电极复合体、锂电池以及电极复合体的制造方法_2

文档序号:9549812阅读:来源:国知局
娃-镍合金(Si-Ni)、五氧化二银(Nb205)、五氧化二fji(V205)、氧化钛(Ti02)、氧化铟(Ιη203)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(Sn02)、氧化镍(NiO)、添加有锡(Sn)的氧化 铟(IT0)、添加有铝(A1)的氧化锌(AZ0)、添加有镓(Ga)的氧化锌(GZ0)、添加有锑(Sb) 的氧化锡(ΑΤΟ)、添加有氟(F)的氧化锡(FT0)、碳材料、在碳材料的层间插入有锂离子的物 质、Ti02的锐钛矿相、Li4Ti5012、Li2Ti307等锂复合氧化物、Li金属等。在本实施方式中,例 如,将集电体2设为正极,在活性物质成型体3中使用LiCo02。
[0051] 优选活性物质成型体3的空隙率为10%以上50%以下。活性物质成型体3具有这 样的空隙率,从而容易扩大活性物质成型体3内的表面积,并且容易扩大活性物质成型体3 与固体电解质层4的接触面积,容易使使用了电极复合体1的锂电池实现高容量。
[0052] 能够根据(1)通过活性物质成型体3的外形尺寸而得到的、包含细孔的活性物质 成型体3的体积(表观体积)、⑵活性物质成型体3的质量、(3)构成活性物质成型体3 的活性物质的密度,并基于下述式(I)来测定空隙率。
[0053][数学式1]
[0054]
[0055] 优选活性物质成型体3的电阻率为700Q/cm以下。由于活性物质成型体3具有这 样的电阻率,从而在使用电极复合体1来形成锂电池时,能够得到充分的输出。使作为电极 而使用的铜箱附着于活性物质成型体的表面,并进行直流极化测定,由此能够测定电阻率。
[0056] 固体电解质层4以固体电解质为形成材料,并设置为与包含细孔表面在内的活性 物质成型体3的表面接触。
[0057]作为固体电解质,能够举出Si02-P205-Li20、Si02-P205-LiCl、Li20-LiCl-B203、 Li3.4Vo.6Sio.4O4、Lii4ZnGe4016、Li3.6V0.4Ge0.604、LUiuAUPOju、Li2.88P 03.73N0.14、LiNb03、 Li〇.35La0.55Ti03、Li7La3Zr2012、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-P2S5、LiPON、Li3N、 Lil、Lil-Cal2、Lil-CaO、LiAlCl4、LiAlF4、Lil-Al203、LiF-Al203、LiBr-Al203、Li20-Ti02、 La203-Li20-Ti02、Li3N、Li3NI2、Li3N-LiI-LiOH、Li3N-LiCl、Li6NBr3、LiS04、Li4Si04、 Li3P04-Li4Si04、Li4Ge04-Li3V04、Li4Si04-Li3V04、Li4Ge04-Zn2Ge02、Li4Si04-LiMo04、 Li3P04-Li4Si04、LiSif^-Li^ZrO^氧化物、硫化物、卤化物、氮化物。上述固体电解质可以是 晶质的,也可以是非晶质的。另外,在本说明书中,还能够使用由其他过渡金属、典型金属、 碱金属、碱土类、镧系元素、硫族化物、卤素等置换上述组成物的一部分原子而得到的固溶 体作为固体电解质。
[0058] 优选固体电解质层4的离子传导率为1X10 5S/cm以上。由于固体电解质层4具 有这样的离子传导率,从而与活性物质成型体3的表面分离的位置处的固体电解质层4中 所含有的离子也到达活性物质成型体3的表面,能够有助于活性物质成型体3中的电池反 应。因此,能够提高活性物质成型体3中的活性物质的利用率,并能够增大容量。此时,若 离子传导率不足1X10 5S/cm,则在将电极复合体用于锂电池时,在活性物质成型体3中可 能只有与对极相对的面的表层附近的活性物质才有助于电池反应,容量有可能降低。
[0059] 此外,"固体电解质层4的离子传导率"是指构成固体电解质层4的上述无机电解 质本身的传导率亦即"体电导率"、与无机电解质为晶质的情况下的结晶的粒子间的传导率 亦即"晶界离子传导率"的总和亦即"总离子传导率"。在624MPa下对固体电解质粉末进行 冲压成型而使其形成为片剂形,在大气环境下以700°C的温度对上述片剂形物质烧结8小 时,通过溅射法在冲压成型体两面形成直径为0. 5cm、厚度为lOOnm的铂电极,进而实施交 流阻抗法,由此能够测定固体电解质层4的离子传导率。测定装置使用阻抗分析仪(输力 强公司制,型号为SI1260)。
[0060] 在电极复合体1中,将沿法线方向从集电体2的表面远离的方向且在集电体2设 置复合体5的方向设为上方。图中上侧为上方。此时,固体电解质层4的上侧的表面4a位 于比活性物质成型体3的上端位置3a靠上方的位置。即,固体电解质层4形成为比活性物 质成型体3的上端位置3a靠上方。由此,当在表面4a设置电极而制成具有电极复合体1的 锂电池时,设置于表面4a的电极与集电体2不会经由活性物质成型体3而电连接。因此, 能够防止电极与集电体2短路。
[0061] 对于本实施方式的电极复合体1而言,在对活性物质成型体3进行成型时,成型为 不含有将活性物质彼此连接的粘合剂、用于确保活性物质成型体3的导电性的导电助剂等 有机物,从而几乎仅由无机物构成。具体而言,在本实施方式的电极复合体1中,以400°C的 温度将复合体5 (活性物质成型体3以及固体电解质层4)加热30分钟时的质量减少率为 5质量%以下。质量减少率优选为3质量%以下,更优选为1质量%以下,尤其优选观测不 到质量减少或者处于误差范围。即,优选以400°C的温度将复合体5加热30分钟时的质量 减少率为0质量%。
[0062] 由于复合体5具有这样的质量减少率,因此,在复合体5中,相对于结构整体,仅包 含5质量%以下的在规定的加热条件下蒸发的溶剂、吸附水等物质、或者在规定的加热条 件下燃烧或氧化而气化的有机物。使用示差热-热重量同时测定装置(TG-DTA),并在规定 的加热条件下对复合体5进行加热,由此测定规定的加热条件下的加热后的复合体5的质 量,根据加热前的质量与加热后的质量之比,能够计算出复合体5的质量减少率。
[0063] 固体电解质层4中作为溶剂而含有盐。对于盐的种类并未进行特殊限定,只要具 有使固体电解质层4的前驱体的熔融温度下降的功能即可,能够使用NaCl、LiCl等。
[0064] 活性物质成型体3在活性物质的多个粒子之间具有空隙,空隙在内部呈网格状地 连通。而且,活性物质成型体3的固体部分也形成为网格构造。例如,对于作为正极活性物 质的LiC〇02而言,已知结晶的电子传导性具有各向异性。能够理解,当LiC〇02构成为在特定 的方向上延伸设置有细孔时,因表示结晶的电子传导性的方向的不同而在内部难以进行电 子传导。但是,若像活性物质成型体3那样地空隙呈网格状地连通而使得活性物质成型体 3的固体部分具有网格构造,则无论结晶的电子传导性或者离子传导性的各向异性如何,都 能够形成电化学方面的润滑性的连续表面。因此,不论所使用的活性物质的种类如何,都能 够确保良好的电子传导。
[0065] 另外,由于复合体5是上述那样的结构,因此,复合体5中所含有的粘合剂、导电助 剂的添加量得到抑制,与使用粘合剂、导电助剂的情况相比,电极复合体1的每单位体积的 容量密度得以提高。
[0066] 另外,固体电解质层4也与面对活性物质成型体3的粒子间的空隙的粒子的表面 接触。换言之,活性物质成型体3的表面被固体电解质层4覆盖。因此,与在活性物质成型 体3中不存在连通的空隙的情况、在空隙未形成有固体电解质层4的情况相比,活性物质成 型体3与固体电解质层4的接触面积变大,从而能够减小界面阻抗。因此,在活性物质成型 体3与固体电解质层4的界面能够实现良好的电荷移动。
[0067]另外,集电体2与在复合体5的一面5a露出的活性物质成型体3接触。另一方面, 固体电解质层4侵入活性物质成型体3内的空隙。在这样的构造的电极复合体1中,活性物 质成型体3与固体电解质层4的接触面积比集电体2与活性物质成型体3的接触面积大。 将集电体2与活性物质成型体3接触的面积设为第一接触面积,将活性物质成型体3与固 体电解质层4接触的面积设为第二接触面积。集电体2与活性物质成型体3接触的面的每 单位面积的电阻较低,活性物质成型体3与固体电解质层4接触的面的每单位面积的电阻 较高。此时,由于第二接触面积比第一接触面积大,所以电荷从固体电解质层4通过活性物 质成型体3而向集电体2移动。其结果,电极复合体1整体能够实现良好的电荷移动。
[0068] 根据上述内容,本实施方式的电极复合体1使得使用了电极复合体1的锂电池的 容量提高,并能够实现高输出。
[0069](电极复合体的制造方法)
[0070] 接下来,对电极复合体1的制造方法进行说明。图2是电极复合体的制造方法的 流程图,图3~图5是用于对电极复合体的制造方法进行说明的示意图。在图2的流程图 中,步骤S1相当于活性物质成型工序。该工序是使作为活性物质成型体3的材料的粉末成 型并对其进行烧制的工序。接下来,转移至步骤S2。步骤S2相当于电解质层形成工序。该 工序是在活性物质成型体3设置固体电解质层4而形成复合体5的工序。接下来,转移至 步骤S3。步骤S3相当于集电体接合工序。该工序是将复合
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