JP7853764B2 - All-solid-state secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、全固体二次電池に関する。 This invention relates to an all-solid-state secondary battery.
全固体二次電池は、有機電解液を使用した二次電池に比べて安全性が高いものではあるが、全固体二次電池を200℃以上などの高温環境下におくと、正極活物質の組成によっては、充電時に酸素が発生する恐れがある。この酸素が硫化物系固体電解質と発熱反応を起こすと、全固体電池の温度がさらに上昇してしまい、近くに可燃物がある等の条件がそろうと発火してしまう恐れがある。 While all-solid-state rechargeable batteries are generally safer than rechargeable batteries using organic electrolytes, exposing them to high temperatures above 200°C may cause oxygen to be generated during charging, depending on the composition of the positive electrode active material. If this oxygen reacts exothermically with the sulfide-based solid electrolyte, the temperature of the all-solid-state battery will rise further, potentially leading to ignition if flammable materials are nearby.
本発明は、全固体二次電池の安全性をさらに高めるために、200℃以上等の高温環境下においても前述したような発熱反応を抑えることができる全固体二次電池を提供することを目的としてなされたものである。 This invention aims to provide an all-solid-state secondary battery that can suppress the aforementioned exothermic reaction even in high-temperature environments such as 200°C or higher, in order to further enhance the safety of all-solid-state secondary batteries.
二次電池の発熱を抑える技術としては、例えば特許文献1に示すように、分解反応が吸熱反応である化合物(以下、吸熱物質ともいう。)を含有する液系の二次電池が考えられている。 As a technology to suppress heat generation in secondary batteries, for example, as shown in Patent Document 1, a liquid-based secondary battery containing a compound whose decomposition reaction is endothermic (hereinafter also referred to as an endothermic substance) has been considered.
しかしながら、本発明者が前述したような吸熱物質を実際に全固体二次電池に含有させてみた結果、全固体二次電池においては特許文献1に記載されている液系の二次電池に比べて吸熱物質の分解反応、すなわち吸熱反応が起こりにくいことを発見した。
そこで、全固体二次電池において吸熱反応を十分に起こすために必要な条件や吸熱物質の含有量について鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。
However, when the inventors actually incorporated the aforementioned endothermic substance into an all-solid-state secondary battery, they discovered that the decomposition reaction of the endothermic substance, i.e., the endothermic reaction, is less likely to occur in the all-solid-state secondary battery compared to the liquid-based secondary battery described in Patent Document 1.
Therefore, after diligently studying the conditions necessary to sufficiently induce an endothermic reaction in an all-solid-state secondary battery, as well as the content of the endothermic substance, we have completed the present invention.
すなわち、本発明に係る全固体二次電池は、正極層と、負極層と、前記正極層及び前記負極層の間に配置された固体電解質層とを備え、前記正極層が板状の正極集電体と、該正極集電体上に形成された正極活物質層とを具備するものであって、前記正極層が、分解反応によって吸熱する吸熱物質を含有し、前記吸熱物質の前記正極層中における含有量が、前記正極活物質層の総質量を100質量部とした場合に、1質量部以上30質量部以下の範囲であることを特徴とするものである。 In other words, the all-solid-state secondary battery according to the present invention comprises a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer. The positive electrode layer comprises a plate-shaped positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector. The positive electrode layer contains an endothermic substance that absorbs heat through a decomposition reaction, and the content of the endothermic substance in the positive electrode layer is in the range of 1 part by mass or more and 30 parts by mass or less, based on a total mass of 100 parts by mass of the positive electrode active material layer.
このように構成した全固体二次電池によれば、充電時に酸化環境にある正極層に吸熱物質が含有されているので、充電時に吸熱物質の分解反応が起こりやすく、200℃未満の温度でも十分な吸熱効果を発揮することができる。その結果、全固体二次電池について、充電時に酸素が発生する可能性がある200℃以上での急激な発熱を防ぐことができる。 In this type of all-solid-state secondary battery, since the positive electrode layer, which is in an oxidizing environment during charging, contains a heat-absorbing material, the decomposition reaction of the heat-absorbing material is more likely to occur during charging, allowing for sufficient heat absorption even at temperatures below 200°C. As a result, the all-solid-state secondary battery can prevent rapid heat generation at temperatures above 200°C, where oxygen may be generated during charging.
さらに、前記正極層中における吸熱物質の含有量が、前記正極活物質層の総質量を100質量部とした場合に、1質量部以上30質量部以下の範囲であるので、前記正極層の充電容量を十分に確保しながらも、十分な吸熱効果を発揮することができる。 Furthermore, since the content of the heat-absorbing substance in the positive electrode layer is in the range of 1 part by mass to 30 parts by mass, based on a total mass of 100 parts by mass of the positive electrode active material layer, a sufficient heat-absorbing effect can be achieved while ensuring sufficient charging capacity of the positive electrode layer.
前記吸熱物質が、前記正極活物質層中に含有されている、又は前記正極活物質層と前記正極集電体との間に配置されているものであれば、充電時に吸熱物質を確実に酸化環境下に置くことができるので好ましい。 It is preferable that the heat-absorbing material is contained in the positive electrode active material layer or placed between the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector, as this ensures the heat-absorbing material is reliably placed in an oxidizing environment during charging.
本発明の具体的な実施態様としては、前記吸熱物質が、炭酸化合物及び/又は水酸化化合物であるものを挙げることができる。前記炭酸化合物としては、例えば、炭酸リチウムを挙げることができる。前記水酸化化合物としては、例えば、水酸化アルミニウムを挙げることができる。 Specific embodiments of the present invention include those in which the heat-absorbing substance is a carbonate compound and/or a hydroxide compound. Examples of the carbonate compound include lithium carbonate. Examples of the hydroxide compound include aluminum hydroxide.
前記固体電解質層が、硫化物系固体電解質を含有するものである場合には電池が高温環境下に置かれた際の発熱反応が起こりやすいので、本発明の効果をより顕著に発揮することができる。 If the solid electrolyte layer contains a sulfide-based solid electrolyte, the exothermic reaction is more likely to occur when the battery is placed in a high-temperature environment, thus allowing the effects of the present invention to be exhibited more significantly.
電池の変形等を抑えるという観点から、80℃における外装体内の体積と、25℃における前記体積との差が、25℃における前記体積の5%以内であることが好ましい。 From the viewpoint of suppressing battery deformation, it is preferable that the difference between the volume inside the casing at 80°C and the volume at 25°C be within 5% of the volume at 25°C.
前記正極層、前記負極層及び前記固体電解質層を内部に収容する外装体をさらに備え、
前記外装体がフィルム状のものである場合には、吸熱物質の分解反応による体積変化が電池全体の体積に影響を与えやすいので、本発明の効果をより顕著に発揮することができる。
The exterior further comprises an outer casing that houses the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the solid electrolyte layer inside,
When the outer casing is in the form of a film, the volume change due to the decomposition reaction of the heat-absorbing substance is likely to affect the overall volume of the battery, thus allowing the effects of the present invention to be exhibited more significantly.
本発明によれば、全固体二次電池の安全性をさらに高めるために、高温環境下においても前述したような発熱反応を抑えて、充電時における急激な発熱を抑えることができる。 According to the present invention, in order to further enhance the safety of all-solid-state secondary batteries, the aforementioned heat-generating reactions can be suppressed even in high-temperature environments, thereby suppressing rapid heat generation during charging.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the attached drawings. In this specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, thus omitting redundant explanations.
<1.本実施形態に係る全固体二次電池の基本構成>
本実施形態に係る全固体二次電池1は、図1に示すように、正極層10、負極層20、及び固体電解質層30と、これらを内部に収容する外装体40とを備えるものである。
<1. Basic configuration of the all-solid-state secondary battery according to this embodiment>
As shown in Figure 1, the all-solid-state secondary battery 1 according to this embodiment comprises a positive electrode layer 10, a negative electrode layer 20, a solid electrolyte layer 30, and an outer casing 40 that houses these components inside.
(1-1.正極層)
正極層10は、正極集電体11及び正極活物質層12を含む。
正極集電体11としては、例えば、インジウム(In)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、ステンレス鋼、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、リチウム(Li)またはこれらの合金からなる板状体または箔状体等が挙げられる。正極集電体11は省略されても良い。
(1-1. Positive electrode layer)
The positive electrode layer 10 includes a positive electrode current collector 11 and a positive electrode active material layer 12.
Examples of the positive electrode current collector 11 include plate-shaped or foil-shaped bodies made of indium (In), copper (Cu), magnesium (Mg), stainless steel, titanium (Ti), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), aluminum (Al), germanium (Ge), lithium (Li), or alloys thereof. The positive electrode current collector 11 may be omitted.
正極活物質層12は、正極活物質及び固体電解質を含む。なお、正極活物質層12に含まれる固体電解質は、固体電解質層30に含まれる固体電解質と同種のものであっても、同種でなくてもよい。固体電解質の詳細は固体電解質層30の項にて詳細に説明する。 The positive electrode active material layer 12 contains a positive electrode active material and a solid electrolyte. The solid electrolyte contained in the positive electrode active material layer 12 may or may not be the same type as the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer 30. Details of the solid electrolyte will be explained in detail in the section on the solid electrolyte layer 30.
正極活物質は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出することが可能な正極活物質であればよい。 The positive electrode active material can be any positive electrode active material capable of reversibly intercalating and releasing lithium ions.
例えば、正極活物質は、コバルト酸リチウム(以下、LCOと称する)、ニッケル酸リチウム(Lithium nickel oxide)、ニッケルコバルト酸リチウム(lithium nickel cobalt oxide)、ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム(以下、NCAと称する)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(以下、NCMと称する)、マンガン酸リチウム(Lithium manganate)、リン酸鉄リチウム(lithium iron phosphate)等のリチウム塩、硫化ニッケル、硫化銅、硫化リチウム、硫黄、酸化鉄、または酸化バナジウム(Vanadium oxide)等を用いて形成することができる。これらの正極活物質は、それぞれ単独で用いられてもよく、また2種以上を組み合わせて用いられてもよい。 For example, the positive electrode active material can be formed using lithium salts such as lithium cobalt oxide (hereinafter referred to as LCO), lithium nickel oxide, lithium nickel cobalt oxide, lithium nickel cobalt aluminate (hereinafter referred to as NCA), lithium nickel cobalt manganese oxide (hereinafter referred to as NCM), lithium manganese oxide, lithium iron phosphate, nickel sulfide, copper sulfide, lithium sulfide, sulfur, iron oxide, or vanadium oxide. These positive electrode active materials may be used individually or in combination of two or more.
また、正極活物質は、上述したリチウム塩のうち、層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物のリチウム塩を含んで形成されることが好ましい。ここで「層状岩塩型構造」とは、立方晶岩塩型構造の<111>方向に酸素原子層と金属原子層とが交互に規則配列し、その結果それぞれの原子層が二次元平面を形成している構造である。また「立方晶岩塩型構造」とは、結晶構造の1種である塩化ナトリウム型構造のことを表し、具体的には、陽イオンおよび陰イオンの各々が形成する面心立方格子が互いに単位格子の稜の1/2だけずれて配置された構造を表す。 Furthermore, the positive electrode active material is preferably formed by including a lithium salt of a transition metal oxide having a layered rock salt structure among the lithium salts described above. Here, "layered rock salt structure" refers to a structure in which oxygen atomic layers and metal atomic layers are alternately and regularly arranged in the <111> direction of a cubic rock salt structure, resulting in each atomic layer forming a two-dimensional plane. "Cubic rock salt structure" refers to a type of crystalline structure, specifically a sodium chloride type structure, where the face-centered cubic lattices formed by the cations and anions are offset from each other by half the edge of the unit cell.
このような層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物のリチウム塩としては、例えば、LiNixCoyAlzO2(NCA)、またはLiNixCoyMnzO2(NCM)(ただし、0<x<1、0<y<1、0<z<1、かつx+y+z=1)などの三元系遷移金属酸化物のリチウム塩が挙げられる。 Examples of lithium salts of transition metal oxides having such a layered rock salt-type structure include lithium salts of ternary transition metal oxides such as LiNi x Co y Al z O 2 (NCA) or LiNi x Co y Mn z O 2 (NCM) (where 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z < 1, and x + y + z = 1).
正極活物質が、上記の層状岩塩型構造を有する三元系遷移金属酸化物のリチウム塩を含む場合、全固体二次電池1のエネルギー(energy)密度および熱安定性を向上させることができる。 When the positive electrode active material contains a lithium salt of a ternary transition metal oxide having the layered rock salt-type structure described above, the energy density and thermal stability of the all-solid-state secondary battery 1 can be improved.
正極活物質は、被覆層によって覆われていても良い。ここで、本実施形態の被覆層は、全固体二次電池の正極活物質の被覆層として公知のものであればどのようなものであってもよい。被覆層の例としては、例えば、Li2O-ZrO2等が挙げられる。 The positive electrode active material may be covered by a coating layer. Here, the coating layer in this embodiment can be any known coating layer for the positive electrode active material of an all-solid-state secondary battery. Examples of coating layers include Li₂O - ZrO₂ .
また、正極活物質が、NCAまたはNCMなどの三元系遷移金属酸化物のリチウム塩にて形成されており、正極活物質としてニッケル(Ni)を含む場合、全固体二次電池1の容量密度を上昇させ、充電状態での正極活物質からの金属溶出を少なくすることができる。これにより、本実施形態に係る全固体二次電池1は、充電状態での長期信頼性およびサイクル(cycle)特性を向上させることができる。このような特徴をさらに発揮させるためには、ニッケル(Ni)の含有量が高いものであることがより好ましい。正極活物質中のニッケル含有量は、少なくとも60モル%以上が望ましく、80モル%以上であることがさらに望ましい。一方で95モル%以下であれば、充放電評価における電池容量の低下を抑えることができるので好ましい。 Furthermore, when the positive electrode active material is formed from a lithium salt of a ternary transition metal oxide such as NCA or NCM, and contains nickel (Ni), the capacity density of the all-solid-state secondary battery 1 can be increased, and metal leaching from the positive electrode active material in the charged state can be reduced. As a result, the all-solid-state secondary battery 1 according to this embodiment can improve long-term reliability and cycle characteristics in the charged state. To further exhibit these characteristics, a higher nickel (Ni) content is more preferable. The nickel content in the positive electrode active material is preferably at least 60 mol%, and more preferably 80 mol% or more. On the other hand, a content of 95 mol% or less is preferable because it can suppress the decrease in battery capacity during charge-discharge evaluation.
ここで、正極活物質の形状としては、例えば、真球状、楕円球状等の粒子形状を挙げることができる。また、正極活物質の粒径は特に制限されず、従来の全固体二次電池の正極活物質に適用可能な範囲であれば良い。なお、正極層10における正極活物質の含有量も特に制限されず、従来の全固体二次電池の正極層10に適用可能な範囲であれば良い。 Here, the shape of the positive electrode active material can be, for example, a perfect sphere or an ellipsoid. Furthermore, the particle size of the positive electrode active material is not particularly limited and should be within a range applicable to the positive electrode active material of conventional all-solid-state secondary batteries. The content of the positive electrode active material in the positive electrode layer 10 is also not particularly limited and should be within a range applicable to the positive electrode layer 10 of conventional all-solid-state secondary batteries.
また、正極活物質層12には、上述した正極活物質および固体電解質に加えて、例えば、導電助剤、結着剤、フィラー(filler)、分散剤、イオン導電助剤等の添加物が適宜配合されていてもよい。 Furthermore, in addition to the positive electrode active material and solid electrolyte described above, the positive electrode active material layer 12 may appropriately contain additives such as conductive additives, binders, fillers, dispersants, and ionic conductive additives.
正極活物質層12に配合可能な導電助剤としては、例えば、黒鉛、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、炭素繊維、金属粉等を挙げることができる。また、正極活物質層12に配合可能な結着剤としては、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、ポリエチレン(polyethylene)等を挙げることができる。さらに、正極活物質層12に配合可能なフィラー、分散剤、イオン導電助剤等としては、一般に全固体二次電池の電極に用いられる公知の材料を用いることができる。 Examples of conductive additives that can be incorporated into the positive electrode active material layer 12 include graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber, and metal powder. Examples of binders that can be incorporated into the positive electrode active material layer 12 include styrene-butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and polyethylene. Furthermore, known materials generally used in electrodes for all-solid-state secondary batteries can be used as fillers, dispersants, and ion conductive additives that can be incorporated into the positive electrode active material layer 12.
(1-2.負極層)
負極層20は、負極集電体21及び負極活物質層22を含む。負極集電体21は、リチウムと反応しない、すなわち合金および化合物のいずれも形成しない材料で構成されることが好ましい。負極集電体21を構成する材料としては、例えば、銅(Cu)、ステンレス鋼、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、およびニッケル(Ni)が挙げられる。負極集電体21は、これらの金属のいずれか1種で構成されていても良いし、2種以上の金属の合金またはクラッド材で構成されていても良い。負極集電体21は、例えば板状または箔状である。
(1-2. Negative electrode layer)
The negative electrode layer 20 includes a negative electrode current collector 21 and a negative electrode active material layer 22. The negative electrode current collector 21 is preferably composed of a material that does not react with lithium, i.e., does not form any alloys or compounds. Examples of materials constituting the negative electrode current collector 21 include copper (Cu), stainless steel, titanium (Ti), iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni). The negative electrode current collector 21 may be composed of any one of these metals, or of an alloy or clad material of two or more metals. The negative electrode current collector 21 may be, for example, in the form of a plate or foil.
負極活物質層22は、負極活物質を含む。
負極活物質は、例えば、無定形炭素と、リチウムと合金を形成する合金形成元素とを含むもの挙げることができる。前記合金形成元素としては、金、白金、パラジウム、ケイ素、銀、アルミニウム、ビスマス、錫、および亜鉛からなる群から選択されるいずれか1種以上を挙げることができる。ここで、無定形炭素としては、例えば、カーボンブラック(Carbon black)、グラフェン(graphene)、黒鉛(graphite)等が挙げられる。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック(acetylene black)、ファーネスブラック(furnace black)、ケッチェンブラック(ketjen black)等を挙げることができる。また、電子導電性向上のために、ケイ素はその表面を厚さ1~10nm程度の炭素層で被覆されていてもよい。
The negative electrode active material layer 22 contains the negative electrode active material.
The negative electrode active material may include, for example, amorphous carbon and an alloying element that forms an alloy with lithium. The alloying element may be one or more selected from the group consisting of gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin, and zinc. Examples of amorphous carbon include carbon black, graphene, and graphite. Examples of carbon black include acetylene black, furnace black, and ketjen black. Furthermore, to improve electronic conductivity, the silicon may be coated with a carbon layer about 1 to 10 nm thick.
ここで、前記合金形成元素として金、白金、パラジウム、ケイ素、銀、アルミニウム、ビスマス、錫、および亜鉛のいずれか1種以上を使用する場合、これらの負極活物質は、例えば粒形状のものであり、その粒径は4μm以下、より好ましくは300nm以下であることが好ましい。この場合、全固体二次電池1の特性が更に向上する。ここで、負極活物質の粒径は、例えばレーザー式粒度分布系を用いて測定したメジアン径(いわゆるD50)を用いることができる。 Here, when one or more of gold, platinum, palladium, silicon, silver, aluminum, bismuth, tin, and zinc are used as the alloy-forming elements, these negative electrode active materials are preferably in granular form, with a particle size of 4 μm or less, more preferably 300 nm or less. In this case, the characteristics of the all-solid-state secondary battery 1 are further improved. Here, the particle size of the negative electrode active material can be, for example, the median diameter (so-called D50 ) measured using a laser particle size distribution system.
負極活物質層22には、前述した以外にも、従来の全固体二次電池で使用される添加剤、例えば、結着剤、フィラー、分散剤、イオン導電助剤等が適宜配合されていてもよい。 In addition to those mentioned above, the negative electrode active material layer 22 may also contain additives used in conventional all-solid-state secondary batteries, such as binders, fillers, dispersants, and ion conduction enhancers, as appropriate.
(1-3.固体電解質層)
固体電解質層30は、正極層10および負極層20の間に形成され、固体電解質を含む。
(1-3. Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte layer 30 is formed between the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20 and contains a solid electrolyte.
固体電解質は、例えば、硫化物系固体電解質材料で構成される。硫化物系固体電解質材料としては、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-LiX(Xはハロゲン元素、例えばI、Cl)、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(m、nは正の数、ZはGe、ZnまたはGaのいずれか)、Li2S-GeS2、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-LipMOq(p、qは正の数、MはP、Si、Ge、B、Al、GaまたはInのいずれか)等を挙げることができる。ここで、硫化物系固体電解質材料は、出発原料(例えば、Li2S、P2S5等)を溶融急冷法やメカニカルミリング(mechanical milling)法等によって処理することで作製される。また、これらの処理の後にさらに熱処理を行っても良い。固体電解質は、非晶質であっても良く、結晶質であっても良く、両者が混ざった状態でも良い。 The solid electrolyte is composed of, for example, a sulfide-based solid electrolyte material. Examples of sulfide-based solid electrolyte materials include Li₂S - P₂S₅ , Li₂S - P₂S₅ - LiX (where X is a halogen element, e.g. , I, Cl), Li₂S - P₂S₅ - Li₂O , Li₂S- P₂S₅ -Li₂O-LiI, Li₂S- SiS₂ , Li₂S - SiS₂ - LiI , Li₂S - SiS₂ - LiBr, Li₂S -SiS₂ - LiCl, Li₂S - SiS₂ -B₂S₃- LiI, Li₂S - SiS₂ - P₂S₅ - LiI , Li₂S - B₂S₃ , and Li₂ Examples include S- P2S5 - ZmSn ( where m and n are positive numbers, and Z is either Ge, Zn , or Ga), Li2S - GeS2 , Li2S - SiS2 - Li3PO4 , Li2S - SiS2 - LipMOq (where p and q are positive numbers, and M is either P, Si, Ge, B, Al, Ga, or In). Here, sulfide-based solid electrolyte materials are produced by processing starting materials (e.g., Li2S , P2S5 , etc. ) by methods such as melt-quenching or mechanical milling. Further heat treatment may be performed after these processes. The solid electrolyte may be amorphous, crystalline, or a mixture of both.
また、固体電解質として、上記の硫化物固体電解質材料のうち、少なくとも構成元素として硫黄(S)、リン(P)およびリチウム(Li)を含むものを用いることが好ましく、特にLi2S-P2S5を含むものを用いることがより好ましい。 Furthermore, it is preferable to use a sulfide solid electrolyte material from among the above-mentioned materials that contains at least sulfur (S), phosphorus (P), and lithium (Li) as constituent elements, and it is more preferable to use one that contains Li₂S - P₂S₅ .
ここで、固体電解質を形成する硫化物系固体電解質材料としてLi2S-P2S5を含むものを用いる場合、Li2SとP2S5との混合モル比は、例えば、Li2S:P2S5=50:50~90:10の範囲で選択されてもよい。また、固体電解質層30には、結着剤を更に含んでいても良い。固体電解質層30に含まれる結着剤は、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、ポリエチレン(polyethylene)等を挙げることができる。固体電解質層30内の結着剤は、正極活物質層12および負極活物質層22内の結着剤と同種であってもよいし、異なっていても良い。 Here, when using a sulfide-based solid electrolyte material containing Li₂S - P₂S₅ to form the solid electrolyte, the molar ratio of Li₂S to P₂S₅ may be selected in the range of, for example, Li₂S:P₂S₅ = 50:50 to 90:10 . The solid electrolyte layer 30 may also further contain a binder. Examples of binders included in the solid electrolyte layer 30 include styrene-butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and polyethylene. The binder in the solid electrolyte layer 30 may be the same as or different from the binders in the positive electrode active material layer 12 and the negative electrode active material layer 22.
(1-4.外装体)
外装体40は、前述したように正極層10、負極層20及び固体電解質層30を内部に収容するものであり、例えば、柔軟性を有するフィルムによって形成されているものを挙げることができる。前記フィルムとしては、例えば、ポリプロピレンやポリエチレンなどの樹脂で、アルミニウムやSUSなどの金属薄膜を挟み込んで形成したラミネートフィルム等を挙げることができる。
外装体40として使用されるラミネートフィルムの厚みとしては、例えば、30μm以上150μm以下のものを挙げることができる。
そのほかの材料としては剛直な金属であっても良い。例えば、アルミニウムやSUSなどで作製された缶などを挙げることができる。この場合の外装体の形状は、角型(直方体状)であっても円筒型であっても良い。
(1-4. Exterior)
As described above, the outer casing 40 houses the positive electrode layer 10, the negative electrode layer 20, and the solid electrolyte layer 30, and can be made of a flexible film, for example. Examples of such films include laminate films formed by sandwiching a thin metal film such as aluminum or stainless steel between resins such as polypropylene or polyethylene.
Examples of the thickness of the laminate film used as the outer casing 40 include those with a thickness of 30 μm or more and 150 μm or less.
Other materials may include rigid metals. For example, cans made of aluminum or stainless steel can be used. In this case, the shape of the outer casing may be rectangular (cuboidal) or cylindrical.
<2.本実施形態に係る全固体二次電池の特徴構成>
しかして、前記正極活物質層12には、分解反応によって吸熱する物質である吸熱物質が含有されている。
<2. Characteristic Configuration of the All-Solid-State Secondary Battery According to This Embodiment>
However, the positive electrode active material layer 12 contains an endothermic substance, which is a substance that absorbs heat through a decomposition reaction.
前記吸熱物質としては、例えば、炭酸化合物、水酸化化合物及び結晶水を有する化合物等を挙げることができる。
前記炭酸化合物としては、例えば、炭酸塩や炭酸水素塩がある。なかでも炭酸リチウム、炭酸ルビジウム、炭酸バリウム、炭酸コバルト、炭酸鉄、炭酸ニッケル、炭酸亜鉛、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素ルビジウム、および炭酸水素セシウムなどを挙げることができる。
前記水酸化化合物としては、例えば、水酸化亜鉛、水酸化アルミニウム、水酸化カドミウム、水酸化クロム、水酸化コバルト、水酸化ニッケル、水酸化マンガン、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化ジルコニウム、酸化水酸化鉄、および酸化水酸化ニッケルなどを挙げることができる。
また、結晶水を有する化合物としては、例えば、酸化アルミニウム水和物、硝酸バリウム水和物、硫酸カルシウム水和物、リン酸コバルト水和物、酸化アンチモン水和物、酸化スズ水和物、酸化チタン水和物、酸化ビスマス水和物、および酸化タングステン水和物などを挙げることができる。
吸熱物質としては、前述した物質のうち1種のみを使用しても良いし、複数種類を併用しても良い。
Examples of the heat-absorbing substances include carbonate compounds, hydroxide compounds, and compounds having crystal water.
Examples of the aforementioned carbonate compounds include carbonates and bicarbonates. Among these, lithium carbonate, rubidium carbonate, barium carbonate, cobalt carbonate, iron carbonate, nickel carbonate, zinc carbonate, sodium bicarbonate, potassium bicarbonate, rubidium bicarbonate, and cesium bicarbonate are particularly noteworthy.
Examples of the hydroxide compounds include zinc hydroxide, aluminum hydroxide, cadmium hydroxide, chromium hydroxide, cobalt hydroxide, nickel hydroxide, manganese hydroxide, calcium hydroxide, magnesium hydroxide, zirconium hydroxide, iron hydroxide oxide, and nickel hydroxide oxide.
Examples of compounds containing water of crystallization include aluminum oxide hydrate, barium nitrate hydrate, calcium sulfate hydrate, cobalt phosphate hydrate, antimony oxide hydrate, tin oxide hydrate, titanium oxide hydrate, bismuth oxide hydrate, and tungsten oxide hydrate.
As the heat-absorbing material, you may use only one of the aforementioned materials, or you may use multiple materials in combination.
吸熱物質の含有量は、正極活物質層12全体を100質量部とした場合に1質量部以上30質量部以下の範囲で含有されていることが好ましい。吸熱物質の含有量が、5質量部以上25質量部以下であることがより好ましく、5質量部以上10質量部以下であることがさらに好ましい。 The amount of the heat-absorbing substance is preferably in the range of 1 to 30 parts by mass when the total positive electrode active material layer 12 is considered to be 100 parts by mass. More preferably, the amount of the heat-absorbing substance is 5 to 25 parts by mass, and even more preferably 5 to 10 parts by mass.
<3.本実施形態に係る全固体二次電池の製造方法>
続いて、本実施形態に係る全固体二次電池1の製造方法について説明する。本実施形態に係る全固体二次電池1は、正極層10、負極層20、および固体電解質層30をそれぞれ製造した後、上記各層を積層し最後に外装体40で覆うことにより製造することができる。
<3. Method for manufacturing an all-solid-state secondary battery according to this embodiment>
Next, a method for manufacturing the all-solid-state secondary battery 1 according to this embodiment will be described. The all-solid-state secondary battery 1 according to this embodiment can be manufactured by first manufacturing a positive electrode layer 10, a negative electrode layer 20, and a solid electrolyte layer 30, then stacking the above layers and finally covering them with an outer casing 40.
(3-1.正極層作製工程)
まず、正極活物質層12を構成する材料(正極活物質、吸熱物質、結着剤等)を脱水キシレン等の非極性溶媒に添加することで、スラリー(slurry)(スラリーはペースト(paste)であってもよい。他のスラリーも同様である。)を作製する。ついで、得られたスラリーを正極集電体11上に塗布し、乾燥する。ついで、得られた積層体を加圧する(例えば、静水圧を用いた加圧を行う)ことで、正極層10を作製する。加圧工程は省略されても良い。正極活物質層12を構成する材料の混合物をペレット(pellet)状に圧密化成形するか、あるいはシート状に引き伸ばすことで正極層10を作製してもよい。これらの方法により正極層10を作製する場合、正極集電体11は、作製したペレットあるいはシートに圧着しても良い。
(3-1. Cathode layer fabrication process)
First, a slurry (the slurry may be a paste; other slurries may also be produced) is prepared by adding the materials constituting the positive electrode active material layer 12 (positive electrode active material, heat-absorbing material, binder, etc.) to a non-polar solvent such as dehydrated xylene. Next, the obtained slurry is applied to the positive electrode current collector 11 and dried. Then, the positive electrode layer 10 is produced by pressurizing the resulting laminate (for example, by applying hydrostatic pressure). The pressurizing step may be omitted. The positive electrode layer 10 may also be produced by compacting the mixture of materials constituting the positive electrode active material layer 12 into a pellet or by stretching it into a sheet. When the positive electrode layer 10 is produced by these methods, the positive electrode current collector 11 may be pressed onto the produced pellet or sheet.
(3-2.負極層作製工程)
まず、負極活物質層22を構成する負極活物質層材料(負極活物質、合金非形成元素、結着剤等)を極性溶媒または非極性溶媒に添加することで、スラリーを作製する。ついで、得られたスラリーを負極集電体21上に塗布し、乾燥する。ついで、得られた積層体を加圧する(例えば、静水圧を用いた加圧を行う)ことで、負極層20を作製する。加圧工程は省略されても良い。
(3-2. Negative electrode layer fabrication process)
First, a slurry is prepared by adding the negative electrode active material (negative electrode active material, alloy non-forming elements, binder, etc.) constituting the negative electrode active material layer 22 to a polar or non-polar solvent. Next, the obtained slurry is applied onto the negative electrode current collector 21 and dried. Then, the negative electrode layer 20 is prepared by pressurizing the resulting laminate (for example, by applying hydrostatic pressure). The pressurizing step may be omitted.
(3-3.固体電解質層作製工程)
固体電解質層30は、硫化物系固体電解質材料にて形成された固体電解質により作製することができる。
(3-3. Solid Electrolyte Layer Fabrication Process)
The solid electrolyte layer 30 can be made from a solid electrolyte formed from a sulfide-based solid electrolyte material.
まず、溶融急冷法やメカニカルミリング(mechanical milling)法により出発原料を処理する。 First, the starting material is processed using methods such as melt-and-quench method or mechanical milling.
例えば、溶融急冷法を用いる場合、出発原料(例えば、Li2S、P2S5等)を所定量混合し、ペレット状にしたものを真空中で所定の反応温度で反応させた後、急冷することによって硫化物系固体電解質材料を作製することができる。なお、Li2SおよびP2S5の混合物の反応温度は、好ましくは400℃~1000℃であり、より好ましくは800℃~900℃である。また、反応時間は、好ましくは0.1時間~12時間であり、より好ましくは1時間~12時間である。さらに、反応物の急冷温度は、通常10℃以下であり、好ましくは0℃以下であり、急冷速度は、通常1℃/sec~10000℃/sec程度であり、好ましくは1℃/sec~1000℃/sec程度である。 For example, when using the melt-and-cool method, a sulfide-based solid electrolyte material can be produced by mixing a predetermined amount of starting materials (e.g., Li₂S , P₂S₅ , etc. ), forming them into pellets, reacting them in a vacuum at a predetermined reaction temperature, and then rapidly cooling them. The reaction temperature of the Li₂S and P₂S₅ mixture is preferably 400°C to 1000°C, more preferably 800°C to 900°C. The reaction time is preferably 0.1 hours to 12 hours, more preferably 1 hour to 12 hours. Furthermore, the rapid cooling temperature of the reactants is usually 10°C or lower, preferably 0°C or lower, and the rapid cooling rate is usually about 1°C/sec to 10000°C/sec, more preferably about 1°C/sec to 1000°C/sec.
また、メカニカルミリング法を用いる場合、ボールミルなどを用いて出発原料(例えば、Li2S、P2S5等)を撹拌させて反応させることで、硫化物系固体電解質材料を作製することができる。なお、メカニカルミリング法における撹拌速度および撹拌時間は特に限定されないが、撹拌速度が速いほど硫化物系固体電解質材料の生成速度を速くすることができ、撹拌時間が長いほど硫化物系固体電解質材料への原料の転化率を高くすることができる。 Furthermore, when using the mechanical milling method, sulfide-based solid electrolyte materials can be produced by stirring and reacting the starting materials (e.g., Li₂S , P₂S₅ , etc. ) using a ball mill or the like. While the stirring speed and time in the mechanical milling method are not particularly limited, a faster stirring speed can increase the rate of sulfide-based solid electrolyte material production, and a longer stirring time can increase the conversion rate of the raw materials to sulfide-based solid electrolyte material.
その後、溶融急冷法またはメカニカルミリング法により得られた混合原料を所定温度で熱処理した後、粉砕することにより粒子状の固体電解質を作製することができる。固体電解質がガラス転移点を持つ場合は、熱処理によって非晶質から結晶質に変わる場合がある。 Subsequently, the mixed raw materials obtained by the melt-quenching method or mechanical milling method can be heat-treated at a predetermined temperature and then pulverized to produce particulate solid electrolytes. If the solid electrolyte has a glass transition temperature, it may change from amorphous to crystalline during heat treatment.
続いて、上記の方法で得られた固体電解質を、例えば、エアロゾルデポジション(aerosol deposition)法、コールドスプレー(cold spray)法、スパッタ法等の公知の成膜法を用いて成膜することにより、固体電解質層30を作製することができる。なお、固体電解質層30は、固体電解質粒子単体を加圧することにより作製されてもよい。また、固体電解質層30は、固体電解質と、溶媒、結着剤を混合し、塗布乾燥し加圧することにより固体電解質層30を作製してもよい。 Next, the solid electrolyte obtained by the above method can be used to create a solid electrolyte layer 30 by forming a film using a known film formation method such as aerosol deposition, cold spray, or sputtering. Alternatively, the solid electrolyte layer 30 may be prepared by pressurizing individual solid electrolyte particles. Furthermore, the solid electrolyte layer 30 may be prepared by mixing the solid electrolyte with a solvent and a binder, coating and drying the mixture, and then pressurizing it.
(3-4.全固体二次電池の組立工程)
上記の方法で作製した正極層10、負極層20、および固体電解質層30を、正極層10と負極層20とで固体電解質層30を挟持するように積層し、これら全体を外装体40を形成するラミネートフィルムで両面から覆った後に加圧する(例えば、静水圧を用いた加圧を行う)ことにより、本実施形態に係る全固体二次電池1を作製することができる。
(3-4. Assembly process for all-solid-state secondary batteries)
The positive electrode layer 10, negative electrode layer 20, and solid electrolyte layer 30 prepared by the above method are laminated so that the solid electrolyte layer 30 is sandwiched between the positive electrode layer 10 and the negative electrode layer 20, and the entire assembly is covered from both sides with a laminate film that forms an outer casing 40, and then pressurized (for example, by applying hydrostatic pressure) to produce the all-solid-state secondary battery 1 according to this embodiment.
<4.本実施形態の効果>
このように構成した全固体二次電池によれば、充電時に酸化環境下にある正極活物質層が吸熱物質を含有しているので、吸熱物質の分解反応が適切な温度帯において適度に起こって、十分な吸熱効果を発揮することができる。
<4. Effects of this embodiment>
In this all-solid-state secondary battery configuration, the positive electrode active material layer, which is in an oxidizing environment during charging, contains an endothermic substance. As a result, the decomposition reaction of the endothermic substance occurs appropriately within an appropriate temperature range, allowing for a sufficient endothermic effect.
吸熱物質の含有量が1質量部以上30質量部以下であるので、正極活物質層12の充電容量を十分に確保しながらも、吸熱効果を十分に発揮することができる。 Since the heat-absorbing material content is between 1 and 30 parts by mass, the heat-absorbing effect can be fully exerted while ensuring sufficient charging capacity for the positive electrode active material layer 12.
<5.本発明の他の実施形態について>
<5-1.本発明の第2の実施形態に係る全固体二次電池の構成>
図2に示すように、正極層10が、正極集電体11と正極活物質層12との間に形成された導電性層13をさらに備えるものとしてもよい。
導電性層13は、正極集電体を保護する層であり、例えば、導電性物質と、結着剤とを含有するものである。
<5. Other Embodiments of the Invention>
<5-1. Configuration of an all-solid-state secondary battery according to the second embodiment of the present invention>
As shown in Figure 2, the positive electrode layer 10 may further include a conductive layer 13 formed between the positive electrode current collector 11 and the positive electrode active material layer 12.
The conductive layer 13 is a layer that protects the positive electrode current collector, and for example, contains a conductive material and a binder.
導電性層13に含有される導電性物質としては、黒鉛、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、炭素繊維、金属粉等を使用することができる。
また、導電性層13に含有する結着剤としては、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、ポリエチレン(polyethylene)等を挙げることができる。
このように構成された導電性層13に、前述した吸熱物質を含有させるものとしても良い。吸熱物質を含有させる場合の導電性層13の具体的な組成としては、例えば、導電性層13における導電性物質の含有量が6質量%以上54質量%以下、吸熱物質の含有量が24質量%以上81質量%以下、結着剤の含有量が10質量以上40質量%以下であるものを挙げることができる。
The conductive material contained in the conductive layer 13 can be graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, carbon fiber, metal powder, etc.
Furthermore, examples of binders contained in the conductive layer 13 include styrene-butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and polyethylene.
The conductive layer 13 configured in this manner may also contain the aforementioned heat-absorbing substance. Specific examples of the conductive layer 13 containing a heat-absorbing substance include a conductive layer 13 containing 6% to 54% by mass of conductive material, 24% to 81% by mass of heat-absorbing substance, and a binder containing 10% to 40% by mass.
導電性層13に含有される吸熱物質の含有量は、正極活物質層12に含有される吸熱物質と、導電性層13に含有される吸熱物質の含有量の合計が、正極活物質層12の総質量を100質量部とした場合の1質量部以上30質量部以下となるようにしてある。
この実施形態においては、吸熱物質が、正極活物質層12及び導電性層13の両方に含有されるようにしても良いし、吸熱物質を導電性層13にのみ含有させても良い。
この実施形態においても、前述した実施形態と同様に、正極活物質層12の総質量を100質量部とした場合の吸熱物質の含有量を1質量部以上とすることによって、十分な吸熱効果を得ることができる。また、吸熱物質の含有量を30質量部以下とすることによって、導電性層13の導電性を保ちながらも導電性層13の厚みを抑えて、全固体二次電池1の体積が大きくなってしまうことを抑えることができる。なお、この導電性層の厚みは、0.5μm以上10μm以下の範囲であることが好ましく、1μm以上5μm以下であることがより好ましい。
この実施形態において吸熱物質を含有する導電性層13は、吸熱効果を発揮する層であるので、吸熱層と呼ぶこともできる。
The amount of heat-absorbing material contained in the conductive layer 13 is such that the total amount of heat-absorbing material contained in the positive electrode active material layer 12 and the amount of heat-absorbing material contained in the conductive layer 13 is between 1 and 30 parts by mass, based on a total mass of 100 parts by mass of the positive electrode active material layer 12.
In this embodiment, the heat-absorbing material may be contained in both the positive electrode active material layer 12 and the conductive layer 13, or it may be contained only in the conductive layer 13.
In this embodiment as well, similar to the previously described embodiment, a sufficient heat absorption effect can be obtained by setting the content of the heat-absorbing material to 1 part by mass or more when the total mass of the positive electrode active material layer 12 is 100 parts by mass. Furthermore, by setting the content of the heat-absorbing material to 30 parts by mass or less, the thickness of the conductive layer 13 can be reduced while maintaining the conductivity of the conductive layer 13, thereby preventing the volume of the all-solid-state secondary battery 1 from increasing. The thickness of this conductive layer is preferably in the range of 0.5 μm to 10 μm, and more preferably 1 μm to 5 μm.
In this embodiment, the conductive layer 13 containing the heat-absorbing material is a layer that exhibits a heat-absorbing effect, and can therefore also be called a heat-absorbing layer.
<5-2.本発明の第2の実施形態に係る全固体二次電池の製造方法>
続いて、第2の実施形態に係る全固体二次電池1の製造方法について説明する。
第1の実施形態に係る全固体二次電池1の製造方法の正極層10作製工程において、導電性層13を構成する材料(導電性物質、吸熱物質、結着剤等)を非極性溶媒に添加することで、形成したスラリー(slurry)を正極集電体11上に塗布し、乾燥させて導電性層13を形成する。この導電性層13上に、正極活物質層12形成用のスラリーを塗布、乾燥して正極活物質層12を形成して、加圧することによって正極層10を作製する。その他の工程については、第1の実施形態と同様にして全固体二次電池1を製造することができる。
<5-2. Method for manufacturing an all-solid-state secondary battery according to the second embodiment of the present invention>
Next, a method for manufacturing the all-solid-state secondary battery 1 according to the second embodiment will be described.
In the positive electrode layer 10 manufacturing step of the manufacturing method for the all-solid-state secondary battery 1 according to the first embodiment, a slurry is formed by adding materials constituting the conductive layer 13 (conductive substance, heat-absorbing substance, binder, etc.) to a non-polar solvent, and this slurry is applied to the positive electrode current collector 11 and dried to form the conductive layer 13. A slurry for forming the positive electrode active material layer 12 is applied to this conductive layer 13 and dried to form the positive electrode active material layer 12, and the positive electrode layer 10 is manufactured by applying pressure. The all-solid-state secondary battery 1 can be manufactured in the same manner as in the first embodiment for the other steps.
<5-3.本発明の第3の実施形態に係る全固体二次電池の構成>
前述した実施形態では、正極層10と負極層20と固体電解質層30をそれぞれ一層ずつ備える全固体二次電池1について説明したが、例えば、図3に示すように、正極層10を両面から挟むように固体電解質層30を配置し、これら固体電解質層30の外側から負極層20で挟むように構成した全固体二次電池1としても良い。
このような構成の全固体二次電池1の場合にも、正極集電体11と正極活物質層12との間に導電性層13を設けることができる。この導電性層13は、必ずしも正極集電体11の両面に形成されている必要はなく、図3に示すように、正極集電体11の片面だけに導電性層13が形成されているようにしても良い。
そして、この全固体二次電池1の正極活物質層12及び/又は導電性層13に吸熱物質が含有されているものとしても良い。
<5-3. Configuration of an all-solid-state secondary battery according to the third embodiment of the present invention>
In the embodiments described above, an all-solid-state secondary battery 1 comprising one positive electrode layer 10, one negative electrode layer 20, and one solid electrolyte layer 30 was described. However, for example, as shown in Figure 3, an all-solid-state secondary battery 1 may also be configured such that the solid electrolyte layer 30 is arranged to sandwich the positive electrode layer 10 from both sides, and the negative electrode layer 20 sandwiches these solid electrolyte layers 30 from the outside.
Even in the case of an all-solid-state secondary battery 1 with this configuration, a conductive layer 13 can be provided between the positive electrode current collector 11 and the positive electrode active material layer 12. This conductive layer 13 does not necessarily need to be formed on both sides of the positive electrode current collector 11; as shown in Figure 3, the conductive layer 13 may be formed on only one side of the positive electrode current collector 11.
Furthermore, the positive electrode active material layer 12 and/or conductive layer 13 of this all-solid-state secondary battery 1 may contain an endothermic substance.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the attached drawings, the present invention is not limited to these examples. It is clear to any person with ordinary skill in the art to which the present invention pertains that various modifications or alterations can be conceived within the scope of the technical idea described in the claims, and these, too, are naturally understood to fall within the technical scope of the present invention.
以下に本発明に係る全固体二次電池について、実施例を挙げてより詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The all-solid-state secondary battery according to the present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
[正極層の生成]
正極活物質としてのLiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)三元系粉末と、硫化物系固体電解質としてのLi2S-P2S5(80:20モル%)非晶質粉末と、正極層導電性物質(導電助剤)としての気相成長炭素繊維粉末を60:35:5の質量%比で秤量し、自転公転ミキサを用いて混合した。さらに、この混合粉100質量部に対して5質量部の炭酸リチウムを秤量し、前記混合粉に加えて自転公転ミキサを用いて混合した。
次いで、結着剤としてのSBRが溶解した脱水キシレン溶液をSBRが吸熱物質を含有した混合粉の総質量に対して5.0質量%となるように添加して1次混合液を生成した。この1次混合液から脱水キシレン溶液等の溶媒を除いた固形成分が、正極活物質層と同質量となるはずであるので、本実施例においては正極活物質層全体に対して4.5質量%の吸熱物質(炭酸リチウム)が含有されていることになる。
さらに、この1次混合液に、粘度調整のための脱水キシレンを適量添加することで、2次混合液を生成した。さらに、混合粉の分散性を向上させるために、直径5mmのジルコニアボールを、空間、混合粉、ジルコニアボールがそれぞれ混練容器の全容積に対して1/3ずつを占めるように2次混合液に投入した。これにより生成された3次混合液を自転公転ミキサに投入し、3000rpmで3分撹拌することで、正極活物質層塗工液を生成した。
次いで、正極集電体として厚さ20μmのアルミ箔集電体を用意し、卓上スクリーン印刷機に正極集電体を載置し、孔径が2.0cm×2.0cmで厚みが150μmのメタルマスクを用いて正極活物質層塗工液をシート上に塗工した。その後、正極活物質層塗工液が塗工されたシートを60℃のホットプレートで30分乾燥させた後、80℃で12時間真空乾燥させた。これにより、正極集電体上に正極活物質層を形成した。乾燥後の正極集電体及び正極活物質層の総厚さは165μm前後であった。
(Example 1)
[Generation of the positive electrode layer]
LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 (NCA) ternary powder as the positive electrode active material, Li 2 S-P 2 S 5 (80:20 mol%) amorphous powder as the sulfide-based solid electrolyte, and vapor-grown carbon fiber powder as the positive electrode layer conductive material (conductive additive) were weighed in a mass percentage ratio of 60:35:5 and mixed using a rotation-orbit mixer. Furthermore, 5 parts by mass of lithium carbonate were weighed out per 100 parts by mass of this mixed powder and added to the mixed powder, and mixed using a rotation-orbit mixer.
Next, a dehydrated xylene solution in which SBR as a binder was dissolved was added so that the amount of SBR was 5.0% by mass relative to the total mass of the mixed powder containing the endothermic substance, thereby producing a primary mixture. Since the solid component remaining after removing the solvent such as the dehydrated xylene solution from this primary mixture should be equal in mass to that of the positive electrode active material layer, in this embodiment, the endothermic substance (lithium carbonate) is contained at 4.5% by mass relative to the entire positive electrode active material layer.
Furthermore, a secondary mixture was produced by adding an appropriate amount of dehydrated xylene to this primary mixture to adjust its viscosity. To further improve the dispersibility of the mixed powder, 5 mm diameter zirconia balls were added to the secondary mixture so that the space, mixed powder, and zirconia balls each occupied 1/3 of the total volume of the mixing container. The resulting tertiary mixture was then added to a rotary-orbit mixer and stirred at 3000 rpm for 3 minutes to produce a coating solution for the positive electrode active material layer.
Next, a 20 μm thick aluminum foil current collector was prepared as the positive electrode current collector. The positive electrode current collector was placed on a desktop screen printing machine, and a positive electrode active material layer coating solution was applied to the sheet using a metal mask with a hole diameter of 2.0 cm x 2.0 cm and a thickness of 150 μm. After that, the sheet coated with the positive electrode active material layer coating solution was dried on a hot plate at 60°C for 30 minutes, and then vacuum dried at 80°C for 12 hours. This formed a positive electrode active material layer on the positive electrode current collector. The total thickness of the positive electrode current collector and positive electrode active material layer after drying was approximately 165 μm.
[負極層の生成]
負極活物質としての黒鉛粉末(80℃で24時間真空乾燥したもの)と、結着剤としてのPVDFとを95.0:5.0の質量%比で秤量した。そして、これらの材料と適量のN-メチル-2-ピロリドン(以下、NMP)とを自転公転ミキサに投入し、3000rpmで3分撹拌した後、1分脱泡処理することで、負極活物質層塗工液を生成した。
次いで、負極集電体として厚さ16μmの銅箔集電体を用意し、ブレードを用いて銅箔集電体上に負極活物質層塗工液を塗工した。銅箔集電体上の負極活物質層塗工液の厚さ(ギャップ)は150μm前後であった。
負極活物質層塗工液が塗工されたシートを、80℃に加熱された乾燥機内に収納し、15分乾燥した。さらに、乾燥後のシートを80℃で24時間真空乾燥を行った。これにより、負極層を生成した。負極層の厚みは140μm前後であった。
[Generation of the negative electrode layer]
Graphite powder (vacuum-dried at 80°C for 24 hours) as the negative electrode active material and PVDF as a binder were weighed in a mass percentage ratio of 95.0:5.0. These materials, along with an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter referred to as NMP), were placed in a rotary-orbit mixer and stirred at 3000 rpm for 3 minutes, followed by a 1 minute degassing treatment to produce a negative electrode active material layer coating solution.
Next, a copper foil current collector with a thickness of 16 μm was prepared as the negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer coating solution was applied to the copper foil current collector using a blade. The thickness (gap) of the negative electrode active material layer coating solution on the copper foil current collector was approximately 150 μm.
A sheet coated with the negative electrode active material coating solution was placed in a dryer heated to 80°C and dried for 15 minutes. Furthermore, the dried sheet was vacuum-dried at 80°C for 24 hours. This created the negative electrode layer. The thickness of the negative electrode layer was approximately 140 μm.
[固体電解質層の生成]
硫化物系固体電解質としてのLi2S-P2S5(80:20、モル%)非晶質粉末に、SBRが溶解した脱水キシレン溶液をSBRが混合粉の総質量に対して2.0質量%となるように添加して1次混合液を生成した。さらに、この1次混合液に、粘度調整のための脱水キシレンを適量添加することで、2次混合液を生成した。さらに、混合粉の分散性を向上させるために、直径5mmのジルコニアボールを、空間、混合粉、ジルコニアボールがそれぞれ混練容器の全容積に対して1/3ずつを占めるように3次混合液に投入した。これにより生成された3次混合液を自転公転ミキサに投入し、3000rpmで3分撹拌することで、電解質層塗工液を生成した。
卓上スクリーン印刷機に負極層を載置し、500μmのメタルマスクを用いて電解質層塗工液を負極活物質層上に塗工した。その後、電解質層塗工液が塗工されたシートを40℃のホットプレートで10分乾燥させた後、40℃で12時間真空乾燥させた。これにより、負極層上に固体電解質層を形成した。乾燥後の固体電解質層の総厚さは300μm前後であった。
[Formation of a solid electrolyte layer]
A primary mixture was prepared by adding a dehydrated xylene solution containing dissolved SBR to an amorphous Li₂S - P₂S₅ (80:20, mol%) sulfide-based solid electrolyte powder, such that the SBR content was 2.0% by mass relative to the total mass of the mixed powder. A secondary mixture was then prepared by adding an appropriate amount of dehydrated xylene to this primary mixture to adjust the viscosity. To further improve the dispersibility of the mixed powder, 5 mm diameter zirconia balls were added to the tertiary mixture so that the space, mixed powder, and zirconia balls each occupied 1/3 of the total volume of the mixing container. The resulting tertiary mixture was then added to a rotary-orbit mixer and stirred at 3000 rpm for 3 minutes to produce an electrolyte layer coating solution.
The negative electrode layer was placed on a desktop screen printing machine, and the electrolyte layer coating solution was applied to the negative electrode active material layer using a 500 μm metal mask. The sheet coated with the electrolyte layer coating solution was then dried on a 40°C hot plate for 10 minutes, followed by vacuum drying at 40°C for 12 hours. This formed a solid electrolyte layer on the negative electrode layer. The total thickness of the solid electrolyte layer after drying was approximately 300 μm.
[全固体電池の生成]
負極層及び固体電解質層からなるシートを3.5cm×3.5cmに、正極層を3.0cm×3.0cmそれぞれトムソン刃で打ちぬき、これらをロールギャップ150μmのロールプレス機を用いたドライラミネーション法により貼り合わせることで、全固体電池の単セルを生成した。単セルの層厚さは400μm前後であった。
[Generation of all-solid-state batteries]
A sheet consisting of a negative electrode layer and a solid electrolyte layer was die-cut to 3.5 cm x 3.5 cm, and the positive electrode layer to 3.0 cm x 3.0 cm using a die-cutting machine. These were then bonded together using a dry lamination method with a roll press machine having a roll gap of 150 μm to produce a single cell of an all-solid-state battery. The layer thickness of the single cell was approximately 400 μm.
[全固体電池の封入]
生成された単セルを、端子を取り付けたアルミニウムラミネートフィルムに入れ、真空機で100Paまで真空排気した後、ヒートシールを行いパックした。全固体電池の層厚さは600μm前後であった。
[Encapsulation of all-solid-state batteries]
The generated single cells were placed in an aluminum laminate film with terminals attached, evacuated to 100 Pa using a vacuum machine, and then heat-sealed to form a pack. The layer thickness of the all-solid-state battery was approximately 600 μm.
[電池特性評価]
単セルの容量(mAh)を東洋システム製充放電評価装置 TOSCAT-3100により測定した。充放電は60℃の環境下で実施した。0.1mAの電流で4.20Vまで充電し、0.1mAの電流で2.50Vまで放電を行い、単セルの容量を求めた。
[Battery characteristics evaluation]
The capacity (mAh) of a single cell was measured using a Toyo Systems TOSCAT-3100 charge/discharge evaluation device. Charging and discharging were performed in an environment of 60°C. The cell was charged to 4.20V with a current of 0.1mA and discharged to 2.50V with a current of 0.1mA to determine the capacity of the single cell.
[加温試験]
全固体電池を4.20Vまで充電させた後に80℃の恒温槽で24時間保管した。保管前後で電池の厚み変化を測定した。本実施例に記載されているラミネート袋に封入されたタイプの電池の場合には、その厚みの変化割合は、電池全体の体積の変化割合をそのまま表している。
[Heating test]
The solid-state battery was charged to 4.20V and then stored in a constant temperature bath at 80°C for 24 hours. The change in battery thickness was measured before and after storage. In the case of the type of battery sealed in a laminate bag as described in this embodiment, the percentage change in thickness directly represents the percentage change in the total volume of the battery.
[DSC試験]
電池を4.20Vまで充電し、以下の手順でAr雰囲気のグローブボックス内でDSC用サンプルを作製した。外装体であるラミネート袋から単セル取り出し、金型でφ2.5mmに打ち抜いた。SUS製のサンプルパンに入れ、蓋をセットし、プレス機でかしめ封口した。このようにして作製したDSC用サンプルを日立ハイテクサイエンス製DSC測定装置DSC7000Xより測定した。室温から500℃まで測定し、積算熱容量を見積もった。比較例1の積算熱容量を100%とした場合に、各評価例での積算熱容量変化割合を低減率として見積もった。
[DSC Test]
The battery was charged to 4.20V, and DSC samples were prepared in an Ar-atmosphere glove box using the following procedure. A single cell was removed from the laminated outer bag and punched out to a diameter of φ2.5mm using a die. It was placed in a stainless steel sample pan, the lid was set, and the pan was crimped and sealed with a press. The DSC samples prepared in this way were measured using a Hitachi High-Tech Science DSC7000X DSC measuring instrument. Measurements were taken from room temperature to 500°C, and the cumulative heat capacity was estimated. The cumulative heat capacity of Comparative Example 1 was set to 100%, and the percentage change in cumulative heat capacity in each evaluation example was estimated as the reduction rate.
(実施例2)
正極層の生成において、正極活物質層中の炭酸リチウムの添加量が正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して10質量部としたこと以外は実施例1と同じ。
(Example 2)
The process for forming the positive electrode layer is the same as in Example 1, except that the amount of lithium carbonate added to the positive electrode active material layer is 10 parts by mass per 100 parts by mass of the mixed powder forming the positive electrode active material layer.
(実施例3)
正極層の生成において、正極活物質層中の炭酸リチウムの添加量が正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して1質量部としたこと以外は実施例1と同じ。
(Example 3)
In the formation of the positive electrode layer, the amount of lithium carbonate added to the positive electrode active material layer was the same as in Example 1, except that it was 1 part by mass per 100 parts by mass of the mixed powder forming the positive electrode active material layer.
(実施例4)
正極層の生成において、正極層中の炭酸リチウムの添加量が正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して25質量部としたこと以外は実施例1と同じ。
(Example 4)
In the formation of the positive electrode layer, the amount of lithium carbonate added to the positive electrode layer was 25 parts by mass per 100 parts by mass of the mixed powder forming the positive electrode active material layer, except that it was the same as in Example 1.
(実施例5)
正極層の生成において、正極活物質層中に炭酸リチウムを添加せず、正極集電体と正極活物質層との間に形成された導電性層中に炭酸リチウムを添加した。具体的な製造方法を以下に説明する。
導電性層の導電性物質としてアセチレンブラックと、炭酸リチウムと、結着剤としての酸変性PVDFとを30:40:30の質量比で秤量した。そして、これらの材料と適量のNMPとを自転公転ミキサに投入し、3000rpmで5分撹拌することで、導電性層塗工液を生成した。
次いで、卓上スクリーン印刷機に厚さ20μmのアルミニウム箔を載置し、400メッシュのスクリーンを用いて導電性層塗工液をアルミニウム箔上に塗工した。その後、導電性層塗工液が塗工されたアルミニウム箔を80℃で12時間真空乾燥させた。これにより、正極集電体上に導電性層を形成した。乾燥後の導電性層の厚さは15μmであった。この導電性層の厚みは、導電性層中の炭酸リチウムの含有量が、正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して5質量部となるように調整されている。
このように形成した導電性層上に、炭酸リチウムを含有しないこと以外は実施例1と同じ正極活物質層層塗工液を塗工して乾燥させることで、正極層を形成した。負極層の生成以降の手順は実施例1と同じものとした。
(Example 5)
In the production of the positive electrode layer, lithium carbonate was not added to the positive electrode active material layer, but rather to the conductive layer formed between the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer. The specific manufacturing method is described below.
Acetylene black, lithium carbonate, and acid-modified PVDF as a binder were weighed in a mass ratio of 30:40:30 as the conductive material for the conductive layer. These materials, along with an appropriate amount of NMP, were then added to a rotary-orbit mixer and stirred at 3000 rpm for 5 minutes to produce a conductive layer coating solution.
Next, a 20 μm thick aluminum foil was placed on a desktop screen printing machine, and a conductive layer coating solution was applied to the aluminum foil using a 400-mesh screen. Afterward, the aluminum foil coated with the conductive layer coating solution was vacuum-dried at 80°C for 12 hours. This formed a conductive layer on the positive electrode current collector. The thickness of the conductive layer after drying was 15 μm. The thickness of this conductive layer was adjusted so that the lithium carbonate content in the conductive layer was 5 parts by mass per 100 parts by mass of the mixed powder forming the positive electrode active material layer.
A positive electrode layer was formed by coating the conductive layer thus created with the same positive electrode active material layer coating solution as in Example 1, except that it does not contain lithium carbonate, and then drying it. The procedure from the formation of the negative electrode layer onward was the same as in Example 1.
(実施例6)
導電性層の厚みを、導電性層中の炭酸リチウムの含有量が、正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して25質量部となるように調整したこと以外は実施例5と同じ。
(Example 6)
The same procedure as in Example 5, except that the thickness of the conductive layer was adjusted so that the lithium carbonate content in the conductive layer was 25 parts by mass per 100 parts by mass of the mixed powder forming the positive electrode active material layer.
(実施例7)
正極層の生成において、正極集電体の導電性層が形成されている側とは反対側の面上に正極活物質層塗工液を塗工して乾燥させたこと以外は実施例5と同じ。
(Example 7)
The process for forming the positive electrode layer is the same as in Example 5, except that the positive electrode active material layer coating solution is applied to the surface of the positive electrode current collector opposite to the side where the conductive layer is formed, and then dried.
(実施例8)
導電性層の厚みを導電性層中の炭酸リチウムの含有量が、正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して25質量部となるように調整したこと以外は実施例7と同じ。
(Example 8)
The same procedure as in Example 7, except that the thickness of the conductive layer was adjusted so that the lithium carbonate content in the conductive layer was 25 parts by mass per 100 parts by mass of the mixed powder forming the positive electrode active material layer.
(実施例9)
正極層の生成において、正極活物質層中に炭酸リチウムの代わりに水酸化アルミニウムを含有させたこと以外は実施例1と同じ。
(Example 9)
The process for forming the positive electrode layer is the same as in Example 1, except that aluminum hydroxide is included in the positive electrode active material layer instead of lithium carbonate.
(実施例10)
正極層の生成において、正極活物質層中の水酸化アルミニウムの含有量を、正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して10質量部としたこと以外は実施例9と同じ。
(Example 10)
The process for forming the positive electrode layer is the same as in Example 9, except that the aluminum hydroxide content in the positive electrode active material layer is 10 parts by mass per 100 parts by mass of the mixed powder forming the positive electrode active material layer.
(実施例11)
正極層の生成において、正極活物質層中の水酸化アルミニウムの含有量を、正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して1質量部としたこと以外は実施例9と同じ。
(Example 11)
The process for forming the positive electrode layer is the same as in Example 9, except that the aluminum hydroxide content in the positive electrode active material layer is 1 part by mass per 100 parts by mass of the mixed powder forming the positive electrode active material layer.
(比較例1)
正極層の生成において、正極活物質層中に炭酸リチウムを添加しなかったこと以外は実施例1と同じ。
(Comparative Example 1)
The process for forming the positive electrode layer is the same as in Example 1, except that lithium carbonate was not added to the positive electrode active material layer.
(比較例2)
正極活物質層中に炭酸リチウムを含有させず、負極層の生成において、負極活物質層中に正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して5質量部(すなわち、実施例1で使用した量と同量)の炭酸リチウムを含有させたこと以外は実施例1と同じ。
(Comparative Example 2)
This is the same as Example 1, except that lithium carbonate is not included in the positive electrode active material layer, and in the formation of the negative electrode layer, 5 parts by mass (i.e., the same amount as used in Example 1) of lithium carbonate is included in the negative electrode active material layer per 100 parts by mass of the mixed powder used to form the positive electrode active material layer.
(比較例3)
正極活物質層中に炭酸リチウムを含有させず、固体電解質層の生成において、固体電解質層中に正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して5質量部(すなわち、実施例1で使用した量と同量)の炭酸リチウムを含有させたこと以外は実施例1と同じ。
(Comparative Example 3)
This is the same as Example 1, except that lithium carbonate is not included in the positive electrode active material layer, and in the formation of the solid electrolyte layer, 5 parts by mass (i.e., the same amount as used in Example 1) of lithium carbonate is included in the solid electrolyte layer per 100 parts by mass of the mixed powder used to form the positive electrode active material layer.
(比較例4)
炭酸リチウムに替えて、負極活物質層中に水酸化アルミニウムを含有させたこと以外は比較例2と同じ。
(Comparative Example 4)
This is the same as Comparative Example 2, except that aluminum hydroxide is included in the negative electrode active material layer instead of lithium carbonate.
(比較例5)
炭酸リチウムに替えて、固体電解質層中に水酸化アルミニウムを含有させたこと以外は比較例3と同じ。
(Comparative Example 5)
This is the same as Comparative Example 3, except that aluminum hydroxide is included in the solid electrolyte layer instead of lithium carbonate.
(比較例6)
正極層の生成において、正極活物質層中の炭酸リチウムの含有量を、正極活物質層を形成する混合粉100質量部に対して0.3質量部としたこと以外は実施例1と同じ。
(Comparative Example 6)
The process for forming the positive electrode layer is the same as in Example 1, except that the lithium carbonate content in the positive electrode active material layer is 0.3 parts by mass per 100 parts by mass of the mixed powder forming the positive electrode active material layer.
(参考例1)
この参考例は、液系の二次電池に吸熱物質を含有させたものである。以下に具体的な実験方法について説明する。
(Reference example 1)
This example involves incorporating an endothermic substance into a liquid-based secondary battery. The specific experimental method is described below.
[正極層の生成]
正極活物質としてのNCA三元系粉末と、導電助剤としてのアセチレンブラックとを97:3の質量%比で秤量し、混合した。さらに、この混合粉100質量部に対して1質量部の炭酸リチウムを秤量し、前記混合粉に加えて混合した。
次いで、この混合粉に、結着剤としてのPVdFが溶解したNMP溶液をPVdFが混合粉の総質量に対して3.0質量%となるように添加して1次混合液を生成した。さらに、この1次混合液に、粘度調整のためNMPを適量添加することで、2次混合液を生成した。これにより生成された2次混合液を自転公転ミキサに投入し、2000rpmで3分撹拌することで、正極活物質層塗工液を生成した。
次いで、正極集電体として厚さ20μmのアルミ箔集電体を用意し、卓上スクリーン印刷機に正極集電体を載置し、孔径が2.0cm×2.0cmで厚みが150μmのメタルマスクを用いて正極活物質層塗工液をシート上に塗工した。その後、正極活物質層塗工液が塗工されたシートを100℃のホットプレートで30分乾燥させた後、180℃で12時間真空乾燥させた。これにより、正極集電体上に正極活物質層を形成した。乾燥後の正極集電体及び正極活物質層の総厚さは120μm前後であった。このようにして形成した積層体に対して、ロールプレス機を用いて加圧成型を行い正極層を生成した。この正極層を3.0cm×3.0cmのトムソン刃で打ちぬいた。
[Generation of the positive electrode layer]
NCA ternary powder as the positive electrode active material and acetylene black as a conductive additive were weighed in a mass percentage ratio of 97:3 and mixed. Furthermore, 1 part by mass of lithium carbonate was weighed out for every 100 parts by mass of this mixed powder and added to the mixed powder and mixed.
Next, a primary mixture was prepared by adding an NMP solution containing PVdF as a binder to the mixed powder so that the amount of PVdF was 3.0% by mass relative to the total mass of the mixed powder. Furthermore, a secondary mixture was prepared by adding an appropriate amount of NMP to this primary mixture to adjust the viscosity. This secondary mixture was then introduced into a rotary-orbit mixer and stirred at 2000 rpm for 3 minutes to produce a coating solution for the positive electrode active material layer.
Next, a 20 μm thick aluminum foil current collector was prepared as the positive electrode current collector. The positive electrode current collector was placed on a desktop screen printing machine, and a positive electrode active material layer coating solution was applied to the sheet using a metal mask with a hole diameter of 2.0 cm × 2.0 cm and a thickness of 150 μm. After that, the sheet coated with the positive electrode active material layer coating solution was dried on a hot plate at 100°C for 30 minutes, and then vacuum dried at 180°C for 12 hours. This formed a positive electrode active material layer on the positive electrode current collector. The total thickness of the positive electrode current collector and positive electrode active material layer after drying was approximately 120 μm. The laminate formed in this way was then pressure-molded using a roll press to create the positive electrode layer. This positive electrode layer was punched out with a 3.0 cm × 3.0 cm die.
[負極層の生成]
負極活物質としての黒鉛粉末(80℃で24時間真空乾燥したもの)と、結着剤としてのPVdFとを95.0:5.0の質量%比で秤量した。そして、これらの材料と適量のN -メチル-2-ピロリドン(以下、NMP)とを自転公転ミキサに投入し、3000rpmで3分撹拌した後、1分脱泡処理することで、負極活物質層塗工液を生成した。
次いで、負極集電体として厚さ16μmの銅箔集電体を用意し、ブレードを用いて銅箔集電体上に負極活物質層塗工液を塗工した。銅箔集電体上の負極活物質層塗工液の厚さ(ギャップ)は150μm前後であった。
負極活物質層塗工液が塗工されたシートを、80℃に加熱された乾燥機内に収納し、15分乾燥した。さらに、乾燥後のシートを80℃で24時間真空乾燥を行った。これにより、負極層を生成した。負極層の厚みは140μm前後であった。負極層に対して、ロールプレス機を用いて加圧成型を行った。負極層を3.5cm×3.5cmのトムソン刃で打ちぬいた。
[Generation of the negative electrode layer]
Graphite powder (vacuum-dried at 80°C for 24 hours) as the negative electrode active material and PVdF as a binder were weighed in a mass percentage ratio of 95.0:5.0. These materials, along with an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter referred to as NMP), were placed in a rotary-orbit mixer and stirred at 3000 rpm for 3 minutes, followed by a 1 minute degassing treatment to produce a negative electrode active material layer coating solution.
Next, a copper foil current collector with a thickness of 16 μm was prepared as the negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer coating solution was applied to the copper foil current collector using a blade. The thickness (gap) of the negative electrode active material layer coating solution on the copper foil current collector was approximately 150 μm.
A sheet coated with the negative electrode active material layer coating solution was placed in a dryer heated to 80°C and dried for 15 minutes. Furthermore, the dried sheet was vacuum-dried at 80°C for 24 hours. This created the negative electrode layer. The thickness of the negative electrode layer was approximately 140 μm. The negative electrode layer was then pressure-molded using a roll press. The negative electrode layer was punched out with a 3.5 cm x 3.5 cm die.
[液系リチウムイオン二次電池の生成]
セパレータは、多孔質ポリエチレンフィルム(厚さ12μm)を用いた。セパレータを正極層および負極層で挟むことにより、電極構造体を製造した。この電極構造体を、端子を取り付けたアルミニウムラミネートフィルムに入れた。
エチレンカーボネート(ethylene carbonate)とジメチルカーボネート(dimethyl carbonate)とを3:7の体積比で混合した非水溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.3mol/Lの濃度となるように溶解し、電解液を製造した。製造した電解液をアルミニウムラミネートフィルムに注入することで、電解液をセパレータに含浸させた。真空機で100Paまで真空排気した後、ヒートシールを行いパックした。これにより、液系リチウムイオン二次電池を生成した。
[Production of liquid-based lithium-ion secondary batteries]
A porous polyethylene film (12 μm thick) was used as the separator. The electrode structure was fabricated by sandwiching the separator between a positive electrode layer and a negative electrode layer. This electrode structure was then placed in an aluminum laminate film to which terminals were attached.
An electrolyte was prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate ( LiPF6 ) at a concentration of 1.3 mol/L in a non-aqueous solvent prepared by mixing ethylene carbonate and dimethyl carbonate in a volume ratio of 3:7. The prepared electrolyte was injected into an aluminum laminate film to impregnate the separator. After evacuating to 100 Pa using a vacuum machine, the film was heat-sealed and packaged. This resulted in the production of a liquid-type lithium-ion secondary battery.
以上に説明した実施例1~11、比較例1~6及び参考例の評価結果を以下の表1に示す。 The evaluation results for Examples 1-11, Comparative Examples 1-6, and Reference Examples described above are shown in Table 1 below.
この表1の結果から、正極層中に吸熱物質である炭酸リチウムや水酸化アルミニウムを正極活物質層100質量部に対して1質量部以上含有させた実施例1~11においては、比較例1~6に比べて明らかに高い吸熱効果を奏することが分かった。
また、吸熱物質は正極層中の導電性層に含有されていても十分に吸熱効果を発揮できることがわかった。これらの結果から、これら実施例1~11においては電池の急激な発熱を十分に抑えることができる全固体二次電池が作製できたと考えられる。
From the results in Table 1, it was found that in Examples 1 to 11, in which an endothermic substance such as lithium carbonate or aluminum hydroxide was contained in the positive electrode layer at a rate of 1 part by mass or more per 100 parts by mass of the positive electrode active material layer, a significantly higher endothermic effect was observed compared to Comparative Examples 1 to 6.
Furthermore, it was found that the heat-absorbing material can exert a sufficient heat-absorbing effect even when it is contained in the conductive layer within the positive electrode layer. Based on these results, it is considered that all-solid-state secondary batteries capable of sufficiently suppressing rapid heat generation in the battery were fabricated in Examples 1 to 11.
正極層中に含有される吸熱物質の含有量が正極活物質層100質量部に対して30質量部以下であれば、正極層の充電容量を十分に維持することが出来ることがわかった。なお、前述した実施例には記載していないが吸熱物質を正極活物質層100質量部に対して、50質量部程度含有させた場合には、電池が作動しなった。これは正極活物質層中におけるリチウムイオン導電性や電子導電性に寄与しない吸熱物質の割合が多すぎたことがその原因ではないかと考えられる。 It was found that the charging capacity of the positive electrode layer can be sufficiently maintained if the amount of heat-absorbing material contained in the positive electrode layer is 30 parts by mass or less per 100 parts by mass of the positive electrode active material layer. Although not described in the above examples, when the heat-absorbing material was contained at approximately 50 parts by mass per 100 parts by mass of the positive electrode active material layer, the battery did not operate. This is thought to be because the proportion of heat-absorbing material in the positive electrode active material layer that does not contribute to lithium-ion conductivity or electronic conductivity was too high.
ここで説明した実施例及び比較例の全固体電池においては、その厚みの変化が体積変化を表しているが、表1の結果から変わるように、80℃の環境下に置いた場合の厚みは常温時(25℃)の場合に比べて1%以下となっており、ほとんど変化していないことが分かる。
一方で、参考例の液系のリチウムイオン二次電池においては、炭酸リチウムの含有量が正極活物質層100質量部に対して1質量部の場合であっても、80℃における体積変化が32%と非常に大きいことが分かる。
これらの結果から、液系の二次電池においては80℃程度の低温でも吸熱物質の分解反応が激しく起こるのに対して、本発明に係る全固体二次電池においては、80℃よりも高温になった場合には吸熱効果を十分に発揮しながらも、80℃程度の温度までは吸熱物質の分解が比較的緩やかであり、体積膨張による電池の変形を抑えることができることが分かった。
In the all-solid-state batteries of the examples and comparative examples described here, the change in thickness represents the change in volume. As can be seen from the results in Table 1, the thickness when placed in an environment of 80°C is less than 1% compared to when at room temperature (25°C), indicating that there is almost no change.
On the other hand, in the example of a liquid-type lithium-ion secondary battery, even when the lithium carbonate content is 1 part by mass per 100 parts by mass of the positive electrode active material layer, the volume change at 80°C is a very large 32%.
These results show that in liquid-based secondary batteries, the decomposition reaction of the endothermic substance occurs vigorously even at low temperatures of around 80°C, whereas in the all-solid-state secondary battery according to the present invention, while the endothermic effect is fully exerted at temperatures above 80°C, the decomposition of the endothermic substance is relatively gradual up to temperatures of around 80°C, and deformation of the battery due to volume expansion can be suppressed.
1、1a 全固体二次電池
10 正極層
11 正極集電体
12 正極活物質層
13 導電性層
20 負極層
21 負極集電体
22 負極活物質層
30 固体電解質層
1, 1a All-solid secondary battery 10 Positive electrode layer 11 Positive electrode current collector 12 Positive electrode active material layer 13 Conductive layer 20 Negative electrode layer 21 Negative electrode current collector 22 Negative electrode active material layer 30 Solid electrolyte layer
Claims (6)
前記正極層は、分解反応によって吸熱する吸熱物質、導電性物質、及び結着剤を含む導電性層をさらに備え、
前記導電性層は、前記正極集電体と前記正極活物質層との間に配置されるか、または前記正極集電体の前記正極活物質層が配置されている側とは反対側の面上に配置され、
前記導電性層における前記導電性物質の含有量が6質量%以上54質量%以下の範囲であり、
前記導電性層における前記結着剤の含有量が10質量%以上40質量%以下であり、
前記吸熱物質が、炭酸リチウムであることを特徴とする全固体二次電池。 The device comprises a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, wherein the positive electrode layer comprises a plate-shaped positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector,
The positive electrode layer further comprises a conductive layer containing an endothermic substance that absorbs heat through a decomposition reaction, a conductive substance, and a binder.
The conductive layer is disposed between the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer, or on the surface of the positive electrode current collector opposite to the side on which the positive electrode active material layer is disposed.
The content of the conductive material in the conductive layer is in the range of 6% by mass or more and 54% by mass or less.
The content of the binder in the conductive layer is 10% by mass or more and 40% by mass or less .
An all-solid-state secondary battery characterized in that the heat-absorbing substance is lithium carbonate .
前記導電性層に含有される前記吸熱物質の含有量は、前記正極活物質層に含有される前記吸熱物質と、前記導電性層に含有される前記吸熱物質の含有量の合計が、前記正極活物質層の総質量を100質量部とした場合の1質量部以上30質量部以下である、請求項1記載の全固体二次電池。 The heat-absorbing substance is further contained in the positive electrode active material layer,
The all-solid-state secondary battery according to claim 1, wherein the total amount of the heat-absorbing substance contained in the conductive layer is such that the sum of the amount of the heat-absorbing substance contained in the positive electrode active material layer and the amount of the heat-absorbing substance contained in the conductive layer is 1 part by mass or more and 30 parts by mass or less, when the total mass of the positive electrode active material layer is 100 parts by mass.
前記外装体がフィルム状のものである、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の全固体二次電池。 The exterior further comprises an outer casing that houses the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the solid electrolyte layer inside,
The all-solid-state secondary battery according to any one of claims 1 to 3 , wherein the outer casing is in the form of a film.
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