CN113273015B - 全固体电池 - Google Patents
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Abstract
该全固体电池具有层叠体、正极外部电极和负极外部电极,上述层叠体具有正极层、负极层和固体电解质层,上述正极外部电极在上述层叠体的正极侧端面与上述正极层连接,上述负极外部电极在上述层叠体的负极侧端面与上述负极层连接,从上述层叠体的层叠方向俯视时,上述正极层具有正极主部和沿着上述正极侧端面从上述正极主部凸出并到达侧面的正极副部,上述负极层具有负极主部和沿着上述负极侧端面从上述负极主部凸出并到达侧面的负极副部,上述侧面上的上述正极副部的长度L1、上述侧面上的上述负极副部的长度L2、以及上述侧面的长度L3满足20μm≤(L1+L2)<L3···(1)的关系。
Description
技术领域
本发明涉及全固体电池。本发明基于2019年1月10日在日本申请的日本特愿2019-002251主张优先权,并将其内容在此引用。
背景技术
近年来,电子技术飞速发展,实现了便携电子设备的小型轻量化、薄型化、多功能化。随之,对于作为电子设备的电源的电池,强烈期望小型轻量化、薄型化、可靠性的提高。目前广泛使用的锂离子二次电池中,作为用于使离子移动的介质,一直以来使用有机溶剂等的电解质(电解液)。但是,含有电解液的电池存在电解液漏出这样的危险性。并且,电解液所使用的有机溶剂等是可燃性物质,因此,需要安全性更高的电池。
作为用于提高电池的安全性的一种对策,提出了替代电解液而使用固体电解质作为电解质的方案。正在推进使用固体电解质作为电解质、并且其它构成要素也由固体构成的全固体电池的开发。
一般而言,全固体电池分为薄膜型和块体型这两种。薄膜型通过PVD法或溶胶凝胶法等的薄膜技术制作。块体型通过活性物质或晶界电阻低的硫化物系固体电解质的粉末成型来制作。薄膜型难以增厚活性物质或进行高层叠化,存在容量小、制造成本高这样的问题。块体型使用硫化物系固体电解质,因此,与水反应时产生硫化氢。块体型难以在大气中处理,需要在露点得到管理的手套箱内制作。因此,块体型的技术问题在于安全性和制造环境受限。
另外,还存在使用了在大气中化学稳定的氧化物系的固体电解质的层叠型全固体电池。例如,专利文献1公开了一种一并烧制型高多层全固体型锂离子二次电池的制造方法,其包括:(A)层叠体形成工序、(B)所形成的层叠体的压制工序、(C)压制后的层叠体的烧制工序。专利文献1所记载的全固体电池层叠有多个由负极活性物质和负极集电体构成的负极、由正极活性物质和正极集电体构成的正极、被负极和正极夹持的固体电解质。
并且,在全固体电池的两端,以夹持层叠体的方式形成一对外部电极,一对外部电极分别与正极或负极连接。各外部电极与正极或负极之间,由于通过充放电反应产生的活性物质的体积膨胀,有时连接面会剥离。连接面的剥离成为循环特性降低的原因。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2016-207540号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明是为了解决上述技术问题而研发的,其目的在于提供一种全固体电池,其通过提高外部电极与正极层或负极层之间的接合性,使得循环特性优异。
用于解决技术问题的技术方案
本发明的一个方式涉及一种全固体电池,其具有层叠体、正极外部电极和负极外部电极,上述层叠体具有正极层、负极层、位于上述正极层与上述负极层之间的固体电解质层,上述正极外部电极在上述层叠体的正极侧端面与上述正极层连接,上述负极外部电极在上述层叠体的负极侧端面与上述负极层连接,从上述层叠体的层叠方向俯视时,上述正极层具有从上述正极侧端面向上述负极侧端面延伸的正极主部、和沿着上述正极侧端面从上述正极主部凸出并到达与上述正极侧端面交叉的侧面的正极副部,从上述层叠体的层叠方向俯视时,上述负极层具有从上述负极侧端面向上述正极侧端面延伸的负极主部、和沿着上述负极侧端面从上述负极主部凸出并从上述负极主部到达与上述正极侧端面交叉的侧面的负极副部,从上述层叠方向俯视时,上述侧面上的上述正极副部的长度L1、上述侧面上的上述负极副部的长度L2、以及上述侧面的长度L3满足20μm≤(L1+L2)<L3···(1)的关系。
根据上述构成,外部电极与电极层的接触面积增加。外部电极与电极层的接触面积的增加能够抑制外部电极因伴随充放电反应的正极层和负极层的体积膨胀而从正极层或负极层剥离。结果,能够得到具有优异的循环特性的全固体电池。当侧面上的正极副部的长度L1和侧面上的正极副部的长度L2的合计与层叠体的侧面的长度L3一致时,外部电极彼此发生短路。另一方面,当侧面上的正极副部的长度L1和侧面上的正极副部的长度L2的合计短于10μm时,外部电极与电极层的接合强度不充分,难以得到优异的循环特性。
上述方式的全固体电池也可以是,从上述层叠方向俯视时,上述侧面上的上述正极副部的长度L1、上述侧面上的上述负极副部的长度L2、以及上述侧面的长度L3满足60μm≤(L1+L2)<L3···(2)的关系。
上述方式的全固体电池也可以是,上述侧面上的上述正极副部的长度L1、上述侧面上的上述负极副部的长度L2相同。
根据上述构成,能够适当抑制伴随充放电反应的正极层和负极层的体积膨胀。
上述方式的全固体电池也可以是,上述侧面上的上述正极副部的长度L1和上述侧面的长度L3满足(L3×2%)≤L1≤(L3×49%)···(3)。另外,上述方式的全固体电池也可以是,上述侧面上的上述负极副部的长度L2和上述侧面的长度L3满足(L3×2%)≤L2≤(L3×49%)···(3)。
根据上述构成,能够得到更优异的循环特性。
发明的效果
根据本发明,能够提供循环特性优异的全固体电池。
附图说明
图1表示第一实施方式的全固体电池的层叠方向的截面图。
图2表示图1的A-A截面图。
图3表示图1的B-B截面图。
图4详细表示图2的截面的层叠体20。
图5详细表示图3的截面的层叠体20。
图6表示第二实施方式的全固体电池的层叠体的截面图。
具体实施方式
以下,适当参照附图对本发明的全固体电池进行详细说明。以下说明所使用的附图中,为了使本发明的特征容易理解,方便起见,有时放大表示成为特征的部分。因此,附图中记载的各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例,本发明不限定于这些,能够在不改变其宗旨的范围内适当变更实施。
[第一实施方式]
首先,对本发明的第一实施方式的全固体电池进行说明。图1是将第一实施方式的全固体电池沿着层叠方向截断的截面图。图2是沿着图1的A-A线截断的截面图。图2是沿着正极集电体层31将全固体电池截断的截面图。图3是沿着图1的B-B线截断的截面图。图3是沿着负极集电体层41将全固体电池截断的截面图。
如图1所示,全固体电池1包含层叠有正极30、负极40和固体电解质层50的层叠体20。固体电解质层50位于正极30与负极40之间,还位于正极30或负极40与外表面之间。
正极30具有正极集电体层31和正极活性物质层32。正极活性物质层32与正极集电体层31的至少一个面接触。负极40具有负极集电体层41和负极活性物质层42。负极活性物质层42与负极集电体层41的至少一个面接触。在正极30和负极40所展开的同一平面内存在边缘层80。
层叠体20为六面体。层叠体的外表面由第一端面21、第二端面22、第一侧面23、第二侧面24、上表面25、下表面26构成。
第一端面21和第二端面22是沿着层叠方向延伸的面,是与后述的正极外部电极60或负极外部电极70相接的面。将第一端面21和第二端面22中与正极外部电极60相接的面称为正极侧端面,将与负极外部电极70相接的面称为负极侧端面。
第一侧面23和第二侧面24是沿着层叠方向延伸的面,是与第一端面21和第二端面22交叉的面。上表面25和下表面26是与层叠方向正交的面。
正极集电体层31在第一端面21露出,负极集电体层41在第二端面22露出。第一侧面23是将上表面25设为上方并从第一端面21侧观察时在右侧的侧面,第二侧面24是将上表面25设为上方并从第一端面21侧观察时在左侧的侧面。第一端面21和第二端面22彼此相对,第一侧面23和第二侧面24彼此相对。如后述,正极集电体层31和负极集电体层41的一部分在第一侧面23和第二侧面24也露出。
正极外部电极60与正极集电体层31电连接。正极外部电极60覆盖层叠体20的第一端面21。正极外部电极60与正极集电体层31中露出在第一端面21、第一侧面23和第二侧面24的部分相连接,由此,正极集电体层31与正极外部电极60电连接。
负极外部电极70与负极集电体层41电连接。负极外部电极70覆盖层叠体20的第二端面22。负极外部电极70与负极集电体层41中露出在第二端面22、第一侧面23和第二侧面24的部分相连接,由此,负极集电体层41与负极外部电极70电连接。
在本说明书中,有时,将正极活性物质和负极活性物质中的任一方或双方统称为活性物质,将正极活性物质层32和负极活性物质层42中的任一方或双方统称为活性物质层,将正极集电体层31和负极集电体层41中的任一方或双方统称为集电体层,将正极30和负极40中的任一方或双方统称为电极层,将第一端面21和第二端面22统称为端面,将第一侧面23和第二侧面24统称为侧面,将正极外部电极60和负极外部电极70统称为外部电极。
图4是沿着图1的A-A线截断的截面图,是仅抽出层叠体20的图。正极30是在面内展开的层。从层叠方向俯视时,正极30具有正极主部301和正极副部302。
正极主部301是正极30中从第一端面21向第二端面22延伸的部分。正极主部301例如是从第一端面21向第二端面22扩展的矩形区域。正极主部301的一边(正极主端部)在第一端面21露出。
正极副部302是正极30中从正极主部301向第一侧面23或第二侧面24凸出的部分。正极副部302是从正极主部301向第一侧面23或第二侧面24扩展的矩形区域,在图4中由两个矩形区域构成。正极副部302在第一端面21的一部分、和第一侧面23或第二侧面24的一部分露出。两个正极副部302中,一个正极副部302的一边在第一端面21的一部分露出,另一边在第一侧面23的一部分露出。并且,两个正极副部302中,另一个正极副部302的一边在第一端面21的一部分露出,另一边在第二侧面24的一部分露出。将正极副部302中露出在层叠体的端面和侧面的部分定义为正极副端部。
图5是沿着图1的B-B线截断的截面图,是仅抽出层叠体20的图。如图5所示,负极40也与正极30同样,从层叠方向俯视时,具有负极主部401和负极副部402。
负极主部401是负极40中从第二端面22向第一端面21延伸的部分。负极主部401例如是从第二端面22向第一端面21扩展的矩形区域。负极主部401的一边(负极主端部)在第二端面22露出。
负极副部402是负极40中从负极主部401向第一侧面23或第二侧面24凸出的部分。负极副部402是从负极主部301向第一侧面23或第二侧面24扩展的矩形区域,在图5中由两个矩形区域构成。负极副部402在第二端面22的一部分、和第一侧面23或第二侧面24的一部分露出。两个负极副部402中,一个负极副部402的一边在第二端面22的一部分露出,另一边在第一侧面23的一部分露出。并且,两个负极副部402中,另一个负极副部402的一边在第二端面22的一部分露出,另一边在第二侧面24的一部分露出。将负极副部402中露出在层叠体的端面和侧面的部分定义为负极副端部。
以往的全固体电池的电极层为仅具有与本实施方式的正极主部301、负极主部401对应的形状的构成,与此相对,在本实施方式的电极层中,在具有正极副部302、负极副部402的方面与以往不同。通过具有正极副部302、负极副部402,在层叠体20的端面和侧面露出的电极层的面积增加。换言之,与以往的全固体电池相比,在层叠体20的端面和侧面露出的电极层的面积增加了上述正极副端部和负极副端部的量,外部电极与电极层的接触面积增加。结果,对于伴随充放电反应的电极层的体积膨胀,能够抑制外部电极从电极剥离。作为其结果,能够得到具有优异的循环特性的全固体电池。
如图4和图5所记载,将正极副部302中露出在侧面(第一侧面23或第二侧面24)的部分的长度定义为L1、将负极副部402中露出在侧面(第一侧面23或第二侧面24)的部分定义为长度L2、且将第一侧面23或第二侧面24的长度定义为L3时,设定为满足下述式(1)。其中,长度L1、L2、L3是第一侧面23和第二侧面24中同一侧面上的长度关系。并且,这些长度全部是与层叠方向正交的面内的与第一侧面23平行的方向(第一方向)上的各自的长度。
20μm≤(L1+L2)<L3···(1)
当(L1+L2)为低于20μm的尺寸时,露出在层叠体20的电极层的面积不充分,不能充分地确保外部电极与电极层的接触面积,难以得到期望的循环特性。
另外,L1和L2更优选以满足下述式(2)的方式进行设定。
60μm≤(L1+L2)···(2)
通过使(L1+L2)为60μm以上,与将(L1+L2)设定于20~59μm的范围内的情况相比,能够更显著地增加接触面积,进而容易得到期望的循环特性。
另外,L1优选满足下述式(3),L2优选满足下述式(4)。另外,L1和L2更优选同时满足下述式(3)、(4)。通过满足式(3)或式(4),能够进一步提高循环特性。
(L3×2%)≤L1≤(L3×49%)···(3)
(L3×2%)≤L2≤(L3×49%)···(4)
另外,L1和L2也可以满足下述式(5)。
(L3×4%)≤L1+L2≤(L3×49%)···(5)
如果(L1+L2)成为与L3相同的尺寸,则在将正极外部电极60和负极外部电极70形成于层叠体20时,彼此接触的可能性变高。如果正极外部电极60和负极外部电极70接触,则会短路。
(固体电解质)
本实施方式的全固体电池1的固体电解质层50含有电子的传导性小、且锂离子的传导性高的固体电解质材料。例如,能够使用具有NASICON(钠超离子导体)型、石榴石型、钙钛矿型的晶体结构的氧化物系锂离子传导体等一般的固体电解质材料。固体电解质层50例如也可以是选自磷酸钛铝锂(Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0≤x≤0.6))、Li3+x1Six1P1-x1O4(0.4≤x1≤0.6)、Li3.4V0.4Ge0.6O4、磷酸锗锂(LiGe2(PO4)3)、Li2OV2O5-SiO2、Li2O-P2O5-B2O3、Li3PO4、Li0.5La0.5TiO3、Li14Zn(GeO4)4、Li7La3Zr2O12中的至少1种。
作为本实施方式的固体电解质材料,可以使用具有NASICON型的晶体结构的锂离子传导体。具有NASICON型的晶体结构的锂离子传导体例如由LiTi2(PO4)3(以下称为“LTP”)、LiZr2(PO4)3(以下称为“LZP”)、Li1+xAlxTi2-x(PO4)3(0<x≤0.6,以下称为“LATP”)、Li1+xAlxGe2-x(PO4)3(0<x≤0.6,以下称为“LAGP”)、Li1+xYxZr2-x(PO4)3(0<x≤0.6,以下称为“LYZP”)表示。
固体电解质层50可以含有正极30和负极40中所使用的活性物质。例如,固体电解质层50可以含有与构成活性物质的元素相同的元素。通过固体电解质层50含有与构成活性物质的元素相同的元素,正极活性物质层32和负极活性物质层42与固体电解质层50的界面的接合变得牢固。
正极活性物质层32和负极活性物质层42分别含有授受锂离子和电子的正极活性物质或负极活性物质。正极活性物质层32和负极活性物质层42也可以除此之外还包含导电助剂、导离子助剂等。正极活性物质和负极活性物质有效地将锂离子插入、脱离。
构成正极活性物质层32或负极活性物质层42的活性物质没有明确的区别,比较两种化合物的电位,能够将显示更高的电位的化合物用作正极活性物质,并将显示更低的电位的化合物用作负极活性物质。另外,如果是同时兼备锂离子释放和锂离子吸留的化合物,则可以在正极活性物质层32和负极活性物质层42中使用相同的化合物。因此,以下,集中说明活性物质。
活性物质中,能够使用过渡金属氧化物、过渡金属复合氧化物等。例如,作为过渡金属氧化物、过渡金属复合氧化物,可以列举:锂锰复合氧化物(Li2MnaMa1-aO3(0.8≤a≤1,Ma=Co、Ni))、钴酸锂(LiCoO2)、镍酸锂(LiNiO2)、锂锰尖晶石(LiMn2O4)、通式:LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1、0≤x≤1、0≤y≤1、0≤z≤1)所示的复合金属氧化物、锂钒化合物(LiV2O5)、橄榄石型LiMbPO4(其中,Mb为选自Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zr中的1种以上的元素)、磷酸钒锂(Li3V2(PO4)3或LiVOPO4)、Li2MnO3-LiMcO2(Mc=Mn、Co、Ni)所示的Li过量系固溶体正极、钛酸锂(Li4Ti5O12)、LisNitCouAlvO2(0.9<s<1.3,0.9<t+u+v<1.1)所示的复合金属氧化物等。另外,除了上述复合金属氧化物之外,还能够将Li金属、Li-Al合金、Li-In合金、碳、硅(Si)、氧化硅(SiOx)、钛氧化物(TiO2)等金属、合金、金属氧化物用于活性物质。
作为本实施方式的活性物质,优选含有磷酸化合物作为主成分,例如,可以是磷酸钒锂(LiVOPO4、Li3V2(PO4)3、Li4(VO)(PO4)2)、焦磷酸钒锂(Li2VOP2O7、Li2VP2O7)、和Li9V3(P2O7)3(PO4)2中的任意一个或多个,特别优选为LiVOPO4和Li3V2(PO4)3中的一种或双方。
所谓主成分,是指相对于活性物质层中的活性物质整体,磷酸化合物占据的比例大于50质量份,磷酸化合物占据的比例优选为80重量份以上。
另外,这些活性物质也可以将各元素的一部分置换成不同种类元素,或者从化学计量组成变化。例如,LiVOPO4和Li3V2(PO4)3优选具有锂的缺损,如果是LixVOPO4(0.94≤x≤0.98)或LixV2(PO4)3(2.8≤x≤2.95),则更优选。
作为导电助剂,例如可以列举:炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纳米管、石墨、石墨烯、活性炭等碳材料;金、银、钯、铂、铜、锡等金属材料。
作为导离子助剂,例如为固体电解质。具体而言,该固体电解质例如能够使用与固体电解质层3中所使用的材料同样的材料。
在使用固体电解质作为导离子助剂的情况下,优选导离子助剂与固体电解质层3所使用的固体电解质采用相同材料。
(正极集电体和负极集电体)
本实施方式的全固体电池1的构成正极集电体层31和负极集电体层41的材料优选使用导电率大的材料,例如优选使用银、钯、金、铂、铝、铜、镍等。特别是由于铜难以与磷酸钛铝锂反应、还具有全固体电池的内部电阻的降低效果,因而更优选。构成正极集电体层31和负极集电体层41的材料可以在正极和负极相同,也可以不同。
另外,本实施方式的全固体电池1的正极集电体层31和负极集电体层41可以分别含有正极活性物质和负极活性物质。
通过正极集电体层31和负极集电体层41分别含有正极活性物质和负极活性物质,正极集电体层31与正极活性物质层32以及负极集电体层41与负极活性物质层42的密合性提高。
关于正极集电体层31或负极集电体层41中的正极活性物质或负极活性物质的比率,只要能够作为集电体发挥作用即可,没有特别限定,优选正极集电体与正极活性物质,或负极集电体与负极活性物质以体积比率计为90/10~70/30的范围。
(边缘层)
本实施方式的全固体电池1的边缘层80例如在正极30或负极40所展开的面内,填补正极30或负极40以外的部分。本实施方式的全固体电池1的边缘层80为了消除固体电解质层50与正极30的高度差、以及固体电解质层50与负极40的高度差而设置。边缘层80例如设置于正极30和负极40的同一平面内。边缘层80消除固体电解质层50与正极30以及负极40的高度差。结果,固体电解质层50和电极层的致密性变高,难以产生全固体电池的制造过程中的烧制所引起的层间剥离(脱层)或翘曲。
边缘层80例如含有与固体电解质层50相同的材料。边缘层80例如是具有NASICON型的晶体结构的锂离子传导体,例如为LTP、LZP、LATP、LAGP、LYZP。
(全固体电池的制造方法)
本实施方式的全固体电池1能够通过如下的操作顺序制造。将正极集电体层31、正极活性物质层32、固体电解质层50、负极集电体层41、负极活性物质层42、边缘层9的各材料进行膏化。膏化的方法没有特别限定,例如,向媒介物(vehicle)中混合上述各材料的粉末并进行膏化。其中,媒介物是液相中的介质的统称,包括溶剂、粘合剂等。用于成型生片或印刷层的膏所含的粘合剂没有特别限定,能够使用聚乙烯醇缩醛树脂、纤维素树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、乙酸乙烯酯树脂、聚乙烯醇树脂等,浆料能够包含这些树脂中的至少1种。
另外,膏也可以含有增塑剂。增塑剂的种类没有特别限定,可以使用邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异壬酯等邻苯二甲酸酯等。
通过上述方法,制作正极集电体层用膏、正极活性物质层用膏、固体电解质层用膏、负极活性物质层用膏、负极集电体层用膏、边缘层用膏。
将所制作的固体电解质层用膏以所期望的厚度涂布于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等的基材上,根据需要使其干燥,制作固体电解质用生片。固体电解质用生片的制作方法没有特别限定,能够通过刮刀法、模涂机、逗号涂布机、凹版涂布机等公知的方法制作。接着,在固体电解质用生片上通过丝网印刷依次印刷层叠正极活性物质层32、正极集电体层31、正极活性物质层32,形成正极30。然后,为了填补固体电解质用生片与正极30的高度差,在正极层以外的区域通过丝网印刷形成边缘层80,制作正极层单元。
负极层单元也能够通过与正极层单元同样的方法制作,通过丝网印刷在固体电解质用生片上形成负极40和边缘层80,制作负极层单元。
然后,将正极层单元和负极层单元以各自的一端交替地不一致的方式进行偏置(offset)而层叠。也可以进一步根据需要,在上述层叠体的两个主面设置外层(覆盖层)。通过层叠外层,制作包含多个全固体电池的元件的层叠基板。外层能够使用与固体电解质相同的材料,能够使用固体电解质用生片。
上述制造方法是制作并联型的全固体电池的方法,而串联型的全固体电池的制造方法只要以正极层的一端和负极层的一端一致的方式,即不进行偏置而层叠即可。
然后,能够将所制作的层叠基板一并利用模压机、温等静压机(WIP)、冷等静压机(CIP)、静压机等进行加压,来提高密合性。加压优选一边加热一边进行,例如能够以40~95℃实施。
将所制作的层叠基板通过使用切割装置进行切断,得到未烧制的全固体电池的层叠体。
通过对上述全固体电池的层叠体进行脱粘合剂和烧制,制造全固体电池。脱粘合剂和烧制能够在氮气氛下以600℃~1000℃的温度进行烧制。脱粘合剂、烧制的保持时间例如设为0.1~6小时。
另外,为了从全固体电池1的层叠体20有效地引出电流,设置外部电极。外部电极通过正极30和负极40交替地并联连接,经由层叠体20的对置的第一端面21、第二端面22和对置的两个第一侧面23、第二侧面24的一部分进行接合。因此,以夹持层叠体20的端面的方式形成一对外部电极。外部电极的形成方法可以列举溅射法、丝网印刷法或浸涂法等。丝网印刷法、浸涂法中,制作包含金属粉末、树脂、溶剂的外部电极用膏,将其形成为外部电极。接着,进行用于去除溶剂的烧结工序、以及用于在外部电极的表面形成端子电极的镀敷处理。另一方面,溅射法中,能够直接形成外部电极以及端子电极,因此,不需要烧结工序、镀敷处理工序。
为了提高耐湿性、耐冲击性,全固体电池1的层叠体例如也可以密封于硬币电池内。密封方法没有特别限定,例如也可以利用树脂密封烧制后的层叠体。另外,也可以将Al2O3等具有绝缘性的绝缘体膏涂布或浸涂于层叠体的周围,并对该绝缘膏进行热处理,由此进行密封。
[第二实施方式]
接着,对第二实施方式的层叠型全固体二次电池进行说明。并且,第二实施方式的说明中,对与第一实施方式重复的构成,标注相同的符号,并省略其说明。
图6是将第二实施方式的全固体电池的层叠体沿着负极40截断的截面图。第二实施方式的全固体电池的正极30侧的结构与第一实施方式同样,但如图6所示,从负极40不具有负极副部402的方面而言,与第一实施方式不同。即使为上述构成,也与第一实施方式同样,能够抑制外部电极与电极层由于体积膨胀而剥离。结果,能够提供循环特性优异的全固体电池。另外,在本实施方式中,例示了正极30具有正极副部302、且负极40不具有负极副部402的构成,但即使是负极40具有负极副部402、且正极30不具有正极副部302的构成,也能够得到同样的效果。
以上,对本发明的实施方式进行了详细的说明,但并不限定于上述的实施方式,能够进行各种变形。
实施例
以下,基于上述的实施方式,进而使用实施例和比较例更详细地说明本发明,但本发明不限定于这些实施例。另外,膏的制作中材料投入量的“份”这种表达在没有说明的情况下,意指“质量份”。
(实施例1)
(正极活性物质和负极活性物质的制作)
作为正极活性物质和负极活性物质,使用通过以下方法制作的Li3V2(PO4)3。作为其制作方法,将Li2CO3、V2O5和NH4H2PO4作为初始材料,利用球磨机进行16小时湿式混合,并进行脱水干燥,将之后得到的粉体以850℃在氮氢混合气体中预烧2小时。将预烧品利用球磨机进行湿式粉碎后,进行脱水干燥,得到正极活性物质粉末和负极活性物质粉末。使用X射线衍射装置确认了该所制作的粉体的组成为Li3V2(PO4)3。
(正极活性物质层用膏和负极活性物质层用膏的制作)
关于正极活性物质层用膏和负极活性物质层用膏,均通过向Li3V2(PO4)3的粉末100份中添加作为粘合剂的乙基纤维素15份、作为溶剂的二氢松油醇65份,进行混合·分散,制作正极活性物质层用膏和负极活性物质层用膏。
(固体电解质层用膏的制作)
作为固体电解质,使用通过以下方法制作的Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3。其制作方法中,以Li2CO3、Al2O3、TiO2和NH4H2PO4为初始材料,利用球磨机进行16小时湿式混合后,进行脱水干燥,接着,将所得到的粉末以800℃在大气中预烧2小时。预烧后,利用球磨机进行16小时湿式粉碎,之后进行脱水干燥,得到固体电解质的粉末。使用X射线衍射装置(XRD)确认了所制作的粉体的组成为Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3。
接着,向该粉末中添加作为溶剂的乙醇100份、甲苯200份,利用球磨机进行湿式混合。然后,再投入聚乙烯醇缩丁醛系粘合剂16份和邻苯二甲酸丁苄酯4.8份并进行混合,制作固体电解质层用膏。
(固体电解质层用片材的制作)
通过刮刀法,以PET膜为基材将固体电解质层用膏成型成片材,得到厚度15μm的固体电解质层用片材。
(正极集电体层用膏和负极集电体层用膏的制作)
作为正极集电体和负极集电体,将Cu和Li3V2(PO4)3以体积比率计成为80/20的方式混合之后,添加作为粘合剂的乙基纤维素10份和作为溶剂的二氢松油醇50份,将其混合·分散,制作正极集电体层用膏和负极集电体层用膏。
(边缘层用膏的制作)
关于边缘层用膏,向Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3的粉末中添加作为溶剂的乙醇100份、甲苯100份,利用球磨机进行湿式混合,接着,再投入聚乙烯醇缩丁醛系粘合剂16份和邻苯二甲酸丁苄酯4.8份并混合,制作边缘层用膏。
(外部电极膏的制作)
将银粉末、环氧树脂、溶剂混合且分散,制作热固化型的外部电极膏。
使用这些膏,如下所述制作全固体电池。
(正极层单元的制作)
采用丝网印刷在固体电解质层用片材上,以图4的印刷图案形成厚度5μm的正极活性物质层,以80℃干燥10分钟。接着,采用丝网印刷在正极活性物质层上以同样的印刷图案形成厚度5μm的正极集电体层,以80℃干燥10分钟。进一步采用丝网印刷在正极集电体层上以同样的印刷图案再次形成厚度5μm的正极活性物质层,以80℃干燥10分钟,由此,在固体电解质层用片材上形成正极层。接着,在正极层的一端的外周,采用丝网印刷形成与上述正极层大致同一平面的高度的边缘层,以80℃干燥10分钟。接着,通过剥离PET膜,得到正极层单元的片材。并且,上述印刷图案中的长度X(第一侧面23的长度L3)、宽度Y、在侧面伸出的正极层的一端(第一侧面23上的正极副部302的长度L1)的尺寸分别以在烧制后成为5000μm、3500μm、10μm的方式调整并印刷。
(负极层单元的制作)
在上述的固体电解质层用片材上,采用丝网印刷以图5的印刷图案形成厚度5μm的负极活性物质层,以80℃干燥10分钟。接着,采用丝网印刷在该负极活性物质层上以同样的印刷图案形成厚度5μm的负极集电体层,以80℃干燥10分钟。进一步采用丝网印刷在负极集电体层上以同样的印刷图案再次形成厚度5μm的负极活性物质层,以80℃干燥10分钟,由此,在固体电解质层用片材上制作负极层。接着,在负极层的一端的外周,采用丝网印刷形成与上述负极层大致同一平面的高度的边缘层,以80℃干燥10分钟。接着,通过剥离PET膜,得到负极层单元的片材。并且,上述印刷图案中的长度X(第一侧面23的长度L3)、宽度Y、在侧面伸出的负极层的一端(第一侧面23上的负极副部402的长度L2)的大小分别以在烧制后成为5000μm、3500μm、10μm的方式调整并印刷。
(层叠体的制作)
将正极层单元和负极层单元交替地以各自的一端不一致的方式偏置并层叠多个,制作层叠基板。然后,在上述层叠基板的两个主面上,作为外层层叠多个固体电解质片材。另外,外层以层叠体的烧制后的厚度成为500μm的方式调整。接着,利用模压机对其进行热压接后切断,制作未烧制的全固体电池的层叠体。接着,对上述层叠体进行脱粘合剂·烧制,由此,得到全固体电池的层叠体。上述烧制在氮中以升温速度200℃/小时升温至烧制温度850℃,在该温度下保持2小时,在自然冷却后取出。
(外部电极形成工序)
以覆盖上述全固体电池的露出在层叠体的两个端面、和两个侧面的正极和负极的方式,涂布外部电极膏,以150℃进行30分钟的热固化,形成一对外部电极。
(实施例2~10)
实施例2~10的全固体电池除了在正极层单元和负极层单元的制作中,如表1所示调整L1和L2的尺寸以外,与实施例1同样操作,制作全固体电池。
(实施例11~13)
实施例11~13的全固体电池除了在正极层单元和负极层单元的制作中,如表1所示将L1和L2的尺寸调整为分别不同以外,与实施例1同样操作,制作全固体电池。另外,在实施例12的全固体电池中,仅在负极层单元的制作中,设为与现有技术同样的结构、即不设置负极副部402的结构(与第二实施方式对应的结构)。
(比较例1、2)
比较例1的全固体电池除了如表1所示调整L1和L2的尺寸以外,与实施例1同样操作,制作全固体电池。并且,比较例2的全固体电池除了在正极层单元和负极层单元的制作中,均未设置正极副部302、负极副部402以外,与实施例1同样操作,制作全固体电池。并且,正极和负极的对置的有助于充放电反应的电极面积与其它实施例的全固体电池相同,充放电容量不变。
(电池评价)
本实施例以及比较例中制作的全固体电池能够对下述的电池特性进行评价。
[充放电循环试验]
本实施例以及比较例中制作的全固体电池例如能够根据如下所示的充放电条件对充放电循环特性进行评价。关于充放电电流的记载,以下使用C倍率记载。C倍率记载为nC(μA)(n为数值),意指能够以1/n(h)对公称容量(μAh)进行充放电的电流。例如1C是能够以1h对公称容量进行充电的充放电电流,如果是2C,则是指能够以0.5h对公称容量进行充电的充放电电流。例如,在公称容量100μAh的全固体电池的情况下,0.1C的电流是10μA(计算式100μA×0.1=10μA)。同样,0.2C的电流是20μA,1C的电流是100μA。
就充放电循环试验条件而言,在25℃的环境下,以0.2C倍率的定电流进行定电流充电(CC充电)直至达到1.6V的电池电压,然后,以0.2C倍率的定电流进行放电直至达到0V的电池电压(CC放电)。将上述的充电和放电作为一个循环,将该循环反复进行至1000个循环后的放电容量维持率作为充放电循环特性,进行评价。并且,本实施方式的充放电循环特性通过以下的计算式算出。
1000个循环后的放电容量维持率(%)=(1000个循环后的放电容量÷1个循环后的放电容量)×100
(结果)
在表1中表示实施例1~13以及比较例2的全固体电池的循环特性的结果。结果,实施例2~10的全固体电池的循环特性比比较例的全固体电池优异。这是因为,正极和负极中的至少一方具有正极副部或负极副部,正极和负极包含它们而与外部电极接合。并且,在第一侧面23的正极副部302的长度L1和负极副部402的长度L2的尺寸的合计相对于层叠体的侧面的长边方向小于100%且为60μm以上时,循环特性良好。在正极副部302的长度L1和负极副部402的长度L2的尺寸的合计相对于第一侧面23的长度L3为100%(比较例1)时,外部电极间发生了短路。
[表1]
以上对本发明进行了详细说明,但上述实施方式和实施例只不过为例示,在此公开的发明包括对上述具体例进行各种变形、变更后的例子。
符号说明
1:全固体电池;20:层叠体;21:第一端面;22:第二端面;23:第一侧面;24:第二侧面;30:正极;31:正极集电体层;32:正极活性物质层;40:负极;41:负极集电体层;42:负极活性物质层;50:固体电解质层;60:正极外部电极;70:负极外部电极;80:边缘层。
Claims (10)
1.一种全固体电池,其特征在于:
具有层叠体、正极外部电极和负极外部电极,
所述层叠体具有正极层、负极层、位于所述正极层与所述负极层之间的固体电解质层,
所述正极外部电极在所述层叠体的正极侧端面与所述正极层连接,
所述负极外部电极在所述层叠体的负极侧端面与所述负极层连接,
从所述层叠体的层叠方向俯视时,所述正极层具有:从所述正极侧端面向所述负极侧端面延伸的正极主部;沿着所述正极侧端面从所述正极主部凸出并到达与所述正极侧端面交叉的所述层叠体的侧面的正极副部,
从所述层叠体的层叠方向俯视时,所述负极层具有:从所述负极侧端面向所述正极侧端面延伸的负极主部;沿着所述负极侧端面从所述负极主部凸出并从所述负极主部到达与所述正极侧端面交叉的所述侧面的负极副部,
从所述层叠方向俯视时,所述侧面上的所述正极副部的长度L1、所述侧面上的所述负极副部的长度L2、以及所述侧面的长度L3满足如下关系,
20μm≤(L1+L2)<L3···(1)。
2.如权利要求1所述的全固体电池,其特征在于:
从所述层叠方向俯视时,所述侧面上的所述正极副部的长度L1、所述侧面上的所述负极副部的长度L2、以及所述侧面的长度L3满足如下关系,
60μm≤(L1+L2)<L3···(2)。
3.如权利要求1所述的全固体电池,其特征在于:
所述侧面上的所述正极副部的长度L1和所述侧面上的所述负极副部的长度L2相同。
4.如权利要求2所述的全固体电池,其特征在于:
所述侧面上的所述正极副部的长度L1和所述侧面上的所述负极副部的长度L2相同。
5.如权利要求1所述的全固体电池,其特征在于:
所述侧面上的所述正极副部的长度L1和所述侧面的长度L3满足如下关系,
(L3×2%)≤L1≤(L3×49%)···(3)。
6.如权利要求2所述的全固体电池,其特征在于:
所述侧面上的所述正极副部的长度L1和所述侧面的长度L3满足如下关系,
(L3×2%)≤L1≤(L3×49%)···(3)。
7.如权利要求3所述的全固体电池,其特征在于:
所述侧面上的所述正极副部的长度L1和所述侧面的长度L3满足如下关系,
(L3×2%)≤L1≤(L3×49%)···(3)。
8.如权利要求4所述的全固体电池,其特征在于:
所述侧面上的所述正极副部的长度L1和所述侧面的长度L3满足如下关系,
(L3×2%)≤L1≤(L3×49%)···(3)。
9.如权利要求5所述的全固体电池,其特征在于:
所述侧面上的所述正极副部的长度L1和所述侧面的长度L3满足如下关系,
(L3×2%)≤L1≤(L3×49%)···(3)。
10.权利要求1~9中任一项所述的全固体电池,其特征在于:
所述侧面上的所述负极副部的长度L2和所述侧面的长度L3满足如下关系,
(L3×2%)≤L2≤(L3×49%)···(4)。
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Legal Events
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GR01 | Patent grant | ||
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