは石油ピッチ由来の材料、石油コークスまたは石油コークス由来の材料、植物由来の材料、アルコール由来の材料等が挙げられる。 "Non-graphitic carbon" refers to a carbon material in which the average lattice spacing (d 002 ) of the (002) plane, as determined by X-ray diffraction before charge/discharge or in a discharged state, is 0.34 nm or more and 0.42 nm or less. Examples of non-graphitic carbon include non-graphitizable carbon and graphitizable carbon. Examples of non-graphitic carbon include resin-derived materials, petroleum pitch or petroleum pitch-derived materials, petroleum coke or petroleum coke-derived materials, plant-derived materials, and alcohol-derived materials.
ここで、「放電状態」とは、負極活物質である炭素材料から、充放電に伴い吸蔵放出可能なリチウムイオンが十分に放出されるように放電された状態を意味する。例えば、負極活物質として炭素材料を含む負極を作用極として、金属Liを対極として用いた単極電池において、開回路電圧が0.7V以上である状態である。 Here, "discharged state" refers to a state in which the negative electrode active material, a carbonaceous material, has been discharged so that lithium ions capable of being absorbed and released during charging and discharging are sufficiently released. For example, in a single-electrode battery using a negative electrode containing a carbonaceous material as the negative electrode active material as the working electrode and metallic Li as the counter electrode, this is a state in which the open circuit voltage is 0.7 V or higher.
「難黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.36nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。 The term "non-graphitizable carbon" refers to a carbon material having the above d 002 of 0.36 nm or more and 0.42 nm or less.
「易黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.34nm以上0.36nm未満の炭素材料をいう。 "Graphitizable carbon" refers to a carbon material having the above d002 of 0.34 nm or more and less than 0.36 nm.
負極活物質は、通常、粒子(粉体)である。負極活物質の平均粒子径は、例えば、1nm以上100μm以下とすることができる。負極活物質が炭素材料、チタン含有酸化物又はポリリン酸化合物である場合、その平均粒子径は、1μm以上100μm以下であってもよい。負極活物質が、Si、Sn、Si酸化物、又は、Sn酸化物等である場合、その平均粒子径は、1nm以上1μm以下であってもよい。負極活物質の平均粒子径を上記下限以上とすることで、負極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。負極活物質の平均粒子径を上記上限以下とすることで、活物質層の電子伝導性が向上する。粉体を所定の粒径で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法及び粉級方法は、例えば、上記正極で例示した方法から選択できる。負極活物質が金属Li等の金属である場合、負極活物質は、箔状であってもよい。 The negative electrode active material is typically in the form of particles (powder). The average particle diameter of the negative electrode active material can be, for example, 1 nm to 100 μm. When the negative electrode active material is a carbon material, a titanium-containing oxide, or a polyphosphate compound, the average particle diameter may be 1 μm to 100 μm. When the negative electrode active material is Si, Sn, Si oxide, Sn oxide, or the like, the average particle diameter may be 1 nm to 1 μm. Setting the average particle diameter of the negative electrode active material to be equal to or greater than the above lower limit facilitates the production and handling of the negative electrode active material. Setting the average particle diameter of the negative electrode active material to be equal to or less than the above upper limit improves the electronic conductivity of the active material layer. A pulverizer, classifier, or the like is used to obtain powder with a specified particle size. The pulverization and classification methods can be selected from, for example, the methods exemplified for the positive electrode above. When the negative electrode active material is a metal such as metallic Li, the negative electrode active material may be in the form of a foil.
負極活物質層52における負極活物質の含有量は、好ましくは10質量%以上95質量%以下であり、より好ましくは20質量%以上90質量%以下であり、さらに好ましくは30質量%以上80質量%以下である。負極活物質の含有量が上記の範囲であることで、負極活物質層52の高エネルギー密度化と、負極活物質層52の比較的簡便な製造とを両立できる。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer 52 is preferably 10% by mass or more and 95% by mass or less, more preferably 20% by mass or more and 90% by mass or less, and even more preferably 30% by mass or more and 80% by mass or less. Having the content of the negative electrode active material in this range enables both a high energy density of the negative electrode active material layer 52 and relatively simple manufacturing of the negative electrode active material layer 52.
負極活物質層52の固体電解質は、後に詳述する固体電解質層60の説明において例示される固体電解質の中から適宜選択できる。負極活物質層52に含まれる固体電解質は、固体電解質層60に含まれる固体電解質と同じ種類のものであってもよく、異なる種類のものであってもよい。本実施形態の一例では、負極活物質層52に含まれる固体電解質は、硫化物固体電解質である。負極活物質層52における固体電解質の含有量は、好ましくは5質量%以上90質量%以下であり、より好ましくは10質量%以上80質量%以下であり、さらに好ましくは15質量%以上70質量%以下である。負極活物質層52における固体電解質の含有量が上記範囲であることによって、当該蓄電素子が比較的大きい電気容量を有することができる。なお、負極活物質層52は、異なる複数種の固体電解質を含んでもよい。 The solid electrolyte of the anode active material layer 52 can be appropriately selected from the solid electrolytes exemplified in the detailed description of the solid electrolyte layer 60 below. The solid electrolyte contained in the anode active material layer 52 may be the same type as the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer 60, or may be a different type. In one example of this embodiment, the solid electrolyte contained in the anode active material layer 52 is a sulfide solid electrolyte. The content of the solid electrolyte in the anode active material layer 52 is preferably 5% by mass or more and 90% by mass or less, more preferably 10% by mass or more and 80% by mass or less, and even more preferably 15% by mass or more and 70% by mass or less. When the content of the solid electrolyte in the anode active material layer 52 is within the above range, the energy storage element can have a relatively large electrical capacity. The anode active material layer 52 may contain multiple different types of solid electrolytes.
負極活物質層52は、上述した正極活物質層42と同様に、低極性溶媒と、平均粒子径が200nm以下のフッ素樹脂の粒子と、硫化物固体電解質の粒子と、を含む固体電解質含有スラリーの塗布物が乾燥処理されたものであってもよい。 Like the above-described positive electrode active material layer 42, the negative electrode active material layer 52 may be formed by drying an applied solid electrolyte-containing slurry containing a low-polarity solvent, fluororesin particles having an average particle size of 200 nm or less, and sulfide solid electrolyte particles.
電極体2では、固体電解質層60を介して正極活物質層42及び負極活物質層52が向き合っている。電極体2を積層方向(厚さ方向)の一方から見たときに、負極活物質層52の面積が、正極活物質層42の面積よりも大きくてもよい。換言すると、負極活物質層52の周縁部の少なくとも一部は、厚さ方向において正極活物質層42と対向していなくてもよい。 In the electrode body 2, the positive electrode active material layer 42 and the negative electrode active material layer 52 face each other with the solid electrolyte layer 60 interposed therebetween. When the electrode body 2 is viewed from one side in the stacking direction (thickness direction), the area of the negative electrode active material layer 52 may be larger than the area of the positive electrode active material layer 42. In other words, at least a portion of the peripheral edge of the negative electrode active material layer 52 does not have to face the positive electrode active material layer 42 in the thickness direction.
(固体電解質層)
本実施形態の電極体2において、固体電解質を含み且つ活物質を含まない固体電解質層60が、正極40と負極50との間に配置されている。固体電解質層60の厚さは、5μm以上200μm以下であってもよく、10μm以上100μm以下であってもよい。
(solid electrolyte layer)
In the electrode body 2 of this embodiment, a solid electrolyte layer 60 containing a solid electrolyte but no active material is disposed between the positive electrode 40 and the negative electrode 50. The thickness of the solid electrolyte layer 60 may be 5 μm or more and 200 μm or less, or may be 10 μm or more and 100 μm or less.
固体電解質層60は、上記の正極活物質層42の説明で挙げたフッ素樹脂をバインダとしてさらに含んでもよい。換言すると、固体電解質層60は、正極活物質層42に含まれ得るバインダと同様のバインダを含んでもよく、具体的には、上述したフッ素樹脂をバインダとして含んでもよい。 The solid electrolyte layer 60 may further contain, as a binder, the fluororesin mentioned in the description of the positive electrode active material layer 42 above. In other words, the solid electrolyte layer 60 may contain a binder similar to the binder that may be contained in the positive electrode active material layer 42, and specifically, may contain the above-mentioned fluororesin as a binder.
上記の固体電解質は、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム等のイオンを伝導するイオン伝導性材料であり、且つ、1気圧25℃の窒素雰囲気下においても固体状を保つ化合物である。上記の固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質(後に詳述)、硫化物固体電解質以外の他の固体電解質(後に詳述)などが挙げられる。本実施形態の一例において、固体電解質層60は、少なくとも硫化物固体電解質を含む。固体電解質層60は、固体電解質として硫化物固体電解質のみを含むことが好ましい。 The solid electrolyte is an ion-conductive material that conducts ions such as lithium, sodium, potassium, magnesium, and calcium, and is a compound that remains solid even in a nitrogen atmosphere at 1 atmosphere pressure and 25°C. Examples of the solid electrolyte include sulfide solid electrolytes (described in detail below) and solid electrolytes other than sulfide solid electrolytes (described in detail below). In one example of this embodiment, the solid electrolyte layer 60 contains at least a sulfide solid electrolyte. It is preferable that the solid electrolyte layer 60 contains only a sulfide solid electrolyte as the solid electrolyte.
固体電解質が硫化物固体電解質であることによって、固体電解質層のリチウム等のイオンの伝導度をより高くできるという利点がある。また、硫化物固体電解質の粒子は、より変形しやすいことから、固体電解質の粒子同士の接触面積、及び、固体電解質と活物質との接触面積が、より大きくなり得る。よって、固体電解質の粒子間における界面抵抗、及び、固体電解質と活物質との間における界面抵抗をより低くすることができるという利点がある。 Using a sulfide solid electrolyte as the solid electrolyte has the advantage of increasing the conductivity of ions such as lithium in the solid electrolyte layer. Furthermore, because sulfide solid electrolyte particles are more easily deformed, the contact area between solid electrolyte particles and the contact area between the solid electrolyte and the active material can be increased. This has the advantage of reducing the interfacial resistance between solid electrolyte particles and between the solid electrolyte and the active material.
硫化物固体電解質は、硫黄元素を必須成分として含み、1気圧25℃の窒素雰囲気下においても固体状を保つ化合物である。硫化物固体電解質としては、リチウムイオン二次電池で用いられる場合、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-GeS2、LiI-Li2S-P2S5、Li10Ge-P2S12、Li6PS5X(X=Cl、Br、I)等が挙げられる。ここで、Li10Ge-P2S12は、LGPS型と称され、Li6PS5Xは、アルジロダイト型と称される。 A sulfide solid electrolyte is a compound that contains sulfur element as an essential component and remains solid even in a nitrogen atmosphere at 1 atmosphere pressure and 25° C. When used in a lithium ion secondary battery, examples of sulfide solid electrolytes include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—GeS 2 , LiI—Li 2 S—P 2 S 5 , Li 10 Ge—P 2 S 12 , and Li 6 PS 5 X (X = Cl, Br, I). Here, Li 10 Ge—P 2 S 12 is called an LGPS type, and Li 6 PS 5 X is called an argyrodite type.
固体電解質層60に含まれ得る他の固体電解質としては、酸化物固体電解質、酸窒化物固体電解質、又は、ポリマー固体電解質などが挙げられる。固体電解質層60において、固体電解質のうち硫化物固体電解質が占める割合は、95質量%以上であってもよい。 Other solid electrolytes that may be included in the solid electrolyte layer 60 include oxide solid electrolytes, oxynitride solid electrolytes, and polymer solid electrolytes. In the solid electrolyte layer 60, the proportion of sulfide solid electrolytes in the solid electrolyte may be 95 mass% or more.
酸化物固体電解質は、酸素を必須成分として含み、1気圧25℃の窒素雰囲気下においても固体状を保つ化合物である。酸化物固体電解質としては、例えば、ペロブスカイト型酸化物、NASICON型酸化物、LISICON型酸化物、ガーネット型酸化物等が挙げられる。
ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、LixLa1-xTiO3等で表される酸化物(Li-La-Ti-O系ペロブスカイト型酸化物)等が挙げられる。斯かる酸化物としては、例えば、Li0.29La0.57TiO3、Li0.35La0.55TiO3等が挙げられる。
NASICON型酸化物としては、例えば、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3等が挙げられる。
LISICON型酸化物としては、例えば、Li4SiO4-Li3PO4、Li3BO3-Li3PO4等が挙げられる。
ガーネット型酸化物としては、例えば、Li7La3Zr2O12等のLi-La-Zr-O系酸化物等が挙げられる。
The oxide solid electrolyte is a compound that contains oxygen as an essential component and remains solid even in a nitrogen atmosphere at 1 atmosphere pressure and 25° C. Examples of the oxide solid electrolyte include perovskite-type oxides, NASICON-type oxides, LISICON-type oxides, and garnet-type oxides.
Examples of perovskite oxides include oxides expressed by Li x La 1-x TiO 3 (Li-La-Ti-O based perovskite oxides), etc. Examples of such oxides include Li 0.29 La 0.57 TiO 3 and Li 0.35 La 0.55 TiO 3 .
An example of the NASICON type oxide is Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 .
Examples of LISICON type oxides include Li 4 SiO 4 —Li 3 PO 4 and Li 3 BO 3 —Li 3 PO 4 .
Examples of garnet-type oxides include Li—La—Zr—O-based oxides such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 .
酸窒化物固体電解質としては、例えば、Li3N等が挙げられる。 An example of the oxynitride solid electrolyte is Li 3 N.
ポリマー固体電解質としては、イオン伝導性ポリマーが挙げられる。斯かるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエーテル系、ポリエステル系、ポリアミン系、又は、ポリスルフィド系の各ポリマーの化学修飾体及び架橋体などが挙げられる。 Examples of polymer solid electrolytes include ion-conductive polymers. Examples of such ion-conductive polymers include chemically modified and crosslinked polyether, polyester, polyamine, and polysulfide polymers.
なお、固体電解質層60は、上述した正極活物質層42と同様に、低極性溶媒と、平均粒子径が200nm以下のフッ素樹脂の粒子と、硫化物固体電解質の粒子と、を含む固体電解質含有スラリーの塗布物(活物質は含まない)が乾燥処理されたものであってもよい。 In addition, like the above-described positive electrode active material layer 42, the solid electrolyte layer 60 may be formed by drying an applied solid electrolyte-containing slurry (not including active material) containing a low-polarity solvent, fluororesin particles with an average particle size of 200 nm or less, and sulfide solid electrolyte particles.
<全固体型蓄電素子の製造方法>
本実施形態の蓄電素子の製造方法は、例えば、電極体を作製すること(工程)と、電極体を容器3に収容して蓄電素子を組み立てること(工程)と、を備える。
電極体を作製することでは、正極40、負極50、固体電解質層60を作製する。
<Method of manufacturing all-solid-state energy storage element>
The method for manufacturing the energy storage element of this embodiment includes, for example, the steps of producing an electrode body and housing the electrode body in a container 3 to assemble the energy storage element.
By fabricating the electrode body, the positive electrode 40, the negative electrode 50, and the solid electrolyte layer 60 are fabricated.
電極体を作製すること(工程)は、
低極性溶媒と、フッ素樹脂の粒子と、硫化物固体電解質の粒子と、を含む固体電解質含有スラリーを調製することと、
前記固体電解質含有スラリーの塗布物から、フッ素樹脂と硫化物固体電解質の粒子とを含む電解質含有層Aを作製することとを備える。
前記固体電解質含有スラリーを調製すること(工程)において、前記低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方であり、且つ、前記粒子の平均粒子径が200nm以下である。また、前記電解質含有層Aを作製すること(工程)において、前記低極性溶媒を揮発させる乾燥処理を前記塗布物に施す。
The step of preparing the electrode body includes:
preparing a solid electrolyte-containing slurry containing a low-polarity solvent, fluororesin particles, and sulfide solid electrolyte particles;
and preparing an electrolyte-containing layer A containing fluororesin and sulfide solid electrolyte particles from the applied solid electrolyte-containing slurry.
In the step of preparing the solid electrolyte-containing slurry, the low-polarity solvent is at least one of a hydrocarbon compound and a compound having only a hydrocarbon group and an ether group in the molecule, and the particles have an average particle size of 200 nm or less. In the step of producing the electrolyte-containing layer A, the coating is subjected to a drying treatment to volatilize the low-polarity solvent.
電極体を作製すること(工程)では、電解質含有層Aのうちの少なくとも1つを作製するために、低極性溶媒と、該低極性溶媒中に分散したフッ素樹脂の粒子と、を含む分散液を調製する。次に、調製した分散液と、硫化物固体電解質の粒子、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子、及び、炭素材料の粒子のうち少なくとも1種とを混合して、スラリーを調製する。続いて、スラリーの塗布物に乾燥処理を施すことによってスラリーから前記低極性溶媒を揮発させることによって、正極活物質層42、負極活物質層52、及び、固体電解質層のうちの少なくとも1つを作製する。 In the electrode assembly fabrication step, a dispersion containing a low-polarity solvent and fluororesin particles dispersed in the low-polarity solvent is prepared to fabricate at least one of the electrolyte-containing layers A. The prepared dispersion is then mixed with at least one of sulfide solid electrolyte particles, lithium transition metal composite oxide particles, and carbon material particles to prepare a slurry. The applied slurry is then dried to volatilize the low-polarity solvent from the slurry, thereby fabricating at least one of the positive electrode active material layer 42, the negative electrode active material layer 52, and the solid electrolyte layer.
以下、上記の各工程について、詳しく説明する。なお、以下では、電解質含有層Aを構成する各層(正極活物質層42、負極活物質層52、及び、固体電解質層60)を、上述したスラリー及び分散液を用いて作製する例について詳しく説明する。 The following describes each of the above steps in detail. The following describes in detail an example in which the layers constituting the electrolyte-containing layer A (positive electrode active material layer 42, negative electrode active material layer 52, and solid electrolyte layer 60) are produced using the above-mentioned slurry and dispersion liquid.
(電極体を作製する工程)
電極体を作製する工程では、まず、上述した分散液を用意する。斯かる分散液は、低極性溶媒と、該低極性溶媒中に分散したフッ素樹脂の粒子と、を含む。低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方であり、前記粒子の平均粒子径が200nm以下である。本実施形態において、上記の分散液は、以下に説明するように、蓄電素子の電極体作製用の分散液である。
(Step of producing electrode body)
In the process of producing an electrode assembly, first, the above-described dispersion liquid is prepared. The dispersion liquid includes a low-polarity solvent and fluororesin particles dispersed in the low-polarity solvent. The low-polarity solvent is at least one of a hydrocarbon compound and a compound having only a hydrocarbon group and an ether group in the molecule, and the particles have an average particle size of 200 nm or less. In this embodiment, the above-described dispersion liquid is a dispersion liquid for producing an electrode assembly of an energy storage element, as described below.
分散液は、以下のようにして調製できる。分散液の調製方法は、水を含有する高極性溶媒と、該高極性溶媒中に分散した平均粒子径が200nm以下のフッ素樹脂の粒子とを含む原液を調製することと、
前記水を、前記高極性溶媒よりも極性の低い上記の低極性溶媒に置換する置換処理を前記原液に施すことによって、前記フッ素樹脂の粒子の分散液を得ることと、を備える。
The dispersion can be prepared as follows: A method for preparing the dispersion includes preparing a stock solution containing a highly polar solvent containing water and fluororesin particles having an average particle size of 200 nm or less dispersed in the highly polar solvent;
and subjecting the raw liquid to a substitution treatment in which the water is substituted with the low-polarity solvent having a lower polarity than the high-polarity solvent, thereby obtaining a dispersion liquid of the fluororesin particles.
[分散液を調製するための原液の調製]
高極性溶媒は、少なくとも水を含む溶媒である。高極性溶媒は、水以外の溶媒(有機溶媒)をさらに含んでもよい。高極性溶媒における有機溶媒の含有率は、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることがさらに好ましい。
[Preparation of stock solution for preparing dispersion]
The highly polar solvent is a solvent containing at least water. The highly polar solvent may further contain a solvent other than water (organic solvent). The content of the organic solvent in the highly polar solvent is preferably 10% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, and even more preferably 1% by mass or less.
高極性溶媒は、上記の低極性溶媒よりも極性が高い。換言すると、原液に含まれる溶媒の極性は、置換処理によって調製される分散液に含まれる溶媒の極性よりも高い。斯かる極性の高低は、高極性溶媒又は低極性溶媒が混合溶媒であっても、Hildebrandによる溶解度パラメーター(δ SP値)によって決定できる。SP値が大きいほど、極性が高い。 High-polarity solvents have a higher polarity than the low-polarity solvents mentioned above. In other words, the polarity of the solvent contained in the stock solution is higher than the polarity of the solvent contained in the dispersion liquid prepared by the substitution process. The level of polarity can be determined by the Hildebrand solubility parameter (δ SP value), even if the high-polarity solvent or low-polarity solvent is a mixed solvent. The higher the SP value, the higher the polarity.
高極性溶媒は、水の他に、水に溶解する有機溶媒をさらに含む溶媒であってもよい。斯かる有機溶媒としては、例えば、アセトニトリル、イソプロパノール、N-メチルピロリドンなどが挙げられる。 The highly polar solvent may be a solvent that contains, in addition to water, an organic solvent that dissolves in water. Examples of such organic solvents include acetonitrile, isopropanol, and N-methylpyrrolidone.
原液は、例えば以下のようにして調製できる。市販されているフッ素樹脂(例えばポリフッ化ビニリデンの粉体)と、フッ素樹脂の濃度が例えば1質量%となるようにフッ素樹脂とアセトニトリルとを加熱しながら混合し、フッ素樹脂を溶解させた溶液を得る。この溶液に、フッ素樹脂(固形分換算)の質量の例えば10倍量の水を加えてフッ素樹脂溶液を得る。70から80℃程度に加熱された前記フッ素樹脂溶液を、フッ素樹脂(固形分換算)の質量の100倍量の水中へ連続的に添加することによって、水及びアセトニトリル中にフッ素樹脂の粒子が分散した分散液を得る。斯かる分散液に含まれるアセトニトリル及び水のほとんどを、減圧濃縮処理によって揮発させる。その後、適当量の水を加えて、例えば5質量%から10質量%濃度の原液を調製する。この原液は、粒子状態のフッ素樹脂を含む。 The stock solution can be prepared, for example, as follows. A commercially available fluororesin (e.g., polyvinylidene fluoride powder) is mixed with acetonitrile while heating to a fluororesin concentration of, for example, 1% by mass, to obtain a solution in which the fluororesin is dissolved. To this solution, water is added in an amount, for example, 10 times the mass of the fluororesin (solid content equivalent). The fluororesin solution, heated to approximately 70 to 80°C, is continuously added to water in an amount 100 times the mass of the fluororesin (solid content equivalent), to obtain a dispersion in which fluororesin particles are dispersed in water and acetonitrile. Most of the acetonitrile and water contained in this dispersion are evaporated by vacuum concentration. An appropriate amount of water is then added to prepare a stock solution with a concentration of, for example, 5% to 10% by mass. This stock solution contains the fluororesin in particulate form.
[分散液の調製(置換処理)]
上記のごとく調製した原液に対して置換処理を施すことによって、上記の高極性溶媒に含まれる少なくとも水を低極性溶媒に置換する。置換処理によって、フッ素樹脂の粒子が分散された分散液を得る。置換処理の方法としては、超音波照射による分散操作、揮発操作、遠心分離操作、及び、デカンテーションによる溶媒除去操作などを含む一般的な置換処理方法を採用できる。
[Preparation of dispersion liquid (substitution treatment)]
The stock solution prepared as described above is subjected to a substitution treatment to substitute at least the water contained in the high-polarity solvent with the low-polarity solvent. The substitution treatment results in a dispersion in which fluororesin particles are dispersed. The substitution treatment can be carried out by a general substitution treatment method, including a dispersion operation using ultrasonic irradiation, a volatilization operation, a centrifugal separation operation, and a solvent removal operation by decantation.
低極性溶媒は、炭化水素化合物、並びに、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物のうち少なくとも一方である。 Low-polarity solvents are at least one of hydrocarbon compounds and compounds containing only hydrocarbon groups and ether groups in the molecule.
炭化水素化合物としては、例えば、オクタン、ノナン、デカンなどの脂肪族炭化水素、又は、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリンなどの芳香族炭化水素が挙げられる。一方、炭化水素基及びエーテル基のみを分子中に有する化合物としては、例えば、ジヘキシルエーテル、ジヘプチルエーテル、ジブチルエーテルなどの脂肪族エーテル、又は、アニソール(メトキシベンゼン)、メトキシトルエン、メトキシキシレン、メトキシメシチレン、エトキシベンゼンなどの芳香族エーテルが挙げられる。 Examples of hydrocarbon compounds include aliphatic hydrocarbons such as octane, nonane, and decane, and aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, mesitylene, and tetralin. On the other hand, examples of compounds containing only hydrocarbon groups and ether groups in the molecule include aliphatic ethers such as dihexyl ether, diheptyl ether, and dibutyl ether, and aromatic ethers such as anisole (methoxybenzene), methoxytoluene, methoxyxylene, methoxymesitylene, and ethoxybenzene.
低極性溶媒は、オクタン、ノナン、デカン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、ジヘキシルエーテル、ジヘプチルエーテル、ジブチルエーテル、アニソール(メトキシベンゼン)、メトキシトルエン、メトキシキシレン、メトキシメシチレン、及び、エトキシベンゼンからなる群より選択された少なくとも1種であることが好ましい。 The low-polarity solvent is preferably at least one selected from the group consisting of octane, nonane, decane, benzene, toluene, xylene, mesitylene, tetralin, dihexyl ether, diheptyl ether, dibutyl ether, anisole (methoxybenzene), methoxytoluene, methoxyxylene, methoxymesitylene, and ethoxybenzene.
置換処理においては、一般的に知られている様々な操作を採用できる。置換処理において、例えば、フッ素樹脂の粒子を十分に分散させるために超音波照射による分散操作を実施できる。また、置換処理において、分散操作を実施した後にエバポレータなどを用いて原液中の水を揮発させる揮発操作を実施できる。揮発操作は、原液が100℃以下となるように加熱処理を施しつつ、減圧下で行うことができる。また、置換処理において、揮発操作の後、フッ素樹脂の粒子を沈殿させる遠心分離操作を実施でき、また、遠心分離後の上澄み液をデカンテーション法によって取り除く溶媒除去操作を実施できる。これら一連の操作は、繰り返して複数セット実施できる。 A variety of commonly known procedures can be used in the replacement process. For example, a dispersion operation using ultrasonic irradiation can be performed in the replacement process to thoroughly disperse the fluororesin particles. Furthermore, after the dispersion operation, a volatilization operation can be performed using an evaporator or the like to volatilize the water in the stock solution. The volatilization operation can be performed under reduced pressure while heating the stock solution to 100°C or below. Furthermore, after the volatilization operation, a centrifugation operation can be performed in the replacement process to precipitate the fluororesin particles, and a solvent removal operation can be performed in which the supernatant liquid after centrifugation is removed by decantation. This series of operations can be repeated multiple times.
置換処理において、必要であれば、水よりも低極性であり且つ低極性溶媒よりも高極性である中間溶媒(例えばイソプロパノール)を使用してもよい。具体的には、原液中の水を中間溶媒に置換する上記一連の操作を行った後に、中間溶媒を低極性溶媒に置換する一連の操作を行ってもよい。この場合、水を揮発させる操作によって、水だけでなく中間溶媒も揮発し得る。 If necessary, an intermediate solvent (e.g., isopropanol) that is less polar than water but more polar than the low-polarity solvent may be used in the replacement process. Specifically, after performing the above series of operations to replace the water in the stock solution with the intermediate solvent, a series of operations to replace the intermediate solvent with a low-polarity solvent may be performed. In this case, the operation to volatilize the water may volatilize not only the water but also the intermediate solvent.
中間溶媒は、水及び低極性溶媒の両方にそれぞれ溶解する有機溶媒であることが好ましい。換言すると、中間溶媒としては、水に対する溶解性が良好であり、且つ、低極性溶媒に対する溶解性も良好であるプロトン性有機溶媒が好ましい。中間溶媒としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロパノールなどの炭素数3以下の1価アルコールが挙げられる。 The intermediate solvent is preferably an organic solvent that dissolves in both water and low-polarity solvents. In other words, the intermediate solvent is preferably a protic organic solvent that has good solubility in both water and low-polarity solvents. Examples of intermediate solvents include monohydric alcohols with 3 or fewer carbon atoms, such as methyl alcohol, ethyl alcohol, and isopropanol.
置換処理を経て得られた分散液は、上記の低極性溶媒を溶媒として含む。分散液の溶媒は、上記の低極性溶媒以外の溶媒を含んでもよい。分散液中の溶媒に占める低極性溶媒の割合は、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましく、99質量%以上であることがさらに好ましい。また、上述した低極性溶媒以外の溶媒が分散液中の溶媒に占める割合は、1質量%以下であることが好ましい。例えば、分散液の溶媒に占めるカルボニル基含有溶媒(分子中にカルボニル基を有する化合物)の割合は、1質量%以下である。 The dispersion obtained through the substitution process contains the above-mentioned low-polarity solvent as a solvent. The solvent of the dispersion may also contain solvents other than the above-mentioned low-polarity solvent. The proportion of the low-polarity solvent in the solvent of the dispersion is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and even more preferably 99% by mass or more. Furthermore, the proportion of solvents other than the above-mentioned low-polarity solvent in the solvent of the dispersion is preferably 1% by mass or less. For example, the proportion of carbonyl group-containing solvents (compounds having a carbonyl group in the molecule) in the solvent of the dispersion is 1% by mass or less.
分散液に含まれるフッ素樹脂の粒子の平均粒子径は、200nm以下である。斯かる平均粒子径は、180nm以下であってもよく、120nm以下であってもよく、100nm以下であってもよい。また、斯かる平均粒子径は、10nm以上であってもよい。上記の平均粒子径が比較的小さい200nm以下であるため、斯かる分散液を蓄電素子の製造(固体電解質を含む)に使用したときに、固体電解質の粒子間にフッ素樹脂の粒子が入り込みやすい。よって、フッ素樹脂の粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着できる。 The average particle size of the fluororesin particles contained in the dispersion is 200 nm or less. This average particle size may be 180 nm or less, 120 nm or less, or 100 nm or less. The average particle size may also be 10 nm or more. Because the average particle size is relatively small, 200 nm or less, when this dispersion is used to manufacture an energy storage element (including a solid electrolyte), the fluororesin particles tend to penetrate between the solid electrolyte particles. Therefore, the fluororesin particles can effectively bond the sulfide solid electrolyte particles together.
分散液に含まれるフッ素樹脂の粒子の平均粒子径は、分散液を調製するための原液に含まれるフッ素樹脂の粒子の平均粒子径がそのまま反映される。従って、分散液を調製するための原液を調製するときに、例えば、フッ素樹脂溶液の全量をより短時間で水中へ添加してフッ素樹脂粒子の水分散液を調製すると、フッ素樹脂の粒子同士の融着を促進できるため、分散液中のフッ素樹脂の粒子の平均粒子径をより大きくすることができる。一方、分散液を調製するための原液を調製するときに、例えば、フッ素樹脂溶液の添加速度をより遅く(例えば20質量%/min以下)すると、フッ素樹脂の粒子同士の融着を抑制できるため、分散液中のフッ素樹脂の粒子の平均粒子径をより小さくすることができる。 The average particle size of the fluororesin particles contained in the dispersion is directly reflected by the average particle size of the fluororesin particles contained in the stock solution used to prepare the dispersion. Therefore, when preparing the stock solution used to prepare the dispersion, for example, adding the entire amount of the fluororesin solution to water in a shorter time to prepare an aqueous dispersion of fluororesin particles can promote fusion between the fluororesin particles, thereby increasing the average particle size of the fluororesin particles in the dispersion. On the other hand, when preparing the stock solution used to prepare the dispersion, for example, slowing down the addition rate of the fluororesin solution (for example, 20 mass%/min or less) can suppress fusion between the fluororesin particles, thereby reducing the average particle size of the fluororesin particles in the dispersion.
フッ素樹脂の粒子の平均粒子径は、以下のようにして測定される。測定機器としてレーザー回折/散乱方式粒度分布測定装置を用いる。分散媒としてポリオキシエチレン-p-クミルフェニルエーテル(商品名「ノナール912A」東邦化学工業製社製)の0.5質量%水溶液を用いる。レーザーの散乱光を解析して得られる粒子の総体積を100%として累積カーブを求め、その累積カーブが50%となる点の粒径(メジアン径:d50)をフッ素樹脂の粒子の平均粒子径とする。 The average particle size of fluororesin particles is measured as follows. A laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer is used as the measuring instrument. A 0.5% by mass aqueous solution of polyoxyethylene-p-cumylphenyl ether (trade name "Nonal 912A", manufactured by Toho Chemical Industry Co., Ltd.) is used as the dispersion medium. A cumulative curve is calculated by analyzing the scattered laser light, with the total volume of the particles being 100%, and the particle size at the point where the cumulative curve reaches 50% (median diameter: d50) is taken as the average particle size of the fluororesin particles.
電極体を作製する工程では、次に、スラリーを調製する。 The next step in the process of making the electrode body is to prepare a slurry.
[スラリーの調製]
スラリーは、上記のごとく調製した分散液と、硫化物固体電解質の粒子、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子、及び、炭素材料の粒子のうち少なくとも1種と、を含む。上記の分散液と、硫化物固体電解質の粒子と、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子(正極活物質の粒子)とを含む固体電解質含有スラリーは、例えば正極活物質層42を作製するために使用できる。上記の分散液と、硫化物固体電解質の粒子と、炭素材料の粒子(負極活物質の粒子)とを含む固体電解質含有スラリーは、例えば負極活物質層52を作製するために使用できる。上記の分散液と、硫化物固体電解質の粒子とを含み且つ正極活物質及び負極活物質のいずれも含まない固体電解質含有スラリーは、例えば固体電解質層60を作製するために使用できる。
[Preparation of slurry]
The slurry contains the dispersion liquid prepared as described above and at least one of sulfide solid electrolyte particles, lithium transition metal composite oxide particles, and carbon material particles. A solid electrolyte-containing slurry containing the dispersion liquid, sulfide solid electrolyte particles, and lithium transition metal composite oxide particles (positive electrode active material particles) can be used to produce, for example, a positive electrode active material layer 42. A solid electrolyte-containing slurry containing the dispersion liquid, sulfide solid electrolyte particles, and carbon material particles (negative electrode active material particles) can be used to produce, for example, a negative electrode active material layer 52. A solid electrolyte-containing slurry containing the dispersion liquid and sulfide solid electrolyte particles but not containing either a positive electrode active material or a negative electrode active material can be used to produce, for example, a solid electrolyte layer 60.
例えば、固体電解質含有スラリーは、上記の分散液と、硫化物固体電解質の粒子、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子、及び、炭素材料の粒子のうち少なくとも1種と、を混合することによって調製できる。リチウム遷移金属複合酸化物としては、上述した正極活物質の説明において挙げたリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。炭素材料の粒子としては、上述した負極活物質の説明において挙げた炭素材料の粒子を用いることができる。 For example, the solid electrolyte-containing slurry can be prepared by mixing the above-mentioned dispersion with at least one of sulfide solid electrolyte particles, lithium transition metal composite oxide particles, and carbon material particles. The lithium transition metal composite oxide can be any of the lithium transition metal composite oxides listed above in the description of the positive electrode active material. The carbon material particles can be any of the carbon material particles listed above in the description of the negative electrode active material.
なお、スラリーとして、あらかじめ調製された(市販されている)スラリーを用意してもよい。斯かるスラリーは、例えば、上記の分散液と、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子、及び、炭素材料の粒子のうち少なくとも一方とを含み、且つ、硫化物固体電解質の粒子を含まないスラリーであってもよい。斯かるスラリーに硫化物固体電解質の粒子を加えることによって、固体電解質含有スラリーを調製できる。 A pre-prepared (commercially available) slurry may also be used. For example, such a slurry may contain the above-described dispersion liquid and at least one of lithium transition metal composite oxide particles and carbon material particles, but may not contain sulfide solid electrolyte particles. A solid electrolyte-containing slurry can be prepared by adding sulfide solid electrolyte particles to such a slurry.
例えば、スラリー(固体電解質含有スラリー)において、上述した低極性溶媒以外の溶媒の総含有量は、1質量%以下である。スラリー(固体電解質含有スラリー)は、上述した低極性溶媒以外の溶媒(例えばカルボニル基含有溶媒、プロトン性有機溶媒など)を実質的に含まないことが好ましい。例えば、スラリー(固体電解質含有スラリー)は、エステル基含有溶媒、ケトン基含有溶媒、プロトン性有機溶媒などのいずれも実質的に含まない。これにより、硫化物固体電解質の劣化をより十分に抑制できる。 For example, in the slurry (solid electrolyte-containing slurry), the total content of solvents other than the above-mentioned low-polarity solvents is 1 mass% or less. It is preferable that the slurry (solid electrolyte-containing slurry) is substantially free of solvents other than the above-mentioned low-polarity solvents (e.g., carbonyl group-containing solvents, protic organic solvents, etc.). For example, the slurry (solid electrolyte-containing slurry) is substantially free of ester group-containing solvents, ketone group-containing solvents, protic organic solvents, etc. This more sufficiently suppresses deterioration of the sulfide solid electrolyte.
スラリーにおけるフッ素樹脂の粒子の平均粒子径は、上記の分散液における平均粒子径と同様に200nm以下である。従って、上述したように、斯かるスラリーを蓄電素子の製造(固体電解質を含む)に使用したときに、フッ素樹脂の粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着できる。また、スラリー(固体電解質含有スラリー)に含まれる溶媒が上述した特定の溶媒であるため、固体電解質含有スラリーを保管しているとき、及び、以下のごとく蓄電素子を製造するときに、硫化物固体電解質の劣化を抑制できる。 The average particle size of the fluororesin particles in the slurry is 200 nm or less, the same as the average particle size in the dispersion liquid described above. Therefore, as described above, when such a slurry is used to manufacture an energy storage element (including a solid electrolyte), the fluororesin particles can effectively bond the sulfide solid electrolyte particles together. Furthermore, because the solvent contained in the slurry (solid electrolyte-containing slurry) is the specific solvent described above, deterioration of the sulfide solid electrolyte can be suppressed when the solid electrolyte-containing slurry is stored and when an energy storage element is manufactured as described below.
スラリーにおいて、硫化物固体電解質の粒子の平均粒子径よりも、フッ素樹脂の粒子の平均粒子径の方が小さいことが好ましい。すなわち、硫化物固体電解質の粒子の平均粒子径に対する、フッ素樹脂の粒子の平均粒子径の比は、1.0未満であることが好ましい。斯かる比は、0.9以下であってもよく、0.5以下であってもよい。また、斯かる比は、0.1以上であってもよい。斯かる比が1.0未満であることによって、硫化物固体電解質の粒子の間に、フッ素樹脂の粒子がより入り込みやすくなる。従って、正極活物質層42などの電解質含有層Aにおいて、硫化物固体電解質の粒子同士をより十分に結着させることができる。また、より十分に結着させることができる分、同様の結着性を発揮させる場合におけるフッ素樹脂の粒子の配合量を少なくすることができる。 In the slurry, the average particle size of the fluororesin particles is preferably smaller than the average particle size of the sulfide solid electrolyte particles. That is, the ratio of the average particle size of the fluororesin particles to the average particle size of the sulfide solid electrolyte particles is preferably less than 1.0. This ratio may be 0.9 or less, or may be 0.5 or less. Furthermore, this ratio may be 0.1 or greater. A ratio of less than 1.0 allows the fluororesin particles to more easily penetrate between the sulfide solid electrolyte particles. Therefore, in the electrolyte-containing layer A, such as the positive electrode active material layer 42, the sulfide solid electrolyte particles can be more fully bound together. Furthermore, since this is more fully bound, the amount of fluororesin particles required to achieve the same binding properties can be reduced.
固体電解質の粒子の平均粒子径は、以下のようにして測定される。測定機器としてレーザー回折/散乱方式粒度分布測定装置を用いる。分散媒としてテトラリンを用いる。レーザーの散乱光を解析して得られる粒子の総体積を100%として累積カーブを求め、その累積カーブが50%となる点の粒径(メジアン径:d50)を固体電解質の粒子の平均粒子径とする。 The average particle size of solid electrolyte particles is measured as follows. A laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer is used as the measuring instrument. Tetralin is used as the dispersion medium. A cumulative curve is calculated, with the total volume of particles obtained by analyzing the scattered laser light set to 100%, and the particle size at the point where the cumulative curve reaches 50% (median diameter: d50) is taken as the average particle size of the solid electrolyte particles.
[電解質含有層(正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層)の作製]
固体電解質を含む正極活物質層42、固体電解質層60、固体電解質を含む負極活物質層52といった電解質含有層Aは、固体電解質含有スラリーを用いてそれぞれ作製できる。具体的には、低極性溶媒と、フッ素樹脂の粒子と、硫化物固体電解質の粒子と、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子(正極活物質の粒子)とを少なくとも含む固体電解質含有スラリー(正極活物質層用スラリー)を用いて正極活物質層42を作製できる。また、低極性溶媒と、フッ素樹脂の粒子と、硫化物固体電解質の粒子とを含み且つ正極活物質の粒子及び負極活物質の粒子のいずれも含まない固体電解質含有スラリー(固体電解質層用スラリー)を用いて固体電解質層60を作製できる。また、低極性溶媒と、フッ素樹脂の粒子と、硫化物固体電解質の粒子と、炭素材料の粒子(負極活物質の粒子)とを少なくとも含む固体電解質含有スラリー(負極活物質層用スラリー)を用いて負極活物質層52を作製できる。
[Preparation of Electrolyte-Containing Layers (Positive Electrolyte Layer, Solid Electrolyte Layer, Negative Electrolyte Layer)]
The electrolyte-containing layers A, such as the solid electrolyte-containing positive electrode active material layer 42, the solid electrolyte layer 60, and the solid electrolyte-containing negative electrode active material layer 52, can each be prepared using a solid electrolyte-containing slurry. Specifically, the positive electrode active material layer 42 can be prepared using a solid electrolyte-containing slurry (slurry for the positive electrode active material layer) containing at least a low-polarity solvent, fluororesin particles, sulfide solid electrolyte particles, and lithium transition metal composite oxide particles (positive electrode active material particles). The solid electrolyte layer 60 can be prepared using a solid electrolyte-containing slurry (slurry for the solid electrolyte layer) containing a low-polarity solvent, fluororesin particles, and sulfide solid electrolyte particles, but not containing either positive electrode active material particles or negative electrode active material particles. The negative electrode active material layer 52 can be prepared using a solid electrolyte-containing slurry (slurry for the negative electrode active material layer) containing at least a low-polarity solvent, fluororesin particles, sulfide solid electrolyte particles, and carbon material particles (negative electrode active material particles).
・正極活物質層の作製
正極基材41として、例えば上述したような金属箔又は合金箔を用意する。図4に示すように、下記の操作を実施して正極活物質層42を作製できる。
(I)正極基材41の金属箔又は合金箔に、正極活物質層用スラリー(SLと表示)を塗布する。これにより、正極基材41に塗布物が重ねられる。塗布方法(塗工方法)としては、従来の一般的な方法を採用できる。
(II)塗布されたスラリーに含まれる低極性溶媒を揮発させる乾燥処理を塗布物に施す。例えば、加熱処理によって塗布物から溶媒を揮発させて除去する。加熱処理時の設定温度は、例えば40℃以上150℃以下であってもよい。加熱処理は、減圧下で実施してもよい。
(III)低極性溶媒が揮発した後の塗布物(正極活物質層42)にプレス処理を施す(破線矢印で表示)。必要に応じて、加熱しつつプレス処理を実施する。
(IV)プレス処理された正極活物質層42が形成される。
Preparation of Positive Electrode Active Material Layer For example, the above-mentioned metal foil or alloy foil is prepared as the positive electrode substrate 41. As shown in Fig. 4, the positive electrode active material layer 42 can be prepared by carrying out the following operation.
(I) A slurry for a positive electrode active material layer (denoted as SL) is applied to the metal foil or alloy foil of the positive electrode substrate 41. In this way, the applied material is superimposed on the positive electrode substrate 41. A conventional general method can be used as the application method (coating method).
(II) The coated material is subjected to a drying treatment to volatilize the low-polarity solvent contained in the coated slurry. For example, the solvent is volatilized and removed from the coated material by a heat treatment. The set temperature during the heat treatment may be, for example, 40° C. or higher and 150° C. or lower. The heat treatment may be performed under reduced pressure.
(III) After the low-polarity solvent has evaporated, the coated product (positive electrode active material layer 42) is subjected to a pressing process (indicated by the dashed arrow). If necessary, the pressing process is performed while heating.
(IV) A pressed positive electrode active material layer 42 is formed.
・固体電解質層の作製
図5に示すように、下記の操作を実施して固体電解質層60を作製できる。
(i)正極活物質層42に、固体電解質層用スラリー(SL’と表示)を塗布する。これにより、正極活物質層42に塗布物が重ねられる。塗布方法(塗工方法)としては、従来の一般的な方法を採用できる。
(ii)塗布されたスラリーに含まれる低極性溶媒を揮発させる乾燥処理を塗布物に施す。例えば、加熱処理によって塗布物から溶媒を揮発させて除去する。加熱処理時の設定温度は、例えば正極活物質層42の作製時に採用される温度範囲であってもよい。
(iii)低極性溶媒が揮発した後の塗布物(固体電解質層60)にプレス処理を施す(破線矢印で表示)。必要に応じて、加熱しつつプレス処理を実施する。
(iv)プレス処理された固体電解質層60が形成される。
Fabrication of Solid Electrolyte Layer As shown in FIG. 5, the solid electrolyte layer 60 can be fabricated by carrying out the following operations.
(i) A slurry for a solid electrolyte layer (denoted as SL′) is applied to the positive electrode active material layer 42. In this way, the applied material is superimposed on the positive electrode active material layer 42. A conventional general method can be used as the application method (coating method).
(ii) The coated material is subjected to a drying treatment to volatilize the low-polarity solvent contained in the coated slurry. For example, the solvent is volatilized and removed from the coated material by a heat treatment. The set temperature during the heat treatment may be within the temperature range employed when forming the positive electrode active material layer 42, for example.
(iii) After the low-polarity solvent has evaporated, the coated product (solid electrolyte layer 60) is subjected to a pressing process (shown by the dashed arrow). If necessary, the pressing process is performed while heating.
(iv) A pressed solid electrolyte layer 60 is formed.
・負極活物質層の作製
図示しないが、上述した正極活物質層の作製、又は、固体電解質層の作製と同様の方法によって、負極活物質層52を作製できる。
Fabrication of Negative Electrode Active Material Layer Although not shown, the negative electrode active material layer 52 can be fabricated by the same method as the fabrication of the positive electrode active material layer or the fabrication of the solid electrolyte layer described above.
電極体を作製する工程では、上記のごとき正極活物質層42、固体電解質層60、及び負極活物質層52の積層体を作製した後に、さらに負極基材51を重ね、厚さ方向の両側からプレス処理を施すことによって、電極体2を作製できる。
なお、電極体を作製する工程では、正極基材41に正極活物質層42を重ねた正極40を作製することと、負極基材51に負極活物質層52を重ねた負極50と固体電解質層60との積層体を作製することとをそれぞれ実施した後、この積層体と正極40とを重ね合わせ、さらに、厚さ方向の両側からプレス処理を施すことによって、電極体2を作製してもよい。
In the process of producing the electrode body, after producing a laminate of the positive electrode active material layer 42, the solid electrolyte layer 60, and the negative electrode active material layer 52 as described above, the negative electrode substrate 51 is further stacked on top of the laminate and pressed from both sides in the thickness direction, thereby producing the electrode body 2.
In the process of producing the electrode body, the positive electrode 40 may be produced by superposing the positive electrode active material layer 42 on the positive electrode substrate 41, and the negative electrode 50 may be produced by superposing the negative electrode active material layer 52 on the negative electrode substrate 51, and a laminate of the negative electrode 50 and the solid electrolyte layer 60 may be produced. Thereafter, the laminate and the positive electrode 40 may be superposed, and further, a pressing process may be performed from both sides in the thickness direction to produce the electrode body 2.
(蓄電素子を組み立てる工程)
斯かる工程では、作製した電極体2を容器3に収容し、電極体2の正極40及び負極50と、蓄電素子1の外部端子とが電気的にそれぞれ接続されるように蓄電素子1を組み立てる。蓄電素子を組み立てる方法としては、一般的な方法を採用できる。
(Step of assembling the energy storage element)
In this step, the produced electrode body 2 is housed in a container 3, and the energy storage element 1 is assembled so that the positive electrode 40 and the negative electrode 50 of the electrode body 2 are electrically connected to the external terminals of the energy storage element 1. A general method can be used to assemble the energy storage element.
以上のようにして、本実施形態の蓄電素子1を製造することができる。 In this manner, the energy storage element 1 of this embodiment can be manufactured.
<蓄電装置の構成>
本実施形態の蓄電素子1は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器用電源、又は電力貯蔵用電源等に、複数の蓄電素子1を集合して構成した蓄電装置100(バッテリーモジュール)として搭載することができる。この場合、蓄電装置100に含まれる少なくとも一つの蓄電素子1に対して、本発明の技術が適用されていればよい。
図6に、電気的に接続された二以上の蓄電素子1が集合した蓄電ユニット10をさらに集合した蓄電装置100の一例を示す。蓄電装置100は、二以上の蓄電素子1を電気的に接続するバスバ(図示せず)、二以上の蓄電ユニット10を電気的に接続するバスバ(図示せず)等を備えていてもよい。蓄電ユニット10又は蓄電装置100は、一以上の蓄電素子の状態を監視する状態監視装置(図示せず)を備えていてもよい。
<Configuration of Power Storage Device>
The energy storage element 1 of this embodiment can be mounted as an energy storage device 100 (battery module) configured by assembling a plurality of energy storage elements 1 in an automobile power source such as an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), or a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), a power source for electronic devices such as a personal computer or a communication terminal, or a power source for power storage, etc. In this case, it is sufficient that the technology of the present invention is applied to at least one energy storage element 1 included in the energy storage device 100.
6 shows an example of an energy storage device 100 in which energy storage units 10, each of which is an assembly of two or more electrically connected energy storage elements 1, are further assembled. The energy storage device 100 may include a bus bar (not shown) that electrically connects two or more energy storage elements 1, a bus bar (not shown) that electrically connects two or more energy storage units 10, etc. The energy storage unit 10 or the energy storage device 100 may include a status monitoring device (not shown) that monitors the status of one or more energy storage elements.
<その他の実施形態>
尚、本発明の蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成又は周知技術に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。また、ある実施形態の構成に対して周知技術を付加することができる。
<Other embodiments>
The energy storage device of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment, and part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment or well-known technology. Furthermore, part of the configuration of one embodiment can be deleted. Also, well-known technology can be added to the configuration of one embodiment.
上記実施形態では、蓄電素子1が充放電可能な全固体型二次電池(例えば全固体型リチウムイオン二次電池)として用いられる場合について説明したが、蓄電素子の種類、形状、寸法、容量等は任意である。 In the above embodiment, the energy storage element 1 is described as being used as a chargeable and dischargeable all-solid-state secondary battery (e.g., an all-solid-state lithium-ion secondary battery), but the type, shape, dimensions, capacity, etc. of the energy storage element are arbitrary.
上記実施形態では、正極基材41の片面に正極活物質層42が重ねられた正極40、及び、負極基材51の片面に負極活物質層52が重ねられた負極50について説明したが、正極では、正極基材41の両面に正極活物質層42がそれぞれ重ねられてもよく、また、負極では、負極基材の両面に負極活物質層52がそれぞれ重ねられてもよい。 In the above embodiment, a positive electrode 40 in which a positive electrode active material layer 42 is superimposed on one side of a positive electrode substrate 41 and a negative electrode 50 in which a negative electrode active material layer 52 is superimposed on one side of a negative electrode substrate 51 are described. However, in the positive electrode, a positive electrode active material layer 42 may be superimposed on both sides of the positive electrode substrate 41, and in the negative electrode, a negative electrode active material layer 52 may be superimposed on both sides of the negative electrode substrate.
上記実施形態の蓄電素子の製造方法によれば、フッ素樹脂粒子が比較的小さいため、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、硫化物固体電解質の劣化を抑制できる。
上記実施形態の分散液、又は、該分散液を含む固体電解質含有スラリーによれば、蓄電素子の製造において、フッ素樹脂粒子が比較的小さいため、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、硫化物固体電解質の劣化を抑制できる。
上記実施形態の分散液の製造方法によれば、フッ素樹脂粒子が比較的小さいため、フッ素樹脂粒子によって硫化物固体電解質の粒子同士を良好に結着でき、しかも、製造時における硫化物固体電解質の劣化を抑制できる分散液を得ることができる。この分散液は、蓄電素子の製造のために使用できる。
According to the manufacturing method of the energy storage element of the above embodiment, the fluororesin particles are relatively small, so that the particles of the sulfide solid electrolyte can be well bound together by the fluororesin particles, and deterioration of the sulfide solid electrolyte can be suppressed.
According to the dispersion liquid of the above embodiment or the solid electrolyte-containing slurry containing the dispersion liquid, in the production of an energy storage element, the fluororesin particles are relatively small, so that the particles of the sulfide solid electrolyte can be well bound together by the fluororesin particles, and deterioration of the sulfide solid electrolyte can be suppressed.
According to the method for producing a dispersion liquid of the above embodiment, since the fluororesin particles are relatively small, the particles of the sulfide solid electrolyte can be well bound together by the fluororesin particles, and a dispersion liquid can be obtained that can suppress deterioration of the sulfide solid electrolyte during production. This dispersion liquid can be used for producing an energy storage element.
従来、硫化物固体電解質の粒子をバインダで結着させた電解質含有層(電極体における正極活物質層、負極活物質層、及び固体電解質層)を作製するときに、バインダとしては、例えば、耐酸化性が良好なフッ素樹脂の粒子が採用される。ところが、フッ素樹脂の粒子は、凝集しやすいため、バインダとしての結着性能を必ずしも十分に発揮できない。そのため、硫化物固体電解質の粒子をフッ素樹脂によって十分に結着させるためには、フッ素樹脂をいったん溶媒に溶解させたフッ素樹脂溶液で調製した固体電解質含有スラリーに乾燥処理を施して電解質含有層を作製することが好ましい。しかしながら、フッ素樹脂(PVDFなど)は、硫化物固体電解質を劣化させ得る特定の極性溶媒(カルボニル基含有溶媒など)にのみ溶解する。従って、バインダであるフッ素樹脂によって、硫化物固体電解質の粒子を十分に結着させようとすると、製造時に硫化物固体電解質が劣化し得るという問題がある。
これに対して上記実施形態では、フッ素樹脂粒子(PVDF粒子など)をバインダとして用いつつ、製造時において硫化物固体電解質の粒子の劣化を抑えることができ、また、硫化物固体電解質の粒子同士をフッ素樹脂で良好に結着させることができる。
Conventionally, when preparing an electrolyte-containing layer (such as a positive electrode active material layer, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer in an electrode assembly) in which sulfide solid electrolyte particles are bound with a binder, for example, fluororesin particles, which have good oxidation resistance, are used as the binder. However, fluororesin particles tend to aggregate, and therefore do not necessarily exhibit sufficient binding performance as a binder. Therefore, in order to sufficiently bind the sulfide solid electrolyte particles with the fluororesin, it is preferable to prepare an electrolyte-containing layer by drying a solid electrolyte-containing slurry prepared from a fluororesin solution in which the fluororesin is first dissolved in a solvent. However, fluororesins (such as PVDF) are soluble only in certain polar solvents (such as carbonyl group-containing solvents) that can deteriorate the sulfide solid electrolyte. Therefore, when attempting to sufficiently bind the sulfide solid electrolyte particles with the fluororesin binder, there is a problem that the sulfide solid electrolyte may deteriorate during production.
In contrast, in the above embodiment, while using fluororesin particles (such as PVDF particles) as a binder, it is possible to suppress deterioration of the sulfide solid electrolyte particles during production, and also to satisfactorily bind the sulfide solid electrolyte particles together with the fluororesin.
上記実施形態において、上記特定の低極性溶媒を採用し、且つ、スラリーに含まれるフッ素樹脂の粒子がポリフッ化ビニリデンの粒子であり、斯かる粒子の平均粒子径が200nm以下であることが好ましい。スラリーに含まれる溶媒が上記特定の低極性溶媒であることにより、蓄電素子の製造時において、硫化物固体電解質の粒子の劣化を十分に抑えることができる。また、スラリーに含まれるポリフッ化ビニリデンの平均粒子径が十分に小さいことにより、硫化物固体電解質の粒子同士をより良好に結着できる。 In the above embodiment, it is preferable that the above-mentioned specific low-polarity solvent is used, the fluororesin particles contained in the slurry are polyvinylidene fluoride particles, and the average particle diameter of such particles is 200 nm or less. By using the above-mentioned specific low-polarity solvent as the solvent contained in the slurry, deterioration of the sulfide solid electrolyte particles can be sufficiently suppressed during the production of the energy storage device. Furthermore, by having a sufficiently small average particle diameter of polyvinylidene fluoride contained in the slurry, the sulfide solid electrolyte particles can be more effectively bonded together.
上記実施形態の蓄電素子1は、全固体型蓄電素子であることが好ましい。すなわち、上記実施形態の蓄電素子1は、正極活物質層42、負極活物質層52、及び固体電解質層60に、電解液を含まないことが好ましい。 The energy storage element 1 of the above embodiment is preferably an all-solid-state energy storage element. That is, the energy storage element 1 of the above embodiment preferably does not contain an electrolyte solution in the positive electrode active material layer 42, the negative electrode active material layer 52, and the solid electrolyte layer 60.
なお、上記実施形態では、蓄電素子のうち全固体型蓄電素子について詳しく説明したが、本発明の蓄電素子は、全固体型蓄電素子に限定されない。本発明の蓄電素子を構成する正極活物質層、負極活物質層、及び固体電解質層は、電解液を含んでいてもよい。電解液としては、公知の電解液の中から適宜選択できる。本発明の蓄電素子がリチウムイオン二次電池である場合、例えば、電解液としては、環状カーボネート及び鎖状カーボネートを混合した溶媒にLiPF6を電解質塩として溶解させたものを用いることができる。 In the above embodiment, the all-solid-state energy storage element among the energy storage elements has been described in detail, but the energy storage element of the present invention is not limited to the all-solid-state energy storage element. The positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer, and the solid electrolyte layer constituting the energy storage element of the present invention may contain an electrolyte solution. The electrolyte solution can be appropriately selected from known electrolyte solutions. When the energy storage element of the present invention is a lithium ion secondary battery, for example, the electrolyte solution can be one in which LiPF6 is dissolved as an electrolyte salt in a solvent containing a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate.
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。本発明は以下の実施例に限定されない。 The present invention will be explained in more detail below using examples. The present invention is not limited to the following examples.
<分散液の製造>
(実施例1)
594質量部のアセトニトリルと、6質量部のポリフッ化ビニリデン粉末(クレハ製PVDF、型番♯9100)とを混合し、80℃に加熱して溶解させ、フッ素樹脂のアセトニトリル溶液を得た。この溶液に、66質量部の水を加えてフッ素樹脂溶液を得た。撹拌されている20℃の水600質量部に、80℃に維持した上記フッ素樹脂溶液を0.08dm3/minの滴下速度、滴下時間10minで滴下することによって、水及びアセトニトリル中にフッ素樹脂の粒子が分散した分散液を得た。斯かる分散液に含まれるアセトニトリル及び水のほとんどを、減圧濃縮処理によって揮発させた。その後、PVDFが5質量%の濃度となるように水を加え、PVDFが分散している実施例1の原液を調製した。当該原液が含有するフッ素樹脂の粒子の粒度分布を上述した方法で測定したところ、平均粒子径は70nmであった。このようにして、平均粒子径70nmのPVDFの粒子と水とを含み、5質量%濃度でPVDFの粒子が水中に分散している実施例1に係る原液を準備した。
<Preparation of Dispersion>
Example 1
594 parts by mass of acetonitrile and 6 parts by mass of polyvinylidene fluoride powder (PVDF, model #9100, manufactured by Kureha) were mixed and heated to 80°C to dissolve, obtaining a fluororesin acetonitrile solution. 66 parts by mass of water was added to this solution to obtain a fluororesin solution. The fluororesin solution maintained at 80°C was added dropwise to 600 parts by mass of stirred water at 20°C at a rate of 0.08 dm 3 /min for 10 minutes, obtaining a dispersion in which fluororesin particles were dispersed in water and acetonitrile. Most of the acetonitrile and water contained in this dispersion were evaporated by vacuum concentration. Water was then added to the mixture so that the PVDF concentration was 5% by mass, preparing the stock solution of Example 1 in which PVDF was dispersed. The particle size distribution of the fluororesin particles contained in the stock solution was measured using the method described above, and the average particle diameter was found to be 70 nm. In this way, a stock solution according to Example 1 was prepared, which contained PVDF particles having an average particle size of 70 nm and water, with the PVDF particles dispersed in water at a concentration of 5% by mass.
次に、十分な量のイソプロパノール(IPA)を上記の原液に添加し、超音波振動機によって分散処理を行った。その後、遠心分離機によって固形分(PVDF)を沈降させ、デカンテーションにより、大部分の上澄み液を除去した。上記のごときIPAの添加、超音波振動機による分散処理、遠心分離機による固形分の沈降、デカンテーションによる上澄み液の除去からなる一連の操作を合計3回実施した。
続いて、十分な量のアニソールを低極性溶媒として添加し、超音波振動機を用いて分散処理を行った。その後、遠心分離機によって固形分(PVDF)を沈降させ、デカンテーションにより、大部分の上澄み液を除去した。上記のごとき低極性溶媒の添加、超音波振動機による分散処理、遠心分離機による固形分の沈降、及びデカンテーションによる上澄み液の除去からなる一連の操作を合計3回実施した。
最後に、所定量のアニソールを加えることにより、平均粒子径70nmのPVDFが4.5質量%の濃度でアニソール中に分散している実施例1の分散液を製造した。
Next, a sufficient amount of isopropanol (IPA) was added to the above-mentioned stock solution, and the mixture was dispersed using an ultrasonic vibrator. The solids (PVDF) were then precipitated using a centrifuge, and most of the supernatant was removed by decantation. This series of steps, including the addition of IPA, dispersion using an ultrasonic vibrator, settling of the solids using a centrifuge, and removal of the supernatant by decantation, was repeated three times.
Next, a sufficient amount of anisole was added as a low-polarity solvent, and dispersion treatment was carried out using an ultrasonic vibrator. After that, the solid (PVDF) was precipitated using a centrifuge, and most of the supernatant was removed by decantation. The series of operations consisting of the addition of the low-polarity solvent, dispersion treatment using an ultrasonic vibrator, settling of the solid using a centrifuge, and removal of the supernatant by decantation was carried out a total of three times.
Finally, a predetermined amount of anisole was added to produce a dispersion of Example 1 in which PVDF having an average particle size of 70 nm was dispersed in anisole at a concentration of 4.5% by mass.
(実施例2)
上記滴下速度を0.4dm3/min、滴下時間を2minとしたことを除いては、実施例1と同様にして、実施例2に係る原液を製造した。当該原液が含有するフッ素樹脂の粒子の粒度分布を上述した方法で測定したところ、平均粒子径は172nmであった。このようにして、平均粒子径172nmのPVDFが5質量%の濃度で水中に分散している実施例2の原液を準備した。当該原液を用いたことを除いては、実施例1と同様にして、平均粒子径172nmのPVDFが10質量%の濃度でアニソール中に分散している実施例2の分散液を製造した。
Example 2
A stock solution according to Example 2 was produced in the same manner as in Example 1, except that the dropping rate was 0.4 dm 3 /min and the dropping time was 2 min. The particle size distribution of the fluororesin particles contained in the stock solution was measured by the method described above, and the average particle diameter was found to be 172 nm. In this way, a stock solution according to Example 2 was prepared in which PVDF having an average particle diameter of 172 nm was dispersed in water at a concentration of 5% by mass. A dispersion according to Example 2 in which PVDF having an average particle diameter of 172 nm was dispersed in anisole at a concentration of 10% by mass was produced in the same manner as in Example 1, except that the stock solution was used.
(比較例1)
ポリフッ化ビニリデン粉末(クレハ製PVDF ♯9100)の粒度分布を上述した方法で測定したところ、平均粒子径は140μmであった。当該PVDFに水を加え、140μmのPVDFが5質量%の濃度で水中に分散している比較例1の原液を準備した。当該原液を用いたことを除いては、実施例1と同様にして、平均粒子径140μmのPVDFが10質量%の濃度でアニソール中に分散している比較例1の分散液を製造した。
(Comparative Example 1)
The particle size distribution of polyvinylidene fluoride powder (PVDF #9100 manufactured by Kureha) was measured using the method described above, and the average particle size was found to be 140 μm. Water was added to the PVDF to prepare a stock solution of Comparative Example 1 in which 140 μm PVDF was dispersed in water at a concentration of 5% by mass. A dispersion of Comparative Example 1 in which 10% by mass PVDF with an average particle size of 140 μm was dispersed in anisole was produced in the same manner as in Example 1, except for using the stock solution.
(比較例2)
ポリフッ化ビニリデン粉末(クレハ製PVDF ♯9100)を1質量%の濃度となるように混合溶媒(メチルイソブチルケトン90質量部/デカン10質量部)に分散させた。その後、80℃で24時間撹拌し、比較例2に係る分散液を製造した。
(Comparative Example 2)
Polyvinylidene fluoride powder (PVDF #9100 manufactured by Kureha) was dispersed in a mixed solvent (90 parts by mass of methyl isobutyl ketone/10 parts by mass of decane) to a concentration of 1% by mass, and then stirred at 80°C for 24 hours to produce a dispersion liquid according to Comparative Example 2.
<目視による分散液の分散性評価>
前記実施例1及び2、並びに、比較例1及び2の分散液をそれぞれ内容積20mlの蓋付き試薬瓶に入れ、静置した。その結果、実施例1及び2の分散液は、1か月経過しても良好な分散性が維持されていることが目視で観察された。一方、比較例1及び2の分散液は、数秒後には均一性が失われ、約90秒後には分散性が失われ、完全に分離していることが目視で観察された。
<Visual evaluation of dispersibility of dispersion liquid>
The dispersions of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were each placed in a 20 ml reagent bottle with a lid and allowed to stand. As a result, it was visually observed that the dispersions of Examples 1 and 2 maintained good dispersibility even after one month. On the other hand, it was visually observed that the dispersions of Comparative Examples 1 and 2 lost uniformity after a few seconds, and after about 90 seconds lost dispersibility and completely separated.
(実施例3)
以下のようにして、実施例3の蓄電素子(全固体型リチウムイオン二次電池)を製造した。製造した蓄電素子を全固体型二次電池とも称する。なお、下記の全固体型二次電池では、正極活物質層のみが上記の実施例1の分散液を用いて作製されている。
Example 3
An energy storage element (all-solid-state lithium ion secondary battery) of Example 3 was manufactured as follows. The manufactured energy storage element is also referred to as an all-solid-state secondary battery. In the all-solid-state secondary battery described below, only the positive electrode active material layer was manufactured using the dispersion liquid of Example 1 described above.
<固体電解質含有スラリーAの作製>
固体電解質として、アルジロダイト型構造を有し、且つ、リチウム、リン、硫黄、塩素を含む硫化物固体電解質を準備した。実施例1の分散液と、上記固体電電解質粉末とを混合し、混合液を自転・公転ミキサーで撹拌することによって、固体電解質含有スラリーAを調製した。
<Preparation of solid electrolyte-containing slurry A>
A sulfide solid electrolyte having an argyrodite structure and containing lithium, phosphorus, sulfur, and chlorine was prepared as a solid electrolyte. The dispersion liquid of Example 1 was mixed with the solid electrolyte powder, and the mixture was stirred using a planetary centrifugal mixer to prepare a solid electrolyte-containing slurry A.
<固体電解質含有スラリーB(正極合剤ペースト)の作製>
上記の固体電解質含有スラリーAに、α―NaFeO2型結晶構造を有し且つLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物(粒子状の活物質)と、導電剤としてのカーボンファイバーとを加え、自転・公転ミキサーで撹拌することによって、固体電解質含有スラリーB(正極合剤ペースト)を調整した。
<Preparation of Solid Electrolyte-Containing Slurry B (Positive Electrode Mixture Paste)>
A lithium transition metal composite oxide (particulate active material) having an α-NaFeO2 - type crystal structure and represented by LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 and carbon fiber as a conductive agent were added to the above solid electrolyte-containing slurry A , and the mixture was stirred with a rotation/revolution mixer to prepare solid electrolyte-containing slurry B (positive electrode mixture paste).
<正極の作製>
あらかじめ片面側にカーボンコート層を設けた厚さ20μmのアルミニウム箔(正極基材)の上記カーボンコート層側に、正極合剤ペーストである上記固体電解質含有スラリーBを塗布した。さらに乾燥処理を施すことによって、前記スラリーBから溶媒を揮発させて除去した。このようにして、正極基材上に厚さ60μmの正極活物質層が形成された正極を作製した。
<Preparation of positive electrode>
The solid electrolyte-containing slurry B, which is a cathode mixture paste, was applied to the carbon coating side of a 20 μm-thick aluminum foil (cathode substrate) on one side of which a carbon coating layer had been previously formed. A drying treatment was then performed to volatilize and remove the solvent from the slurry B. In this manner, a cathode was fabricated in which a 60 μm-thick cathode active material layer was formed on the cathode substrate.
<全固体型二次電池の作製>
上記のごとく作製した正極を所定のサイズに厚さ方向に打ち抜いた。
マコール管の一方側から固体電解質を内部に投入した。次に、SUS治具を用いて100MPaでプレスして、厚さ800μmの固体電解質層を形成した。その後、上記のごとく打ち抜いて作製した正極を、マコール管に挿入し、580MPaでプレスした。これにより、正極の固体電解質層と固体電解質層とを、マコール管の内部で接合させた。
続いて、リチウム-インジウム対極をマコール管の他方側から挿入した。これにより、挿入したリチウム-インジウム対極と、マコール管内部の正極とを、固体電解質層を介して対向させた。そして、マコール管の内部において、正極と固体電解質層と上記対極とをSUS治具によって挟み込んだ。その後、両側のSUS治具をボルトで締結し、両側のSUS治具に外部端子としてリードをそれぞれ接続し、実施例3のハーフセル(全固体型二次電池)を製造した。
<Fabrication of all-solid-state secondary battery>
The positive electrode prepared as described above was punched out in the thickness direction to a predetermined size.
A solid electrolyte was poured into the Macol tube from one side. Next, a SUS jig was used to press the tube at 100 MPa to form a solid electrolyte layer with a thickness of 800 μm. The positive electrode punched out as described above was then inserted into the Macol tube and pressed at 580 MPa. This resulted in the solid electrolyte layer of the positive electrode and the solid electrolyte layer being bonded inside the Macol tube.
Subsequently, a lithium-indium counter electrode was inserted from the other side of the Macol tube. This caused the inserted lithium-indium counter electrode to face the positive electrode inside the Macol tube with the solid electrolyte layer interposed between them. Then, inside the Macol tube, the positive electrode, the solid electrolyte layer, and the counter electrode were sandwiched between SUS jigs. Thereafter, the SUS jigs on both sides were fastened with bolts, and leads were connected to the SUS jigs on both sides as external terminals, thereby producing a half-cell (all-solid-state secondary battery) of Example 3.
<性能評価>
(フロート充電試験)
実施例1の分散液を用いて作製した正極活物質層を備える上記実施例3の全固体型二次電池について、25℃の温度の下、充電電流0.1C、終止電圧3.93Vの定電流充電と、放電電流0.1C、終止電圧2.38Vの定電流放電とを実施した。充電後及び放電後に、それぞれ30分間の休止期間を設けた。次に、フロート充電試験として、60℃の温度の下、充電電流0.1C、終止電圧3.93Vの定電流充電を120時間実施した。その後、25℃にて放電電流0.1C、終止電圧2.38Vの定電流放電を実施した。充電後及び放電後に、それぞれ30分間の休止期間を設けた。その結果、フロート充電試験前の放電電気量に対するフロート充電試験後の放電電気量の百分率である放電容量維持率は75%であり、良好なフロート寿命性能が確認された。
<Performance evaluation>
(Float charge test)
The all-solid-state secondary battery of Example 3, which included a positive electrode active material layer prepared using the dispersion of Example 1, was subjected to constant current charging at a charge current of 0.1 C and a cut-off voltage of 3.93 V at a temperature of 25°C, and constant current discharging at a discharge current of 0.1 C and a cut-off voltage of 2.38 V. A 30-minute rest period was provided after each charge and discharge. Next, as a float charge test, constant current charging at a charge current of 0.1 C and a cut-off voltage of 3.93 V was performed at a temperature of 60°C for 120 hours. Subsequently, constant current discharging at a discharge current of 0.1 C and a cut-off voltage of 2.38 V was performed at 25°C. A 30-minute rest period was provided after each charge and discharge. As a result, the discharge capacity retention rate, which is the percentage of the discharged quantity of electricity after the float charge test relative to the discharged quantity of electricity before the float charge test, was 75%, confirming good float life performance.
上記実施例3の全固体型二次電池において、良好なフロート寿命性能が発揮された理由は、実施例1の分散液に硫化物固体電解質を劣化させる溶媒が用いられていないので、製造時における硫化物固体電解質の劣化が抑制されたためといえる。さらには、ゴム系バインダ等よりも耐酸化性が高いフッ素樹脂(PVDF)がバインダとして用いられているため、硫化物固体電解質と硫化物固体電解質との間だけでなく、正極活物質又は導電剤と硫化物固体電解質との間にも上記フッ素樹脂が存在することによって、バインダの酸化分解や固体電解質の酸化分解が抑制されたためといえる。 The reason why the all-solid-state secondary battery of Example 3 exhibited good float life performance is that the dispersion liquid of Example 1 did not contain a solvent that would deteriorate the sulfide solid electrolyte, thereby suppressing deterioration of the sulfide solid electrolyte during production. Furthermore, because a fluororesin (PVDF), which has higher oxidation resistance than rubber-based binders, was used as the binder, the presence of the fluororesin not only between the sulfide solid electrolytes but also between the positive electrode active material or conductive agent and the sulfide solid electrolyte suppressed oxidative decomposition of the binder and the solid electrolyte.
(比較例3)
比較例2の分散液を用いたことを除いては、実施例3の蓄電素子の製造で調製した固体電解質含有スラリーAと同様の手順で、固体電解質含有スラリーC(正極合剤ペースト)を調製した。この固体電解質含有スラリーCには、多数の粗大なダマの存在が観察された。
(Comparative Example 3)
Except for using the dispersion liquid of Comparative Example 2, a solid electrolyte-containing slurry C (positive electrode mixture paste) was prepared in the same procedure as for the solid electrolyte-containing slurry A prepared in the production of the energy storage element of Example 3. The presence of many coarse lumps was observed in this solid electrolyte-containing slurry C.
あらかじめ片面側にカーボンコート層を設けた厚さ20μmのアルミニウム箔(正極基材)を用意した。上記カーボンコート層側に、正極合剤ペーストである上記固体電解質含有スラリーCを塗布した。塗布後において、外観を大きく損なうスジ引きが塗布面に観察された。さらに乾燥処理を施すことによって、前記スラリーCから溶媒を揮発させて除去した。その結果、正極基材から正極活物質層が剥離したため、正極、及び、この正極を用いた比較例3の全固体型二次電池を製造できなかった。 A 20 μm thick aluminum foil (cathode substrate) was prepared with a carbon coating layer formed on one side. The solid electrolyte-containing slurry C, which is a cathode mixture paste, was applied to the carbon coating layer side. After application, streaks that significantly impaired the appearance were observed on the coated surface. A drying process was then performed to volatilize and remove the solvent from the slurry C. As a result, the cathode active material layer peeled off from the cathode substrate, and a cathode and the all-solid-state secondary battery of Comparative Example 3 using this cathode could not be manufactured.
1:蓄電素子(全固体型リチウムイオン二次電池)、
2:電極体、
3:容器、
4:正極端子、 5:負極端子、
40:正極、
41:正極基材、 42:正極活物質層、
50:負極、
51:負極基材、 52:負極活物質層、
60:固体電解質層、
10:蓄電ユニット、 100:蓄電装置。
1: Energy storage element (all-solid-state lithium-ion secondary battery),
2: electrode body,
3: Container,
4: positive electrode terminal, 5: negative electrode terminal,
40: positive electrode,
41: positive electrode base material, 42: positive electrode active material layer,
50: negative electrode,
51: negative electrode base material, 52: negative electrode active material layer,
60: solid electrolyte layer,
10: Power storage unit, 100: Power storage device.
Claims (1)
前記固体電解質含有スラリーの塗布物から、前記フッ素樹脂の粒子と前記硫化物固体電解質の粒子とを含む電解質含有層を作製することとを備え、
前記固体電解質含有スラリーを調製することにおいて、前記低極性溶媒は、メトキシベンゼン、メトキシトルエン、メトキシキシレン、メトキシメシチレン、及び、エトキシベンゼンからなる群より選択された少なくとも1種であり、且つ、前記フッ素樹脂の粒子の平均粒子径が200nm以下であり、
前記電解質含有層を作製することにおいて、前記低極性溶媒を揮発させる乾燥処理を前記塗布物に施す、蓄電素子の製造方法。
preparing a solid electrolyte-containing slurry containing a low-polarity solvent, fluororesin particles, and sulfide solid electrolyte particles;
and preparing an electrolyte-containing layer containing particles of the fluororesin and particles of the sulfide solid electrolyte from the applied material of the solid electrolyte-containing slurry,
In preparing the solid electrolyte-containing slurry, the low-polarity solvent is at least one selected from the group consisting of methoxybenzene, methoxytoluene, methoxyxylene, methoxymesitylene, and ethoxybenzene, and the average particle size of the fluororesin particles is 200 nm or less;
The method for producing an electric storage element includes, in forming the electrolyte-containing layer, subjecting the applied material to a drying treatment for volatilizing the low-polarity solvent.
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