JP7796377B2 - All-solid-state battery and method for manufacturing same - Google Patents
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Description
本発明の実施形態の一つは、全固体電池とその作製方法に関する。例えば、本発明の実施形態の一つは、ジオポリマーを電解質として有する全固体電池とその作製方法に関する。 One embodiment of the present invention relates to an all-solid-state battery and a method for manufacturing the same. For example, one embodiment of the present invention relates to an all-solid-state battery having a geopolymer as an electrolyte and a method for manufacturing the same.
ジオポリマーとは、アルカリシリカ溶液とアルミナシリカ粉体との反応によって形成される非晶質の縮重合体であり、セメントを原料とするコンクリートとは異なる優れた特性を示す構造材料として近年注目を集めている。また、ジオポリマーは全固体電池の電解質としても機能することが知られている(非特許文献1、2参照)。 Geopolymers are amorphous condensation polymers formed by the reaction of an alkaline silica solution with alumina-silica powder. They have attracted attention in recent years as structural materials that exhibit superior properties different from those of concrete, which is made from cement. Geopolymers are also known to function as electrolytes in all-solid-state batteries (see non-patent literature 1 and 2).
本発明の実施形態の一つは、新規な構造を有する全固体電池とその作製方法を提供することを課題の一つとする。あるいは、本発明の実施形態の一つは、ジオポリマーを電解質として含む全固体電池とその作製方法を提供することを課題の一つとする。あるいは、本発明の実施形態の一つは、ジオポリマーを電解質として含み、充放電特性に優れた全固体電池とその作製方法を提供することを課題の一つとする。 An object of one embodiment of the present invention is to provide an all-solid-state battery having a novel structure and a method for manufacturing the same. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide an all-solid-state battery containing a geopolymer as an electrolyte and a method for manufacturing the same. Alternatively, an object of one embodiment of the present invention is to provide an all-solid-state battery containing a geopolymer as an electrolyte and having excellent charge/discharge characteristics and a method for manufacturing the same.
本発明の実施形態の一つは、全固体電池である。この全固体電池は、ジオポリマーと添加剤を含む固体電解質、一部が固体電解質に埋め込まれた正極、および一部が固体電解質に埋め込まれた負極を備える。添加剤は、金属イオンまたはイオン化されてカチオンを与える材料である。 One embodiment of the present invention is an all-solid-state battery. The all-solid-state battery includes a solid electrolyte containing a geopolymer and an additive, a positive electrode partially embedded in the solid electrolyte, and a negative electrode partially embedded in the solid electrolyte. The additive is a metal ion or a material that can be ionized to provide a cation.
本発明の実施形態の一つは、全固体電池の作製方法である。この作製方法は、アルカリ溶液、フィラー、および添加剤を混合して流動性を有する混合物を形成すること、上記混合物に正極と負極を挿入すること、および上記混合物を固化することを含む。添加剤は、金属イオンまたはイオン化されてカチオンを与える材料である。フィラーは、アルミナとシリカを含む。アルカリ溶液は、アルカリ金属のケイ酸塩水溶液とアルカリ金属の水酸化物水溶液から選択される。 One embodiment of the present invention is a method for fabricating an all-solid-state battery. The method includes mixing an alkaline solution, a filler, and an additive to form a flowable mixture, inserting a positive electrode and a negative electrode into the mixture, and solidifying the mixture. The additive is a metal ion or a material that can be ionized to provide a cation. The filler includes alumina and silica. The alkaline solution is selected from an aqueous solution of an alkali metal silicate and an aqueous solution of an alkali metal hydroxide.
以下、本発明の各実施形態について、図面などを参照しつつ説明する。ただし、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。 Each embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings, etc. However, the present invention can be embodied in various forms without departing from the spirit of the invention, and should not be construed as being limited to the description of the embodiments exemplified below.
図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状などについて模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。 In order to clarify the explanation, the drawings may show the width, thickness, shape, etc. of each part schematically compared to the actual embodiment, but this is merely an example and does not limit the interpretation of the present invention. In this specification and each drawing, elements with the same function as those explained in the previous drawings may be given the same reference numerals, and duplicate explanations may be omitted.
以下、「ある構造体が他の構造体から露出する」という表現は、ある構造体の一部が他の構造体によって覆われていない態様を意味し、この他の構造体によって覆われていない部分は、さらに別の構造体によって覆われる態様も含む。 Hereinafter, the expression "a structure exposed from another structure" means a state in which a portion of a structure is not covered by another structure, and also includes a state in which this portion not covered by another structure is covered by yet another structure.
1.全固体電池の構造
本発明の実施形態の一つに係る全固体電池100の模式的斜視図を図1に示す。図1に示すように、全固体電池100は、電解質102、および電解質102に接触するまたは一部が挿入された正極104と負極106を含む。
1. Structure of All-Solid-State Battery A schematic perspective view of an all-solid-state battery 100 according to an embodiment of the present invention is shown in Fig. 1. As shown in Fig. 1, the all-solid-state battery 100 includes an electrolyte 102, and a positive electrode 104 and a negative electrode 106 that are in contact with or partially inserted into the electrolyte 102.
電解質102はジオポリマーを含み、完全にまたは実質的に流動性を示さない全固体電解質である。ここで、ジオポリマーとは、アルカリシリカ溶液とアルミナシリカ粉末との反応によって形成される非晶質の重縮合体である。このため、電解質102は、酸化ケイ素を含む微粒子、酸化アルミニウムを含む微粒子、および酸化ケイ素と酸化アルミニウムを含む微粒子の少なくとも一つを含む。電解質102はさらに、酸化鉄や酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ナトリウム、酸化カリウムなどに例示される、アルカリ金属、第2族金属、または遷移金属の酸化物を含む微粒子を含んでもよい。また、電解質102は、ケイ素-酸素-アルミニウム(Si-O-Al)結合を有し、さらに、ケイ素-酸素-ケイ素(Si-O-Si)結合、ケイ素-酸素-金属-酸素-ケイ素(Si-O-M-O-Si)結合、ケイ素-酸素-金属-酸素-アルミニウム(Si-O-M-O-Al)結合を有してもよい。上述した微粒子は、上記結合によって形成される非晶質無機質によって固定される。ここで、Mは金属であり、リチウムやナトリウム、カリウム、セシウムなどのアルカリ金属、マグネシウムやカルシウムなどの第2族金属、コバルトや銅、鉄などの遷移金属などから選択される。 The electrolyte 102 is a solid-state electrolyte containing a geopolymer and exhibiting complete or substantial lack of fluidity. Here, geopolymer is an amorphous polycondensation product formed by the reaction of an alkali silica solution with alumina-silica powder. Therefore, the electrolyte 102 contains at least one of fine particles containing silicon oxide, fine particles containing aluminum oxide, and fine particles containing silicon oxide and aluminum oxide. The electrolyte 102 may further contain fine particles containing an oxide of an alkali metal, Group 2 metal, or transition metal, such as iron oxide, calcium oxide, magnesium oxide, sodium oxide, or potassium oxide. Furthermore, the electrolyte 102 has silicon-oxygen-aluminum (Si-O-Al) bonds, and may further contain silicon-oxygen-silicon (Si-O-Si) bonds, silicon-oxygen-metal-oxygen-silicon (Si-O-M-O-Si) bonds, or silicon-oxygen-metal-oxygen-aluminum (Si-O-M-O-Al) bonds. The fine particles are fixed by the amorphous inorganic material formed by the above bonds. Here, M is a metal selected from alkali metals such as lithium, sodium, potassium, and cesium, Group 2 metals such as magnesium and calcium, and transition metals such as cobalt, copper, and iron.
電解質102はさらに、電解質102中で金属イオンとして存在する、あるいはイオン化してカチオンを与える材料を添加剤として含む。金属イオンとしては、アルカリ金属または第2族元素のイオンが例示される。カチオンを与える材料は、例えば遷移金属から選択することができる。遷移金属としては、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、または亜鉛などが挙げられる。好ましい遷移金属は、例えば鉄、コバルト、銅である。 The electrolyte 102 further contains, as an additive, a material that exists as a metal ion in the electrolyte 102 or that ionizes to provide a cation. Examples of metal ions include ions of alkali metals or Group 2 elements. The material that provides the cation can be selected from transition metals, for example. Examples of transition metals include scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, and zinc. Preferred transition metals are, for example, iron, cobalt, and copper.
カチオンを与える材料は炭素材料でもよい。炭素材料は、導電性を有してもよい。ここで、炭素材料とは、実質的にsp2炭素原子によって構成される材料であり、カーボンナノチューブやグラフェン、フラーレンが挙げられる。カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブでも多層カーボンナノチューブでもよい。カーボンナノチューブの直径や長さにも限定はない。また、カーボンナノチューブの一方または両方の端部がキャップされていてもよく、一方、あるいは両方の端部が開いた構造を有していてもよい。あるいは、カーボンナノチューブは、ピーポットなど、他の分子やイオンを内包したカーボンナノチューブでもよく、表面が分子修飾されていてもよい。炭素材料としてグラフェンを用いる場合、独立した単層のグラフェンでもよく、複数のグラフェンが積層したオリゴグラフェン、もしくはグラファイトを用いてもよい。また、基本骨格の一部が酸化された酸化グラフェンを用いてもよい。炭素材料としてフラーレンを用いる場合、C60やC70のみならず、C74、C76、C78などを用いてもよい。また、スカンジウムやランタン、セリウムなどの金属イオンを内包したフラーレンを用いてもよく、あるいは一部の炭素が修飾され、エステル基などの官能基を有するフラーレンを用いてもよい。 The material that provides the cations may be a carbon material. The carbon material may be electrically conductive. Here, the carbon material is a material substantially composed of sp2 carbon atoms, and examples thereof include carbon nanotubes, graphene, and fullerenes. The carbon nanotubes may be single-walled or multi-walled carbon nanotubes. There are no limitations on the diameter or length of the carbon nanotubes. Furthermore, one or both ends of the carbon nanotube may be capped, or one or both ends may be open. Alternatively, the carbon nanotube may contain other molecules or ions, such as peapods, or may have a molecularly modified surface. When graphene is used as the carbon material, it may be an independent single-layer graphene, or an oligographene in which multiple graphenes are stacked, or graphite. Furthermore, graphene oxide, in which part of the basic skeleton is oxidized, may be used. When fullerene is used as the carbon material, not only C60 and C70 but also C74 , C76 , C78 , etc. may be used. Further, fullerenes containing metal ions such as scandium, lanthanum, and cerium may be used, or fullerenes in which some of the carbon atoms are modified and which have functional groups such as ester groups may be used.
電解質102の大きさや形状は任意に選択すればよい。例えば電解質102は、図1に示すように直方体または立方体の形状を有してもよく、図示しないが、円柱状、楕円柱状、球状、半球状、板状(フィルム状)、または棒状などの形状を有してもよい。あるいは、電解質102は、ジオポリマーを有する構造材料の一部であってもよい。すなわち、電解質102は、ジオポリマーを含む橋、ビルなどの建物、道路、トンネル、ダムなどの構造体の一部であってもよい。 The size and shape of the electrolyte 102 may be selected arbitrarily. For example, the electrolyte 102 may have a rectangular parallelepiped or cubic shape as shown in FIG. 1, or, although not shown, may have a cylindrical, elliptical cylinder, spherical, hemispherical, plate-like (film-like), rod-like, or other shape. Alternatively, the electrolyte 102 may be part of a structural material containing a geopolymer. That is, the electrolyte 102 may be part of a structure containing a geopolymer, such as a bridge, building, road, tunnel, or dam.
正極104と負極106は、それぞれ銅、ニッケル、アルミニウム、亜鉛、パラジウム、銀、クロム、マンガンなどの金属を含む電極である。正極104と負極106に含まれる金属材料は、互いに異なる。正極104と負極106は、よりイオン化傾向が小さい金属が正極104に含まれるように構成すればよい。 The positive electrode 104 and the negative electrode 106 are electrodes that each contain a metal such as copper, nickel, aluminum, zinc, palladium, silver, chromium, or manganese. The metal materials contained in the positive electrode 104 and the negative electrode 106 are different from each other. The positive electrode 104 and the negative electrode 106 may be configured so that the metal with the smaller ionization tendency is contained in the positive electrode 104.
正極104と負極106の形状や大きさも任意に選択することができ、例えば、正極104と負極106は、板状(フィルム状)、棒状、ワイヤー状の形状を有してもよい。板状の場合、正極104と負極106はメッシュ状の形態を有してもよい。 The shape and size of the positive electrode 104 and the negative electrode 106 can also be selected arbitrarily. For example, the positive electrode 104 and the negative electrode 106 may have a plate (film), rod, or wire shape. If they are plate-shaped, the positive electrode 104 and the negative electrode 106 may have a mesh-like form.
正極104と負極106の間隔も任意に選択することができ、正極104と負極106に接続される負荷に必要とされる電力を考慮し、例えば0.1mm以上5m以下、1mm以上5m以下、1mm以上3mm以下、20mm以上1m以下、または50mm以上0.5m以下の範囲から選択すればよい。 The distance between the positive electrode 104 and the negative electrode 106 can also be selected arbitrarily, taking into consideration the power required by the load connected to the positive electrode 104 and the negative electrode 106. For example, the distance can be selected from the range of 0.1 mm to 5 m, 1 mm to 5 m, 1 mm to 3 mm, 20 mm to 1 m, or 50 mm to 0.5 m.
正極104と負極106の配置も任意に決定すればよく、図1に示すように、正極104と負極106が電解質102に埋め込まれている部分のそれぞれの長さ(図1では、z方向の長さ)は、電解質102の高さ(z方向の長さ)と同一でもよく、長くてもよく、短くてもよい。 The arrangement of the positive electrode 104 and the negative electrode 106 may also be determined arbitrarily. As shown in Figure 1, the length of each of the portions where the positive electrode 104 and the negative electrode 106 are embedded in the electrolyte 102 (length in the z direction in Figure 1) may be the same as, longer than, or shorter than the height (length in the z direction) of the electrolyte 102.
全固体電池100の特性の一つであるエネルギー密度を左右する要素の一つとして、正極104と負極106が電解質102に埋め込まれている部分と電解質102との接触面積が挙げられる。したがって、接触面積を増大させるため、図2(A)の模式的上面図と図2(A)の鎖線A-A´に沿った端面の模式図(図2(B))に示すように、正極104と負極106は、電解質102内で折りたたまれた構造を有してもよい。あるいは図3(A)の模式的上面図と図3(A)の鎖線B-B´に沿った端面の模式図(図3(B))に示すように、正極104と負極106は、電解質102内で渦巻形状を有してもよい。これらの配置では、電解質102を貫通する直線の一つは、少なくとも複数回正極104を貫通し、複数回負極106を貫通する。また、正極104の一部分と他の一部分が負極106の一部分を挟み、同様に、負極106の一部分と他の一部分が正極104の一部分を挟む。このような配置を採用することで、全固体電池100のエネルギー密度を向上させることができる。 One of the factors that influences the energy density, which is one of the characteristics of the all-solid-state battery 100, is the contact area between the electrolyte 102 and the portions of the cathode 104 and anode 106 embedded in the electrolyte 102. Therefore, to increase the contact area, the cathode 104 and anode 106 may have a folded structure within the electrolyte 102, as shown in the schematic top view of FIG. 2(A) and the schematic end view (FIG. 2(B)) along the dashed line A-A' in FIG. 2(A). Alternatively, the cathode 104 and anode 106 may have a spiral shape within the electrolyte 102, as shown in the schematic top view of FIG. 3(A) and the schematic end view (FIG. 3(B)) along the dashed line B-B' in FIG. 3(A). In these arrangements, one straight line passing through the electrolyte 102 passes through the cathode 104 at least multiple times and through the anode 106 multiple times. Furthermore, a portion of the positive electrode 104 and another portion thereof sandwich a portion of the negative electrode 106, and similarly, a portion of the negative electrode 106 and another portion thereof sandwich a portion of the positive electrode 104. By adopting such an arrangement, the energy density of the all-solid-state battery 100 can be improved.
ジオポリマーは、電池の電解質としての機能を有することが知られている。しかしながら、ジオポリマーを電解質として用いた電池の特性は極めて低く、実用レベルには達していないのが現状である。これに対し、実施例において示されるように、上述した添加剤を電解質102に添加することにより、電池の特性が大幅に改善され、優れた充放放電特性を示す全固体電池を提供することができる。このため、本発明の実施形態により、ジオポリマーを含む構造材料自体を電気エネルギーの供給源として利用することが可能となる。 Geopolymers are known to function as battery electrolytes. However, the performance of batteries using geopolymers as electrolytes is extremely poor and has not yet reached a practical level. In contrast, as shown in the examples, adding the above-mentioned additives to the electrolyte 102 significantly improves battery performance, providing an all-solid-state battery with excellent charge-discharge characteristics. Therefore, embodiments of the present invention make it possible to use structural materials containing geopolymers as a source of electrical energy.
また、全固体電池100は充電可能な二次電池としても機能するため、例えば太陽電池などで得られる電気エネルギーをジオポリマーを含む構造材料自体に貯蔵することができる。このため、電気エネルギーの貯蔵のためのバッテリーを別途設ける必要がないため、低コストで電気エネルギーを貯蔵することが可能となる。 In addition, because the all-solid-state battery 100 also functions as a rechargeable secondary battery, electrical energy obtained from, for example, a solar cell can be stored in the structural material containing the geopolymer itself. This eliminates the need to provide a separate battery for storing electrical energy, making it possible to store electrical energy at low cost.
2.全固体電池の作製方法
全固体電池100の作製方法の一例を図4のフローチャートを用いて説明する。
2. Method for Producing All-Solid-State Battery An example of a method for producing the all-solid-state battery 100 will be described with reference to the flowchart of FIG.
まず、電解質102の原料となる、アルカリ溶液、フィラー、および上述した添加剤を混合し、流動性を有する混合物(前駆体)を調製する。混合時の温度は、例えば室温(20℃から25℃)でもよいが、制約はない。例えば、混合時の温度は、-20℃以上40℃以下、0℃以上35℃以下、または15℃以上30℃以下の範囲から任意に選択すればよい。混合時には、電解質102に要求される強度を考慮し、適宜水を加えてもよい。 First, the raw materials for the electrolyte 102, namely, the alkaline solution, filler, and the additives mentioned above, are mixed to prepare a fluid mixture (precursor). The temperature during mixing may be, for example, room temperature (20°C to 25°C), but there are no restrictions. For example, the temperature during mixing may be selected from the range of -20°C to 40°C, 0°C to 35°C, or 15°C to 30°C. During mixing, water may be added as needed, taking into account the strength required for the electrolyte 102.
アルカリ溶液としては、ケイ酸アルカリ溶液やアルカリ金属の水酸化物水溶液が例示される。ケイ酸アルカリ溶液としては、所謂水ガラスが例示される。したがって、ケイ酸アルカリ溶液は、具体的には、ナトリウムやカリウムなどのアルカリ金属のケイ酸塩水溶液が挙げられる。アルカリ金属の水酸化物としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどが挙げられる。アルカリ金属の水酸化物水溶液の濃度は、例えば5質量%以上30質量%以下、または10質量%以上20質量%以下の範囲から選択すればよい。 Examples of alkaline solutions include alkali silicate solutions and aqueous solutions of alkali metal hydroxides. An example of an alkali silicate solution is so-called water glass. Therefore, specific examples of alkali silicate solutions include aqueous solutions of silicates of alkali metals such as sodium and potassium. Examples of alkali metal hydroxides include lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide. The concentration of the aqueous alkali metal hydroxide solution may be selected from the range of, for example, 5% by mass or more and 30% by mass or less, or 10% by mass or more and 20% by mass or less.
フィラーとしては、酸化アルミニウムと酸化ケイ素を含む任意の材料を用いることができる。典型的な例としては、フライアッシュ、製鉄スラグまたは鉄鋼スラグとも呼ばれるスラグ、下水汚泥、シリカヒューム、もみ殻灰、一般焼却灰、メタカオリン、粘度などが挙げられる。フライアッシュは石炭灰とも呼ばれ、石炭火力発電所において石炭を燃焼させた際の残渣である。スラグとは、鉄鉱石などの鉱石から金属を精錬する際、鉱石に含まれる酸化ケイ素や酸化アルミニウムとコークス中の灰分が溶融して生成する残渣である。シリカヒュームとは、金属シリコンや電融ジルコニアなどを製造する際に発生するダストを集塵する際に得られる粉塵であり、高純度の酸化ケイ素を含む。一般焼却灰とは、ごみ焼却炉においてゴミを燃焼させた際の残渣である。メタカオリンとは、粘土鉱物であるカオリナイトを700℃前後で加熱して非晶質化することで得られる材料である。 Any material containing aluminum oxide and silicon oxide can be used as a filler. Typical examples include fly ash, slag (also known as iron ore slag or steel slag), sewage sludge, silica fume, rice husk ash, general incineration ash, metakaolin, and clay. Fly ash, also known as coal ash, is the residue from burning coal at coal-fired power plants. Slag is the residue produced when silicon oxide and aluminum oxide contained in ore melt with ash from coke during the refining of metals from ores such as iron ore. Silica fume is dust obtained when collecting dust generated during the production of silicon metal and electrofused zirconia, and contains high-purity silicon oxide. General incineration ash is the residue from burning waste in a waste incinerator. Metakaolin is a material obtained by heating the clay mineral kaolinite at around 700°C to amorphousize it.
アルカリ溶液とフィラーの組成も適宜決定すればよいが、アルカリ溶液とフィラーの総量に対してアルカリ溶液が20質量%以上50質量%以下、または30質量%以上50質量%以下とすればよい。一方、混合物の全量に対してフィラーが50質量%以上80質量%以下、または50質量%以上70質量%以下とすればよい。添加剤の添加量は、例えば0.001重量%以上10重量%以下、0.01質量%以上10質量%以下、または0.1質量%以上10質量%以下とすればよい。 The composition of the alkaline solution and filler can be determined as appropriate, but the alkaline solution may be 20% by mass or more and 50% by mass or less, or 30% by mass or more and 50% by mass or less, relative to the total amount of alkaline solution and filler. Meanwhile, the filler may be 50% by mass or more and 80% by mass or less, or 50% by mass or more and 70% by mass or less, relative to the total amount of the mixture. The amount of additive added may be, for example, 0.001% by mass or more and 10% by mass or less, 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, or 0.1% by mass or more and 10% by mass or less.
混合物を形成する際、モルタルやコンクリートに用いられる砂や砂利、砕石などの骨材(細骨材、粗骨材)を別途添加してもよい。 When forming the mixture, aggregates (fine aggregate, coarse aggregate) such as sand, gravel, and crushed stone used in mortar and concrete may be added separately.
得られる混合物は、流動性を有した状態で所望の形状を有する容器または型枠内に注がれる。容器や型枠に用いられる材料も任意であり、例えば鉄やステンレス、アルミニウムなどの金属材料、木材、樹脂材料、ガラスでもよい。型枠を用いる場合には、型枠内部に鉄筋を配置してもよい。 The resulting mixture, in a fluid state, is poured into a container or formwork of the desired shape. The material used for the container or formwork can be any material, including metal materials such as iron, stainless steel, and aluminum, wood, resin materials, and glass. If a formwork is used, rebar can be placed inside the formwork.
その後、混合物が流動性を維持している間に正極104と負極106を設置する。正極104と負極106の各々は、一部が電解質102内に埋め込まれ、他の一部が電解質102から露出するように設ければよい。あるいは、正極104と負極106を混合物の表面に載置してもよい。 Then, while the mixture is still fluid, the positive electrode 104 and the negative electrode 106 are placed. The positive electrode 104 and the negative electrode 106 may each be placed so that a portion thereof is embedded in the electrolyte 102 and another portion thereof is exposed from the electrolyte 102. Alternatively, the positive electrode 104 and the negative electrode 106 may be placed on the surface of the mixture.
なお、正極104と負極106を容器または型枠内に配置し、その後、混合物を調製、投入してもよい。 In addition, the positive electrode 104 and negative electrode 106 may be placed in a container or mold, and then the mixture may be prepared and poured into the container or mold.
その後、混合物を静置(養生)して固化する。固化の温度も任意に設定すればよく、-20℃以上100℃以下、0℃以上60℃以下、または20℃以上50℃以下の範囲から任意に設定すればよい。室温よりも高い温度、例えば40℃以上100℃以下の温度で固化することで、固化速度を大きくすることができる。固化時間は、固化時の温度や混合物の組成にも依存するが、例えば3時間以上1週間以内、3時間以上3日以内、または3時間以上24時間の範囲から適宜選択される。 The mixture is then left to stand (cured) to solidify. The solidification temperature can also be set as desired, within the ranges of -20°C to 100°C, 0°C to 60°C, or 20°C to 50°C. The solidification rate can be increased by solidifying at a temperature higher than room temperature, for example, 40°C to 100°C. The solidification time depends on the solidification temperature and the composition of the mixture, but can be appropriately selected from the ranges of, for example, 3 hours to 1 week, 3 hours to 3 days, or 3 hours to 24 hours.
以上の工程により、全固体電池100が作製される。全固体電池100は、容器または型枠内に配置された状態で用いてもよく、あるいは容器または型枠を除去して用いてもよい。 Through the above steps, an all-solid-state battery 100 is produced. The all-solid-state battery 100 may be used while placed in a container or mold, or may be used with the container or mold removed.
上述したように、この方法では、フィラーとしてフライアッシュ、製鉄スラグまたは鉄鋼スラグとも呼ばれるスラグ、下水汚泥、シリカヒューム、もみ殻灰、一般焼却灰、メタカオリン、粘度などを用いることができる。これらのフィラーは、所謂産業廃棄物の一種であるため、本発明の実施形態に係る全固体電池100の作製方法は、産業廃棄物を有効に活用する一つのツールとしても位置付けることができる。 As described above, in this method, fillers that can be used include fly ash, slag also known as iron and steel slag, sewage sludge, silica fume, rice husk ash, general incineration ash, metakaolin, and clay. Because these fillers are types of industrial waste, the method for producing the all-solid-state battery 100 according to the embodiment of the present invention can also be positioned as a tool for effectively utilizing industrial waste.
以下、添加剤としてカーボンナノチューブを用いて全固体電池100を作製した結果について説明する。 Below, we will explain the results of fabricating an all-solid-state battery 100 using carbon nanotubes as an additive.
1.全固体電池の作製
27質量%のシリカゲル、30質量%の酸化カリウム、および43質量%の蒸留水を室温で混合し、ケイ酸カリウム溶液を得た。シリカゲルとアルミナを主成分とする、JISの2種に規定される市販のフライアッシュに得られたケイ酸カリウム溶液を加えて混合し、さらに市販のカーボンナノチューブを加えて混合物を得た。この時、ケイ酸カリウム溶液はフライアッシュに対して60質量%用い、カーボンナノチューブはケイ酸カリウム溶液とフライアッシュの全量に対して0.01質量%用いた。得られた混合物を50mm×50mm×50mmのプラスチック製角柱容器に注いだ。容器内の混合物に正極104として50mm×60mmのメッシュ状の銅板を、負極106としてとして50mm×60mmのメッシュ状のアルミニウム板を挿入した。正極104と負極106は、互いの間隔を10mmとし、混合物の表面から約10mm露出するように設けた。その後、50℃の恒温室内で6時間静置することで混合物を固化し、全固体電池100を得た。
1. Preparation of an All-Solid-State Battery: 27% by weight of silica gel, 30% by weight of potassium oxide, and 43% by weight of distilled water were mixed at room temperature to obtain a potassium silicate solution. The resulting potassium silicate solution was added to commercially available fly ash, specified in JIS Type 2, primarily composed of silica gel and alumina, and mixed. Commercially available carbon nanotubes were then added to obtain a mixture. The potassium silicate solution was used at 60% by weight of the fly ash, and the carbon nanotubes were used at 0.01% by weight of the total amount of the potassium silicate solution and fly ash. The resulting mixture was poured into a 50 mm x 50 mm x 50 mm plastic prismatic container. A 50 mm x 60 mm mesh copper plate was inserted into the mixture as the positive electrode 104, and a 50 mm x 60 mm mesh aluminum plate was inserted into the container as the negative electrode 106. The positive electrode 104 and negative electrode 106 were spaced 10 mm apart, with approximately 10 mm of the electrode exposed from the surface of the mixture. Thereafter, the mixture was allowed to stand in a constant temperature room at 50° C. for 6 hours to solidify, thereby obtaining an all-solid-state battery 100.
比較例として、カーボンナノチューブを含まない全固体電池を実施例と同様の手法、条件下で作製した。 As a comparative example, an all-solid-state battery that did not contain carbon nanotubes was fabricated using the same method and conditions as in the example.
2.評価
正極104と負極106の間に負荷(300mΩから400mΩ)を設置し、負荷に対して並列に接続された電圧計を用いて正極104-負極106間の電圧の経時変化を測定した。結果を図5に示す。図5から理解されるように、比較例の全固体電池は、初期電圧2.0Vから急激に電圧が低下し、約2時間後にはほぼ0Vとなり、電池としての機能が失われることが確認された。これに対して実施例の全固体電池100では、初期電圧が高く(3.7V)、その後急速に電圧は低下するものの、約1.8Vの電圧を45時間以上維持できることが分かった。このことから、微量の添加剤を添加することによって電池としての放電特性を長時間にわたって保持できると言える。
2. Evaluation A load (300 mΩ to 400 mΩ) was placed between the positive electrode 104 and the negative electrode 106, and the change in voltage between the positive electrode 104 and the negative electrode 106 over time was measured using a voltmeter connected in parallel to the load. The results are shown in FIG. 5. As can be seen from FIG. 5, the voltage of the all-solid-state battery of the comparative example dropped rapidly from an initial voltage of 2.0 V, reaching nearly 0 V after about two hours, and it was confirmed that the battery function was lost. In contrast, the all-solid-state battery 100 of the example had a high initial voltage (3.7 V), and although the voltage dropped rapidly thereafter, it was found that a voltage of approximately 1.8 V could be maintained for 45 hours or more. From this, it can be said that the addition of a small amount of additive can maintain the discharge characteristics of a battery for a long period of time.
上述した放電実験の終了後、実施例の全固体電池に対して14Vの逆電圧を正極104-負極106間に印加して5分間または15分間充電を行い、再度放電実験を行った。その結果、充電時間に依存せず、図5と同様の結果が得られることが確認された。このことは、本発明の実施形態に係る全固体電池は充放電可能な二次電池として機能することを示している。 After the discharge experiment described above was completed, a reverse voltage of 14 V was applied between the positive electrode 104 and the negative electrode 106 to the all-solid-state battery of the example, and charging was performed for 5 or 15 minutes, and then a discharge experiment was performed again. As a result, it was confirmed that results similar to those shown in Figure 5 were obtained, regardless of the charging time. This demonstrates that the all-solid-state battery according to the embodiment of the present invention functions as a rechargeable secondary battery.
以上述べたように、金属イオンまたはイオン化されてカチオンを与える材料を含むジオポリマーを電解質として用いることで、長時間にわたって優れた放電特性を示す全固体の二次電池を提供できることが確認された。このことは、ジオポリマーを含む構造材料が二次電池としても利用できることを示しており、本発明を介して新しいタイプのインフラが提供可能であることが示唆される。 As described above, it has been confirmed that by using a geopolymer containing metal ions or a material that ionizes to provide cations as an electrolyte, it is possible to provide an all-solid-state secondary battery that exhibits excellent discharge characteristics over a long period of time. This indicates that structural materials containing geopolymers can also be used as secondary batteries, suggesting that a new type of infrastructure may be possible through this invention.
本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。 The above-described embodiments of the present invention can be implemented in any suitable combination, provided they are not mutually inconsistent. Any product in which a person skilled in the art appropriately adds, deletes, or modifies components based on each embodiment is also included within the scope of the present invention, as long as it maintains the essence of the present invention.
上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと理解される。 Even if there are other effects and advantages different from those provided by the above-described embodiments, those that are clear from the description in this specification or that would be easily predicted by a person skilled in the art are naturally understood to be provided by the present invention.
100:全固体電池、102:電解質、104:正極、106:負極 100: All-solid-state battery, 102: Electrolyte, 104: Cathode, 106: Anode
Claims (6)
一部が前記固体電解質に埋め込まれた正極、および
一部が前記固体電解質に埋め込まれた負極を備え、
前記添加剤は、カーボンナノチューブである、全固体電池。 solid electrolytes containing geopolymers and additives;
a positive electrode partially embedded in the solid electrolyte; and a negative electrode partially embedded in the solid electrolyte,
The all-solid-state battery, wherein the additive is a carbon nanotube .
前記混合物に正極と負極を挿入すること、および
前記混合物を固化することを含み、
前記添加剤は、カーボンナノチューブであり、
前記フィラーは、アルミナとシリカを含む、全固体電池の作製方法。 mixing an aqueous alkali metal silicate solution, a filler, and an additive to form a flowable mixture;
inserting a positive electrode and a negative electrode into the mixture; and solidifying the mixture.
the additive is carbon nanotubes ,
The method for producing an all-solid-state battery, wherein the filler includes alumina and silica.
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| JP2018097982A (en) | 2016-12-09 | 2018-06-21 | Fdk株式会社 | Method for manufacturing all-solid battery |
| JP2019050120A (en) | 2017-09-11 | 2019-03-28 | 一徳 清家 | Semiconductor secondary battery |
| WO2021039950A1 (en) | 2019-08-30 | 2021-03-04 | 富士フイルム株式会社 | Inorganic solid electrolyte-containing composition, sheet for solid-state secondary batteries, solid-state secondary battery, and methods for producing solid-state secondary battery and sheet for solid-state secondary batteries |
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