JP7850872B2 - all solid state battery - Google Patents
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Description
本発明は、全固体電池に関する。
本願は、2024年3月27日に、日本に出願された特願2024-050671号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
This invention relates to an all-solid-state battery.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2024-050671, filed in Japan on March 27, 2024, and the contents of that application are incorporated herein by reference.
近年、エレクトロニクス技術の発達はめざましく、携帯電子機器の小型軽量化、薄型化、多機能化が図られている。それに伴い、電子機器の電源となる電池に対し、小型軽量化、薄型化、信頼性の向上が強く望まれており、電解質として固体電解質を用いる全固体電池が注目されている。In recent years, advancements in electronics technology have been remarkable, leading to the miniaturization, weight reduction, thinning, and increased functionality of portable electronic devices. Consequently, there is a strong demand for smaller, lighter, thinner, and more reliable batteries, which power these devices. All-solid-state batteries, which use solid electrolytes, are attracting attention as a result.
例えば、特許文献1には、Li3+xSixP1-xO4を含む固体電解質と、LiCoO2を含む正極活物質と、を有する、全固体電池が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses an all-solid-state battery having a solid electrolyte containing Li3 + xSixP1 -xO4 and a positive electrode active material containing LiCoO2 .
電池の容量は、使い始めから使い終わりまでに、電池が出力できる電気量であり、大きいことが望ましい。容量の大きな全固体電池が求められている。Battery capacity is the amount of electricity a battery can output from the start to the end of its use, and a large capacity is desirable. There is a demand for all-solid-state batteries with large capacities.
本開示は上記問題に鑑みてなされたものであり、容量の大きな全固体電池を提供することを目的とする。This disclosure has been made in view of the above-mentioned issues and aims to provide a large-capacity all-solid-state battery.
上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。To solve the above problems, the following means are provided.
(1)第1の態様にかかる全固体電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間の固体電解質層と、を備える。前記固体電解質層は、γ-Li3PO4構造を有する固体電解質を含む。前記固体電解質層は、コバルトを含むコバルト含有領域を有する。前記コバルト含有領域は、前記正極と前記負極との間を連続的に繋ぐコバルトリッチ領域を有さない。前記コバルトリッチ領域は、前記コバルトの含有量が1atm%以上である。 (1) The all-solid-state battery according to the first embodiment comprises a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode. The solid electrolyte layer contains a solid electrolyte having a γ- Li3PO4 structure. The solid electrolyte layer has a cobalt - containing region containing cobalt. The cobalt-containing region does not have a cobalt-rich region that continuously connects the positive electrode and the negative electrode. The cobalt-rich region has a cobalt content of 1 atm% or more.
(2)上記態様(1)にかかる全固体電池において、前記コバルト含有領域は、前記コバルトリッチ領域を含まなくてもよい。(2) In the all-solid-state battery according to the above embodiment (1), the cobalt-containing region does not have to include the cobalt-rich region.
(3)上記態様(1)又は(2)にかかる全固体電池において、前記固体電解質層における前記コバルト含有領域の占める割合は、20%以上100%以下であってもよい。(3) In the all-solid-state battery according to the above embodiment (1) or (2), the proportion of the cobalt-containing region in the solid electrolyte layer may be 20% or more and 100% or less.
(4)上記態様(1)~(3)のいずれかにかかる全固体電池において、前記正極は、コバルトを含み、前記固体電解質層は、前記正極と接する部分に前記コバルト含有領域を有してもよい。(4) In an all-solid-state battery according to any of the above embodiments (1) to (3), the positive electrode may contain cobalt, and the solid electrolyte layer may have the cobalt-containing region in the portion that is in contact with the positive electrode.
(5)上記態様(1)~(4)のいずれかにかかる全固体電池において、前記固体電解質層は、第1領域と第2領域とを有してもよい。前記第1領域は、積層方向において、前記第2領域より前記正極の近くにある。前記第1領域のコバルト濃度は、前記第2領域のコバルト濃度より濃い。(5) In an all-solid-state battery according to any of the above embodiments (1) to (4), the solid electrolyte layer may have a first region and a second region. The first region is closer to the positive electrode than the second region in the stacking direction. The cobalt concentration in the first region is higher than the cobalt concentration in the second region.
(6)上記態様(5)にかかる全固体電池において、前記第1領域及び前記第2領域は、前記積層方向と直交する面内方向において、コバルト濃度が均一であってもよい。(6) In the all-solid-state battery according to embodiment (5) above, the cobalt concentration in the first region and the second region may be uniform in an in-plane direction perpendicular to the stacking direction.
(7)上記態様(1)~(4)のいずれかにかかる全固体電池において、前記固体電解質層は、第1領域と第2領域とを有してもよい。前記第1領域は、積層方向において、前記第2領域より前記正極の近くにある。前記第2領域のコバルト濃度は、前記第1領域のコバルト濃度より濃い。(7) In an all-solid-state battery according to any of the above embodiments (1) to (4), the solid electrolyte layer may have a first region and a second region. The first region is closer to the positive electrode than the second region in the stacking direction. The cobalt concentration in the second region is higher than the cobalt concentration in the first region.
(8)上記態様(7)にかかる全固体電池において、前記第1領域及び前記第2領域は、前記積層方向と直交する面内方向において、コバルト濃度が均一であってもよい。(8) In the all-solid-state battery according to the above embodiment (7), the cobalt concentration in the first region and the second region may be uniform in an in-plane direction perpendicular to the stacking direction.
(9)上記態様(1)~(8)のいずれかにかかる全固体電池において、前記負極は、金属リチウム、リチウムと合金可能な金属、半金属又は化合物、又は、黒鉛を含んでもよい。(9) In an all-solid-state battery according to any of the above embodiments (1) to (8), the negative electrode may contain metallic lithium, a metal alloyable with lithium, a metalloid or compound, or graphite.
(10)上記態様(1)~(9)のいずれかにかかる全固体電池において、前記負極は、充電により析出する金属リチウムを含んでもよい。(10) In an all-solid-state battery according to any of the above embodiments (1) to (9), the negative electrode may contain metallic lithium that is deposited by charging.
上記態様にかかる全固体電池は、容量が大きい。The all-solid-state battery according to the above embodiment has a large capacity.
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その技術要件を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。The following description of this embodiment will be made in detail with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may be enlarged for convenience in order to clearly illustrate the features of the present invention, and the dimensional ratios of each component may differ from those in reality. The materials, dimensions, etc., exemplified in the following description are examples only, and the present invention is not limited to them. It can be implemented with appropriate modifications without changing its technical requirements.
方向について定義する。積層体4の積層方向をz方向とし、z方向と直交する面内の一方向をx方向、x方向及びz方向と直交する方向をy方向とする。以下、z方向の一方向を「上」、この方向と反対の方向を「下」と表現する場合がある。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。The directions are defined as follows: The stacking direction of the laminate 4 is defined as the z-direction, one direction in the plane perpendicular to the z-direction is defined as the x-direction, and the direction perpendicular to both the x-direction and the z-direction is defined as the y-direction. Hereafter, one direction in the z-direction may be referred to as "up," and the opposite direction as "down." Up and down do not necessarily coincide with the direction in which gravity acts.
図1は、本実施形態にかかる全固体電池10の断面模式図である。全固体電池10は、積層体4と端子電極5,6とを有する。端子電極5,6は、積層体4の対向する面にそれぞれ接する。端子電極5,6は、積層体4の積層面と交差(直交)する側面に形成されている。Figure 1 is a schematic cross-sectional view of an all-solid-state battery 10 according to this embodiment. The all-solid-state battery 10 has a laminate 4 and terminal electrodes 5 and 6. The terminal electrodes 5 and 6 are in contact with opposing surfaces of the laminate 4, respectively. The terminal electrodes 5 and 6 are formed on the side surfaces of the laminate 4 that intersect (are perpendicular to) the laminate surface.
積層体4は、正極1と負極2と固体電解質層3とを有する。積層体4には、正極1、負極2及び固体電解質層3が積層されている。正極1及び負極2の層数は問わない。固体電解質層3は、少なくとも正極1と負極2との間にある。正極1と端子電極6との間および負極2と端子電極5との間には、例えば、固体電解質層3と同じ固体電解質がある。正極1は、一端が端子電極5に接続されている。負極2は、一端が端子電極6と接続されている。The laminate 4 has a positive electrode 1, a negative electrode 2, and a solid electrolyte layer 3. The positive electrode 1, negative electrode 2, and solid electrolyte layer 3 are laminated in the laminate 4. The number of layers for the positive electrode 1 and negative electrode 2 is not limited. The solid electrolyte layer 3 is located at least between the positive electrode 1 and the negative electrode 2. Between the positive electrode 1 and the terminal electrode 6, and between the negative electrode 2 and the terminal electrode 5, there is, for example, the same solid electrolyte as the solid electrolyte layer 3. One end of the positive electrode 1 is connected to the terminal electrode 5. One end of the negative electrode 2 is connected to the terminal electrode 6.
全固体電池10は、正極1と負極2の間で固体電解質層3を介したイオンの授受により充電又は放電する。図1では、積層型の電池を示したが、巻回型の電池でもよい。全固体電池10は、例えば、ラミネート電池、角型電池、円筒型電池、コイン型電池、ボタン型電池等に用いられる。また全固体電池10は、固体電解質層3を溶媒に溶解又は分散させた注液型でもよい。The all-solid-state battery 10 charges or discharges by the exchange of ions between the positive electrode 1 and the negative electrode 2 via the solid electrolyte layer 3. Figure 1 shows a stacked battery, but a wound-type battery may also be used. The all-solid-state battery 10 is used in, for example, laminated batteries, prismatic batteries, cylindrical batteries, coin-type batteries, button-type batteries, etc. Furthermore, the all-solid-state battery 10 may be a liquid-injection type in which the solid electrolyte layer 3 is dissolved or dispersed in a solvent.
「正極」
正極1は、例えば、正極集電体層1Aと正極活物質層1Bとを有する。正極活物質層1Bは、正極集電体層1Aの少なくとも一面に接する。
"Positive electrode"
The positive electrode 1 includes, for example, a positive electrode current collector layer 1A and a positive electrode active material layer 1B. The positive electrode active material layer 1B is in contact with at least one surface of the positive electrode current collector layer 1A.
正極集電体層1Aは、充電時の酸化に耐え腐食しにくい導電性の材料であれば良い。正極集電体層1Aは、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、チタン、金などの金属、導電性樹脂等である。正極集電体層1Aは、粉体、箔、パンチング、エクスパンドの各形態であっても良い。正極集電体層1Aは、正極活物質層1Bに含まれる正極活物質を含んでもよい。The positive electrode current collector layer 1A can be any conductive material that is resistant to oxidation during charging and corrosion. Examples of materials for the positive electrode current collector layer 1A include metals such as aluminum, stainless steel, nickel, titanium, and gold, and conductive resins. The positive electrode current collector layer 1A may also be in the form of powder, foil, punched, or expanded material. The positive electrode current collector layer 1A may also contain the positive electrode active material included in the positive electrode active material layer 1B.
正極活物質層1Bは、正極活物質と固体電解質と導電助剤とを含み、必要に応じて、バインダーを含む。The positive electrode active material layer 1B comprises a positive electrode active material, a solid electrolyte, and a conductive additive, and optionally includes a binder.
正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵・放出、挿入・脱離(インターカレーション・デインターカレーション)を可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の全固体電池に用いられている正極活物質を使用できる。正極活物質としては、例えば、リチウム含有金属酸化物、リチウム含有金属リン酸化物などが挙げられる。The positive electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly carry out intercalation and deintercalation of lithium ions, and any positive electrode active material used in known all-solid-state batteries can be used. Examples of positive electrode active materials include lithium-containing metal oxides and lithium-containing metal phosphorus oxides.
リチウム含有金属酸化物は、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiVOPO4、Li3V2(PO4)3)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Feから選択される少なくとも1種を示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等である。 Lithium-containing metal oxides include, for example, lithium cobalt oxide ( LiCoO₂ ), lithium nickelate ( LiNiO₂ ), lithium manganese spinel ( LiMn₂O₄ ) , and composite metal oxides represented by the general formula: LiNi x Co y Mn z O₂ (x + y + z = 1), lithium vanadium compounds ( LiVOPO₄ , Li₃V₂ ( PO₄ ) ₃ ), olivine-type LiMPO₄ (where M represents at least one selected from Co, Ni, Mn, and Fe), lithium titanate (Li₄Ti₅O₁₂ ) , etc.
また正極活物質は、リチウムを含有していないものでもよい。このような正極活物質としては、リチウム非含有金属酸化物(MnO2、V2O5など)、リチウム非含有金属硫化物(MoS2など)、リチウム非含有フッ化物(FeF3、VF3など)などが挙げられる。リチウムを含有していない正極活物質を用いる場合、あらかじめ負極にリチウムイオンをドープしておく、またはリチウムイオンを含有する負極を用いる。 Furthermore, the positive electrode active material may not contain lithium. Examples of such positive electrode active materials include lithium-free metal oxides ( MnO₂ , V₂O₅ , etc. ), lithium-free metal sulfides ( MoS₂, etc.), and lithium-free fluorides ( FeF₃ , VF₃ , etc.). When using a lithium-free positive electrode active material, the negative electrode is pre-doped with lithium ions, or a negative electrode containing lithium ions is used.
正極活物質は、例えば、コバルトを含んでもよい。正極活物質は、コバルト酸リチウム(LiCoO2)やコバルト酸リチウムのコバルトの一部を他の遷移金属で置換したコバルト複合酸化物(例えば、LiNixCoyMnzOz)を含むことがより好ましい。正極活物質がコバルトを含むと、コバルトを含む固体電解質層3と正極活物質層1Bとの間における電子伝導性が向上し、全固体電池10の内部抵抗が低下する。 The positive electrode active material may contain, for example, cobalt. More preferably, the positive electrode active material contains lithium cobalt oxide ( LiCoO₂ ) or a cobalt composite oxide (e.g., LiNi x Co y Mn z O z ) in which some of the cobalt in lithium cobalt oxide is replaced with other transition metals. When the positive electrode active material contains cobalt, the electronic conductivity between the cobalt-containing solid electrolyte layer 3 and the positive electrode active material layer 1B is improved, and the internal resistance of the all-solid-state battery 10 is reduced.
導電助剤は、正極活物質層1B内の電子伝導性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。導電助剤は、例えば、カーボン粉末、カーボンナノチューブ、炭素材料、金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、導電性酸化物である。カーボン粉末は、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等である。金属微粉は、例えば、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の粉である。導電助剤は、正極活物質層1Bの電子伝導性を良好にする。導電助剤は、粉体、繊維の各形態であっても良い。The conductive additive is not particularly limited as long as it improves the electronic conductivity within the positive electrode active material layer 1B, and known conductive additives can be used. Examples of conductive additives include carbon powder, carbon nanotubes, carbon materials, metal powders, mixtures of carbon materials and metal powders, and conductive oxides. Examples of carbon powders include carbon black, acetylene black, and Ketjen black. Examples of metal powders include copper, nickel, stainless steel, and iron powders. The conductive additive improves the electronic conductivity of the positive electrode active material layer 1B. The conductive additive may be in the form of a powder or fibers.
バインダーは、正極集電体層1Aと正極活物質層1B、正極活物質層1Bと固体電解質層3、及び、正極活物質層1Bを構成する各種材料同士を接合する。The binder bonds the positive electrode current collector layer 1A to the positive electrode active material layer 1B, the positive electrode active material layer 1B to the solid electrolyte layer 3, and the various materials that make up the positive electrode active material layer 1B to each other.
バインダーは、正極活物質層1Bの機能を失わない範囲内で用いることができる。バインダーは、不要であれば含有させなくてもよい。正極活物質層1B中のバインダーの含有量は、例えば、正極活物質層1Bの0.5体積%以上30体積%以下であることが好ましい。ここで、体積%は、例えば、走査型電子顕微鏡で測定される断面における面積%と略一致する。そのため、走査型電子顕微鏡で測定された断面における面積比をそのまま体積比とみなすことができる。The binder can be used within a range that does not impair the function of the positive electrode active material layer 1B. The binder may be omitted if it is not needed. The binder content in the positive electrode active material layer 1B is preferably, for example, 0.5% to 30% by volume. Here, the volume percentage is approximately equal to the area percentage in a cross-section measured by a scanning electron microscope. Therefore, the area ratio in a cross-section measured by a scanning electron microscope can be directly considered as the volume ratio.
バインダーは、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂が挙げられる。更に、上記の他に、バインダーとして、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いてもよい。また、バインダーとして電子伝導性を有する導電性高分子や、イオン伝導性を有するイオン導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性を有する導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、バインダーが導電助剤の機能も発揮するので導電助剤を添加しなくてもよい。イオン伝導性を有するイオン導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等を伝導するものを使用することができ、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリフォスファゼン等)のモノマーと、LiClO4、LiBF4、LiPF6等のリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤などである。バインダーに要求される特性としては、酸化・還元耐性があること、接着性が良いことが挙げられる。 Examples of binders include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). In addition to the above, other binders such as cellulose, styrene-butadiene rubber, ethylene-propylene rubber, polyimide resin, and polyamide-imide resin may also be used. Furthermore, conductive polymers having electronic conductivity or ionic conductive polymers having ionic conductivity may be used as binders. Examples of conductive polymers having electronic conductivity include polyacetylene. In this case, since the binder also functions as a conductive additive, it is not necessary to add a conductive additive. Examples of ionic conductive polymers having ionic conductivity include those that conduct lithium ions, and include composites of monomers of polymer compounds (polyether-based polymer compounds such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, polyphosphozenes, etc.) and lithium salts such as LiClO₄ , LiBF₄ , LiPF₆, etc., or alkali metal salts mainly composed of lithium. Polymerization initiators used in compounding include, for example, photopolymerization initiators or thermal polymerization initiators compatible with the above-mentioned monomers. Required properties for the binder include oxidation/reduction resistance and good adhesion.
「負極」
負極2は、例えば、負極集電体層2Aと負極活物質層2Bとを有する。負極活物質層2Bは、負極集電体層2Aの少なくとも一面に接する。
"Negative electrode"
The negative electrode 2 includes, for example, a negative electrode current collector layer 2A and a negative electrode active material layer 2B. The negative electrode active material layer 2B is in contact with at least one surface of the negative electrode current collector layer 2A.
負極集電体層2Aは、導電性を有する。負極集電体層2Aは、例えば、Ag、Pd、Au、Pt、Cuからなる群から選択されるいずれ一つを含む金属又は合金を備える。負極集電体は、例えば、Ag、Cu、AgPd合金である。負極集電体層2Aは、負極活物質層2Bに含まれる負極活物質、固体電解質層3に含まれる固体電解質を含んでもよい。The negative electrode current collector layer 2A is conductive. The negative electrode current collector layer 2A comprises a metal or alloy containing, for example, one selected from the group consisting of Ag, Pd, Au, Pt, and Cu. The negative electrode current collector is, for example, an Ag, Cu, AgPd alloy. The negative electrode current collector layer 2A may also contain the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer 2B and the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer 3.
負極活物質層2Bは、負極活物質を含む。負極活物質層2Bは、導電助剤、バインダー、固体電解質を含んでもよい。The negative electrode active material layer 2B contains a negative electrode active material. The negative electrode active material layer 2B may also contain a conductive additive, a binder, and a solid electrolyte.
負極活物質は、イオンを吸蔵・放出可能な化合物であればよい。負極活物質は、炭素材料、リチウムと化合できる(リチウムと合金化ができる)金属、合金、半金属、又は化合物、これら金属、合金、又は半金属と炭素材料との複合材料、酸化物、硫黄変性ポリアクリロニトリル、金属リチウム等である。炭素材料は、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ、メソカーボンファイバー(MCF)、コークス類、ガラス状炭素、有機化合物焼成体などである。リチウムと化合できる金属、合金、半金属、又は化合物は、Si、SiOx、Sn、アルミニウムなどである。酸化物は、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、SnO2などである。また充電により負極に析出する金属リチウムを負極活物質としてもよい。この場合、放電により金属リチウムの一部が溶解する。 The negative electrode active material can be any compound capable of intercalating and releasing ions. Examples of negative electrode active materials include carbon materials, metals, alloys, metalloids, or compounds that can combine with lithium (or alloy with lithium), composite materials of these metals, alloys, or metalloids with carbon materials, oxides, sulfur-modified polyacrylonitrile, and metallic lithium. Examples of carbon materials include natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads, mesocarbon fibers (MCF), coke, glassy carbon, and calcined organic compounds. Examples of metals, alloys, metalloids, or compounds that can combine with lithium include Si, SiO₂x , Sn, and aluminum. Examples of oxides include lithium titanate ( Li₄Ti₅O₁₂ ) and SnO₂ . Alternatively, metallic lithium deposited on the negative electrode during charging may be used as the negative electrode active material. In this case, some of the metallic lithium dissolves during discharge.
導電助剤は、負極活物質層2Bの電子伝導性を良好にする。導電助剤は、正極活物質層1Bと同様の材料を用いることができる。The conductive additive improves the electronic conductivity of the negative electrode active material layer 2B. The conductive additive can be made from the same material as that used for the positive electrode active material layer 1B.
バインダーは、負極集電体層2Aと負極活物質層2B、負極活物質層2Bと固体電解質層3、負極活物質層2Bを構成する各種材料同士を接合する。バインダーは、正極活物質層1Bと同様の材料を用いることができる。バインダーの含有比率も、正極活物質層1Bと同様にできる。バインダーは不要であれば、含有させなくてもよい。The binder bonds the negative electrode current collector layer 2A to the negative electrode active material layer 2B, the negative electrode active material layer 2B to the solid electrolyte layer 3, and the various materials constituting the negative electrode active material layer 2B to each other. The binder can be made of the same material as the positive electrode active material layer 1B. The binder content ratio can also be the same as that of the positive electrode active material layer 1B. If the binder is not needed, it does not need to be included.
「固体電解質層」
固体電解質層3は、正極1と負極2との間にある。固体電解質層3は、固体電解質を含む。固体電解質は、外部から印加された電場によってイオンを移動させることができる物質である。例えば、固体電解質層3は、リチウムイオンを伝導し、電子の移動を阻害する。固体電解質層3は、例えば、焼結によって得られる焼結体である。固体電解質層3は、非焼結体でもよい。
"Solid electrolyte layer"
The solid electrolyte layer 3 is located between the positive electrode 1 and the negative electrode 2. The solid electrolyte layer 3 contains a solid electrolyte. The solid electrolyte is a material that can move ions by an externally applied electric field. For example, the solid electrolyte layer 3 conducts lithium ions and inhibits electron movement. The solid electrolyte layer 3 is, for example, a sintered body obtained by sintering. The solid electrolyte layer 3 may also be an unsintered body.
固体電解質は、γ-Li3PO4構造(リシコン型結晶構造)を有する。γ-Li3PO4型の結晶構造を有する固体電解質は、イオン伝導性に優れる。固体電解質は、例えば、Li3+xSixP1-xO4、Li3+xSixV1-xO4、Li3+xGexP1-xO4、Li3+xGexV1-xO4等であり、好ましくはLi3+xSixP1-xO4である。xは、0.4≦x≦0.8を満たす。また固体電解質は、SiとVとGeなどを含む3元系のリチウム酸化物でもよい。 The solid electrolyte has a γ- Li₃PO₄ structure (Lithicon-type crystal structure). Solid electrolytes having a γ- Li₃PO₄ type crystal structure have excellent ionic conductivity. Examples of solid electrolytes include Li₃ + xSi₂xP₁ - xO₄ , Li₃ + xSi₂xV₁ - xO₄ , Li₃+xGe₂xP₁ - xO₄ , Li₃ + xGe₂xV₁ - xO₄ , and preferably Li₃ + xSi₂xP₁ - xO₄ , where x satisfies 0.4 ≤ x ≤ 0.8 . The solid electrolyte may also be a ternary lithium oxide containing Si, V , Ge , etc.
固体電解質層3の厚みは、例えば、200μm以下であり、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは50μm以下であり、さらに好ましくは10μm以下である。また固体電解質層3の厚みは、例えば、1μm以上であることが好ましい。The thickness of the solid electrolyte layer 3 is, for example, 200 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and even more preferably 10 μm or less. Furthermore, the thickness of the solid electrolyte layer 3 is preferably, for example, 1 μm or more.
図2は、第1実施形態にかかる全固体電池の固体電解質層3の近傍を拡大した断面図である。固体電解質層3は、コバルト含有領域を含む。コバルト含有領域は、コバルトを含む領域である。コバルトは、固体電解質層3中において、単体で存在してもよいし、他の物質と化合した状態で存在してもよい。固体電解質層3は、コバルト含有領域のみからなってもよいし、コバルト含有領域とコバルト非含有領域とを有してもよい。Figure 2 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the solid electrolyte layer 3 of the all-solid-state battery according to the first embodiment. The solid electrolyte layer 3 includes a cobalt-containing region. The cobalt-containing region is a region containing cobalt. Cobalt may exist in the solid electrolyte layer 3 as a single element or in a compounded state with other substances. The solid electrolyte layer 3 may consist only of the cobalt-containing region, or it may have both a cobalt-containing region and a cobalt-free region.
コバルト含有領域は、固体電解質層3においてコバルト含有量が0.01atom%以上である領域と定義する。コバルト含有領域に含まれるコバルト含有量は、10atom%以下が好ましい。
以下、原子パーセントをatom%、atm%、at%と示す。
The cobalt-containing region is defined as the region in the solid electrolyte layer 3 where the cobalt content is 0.01 atom% or more. Preferably, the cobalt content in the cobalt-containing region is 10 atom% or less.
Hereafter, atomic percentages will be denoted as atom%, atm%, and at%, respectively.
固体電解質層3全体におけるコバルトの含有量は、例えば、0.01atom%以上1atom%以下であり、0.01atom%以上0.1atom%以下であることが好ましい。固体電解質層3におけるコバルトの含有量は、エネルギー分散型X線分光法(EDS)や電子プローブマイクロアナライザー(EPMA)で測定することができる。固体電解質層3全体におけるコバルトの含有量は、z方向の異なる5か所におけるコバルトの含有量を測定し、その平均値として求められる。測定点は、z方向に等間隔の位置とする。The cobalt content in the entire solid electrolyte layer 3 is, for example, 0.01 atom% to 1 atom%, and preferably 0.01 atom% to 0.1 atom%. The cobalt content in the solid electrolyte layer 3 can be measured by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) or electron probe microanalyzer (EPMA). The cobalt content in the entire solid electrolyte layer 3 is determined by measuring the cobalt content at five different locations in the z direction and taking the average value. The measurement points are positioned at equal intervals in the z direction.
コバルト含有領域は、コバルトリッチ領域31とコバルトプア領域32とに分けられる。コバルトリッチ領域31は、コバルトの含有量が1atm%以上の領域である。コバルトプア領域32は、コバルトの含有量が0atm%超1atm%未満の領域である。コバルト含有領域は、コバルトリッチ領域31を含まず、コバルトプア領域32のみでもよい。The cobalt-containing region is divided into a cobalt-rich region 31 and a cobalt-poor region 32. The cobalt-rich region 31 is the region with a cobalt content of 1 atm% or more. The cobalt-poor region 32 is the region with a cobalt content greater than 0 atm% and less than 1 atm%. The cobalt-containing region may not include the cobalt-rich region 31 and may consist only of the cobalt-poor region 32.
コバルトリッチ領域31は、正極1と負極2との間を連続的に繋ぐようには形成されていない。すなわち、固体電解質層3は、正極1と負極2との間を連通するコバルトリッチ領域31を有さない。固体電解質層3内に、正極1と負極2との間を連通するコバルトリッチ領域31があると、このコバルトリッチ領域31を介したリークがわずかに生じ、全固体電池10の容量が低下する。The cobalt-rich region 31 is not formed to continuously connect the positive electrode 1 and the negative electrode 2. That is, the solid electrolyte layer 3 does not have a cobalt-rich region 31 connecting the positive electrode 1 and the negative electrode 2. If there were a cobalt-rich region 31 connecting the positive electrode 1 and the negative electrode 2 within the solid electrolyte layer 3, a slight leak would occur through this cobalt-rich region 31, reducing the capacity of the all-solid-state battery 10.
コバルトプア領域32は、コバルトリッチ領域31と異なり、固体電解質層3内にどのように存在していてもよい。例えば、固体電解質層3の全体にわたってコバルトプア領域32が存在していてもよいし、正極1と負極2との間を連続的に繋ぐようにコバルトプア領域32が存在していてもよいし、固体電解質層3内にコバルトプア領域32が点在していてもよい。Unlike the cobalt-rich regions 31, the cobalt-poor regions 32 may be located in any way within the solid electrolyte layer 3. For example, the cobalt-poor regions 32 may be present throughout the entire solid electrolyte layer 3, or they may be located to continuously connect the positive electrode 1 and the negative electrode 2, or the cobalt-poor regions 32 may be scattered throughout the solid electrolyte layer 3.
固体電解質層3におけるコバルト含有領域の占める割合は、例えば、20%以上100%以下であり、好ましくは30%以上90%以下である。固体電解質層3がコバルト含有領域を含むと、固体電解質層3のイオン電導性が向上する。The proportion of the cobalt-containing region in the solid electrolyte layer 3 is, for example, 20% to 100%, preferably 30% to 90%. Including a cobalt-containing region in the solid electrolyte layer 3 improves the ionic conductivity of the solid electrolyte layer 3.
コバルト含有領域の少なくとも一部は、正極1と接する部分にあることが好ましい。正極1がコバルトを含む場合、正極と接する部分にコバルト含有領域があると、全固体電池10の内部抵抗を小さくできる。Preferably, at least a portion of the cobalt-containing region is located in the area in contact with the positive electrode 1. If the positive electrode 1 contains cobalt, having a cobalt-containing region in the area in contact with the positive electrode can reduce the internal resistance of the all-solid-state battery 10.
固体電解質層3におけるコバルトリッチ領域31の占める割合は、例えば、0%以上50%以下であり、好ましくは10%以上50%以下である。固体電解質層3におけるコバルトプア領域32の占める割合は、例えば、5%以上100%以下であり、好ましくは10%以上50%以下である。固体電解質層3におけるコバルトリッチ領域31が占める割合は、固体電解質層3におけるコバルトプア領域32が占める割合より高くてもよいし、低くてもよい。The proportion of cobalt-rich regions 31 in the solid electrolyte layer 3 is, for example, 0% to 50%, preferably 10% to 50%. The proportion of cobalt-poor regions 32 in the solid electrolyte layer 3 is, for example, 5% to 100%, preferably 10% to 50%. The proportion of cobalt-rich regions 31 in the solid electrolyte layer 3 may be higher or lower than the proportion of cobalt-poor regions 32 in the solid electrolyte layer 3.
固体電解質層3は、z方向に、コバルト濃度の分布を有していてもよい。例えば、固体電解質層3の第1領域A1は、第2領域A2よりコバルト濃度が濃くてもよい。またその反対に、固体電解質層3の第2領域A2は、第1領域A1よりコバルト濃度が濃くてもよい。第1領域A1は、z方向において、第2領域A2より正極1の近くにある領域である。第1領域A1及び第2領域A2はそれぞれ、xy面内に広がる領域である。第1領域A1におけるコバルト濃度は、xy面内方向において、均一であることが好ましい。第2領域A2におけるコバルト濃度は、xy面内方向において、均一であることが好ましい。ここで、xy面内において均一とは、xy面内の異なる5か所におけるコバルト含有量をそれぞれ測定した際に、それぞれの測定点でのコバルト含有量が、それぞれの測定点でのコバルト含有量の平均値に対して、90%以上110%以下の範囲にある場合を指す。固体電解質層3のz方向にコバルト濃度の分布があると、コバルト濃度の分布に沿った電位差が生じ、固体電解質層3内のイオン電導性が向上する。The solid electrolyte layer 3 may have a distribution of cobalt concentration in the z direction. For example, the cobalt concentration in the first region A1 of the solid electrolyte layer 3 may be higher than that in the second region A2. Conversely, the cobalt concentration in the second region A2 of the solid electrolyte layer 3 may be higher than that in the first region A1. The first region A1 is a region that is closer to the positive electrode 1 than the second region A2 in the z direction. The first region A1 and the second region A2 are regions that extend within the xy plane. It is preferable that the cobalt concentration in the first region A1 is uniform in the xy plane direction. It is also preferable that the cobalt concentration in the second region A2 is uniform in the xy plane direction. Here, uniformity within the xy plane means that when the cobalt content is measured at five different locations within the xy plane, the cobalt content at each measurement point is in the range of 90% to 110% of the average value of the cobalt content at each measurement point. If there is a cobalt concentration distribution in the z direction of the solid electrolyte layer 3, a potential difference is generated along the cobalt concentration distribution, improving the ionic conductivity within the solid electrolyte layer 3.
例えば、固体電解質層3において、等間隔に配置されたz方向の異なる5か所におけるコバルトの含有量を測定した際に、それぞれの測定点におけるコバルト濃度は、正極1に近い位置ほど濃くてもよいし、その反対で正極1に近い位置ほど低くてもよい。また固体電解質層3におけるコバルト濃度は、図3に示すように、z方向において、正極1に近づくほどグラデーションで薄くなっていてもよいし、図4に示すように、z方向において、正極1に近づくほどグラデーションで濃くなってもよい。For example, when measuring the cobalt content at five different locations in the z-direction that are spaced at equal intervals in the solid electrolyte layer 3, the cobalt concentration at each measurement point may be higher closer to the positive electrode 1, or conversely, lower closer to the positive electrode 1. Furthermore, the cobalt concentration in the solid electrolyte layer 3 may decrease in a gradient in the z-direction as it approaches the positive electrode 1, as shown in Figure 3, or it may increase in a gradient in the z-direction as it approaches the positive electrode 1, as shown in Figure 4.
「全固体電池の製造方法」
次に、全固体電池10の製造方法について説明する。先ず、積層体4を作製する。積層体4は、例えば、同時焼成法又は逐次焼成法により作製される。
"Manufacturing method for all-solid-state batteries"
Next, a method for manufacturing the all-solid-state battery 10 will be described. First, a laminate 4 is manufactured. The laminate 4 is manufactured, for example, by a co-firing method or a sequential firing method.
同時焼成法は、各層を形成する材料を積層し、次いで一括焼成により積層体4を作製する方法である。逐次焼成法は、各層を形成する毎に焼成を行う方法である。同時焼成法は、逐次焼成法より少ない作業工程で積層体4を作製できる。また同時焼成法で作製した積層体4は、逐次焼成法を用いて作製した積層体4より緻密となる。以下、同時焼成法を用いる場合を例に説明する。The simultaneous firing method involves stacking the materials that form each layer and then firing them all at once to create the laminate 4. The sequential firing method involves firing each layer as it is formed. The simultaneous firing method allows for the creation of the laminate 4 with fewer steps than the sequential firing method. Furthermore, the laminate 4 produced by the simultaneous firing method is denser than the laminate 4 produced using the sequential firing method. The following explanation will use the simultaneous firing method as an example.
先ず、積層体4を構成する正極集電体層1A、正極活物質層1B、固体電解質層3、負極活物質層2B、及び負極集電体層2Aの各材料をペースト化する。First, the materials constituting the laminate 4—the positive electrode current collector layer 1A, the positive electrode active material layer 1B, the solid electrolyte layer 3, the negative electrode active material layer 2B, and the negative electrode current collector layer 2A—are made into a paste.
各材料をペースト化する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、ビヒクルに各材料の粉末を混合してペーストを得る方法が用いられる。ここで、ビヒクルとは、液相における媒質の総称である。ビヒクルには、溶媒やバインダーが含まれる。The method for forming the paste from each material is not particularly limited; for example, a method of mixing the powders of each material with a vehicle to obtain a paste can be used. Here, "vehicle" is a general term for the medium in the liquid phase. The vehicle includes solvents and binders.
次に、グリーンシートを作製する。グリーンシートは、それぞれの材料毎に作製されたペーストをPET(ポリエチレンテレフタラート)フィルムなどの基材上に塗布し、必要に応じて乾燥させ、次いで基材を剥離して得られるものである。ペーストの塗布方法は、特に限定されるものではなく、例えば、スクリーン印刷や塗布、転写、ドクターブレードなどの公知の方法を用いることができる。Next, a green sheet is prepared. The green sheet is obtained by applying a paste prepared for each material onto a substrate such as a PET (polyethylene terephthalate) film, drying it as needed, and then peeling off the substrate. The method of applying the paste is not particularly limited; for example, known methods such as screen printing, coating, transfer, and doctor blade application can be used.
次に、それぞれの材料毎に作製されたグリーンシートを、所望の順序及び積層数で積み重ねて積層シートを作製する。例えば、固体電解質層3は、固体電解質層用ペーストを用いた固体電解質シートを複数積層して得られる。複数の固体電解質シートのうち少なくとも一つには、コバルトを添加する。複数の固体電解質シートは、例えば、コバルトが1atm%以上含有されたコバルトリッチシートを有していてもよいし、コバルトが1atm%未満含有されたコバルトプアシートを有していてもよいし、コバルトが添加されていないコバルト非含有シートを有してもよい。コバルトリッチシート、コバルトプアシート、コバルト非含有シートの積層順番、積層数を変更することで、固体電解質層3内におけるコバルトの分布を自由に設計できる。Next, the green sheets prepared for each material are stacked in a desired order and number of layers to create a laminated sheet. For example, the solid electrolyte layer 3 is obtained by stacking multiple solid electrolyte sheets using a paste for solid electrolyte layers. Cobalt is added to at least one of the multiple solid electrolyte sheets. The multiple solid electrolyte sheets may include, for example, a cobalt-rich sheet containing 1 atm% or more of cobalt, a cobalt-poor sheet containing less than 1 atm%, or a cobalt-free sheet with no added cobalt. By changing the stacking order and number of layers of the cobalt-rich sheet, cobalt-poor sheet, and cobalt-free sheet, the distribution of cobalt within the solid electrolyte layer 3 can be freely designed.
ただし、複数の固体電解質シートの全てをコバルトリッチシートとすると、固体電解質層3内において、正極1と負極2とを繋ぐコバルトリッチ領域31が形成される。そのため、複数の固体電解質シートの全てをコバルトリッチシートにはしない。However, if all of the multiple solid electrolyte sheets are made of cobalt-rich sheets, a cobalt-rich region 31 connecting the positive electrode 1 and the negative electrode 2 will be formed within the solid electrolyte layer 3. Therefore, not all of the multiple solid electrolyte sheets are made of cobalt-rich sheets.
またグリーンシートを積層する際は、必要に応じてアライメントや切断などを行う。例えば、並列型又は直並列型の電池を作製する場合には、正極集電体層1Aの端面と負極集電体層2Aの端面とが一致しないようにアライメントを行い、それぞれのグリーンシートを積み重ねる。Furthermore, when stacking the green sheets, alignment and cutting are performed as needed. For example, when manufacturing parallel or series-parallel batteries, the green sheets are aligned so that the end face of the positive electrode current collector layer 1A and the end face of the negative electrode current collector layer 2A do not coincide, and then stacked.
積層シートは、正極ユニット及び負極ユニットを作製し、これらのユニットを積層する方法を用いて作製してもよい。正極ユニットは、固体電解質層3、正極活物質層1B、正極集電体層1A、及び正極活物質層1Bが、この順で積層された積層シートである。負極ユニットは、固体電解質層3、負極活物質層2B、負極集電体層2A、及び負極活物質層2Bが、この順で積層された積層シートである。正極ユニットの固体電解質層3と、負極ユニットの負極活物質層2Bとが向かい合うように、又は、正極ユニットの正極活物質層1Bと、負極ユニットの固体電解質層3とが向かい合うように積層する。The laminated sheet may be manufactured by creating a positive electrode unit and a negative electrode unit and then laminating these units. The positive electrode unit is a laminated sheet in which a solid electrolyte layer 3, a positive electrode active material layer 1B, a positive electrode current collector layer 1A, and a positive electrode active material layer 1B are laminated in this order. The negative electrode unit is a laminated sheet in which a solid electrolyte layer 3, a negative electrode active material layer 2B, a negative electrode current collector layer 2A, and a negative electrode active material layer 2B are laminated in this order. The solid electrolyte layer 3 of the positive electrode unit and the negative electrode active material layer 2B of the negative electrode unit are laminated facing each other, or the positive electrode active material layer 1B of the positive electrode unit and the solid electrolyte layer 3 of the negative electrode unit are laminated facing each other.
次に、作製した積層シートを一括して加圧し、各層の密着性を高める。加圧は、例えば、金型プレス、温水等方圧プレス(WIP)、冷水等方圧プレス(CIP)、静水圧プレス等で行うことができる。加圧は、加熱しながら行うことが好ましい。圧着時の加熱温度は、例えば40℃以上95℃以下とする。次いで、ダイシング装置を用いて加圧後の積層体を切断し、チップ化する。そして、積層体4を焼結体とする場合は、チップに対して脱バインダー処理及び焼成を行う。Next, the fabricated laminated sheets are pressed together to improve the adhesion of each layer. Pressurization can be performed using, for example, a die press, a hot water isostatic press (WIP), a cold water isostatic press (CIP), or a hydrostatic press. It is preferable to perform the pressurization while heating. The heating temperature during pressing should be, for example, 40°C to 95°C. Then, the pressed laminate is cut into chips using a dicing device. If the laminate 4 is to be a sintered body, the chips are subjected to a debinder treatment and firing.
脱バインダー処理は、焼成工程とは別の行程として行うことができる。脱バインダー工程を行うと、焼成工程の前にチップ内に含まれるバインダー成分が加熱分解され、焼成工程においてバインダー成分が急激に分解することを抑制できる。脱バインダー工程では、例えば、大気雰囲気下で、300℃以上800℃以下の温度で、0.1時間以上10時間以下の時間加熱する。脱バインダー工程の雰囲気は、正極、負極及び固体電解質を構成している材料が酸化還元しない、又は、酸化還元し難い酸素分圧環境下であり、正極、負極及び固体電解質を構成している材料と雰囲気ガスとが反応しないように、ガス種を任意に選択できる。例えば、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、窒素水素混合雰囲気、水蒸気雰囲気ならびにそれらを混合した雰囲気で行ってもよい。The debinding process can be carried out as a separate step from the firing process. Performing the debinding process allows for the thermal decomposition of binder components within the chip before the firing process, thereby suppressing the rapid decomposition of binder components during the firing process. In the debinding process, for example, heating is performed in an atmospheric environment at a temperature of 300°C to 800°C for a period of 0.1 hours to 10 hours. The atmosphere in the debinding process is an oxygen partial pressure environment where the materials constituting the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte do not undergo oxidation-reduction, or are difficult to oxidize. The type of gas can be arbitrarily selected to prevent reaction between the materials constituting the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte and the atmospheric gas. For example, it may be carried out in a nitrogen atmosphere, argon atmosphere, nitrogen-hydrogen mixed atmosphere, water vapor atmosphere, or a mixture thereof.
焼成工程は、例えば、セラミック台に、チップを載置し行う。焼成は、例えば、窒素雰囲気下で600℃以上1000℃以下に加熱することにより行う。焼成時間は、例えば、0.1時間以上3時間以下とする。焼結工程の雰囲気は、正極、負極及び固体電解質を構成している材料が酸化還元しない、又は、酸化還元し難い酸素分圧環境下であり、正極、負極及び固体電解質を構成している材料と雰囲気ガスが反応しないように、ガス種を任意に選択できる。例えば、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、窒素水素混合雰囲気、水蒸気雰囲気ならびにそれらを混合した雰囲気で行ってもよい。The firing process is carried out, for example, by placing the chip on a ceramic base. Firing is performed, for example, by heating to a temperature of 600°C to 1000°C under a nitrogen atmosphere. The firing time is, for example, 0.1 hours to 3 hours. The atmosphere during the sintering process is an oxygen partial pressure environment where the materials constituting the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte do not undergo oxidation-reduction, or are difficult to oxidize. The type of gas can be arbitrarily selected so that the materials constituting the positive electrode, negative electrode, and solid electrolyte do not react with the atmospheric gas. For example, it may be carried out in a nitrogen atmosphere, argon atmosphere, nitrogen-hydrogen mixed atmosphere, water vapor atmosphere, or a mixture thereof.
また積層体4をアルミナなどの研磨材とともに円筒型の容器に入れ、バレル研磨してもよい。これにより積層体の角の面取りをすることができる。研磨は、サンドブラストを用いて行ってもよい。サンドブラストは、特定の部分のみを削ることができるため好ましい。Alternatively, the laminate 4 may be placed in a cylindrical container with an abrasive such as alumina and barrel polished. This allows for chamfering of the corners of the laminate. Polishing may also be performed using sandblasting. Sandblasting is preferred because it allows for the removal of only specific parts.
作製された積層体4の互いに対向する側面に、端子電極5、6を形成する。端子電極5、6はそれぞれ、スパッタリング法、ディッピング法、スクリーン印刷法、スプレーコート法などの手段を用いて形成することができる。以上のような工程を経ることによって、全固体電池10を作製できる。端子電極5、6を所定の部分にのみ形成する場合は、テープ等でマスキングして、上記処理を行う。Terminal electrodes 5 and 6 are formed on the opposing sides of the fabricated laminate 4. The terminal electrodes 5 and 6 can be formed using methods such as sputtering, dipping, screen printing, and spray coating. By following these steps, an all-solid-state battery 10 can be manufactured. If the terminal electrodes 5 and 6 are to be formed only in specific areas, the area is masked with tape or the like before the above process is performed.
本実施形態に係る全固体電池10は、容量が大きい。これは、固体電解質層3がコバルトを含みつつ、正極1と負極2とを連続的に繋ぐコバルトリッチ領域31を含まないためと考えられる。固体電解質層3がコバルトを含むと、全固体電池10の内部抵抗が下がり、容量が大きくなる。また固体電解質が正極1と負極2とを連続的に繋ぐコバルトリッチ領域31を有さないことで、コバルトリッチ領域31を介したわずかなリークによるクーロン効率の低下を抑制できる。The all-solid-state battery 10 according to this embodiment has a large capacity. This is thought to be because the solid electrolyte layer 3 contains cobalt but does not contain a cobalt-rich region 31 that continuously connects the positive electrode 1 and the negative electrode 2. When the solid electrolyte layer 3 contains cobalt, the internal resistance of the all-solid-state battery 10 decreases, and the capacity increases. Furthermore, by not having a cobalt-rich region 31 that continuously connects the positive electrode 1 and the negative electrode 2 in the solid electrolyte, the decrease in Coulomb efficiency due to slight leakage through the cobalt-rich region 31 can be suppressed.
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の技術要件から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。Although embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the drawings, the configurations and combinations thereof in each embodiment are merely examples, and additions, omissions, substitutions, and other modifications to the configurations are possible without departing from the technical requirements of the present invention.
「実施例1」
正極活物質層用ペーストと、固体電解質層用ペーストと、負極活物質層用ペーストとを作製した。
"Example 1"
Pastes for the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode active material layer were prepared.
正極活物質層用ペーストは、LiCoO2に、エチルセルロースとジヒドロターピネオールとを加えて、作製した。エチルセルロースはバインダーであり、ジヒドロターピネオールは溶媒である。 The paste for the positive electrode active material layer was prepared by adding ethylcellulose and dihydroterpineol to LiCoO2 . Ethylcellulose acts as a binder, and dihydroterpineol acts as a solvent.
固体電解質層用ペーストとして、コバルトを非含有のペーストと、コバルトを1atm%未満含有するペーストと、コバルトを1atm%以上含有するペーストとの3種類を準備した。Three types of pastes were prepared for the solid electrolyte layer: a cobalt-free paste, a paste containing less than 1 atm% cobalt, and a paste containing 1 atm% or more cobalt.
まずLi2CO3とSiO2とLi3PO4を出発材料として、これらをモル比2:1:1で混合した。混合は、水を分散媒としてボールミルを用いて16時間湿式混合した。混合したものを950℃で2時間仮焼きし、Li3.5Si0.5P0.5O4を作製した。そして、この仮焼粉末100質量部、エタノール100質量部、トルエン200質量部をボールミルに加えて湿式混合した。そして、ポリビニルプチラール系バインダー16部とフタル酸ベンジルブチル4.8質量部をさらに投入して混合し、コバルトを非含有の固体電解質層用ペーストを作製した。 First, Li₂CO₃ , SiO₂ , and Li₃PO₄ were used as starting materials and mixed in a molar ratio of 2:1:1. The mixing was performed wet for 16 hours using a ball mill with water as the dispersion medium. The mixture was calcined at 950°C for 2 hours to produce Li₃.5Si₀.5P₀.5O₄ . Then, 100 parts by mass of this calcined powder, 100 parts by mass of ethanol, and 200 parts by mass of toluene were added to the ball mill and wet mixed. Finally, 16 parts by mass of polyvinyl butyral binder and 4.8 parts by mass of benzyl butyl phthalate were added and mixed to produce a cobalt-free paste for a solid electrolyte layer.
次いで、コバルトを非含有の固体電解質層用ペーストの一部をとりわけ、コバルトを添加して、コバルトを1atm%未満の量で含有するペーストと、コバルトを1atm%以上の量で含有するペーストとを作製した。Next, cobalt was added to a portion of the cobalt-free solid electrolyte layer paste to prepare two pastes: one containing less than 1 atm% cobalt and another containing 1 atm% or more cobalt.
負極活物質層用ペーストは、AgPd粉末に、エチルセルロースとジヒドロターピネオールとを加えて、作製した。The paste for the negative electrode active material layer was prepared by adding ethylcellulose and dihydroterpineol to AgPd powder.
次いで、上記の3種類の固体電解質層用ペーストを用いてPETフィルム上に固体電解質層シートを作製した。固体電解質層シートは、3種類の固体電解質層用ペーストのそれぞれをシート化したものを積層して作製した。これらの積層順、存在比を変更することで、固体電解質シート内におけるコバルト含有領域の状態を制御した。Next, solid electrolyte layer sheets were fabricated on a PET film using the three types of solid electrolyte layer pastes described above. The solid electrolyte layer sheets were created by laminating sheets of each of the three types of solid electrolyte layer pastes. The state of the cobalt-containing regions within the solid electrolyte sheet was controlled by changing the lamination order and their relative proportions.
次いで、正極ユニット及び負極ユニットを以下の手順で作製した。まず、上記の固体電解質層シート上に、スクリーン印刷を用いて、正極活物質層用ペーストを厚さ5μmで印刷した。次に、印刷した正極活物質層用ペーストを80℃で5分間乾燥した。そして乾燥後の正極活物質層用ペースト上に、正極集電体ペーストを印刷、乾燥させ正極集電体層を形成した。そして、正極集電体層上に、スクリーン印刷を用いて、正極活物質用ペーストを厚さ5μmで再度印刷し、乾燥した。その後、PETフィルムを剥離した。このようにして、固体電解質層の主面に、正極活物質層/正極集電体層/正極活物質層がこの順で積層された正極ユニットを得た。Next, the positive electrode unit and negative electrode unit were manufactured using the following procedure. First, a paste for the positive electrode active material layer was printed onto the solid electrolyte layer sheet using screen printing to a thickness of 5 μm. Next, the printed paste for the positive electrode active material layer was dried at 80°C for 5 minutes. Then, a positive electrode current collector paste was printed onto the dried paste for the positive electrode active material layer and dried to form a positive electrode current collector layer. Then, the paste for the positive electrode active material was printed again onto the positive electrode current collector layer using screen printing to a thickness of 5 μm and dried. After that, the PET film was peeled off. In this way, a positive electrode unit was obtained in which the positive electrode active material layer/positive electrode current collector layer/positive electrode active material layer were laminated in this order on the main surface of the solid electrolyte layer.
正極活物質層用ペーストを負極活物質層用ペーストに変えて、同様の手順で、固体電解質層の主面に、負極活物質層/負極集電体層/負極活物質層がこの順で積層された負極ユニットを得た。負極活物質用ペーストを厚さは、15μmとした。By replacing the paste for the positive electrode active material layer with the paste for the negative electrode active material layer and following the same procedure, a negative electrode unit was obtained in which the negative electrode active material layer/negative electrode current collector layer/negative electrode active material layer were laminated in this order on the main surface of the solid electrolyte layer. The thickness of the negative electrode active material paste was 15 μm.
また固体電解質層シートを5枚重ねた固体電解質ユニットを作製した。電極ユニット50枚(正極ユニット25枚、負極ユニット25枚)を、固体電解質ユニットを挟むように、交互に積み重ねて、積層体を作製した。このとき、奇数枚目の電極ユニットの集電体層が一方の端面にのみ延出し、偶数枚目の電極ユニットの集電体層が反対側の端面にのみ延出するように、各ユニットをずらして積み重ねた。この積み重ねられたユニットの上に、固体電解質層シートを6枚積み重ねた。その後、これを熱圧着により成形し、次いで切断して積層チップを作製した。その後、積層チップを同時焼成して積層体を得た。同時焼成は、窒素雰囲気中で昇温速度200℃/時間で焼成温度800℃まで昇温して、その温度に2時間保持し、焼成後は自然冷却した。Furthermore, a solid electrolyte unit was fabricated by stacking five solid electrolyte layer sheets. Fifty electrode units (25 positive electrode units and 25 negative electrode units) were stacked alternately, sandwiching the solid electrolyte unit, to create a laminate. At this time, the units were stacked with a staggered arrangement such that the current collector layer of the odd-numbered electrode units extended only to one end face, and the current collector layer of the even-numbered electrode units extended only to the opposite end face. Six solid electrolyte layer sheets were then stacked on top of this stacked unit. Subsequently, this was formed by thermocompression bonding, and then cut to produce laminated chips. After that, the laminated chips were co-fired to obtain a laminate. Co-fired firing was performed in a nitrogen atmosphere, raising the temperature to 800°C at a heating rate of 200°C/hour, holding it at that temperature for 2 hours, and then allowing it to cool naturally.
公知の方法により、焼結した積層体(焼結体)に端子電極5,6をつけて、全固体電池を作製した。A solid-state battery was fabricated by attaching terminal electrodes 5 and 6 to a sintered laminate (sintered body) using a known method.
そして作製した全固体電池の断面をEDS法により測定し、固体電解質層におけるコバルトの分布を測定した。実施例1の固体電解質層においてコバルトリッチ領域の占める割合は30%であり、コバルトプア領域の占める割合は40%であり、コバルト非含有領域の占める割合は30%であった。また固体電解質層内において、正極と負極との間を連続的に繋ぐコバルトリッチ領域は、確認されなかった。また正極と接するコバルトリッチ領域も確認されなかった。また固体電解質層内において、z方向に等間隔に配置された5つの測定点において、コバルト濃度の連続的な変化は確認されなかった。またz方向に異なる位置にある第1領域A1及び第2領域A2について、x方向に等間隔に配置された5つの測定点のコバルト濃度を測定し、xy方向のコバルト濃度の均一性を確認し、それぞれの領域のコバルト濃度の平均値を求めた。The cross-section of the fabricated all-solid-state battery was measured using the EDS method to determine the distribution of cobalt in the solid electrolyte layer. In the solid electrolyte layer of Example 1, the proportion of cobalt-rich regions was 30%, the proportion of cobalt-poor regions was 40%, and the proportion of cobalt-free regions was 30%. Furthermore, no cobalt-rich regions were observed continuously connecting the positive and negative electrodes within the solid electrolyte layer. Nor were any cobalt-rich regions in contact with the positive electrode. In addition, no continuous change in cobalt concentration was observed at five measurement points equally spaced in the z direction within the solid electrolyte layer. Furthermore, for the first region A1 and the second region A2, which are located at different positions in the z direction, the cobalt concentration at five measurement points equally spaced in the x direction was measured to confirm the uniformity of cobalt concentration in the x and y directions, and the average value of the cobalt concentration in each region was calculated.
また同様のサンプルを100個作製し、全固体電池の放電容量を求めた。放電容量は、これらのサンプルの平均として求めた。放電容量は、充放電装置BCS805(商品名:Biologic社製)を用いて測定した。放電容量に関しては、25℃の環境下において、0.2Cレートの定電流で4.0Vの電池電圧になるまで定電流充電(CC充電)を行い、その後、1分間休止し、次いで0.2Cレートの定電流で0Vの電池電圧になるまで放電(CC放電)した際の容量を測定した。Furthermore, 100 similar samples were prepared, and the discharge capacity of the all-solid-state batteries was determined. The discharge capacity was calculated as the average of these samples. The discharge capacity was measured using a charge/discharge device BCS805 (product name: Biologic Corporation). For the discharge capacity, constant current charging (CC charging) was performed at a constant current of 0.2C rate until the battery voltage reached 4.0V in an environment of 25°C, then paused for 1 minute, and then discharged at a constant current of 0.2C rate until the battery voltage reached 0V (CC discharge). The capacity was measured during this process.
「実施例2」
実施例2は、固体電解質の種類を変更した点が、実施例1と異なる。実施例2では、固体電解質を作製する際に、SiO2の代わりにGeO2を用い、固体電解質としてLi3.5Ge0.5P0.5O4を作製した。その他の条件は、実施例1と同様とし、断面のEDSおよび放電容量を測定した。
"Example 2"
Example 2 differs from Example 1 in that the type of solid electrolyte was changed. In Example 2, when preparing the solid electrolyte, GeO2 was used instead of SiO2 , and Li3.5Ge0.5P0.5O4 was prepared as the solid electrolyte . Other conditions were the same as in Example 1, and the EDS and discharge capacity of the cross-section were measured.
「実施例3~11」
実施例3~11は、固体電解質層内におけるコバルトリッチ領域と、コバルトプア領域と、コバルト非含有領域の存在比率が実施例1と異なる。これらの存在比率は、固体電解質層を作製する際のシートに含まれるコバルト濃度、シートの積層順番を変更することで調整した。その他の条件は、実施例1と同様として、断面のEDSおよび放電容量を測定した。なお、実施例4と実施例9と実施例10は、正極と接する位置にコバルトリッチ領域が確認された。また実施例10は、z方向に等間隔に配置された5つの測定点において、コバルト濃度の連続的な変化が確認された。また実施例11は、xy面内において、第1領域A1及び第2領域A2にコバルト濃度の均一性が確認された。
Examples 3-11
Examples 3 to 11 differ from Example 1 in the relative proportions of cobalt-rich regions, cobalt-poor regions, and cobalt-free regions within the solid electrolyte layer. These relative proportions were adjusted by changing the cobalt concentration in the sheet used to fabricate the solid electrolyte layer and by changing the stacking order of the sheets. Other conditions were the same as in Example 1, and the EDS and discharge capacity of the cross-section were measured. In Examples 4, 9, and 10, a cobalt-rich region was confirmed at the position in contact with the positive electrode. In Example 10, a continuous change in cobalt concentration was confirmed at five measurement points arranged at equal intervals in the z direction. In Example 11, uniformity of cobalt concentration was confirmed in the first region A1 and the second region A2 in the xy plane.
「比較例1」
比較例1は、固体電解質層内におけるコバルトリッチ領域と、コバルトプア領域と、コバルト非含有領域の存在比率が実施例1と異なる。比較例1は、コバルトを非含有の固体電解質層用ペーストのみを用いて固体電解質層を作製した。比較例1の固体電解質層は、コバルト含有領域を有さない。比較例1においても、実施例1と同様にして、断面のEDSおよび放電容量を測定した。
"Comparative Example 1"
Comparative Example 1 differs from Example 1 in the ratio of cobalt-rich regions, cobalt-poor regions, and cobalt-free regions within the solid electrolyte layer. In Comparative Example 1, the solid electrolyte layer was prepared using only a cobalt-free paste for solid electrolyte layers. The solid electrolyte layer of Comparative Example 1 does not have cobalt-containing regions. In Comparative Example 1, as in Example 1, the EDS and discharge capacity of the cross-section were measured.
「比較例2、3」
比較例2、3は、固体電解質層内におけるコバルトリッチ領域と、コバルトプア領域と、コバルト非含有領域の存在比率が実施例1と異なる。比較例2、3では、正極1と負極2とを連続的に繋ぐコバルトリッチ領域が確認された。比較例2、3においても、実施例1と同様にして、断面のEDSおよび放電容量を測定した。
Comparative Examples 2 and 3
Comparative Examples 2 and 3 differ from Example 1 in the ratio of cobalt-rich regions, cobalt-poor regions, and cobalt-free regions within the solid electrolyte layer. In Comparative Examples 2 and 3, a cobalt-rich region continuously connecting the positive electrode 1 and the negative electrode 2 was confirmed. In Comparative Examples 2 and 3, the EDS and discharge capacity of the cross-section were measured in the same manner as in Example 1.
「比較例4、実施例12,13」
比較例4、実施例12,13は、正極材料をLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2に変更した点が実施例1と異なる。また固体電解質層内におけるコバルトリッチ領域と、コバルトプア領域と、コバルト非含有領域の存在比率も実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様とし、断面のEDSおよび放電容量を測定した。
Comparative Example 4, Examples 12 and 13
Comparative Examples 4 and Examples 12 and 13 differ from Example 1 in that the positive electrode material was changed to LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2. The relative abundance of cobalt-rich regions, cobalt-poor regions, and cobalt-free regions within the solid electrolyte layer also differs from Example 1. Other conditions were the same as in Example 1, and the EDS and discharge capacity of the cross-section were measured.
「比較例5、実施例14,15」
比較例5、実施例14,15は、正極材料をLi2MnO3に変更した点が実施例1と異なる。また固体電解質層内におけるコバルトリッチ領域と、コバルトプア領域と、コバルト非含有領域の存在比率も実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様とし、断面のEDSおよび放電容量を測定した。
"Comparative Example 5, Examples 14, 15"
Comparative Examples 5 and Examples 14 and 15 differ from Example 1 in that the positive electrode material is changed to Li₂MnO₃ . Furthermore, the relative proportions of cobalt-rich regions, cobalt-poor regions, and cobalt-free regions within the solid electrolyte layer also differ from those of Example 1. Other conditions were the same as in Example 1, and the EDS and discharge capacity of the cross-section were measured.
「実施例16,17」
実施例16は、負極材料を変更した点が実施例1と異なる。実施例17は、負極活物質層用ペーストの厚みを1μmにした点が実施例1と異なる。また実施例16,17は、固体電解質層内におけるコバルトリッチ領域と、コバルトプア領域と、コバルト非含有領域の存在比率も実施例1と異なる。その他の条件は、実施例1と同様とし、断面のEDSおよび放電容量を測定した。実施例16は、負極を黒鉛とした。実施例17は、負極活物質層用ペーストの厚みを小さくすることで、充放電時に銀の許容量外の部分が、金属リチウムとして析出して負極として機能するものである。表1における負極厚みは、充放電前、全固体電池を作製した時点での負極の厚みである。
Examples 16 and 17
Example 16 differs from Example 1 in that the negative electrode material was changed. Example 17 differs from Example 1 in that the thickness of the paste for the negative electrode active material layer was set to 1 μm. Furthermore, Examples 16 and 17 differ from Example 1 in the relative proportions of cobalt-rich regions, cobalt-poor regions, and cobalt-free regions within the solid electrolyte layer. Other conditions were the same as in Example 1, and the EDS and discharge capacity of the cross-section were measured. In Example 16, graphite was used as the negative electrode. In Example 17, by reducing the thickness of the paste for the negative electrode active material layer, the portion of silver exceeding the allowable limit during charging and discharging is deposited as metallic lithium and functions as the negative electrode. The negative electrode thickness in Table 1 is the thickness of the negative electrode at the time the all-solid-state battery was manufactured, before charging and discharging.
実施例1~17及び比較例1~5の結果を以下の表1~3にまとめた。The results of Examples 1 to 17 and Comparative Examples 1 to 5 are summarized in Tables 1 to 3 below.
実施例1~14は、比較例1~5より放電容量が大きかった。比較例1、比較例4、比較例5は、固体電解質層がコバルトを含まないため、全固体電池の内部抵抗が大きくなり、全固体電池の放電容量が十分得られなかったと考えられる。比較例2,3は、正極1と負極2とを連続的に繋ぐコバルトリッチ領域がリークの原因となり、全固体電池の放電容量が十分得られなかったと考えられる。Examples 1 to 14 had a larger discharge capacity than Comparative Examples 1 to 5. In Comparative Examples 1, 4, and 5, the internal resistance of the all-solid-state battery was high because the solid electrolyte layer did not contain cobalt, and it is thought that the discharge capacity of the all-solid-state battery was not obtained sufficiently. In Comparative Examples 2 and 3, it is thought that the cobalt-rich region continuously connecting the positive electrode 1 and the negative electrode 2 caused leakage, and it is thought that the discharge capacity of the all-solid-state battery was not obtained sufficiently.
本実施形態の全固体電池は、電子機器の電源として好適に適用される。The all-solid-state battery of this embodiment is suitably applied as a power source for electronic devices.
1…正極、1A…正極集電体層、1B…正極活物質層、2…負極、2A…負極集電体層、2B…負極活物質層、3…固体電解質層、4…積層体、5,6…端子電極、10…全固体電池、31…コバルトリッチ領域、32…コバルトプア領域、A1…第1領域、A2…第2領域。1...Positive electrode, 1A...Positive electrode current collector layer, 1B...Positive electrode active material layer, 2...Negative electrode, 2A...Negative electrode current collector layer, 2B...Negative electrode active material layer, 3...Solid electrolyte layer, 4...Laminate, 5,6...Terminal electrodes, 10...All-solid-state battery, 31...Cobalt-rich region, 32...Cobalt-poor region, A1...First region, A2...Second region.
Claims (9)
前記固体電解質層は、γ-Li3PO4構造を有する固体電解質を含み、
前記固体電解質層は、コバルトを含むコバルト含有領域を有し、
前記コバルト含有領域は、前記正極と前記負極との間を連続的に繋ぐコバルトリッチ領域を有さず、
前記コバルト含有領域は、コバルト含有量が0.01atom%以上10atom%以下であり、
前記コバルトリッチ領域は、前記コバルトの含有量が1atm%以上であり、
前記固体電解質層における前記コバルト含有領域の占める割合は、20%以上100%以下である、全固体電池。 It comprises a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode,
The solid electrolyte layer comprises a solid electrolyte having a γ- Li3PO4 structure.
The solid electrolyte layer has a cobalt-containing region containing cobalt,
The cobalt-containing region does not have a cobalt-rich region that continuously connects the positive electrode and the negative electrode.
The aforementioned cobalt-containing region has a cobalt content of 0.01 atom% or more and 10 atom% or less.
The cobalt-rich region is defined as having a cobalt content of 1 atm% or more.
An all-solid-state battery in which the proportion of the cobalt-containing region in the solid electrolyte layer is 20% or more and 100% or less .
前記固体電解質層は、前記正極と接する部分に前記コバルト含有領域を有する、請求項1に記載の全固体電池。 The aforementioned positive electrode contains cobalt,
The all-solid-state battery according to claim 1, wherein the solid electrolyte layer has the cobalt-containing region in the portion that is in contact with the positive electrode.
前記第1領域は、積層方向において、前記第2領域より前記正極の近くにあり、
前記第1領域のコバルト濃度は、前記第2領域のコバルト濃度より濃い、請求項1に記載の全固体電池。 The solid electrolyte layer has a first region and a second region,
The first region is located closer to the positive electrode than the second region in the stacking direction.
The all-solid-state battery according to claim 1, wherein the cobalt concentration in the first region is higher than the cobalt concentration in the second region.
前記第1領域は、積層方向において、前記第2領域より前記正極の近くにあり、
前記第2領域のコバルト濃度は、前記第1領域のコバルト濃度より濃い、請求項1に記載の全固体電池。 The solid electrolyte layer has a first region and a second region,
The first region is located closer to the positive electrode than the second region in the stacking direction.
The all-solid-state battery according to claim 1, wherein the cobalt concentration in the second region is higher than the cobalt concentration in the first region.
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