JP7609828B2 - 電極、全固体電池、および電極の製造方法 - Google Patents
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Description
Li6-nxMxF6 …(2)
上記式(2)中、xは、0<x<2を満たす。Mは、半金属原子と、Liを除く金属原子とからなる群より選択される少なくとも1種である。nは、Mの酸化数を示す。
(a)複合粒子とイミダゾリン系化合物と分散媒とを含むスラリーを準備する。
(b)スラリーを塗布することにより、活物質層を形成する。
複合粒子は、コア粒子と被覆層とを含む。被覆層は、コア粒子の表面の少なくとも一部を被覆している。コア粒子は、活物質を含む。被覆層は、第1層と第2層とを含む。第1層の少なくとも一部は、コア粒子と第2層との間に配置されている。第1層は、第1固体電解質を含む。第2層は、第2固体電解質を含む。第1固体電解質は、フッ化物である。第2固体電解質は、硫化物である。
(a1)イミダゾリン系化合物と分散媒とを含む第1スラリーを準備する。
(a2)第1スラリーに複合粒子を分散させることにより、第2スラリーを準備する。
「備える」、「含む」、「有する」、および、これらの変形(例えば「から構成される」等)の記載は、オープンエンド形式である。オープンエンド形式は必須要素に加えて、追加要素をさらに含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。「からなる」との記載はクローズド形式である。ただしクローズド形式であっても、通常において付随する不純物であったり、本開示技術に無関係であったりする付加的な要素は排除されない。「実質的に…からなる」との記載はセミクローズド形式である。セミクローズド形式においては、本開示技術の基本的かつ新規な特性に実質的に影響しない要素の付加が許容される。
電極は、活物質層を含む。電極は、例えば、基材等をさらに含んでいてもよい。例えば、基材の表面に活物質層が配置されていてもよい。基材は、例えばシート状であってもよい。基材は、例えば電子導電性を有していてもよい。基材は、例えば、集電体として機能してもよい。基材は、例えば、金属箔等を含んでいてもよい。金属箔は、例えば、Al、Cu、Ni、Fe、およびTiからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。金属箔は、例えば、Al箔、Al合金箔、Ni箔、Cu箔、Cu合金箔、またはステンレス鋼箔等であってもよい。電極が正極である時、基材は、例えば、Al箔等を含んでいてもよい。電極が負極である時、基材は、例えば、Ni箔、Cu箔等を含んでいてもよい。基材は、例えば、5~50μmの厚さを有していてもよい。
活物質層は、イミダゾリン系化合物を含む。イミダゾリン系化合物は、分散剤として作用し得る。イミダゾリン系化合物は、とりわけ硫化物SEに対して、良好な分散性を付与し得る。イミダゾリン系化合物の存在により、複合粒子は、良好な分散状態を有し得る。複合粒子(活物質)が良好な分散状態を有することにより、耐久時の抵抗増加率が低減し得る。
活物質層は、複合粒子を含む。複合粒子は、活物質とフッ化物SEと硫化物SEとを含む。硫化物SEは、被覆層の一部を形成している。イミダゾリン系化合物が被覆層に作用することにより、複合粒子に良好な分散性が付与され得る。活物質層において、複合粒子の分散状態が良好であることにより、耐久時の抵抗増加率が低減することが期待される。
複合粒子30は、コア粒子10と被覆層20とを含む。複合粒子30のD50は、例えば、1~30μm、2~20μm、3~15μm、3~6μm、または4~5μmであってもよい。複合粒子30は、任意の形状を有し得る。複合粒子30は、例えば、球状、楕円体状、フレーク状、または繊維状等であってもよい。
被覆層20は、コア粒子10の表面の少なくとも一部を被覆している。例えば、コア粒子10の表面の凹凸を埋めるように、被覆層20が形成されていてもよい。被覆層20は、コア粒子10の表面の全部を被覆していてもよい。被覆層20は、コア粒子10の表面の一部を被覆していてもよい。被覆層20は、コア粒子10の表面に島状に分布していてもよい。被覆率は、例えば、50~100%、60~100%、70~100%、80~100%、または90~100%であってもよい。被覆率が高い程、例えば、初期抵抗の低減が期待される。
第1層21は、いわば「下層」である。第1層21は、例えば、コア粒子10の全体を隙間なく被覆していてもよい。第1層21は、例えば、1~100nmまたは1~50nmの厚さを有していてもよい。第1層21が薄い程、例えば初期抵抗の低減が期待される。
Li6-nxMxF6 …(2)
上記式(2)中、xは、0<x<2を満たす。Mは、半金属原子と、Liを除く金属原子とからなる群より選択される少なくとも1種である。nは、Mの酸化数を示す。
Li3-xTixAl1-xF6 …(3)
上記式(3)中、xは、例えば、0≦x≦1、0.1≦x≦0.9、0.2≦x≦0.8、0.3≦x≦0.7、または0.4≦x≦0.6を満たしていてもよい。
第2層22は、いわば「上層」である。第2層22は、複合粒子30の最外層を形成していてもよい。第2層22は、コア粒子10の周囲を隙間なくとり囲んでいてもよい。第2層22は、例えば、第1層21に比して厚くてもよい。第2層22は、例えば、5~200nm、または10~100nmの厚さを有していてもよい。
コア粒子10は、複合粒子30の基材である。複合粒子30は、1個のコア粒子10を単独で含んでいてもよい。複合粒子30は、複数個のコア粒子10を含んでいてもよい。コア粒子10は、例えば、二次粒子であってもよい。二次粒子は、一次粒子の集合体である。二次粒子のD50は、例えば、1~30μm、2~20μm、3~15μm、3~6μm、または4~5μmであってもよい。一次粒子の平均フェレ径は、例えば、0.01~3μmであってもよい。
Li1-yNixM1-xO2 …(4)
0.5≦x≦1
-0.5≦y≦0.5
上記式(4)中、Mは、例えば、Co、MnおよびAlからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。xは、例えば、0.6以上であってもよいし、0.7以上であってもよいし、0.8以上であってもよいし、0.9以上であってもよい。
活物質層は、例えば、イオン伝導材を含んでいてもよい。イオン伝導材は、活物質層内にイオン伝導パスを形成し得る。イオン伝導材は、粒子状であってもよい。イオン伝導材は、例えば、0.01~1μm、0.01~0.95μm、または0.1~0.9μmのD50を有していてもよい。イオン伝導材の配合量は任意である。イオン伝導材の配合量は、100体積部の複合粒子に対して、例えば、1~200体積部であってもよいし、50~150体積部であってもよいし、50~100体積部であってもよい。イオン伝導材は、例えば、硫化物SE、フッ化物SE等を含んでいてもよい。イオン伝導材に含まれる硫化物SEおよびフッ化物SEは、複合粒子に含まれる硫化物SEおよびフッ化物SEと同種であってもよいし、異種であってもよい。
活物質層は、例えば、電子伝導材を含んでいてもよい。電子伝導材は、活物質層内に電子伝導パスを形成し得る。電子伝導材の配合量は任意である。電子伝導材の配合量は、100質量部の複合粒子に対して、例えば0.1~10質量部であってもよい。電子伝導材は、任意の成分を含み得る。電子伝導材は、例えば、カーボンブラック(CB)、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ(CNT)およびグラフェンフレーク(GF)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。CBは、例えば、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(登録商標)、およびファーネスブラックからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
バインダは、固体同士を結合し得る。バインダの配合量は、任意である。バインダの配合量は、100質量部の複合粒子に対して、例えば0.1~10質量部であってもよい。バインダは任意の成分を含み得る。バインダは、例えば、ゴム系バインダ、およびフッ素系バインダからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
硫化物SEとイミダゾリン系化合物との距離(Ra1)=10.7MPa0.5
硫化物SEとゴム系バインダとの距離(Ra2)=11.6MPa0.5
硫化物SEとフッ素系バインダとの距離(Ra2)=3.8MPa0.5
図2は、本実施形態における電極の製造方法の概略フローチャートである。
本実施形態における電極の製造方法(以下「本製造方法」と略記され得る。)は、「(a)スラリーの準備」および「(b)活物質層の形成」を含む。本製造方法は、例えば、「(c)プレス」等をさらに含んでいてもよい。
本製造方法は、複合粒子とイミダゾリン系化合物と分散媒とを含むスラリーを準備することを含む。スラリーは、補助材(バインダ等)をさらに含んでもよい。例えば、分散媒に、複合粒子、イミダゾリン系化合物、および補助材が分散されることにより、スラリーが形成されてもよい。本製造方法においては、任意の混合装置、混練装置、分散装置等が使用され得る。例えば、超音波ホモジナイザ等が使用されてもよい。
本製造方法は、スラリーを塗布することにより、活物質層を形成することを含む。例えば、基材の表面にスラリーが塗布され、乾燥されることにより、活物質層が形成され得る。基材の詳細は、前述のとおりである。本製造方法においては、任意の塗工装置が使用され得る。例えば、ダイコータ、ロールコータ等が使用されてもよい。本製造方法においては、任意の乾燥装置が使用され得る。例えば、熱風乾燥装置、ホットプレート、赤外線乾燥装置等が使用されてもよい。
本製造方法は、例えば、活物質層にプレス加工を施すことを含んでいてもよい。例えば、冷間プレス加工が実施されてもよいし、熱間プレス加工が実施されてもよい。本製造方法においては、任意のプレス装置が使用され得る。例えば、ロールプレス装置等が使用されてもよい。熱間プレス加工が実施される場合、例えば、バインダの種類等に応じて、プレス温度が調整され得る。プレス温度は、例えば、80~180℃であってもよい。
図3は、本実施形態における全固体電池の概念図である。
全固体電池200は、発電要素150を含む。全固体電池200は、例えば、外装体(不図示)を含んでいてもよい。外装体が、発電要素150を収納していてもよい。外装体は、任意の形態を有し得る。外装体は、例えば、金属箔ラミネートフィルム製のパウチ等であってもよいし、金属製のケース等であってもよい。
以下のように、No.1~4に係る電極、および全固体電池が製造された。以下、例えば「No.1に係る電極」等が、単に「No.1」とも記される。
(負極用スラリーの作製)
下記材料が準備された。
活物質:Li4Ti5O12
塗料用添加剤:ビックケミー社製「DISPERBYK(登録商標)-109」
イオン伝導材:10LiI-15LiBr-75Li3PS4(D50=0.9μm)
電子伝導材:VGCF
バインダ:SBR系バインダ
分散媒:テトラリン
下記材料が準備された。
複合粒子:コア粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)/第1層(Li2.7Ti0.3Al0.7F6)/第2層(Li3PS4)
塗料用添加剤:ビックケミー社製「DISPERBYK(登録商標)-109」
イオン伝導材:10LiI-15LiBr-75Li3PS4(D50=0.9μm)
電子伝導材:VGCF、AB
バインダ:SBR系バインダ
分散媒:テトラリン
容器に、バインダ、電子伝導材(AB)、および分散媒が投入された。超音波ホモジナイザにより混合物に対して分散処理が施された。次いで、容器に複合粒子が投入され、再度、分散処理が施された。次いで、容器に塗料用添加剤(イミダゾリン系化合物)が投入され、再度、分散処理が施された。最後に、イオン伝導材(硫化物SE)および電子伝導材(VGCF)が投入され、再度、分散処理が施された。
下記材料が準備された。
イオン伝導材:LiI-LiBr-Li2S-P2S5(ガラスセラミックス型、D50=2.5μm)
バインダ溶液:溶質 SBR系バインダ(質量分率 5%)、溶媒 ヘプタン
分散媒:ヘプタン
ブレード式アプリケータにより、正極用スラリーが基材(Al箔、厚さ 15μm)の表面に塗工された。塗工後、ホットプレート(設定温度 100℃)上において、スラリーが30分間乾燥されることにより、活物質層が形成された。すなわち活物質層と基材とを含む正極が形成された。
外装体(Alラミネートフィルム製のパウチ)が準備された。発電要素が外装体に封入された。拘束部材が準備された。5MPaの拘束圧が発生するように、外装体の外側に拘束部材が取り付けられた。以上より、全固体電池が製造された。
「正極用スラリーの作製」において、次の混合手順で正極用スラリーが準備された。
容器に、バインダ、AB、および分散媒が投入された。超音波ホモジナイザにより混合物に対して分散処理が施された。次いで、イオン伝導材およびVGCFが投入され、再度、分散処理が施された。次いで、容器に塗料用添加剤が投入され、再度、分散処理が施された。最後に、容器に複合粒子が投入され、再度、分散処理が施された。
「正極用スラリーの作製」において、100質量部の複合粒子に対する、塗料用添加剤の配合量が0.1質量部に変更されることを除いては、No.2と同様に、電極および全固体電池が製造された。
「正極用スラリーの作製」において、塗料用添加剤が使用されないことを除いては、No.1と同様に、電極および全固体電池が製造された。
全固体電池のSOC(State Of Charge)が50%に調整された。恒温槽(設定温度 25℃)内において、60.2Cの時間率で全固体電池が2秒間放電された。放電時の電圧降下量と、電流とから、初期抵抗が求められた。
SOC範囲:50~60%
充放電サイクル回数:800
Claims (14)
- 活物質層を含み、
前記活物質層は、複合粒子とイミダゾリン系化合物とイオン伝導材とを含み、
100質量部の前記複合粒子に対して、前記イミダゾリン系化合物は、0.05~0.1質量部であり、
前記複合粒子は、コア粒子と被覆層とを含み、
前記被覆層は、前記コア粒子の表面の少なくとも一部を被覆しており、
前記コア粒子は、活物質を含み、
前記被覆層は、第1層と第2層とを含み、
前記第1層の少なくとも一部は、前記コア粒子と前記第2層との間に配置されており、
前記第1層は、第1固体電解質を含み、
前記第2層は、第2固体電解質を含み、
前記第1固体電解質は、フッ化物であり、
前記第2固体電解質は、硫化物であり、
前記イオン伝導材は、第3固体電解質を含み、
前記第3固体電解質は、硫化物である、
電極。 - 前記第2層は、前記第1層に比して厚い、
請求項1に記載の電極。 - 前記第1固体電解質は、式(2):
Li6-nxMxF6 …(2)
により表され、
前記式(2)中、
xは、0<x<2を満たし、
Mは、半金属原子と、Liを除く金属原子とからなる群より選択される少なくとも1種であり、
nは、Mの酸化数を示す、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電極。 - 前記式(2)中、
Mは、+4の酸化数を有する原子を含む、
請求項4に記載の電極。 - 前記式(2)中、
Mは、+3の酸化数を有する原子を含む、
請求項4に記載の電極。 - 前記式(2)中、
Mは、Ca、Mg、Al、Y、Ti、およびZrからなる群より選択される少なくとも1種を含む、
請求項4に記載の電極。 - 前記第2層は、前記コア粒子の表面に沿って延びており、
前記第2層による被覆率は、50~100%であり、
前記被覆率は、L 1 がL 0 で除されることにより求まり、
前記L 0 は、前記複合粒子の断面において、前記コア粒子の輪郭線の長さを示し、
前記L 1 は、前記コア粒子の前記輪郭線のうち、前記第2固体電解質により被覆されている部分の長さを示す、
請求項1に記載の電極。 - 前記活物質層は、ゴム系バインダをさらに含む、
請求項1に記載の電極。 - 前記第3固体電解質は、前記第2固体電解質と異なる組成を有する、
請求項1に記載の電極。 - 前記第2固体電解質の平均フェレ径は、前記第3固体電解質のD50よりも小さい、
請求項1に記載の電極。 - 前記第2固体電解質の平均フェレ径は、5nm以上100nm以下であり、
前記第3固体電解質のD50は、100nmより大きく、1μm以下である、
請求項11に記載の電極。 - 請求項1に記載の電極を含む、
全固体電池。 - (a)複合粒子とイミダゾリン系化合物とイオン伝導材と分散媒とを含むスラリーを準備すること、および
(b)前記スラリーを塗布することにより、活物質層を形成すること
を含み、
前記(a)は、
(a1)前記イミダゾリン系化合物と前記分散媒とを含む第1スラリーを準備すること、
(a2)前記第1スラリーに前記複合粒子を分散させることにより、第2スラリーを準備すること、および
(a3)前記第2スラリーに前記イオン伝導材を分散させることにより、第3スラリーを準備すること
を含み、
100質量部の前記複合粒子に対して、前記イミダゾリン系化合物は、0.05~0.1質量部であり、
前記複合粒子は、コア粒子と被覆層とを含み、
前記被覆層は、前記コア粒子の表面の少なくとも一部を被覆しており、
前記コア粒子は、活物質を含み、
前記被覆層は、第1層と第2層とを含み、
前記第1層の少なくとも一部は、前記コア粒子と前記第2層との間に配置されており、
前記第1層は、第1固体電解質を含み、
前記第2層は、第2固体電解質を含み、
前記第1固体電解質は、フッ化物であり、
前記第2固体電解質は、硫化物であり、
前記イオン伝導材は、第3固体電解質を含み、
前記第3固体電解質は、硫化物である、
電極の製造方法。
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