JP2024118761A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery.
リチウム二次電池は、高容量化を実現することができ、携帯電話やノートパソコン等のモバイルバッテリーから自動車用バッテリーや大型の電力貯蔵用バッテリーまで広く利用されている。 Lithium secondary batteries can achieve high capacities and are widely used in a variety of applications, from mobile batteries for mobile phones and laptops to automobile batteries and large-scale power storage batteries.
リチウム二次電池は、電極を構成する材料内にリチウムイオンを挿入、脱離することで充放電を行うリチウムイオン二次電池とは異なり、リチウム金属が析出、溶解することで充放電を行う(例えば、特許文献1)。リチウム金属は極めて卑な電位を有するため、リチウム二次電池は高い理論エネルギー密度を実現できると期待されている。 Unlike lithium ion secondary batteries, which charge and discharge by inserting and extracting lithium ions into and from the materials that make up the electrodes, lithium secondary batteries charge and discharge by depositing and dissolving lithium metal (see, for example, Patent Document 1). Because lithium metal has an extremely base potential, it is expected that lithium secondary batteries will be able to achieve a high theoretical energy density.
リチウム二次電池は、充電時に金属リチウムが析出する。金属リチウムは、析出開始点を根として樹状に析出する(デンドライトを形成する)場合がある。樹状に析出した金属リチウムは、リチウム二次電池の放電時に溶解する。樹状に析出した金属リチウムの枝の部分から金属リチウムが順に溶解すれば問題はないが、根元の部分が先に溶解する場合がある。この場合、根元を失った金属リチウムは電解液中に浮遊し、導通が取れなくなる。電解液中に浮遊する金属リチウムは、導通が取れないため、以降の充放電には寄与することができない。その結果、リチウム二次電池のサイクル特性は低減する。 In lithium secondary batteries, metallic lithium precipitates during charging. Metallic lithium may precipitate in a tree-like shape (forming a dendrite) with the starting point of precipitation as the root. Metallic lithium precipitated in a tree-like shape dissolves when the lithium secondary battery is discharged. There is no problem if the metallic lithium precipitated in a tree-like shape dissolves from the branches, but the root part may dissolve first. In this case, the metallic lithium that has lost its root floats in the electrolyte and loses conductivity. Metallic lithium floating in the electrolyte cannot be conductive and cannot contribute to subsequent charging and discharging. As a result, the cycle characteristics of the lithium secondary battery are reduced.
またリチウム二次電池の負極では、負極と電解液とが接することで負極表面に被膜が形成される副反応が生じる。この副反応では、電解液が分解する場合があり、この副反応もリチウム二次電池のサイクル特性の低下の原因となっている。 In addition, when the negative electrode of a lithium secondary battery comes into contact with the electrolyte, a side reaction occurs in which a coating is formed on the surface of the negative electrode. This side reaction may cause the electrolyte to decompose, and this side reaction also causes a decrease in the cycle characteristics of the lithium secondary battery.
電池のサイクル特性は重要なパラメータであり、特許文献1の方法に限らず、リチウム二次電池のサイクル特性を向上させる方法の開発が求められている。
The cycle characteristics of a battery are an important parameter, and there is a need to develop methods for improving the cycle characteristics of lithium secondary batteries, in addition to the method described in
本開示は上記問題に鑑みてなされたものであり、サイクル特性に優れたリチウム二次電池を提供することを目的とする。 This disclosure was made in consideration of the above problems, and aims to provide a lithium secondary battery with excellent cycle characteristics.
(1)第1の態様にかかるリチウム二次電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極とを隔てるセパレータと、前記セパレータと前記負極との間の少なくとも一部に配置された固体電解質層と、前記負極と前記正極の間のリチウムイオンの伝導を担う非水電解質と、を備える。前記固体電解質層は、ガーネット型構造の固体電解質を含む。前記固体電解質層の平均密度は、0.5g/cm3以上3.6g/cm3以下である。リチウム二次電池は、充電時に前記負極と前記固体電解質の間にリチウム金属が析出し、放電時に前記リチウム金属が溶解する。 (1) A lithium secondary battery according to a first aspect includes a positive electrode, a negative electrode, a separator separating the positive electrode and the negative electrode, a solid electrolyte layer disposed at least partially between the separator and the negative electrode, and a non-aqueous electrolyte responsible for conducting lithium ions between the negative electrode and the positive electrode. The solid electrolyte layer includes a solid electrolyte having a garnet structure. The average density of the solid electrolyte layer is 0.5 g/ cm3 or more and 3.6 g/ cm3 or less. In the lithium secondary battery, lithium metal precipitates between the negative electrode and the solid electrolyte during charging, and the lithium metal dissolves during discharging.
(2)上記態様にかかるリチウム二次電池において、前記固体電解質層の平均密度は、0.7g/cm3以上3.0g/cm3以下でもよい。 (2) In the lithium secondary battery according to the above aspect, the solid electrolyte layer may have an average density of 0.7 g/cm 3 or more and 3.0 g/cm 3 or less.
(3)上記態様にかかるリチウム二次電池において、前記固体電解質層の平均厚みは、5μm以上30μm以下でもよい。 (3) In the lithium secondary battery according to the above aspect, the average thickness of the solid electrolyte layer may be 5 μm or more and 30 μm or less.
(4)上記態様にかかるリチウム二次電池において、前記ガーネット型構造の固体電解質は、前記固体電解質層の90質量%以上98質量%以下を占めてもよい。 (4) In the lithium secondary battery according to the above aspect, the solid electrolyte having a garnet structure may account for 90% by mass or more and 98% by mass or less of the solid electrolyte layer.
(5)上記態様にかかるリチウム二次電池において、前記ガーネット型構造の固体電解質の平均粒径は、0.1μm以上10μm以下でもよい。 (5) In the lithium secondary battery according to the above aspect, the average particle size of the solid electrolyte having a garnet structure may be 0.1 μm or more and 10 μm or less.
(6)上記態様にかかるリチウム二次電池において、前記セパレータの前記固体電解質層と向き合う第1面の面積は、前記固体電解質層の前記セパレータと向き合う第2面の面積より大きくてもよい。 (6) In the lithium secondary battery according to the above aspect, the area of a first surface of the separator facing the solid electrolyte layer may be larger than the area of a second surface of the solid electrolyte layer facing the separator.
上記態様に係るリチウム二次電池用集電体によれば、サイクル特性に優れるリチウム二次電池を得ることができる。 The lithium secondary battery current collector according to the above embodiment can provide a lithium secondary battery with excellent cycle characteristics.
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、その要旨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 present embodiment will be described in detail below with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may show enlarged characteristic parts for the sake of convenience in order to make the features of the present invention easier to understand, and the dimensional ratios of each component may differ from the actual ones. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to them, and may be modified as appropriate within the scope of the present invention.
「第1実施形態」
[リチウム二次電池]
図1は、第1実施形態にかかるリチウム二次電池の断面模式図である。図1に示すリチウム二次電池100は、発電素子50と、外装体60と、端子70、72と、非水電解質と、を備える。外装体60は、発電素子50の周囲を被覆し、発電素子50を収容する。発電素子50は、発電素子50に接続された一対の端子70、72によって外部と接続される。非水電解液は、外装体60内に収容されている。図1では、外装体60内に発電素子50が一つの場合を例示したが、発電素子50が複数積層されていてもよい。
"First embodiment"
[Lithium secondary battery]
Fig. 1 is a cross-sectional schematic diagram of a lithium secondary battery according to a first embodiment. The lithium
(発電素子)
発電素子50は、セパレータ10と正極20と負極30と固体電解質層40とを備える。セパレータ10は、正極20と負極30との間にある。固体電解質層40は、セパレータ10と負極30との間の少なくとも一部にある。発電素子50は、セパレータ10と正極20と負極30と固体電解質層40とが積層された積層体でも、これらの積層体を巻回した巻回体でもよい。
(Power generation element)
The
<正極>
正極20は、例えば、正極集電体22と正極活物質層24とを有する。正極活物質層24は、正極集電体22の少なくとも一面に接する。正極活物質層24は、正極集電体22の両面に形成されていてもよい。
<Positive electrode>
The
[正極集電体]
正極集電体22は、例えば、導電性の板材である。正極集電体22は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、ステンレス等の金属薄板である。重量が軽いアルミニウムは、正極集電体22に好適に用いられる。正極集電体22の平均厚みは、例えば、10μm以上30μm以下である。
[Positive electrode current collector]
The positive electrode
[正極活物質層]
正極活物質層24は、例えば、正極活物質を含む。正極活物質層24は、必要に応じて、導電助剤、バインダーを含んでもよい。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode
正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンとカウンターアニオンのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能な電極活物質を含む。 The positive electrode active material includes an electrode active material that can reversibly absorb and release lithium ions, remove and insert lithium ions (intercalation), or dope and dedope lithium ions and counter anions.
正極活物質は、例えば、複合金属酸化物である。複合金属酸化物は、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzMaO2の化合物(一般式中においてx+y+z+a=1、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1、0≦a<1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、LiNixCoyAlzO2(0.9<x+y+z<1.1)である。正極活物質は、有機物でもよい。例えば、正極活物質は、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセンでもよい。 The positive electrode active material is, for example, a composite metal oxide. Examples of the composite metal oxide include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMnO 2 ), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), and a compound of the general formula: LiNi x Co y Mn z M a O 2 (wherein x + y + z + a = 1, 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1, 0 ≤ a < 1, and M is one or more elements selected from Al, Mg, Nb, Ti, Cu, Zn, and Cr), a lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), an olivine-type LiMPO 4 (wherein M is one or more elements selected from Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, Ti, Al, and Zr, or VO), and a lithium titanate (Li 4 Ti5O12 ), LiNixCoyAlzO2 (0.9<x+y+z< 1.1 ). The positive electrode active material may be an organic material. For example, the positive electrode active material may be polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, or polyacene.
正極活物質は、例えば、ニッケル、コバルト、マンガン、アルミニウムからなる群から選択されるいずれかを含むものでもよい。正極活物質は、例えば、ニッケル、コバルト、マンガン、アルミニウムからなる群から選択されるいずれかを含む三元系化合物である。ニッケル・コバルト・マンガン酸リチウム(NCM)、ニッケル・コバルト・アルミニウム酸リチウム(NCA)は、三元系化合物の例である。三元系化合物は、高電位でも使用できる。 The positive electrode active material may include, for example, any one selected from the group consisting of nickel, cobalt, manganese, and aluminum. The positive electrode active material may be, for example, a ternary compound including any one selected from the group consisting of nickel, cobalt, manganese, and aluminum. Nickel-cobalt-manganese lithium oxide (NCM) and nickel-cobalt-aluminum lithium oxide (NCA) are examples of ternary compounds. Ternary compounds can also be used at high potentials.
正極活物質は、リチウム非含有の材料でもよい。リチウム非含有の材料は、例えば、FeF3、有機導電性物質を含む共役系ポリマー、シェブレル相化合物、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物、ニオブ酸化物等である。リチウム非含有の材料は、いずれか一つの材料のみを用いてもよいし、複数組み合わせて用いてもよい。正極活物質がリチウム非含有の材料の場合は、例えば、最初に放電を行う。放電により正極活物質にリチウムが挿入される。このほか、正極活物質がリチウム非含有の材料に対して、化学的又は電気化学的にリチウムをプレドープしてもよい。 The positive electrode active material may be a lithium-free material. Examples of the lithium-free material include FeF 3 , conjugated polymers containing organic conductive materials, Chevrel phase compounds, transition metal chalcogenides, vanadium oxides, and niobium oxides. The lithium-free material may be any one of the materials or a combination of a plurality of materials. When the positive electrode active material is a lithium-free material, for example, discharge is performed first. Lithium is inserted into the positive electrode active material by discharging. In addition, lithium may be pre-doped chemically or electrochemically into the lithium-free positive electrode active material.
導電助剤は、正極活物質の間の電子伝導性を高める。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。導電性酸化物は、例えば、インジウム-スズ-酸化物(ITO)である。 The conductive additive enhances the electronic conductivity between the positive electrode active materials. The conductive additive is, for example, carbon powder, carbon nanotubes, carbon material, metal powder, a mixture of carbon material and metal powder, or conductive oxide. The carbon powder is, for example, carbon black, acetylene black, ketjen black, etc. The metal powder is, for example, copper, nickel, stainless steel, iron, etc. The conductive oxide is, for example, indium tin oxide (ITO).
正極活物質層24における導電助剤の含有率は特に限定されない。例えば、正極活物質、導電助剤、バインダーの総質量に対して導電助剤の含有率は、0.5質量%以上20質量%以下であり、好ましくは1質量%以上5質量%以下である。
The content of the conductive assistant in the positive electrode
正極活物質層24におけるバインダーは、正極活物質同士を結合する。バインダーは、公知のものを用いることができる。バインダーは、電解液に溶解せず、耐酸化性を有し、接着性を有するものが好ましい。バインダーは、例えば、フッ素樹脂である。バインダーは、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリアクリル酸及びその共重合体、ポリアクリル酸及びその共重合体の金属イオン架橋体、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレン(PP)又はポリエチレン(PE)、これらの混合物である。正極活物質層に用いるバインダーは、PVDFが特に好ましい。
The binder in the positive electrode
正極活物質層24におけるバインダーの含有率は特に限定されない。例えば、正極活物質、導電助剤、バインダーの総質量に対してバインダーの含有率は、1質量%以上15質量%以下であり、好ましくは1.5質量%以上5質量%以下である。バインダーの含有率が少ないと、正極20の接着強度が弱まる。バインダーの含有率が高いと、バインダーは電気化学的に不活性で放電容量に寄与しないため、リチウム二次電池100のエネルギー密度が低くなる。
The binder content in the positive electrode
<負極>
負極30は、負極集電体を有する。負極集電体は、電気伝導性に優れる金属を含む。電気伝導性に優れる金属は、例えば、銅、ニッケル、アルミ、鉄、白金、金等である。また負極集電体に用いる金属は、リチウムと合金を作りにくい材料であることが好ましい。例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス、白金及びこれらの合金は、リチウムと合金を作りにくい。負極集電体は、例えば、銅である。
<Negative Electrode>
The
リチウム二次電池100の充電過程において、負極集電体の表面には、リチウム金属が析出する。リチウム二次電池100の放電過程において、負極集電体の表面に析出したリチウム金属は、非水電解質中に溶解する。すなわち、リチウム二次電池の充電時において、負極30は、負極集電体とリチウム金属とを含む。また充放電に寄与するリチウム量が不足することに備えて、充放電前の初期状態から負極集電体のセパレータ10側の一面にリチウム箔を設けてもよい。
During the charging process of the lithium
<セパレータ>
セパレータ10は、正極20と負極30とに挟まれる。セパレータ10は、正極20と負極30とを隔てる。セパレータ10は、正極20と負極30との短絡を防ぐ。セパレータ10は、正極20及び負極30に沿って面内に広がる。リチウムイオンは、セパレータ10を通過できる。
<Separator>
The
セパレータ10は、例えば、電気絶縁性の多孔質構造を有する。セパレータ10は、例えば、ポリオレフィンフィルムの単層体、積層体である。セパレータ10は、ポリエチレンやポリプロピレン等の混合物の延伸膜でもよい。セパレータ10は、セルロース、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリエチレン及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布でもよい。セパレータ10は、無機コートセパレータでもよい。無機コートセパレータは、上記のフィルムの表面に、PVDFやCMCなど樹脂とアルミナやシリカなどの無機物の混合物を塗布したものである。無機コートセパレータは、耐熱性に優れ、正極から溶出した遷移金属の負極表面への析出を抑制する。
The
<固体電解質層>
固体電解質層40は、セパレータ10と負極30と間の少なくとも一部に配置されている。固体電解質層40は、例えば、リチウム金属を挟んで負極30と接する。また固体電解質層40は、例えば、負極30と接してもよい。
<Solid electrolyte layer>
The
固体電解質層40は、例えば、負極30のセパレータ10側の一面に形成されている。固体電解質層40は、負極30と非水電解液との直接的な接触を阻害する。
The
固体電解質層40は、固体電解質を含む。固体電解質層は、電解液を通さず、リチウムイオンのみを通過させる。固体電解質は、例えば、酸化物系固体電解質である。
The
固体電解質は、ガーネット型構造の結晶構造を有する。ガーネット型構造の固体電解質は、例えば、Li7La3Zr2O12、Li(7-3x)AlxLa3Zr2O12(0<x≦0.5)、Li(7-x)La3Zr(2-x)TaxO12(0<x≦1)、Li7La(3-x)YxZr2O12(0<x≦1.5)、Li(7-x)La3Zr(2-x)NbxO12(0<x≦1)、Li(7-2x)La3Zr(2-x)WxO12(0<x≦1)である。ガーネット型構造の固体電解質は、好ましくは、Li6.25Al0.25La3Zr2O12、Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12、Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12である。固体電解質層40は、ガーネット型構造の結晶構造の固体電解質以外の固体電解質を含んでもよい。 The solid electrolyte has a crystal structure of a garnet type structure. Examples of the solid electrolyte of the garnet type structure are Li7La3Zr2O12 , Li (7-3x)AlxLa3Zr2O12 ( 0<x≦0.5), Li (7-x) La3Zr (2-x)TaxO12 ( 0 <x≦ 1 ) , Li7La ( 3-x) YxZr2O12 (0<x≦1.5), Li (7-x) La3Zr ( 2 - x) NbxO12 ( 0 <x≦ 1 ), and Li (7-2x) La3Zr (2-x) WxO12 (0<x≦1). The solid electrolyte having a garnet type structure is preferably Li6.25Al0.25La3Zr2O12 , Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12, or Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12 . The solid electrolyte layer 40 may include a solid electrolyte other than a solid electrolyte having a garnet type crystal structure.
ガーネット型構造の固体電解質の平均粒径は、例えば、0.1μm以上10μm以下である。平均粒径が小さいほど、固体電解質間の粒界が増える。粒界は、リチウムのイオン伝導を阻害する恐れがある。平均粒径が大きい程、固体電解質間の接触面積が低下する恐れがあり、リチウムイオン伝導を阻害する恐れがある。 The average particle size of the solid electrolyte with a garnet structure is, for example, 0.1 μm or more and 10 μm or less. The smaller the average particle size, the more grain boundaries there are between the solid electrolytes. The grain boundaries may inhibit the ion conduction of lithium. The larger the average particle size, the more the contact area between the solid electrolytes may decrease, which may inhibit the lithium ion conduction.
固体電解質の平均粒径は、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡の断面画像で確認される少なくとも100個の固体電解質粒子の粒径をそれぞれ測定することで求められる。具体的には、100個の固体電解質粒子のそれぞれの粒径を測定し、粒径の頻度をグラフ化し、最頻値を平均粒子径とする。粒子の形状が不定形の場合は、長軸の径を平均粒子径の算出に用いる。断面画像から求められる粒径は、粒度分布測定装置を用いて測定される粒子径と概ね一致する。 The average particle size of the solid electrolyte is determined by measuring the particle size of at least 100 solid electrolyte particles observed in cross-sectional images taken with a scanning electron microscope or a transmission electron microscope. Specifically, the particle size of each of the 100 solid electrolyte particles is measured, the frequency of particle sizes is graphed, and the most frequent value is taken as the average particle size. If the particles are irregular in shape, the diameter of the major axis is used to calculate the average particle size. The particle size determined from the cross-sectional image roughly coincides with the particle size measured using a particle size distribution measuring device.
固体電解質層40は、例えば、固体電解質以外にバインダー等を含む。バインダーは、上述のものと同様のものを用いることができる。ガーネット型構造の固体電解質は、例えば、固体電解質層40の90質量%以上98質量%以下を占めることが好ましい。固体電解質層40における固体電解質の比率が少ないと、リチウムイオンの伝導性が低下する。また固体電解質層40における固体電解質の比率が高いと、固体電解質層40にクラック等が生じやすくなる。非水電解液がクラックを介して負極30に至ると、負極30と電解液の副反応が生じ、リチウム二次電池100のサイクル特性が低下する。
The
固体電解質層40の平均密度は、0.5g/cm3以上3.6g/cm3以下である。固体電解質層40の平均密度は、好ましくは、0.7g/cm3以上3.0g/cm3以下である。固体電解質層40の平均密度が低いと、非水電解液が負極30に至り、負極30と電解液との副反応が生じ、リチウム二次電池100のサイクル特性が低下する。これに対し、固体電解質層40の平均密度が高いと、固体電解質層40の空孔中に存在する非水電解質がイオン伝導をアシストするという機能が失われてしまう。
The average density of the
セパレータ10の固体電解質層40と向き合う第1面S1の面積は、例えば、固体電解質層40のセパレータ10と向き合う第2面S2の面積より大きい。発電素子50の積層方向から見て、第2面S1は、第1面S1に包含される。セパレータの面積S1が固体電解質層の面積S2よりも大きいことで、セパレータ10が固体電解質層40と正極20を確実に覆うことができ、発電素子50の安全性が向上する。また積層方向から見た際の負極30の面積は、例えば固体電解質層40の第2面S2より大きいことが好ましく、例えば固体電解質層40の第2面S2の100%以上105%以下であることが好ましい。
The area of the first surface S1 of the
固体電解質層40の平均厚みは、例えば、5μm以上30μm以下である。固体電解質層40の平均厚みは、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡の断面画像から固体電解質層40が広がる面内の異なる10点の膜厚を測定し、平均化することで求められる。固体電解質層40の厚みが薄いと、固体電解質層40にクラック等が生じた際に、非水電解液が負極30側に至る可能性が高まる。また固体電解質層40の厚みが厚すぎると、固体電解質層40のリチウムイオンの伝導度は非水電解液のリチウムイオンの伝導度より劣るため、リチウム二次電池100の素子抵抗が増加する。
The average thickness of the
<非水電解質>
非水電解質は、外装体60内に封入され、発電素子50内に含浸されている。非水電解質は、例えば、液系の電解液である。電解液は、例えば、非水溶媒と電解塩とを有する。電解塩は、非水溶媒に溶解している。
<Non-aqueous electrolyte>
The non-aqueous electrolyte is enclosed in the
溶媒は、一般にリチウムイオン二次電池に用いられている溶媒であれば特に限定はない。溶媒は、例えば、環状カーボネート化合物、鎖状カーボネート化合物、環状エステル化合物、鎖状エステル化合物、鎖状エーテル化合物のいずれかを含む。溶媒は、これらを任意の割合で混合して含んでもよい。環状カーボネート化合物は、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、フルオロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等である。鎖状カーボネート化合物は、例えば、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等である。環状エステル化合物は、例えば、γ-ブチロラクトン等である。鎖状エステル化合物は、例えば、プロピオン酸プロピル、プロピオン酸エチル、酢酸エチル等である。鎖状エーテル化合物は、例えば、エチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル等である。 The solvent is not particularly limited as long as it is a solvent generally used in lithium ion secondary batteries. The solvent includes, for example, any of a cyclic carbonate compound, a chain carbonate compound, a cyclic ester compound, a chain ester compound, and a chain ether compound. The solvent may include a mixture of these in any ratio. Examples of the cyclic carbonate compound include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), fluoroethylene carbonate, vinylene carbonate, and the like. Examples of the chain carbonate compound include diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), and the like. Examples of the cyclic ester compound include γ-butyrolactone, and the like. Examples of the chain ester compound include propyl propionate, ethyl propionate, ethyl acetate, and the like. Examples of the chain ether compound include ethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, and the like.
電解塩は、例えば、リチウム塩である。電解質は、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3、LiCF3CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB、LiN(FSO2)2等である。リチウム塩は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。電離度の観点から、電解質はLiPF6を含むことが好ましい。カーボネート溶媒中の室温における電解塩の乖離度は10%以上であることが好ましい。 The electrolytic salt is, for example, a lithium salt. The electrolyte is, for example, LiPF6 , LiClO4 , LiBF4 , LiCF3SO3 , LiCF3CF2SO3, LiC(CF3SO2)3, LiN(CF3SO2)2, LiN(CF3CF2SO2 ) 2 , LiN ( CF3SO2 ) ( C4F9SO2 ) , LiN ( CF3CF2CO ) 2 , LiBOB, LiN( FSO2 ) 2 , etc. The lithium salt may be used alone or in combination of two or more. From the viewpoint of the degree of ionization , it is preferable that the electrolyte contains LiPF6 . The dissociation rate of the electrolytic salt in a carbonate solvent at room temperature is preferably 10% or more.
電解液は、例えば、カーボネート溶媒にLiPF6を溶解させたものが好ましい。LiPF6の濃度は、例えば、1mol/Lである。ポリイミド樹脂が芳香族を多く含む場合、ポリイミド樹脂がソフトカーボンのような充電挙動を示すことがある。電解液が、環状カーボネートを含むカーボネート電解液溶媒の場合、均一にポリイミドにリチウムを反応させることができる。この場合、環状カーボネートは、エチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネートが好ましい。 The electrolyte is preferably, for example, LiPF 6 dissolved in a carbonate solvent. The concentration of LiPF 6 is, for example, 1 mol/L. When the polyimide resin contains a large amount of aromatics, the polyimide resin may exhibit a charging behavior similar to that of soft carbon. When the electrolyte is a carbonate electrolyte solvent containing a cyclic carbonate, lithium can be reacted with the polyimide uniformly. In this case, the cyclic carbonate is preferably ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, or vinylene carbonate.
<外装体>
外装体60は、その内部に発電素子50及び非水電解質を密封する。外装体60は、非水電解液の外部への漏出や、外部からのリチウム二次電池100内部への水分等の侵入等を抑止する。
<Exterior body>
The
外装体60は、例えば図1に示すように、金属箔62と、金属箔62の各面に積層された樹脂層64と、を有する。外装体60は、金属箔62を高分子膜(樹脂層64)で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムである。
As shown in FIG. 1, the
金属箔62としては例えばアルミ箔を用いることができる。樹脂層64には、ポリプロピレン等の高分子膜を利用できる。樹脂層64を構成する材料は、内側と外側とで異なっていてもよい。例えば、外側の材料としては融点の高い高分子、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド(PA)等を用い、内側の高分子膜の材料としてはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等を用いることができる。
The
<端子>
端子72、70は、それぞれ正極20と負極30とに接続されている。正極20に接続された端子72は正極端子であり、負極30に接続された端子70は負極端子である。端子70、72は、発電素子50と外部との電気的接続を担う。端子70、72は、アルミニウム、ニッケル、銅等の導電材料から形成されている。接続方法は、溶接でもネジ止めでもよい。端子70、72は短絡を防ぐために、絶縁テープで保護することが好ましい。
<Terminals>
The
[リチウム二次電池の製造方法]
本実施形態にかかるリチウム二次電池100の製造方法について説明する。まず正極20及び負極30を作製する。
[Method of manufacturing lithium secondary battery]
A method for manufacturing the lithium
正極20は、正極集電体22上に正極活物質を含む塗料を塗布、乾燥して作製する。正極活物質を含む塗料は、正極活物質、バインダー及び溶媒を含み、必要に応じて導電助剤が混合されている。溶媒には、例えば、水、N-メチル-2-ピロリドン等を用いることができる。
The
塗料における正極活物質、導電材、バインダーの構成比率は、質量比で80wt%~98wt%:0.1wt%~10wt%:0.1wt%~10wt%であることが好ましい。これらの質量比は、全体で100wt%となるように調整される。塗料を構成する成分の混合方法は特に制限されず、混合順序もまた特に制限されない。 The composition ratio of the positive electrode active material, conductive material, and binder in the paint is preferably 80 wt% to 98 wt%: 0.1 wt% to 10 wt%: 0.1 wt% to 10 wt% by mass. These mass ratios are adjusted so that the total is 100 wt%. There are no particular restrictions on the method of mixing the components that make up the paint, and there are no particular restrictions on the mixing order either.
作製した塗料を、正極集電体22に塗布する。塗布方法としては、特に制限はなく、通常電極を作製する場合に採用される方法を用いることができる。例えば、スリットダイコート法、ドクターブレード法が挙げられる。
The prepared paint is applied to the positive electrode
続いて、正極集電体22に塗布された塗料中の溶媒を除去する。除去方法は特に限定されない。例えば、塗料が塗布された正極集電体22を、80℃以上150℃以下の雰囲気下で乾燥させればよい。そして、正極集電体22上に正極活物質層24が形成された正極20が得られる。
Then, the solvent in the paint applied to the
負極30は、市販の負極集電体を用いることができる。負極集電体の一面にリチウム金属箔を貼り付けてもよい。セパレータ10は公知のものを用いることができる。固体電解質層40は、ガーネット型の構造の固体電解質の粉末とバインダーとを混合したペーストを負極30の一面に塗布し、溶媒除去、加圧を行うことで作製できる。加圧条件を変更することで、固体電解質層40の平均密度を調整できる。
A commercially available negative electrode current collector can be used for the
そして、負極30の固体電解質層40が形成されている面をセパレータ10側となるように、正極20と負極30とでセパレータを挟む。正極20及び負極30が複数層ある場合は、正極20と負極30との間に固体電解質層40及びセパレータ10が配置されるように、これらを積層する。
Then, the separator is sandwiched between the
次いで、作製された発電素子50を外装体60内に封入する。非水電解質は外装体60内に注入する。非水電解液を注入後に減圧、加熱等を行うことで、発電素子50内に非水電解質が含浸する。熱等を加えて外装体60を封止することで、リチウム二次電池100が得られる。なお、外装体60に電解液を注入するのではなく、発電素子50を電解液に含浸してもよい。発電素子への注液後は、24時間静置することが好ましい。
Next, the produced
本実施形態に係るリチウム二次電池100は、サイクル特性に優れる。図2は、リチウム二次電池100の充放電時における負極30近傍の状態を示す。図2は、リチウム二次電池100の初期状態1と充電状態2と放電状態3のイメージ図である。
The lithium
リチウム二次電池100の初期状態1において、負極30と固体電解質層40とは接している。リチウム二次電池100に対して充電処理を行うと、初期状態1から充電状態2となる。充電状態2では、負極30と固体電解質層40との間にリチウム金属80が析出する。リチウム金属80は、固体電解質層40があることで、局所的に析出しにくく、デンドライトが生じにくい。
In the
次いで、リチウム二次電池100に対して放電処理を行うと、充電状態2から放電状態3となる。放電状態3では、充電時に析出したリチウム金属80が溶解する。リチウム金属80は、全てが溶解せず、一部が残る。以降の充放電では、充電状態2と放電状態3とが繰り返される。
Next, when the lithium
リチウムイオンは固体電解質層40を通過することができるが、非水電解質は固体電解質層40を通過することができない。そのため、リチウム二次電池100の充放電過程において、電解液と負極30との直接的な接触は抑制されている。電解液と負極30とが直接的に接触すると、電解液を分解させる副反応が生じる。
Lithium ions can pass through the
上述のように、本実施形態に係るリチウム二次電池100は、充電時におけるリチウム金属の局所的な析出が抑制され、かつ、電解液と負極30との直接的な接触が抑制されているため、サイクル特性に優れる。
As described above, the lithium
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、本発明の趣旨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。 The above describes the embodiments of the present invention in detail with reference to the drawings, but each configuration and their combinations in each embodiment are merely examples, and additions, omissions, substitutions, and other modifications of configurations are possible without departing from the spirit of the present invention.
(実施例1)
まず正極を準備した。正極活物質としてNCM(組成式:LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)、導電材としてカーボンブラック、バインダーとしてPVDFを準備した。これらを溶媒中で混合し、塗料を作製し、アルミ箔からなる正極集電体上に塗布した。正極活物質と導電材とバインダーの質量比は、95:2:3とした。塗布後に、溶媒は除去した。
Example 1
First, a positive electrode was prepared. NCM (composition formula: LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 ) was prepared as a positive electrode active material, carbon black as a conductive material, and PVDF as a binder. These were mixed in a solvent to prepare a paint, which was then applied onto a positive electrode current collector made of aluminum foil. The mass ratio of the positive electrode active material, conductive material, and binder was 95:2:3. After application, the solvent was removed.
次いで負極を準備した。負極は、集電体として銅箔を用いた。そして銅箔表面に、ガーネット型構造の固体電解質Li6.25Al0.25La3Zr2O12とバインダーとが質量比で95質量%:5質量%の割合で混合したペーストを塗布した。固体電解質の平均粒径は、1μmとした。固体電解質の平均粒径は、粒度分布測定装置を用いて測定した。そして、塗布したペーストを乾燥、加圧して、平均密度が1.1g/cm3、平均厚み15μmの固体電解質層を形成した。 Next , a negative electrode was prepared. The negative electrode used a copper foil as a current collector. A paste in which a garnet-type solid electrolyte Li6.25Al0.25La3Zr2O12 and a binder were mixed in a mass ratio of 95 mass%:5 mass% was applied to the copper foil surface. The average particle size of the solid electrolyte was set to 1 μm. The average particle size of the solid electrolyte was measured using a particle size distribution measuring device. The applied paste was then dried and pressed to form a solid electrolyte layer with an average density of 1.1 g/ cm3 and an average thickness of 15 μm.
そして作製された正極と負極とをセパレータを介して積層し発電素子を作製した。固体電解質層は、負極とセパレータとの間に位置するように積層した。正極と負極の積層数は1層とした。セパレータには、ポリエチレンとポリプロピレンの積層体を用いた。得られた発電素子を電解液に含浸させてから外装体内に封入した。電解液にはエチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=3:7(体積比)混合液に、1mol/Lの濃度となるように六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させたものを用いた。そして得られたリチウム二次電池の充放電を行い、サイクル特性を測定した。 The prepared positive and negative electrodes were then stacked with a separator between them to prepare a power generating element. The solid electrolyte layer was stacked so that it was located between the negative electrode and the separator. The number of stacked positive and negative electrodes was one. A laminate of polyethylene and polypropylene was used for the separator. The obtained power generating element was impregnated with an electrolyte solution and then enclosed in an exterior body. The electrolyte solution used was a mixture of ethylene carbonate (EC):diethyl carbonate (DEC) = 3:7 (volume ratio) in which lithium hexafluorophosphate (LiPF6) was dissolved to a concentration of 1 mol/L. The obtained lithium secondary battery was then charged and discharged to measure the cycle characteristics.
サイクル特性は、二次電池充放電電池試験装置(北斗電工株式会社製)を用いて測定した。サイクル特性は、25℃の環境下で評価した。サイクル特性は、1/3Cで4.3Vまで定電流定電圧充電し、1Cで3.0Vまで定電流放電する充放電サイクルを1サイクルとして、放電容量が初期の放電容量の70%以下となるサイクル数を求めた。 The cycle characteristics were measured using a secondary battery charge/discharge battery tester (manufactured by Hokuto Denko Corporation). The cycle characteristics were evaluated in an environment of 25°C. The cycle characteristics were evaluated by determining the number of cycles at which the discharge capacity became 70% or less of the initial discharge capacity, with one charge/discharge cycle being a constant current/constant voltage charge at 1/3C to 4.3V, and a constant current discharge at 1C to 3.0V.
(実施例2、3)
実施例2、3は、固体電解質層の平均密度を変更した点が実施例1と異なる。各構成の評価結果を、表1に示す。実施例2、3において、表1に示す条件以外は、実施例1と同様としてサイクル特性を求めた。
(Examples 2 and 3)
Examples 2 and 3 differ from Example 1 in that the average density of the solid electrolyte layer was changed. The evaluation results of each configuration are shown in Table 1. In Examples 2 and 3, the cycle characteristics were obtained in the same manner as in Example 1 except for the conditions shown in Table 1.
(実施例4、5)
実施例4、5は、固体電解質層の平均厚みを変更した点が実施例1と異なる。各構成の評価結果を、表1に示す。実施例4、5において、表1に示す条件以外は、実施例1と同様としてサイクル特性を求めた。
(Examples 4 and 5)
Examples 4 and 5 differ from Example 1 in that the average thickness of the solid electrolyte layer was changed. The evaluation results of each configuration are shown in Table 1. In Examples 4 and 5, the cycle characteristics were determined in the same manner as in Example 1 except for the conditions shown in Table 1.
(実施例6~8)
実施例6~8は、固体電解質層における固体電解質とバインダーの重量比を変更した点が実施例1と異なる。各構成の評価結果を、表1に示す。実施例6~8において、表1に示す条件以外は、実施例1と同様としてサイクル特性を求めた。
(Examples 6 to 8)
Examples 6 to 8 differ from Example 1 in that the weight ratio of the solid electrolyte to the binder in the solid electrolyte layer was changed. The evaluation results of each configuration are shown in Table 1. In Examples 6 to 8, the cycle characteristics were determined in the same manner as in Example 1, except for the conditions shown in Table 1.
(実施例9)
実施例9は、固体電解質層の平均密度を変更した点が実施例1と異なる。各構成の評価結果を、表1に示す。実施例9において、表1に示す条件以外は、実施例1と同様としてサイクル特性を求めた。
Example 9
Example 9 differs from Example 1 in that the average density of the solid electrolyte layer was changed. The evaluation results of each configuration are shown in Table 1. In Example 9, the cycle characteristics were obtained in the same manner as in Example 1 except for the conditions shown in Table 1.
(比較例1)
比較例1は、負極の一面に固体電解質層を形成しなかった点が実施例1と異なる。各構成の評価結果を、表1に示す。比較例1において、表1に示す条件以外は、実施例1と同様としてサイクル特性を求めた。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 differs from Example 1 in that no solid electrolyte layer was formed on one side of the negative electrode. The evaluation results of each configuration are shown in Table 1. In Comparative Example 1, the cycle characteristics were determined in the same manner as in Example 1 except for the conditions shown in Table 1.
(比較例2)
比較例2は、セパレータを設けなかった点が実施例1と異なる。各構成の評価結果を、表1に示す。比較例2において、表1に示す条件以外は、実施例1と同様としてサイクル特性を求めた。
(Comparative Example 2)
Comparative Example 2 differs from Example 1 in that no separator was provided. The evaluation results of each configuration are shown in Table 1. In Comparative Example 2, the cycle characteristics were determined in the same manner as in Example 1 except for the conditions shown in Table 1.
(比較例3)
比較例3は、固体電解質層を構成する固体電解質をNASICON型のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3に変更した点が実施例1と異なる。各構成の評価結果を、表1に示す。比較例3において、表1に示す条件以外は、実施例1と同様としてサイクル特性を求めた。
(Comparative Example 3)
Comparative Example 3 differs from Example 1 in that the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer was changed to NASICON type Li1.3Al0.3Ti1.7 ( PO4 ) 3 . The evaluation results of each configuration are shown in Table 1. In Comparative Example 3, the cycle characteristics were obtained in the same manner as in Example 1 except for the conditions shown in Table 1.
(比較例4、5)
比較例4、5は、固体電解質層の平均密度を変更した点が実施例1と異なる。各構成の評価結果を、表1に示す。実施例4、5において、表1に示す条件以外は、実施例1と同様としてサイクル特性を求めた。
(Comparative Examples 4 and 5)
Comparative Examples 4 and 5 differ from Example 1 in that the average density of the solid electrolyte layer was changed. The evaluation results of each configuration are shown in Table 1. In Examples 4 and 5, the cycle characteristics were obtained in the same manner as in Example 1 except for the conditions shown in Table 1.
実施例1~9はいずれも、比較例1~5よりサイクル特性が優れていた。比較例2と比較例4は、電池として適切に機能せず、サイクル特性を測定することができなかった。 All of Examples 1 to 9 had better cycle characteristics than Comparative Examples 1 to 5. Comparative Examples 2 and 4 did not function properly as batteries, and the cycle characteristics could not be measured.
10…セパレータ、20…正極、22…正極集電体、24…正極活物質層、30…負極、40…固体電解質層、50…発電素子、60…外装体、70,72…端子、80…リチウム金属、100…リチウム二次電池、1…初期状態、2…充電状態、3…放電状態 10...separator, 20...positive electrode, 22...positive electrode current collector, 24...positive electrode active material layer, 30...negative electrode, 40...solid electrolyte layer, 50...power generating element, 60...exterior body, 70, 72...terminal, 80...lithium metal, 100...lithium secondary battery, 1...initial state, 2...charging state, 3...discharging state
Claims (6)
負極と、
前記正極と前記負極とを隔てるセパレータと、
前記セパレータと前記負極との間の少なくとも一部に配置された固体電解質層と、
前記負極と前記正極の間のリチウムイオンの伝導を担う非水電解質と、を備え、
前記固体電解質層は、ガーネット型構造の固体電解質を含み、
前記固体電解質層の平均密度は、0.5g/cm3以上3.6g/cm3以下であり、
充電時に前記負極と前記固体電解質の間にリチウム金属が析出し、放電時に前記リチウム金属が溶解する、リチウム二次電池。 A positive electrode and
A negative electrode;
a separator separating the positive electrode and the negative electrode;
a solid electrolyte layer disposed at least partially between the separator and the negative electrode;
A non-aqueous electrolyte that is responsible for conducting lithium ions between the negative electrode and the positive electrode,
the solid electrolyte layer includes a solid electrolyte having a garnet structure,
The average density of the solid electrolyte layer is 0.5 g/ cm3 or more and 3.6 g/ cm3 or less,
A lithium secondary battery, wherein lithium metal is precipitated between the negative electrode and the solid electrolyte during charging, and the lithium metal dissolves during discharging.
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