JP2010129190A - Method for manufacturing active material, method for manufacturing electrode body, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、活物質の製造方法、電極体の製造方法、及び、リチウムイオン二次電池に関する。本発明は、特に、リチウムイオン二次電池の正極活物質としても利用し得る活物質を製造可能な活物質の製造方法、該活物質の製造方法によって製造された正極活物質と固体電解質とを有する電極体を製造する電極体の製造方法、及び、該電極体の製造方法によって製造された電極体を有するリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a method for producing an active material, a method for producing an electrode body, and a lithium ion secondary battery. In particular, the present invention relates to a method for producing an active material capable of producing an active material that can also be used as a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a positive electrode active material produced by the method for producing the active material, and a solid electrolyte. The present invention relates to an electrode body manufacturing method for manufacturing an electrode body, and a lithium ion secondary battery including the electrode body manufactured by the electrode body manufacturing method.
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、ハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。 A lithium ion secondary battery has the characteristics that it has a higher energy density than other secondary batteries and can operate at a high voltage. For this reason, it is used as a secondary battery that can be easily reduced in size and weight in information equipment such as a mobile phone, and in recent years, there is an increasing demand for large-sized power such as for hybrid vehicles.
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質とが備えられ、電解質は、非水系の液体又は固体によって構成される。電解質に非水系の液体(以下において「電解液」という。)が用いられる場合には、電解液が正極層の内部へと浸透する。そのため、正極層を構成する正極活物質と電解質との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体の電解質は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体の電解質(以下において「固体電解質層」ということがある。)が備えられる形態のリチウムイオン二次電池が提案されている。 The lithium ion secondary battery includes a positive electrode layer and a negative electrode layer, and an electrolyte disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and the electrolyte is composed of a non-aqueous liquid or solid. When a non-aqueous liquid (hereinafter referred to as “electrolytic solution”) is used as the electrolyte, the electrolytic solution penetrates into the positive electrode layer. Therefore, the interface between the positive electrode active material constituting the positive electrode layer and the electrolyte is easily formed, and the performance is easily improved. However, since the widely used electrolyte is flammable, it is necessary to mount a system for ensuring safety. On the other hand, since the solid electrolyte is nonflammable, the above system can be simplified. Therefore, a lithium ion secondary battery in a form provided with a solid electrolyte that is nonflammable (hereinafter sometimes referred to as a “solid electrolyte layer”) has been proposed.
固体電解質層が正極層と負極層との間に配設されるリチウムイオン二次電池(以下において「圧粉全固体電池」ということがある。)では、正極活物質及び電解質が固体であるため、電解質が正極活物質の内部へ浸透しにくく、正極活物質と電解質との界面が低減しやすい。それゆえ、圧粉全固体電池では、正極活物質の粉末と固体電解質の粉末とを混合した混合粉末を含有する正極合剤層を正極層として用いることにより、界面の面積を増大させている。 In a lithium ion secondary battery in which a solid electrolyte layer is disposed between a positive electrode layer and a negative electrode layer (hereinafter sometimes referred to as a “compact all-solid battery”), the positive electrode active material and the electrolyte are solid. The electrolyte hardly penetrates into the positive electrode active material, and the interface between the positive electrode active material and the electrolyte is likely to be reduced. Therefore, in the powder all-solid battery, the area of the interface is increased by using, as the positive electrode layer, a positive electrode mixture layer containing a mixed powder obtained by mixing a positive electrode active material powder and a solid electrolyte powder.
また、圧粉全固体電池では、正極活物質と固体電解質との界面をリチウムイオンが移動する際の抵抗(以下において「界面抵抗」ということがある。)が増大しやすい。これは、正極活物質と固体電解質とが反応することにより、正極活物質の表面に高抵抗部位が形成されるためであると言われている(非特許文献1)。界面抵抗と圧粉全固体電池の性能との間には相関があるため、界面抵抗を低減することにより圧粉全固体電池の性能を向上させることを目的とした技術が、これまでに開示されてきている。例えば、非特許文献1には、コバルト酸リチウムの表面がニオブ酸リチウムによって被覆された形態の正極活物質とすることにより、界面抵抗を低減させる技術が開示されている。
Further, in a powder all-solid battery, resistance when lithium ions move through the interface between the positive electrode active material and the solid electrolyte (hereinafter sometimes referred to as “interface resistance”) tends to increase. This is said to be because a high resistance site is formed on the surface of the positive electrode active material by the reaction between the positive electrode active material and the solid electrolyte (Non-patent Document 1). Since there is a correlation between the interfacial resistance and the performance of the dust all-solid battery, a technique aimed at improving the performance of the dust all-solid battery by reducing the interface resistance has been disclosed so far. It is coming. For example, Non-Patent
このほか、特許文献1には、少なくとも硫黄及び/又はリンで表面処理された全固体二次電池用の電極材料に関する技術が開示されている。また、特許文献2には、リチウム含有遷移金属酸化物からなる正極活物質の表面の少なくとも一部分にリチウム塩化物を担持させる圧粉全固体電池に関する技術が開示されている。
In addition,
非特許文献1に開示された技術によれば、コバルト酸リチウムの表面をニオブ酸リチウムで被覆することにより、界面抵抗を低減することが可能になると考えられる。しかしながら、非特許文献1に開示されている、400℃の酸素雰囲気中で熱処理を行うと、活物質の表面に形成した被覆層に含有されるニオブ酸リチウムが結晶化する。ニオブ酸リチウムが結晶化すると、界面抵抗が増大するため、非特許文献1に開示されている技術では、被覆層の界面抵抗を十分に低減することが困難になる場合があり、界面抵抗の低減効果が損なわれる虞があるという問題があった。かかる問題は、非特許文献1に開示された技術と、特許文献1〜特許文献2に開示された技術とを組み合わせたとしても、解決が困難であった。
According to the technique disclosed in Non-Patent
そこで本発明は、界面抵抗を低減することが可能な、活物質の製造方法、電極体の製造方法、及び、リチウムイオン二次電池を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the manufacturing method of an active material, the manufacturing method of an electrode body, and a lithium ion secondary battery which can reduce interface resistance.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第1の本発明は、ニオブ酸リチウムの前駆体を含有する溶液をイオン伝導物質の表面に塗布して被熱処理体を作製する塗布工程と、該塗布工程で作製された被熱処理体を、260℃以上300℃以下のオゾン雰囲気中で熱処理して活物質を作製する熱処理工程と、を有することを特徴とする、活物質の製造方法である。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
According to a first aspect of the present invention, there is provided a coating process in which a solution containing a lithium niobate precursor is applied to the surface of an ion conductive material to produce a heat-treated body, and a heat-treated body produced in the coating process. And a heat treatment step of producing an active material by heat treatment in an ozone atmosphere at a temperature of not less than 300 ° C and not more than 300 ° C.
本発明において、「イオン伝導物質」は、金属イオンの出入りが可能な物質をいう。金属イオンの具体例としては、リチウムイオン等を挙げることができる。また、リチウムイオンの出入りが可能なイオン伝導物質の具体例としては、コバルト酸リチウム等を挙げることができる。本発明における「イオン伝導物質」は、例えば400℃の酸素雰囲気中でニオブ酸リチウムと反応する物質であっても良い。リチウムイオンの出入りが可能なイオン伝導物質を用いて、第1の本発明により製造された活物質は、リチウムイオン二次電池の正極活物質として利用することができる。また、本発明において、塗布工程は、ニオブ酸リチウムの前駆体を含有する溶液が、イオン伝導物質の表面の少なくとも一部に塗布された被熱処理体、を作製可能であれば、その形態は特に限定されるものではなく、公知の形態とすることができる。また、本発明において、熱処理工程の「オゾン雰囲気」は、オゾン含有雰囲気であれば、当該雰囲気に含有されるオゾンの濃度は特に限定されるものではない。本発明におけるオゾン雰囲気のオゾン濃度は、例えば、0.1%とすることができる。 In the present invention, the “ion conducting substance” refers to a substance that allows metal ions to enter and exit. Specific examples of metal ions include lithium ions. Moreover, as a specific example of the ion conductive material capable of entering and exiting lithium ions, lithium cobaltate and the like can be given. The “ion conducting substance” in the present invention may be a substance that reacts with lithium niobate in an oxygen atmosphere at 400 ° C., for example. The active material produced according to the first aspect of the present invention using an ion conductive material capable of entering and exiting lithium ions can be used as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery. Further, in the present invention, the form of the coating step is not particularly limited as long as the solution containing the lithium niobate precursor can produce a heat-treated body coated on at least a part of the surface of the ion conductive material. It is not limited and can be a known form. In the present invention, the ozone concentration in the atmosphere is not particularly limited as long as the “ozone atmosphere” of the heat treatment step is an ozone-containing atmosphere. The ozone concentration of the ozone atmosphere in the present invention can be set to 0.1%, for example.
第2の本発明は、正極活物質と、固体の硫化物を含む固体電解質とを混合する混合工程、を有し、該混合工程で固体電解質と混合される正極活物質が、第1の本発明にかかる活物質の製造方法によって製造されていることを特徴とする、電極体の製造方法である。 The second aspect of the present invention includes a mixing step of mixing a positive electrode active material and a solid electrolyte containing solid sulfide, and the positive electrode active material mixed with the solid electrolyte in the mixing step is the first book. It is manufactured by the manufacturing method of the active material concerning invention, It is a manufacturing method of the electrode body characterized by the above-mentioned.
第2の本発明において、「混合工程」は、正極活物質と固体の硫化物を含む固体電解質とを均一に混合可能な工程であれば、特に限定されるものではなく、公知の形態とすることができる。ただし、界面抵抗を低減可能な電極体を製造可能とする等の観点からは、イオン伝導物質の表面に形成されている被覆層の剥離を抑制可能なように、混合工程で付与されるせん断力が所定値以下(例えば、10[N]以下)である状態を維持しながら、正極活物質と固体の硫化物を含む固体電解質とを均一に混合する形態、とすることが好ましい。 In the second aspect of the present invention, the “mixing step” is not particularly limited as long as it is a step capable of uniformly mixing the positive electrode active material and the solid electrolyte containing solid sulfide, and has a known form. be able to. However, from the viewpoint of making it possible to produce an electrode body capable of reducing the interface resistance, the shearing force applied in the mixing step so that peeling of the coating layer formed on the surface of the ion conductive material can be suppressed. It is preferable that the positive electrode active material and the solid electrolyte containing solid sulfide be uniformly mixed while maintaining a state where is a predetermined value or less (for example, 10 [N] or less).
第3の本発明は、正極層及び負極層、並びに、正極層と負極層との間に配設された固体電解質層を具備し、上記第2の本発明にかかる電極体の製造方法によって製造された電極体が、正極層に含有されることを特徴とする、リチウムイオン二次電池である。 The third aspect of the present invention includes a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and is manufactured by the method for manufacturing an electrode body according to the second aspect of the present invention. A lithium ion secondary battery, wherein the electrode body is contained in a positive electrode layer.
第1の本発明によれば、オゾン雰囲気中で熱処理を行うことにより、イオン伝導物質に塗布した溶液の分解を促進することができる。そのため、260℃以上300℃以下という従来よりも低温の環境下であっても、イオン伝導物質の表面に、ニオブ酸リチウムを含有する被覆層を形成することができる。また、かかる温度環境下で熱処理することにより、イオン伝導物質と被覆層との反応や、被覆層に含有されるニオブ酸リチウムの結晶化を、抑制又は防止することができ、均質な非晶質のニオブ酸リチウムを含有する被覆層を形成できるので、被覆層の界面抵抗を低減することが可能になる。したがって、第1の本発明によれば、界面抵抗を低減し得る活物質を製造することが可能な、活物質の製造方法を提供することができる。 According to 1st this invention, decomposition | disassembly of the solution apply | coated to the ion conductive substance can be accelerated | stimulated by performing heat processing in ozone atmosphere. Therefore, a coating layer containing lithium niobate can be formed on the surface of the ion conductive material even in an environment of 260 ° C. or higher and 300 ° C. or lower than the conventional temperature. In addition, the heat treatment under such a temperature environment can suppress or prevent the reaction between the ion conductive material and the coating layer and the crystallization of lithium niobate contained in the coating layer. Since the coating layer containing lithium niobate can be formed, the interface resistance of the coating layer can be reduced. Therefore, according to 1st this invention, the manufacturing method of the active material which can manufacture the active material which can reduce interface resistance can be provided.
第2の本発明では、第1の本発明にかかる活物質の製造方法によって製造された活物質を用いて電極体を製造する。そのため、第2の本発明によれば、界面抵抗を低減し得る電極体を製造することが可能な、電極体の製造方法を提供することができる。 In the second aspect of the present invention, an electrode body is manufactured using the active material manufactured by the method for manufacturing an active material according to the first aspect of the present invention. Therefore, according to the second aspect of the present invention, it is possible to provide an electrode body manufacturing method capable of manufacturing an electrode body capable of reducing the interface resistance.
第3の本発明によれば、第2の本発明にかかる電極体の製造方法によって製造された電極体が正極層に備えられるので、界面抵抗を低減することにより性能を向上させることが可能な、リチウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the third aspect of the present invention, the electrode body manufactured by the method for manufacturing the electrode body according to the second aspect of the present invention is provided in the positive electrode layer, so that performance can be improved by reducing the interface resistance. A lithium ion secondary battery can be provided.
被覆層が形成された正極活物質と固体電解質とを含有する正極層(電極体)を用いることによって、圧粉全固体電池のリチウムイオン伝導抵抗(界面抵抗)を低減させ得ることが知られている。圧粉全固体電池の性能を向上させるためには、界面抵抗の小さい被覆層を形成することが有効である。本発明者らは、鋭意研究の結果、被覆層を形成する際の熱処理を、従来の温度(例えば、400℃程度)で行うと、被覆層が形成される活物質と被覆層との反応や、被覆層に含有される物質の結晶化が懸念されることを知見した。当該知見を詳述すると、以下の通りである。 It is known that by using a positive electrode layer (electrode body) containing a positive electrode active material on which a coating layer is formed and a solid electrolyte, the lithium ion conduction resistance (interface resistance) of a powdered all-solid battery can be reduced. Yes. In order to improve the performance of the powder all-solid battery, it is effective to form a coating layer having a low interface resistance. As a result of intensive studies, the present inventors have conducted a heat treatment for forming a coating layer at a conventional temperature (for example, about 400 ° C.), and the reaction between the active material on which the coating layer is formed and the coating layer, The present inventors have found that there is a concern about crystallization of substances contained in the coating layer. The knowledge is described in detail as follows.
本発明者らは、コバルト酸リチウムとニオブ酸リチウムとをボールミルで混合し、120℃で2週間に亘って熱処理することで反応を促進したものを粉末X線回折装置で分析することにより、これらの反応性を評価した。結果を図7に示す。図7の縦軸は強度[cps]、横軸は回折線の角度2θ[°]である。また、図7の「●」はニオブ酸リチウムのピーク、「○」はコバルト酸リチウムのピーク、「×」はニオブ酸リチウムとコバルト酸リチウムとが反応することにより生成されるCoO(NbO)のピークであることをそれぞれ示している。図7より、CoO(NbO)のピークが確認された。したがって、ニオブ酸リチウムとコバルト酸リチウムは、少なくとも120℃以上の温度で反応することが分かる。 The present inventors mixed lithium cobaltate and lithium niobate with a ball mill, and analyzed these with a powder X-ray diffractometer by accelerating the reaction by heat treatment at 120 ° C. for 2 weeks. The reactivity of was evaluated. The results are shown in FIG. In FIG. 7, the vertical axis represents intensity [cps] and the horizontal axis represents diffraction line angle 2θ [°]. In FIG. 7, “●” represents the peak of lithium niobate, “◯” represents the peak of lithium cobaltate, and “x” represents CoO (NbO) produced by the reaction of lithium niobate and lithium cobaltate. Each peak is shown. From FIG. 7, a peak of CoO (NbO) was confirmed. Therefore, it turns out that lithium niobate and lithium cobaltate react at the temperature of 120 degreeC or more.
一方、J. Appl. Phys. 49(9)、 1978、 p.4808(以下において、当該文献を「非特許文献2」という。)には、結晶質のニオブ酸リチウムは活性化エネルギーが1.9[eV]の絶縁体であるのに対し、非晶質のニオブ酸リチウムは活性化エネルギーが0.4[eV]、リチウムイオン伝導度が1×10−6[S/cm]であることが記載されている。すなわち、ニオブ酸リチウムは、結晶化するとリチウムイオン伝導抵抗が増大し、リチウムイオンの伝導度が低下すると言える。また、非特許文献2には、ニオブ酸リチウムの結晶化開始温度が360℃であること、及び、290℃で水酸化リチウムが分解(脱水反応:2LiOH→Li2O+H2O)することが記載されている。
On the other hand, J.H. Appl. Phys. 49 (9), 1978, p. In 4808 (hereinafter referred to as “
他方、本発明者らは、ニオブ酸リチウムの前駆体を含有する溶液(以下において、「前駆体含有溶液」ということがある。)を、異なる雰囲気に入れ、加熱しながらラマン分光分析を行い、ピーク形状の変化の有無を調査した。結果を図8〜図10に示す。図8は、大気雰囲気で加熱した前駆体含有溶液のラマン分光分析結果を示す図であり、図9は、酸素雰囲気で加熱した前駆体含有溶液のラマン分光分析結果を示す図であり、図10は、オゾン雰囲気で加熱した前駆体含有溶液のラマン分光分析結果を示す図である。図8〜図10の縦軸は散乱光の強度[cps]、横軸はラマンシフトを波数[cm−1]で示している。図8より、大気雰囲気で加熱した場合には、加熱温度260℃まではピーク形状が変化せず、加熱温度300℃でピーク形状が変化した。また、図9より、酸素雰囲気で加熱した場合には、加熱温度260℃まではピーク形状が変化せず、加熱温度280℃及び300℃でピーク形状が変化した。また、図10より、オゾン雰囲気で加熱した場合には、加熱温度240℃まではピーク形状が変化せず、加熱温度260℃、280℃、及び、300℃でピーク形状が変化した。これらの結果から、雰囲気の酸化力を高めることで、ピーク形状が変化し始める温度を低温化できることが分かった。 On the other hand, the present inventors put a solution containing a precursor of lithium niobate (hereinafter sometimes referred to as “precursor-containing solution”) in a different atmosphere, and conduct Raman spectroscopic analysis while heating, The presence or absence of changes in peak shape was investigated. The results are shown in FIGS. FIG. 8 is a diagram showing the results of Raman spectroscopic analysis of a precursor-containing solution heated in an air atmosphere, and FIG. 9 is a diagram showing the results of Raman spectroscopic analysis of a precursor-containing solution heated in an oxygen atmosphere. These are figures which show the Raman spectroscopic analysis result of the precursor containing solution heated in ozone atmosphere. 8 to 10, the vertical axis represents scattered light intensity [cps], and the horizontal axis represents the Raman shift in terms of wave number [cm −1 ]. From FIG. 8, when heated in an air atmosphere, the peak shape did not change up to a heating temperature of 260 ° C., and the peak shape changed at a heating temperature of 300 ° C. Further, from FIG. 9, when heated in an oxygen atmosphere, the peak shape did not change up to the heating temperature of 260 ° C., and the peak shape changed at the heating temperatures of 280 ° C. and 300 ° C. Further, as shown in FIG. 10, when heated in an ozone atmosphere, the peak shape did not change up to the heating temperature of 240 ° C., and the peak shape changed at the heating temperatures of 260 ° C., 280 ° C., and 300 ° C. From these results, it was found that the temperature at which the peak shape starts to change can be lowered by increasing the oxidizing power of the atmosphere.
以上より、本発明者らは、イオン伝導物質(例えば、コバルト酸リチウム)の表面に前駆体含有溶液を塗布して作製した被熱処理体に、温度及び雰囲気を制御した熱処理を施すことにより、被覆層の界面抵抗を低減可能であることを知見した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、均質な非晶質のニオブ酸リチウムを含有する被覆層を形成することにより、界面抵抗を低減させることが可能な、活物質の製造方法及び電極体の製造方法を提供することを第1の要旨とする。加えて、界面抵抗を低減させた被覆層を有する正極活物質が備えられる形態とすることにより、性能を向上させることが可能なリチウムイオン二次電池(圧粉全固体電池)を提供することを第2の要旨とする。 As described above, the present inventors applied a heat treatment in which the temperature and atmosphere were controlled to a heat-treated body prepared by applying a precursor-containing solution to the surface of an ion conductive material (for example, lithium cobalt oxide), thereby covering It was found that the interface resistance of the layer can be reduced. The present invention has been made on the basis of such findings, and a method for producing an active material capable of reducing interfacial resistance by forming a coating layer containing homogeneous amorphous lithium niobate The first gist is to provide a method for manufacturing an electrode body. In addition, by providing a positive electrode active material having a coating layer with reduced interface resistance, it is possible to provide a lithium ion secondary battery (compact all-solid battery) capable of improving performance. This is the second gist.
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to the form shown below.
1.活物質の製造方法
図1は、本発明の活物質の製造方法に含まれる工程の流れを示すフローチャートである。図2は、本発明の活物質の製造方法によって製造された活物質1の形態例を示す図である。図2に示す活物質1は、イオン伝導物質であるコバルト酸リチウム2(以下において、「イオン伝導物質2」ということがある。)、及び、該イオン伝導物質2の表面に形成された、均質な非晶質のニオブ酸リチウムを含有する被覆層3を有している。以下、図1及び図2を参照しつつ、本発明の活物質の製造方法について説明する。
図1に示すように、本発明の活物質の製造方法は、塗布工程(工程S11)と、熱処理工程(工程S12)と、を有している。
1. Active Material Manufacturing Method FIG. 1 is a flowchart showing a flow of steps included in the active material manufacturing method of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a form example of the
As shown in FIG. 1, the manufacturing method of the active material of this invention has a coating process (process S11) and a heat treatment process (process S12).
1.1.塗布工程(工程S11)
工程S11は、イオン伝導物質2の表面に、ニオブ酸リチウムの前駆体(例えば、LiOC2H5及びNb(OC2H5)5)を含有する溶液(前駆体含有溶液)を塗布することにより、イオン伝導物質2の表面の少なくとも一部が前駆体含有溶液で被覆されることによって構成される被熱処理体、を作製する工程である。工程S11は、例えば、溶剤(例えば、エタノール)に等モルのLiOC2H5及びNb(OC2H5)5を溶解させて作製した前駆体含有溶液を、イオン伝導物質2の表面へ、転動流動コーティング装置を用いてスプレーコートすることにより、イオン伝導物質2の表面の少なくとも一部が前駆体含有溶液によって被覆された被熱処理体を作製する形態、とすることができる。工程S11は、当該形態に限定されるものではなく、イオン伝導物質2の表面へ前駆体含有溶液を塗布することにより、イオン伝導物質2の表面の少なくとも一部が前駆体含有溶液によって被覆された被熱処理体を作製し得るものであれば、他の形態とすることも可能である。
1.1. Application process (process S11)
Step S11 is performed by applying a solution (precursor-containing solution) containing lithium niobate precursors (for example, LiOC 2 H 5 and Nb (OC 2 H 5 ) 5 ) to the surface of the ion
1.2.熱処理工程(工程S12)
工程S12は、上記工程S11で作製した被熱処理体を、260℃以上300℃以下のオゾン雰囲気中で熱処理することにより、イオン伝導物質2の表面の少なくとも一部が被覆層3によって被覆された活物質1を作製する工程である。ここで、上述のように、ニオブ酸リチウムの結晶化開始温度は360℃であるため、260℃以上300℃以下で熱処理を行うことにより、本発明によれば、ニオブ酸リチウムの結晶化を防止することができる。さらに、酸化力が高いオゾン雰囲気中で熱処理を行うことにより、熱処理温度が260℃以上300℃以下であってもピーク形状を変化させることができるので、本発明によれば、均質な非晶質のニオブ酸リチウムを形成することができる。すなわち、本発明の工程S12によれば、均質な非晶質のニオブ酸リチウムを含有する被覆層3を、イオン伝導物質2の表面に形成することができるので、活物質1を作製することができる。工程S12における熱処理の時間は、活物質1を作製可能な時間であれば特に限定されるものではないが、例えば、2時間とすることができる。
1.2. Heat treatment step (step S12)
Step S12 is an active process in which at least a part of the surface of the ion
このように、工程S11及び工程S12を有する本発明の活物質の製造方法によれば、イオン伝導物質2、及び、該イオン伝導物質2の表面に形成された、均質な非晶質のニオブ酸リチウムを含有する被覆層3、を有する活物質1を製造することができる。上述のように、非晶質のニオブ酸リチウムを被覆層3に存在させることにより、結晶質のニオブ酸リチウムのみを被覆層3に含有させた場合と比較して、被覆層3の界面抵抗(リチウムイオン伝導抵抗)を低減することができる。そのため、本発明によれば、界面抵抗を低減し得る活物質1を製造することが可能な、活物質の製造方法を提供することができる。
Thus, according to the manufacturing method of the active material of this invention which has process S11 and process S12, the homogeneous amorphous niobic acid formed in the surface of
2.電極体の製造方法
図3は、本発明の電極体の製造方法に含まれる工程の流れを示すフローチャートである。図4は、本発明の電極体の製造方法によって製造された電極体5の形態例を示す断面図である。図4において、図2と同様の構成を採るものには、図2で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図1〜図4を参照しつつ、本発明の電極体の製造方法について説明する。
2. Electrode Body Manufacturing Method FIG. 3 is a flowchart showing a flow of steps included in the electrode body manufacturing method of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of the form of the
図3に示すように、本発明の電極体の製造方法は、塗布工程(工程S21)と、熱処理工程(工程S22)と、混合工程(工程S23)と、を有している。一方、図4に示すように、本発明の電極体の製造方法によって製造された電極体5は、活物質1、1、…(以下において、「正極活物質1、1、…」ということがある。)、及び、固体電解質4、4、…を含有し、これらが均一に混合されている。正極活物質1、1、…は、イオン伝導物質2、2、…と、その表面に形成された被覆層3、3、…と、を有している。電極体5において、イオン伝導物質2、2、…はコバルト酸リチウムであり、被覆層3、3、…の主成分は均質な非晶質のニオブ酸リチウムである。一方、固体電解質4、4、…は、Li7P3S11によって構成されている。
As shown in FIG. 3, the manufacturing method of the electrode body of this invention has a coating process (process S21), a heat treatment process (process S22), and a mixing process (process S23). On the other hand, as shown in FIG. 4, the
電極体5において、イオン伝導物質2、2、…と固体電解質4、4、…とが接触すると、これらが反応することにより、イオン伝導物質2、2、…の表面に高抵抗部位が形成される。イオン伝導物質2、2、…の表面に高抵抗部位が形成されると、界面抵抗が増大するため、電極体5(以下において、「正極合剤層5」ということがある。)を有する圧粉全固体電池の性能が低下する。かかる事態を抑制するため、正極合剤層5では、イオン伝導物質2、2、…の表面が被覆層3、3、…によって被覆されている正極活物質1、1、…と、固体電解質4、4、…とが混合された形態とされている。イオン伝導物質2、2、…の表面に被覆層3、3、…を配置し、イオン伝導物質2、2、…と固体電解質4、4、…との間に被覆層3、3、…を介在させることにより、イオン伝導物質2、2、…と固体電解質4、4、…との反応が抑制されるため、高抵抗部位の形成を抑制することができる。したがって、正極合剤層5によれば、界面抵抗を低減することが可能になる。
In the
2.1.塗布工程(工程S21)
工程S21は、イオン伝導物質2、2、…の表面の少なくとも一部が前駆体含有溶液で被覆されることによって構成される被熱処理体、を作製する工程である。工程S21は、上記工程S11と同様の形態とすることができるため、詳細説明は省略する。
2.1. Application process (process S21)
Step S21 is a step of manufacturing a heat-treated body configured by covering at least part of the surfaces of the ion
2.2.熱処理工程(工程S22)
工程S22は、上記工程S21で作製した被熱処理体を、260℃以上300℃以下のオゾン雰囲気中で熱処理することにより、正極活物質1、1、…を作製する工程である。工程S22は、上記工程S21と同様の形態とすることができるため、詳細説明は省略する。
2.2. Heat treatment step (step S22)
Step S22 is a step of producing the positive electrode
2.3.混合工程(工程S23)
工程S23は、上記工程S22で作製した正極活物質1、1、…と、固体電解質4、4、…とを均一に混合する工程である。被覆層3、3、…を有する正極活物質1、1、…と固体電解質4、4、…とを混合する際に、せん断力が被覆層3、3、…に付与されると、イオン伝導物質2、2、…の表面を被覆していた被覆層3、3、…が剥離しやすい。それゆえ、工程S23は、被覆層3、3、…に付与されるせん断力が所定値以下(例えば、10[N]以下)である状態を維持しながら、正極活物質1、1、…と固体電解質4、4、…とを均一に混合する工程とすることが好ましい。工程S23は、正極活物質1、1、…と固体電解質4、4、…とを均一に混合し得る工程であれば、その形態は特に限定されるものではないが、例えば、スパチュラを用いて正極活物質1、1、…と固体電解質4、4、…とを混合する形態や、振盪器を用いて正極活物質1、1、…と固体電解質4、4、…とを混合する形態とすることが好ましい。
2.3. Mixing step (step S23)
Step S23 is a step of uniformly mixing the positive electrode
さらに、工程S23において、被覆層3、3、…に付与されるせん断力を所定値以下に維持しても、正極活物質1、1、…と固体電解質4、4、…とが均一に混合されなければ、正極活物質1、1、…と固体電解質4、4、…との接触界面が低減し、正極合剤層5におけるリチウムイオン伝導性及び電子伝導性が低下する結果、正極合剤層5の性能が低下する。それゆえ、工程S23では、正極活物質1、1、…と固体電解質4、4、…とを均一に混合する。これらが均一に混合されたか否かは、例えば、上記工程S22で作製された正極活物質粒子1、1、…の直径をR1、及び、工程S23によって混合された粉体に含有される正極活物質粒子1、1、…の凝集体の直径をR2とするとき、R2≦3×R1を満たすか否かによって判断することができる。
Further, in step S23, even if the shearing force applied to the coating layers 3, 3,... Is kept below a predetermined value, the positive electrode
このように、工程S21〜工程S23を有する本発明の電極体の製造方法によれば、工程S21及び工程S22を経ることにより、イオン伝導物質2、2、…及び均質な非晶質のニオブ酸リチウムを含有する被覆層3、3、…を有する正極活物質1、1、…を製造することができる。そして、本発明の電極体の製造方法によれば、工程S21〜工程S23により作製した、正極活物質1、1、…と固体電解質4、4、…とが均一に混合された粉体へ、結着剤を加えて調整した合剤を塗布・乾燥する等の工程を経て、正極合剤層5を製造することができる。正極合剤層5には、被覆層3、3、…を有する正極活物質1、1、…が含有されているので、本発明によれば、界面抵抗を低減し得る電極体5(正極合剤層5)を製造することが可能な、電極体の製造方法を提供することができる。
Thus, according to the manufacturing method of the electrode body of this invention which has process S21-process S23, by passing through process S21 and process S22, ion-
本発明の電極体の製造方法において、工程S23で正極活物質1、1、…と混合される固体電解質4、4、…の製造方法は特に限定されるものではく、例えば、特開2005−228570号公報に記載されている方法等により、製造することができる。
In the manufacturing method of the electrode body of the present invention, the manufacturing method of the
3.リチウムイオン二次電池
図5は、本発明のリチウムイオン二次電池に備えられるセルの形態例を示す概念図である。図5において、図4と同様の構成を採るものには、図4で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。また、図5では、正極層の形態を簡略化して示す。以下、図4及び図5を参照しつつ、本発明のリチウムイオン二次電池について説明する。
3. Lithium Ion Secondary Battery FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a cell provided in the lithium ion secondary battery of the present invention. 5, components having the same configuration as in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 4, and description thereof is omitted as appropriate. FIG. 5 shows a simplified form of the positive electrode layer. Hereinafter, the lithium ion secondary battery of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
図5に示すように、本発明のリチウムイオン二次電池10(以下において「二次電池10」という。)は、正極合剤層5によって構成される正極層(以下において「正極層5」ということがある。)と、Li7P3S11を含有する固体電解質層6と、In箔によって構成される負極層7と、を備える。二次電池10の充電時には、正極層5の正極活物質1、1、…を構成するイオン伝導物質2、2、…からリチウムイオンが引き抜かれ、このリチウムイオンが、被覆層3、3、…、固体電解質4、4、…、及び、固体電解質層6を伝って、負極層7へと達する。これに対し、二次電池10の放電時には、負極層7から放出されたリチウムイオンが、固体電解質層6、固体電解質4、4、…、及び、被覆層3、3、…を伝って、イオン伝導物質2、2、…へと達する。このように、二次電池10の充放電時には、正極活物質1、1、…と固体電解質4、4、…との界面をリチウムイオンが移動するため、二次電池10の高容量化・高出力化を図るには、当該界面のイオン伝導抵抗(界面抵抗)を低減することが重要である。ここで、二次電池10には、正極層5が備えられ、正極層5には、イオン伝導物質2、2、…の表面に被覆層3、3、…が配置された状態の正極活物質1、1、…が含有されている。イオン伝導物質2、2、…と固体電解質4、4、…との間に被覆層3、3、…を介在させることにより、イオン伝導物質2、2、…と固体電解質4、4、…との反応を抑制することができる。そのため、イオン伝導物質2、2、…の表面への高抵抗部位の形成を抑制することができる。加えて、被覆層3、3、…には、均質な非晶質のニオブ酸リチウムが含有されている。均質な非晶質のニオブ酸リチウムを含有する被覆層3、3、…を、イオン伝導物質2、2、…の表面へ形成することにより、界面抵抗を低減することが容易になる。すなわち、二次電池10には、界面抵抗を容易に低減することが可能な正極層5が備えられるので、本発明によれば、界面抵抗を低減させることにより性能を向上させることが可能な、二次電池10を提供することができる。
As shown in FIG. 5, the lithium ion secondary battery 10 (hereinafter referred to as “
本発明において、電極体、及び、リチウムイオン二次電池の正極層は、例えば、正極活物質1、1、…と、固体電解質4、4、…とを有していれば良く、これらに加えて、さらに他の物質(例えば、導電剤等)が含有された形態とすることも可能である。本発明の電極体やリチウムイオン二次電池の正極層に導電剤が含有された形態とすることにより、上記効果に加えて、電子伝導性を向上させることが可能になる。本発明において使用可能な導電剤としては、気相成長炭素繊維のほか、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等を例示することができる。
In the present invention, the electrode body and the positive electrode layer of the lithium ion secondary battery may have, for example, the positive electrode
本発明に関する上記説明では、Li7P3S11によって構成される固体電解質4、4、…が含有される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明における固体電解質は、固体の硫化物を含み、かつ、圧粉全固体電池の正極層で使用可能な固体電解質であれば、特に限定されるものではない。本発明における固体電解質の具体例としては、Li7P3S11のほか、80Li2S−20P2S5、Li3PO4−Li2S−SiS2等を例示することができる。
In the above description of the present invention, the
また、本発明に関する上記説明では、Li7P3S11を含有する固体電解質層6が備えられる形態の二次電池10を例示したが、本発明のリチウムイオン二次電池は当該形態に限定されるものではない。本発明のリチウムイオン二次電池に備えられる固体電解質層は、圧粉全固体電池の固体電解質層として機能し得る物質によって構成されていれば良い。本発明のリチウムイオン二次電池における固体電解質層を構成し得る物質の具体例としては、Li7P3S11のほか、80Li2S−20P2S5、Li3PO4−Li2S−SiS2、Li3.25Ge0.25P0.75O4等を例示することができる。
Further, in the above description of the present invention has been described by way of the
また、本発明に関する上記説明では、In箔によって構成される負極層7が備えられる形態の二次電池10を例示したが、本発明のリチウムイオン二次電池は当該形態に限定されるものではない。本発明のリチウムイオン二次電池に備えられる負極層は、圧粉全固体電池の負極層として機能し得る物質によって構成されていれば良い。本発明のリチウムイオン二次電池における負極層を構成し得る物質の具体例としては、Inのほか、黒鉛、Sn、Si、Li4Ti5O12、Al、Fe2S等を例示することができる。
Moreover, in the said description regarding this invention, although the
また、本発明において、電極体及びリチウムイオン二次電池、並びに、電極体の製造方法における混合工程で作製される粉体に含有される正極活物質の凝集体の大きさは、上記関係(R2≦3×R1)を満たすことが好ましく、さらに、正極活物質と混合される固体電解質粒子の直径をR3、正極活物質と混合された固体電解質粒子の凝集体の直径をR4、とするとき、R4≦3×R3であることが好ましい。具体的には、R2<35[μm]、且つ、R4<35[μm]とすることが好ましい。 In the present invention, the size of the aggregate of the positive electrode active material contained in the powder produced in the mixing step in the electrode body, the lithium ion secondary battery, and the electrode body manufacturing method is the above relationship (R2 ≦ 3 × R1) is satisfied, and when the diameter of the solid electrolyte particles mixed with the positive electrode active material is R3 and the diameter of the aggregate of the solid electrolyte particles mixed with the positive electrode active material is R4, It is preferable that R4 ≦ 3 × R3. Specifically, it is preferable that R2 <35 [μm] and R4 <35 [μm].
1)リチウムイオン二次電池の作製
<実施例1>
エタノール溶媒に、等モルのLiOC2H5及びNb(OC2H5)5を溶解させて作製した前駆体含有溶液を、コバルト酸リチウム(イオン伝導物質)の表面に、転動流動コーティング装置(SFP−01、株式会社パウレック製)を用いてスプレーコートした。その後、コーティングされたコバルト酸リチウム(被熱処理体)を、280℃、窒素92%酸素7.9%オゾン0.1%の混合気流中で2時間に亘って熱処理(以下において「実施例1の熱処理」という。)することにより、コバルト酸リチウム(イオン伝導物質)の表面に均質な非晶質のニオブ酸リチウムを含有する層(被覆層)を形成し、実施例1の正極活物質を作製した。
次いで、質量比で、正極活物質:固体電解質=7:3となるように秤量した、実施例1の正極活物質と、特開2005−228570号公報に開示された方法により作製した固体電解質(Li7P3S11)と、を混合することにより、粉体を作製した。このようにして作製した粉体を用いて正極層1を作製し、図5に示すセルを備える二次電池10(以下において「実施例1の電池」という。)を作製した。
1) Production of lithium ion secondary battery <Example 1>
A precursor-containing solution prepared by dissolving equimolar LiOC 2 H 5 and Nb (OC 2 H 5 ) 5 in an ethanol solvent is applied to a surface of lithium cobalt oxide (ion conductive material) by a rolling fluid coating device ( Spray coating was performed using SFP-01, manufactured by Paulec Co. Thereafter, the coated lithium cobalt oxide (heat-treated body) was heat-treated in a mixed gas stream of 280 ° C., 92% nitrogen, 7.9% oxygen, 0.1% ozone for 2 hours (hereinafter referred to as “Example 1”). A layer (coating layer) containing homogeneous amorphous lithium niobate is formed on the surface of lithium cobaltate (ion conducting material) by producing a positive electrode active material of Example 1. did.
Next, the positive electrode active material of Example 1 weighed so that the positive electrode active material: solid electrolyte = 7: 3 in terms of mass ratio, and the solid electrolyte produced by the method disclosed in JP-A-2005-228570 ( Li 7 P 3 S 11 ) was mixed to prepare a powder. The
<比較例1>
上記実施例1の正極活物質を作製した際の熱処理雰囲気を大気雰囲気へと変更した熱処理を経て、比較例1の正極活物質を作製したほかは、上記実施例1の電池と同様の製造工程・物質により、比較例1の電池を作製した。
<Comparative Example 1>
A manufacturing process similar to that of the battery of Example 1 above, except that the positive electrode active material of Comparative Example 1 was prepared through a heat treatment in which the heat treatment atmosphere when the positive electrode active material of Example 1 was produced was changed to an air atmosphere. -The battery of Comparative Example 1 was made of the material.
<比較例2>
上記比較例1の正極活物質を作製した際の熱処理条件を400℃、0.5時間へと変更した熱処理を経て、比較例2の正極活物質を作製したほかは、上記比較例1の電池と同様の製造工程・物質により、比較例2の電池を作製した。
<Comparative example 2>
The battery of Comparative Example 1 except that the positive electrode active material of Comparative Example 2 was produced through heat treatment in which the heat treatment conditions for producing the positive electrode active material of Comparative Example 1 were changed to 400 ° C. and 0.5 hour. A battery of Comparative Example 2 was produced using the same production process and materials as in Example 1.
<比較例3>
上記比較例2の正極活物質を作製した際の熱処理雰囲気を酸素100%雰囲気へと変更した熱処理を経て、比較例3の正極活物質を作製したほかは、上記比較例1の電池と同様の製造工程・物質により、比較例3の電池を作製した。
<Comparative Example 3>
The same as the battery of Comparative Example 1 except that the positive electrode active material of Comparative Example 3 was produced through heat treatment in which the heat treatment atmosphere when the positive electrode active material of Comparative Example 2 was produced was changed to an
2)界面抵抗の測定
実施例1の電池、比較例1の電池、比較例2の電池、及び、比較例3の電池に、127μAの定電流で3.58Vまで充電し、充電後の各電池のインピーダンスを交流インピーダンス法により測定した。インピーダンス測定において、コールコールプロットにより、界面抵抗は円弧の大きさで表される。また、各円弧の頂点の周波数から、下記式を用いてキャパシタンスCを求めることができる。
2πfm=1/RC
ここで、fmは頂点の周波数、Rは界面抵抗、Cはキャパシタンスである。コールコールプロットの概念図を図6に示す。
実施例1の電池、比較例1の電池、比較例2の電池、及び、比較例3の電池に用いた材料系では、キャパシタンスC=5×10−5F程度に相当する円弧の直径から、正極活物質/固体電解質界面の抵抗(界面抵抗)を求めた。熱処理条件及び界面抵抗の測定結果を表1に示す。
2) Measurement of interfacial resistance The battery of Example 1, the battery of Comparative Example 1, the battery of Comparative Example 2, and the battery of Comparative Example 3 were charged to 3.58 V at a constant current of 127 μA, and each battery after charging The impedance was measured by the AC impedance method. In impedance measurement, the interfacial resistance is represented by the size of an arc according to the Cole-Cole plot. Further, the capacitance C can be obtained from the frequency of the apex of each arc using the following equation.
2πfm = 1 / RC
Here, fm is the apex frequency, R is the interface resistance, and C is the capacitance. A conceptual diagram of the Cole-Cole plot is shown in FIG.
In the material system used for the battery of Example 1, the battery of Comparative Example 1, the battery of Comparative Example 2, and the battery of Comparative Example 3, from the diameter of the arc corresponding to about capacitance C = 5 × 10 −5 F, The resistance (interface resistance) at the positive electrode active material / solid electrolyte interface was determined. Table 1 shows the measurement results of heat treatment conditions and interface resistance.
表1より、実施例1の正極活物質を有する実施例1の電池は、界面抵抗が36.3Ωであった。これに対し、比較例1の正極活物質を有する比較例1の電池は界面抵抗が94.1Ω、比較例2の正極活物質を有する比較例2の電池は界面抵抗が54.0Ω、比較例3の正極活物質を有する比較例3の電池は界面抵抗が37.1Ωであった。すなわち、280℃のオゾン雰囲気中で熱処理を施す過程を経て作製した電池(実施例1の電池)は、400℃の酸素雰囲気中で熱処理を施す過程を経て作製した電池(比較例3の電池)よりも、界面抵抗を低減できることが確認された。すなわち、本発明によれば、従来よりも熱処理温度を低温にしても、従来と同等以上の性能を有する、活物質、電極体、及び、リチウムイオン二次電池を提供でき、界面抵抗を低減可能であることが確認された。 From Table 1, the battery of Example 1 having the positive electrode active material of Example 1 had an interface resistance of 36.3Ω. On the other hand, the battery of Comparative Example 1 having the positive electrode active material of Comparative Example 1 has an interface resistance of 94.1Ω, and the battery of Comparative Example 2 having the positive electrode active material of Comparative Example 2 has an interface resistance of 54.0Ω. The battery of Comparative Example 3 having 3 positive electrode active materials had an interface resistance of 37.1Ω. That is, the battery manufactured through the process of heat treatment in the ozone atmosphere at 280 ° C. (battery of Example 1) is the battery manufactured through the process of heat treatment in the oxygen atmosphere of 400 ° C. (battery of Comparative Example 3). It was confirmed that the interface resistance can be reduced. That is, according to the present invention, it is possible to provide an active material, an electrode body, and a lithium ion secondary battery that have the same or better performance than the conventional one even if the heat treatment temperature is lower than the conventional one, and the interface resistance can be reduced It was confirmed that.
1…活物質(正極活物質)
2…コバルト酸リチウム(イオン伝導物質)
3…被覆層
4…固体電解質
5…電極体(正極合剤層、正極層)
6…固体電解質層
7…負極層
10…二次電池(リチウムイオン二次電池)
1 ... Active material (positive electrode active material)
2 ... lithium cobaltate (ion-conducting material)
3 ...
6 ... Solid electrolyte layer 7 ...
Claims (3)
前記塗布工程で作製された前記被熱処理体を、260℃以上300℃以下のオゾン雰囲気中で熱処理して活物質を作製する熱処理工程と、
を有することを特徴とする、活物質の製造方法。 An application step of applying a solution containing a precursor of lithium niobate to the surface of the ion conductive material to produce a heat-treated body;
A heat treatment step of producing an active material by heat-treating the heat-treated body produced in the coating step in an ozone atmosphere of 260 ° C. or higher and 300 ° C. or lower;
A method for producing an active material, comprising:
前記混合工程で前記固体電解質と混合される前記正極活物質が、請求項1に記載の活物質の製造方法によって製造されていることを特徴とする、電極体の製造方法。 A mixing step of mixing a positive electrode active material and a solid electrolyte containing solid sulfide;
The said positive electrode active material mixed with the said solid electrolyte at the said mixing process is manufactured with the manufacturing method of the active material of Claim 1, The manufacturing method of the electrode body characterized by the above-mentioned.
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