JP7384088B2 - Garnet type solid electrolyte separator and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本願はガーネット型固体電解質セパレータ及びその製造方法に関する。 The present application relates to a garnet type solid electrolyte separator and a method for manufacturing the same.
全固体リチウムイオン電池において、従来からセパレータの材料にガーネット型固体電解質を使用することが検討されている。 In all-solid-state lithium ion batteries, the use of garnet-type solid electrolytes as separator materials has been considered.
特許文献1には、ガーネット型酸化物固体電解質焼結体をセパレータとした酸化物全固体電池が開示されている。
特許文献2には、ガーネット型固体電解質を含む固体電解質基板の表面に、薄い炭酸リチウム層を被覆することで短絡を抑制する技術が開示されている。具体的には、次の事項が記載されている。固体電解質の結晶粒径を10μm以下とする。これにより、固体電解質表面の凹凸が軽減し、比表面積が向上するため、端子間の距離の不均一による短絡が抑制され、界面抵抗を軽減することができる。界面抵抗が軽減することで局所への電流の集中により短絡を抑制することができる。また、固体電解質基板に100nm以下の厚さの炭酸リチウム層を形成する。これにより、固体電解質基板の穴や傷を埋め、短絡をより抑制することができる。
Patent Document 1 discloses an oxide all-solid-state battery using a garnet-type oxide solid electrolyte sintered body as a separator.
Patent Document 2 discloses a technique for suppressing short circuits by coating the surface of a solid electrolyte substrate containing a garnet-type solid electrolyte with a thin lithium carbonate layer. Specifically, the following items are listed: The crystal grain size of the solid electrolyte is 10 μm or less. This reduces unevenness on the solid electrolyte surface and improves the specific surface area, thereby suppressing short circuits due to uneven distances between terminals and reducing interfacial resistance. By reducing the interfacial resistance, short circuits can be suppressed by localized current concentration. Further, a lithium carbonate layer with a thickness of 100 nm or less is formed on the solid electrolyte substrate. Thereby, holes and scratches in the solid electrolyte substrate can be filled and short circuits can be further suppressed.
特許文献2に記載されているように、固体電解質層の表面に炭酸リチウム層を被覆することで、確かに短絡は抑制される。しかしながら、この効果は限定的であり、4mA/cm2以上の高い電流密度で数十分以上に亘って電流を流し、金属リチウムの溶解析出を繰り返すような条件においては、短絡を抑制しきれない。よって、特許文献2に記載されている発明では、短絡耐性についてまだまだ改善の余地があった。 As described in Patent Document 2, by coating the surface of the solid electrolyte layer with a lithium carbonate layer, short circuits are certainly suppressed. However, this effect is limited, and short circuits cannot be suppressed under conditions where a current is passed for more than several tens of minutes at a high current density of 4 mA/ cm2 or more and the melting and precipitation of metallic lithium is repeated. . Therefore, in the invention described in Patent Document 2, there is still room for improvement in short circuit resistance.
そこで、上記実情を鑑み、本願では短絡耐性の高いガーネット型固体電解質セパレータ及びその製造方法を提供することを課題とする。 Therefore, in view of the above circumstances, it is an object of the present application to provide a garnet type solid electrolyte separator with high short circuit resistance and a method for manufacturing the same.
本発明者らは、上記課題について鋭意検討した結果、ガーネット型固体電解質焼結体の表面に炭素濃化層を設け、さらに表面付近の内部に炭素濃化部を備えることで、さらに短絡耐性が向上されることを知見した。当該知見に基づいて、本願では上記課題を解決するための以下の手段を開示する。 As a result of intensive studies on the above-mentioned problems, the present inventors have found that by providing a carbon-enriched layer on the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body and further providing a carbon-enriched portion inside near the surface, short circuit resistance can be further improved. I found that it was improved. Based on this knowledge, the present application discloses the following means for solving the above problems.
すなわち、本願は上記課題を解決するための1つの手段として、ガーネット型固体電解質を含み、少なくとも一方の表面に炭素濃化層が存在するとともに、該表面から深さ10μmの位置までの範囲に炭素濃化部が存在している、ガーネット型固体電解質セパレータを開示する。 That is, as one means for solving the above problems, the present application includes a garnet-type solid electrolyte, in which a carbon-enriched layer exists on at least one surface, and a carbon-concentrated layer exists in a range from the surface to a depth of 10 μm. A garnet-type solid electrolyte separator in which a concentrated portion is present is disclosed.
上記ガーネット型固体電解質セパレータにおいて、ガーネット型固体電解質は(Li7-3Y-Z,AlY)(La3)(Zr2-Z,MZ)O12(M=Nb、Taからなる群より選ばれる少なくとも1つ以上の元素。Y、Zは、0≦Y<0.22、0≦Z≦2の範囲の任意の数である。)であることが好ましい。また、ガーネット型固体電解質セパレータの表面のXPSスペクトルにおいて、Li2CO3のピークが存在することが好ましい。EDXにより算出される上記表面の組成は、炭素濃度が6.8質量%以上であることが好ましい。若しくは、EDXにより算出される上記表面の組成は、質量基準で炭素/酸素比が0.17以上であり、炭素/ジルコニウム比が0.23以上であることが好ましい。さらに、ガーネット型固体電解質セパレータを炭素濃化部が露出するように厚さ方向に割断したときの、EDXにより算出される割断面の組成において、上記表面から深さ10μmの位置まで範囲の平均炭素濃度が10質量%以上であることが好ましい。より好ましくは平均炭素濃度が20質量%以上である。 In the garnet type solid electrolyte separator, the garnet type solid electrolyte is selected from the group consisting of (Li 7-3Y-Z , Al Y ) (La 3 ) (Zr 2-Z , M Z )O 12 (M=Nb, Ta). (Y and Z are arbitrary numbers in the range of 0≦Y<0.22, 0≦Z≦2). Furthermore, it is preferable that a Li 2 CO 3 peak be present in the XPS spectrum of the surface of the garnet type solid electrolyte separator. The composition of the surface calculated by EDX preferably has a carbon concentration of 6.8% by mass or more. Alternatively, the composition of the surface calculated by EDX preferably has a carbon/oxygen ratio of 0.17 or more and a carbon/zirconium ratio of 0.23 or more on a mass basis. Furthermore, when the garnet-type solid electrolyte separator is cut in the thickness direction so that the carbon-enriched portion is exposed, the composition of the cut surface calculated by EDX shows the average carbon content in the range from the surface to a depth of 10 μm. It is preferable that the concentration is 10% by mass or more. More preferably, the average carbon concentration is 20% by mass or more.
また、本願は上記課題を解決するための1つの手段として、ガーネット型固体電解質焼結体の表面に酸素元素を含む溶媒を接触させる溶媒接触工程と、溶媒接触工程後に、上記表面を炭素濃化層の生成温度以上の温度で加熱する加熱工程と、を有する、ガーネット型固体電解質セパレータの製造方法を開示する。 In addition, as one means for solving the above problems, the present application includes a solvent contacting step in which the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body is brought into contact with a solvent containing an oxygen element, and after the solvent contacting step, the surface is carbon-enriched. Disclosed is a method for manufacturing a garnet type solid electrolyte separator, which includes a heating step of heating at a temperature equal to or higher than the layer formation temperature.
上記ガーネット型固体電解質セパレータの製造方法において、溶媒はアルコールであることが好ましい。また加熱工程において、上記表面を450℃以上700℃未満の温度で加熱することが好ましい。 In the above method for producing a garnet type solid electrolyte separator, the solvent is preferably alcohol. Further, in the heating step, the surface is preferably heated at a temperature of 450°C or more and less than 700°C.
本開示によれば、従来技術に比べて限界電流密度が高く、短絡耐性に優れたガーネット型固体電解質セパレータを提供することができる。また、当該ガーネット型固体電解質セパレータの製造方法を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a garnet-type solid electrolyte separator that has a higher limiting current density and excellent short circuit resistance than conventional techniques. Furthermore, a method for manufacturing the garnet type solid electrolyte separator can be provided.
本明細書において、数値A及びBについて「A~B」という表記は「A以上B以下」を意味するものとする。かかる表記において数値Bのみに単位を付した場合には、当該単位が数値Aにも適用されるものとする。 In this specification, the notation "A to B" for numerical values A and B means "above A and below B". In such a notation, if a unit is attached only to the numerical value B, the unit shall also be applied to the numerical value A.
[ガーネット型固体電解質セパレータ]
本開示のガーネット型固体電解質セパレータは、ガーネット型固体電解質を含み、少なくとも一方の表面に炭素濃化層が存在するとともに、該表面から深さ10μmの位置までの範囲に炭素濃化部が存在していることを特徴としている。
[Garnet type solid electrolyte separator]
The garnet-type solid electrolyte separator of the present disclosure includes a garnet-type solid electrolyte, has a carbon-enriched layer on at least one surface, and has a carbon-enriched portion in a range from the surface to a depth of 10 μm. It is characterized by
本開示のガーネット型固体電解質セパレータは、上記の特徴を有することにより、従来よりも高い限界電流密度を有し、優れた短絡耐性を示す。 The garnet type solid electrolyte separator of the present disclosure has the above-mentioned characteristics, and therefore has a higher limiting current density than conventional ones and exhibits excellent short circuit resistance.
以下、それぞれの構成について説明する。 Each configuration will be explained below.
(ガーネット型固体電解質)
本開示において、ガーネット型固体電解質とはLiイオン伝導性を有し、少なくともLiを含み、LixA3B2O12の化学組成で表される、ガーネット型の結晶構造を有する固体電解質である。ここで、XはAの価数をa、Bの価数をbとしたとき、X=24-3a-2bの関係を満たす。このようなガーネット型固体電解質としては、例えば、LLZと呼ばれる(Li7-3Y-Z,AlY)(La3)(Zr2-Z,MZ)O12(M=Nb、Taからなる群より選ばれる少なくとも1つ以上の元素。Y、Zは、0≦Y<0.22、0≦Z≦2の範囲の任意の数である。)を挙げることができる。LLZとしては、公知の組成のものを採用することができる。例えば、代表的な組成としてLi7La3Zr2O12を挙げることができる。
(Garnet type solid electrolyte)
In the present disclosure, a garnet-type solid electrolyte is a solid electrolyte that has Li ion conductivity, contains at least Li, and has a garnet-type crystal structure represented by the chemical composition of Li x A 3 B 2 O 12 . . Here, X satisfies the relationship X=24-3a-2b, where the valence of A is a and the valence of B is b. Examples of such garnet-type solid electrolytes include (Li 7-3Y-Z , Al Y ) (La 3 ) (Zr 2-Z , M Z )O 12 (M=Nb, Ta), which is called LLZ. (Y and Z are arbitrary numbers in the range of 0≦Y<0.22, 0≦Z≦2.). As LLZ, one having a known composition can be employed. For example, a typical composition is Li 7 La 3 Zr 2 O 12 .
ガーネット型固体電解質の含有量は、ガーネット型固体電解質セパレータを100質量%としたとき、50質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましい。ガーネット型固体電解質の含有量が50質量%未満であると、リチウムイオン伝導性が低下する場合がある。ガーネット型固体電解質の含有量の上限は特に限定されず、99質量%以下としてもよい。 The content of the garnet-type solid electrolyte is preferably 50% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and 90% by mass or more when the garnet-type solid electrolyte separator is 100% by mass. is even more preferable. If the content of the garnet-type solid electrolyte is less than 50% by mass, lithium ion conductivity may decrease. The upper limit of the content of the garnet-type solid electrolyte is not particularly limited, and may be 99% by mass or less.
(炭素濃化層)
本開示のガーネット型固体電解質セパレータは少なくとも一方の表面に炭素濃化層を備えている。「炭素濃化層」とは、炭素元素濃度がその他の部分よりも高い領域が層状に存在している部分を指す。炭素濃化層はガーネット型固体電解質セパレータの両方の表面に備えられていてもよい。ここで、「表面」とはガーネット型固体電解質セパレータをリチウムイオン電池に使用したときに、正極層又は負極層に接する又は対向する面を意味する。
(carbon enriched layer)
The garnet-type solid electrolyte separator of the present disclosure includes a carbon-enriched layer on at least one surface. The term "carbon-enriched layer" refers to a layered region in which the carbon element concentration is higher than in other regions. The carbon enriched layer may be provided on both surfaces of the garnet type solid electrolyte separator. Here, the term "surface" means the surface that contacts or faces the positive electrode layer or the negative electrode layer when the garnet type solid electrolyte separator is used in a lithium ion battery.
炭素濃化層はLi2CO3(炭酸リチウム)を主体としていることが好ましい。「主体としている」とは、炭素濃化層におけるLi2CO3の含有量が50質量%以上である。好ましくは80質量%以上であり、より好ましくは90質量%以上である。Li2CO3の含有量の上限は特に限定されず、炭素濃化層は全てLi2CO3からなっていてもよい。 It is preferable that the carbon-enriched layer mainly contains Li 2 CO 3 (lithium carbonate). "Mainly containing" means that the content of Li 2 CO 3 in the carbon-enriched layer is 50% by mass or more. Preferably it is 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more. The upper limit of the content of Li 2 CO 3 is not particularly limited, and the carbon-enriched layer may be entirely composed of Li 2 CO 3 .
ガーネット型固体電解質セパレータは、表面に炭素濃化層を備えることにより、短絡耐性を向上することができる。これは、固体電解質焼結体の表面に存在するマイクロクラック等の欠陥が炭素濃化層によって被覆されているため、当該欠陥を起点とするリチウムの析出、進展を抑制できると考えられるためである。 The garnet type solid electrolyte separator can improve short circuit resistance by providing a carbon-enriched layer on the surface. This is because defects such as microcracks that exist on the surface of the solid electrolyte sintered body are covered with a carbon-enriched layer, which is thought to suppress the precipitation and progress of lithium starting from the defects. .
炭素濃化層の厚さは特に限定されないが、上記の効果が十分に奏される厚さであることが好ましい。これは、次のとおりXPS(X線光電子分光法)及び/又はEDX(エネルギー分散型X線分析)の分析結果から判断することができる。 Although the thickness of the carbon-enriched layer is not particularly limited, it is preferable that the thickness is such that the above effects are sufficiently achieved. This can be determined from the analysis results of XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) and/or EDX (energy dispersive X-ray analysis) as follows.
炭素濃化層を有する表面をXPSで分析する場合、XPSスペクトルにおいてLi2CO3のピークが存在することが好ましい。XPSスペクトルにおいてLi2CO3のピークの存在が確認できることは、炭素濃化層がピークを確認できる程度の厚さを有していることを示すものであるからである。XPSスペクトルにおいてLi2CO3のピークの存在が確認できれば、炭素濃化層の厚さが上記の効果を奏するのに十分であると判断することができる。Li2CO3のピークは、例えばXPSのO1sスペクトルにおいて531.5±0.3eV付近に存在し、及びC1sスペクトルにおいて289.6±0.5eV付近に存在する。 When a surface having a carbon-enriched layer is analyzed by XPS, it is preferable that a Li 2 CO 3 peak exists in the XPS spectrum. This is because the fact that the presence of the Li 2 CO 3 peak can be confirmed in the XPS spectrum indicates that the carbon-enriched layer has a thickness that allows the peak to be confirmed. If the presence of a Li 2 CO 3 peak can be confirmed in the XPS spectrum, it can be determined that the thickness of the carbon-enriched layer is sufficient to produce the above effects. The peak of Li 2 CO 3 exists, for example, in the vicinity of 531.5±0.3 eV in the O1s spectrum of XPS, and in the vicinity of 289.6±0.5 eV in the C1s spectrum.
炭素濃化層を有する表面をEDXで分析する場合、EDXにより算出される表面組成の炭素濃度が6.8質量%以上であることが好ましく、7.3質量%以上であることがより好ましい。表面組成の炭素濃度が6.8質量%以上であると、炭素濃化層の厚さが上記の効果を奏するのに十分であると判断することができる。表面組成の炭素濃度の上限は特に限定されないが、炭素濃度が15.5質量%未満であることが好ましく、9.4以下であることがより好ましい。表面組成の炭素濃度が15.5質量%以上であると、炭素濃化層が厚くなりすぎ、ガーネット型固体電解質セパレータの界面抵抗が増加する虞がある。 When a surface having a carbon-enriched layer is analyzed by EDX, the carbon concentration of the surface composition calculated by EDX is preferably 6.8% by mass or more, more preferably 7.3% by mass or more. When the carbon concentration in the surface composition is 6.8% by mass or more, it can be determined that the thickness of the carbon-enriched layer is sufficient to achieve the above effects. The upper limit of the carbon concentration in the surface composition is not particularly limited, but the carbon concentration is preferably less than 15.5% by mass, more preferably 9.4 or less. If the carbon concentration in the surface composition is 15.5% by mass or more, the carbon-enriched layer may become too thick and the interfacial resistance of the garnet-type solid electrolyte separator may increase.
ここで、EDXは測定条件が分析結果に影響を与える場合がある。そこで、次のように規格化した値を用いてもよい。すなわち、EDXにより算出させる表面組成において、質量比で炭素/酸素比が0.17以上であることが好ましく、炭素/ジルコニウム比が0.23以上であることが好ましい。質量比の上限は特に限定されないが、炭素/酸素比は0.24未満であることが好ましく、0.19以下であることがより好ましい。また、炭素/ジルコニウム比は1.2未満であることが好ましく、0.37以下であることがより好ましい。 Here, in EDX, the measurement conditions may affect the analysis results. Therefore, a value standardized as follows may be used. That is, in the surface composition calculated by EDX, the carbon/oxygen ratio in terms of mass ratio is preferably 0.17 or more, and the carbon/zirconium ratio is preferably 0.23 or more. Although the upper limit of the mass ratio is not particularly limited, the carbon/oxygen ratio is preferably less than 0.24, more preferably 0.19 or less. Further, the carbon/zirconium ratio is preferably less than 1.2, more preferably 0.37 or less.
EDXとしては、SEM(走査型電子顕微鏡)を併用したSEM-EDXを用いることができる。 As the EDX, SEM-EDX using a scanning electron microscope (SEM) can be used.
(炭素濃化部)
本開示のガーネット型固体電解質セパレータは、表面(炭素濃化層が形成されている側の表面)から深さ10μmの位置までの範囲に炭素濃化部が存在している。
(Carbon enrichment department)
In the garnet-type solid electrolyte separator of the present disclosure, a carbon-enriched portion exists in a range from the surface (the surface on which the carbon-enriched layer is formed) to a depth of 10 μm.
「表面から深さ10μmの位置まで」とは、ガーネット型固体電解質セパレータの厚さ方向の範囲を定めるものであり、ガーネット型固体電解質セパレータを電池に使用する場合の積層方向の範囲を定めるものである。厚さ方向の範囲は上記のとおり、表面から10μmの位置までの範囲である。
「炭素濃化部」とは、炭素元素濃度がその他の部分よりも高い領域であり、Li2CO3を主体としていることが好ましい。炭素濃化部の有無はSEM像等により特定することができる。炭素濃化部はガーネット型固体電解質セパレータの表面付近(表面から深さ10μmの範囲)に存在する欠陥(固体電解質間の隙間等)に形成される。通常、原料である固体電解質焼結体はこのような欠陥を多数有するため、本開示における炭素濃化部は表面付近に多数点在して形成されている。
"From the surface to a depth of 10 μm" defines the range in the thickness direction of the garnet type solid electrolyte separator, and defines the range in the stacking direction when the garnet type solid electrolyte separator is used in a battery. be. As mentioned above, the range in the thickness direction is the range from the surface to a position of 10 μm.
The “carbon-enriched portion” is a region where the carbon element concentration is higher than other portions, and is preferably mainly composed of Li 2 CO 3 . The presence or absence of a carbon-enriched portion can be identified by a SEM image or the like. The carbon-enriched portions are formed in defects (such as gaps between solid electrolytes) that exist near the surface of the garnet-type solid electrolyte separator (within a depth of 10 μm from the surface). Normally, the solid electrolyte sintered body that is the raw material has many such defects, so the carbon-enriched parts in the present disclosure are formed in a large number scattered near the surface.
本開示のガーネット型固体電解質セパレータは、炭素濃化部が表面から深さ10μmの位置までの範囲に炭素濃化部が存在することにより、限界電流密度を向上し、短絡耐性を向上することができる。これは、リチウムの析出、進展の起点となる欠陥に炭素濃化部が形成されていることにより、リチウムデンドライトの進展が抑制されると考えられるためである。 The garnet-type solid electrolyte separator of the present disclosure has a carbon-enriched portion in a range from the surface to a depth of 10 μm, thereby improving the critical current density and short-circuit resistance. can. This is because it is thought that the growth of lithium dendrites is suppressed by the formation of carbon-enriched areas in defects that serve as starting points for lithium precipitation and growth.
ここで、炭素濃化部は上記のとおりガーネット型固体電解質セパレータの表面付近に多数点在して形成されている。このように炭素濃化部が多数点在していることはSEM像等により特定することができるが、定量化することは難しい。そこで、本願では、EDXから算出される平均炭素濃度から、炭素濃化部の分布の度合いを定量することとした。EDXとしては例えばSEM-EDXを用いることができる。 Here, as described above, a large number of carbon enriched parts are formed in the vicinity of the surface of the garnet type solid electrolyte separator. The fact that many carbon-enriched areas are scattered in this manner can be identified by SEM images, etc., but it is difficult to quantify. Therefore, in this application, the degree of distribution of the carbon-enriched portion is quantified from the average carbon concentration calculated from EDX. For example, SEM-EDX can be used as EDX.
具体的には次のように行う。まず、ガーネット型固体電解質セパレータを炭素濃化部が露出するように厚さ方向に割断する。一般的に、セラミックスは不純物濃度が高い部分からから破断する傾向にある。ガーネット型固体電解質セパレータにあっては、炭素濃化部が不純物に該当するため、通常の割断方法で炭素濃化部を露出するように割断することができる。割断方法としては、例えば、セパレータの表面をエタノールに浸漬する方法等で、表面に存在するLiを除去したのち、表面にダイヤモンドペン等で線状痕を付与し、これに沿って劈開させる方法等で行うことができる。
このような割断方法を用いると、炭素濃化部が露出するように割断されるので、表面の炭素濃度と表面付近の割断面の炭素濃度とは差異が生じ得る。そのため、表面よりも表面付近の割断面の炭素濃度の方が高くなる傾向にある。
Specifically, it is performed as follows. First, the garnet-type solid electrolyte separator is cut in the thickness direction so that the carbon-enriched portion is exposed. Generally, ceramics tend to break in areas with high impurity concentrations. In the garnet type solid electrolyte separator, since the carbon-enriched portion corresponds to an impurity, it can be cut using a normal cutting method to expose the carbon-enriched portion. The cleaving method includes, for example, immersing the surface of the separator in ethanol to remove Li existing on the surface, and then applying a linear mark to the surface with a diamond pen or the like, and cleaving along this line. It can be done with
When such a cutting method is used, the carbon-enriched portion is cut to be exposed, so that a difference may occur between the carbon concentration on the surface and the carbon concentration on the cut surface near the surface. Therefore, the carbon concentration on the fractured surface near the surface tends to be higher than that on the surface.
次に割断面に対してEDXにより面分析を行う。図1に割断面の表面付近に着目した模式図を示した。図1の紙面上下方向が厚さ方向であり、紙面左右方向が厚さ方向に直交する方向である。Aは炭素濃化層であり、Bは炭素濃化部である。破線で示す範囲Cが面分析の測定範囲である。Oは測定範囲の中心点であり、中心点とは測定範囲の厚さ方向及び厚さ方向に直交する方向の長さをそれぞれ垂直に2等分する直線の交点である。 Next, a surface analysis is performed on the cut surface using EDX. FIG. 1 shows a schematic diagram focusing on the vicinity of the surface of the fractured surface. The vertical direction of the paper in FIG. 1 is the thickness direction, and the horizontal direction of the paper is a direction perpendicular to the thickness direction. A is a carbon-enriched layer, and B is a carbon-enriched part. Range C indicated by a broken line is the measurement range of area analysis. O is the center point of the measurement range, and the center point is the intersection of straight lines that vertically bisect the length of the measurement range in the thickness direction and in the direction perpendicular to the thickness direction.
面分析は、中心点が表面から深さ10μmまでの範囲に含まれているように行う。また、表面から深さ10μmまでの範囲に対する厚さ方向の測定範囲の割合が60%以上となるように測定する。表面から10μmまでの範囲のみについて面分析を行うことが困難であるためである。ただし、精度を向上する観点から、好ましくは上記測定領域の割合が70%以上となるように測定することであり、より好ましくは上記測定領域の割合が80%以上となるように測定することであり、さらに好ましくは上記測定領域の割合が90%以上となるように測定することである。ここで、表面から深さ10μmまでの範囲について、2以上の面分析を行ってもよい。その場合は、厚さ方向の測定範囲の合計から上記の割合を算出する。面分析の厚さ方向の範囲は5~10μmとする。面分析の厚さ方向に直交する方向の範囲については特に限定されないが、例えば25~30μmとする。 The surface analysis is performed such that the center point is included within a depth of 10 μm from the surface. Further, the measurement is performed so that the ratio of the measurement range in the thickness direction to the range from the surface to a depth of 10 μm is 60% or more. This is because it is difficult to perform surface analysis only on the range up to 10 μm from the surface. However, from the viewpoint of improving accuracy, it is preferable to measure so that the ratio of the above measurement area is 70% or more, and more preferably to measure so that the ratio of the above measurement area is 80% or more. More preferably, the ratio of the measurement area is 90% or more. Here, two or more surface analyzes may be performed in a range from the surface to a depth of 10 μm. In that case, the above ratio is calculated from the total measurement range in the thickness direction. The range of surface analysis in the thickness direction is 5 to 10 μm. The range of surface analysis in the direction perpendicular to the thickness direction is not particularly limited, but is set to, for example, 25 to 30 μm.
このような面分析は、例えば次のように行う。すなわち、割断面の厚さ方向について8.7±5μmの範囲、厚さ方向に直交する方向について25μmの範囲を設定して面分析を行う。この場合、厚さ方向における表面から10μmの位置までの範囲のうち、63%を分析するように設定されている。 Such surface analysis is performed, for example, as follows. That is, the surface analysis is performed by setting a range of 8.7±5 μm in the thickness direction of the cut surface and a range of 25 μm in the direction orthogonal to the thickness direction. In this case, it is set to analyze 63% of the range from the surface to a position of 10 μm in the thickness direction.
上記の測定条件を満たすようにEDXを用いて、割断面について面分析を行うことで、表面から深さ10μmの位置まで範囲の平均炭素濃度を算出することができる。表面から深さ10μmまでの範囲について2以上の面分析を行った場合は、得られた結果の平均値を表面から深さ10μmの位置まで範囲の平均炭素濃度とする。ここで、本明細書における「平均炭素濃度」とは、EDXにより算出される炭素、ジルコニウム、及び酸素の合計の質量に対する炭素の質量の割合(質量比で炭素/(炭素+ジルコニウム+酸素))を意味する。 By performing surface analysis on the fractured surface using EDX so as to satisfy the above measurement conditions, it is possible to calculate the average carbon concentration in the range from the surface to a position at a depth of 10 μm. When two or more surface analyzes are performed in the range from the surface to a depth of 10 μm, the average value of the obtained results is taken as the average carbon concentration in the range from the surface to a depth of 10 μm. Here, the "average carbon concentration" in this specification refers to the ratio of the mass of carbon to the total mass of carbon, zirconium, and oxygen calculated by EDX (mass ratio of carbon/(carbon + zirconium + oxygen)) means.
また、平均炭素濃度を算出する際に次の事情を考慮して算出してもよい。後述するように、本開示のガーネット型固体電解質セパレータの製造方法では、炭素濃化層等の生成の材料となる溶媒をガーネット型固体電解質焼結体に接触させている。このようにしてガーネット型固体電解質セパレータを製造している場合、平均炭素濃度は表面から内部に向けて減少する傾向になる。このような傾向は、ガーネット型固体電解質セパレータの割断面に対して、複数箇所について面分析を行うことで特定することができる。よって、割断面の平均炭素濃度について特定の傾向がみられるようであれば、それを考慮して平均炭素濃度を算出してよい。例えば、表面から深さ10μmの位置まで範囲のうち、60%以上を含むように測定された平均炭素濃度値と、深さ10μm以上の範囲で適宜設定(適宜設定する値は10μmに近い方がよい)して測定された平均炭素濃度値とが、比例関係にあると仮定して、表面から深さ10μmの位置までの範囲の平均炭素濃度を計算してもよい。 Further, when calculating the average carbon concentration, the following circumstances may be taken into consideration. As described later, in the method for manufacturing a garnet-type solid electrolyte separator of the present disclosure, a solvent that is a material for forming a carbon-enriched layer and the like is brought into contact with a garnet-type solid electrolyte sintered body. When a garnet type solid electrolyte separator is manufactured in this manner, the average carbon concentration tends to decrease from the surface toward the inside. Such a tendency can be identified by performing surface analysis on multiple locations on the fractured surface of the garnet type solid electrolyte separator. Therefore, if a specific tendency is observed in the average carbon concentration of the fractured surface, the average carbon concentration may be calculated taking this into consideration. For example, the average carbon concentration value measured to include 60% or more of the range from the surface to a depth of 10 μm, and the value set appropriately in the range of 10 μm or more (the value to be appropriately set is closer to 10 μm) The average carbon concentration in the range from the surface to a position at a depth of 10 μm may be calculated, assuming that the average carbon concentration value measured in the above manner is in a proportional relationship.
このようにして、表面から深さ10μmの位置まで範囲の平均炭素濃度を算出することができる。好ましい平均炭素濃度は次のとおりである。すなわち、EDXにより算出される割断面の組成において、表面から深さ10μmの位置まで範囲の平均炭素濃度は10質量%以上であることが好ましい。平均炭素濃度が10質量%以上であると、セパレータの限界電流密度を向上し、短絡耐性を向上することができる。より好ましくは、平均炭素濃度が20質量%以上である。平均炭素濃度の上限は特に限定されず、平均炭素濃度が40質量%以下でとしてもよい。平均炭素濃度が40質量%を超えている場合は、表面付近のセパレータ内部に炭素濃化部が多量に形成されていることを示すものである。このように炭素濃化部が多量に形成されていると、ガーネット型固体電解質セパレータの強度が低下し、割れ等を引き起こす問題が生じる。 In this way, the average carbon concentration in the range from the surface to a depth of 10 μm can be calculated. The preferred average carbon concentration is as follows. That is, in the composition of the fractured surface calculated by EDX, the average carbon concentration in the range from the surface to a depth of 10 μm is preferably 10% by mass or more. When the average carbon concentration is 10% by mass or more, the limiting current density of the separator can be improved and the short circuit resistance can be improved. More preferably, the average carbon concentration is 20% by mass or more. The upper limit of the average carbon concentration is not particularly limited, and the average carbon concentration may be 40% by mass or less. If the average carbon concentration exceeds 40% by mass, this indicates that a large amount of carbon-enriched portions are formed inside the separator near the surface. If a large amount of carbon-enriched portions are formed in this manner, the strength of the garnet type solid electrolyte separator decreases, causing problems such as cracking.
また、表面から深さ10μmの位置まで範囲の平均炭素濃度が、深さ10μmを超える範囲の平均炭素濃度の倍以上であることが好ましい。これにより内部に比べて表面付近に炭素濃化部が多数点在することとなるため、短絡耐性が向上する。ここで、深さ10μmを超える範囲の平均炭素濃度とは、深さ10μmを超える範囲に中心点が含まれるように面分析を行ったときの平均炭素濃度であり、2以上面分析を行った場合は、得られた平均炭素濃度の平均値である。深さ10μmを超える範囲の平均炭素濃度を算出する際は測定範囲の中心点が10μm超50μm以下の範囲に含まれるように面分析を行う。 Further, it is preferable that the average carbon concentration in the range from the surface to a depth of 10 μm is at least twice the average carbon concentration in the range exceeding the depth of 10 μm. As a result, a larger number of carbon-enriched portions are scattered near the surface than in the interior, which improves short-circuit resistance. Here, the average carbon concentration in a range exceeding a depth of 10 μm is the average carbon concentration when a surface analysis is performed so that the center point is included in a range exceeding a depth of 10 μm, and two or more surface analyzes are performed. is the average value of the obtained average carbon concentration. When calculating the average carbon concentration in a range exceeding a depth of 10 μm, a surface analysis is performed so that the center point of the measurement range is included in a range of more than 10 μm and 50 μm or less.
(ガーネット型固体電解質セパレータ)
以上、本開示のガーネット型固体電解質セパレータについて説明した。上記に説明したとおり、本開示のガーネット型固体電解質セパレータは表面に炭素濃化層を有し、さらに表面付近の内部に炭素濃化部が存在している。これにより、相乗的に限界電流密度を向上することができるため、優れた短絡耐性を示すことができる。
(Garnet type solid electrolyte separator)
The garnet type solid electrolyte separator of the present disclosure has been described above. As explained above, the garnet-type solid electrolyte separator of the present disclosure has a carbon-enriched layer on the surface, and further has a carbon-enriched portion inside near the surface. As a result, the limiting current density can be synergistically improved, so that excellent short circuit resistance can be exhibited.
本開示のガーネット型固体電解質セパレータは、全固体電池用のセパレータとして用いることができる。例えば、リチウムイオン全固体電池のセパレータとして好適に用いることができる。 The garnet-type solid electrolyte separator of the present disclosure can be used as a separator for all-solid-state batteries. For example, it can be suitably used as a separator for lithium ion all-solid-state batteries.
[ガーネット型固体電解質セパレータの製造方法]
次に上記したガーネット型固体電解質セパレータの製造方法について説明する。上記したガーネット型固体電解質セパレータの製造方法は特に限定されるものではないが、本願では次の製造方法を開示する。
[Method for manufacturing garnet type solid electrolyte separator]
Next, a method for manufacturing the above-mentioned garnet type solid electrolyte separator will be explained. Although the method for manufacturing the above-described garnet-type solid electrolyte separator is not particularly limited, the following manufacturing method is disclosed in this application.
すなわち、ガーネット型固体電解質焼結体の表面に酸素元素を含む溶媒を接触させる溶媒接触工程と、溶媒接触工程後に、上記表面を炭素濃化層の生成温度以上の温度で加熱する加熱工程と、を有する、ガーネット型固体電解質セパレータの製造方法を開示する。 That is, a solvent contacting step of bringing a solvent containing an oxygen element into contact with the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body, and a heating step of heating the surface at a temperature equal to or higher than the formation temperature of the carbon-enriched layer after the solvent contacting step. Disclosed is a method for manufacturing a garnet-type solid electrolyte separator having the following.
以下、本開示のガーネット型固体電解質セパレータの製造方法について、一実施形態であるガーネット型固体電解質セパレータの製造方法10(以下、「製造方法10」ということがある)を用いて説明する。図2は製造方法10のフローチャートである。 Hereinafter, a method for manufacturing a garnet-type solid electrolyte separator of the present disclosure will be described using a method 10 for manufacturing a garnet-type solid electrolyte separator (hereinafter sometimes referred to as "manufacturing method 10"), which is one embodiment. FIG. 2 is a flowchart of the manufacturing method 10.
図2のとおり、製造方法10は溶媒接触工程S1と加熱工程S2とを備えている。 As shown in FIG. 2, the manufacturing method 10 includes a solvent contacting step S1 and a heating step S2.
(溶媒接触工程S1)
溶媒接触工程S1は、ガーネット型固体電解質焼結体の表面に酸素元素を含む溶媒を接触させる工程である。ガーネット型固体電解質焼結体の表面に酸素元素を含む溶媒を接触させることにより、後述する加熱工程S2において、ガーネット型固体電解質と溶媒とが反応し、Li2CO3を析出させることができる。Li2CO3が表面で析出すると炭素濃化層となり、表面付近の内部で析出すると炭素濃化部となる。
(Solvent contact step S1)
The solvent contact step S1 is a step in which a solvent containing an oxygen element is brought into contact with the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body. By bringing a solvent containing an oxygen element into contact with the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body, the garnet-type solid electrolyte and the solvent react with each other in the heating step S2, which will be described later, and Li 2 CO 3 can be precipitated. When Li 2 CO 3 precipitates on the surface, it becomes a carbon-enriched layer, and when it precipitates inside near the surface, it becomes a carbon-enriched part.
ガーネット型固体電解質焼結体は、ガーネット型固体電解質を主体とする焼結体である。具体的には、ガーネット型固体電解質を50質量%以上含むものであり、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上含むものである。ガーネット型固体電解質の含有量の上限は特に限定されず、ガーネット型固体電解質焼結体がガーネット型固体電解質のみからなっていてもよい。このようなガーネット型固体電解質焼結体は公知の方法により作製することができる。例えば、ガーネット型固体電解質含む焼結体材料をアルゴン雰囲気下、400℃~500℃の条件で焼結することにより作製することができる。 The garnet-type solid electrolyte sintered body is a sintered body mainly composed of a garnet-type solid electrolyte. Specifically, it contains garnet type solid electrolyte in an amount of 50% by mass or more, preferably 80% by mass or more, and more preferably 90% by mass or more. The upper limit of the content of the garnet-type solid electrolyte is not particularly limited, and the garnet-type solid electrolyte sintered body may consist only of the garnet-type solid electrolyte. Such a garnet-type solid electrolyte sintered body can be produced by a known method. For example, it can be produced by sintering a sintered material containing a garnet-type solid electrolyte at 400° C. to 500° C. in an argon atmosphere.
酸素元素を含む溶媒は、酸素元素を含み、且つ、後述する加熱工程S2においてLi2CO3を析出させることが可能な溶媒であれば特に限定されない。例えば、水等の極性溶媒やアルコール、ワックス等の炭素元素を含む材料を溶解した酸素元素を含む溶媒(ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン等)、エーテル類(ジエチルエーテル、ジブチルエーテル等)等)を挙げることができる。ガーネット型固体電解質焼結体への浸水性の観点から、好ましくは水又はアルコールである。より好ましくはアルコールである。水よりもアルコールの方が、穏やかにLi2CO3生成反応が進むためである。水を用いるとガーネット型固体電解質焼結体中のリチウムイオンが水中に溶出し、水素イオンに置換されて、リチウムイオン伝導度を低下させる虞がある。アルコールとしては、メタノールやエタノール、プロパノール、ブタノール等を挙げることができる。好ましくはエタノールである。 The solvent containing oxygen element is not particularly limited as long as it contains oxygen element and is capable of precipitating Li 2 CO 3 in the heating step S2 described later. Examples include polar solvents such as water, and solvents containing oxygen elements (ketones (acetone, methyl ethyl ketone, etc.), ethers (diethyl ether, dibutyl ether, etc.)) in which materials containing carbon elements such as alcohol and wax are dissolved. be able to. From the viewpoint of water permeability into the garnet type solid electrolyte sintered body, water or alcohol is preferable. More preferred is alcohol. This is because the Li 2 CO 3 production reaction proceeds more slowly with alcohol than with water. If water is used, the lithium ions in the garnet-type solid electrolyte sintered body may be eluted into the water and replaced by hydrogen ions, which may reduce the lithium ion conductivity. Examples of alcohol include methanol, ethanol, propanol, butanol, and the like. Preferably it is ethanol.
ガーネット型固体電解質焼結体の表面に上記溶媒を接触させる方法は特に限定されないが、例えばピペット等を用いて上記溶媒を滴下して、表面に含浸させる方法を挙げることができる。また、ガーネット型固体電解質焼結体の表面を上記の溶媒に浸漬させてもよい。表面への上記溶媒の接触は、表面の少なくとも一部でもよいが、表面全体に上記溶媒を接触させることが好ましい。 The method of bringing the solvent into contact with the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body is not particularly limited, but includes, for example, a method of dropping the solvent using a pipette or the like to impregnate the surface. Further, the surface of the garnet type solid electrolyte sintered body may be immersed in the above solvent. Although the solvent may be brought into contact with at least a portion of the surface, it is preferable that the solvent is brought into contact with the entire surface.
ガーネット型固体電解質焼結体の表面に接触させる上記溶媒の量は、加熱工程S2において、炭素濃化層及び炭素濃化部が適切に生成するようを適宜設定する。溶媒の種類によって必要な量が異なる場合があるためである。 The amount of the solvent brought into contact with the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body is appropriately set so that a carbon-enriched layer and a carbon-enriched portion are appropriately generated in the heating step S2. This is because the required amount may differ depending on the type of solvent.
また、溶媒接触工程S1において、ガーネット型固体電解質焼結体の表面に上記溶媒に接触させるとともに表面を研磨(湿式研磨)してもよい。これにより、表面を平滑にすることができ、炭素濃化層の厚さも均一にすることができる。研磨にはサンドペーパー等を用いることができる。 Further, in the solvent contacting step S1, the surface of the garnet type solid electrolyte sintered body may be brought into contact with the solvent and the surface may be polished (wet polishing). Thereby, the surface can be made smooth and the thickness of the carbon-enriched layer can also be made uniform. Sandpaper or the like can be used for polishing.
(加熱工程S2)
加熱工程S2は、溶媒接触工程S1後に行うものであり、ガーネット型固体電解質焼結体の表面を炭素濃化層の生成温度以上の温度で加熱する工程である。溶媒接触工程S1により、上記の溶媒がガーネット型固体電解質焼結体の表面及び表面付近の欠陥(焼結欠陥、ミクロボイド、ミクロクラック)に浸漬しているため、加熱工程S2により当該表面を加熱することで、ガーネット型固体電解質焼結体の表面に炭素濃化層を形成し、表面付近の内部に炭素濃化部を形成することができる。
(Heating process S2)
The heating step S2 is performed after the solvent contacting step S1, and is a step of heating the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body at a temperature equal to or higher than the formation temperature of the carbon-enriched layer. In the solvent contacting step S1, the above-mentioned solvent is immersed in the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body and defects near the surface (sintering defects, microvoids, microcracks), so the surface is heated in the heating step S2. By doing so, a carbon-enriched layer can be formed on the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body, and a carbon-enriched portion can be formed inside near the surface.
ここで、本発明者らは、炭素濃化層及び炭素濃化部は次のような炭素が濃化するメカニズムによって形成していると推定している。図3に溶媒としてエタノールを用いた場合の模式図を示した。上記したようにガーネット型固体電解質焼結体の表面及び表面付近の内部には欠陥(連通孔等)が存在する。そのため、(a)溶媒接触工程S1により当該欠陥にエタノールが接触し、(b)浸透する。また、(c)エタノール中に残留する水分に大気中のCO2が吸収される。そして、(d)加熱工程S2により当該表面を加熱することで、ガーネット型固体電解質焼結体、水及びCO2の反応が促進されLi2CO3が生成し、それにより炭素が濃化する。かかるメカニズムにより炭素濃化層及び炭素濃化部が形成すると考えられる。なお、上述したように、炭素が濃化した部分は割れやすいため、(e)EDX測定の際に行う割断はこのような部分を起点に割れる傾向にある。 Here, the present inventors estimate that the carbon-enriched layer and the carbon-enriched portion are formed by the following carbon-enrichment mechanism. FIG. 3 shows a schematic diagram when ethanol is used as a solvent. As described above, defects (such as communicating holes) exist on the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body and inside the vicinity of the surface. Therefore, (a) ethanol comes into contact with the defect in the solvent contact step S1, and (b) penetrates. Also, (c) CO 2 in the atmosphere is absorbed by the moisture remaining in the ethanol. Then, by heating the surface in the (d) heating step S2, the reaction between the garnet-type solid electrolyte sintered body, water, and CO 2 is promoted to generate Li 2 CO 3 , thereby concentrating carbon. It is thought that a carbon-enriched layer and a carbon-enriched portion are formed by this mechanism. Note that, as described above, since carbon-enriched portions are easily cracked, the cutting performed during (e) EDX measurement tends to cause cracking starting from such portions.
加熱工程S2における加熱温度は、炭素濃化層の生成温度以上の温度であれば特に限定されないが、反応を促進する観点から450℃以上が好ましい。ただし、反応速度が速すぎると、生成する炭素濃化層が厚くなりすぎ、電池作成の際にセパレータと負極との界面形成が困難となる。また、炭素濃化層に多数の凹凸が生じてしまい好ましくない。そのため、加熱温度は700℃未満であることが好ましく、550℃以下であることがより好ましい。 The heating temperature in the heating step S2 is not particularly limited as long as it is higher than the carbon-enriched layer formation temperature, but is preferably 450° C. or higher from the viewpoint of promoting the reaction. However, if the reaction rate is too fast, the carbon-enriched layer produced becomes too thick, making it difficult to form an interface between the separator and the negative electrode during battery production. Moreover, many unevennesses occur in the carbon-enriched layer, which is not preferable. Therefore, the heating temperature is preferably less than 700°C, more preferably 550°C or less.
加熱工程S2における加熱時間は特に限定されず、加熱温度に従って適宜設定する。例えば、15分~1時間の間に設定することが好ましい。
加熱工程S2の加熱方法は特に限定されないが、例えばホットプレート等を用いて行うことができる。加熱雰囲気は大気雰囲気中でもよい。
The heating time in the heating step S2 is not particularly limited, and is appropriately set according to the heating temperature. For example, it is preferable to set the time between 15 minutes and 1 hour.
Although the heating method in the heating step S2 is not particularly limited, it can be performed using, for example, a hot plate. The heating atmosphere may be air atmosphere.
以上の工程を備えることにより、本開示のガーネット型固体電解質セパレータを製造することができる。 By including the above steps, the garnet type solid electrolyte separator of the present disclosure can be manufactured.
以下、実施例を用いて本開示のガーネット型固体電解質セパレータについてさらに説明する。 The garnet type solid electrolyte separator of the present disclosure will be further described below using Examples.
[ガーネット型固体電解質セパレータの作製]
ガーネット型固体電解質セパレータの基礎となる焼結体にLLZ焼結体を用いた。LLZ焼結体は豊島製作所製であり、φ11.2mm×t3mmの円盤形状である。組成はLi6.6La3Zr1.6Ta0.4O12であり、相対密度が97%以上である。このLLZ焼結体に対し以下の表面処理を行い、実施例1~3及び比較例1~4に係るガーネット型固体電解質セパレータを作製した。
[Production of garnet type solid electrolyte separator]
An LLZ sintered body was used as the basis of the garnet-type solid electrolyte separator. The LLZ sintered body is manufactured by Toyoshima Seisakusho and has a disc shape of φ11.2 mm×t3 mm. The composition is Li 6.6 La 3 Zr 1.6 Ta 0.4 O 12 , and the relative density is 97% or more. This LLZ sintered body was subjected to the following surface treatment to produce garnet type solid electrolyte separators according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4.
比較例1に係るセパレータは、アルゴン雰囲気下において上記のLLZ焼結体の一方の表面全体を#2000のサンドペーパーで研磨することにより作製した。
比較例2に係るセパレータは、大気中で上記のLLZ焼結体の一方の表面全体を#2000のサンドペーパーで研磨した後、大気中で450℃のホットプレートにて当該表面を15分間加熱し、その後放冷することにより作製した。
比較例3に係るセパレータは、上記のLLZ焼結体の一方の表面全体に対し、大気中でエタノールを滴下しながら#2000のサンドペーパーで研磨し、その後大気中で400℃のホットプレートにて当該表面を10分間加熱し、その後放冷することにより作製した。
実施例1に係るセパレータは、上記のLLZ焼結体の一方の表面全体に対し、大気中でエタノールを滴下しながら#2000のサンドペーパーで研磨し、その後大気中で450℃のホットプレートにて当該表面を15分間加熱し、その後放冷することにより作製した。
実施例2に係るセパレータは、上記のLLZ焼結体の一方の表面全体に対し、大気中でエタノールを滴下しながら#2000のサンドペーパーで研磨し、その後大気中で550℃のホットプレートにて当該表面を1時間加熱し、その後放冷することにより作製した。
実施例3に係るセパレータは、上記のLLZ焼結体の一方の表面全体に対し、大気中で水を滴下しながら#2000のサンドペーパーで研磨し、その後大気中で550℃のホットプレートにて当該表面を1時間加熱し、その後放冷することにより作製した。
比較例4に係るセパレータは、上記のLLZ焼結体の一方の表面全体に対し、大気中でエタノールを滴下しながら#2000のサンドペーパーで研磨し、その後大気中で700℃のホットプレートにて当該表面を1時間加熱し、その後放冷することにより作製した。
A separator according to Comparative Example 1 was produced by polishing the entire surface of one side of the LLZ sintered body with #2000 sandpaper in an argon atmosphere.
The separator according to Comparative Example 2 was prepared by polishing one entire surface of the LLZ sintered body in the atmosphere with #2000 sandpaper, and then heating the surface on a hot plate at 450°C for 15 minutes in the atmosphere. , and then left to cool.
The separator according to Comparative Example 3 was prepared by polishing one entire surface of the LLZ sintered body with #2000 sandpaper while dropping ethanol in the air, and then polishing it with a hot plate at 400°C in the air. The surface was heated for 10 minutes and then allowed to cool.
The separator according to Example 1 was prepared by polishing one entire surface of the LLZ sintered body with #2000 sandpaper while dropping ethanol in the atmosphere, and then polishing it with a hot plate at 450°C in the atmosphere. The surface was heated for 15 minutes and then allowed to cool.
The separator according to Example 2 was prepared by polishing one entire surface of the LLZ sintered body with #2000 sandpaper while dropping ethanol in the atmosphere, and then polishing it with a hot plate at 550°C in the atmosphere. The surface was heated for 1 hour and then allowed to cool.
The separator according to Example 3 was prepared by polishing one entire surface of the LLZ sintered body with #2000 sandpaper while dropping water in the atmosphere, and then polishing it with a hot plate at 550°C in the atmosphere. The surface was heated for 1 hour and then allowed to cool.
The separator according to Comparative Example 4 was prepared by polishing one entire surface of the LLZ sintered body with #2000 sandpaper while dropping ethanol in the atmosphere, and then polishing it with a hot plate at 700°C in the atmosphere. The surface was heated for 1 hour and then allowed to cool.
[評価]
(限界電流密度の測定)
実施例1、2及び比較例1~4に係るセパレータそれぞれについて、上記の処理を行った面に金属リチウム箔(厚さ50μm)を接着し、他方の面に銅箔(厚さ10μm)を接着し、実施例1、2及び比較例1~4に係る評価用電池(ハーフセル)を作製した。
[evaluation]
(Measurement of limiting current density)
For each of the separators according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4, metal lithium foil (thickness: 50 μm) was adhered to the above-treated side, and copper foil (thickness: 10 μm) was adhered to the other side. Then, evaluation batteries (half cells) according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 were produced.
次に、上記において作製した評価用電池それぞれに対して、積層方向の上下面からφ11.28mmの鉄製ピン2本を用いて、200~300kgfの荷重をかけて拘束し、電気化学評価装置(北斗電工製 充放電評価システム)に接続した状態で60℃に加温した。
そして、評価用電池に対し、低電流モードで±0.1mA/cm2、±0.25mA/cm2、±0.4mA/cm2、±0.5mA/cm2、±1mA/cm2、±2mA/cm2、±4mA/cm2、±8mA/cm2、±16mA/cm2の順に段階的に上昇させながら、それぞれの電流モードについて1hずつ通電し、その際の電圧を測定した。電圧値が0V近くに急激に減少した時点で短絡したと判断し、その時点における限界電流密度(CCD:Critical Current Density)を、短絡した時点よりも1段低い電流密度とした。結果を表1に示した。ここで、実施例1及び比較例1、3はそれぞれ4例ずつ、実施例2及び比較例2はそれぞれ2例ずつ行った。また、比較例4はLLZ焼結体表面の炭素濃化層が厚く、金属Liとの界面形成が困難であったため測定できなかった。
Next, each of the evaluation batteries produced above was restrained using two iron pins of 11.28 mm in diameter from the upper and lower surfaces in the stacking direction, applying a load of 200 to 300 kgf, and using an electrochemical evaluation device (Hokuto). The battery was heated to 60°C while connected to a charge/discharge evaluation system (manufactured by Denko).
Then, for the evaluation battery, in the low current mode, ±0.1 mA/cm 2 , ±0.25 mA/cm 2 , ±0.4 mA/cm 2 , ±0.5 mA/cm 2 , ±1 mA/cm 2 , While increasing the voltage stepwise in the order of ±2 mA/cm 2 , ±4 mA/cm 2 , ±8 mA/cm 2 , and ±16 mA/cm 2 , current was applied for 1 h in each current mode, and the voltage at that time was measured. It was determined that a short circuit occurred when the voltage value suddenly decreased to near 0 V, and the critical current density (CCD) at that point was set to one step lower than the current density at the time of the short circuit. The results are shown in Table 1. Here, four examples each of Example 1 and Comparative Examples 1 and 3 were conducted, and two examples each of Example 2 and Comparative Example 2 were conducted. Furthermore, in Comparative Example 4, the carbon-enriched layer on the surface of the LLZ sintered body was thick and it was difficult to form an interface with metal Li, so it could not be measured.
表1の結果のとおり、比較例1~3の限界電流密度は2mA/cm2以下であったが、実施例1の限界電流密度は最大で8mA/cm2、実施例2の限界電流密度は最大で4mA/cm2であった。この結果から、実施例1、2は比較例1~3に比べて限界電流密度が高く、優れた短絡耐性を示すといえる。 As shown in Table 1, the limiting current density of Comparative Examples 1 to 3 was 2 mA/cm 2 or less, but the limiting current density of Example 1 was 8 mA/cm 2 at maximum, and the limiting current density of Example 2 was The maximum was 4 mA/ cm2 . From this result, it can be said that Examples 1 and 2 have higher limiting current densities than Comparative Examples 1 to 3 and exhibit excellent short circuit resistance.
(XPSによる表面分析)
実施例1及び比較例1、2に係るセパレータについて、処理を行った側の表面をXPSによって測定した。XPS装置はアルバックファイ製PHI-5000 VersaProve IIを用いた。得られたスペクトル(O-1sスペクトル及びC-1sスペクトルを図4、5に示した。
(Surface analysis by XPS)
Regarding the separators according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, the treated surface was measured by XPS. As the XPS device, PHI-5000 VersaProve II manufactured by ULVAC-PHI was used. The obtained spectra (O-1s spectrum and C-1s spectrum are shown in FIGS. 4 and 5).
図4、5から、実施例1、比較例2のXPSスペクトルにおいて、明瞭なLi2CO3のピークが観測された。よって、実施例1、比較例2に係るセパレータ表面にはLi2CO3の層(炭素濃化層)が存在していると考えられ、さらに当該炭素濃化層はXPSで観測できる程度以上の厚みを持っているものであると考えられる。一方で、比較例1にはLi2CO3のピークが観測できなかった。 4 and 5, a clear Li 2 CO 3 peak was observed in the XPS spectra of Example 1 and Comparative Example 2. Therefore, it is considered that a layer of Li 2 CO 3 (carbon-enriched layer) exists on the surface of the separator according to Example 1 and Comparative Example 2, and furthermore, the carbon-enriched layer has a layer that is more than the level that can be observed by XPS. It is thought that it is thick. On the other hand, in Comparative Example 1, no peak of Li 2 CO 3 could be observed.
(EDXによる表面分析)
実施例1~3及び比較例1~4に係るセパレータについて、処理を行った側の表面をSEM-EDXによって測定し、表面組成(質量%)を算出した。SEMは日立ハイテクノロジーズ製SU-8000を用いた。EDXは堀場製作所製X-max 80mm2を用いて、加速電圧を5kVとして測定した。測定は任意の3領域で行い、炭素、酸素、ジルコニウムの含有量を算出した。表2、3に結果を示した。
(Surface analysis by EDX)
Regarding the separators according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, the surface on the treated side was measured by SEM-EDX, and the surface composition (% by mass) was calculated. The SEM used was SU-8000 manufactured by Hitachi High Technologies. EDX was measured using Horiba's X-max 80 mm 2 at an accelerating voltage of 5 kV. Measurements were performed in three arbitrary regions, and the contents of carbon, oxygen, and zirconium were calculated. The results are shown in Tables 2 and 3.
表2は実施例1及び比較例1、2の結果について詳細に説明したものである。元素比較は平均値に基づいて算出している。
表3は実施例1~3及び比較例1~4について、表面処理の条件と表面組成の結果とを比較できるように掲載したものである。表3の炭素濃度、C/Zr比、C/O比は表2と同様に、平均値に基づいて算出されている。
Table 2 describes the results of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 in detail. Elemental comparisons are calculated based on average values.
Table 3 is listed for Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 so that the surface treatment conditions and surface composition results can be compared. The carbon concentration, C/Zr ratio, and C/O ratio in Table 3 are calculated based on average values as in Table 2.
表2より、比較例1の炭素濃度よりも比較例2の炭素濃度の方が高く、比較例2の炭素濃度よりも実施例1の炭素濃度の方が高いことが分かった。表面組成における炭素濃度はLi2CO3由来であると考えられるため、炭素濃度が高いほど炭素濃化層が厚いと考えられる。規格化した炭素/ジルコニウム比、及び炭素/酸素比からも、同様の傾向が読み取れる。
このことから、LLZ焼結体の表面に対して、溶媒を接触させてから加熱処理を行うことにより、より厚みを持った炭素濃化層を形成することができると考えられる。
From Table 2, it was found that the carbon concentration of Comparative Example 2 was higher than that of Comparative Example 1, and the carbon concentration of Example 1 was higher than that of Comparative Example 2. Since the carbon concentration in the surface composition is considered to be derived from Li 2 CO 3 , it is considered that the higher the carbon concentration, the thicker the carbon-enriched layer. Similar trends can be seen from the normalized carbon/zirconium ratio and carbon/oxygen ratio.
From this, it is considered that a thicker carbon-enriched layer can be formed by contacting the surface of the LLZ sintered body with a solvent and then performing heat treatment.
次に、表3の結果から表面処理の条件について検討した。実施例1~3より、溶媒としては水及びアルコールの何れも用いることができることが確認できた。また、加熱温度については、450℃~550℃の範囲では特に問題が起こらないことが確認できた。一方で、比較例3は400℃で加熱処理されており、炭素濃度が実施例に比べて低かった。そのため炭素濃化層の厚みが十分でなく、表1の通り限界電流密度が低かったと考えられる。また、比較例4では700℃で加熱処理を行っているため、実施例よりも炭素濃度は高いが、表面に多数の凹凸を有する炭素濃化層が生成したため、電池の使用には適さなかった。 Next, the conditions for surface treatment were examined based on the results shown in Table 3. From Examples 1 to 3, it was confirmed that both water and alcohol can be used as the solvent. Furthermore, regarding the heating temperature, it was confirmed that no particular problem occurred within the range of 450°C to 550°C. On the other hand, Comparative Example 3 was heat-treated at 400° C., and the carbon concentration was lower than that of the Example. Therefore, the thickness of the carbon-enriched layer was not sufficient, and as shown in Table 1, it is thought that the limiting current density was low. In addition, in Comparative Example 4, the heat treatment was performed at 700°C, so the carbon concentration was higher than in the example, but a carbon-enriched layer with many irregularities was formed on the surface, making it unsuitable for battery use. .
(SEM-EDXによる割断面分析)
実施例1及び比較例1、2に係るセパレータを割断し、その割断面についてSEM-EDXによる分析を行った。割断は、セパレータ表面にダイヤモンドペンを用いて線状痕を付与し、当該線状痕を挟んでセパレータ両端をプライヤーで保持し、曲げ応力を付加して線状痕に沿って劈開させる方法で行った。図6~図8に実施例1及び比較例1、2に係るセパレータの表面(金属Li箔/LLZ(セパレータ)界面)付近のSEM像を示した。図6は比較例1のSEM像であり、図7は比較例2のSEM像であり、図8は実施例1のSEM像である。
(Analysis of cut surface using SEM-EDX)
The separators according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were cut, and the cut surfaces were analyzed by SEM-EDX. Cutting is performed by creating linear marks on the surface of the separator using a diamond pen, holding both ends of the separator with pliers across the linear marks, and applying bending stress to cleave along the linear marks. Ta. 6 to 8 show SEM images of the vicinity of the surface (metallic Li foil/LLZ (separator) interface) of the separators according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. 6 is a SEM image of Comparative Example 1, FIG. 7 is a SEM image of Comparative Example 2, and FIG. 8 is a SEM image of Example 1.
図6~図8より、比較例1、2のSEM像には軽元素を示す黒い領域は少ないが、実施例1のSEM像では表面付近に黒い領域が集中していることが確認できた。このことから、実施例1のセパレータの表面付近に何らかの元素が濃化していると考えられる。セパレータの作製方法から、セパレータ内部にもLi2CO3が生成していると推測できるため、黒い領域は炭素が濃化した領域であると予想される。そこで、実施例1、2及び比較例1~3に係るセパレータの割断面に対してEDXを用いて炭素濃度を算出した。 From FIGS. 6 to 8, it was confirmed that the SEM images of Comparative Examples 1 and 2 had few black areas indicating light elements, but the SEM image of Example 1 had black areas concentrated near the surface. From this, it is considered that some element is concentrated near the surface of the separator of Example 1. From the method of manufacturing the separator, it can be inferred that Li 2 CO 3 is also generated inside the separator, so the black areas are expected to be areas where carbon is concentrated. Therefore, the carbon concentration was calculated using EDX on the cut surfaces of the separators according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3.
EDXによる分析は、2視野ずつ、且つ断面を数個の領域に分けてそれぞれ面分析を行い、測定領域の平均炭素濃度(質量%)を算出した。比較例1の面分析はセパレータの厚さ方向10μm、厚さ方向に直交する方向25μmの範囲で行った。比較例2、3及び実施例1、2の面分析はセパレータの厚さ方向5μm、厚さ方向に直交する方向25μmの範囲で行った。結果には厚さ方向における分析範囲の中心点の位置を記載した。また、平均炭素濃度は、表面付近(表面から深さ10μmの位置までの範囲)と、内部(表面から深さ10μmを超える範囲)との領域を分けて算出し、各領域において2以上測定した場合は、それらの平均値を各領域における平均炭素濃度とした。 In the EDX analysis, the cross-section was divided into several regions in two fields at a time, and area analysis was performed on each region, and the average carbon concentration (mass %) of the measurement region was calculated. The surface analysis of Comparative Example 1 was performed in a range of 10 μm in the thickness direction of the separator and 25 μm in the direction perpendicular to the thickness direction. The surface analysis of Comparative Examples 2 and 3 and Examples 1 and 2 was carried out in a range of 5 μm in the thickness direction of the separator and 25 μm in the direction perpendicular to the thickness direction. The results indicate the position of the center point of the analysis range in the thickness direction. In addition, the average carbon concentration was calculated separately for the near surface (range from the surface to a depth of 10 μm) and the interior (range from the surface to a depth of more than 10 μm), and two or more measurements were taken in each region. In this case, the average value was taken as the average carbon concentration in each region.
比較例1では表面から中心点までの距離8.3μm、18μm、29μm、41μm、53μm、66μmの位置において面分析を行った。比較例2では、表面から中心点までの距離3.75μm、9.67μm、16.1μm、22.1μm、29.1μm、36.1μm、42.9μm、49.7μmの位置において面分析を行った。比較例3では、表面から中心点までの距離2.46μm、6.93μm、11.7μm、16.48μm、21.10μm、25.48μm、30.12μmの位置において面分析を行った。実施例1では、表面から中心点までの距離2.46μm、6.93μm、11.7μm、16.5μm、21.2μm、25.5μm、30.1μmの位置において面分析を行った。実施例2では、表面から中心点までの距離2.41μm、7.04μm、11.9μm、16.9μm、22.2μm、28.0μm、34.4μmの位置において面分析を行った。
結果を図9~図13に示した。図9は比較例1の結果であり、図10は比較例2の結果であり、図11は比較例3の結果であり、図12は実施例1の結果であり、図13は実施例2の結果である。
In Comparative Example 1, surface analysis was performed at positions at distances of 8.3 μm, 18 μm, 29 μm, 41 μm, 53 μm, and 66 μm from the surface to the center point. In Comparative Example 2, surface analysis was performed at positions at distances of 3.75 μm, 9.67 μm, 16.1 μm, 22.1 μm, 29.1 μm, 36.1 μm, 42.9 μm, and 49.7 μm from the surface to the center point. Ta. In Comparative Example 3, surface analysis was performed at positions at distances of 2.46 μm, 6.93 μm, 11.7 μm, 16.48 μm, 21.10 μm, 25.48 μm, and 30.12 μm from the surface to the center point. In Example 1, surface analysis was performed at positions at distances of 2.46 μm, 6.93 μm, 11.7 μm, 16.5 μm, 21.2 μm, 25.5 μm, and 30.1 μm from the surface to the center point. In Example 2, surface analysis was performed at positions at distances of 2.41 μm, 7.04 μm, 11.9 μm, 16.9 μm, 22.2 μm, 28.0 μm, and 34.4 μm from the surface to the center point.
The results are shown in FIGS. 9 to 13. 9 shows the results of Comparative Example 1, FIG. 10 shows the results of Comparative Example 2, FIG. 11 shows the results of Comparative Example 3, FIG. 12 shows the results of Example 1, and FIG. 13 shows the results of Example 2. This is the result.
図9によれば、比較例1の表面付近の平均炭素濃度は8.92%であり、内部の平均炭素濃度は6.15%であった。図10によれば、比較例2の表面付近の平均炭素濃度は3.62%であり、内部の平均炭素濃度は2.55%であった。このように比較例1、2の平均炭素濃度は、表面付近と内部との間に大きな違いはなかった。これに対し、図11によれば、比較例3の表面付近の平均炭素濃度は9.67%であり、内部の平均炭素濃度は3.08%であった。このように比較例3は内部の平均炭素濃度に比べて表面付近の平均炭素濃度が大きいことから、表面付近で炭素元素が濃化していることが確認できた。しかし、後述する実施例1、2に比べてまだまだ小さい値であった。 According to FIG. 9, the average carbon concentration near the surface of Comparative Example 1 was 8.92%, and the average carbon concentration inside was 6.15%. According to FIG. 10, the average carbon concentration near the surface of Comparative Example 2 was 3.62%, and the average carbon concentration inside was 2.55%. As described above, there was no significant difference in the average carbon concentration of Comparative Examples 1 and 2 between the vicinity of the surface and the inside. On the other hand, according to FIG. 11, the average carbon concentration near the surface of Comparative Example 3 was 9.67%, and the average carbon concentration inside was 3.08%. As described above, in Comparative Example 3, the average carbon concentration near the surface was higher than the average carbon concentration inside, so it was confirmed that the carbon element was concentrated near the surface. However, the value was still smaller than that of Examples 1 and 2, which will be described later.
一方で、図12、13によれば、実施例1、2では平均炭素濃度について、表面付近と内部との間に大きな違いがあり、平均炭素濃度は表面に近いほど高いことが分かった。具体的には実施例1における表面付近の平均炭素濃度は49.3%、内部の平均炭素濃度は10.3%であり、実施例2における表面付近の平均炭素濃度は22.4%、内部の平均炭素濃度は8.46%であった。これらの結果から、SEM像において観測された黒い領域は炭素が濃化した領域であると考えられ、また先の結果を考慮すると、この炭素はLi2CO3由来であると考えられる。また、表面付近の平均炭素濃度が10%以上、好ましくは20%以上であると優れた短絡耐性を示すものと考えられる。 On the other hand, according to FIGS. 12 and 13, it was found that in Examples 1 and 2, there was a large difference in average carbon concentration between near the surface and inside, and the average carbon concentration was higher closer to the surface. Specifically, the average carbon concentration near the surface in Example 1 was 49.3% and the average carbon concentration inside was 10.3%, and the average carbon concentration near the surface in Example 2 was 22.4% and inside. The average carbon concentration was 8.46%. From these results, it is considered that the black region observed in the SEM image is a region where carbon is concentrated, and considering the previous results, this carbon is considered to be derived from Li 2 CO 3 . Moreover, it is considered that excellent short circuit resistance is exhibited when the average carbon concentration near the surface is 10% or more, preferably 20% or more.
(考察)
以上の結果から、ガーネット型固体電解質セパレータの表面付近はLi2CO3由来の炭素に富む組織であることが分かった。セラミックスのような脆性材料は、表面にある微細な凹部やクラックを起点に亀裂が進展して割断されることが知られている。従って、割断面の表面付近には焼結時に生じたボイドやクラックといった欠陥が露出していると考えられる。実施例1ではこのような欠陥にLi2CO3が多く分布していることから(図8)、表面処理の際にエタノールが欠陥部に浸透し、熱処理によってエタノールとガーネット型固体電解質とが反応することにより、Li2CO3が生成したと考えられる。
そして、Li2CO3は金属リチウムとのぬれ性が極めて低いため、欠陥部を覆う炭酸リチウムがリチウムデンドライトの進展を妨げることで、短絡耐性が向上したと考えられる(表1)。
(Consideration)
From the above results, it was found that the vicinity of the surface of the garnet type solid electrolyte separator has a structure rich in carbon derived from Li 2 CO 3 . It is known that brittle materials such as ceramics can be fractured by cracks that start from minute depressions or cracks on the surface. Therefore, it is considered that defects such as voids and cracks generated during sintering are exposed near the surface of the fractured surface. In Example 1, since a large amount of Li 2 CO 3 is distributed in such defects (Figure 8), ethanol penetrates into the defects during surface treatment, and the heat treatment causes a reaction between ethanol and the garnet-type solid electrolyte. It is thought that Li 2 CO 3 was generated by doing so.
Since Li 2 CO 3 has extremely low wettability with metallic lithium, it is thought that the lithium carbonate covering the defective parts hinders the growth of lithium dendrites, thereby improving the short circuit resistance (Table 1).
Claims (8)
前記ガーネット型固体電解質焼結体の少なくとも一方の表面に存在する炭素濃化層と、
該炭素濃化層の表面から深さ10μmの位置までの範囲であって、前記ガーネット型固体電解質焼結体の内部に存在する炭素濃化部と、を備え、
EDXにより算出される前記炭素濃化層の表面の組成において、炭素濃度が6.8質量%以上である、
ガーネット型固体電解質セパレータ。 a garnet-type solid electrolyte sintered body containing a garnet-type solid electrolyte;
a carbon-enriched layer present on at least one surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body;
a carbon-enriched portion existing within the garnet-type solid electrolyte sintered body, the carbon-enriched portion extending from the surface of the carbon-enriched layer to a depth of 10 μm ;
In the composition of the surface of the carbon-enriched layer calculated by EDX, the carbon concentration is 6.8% by mass or more,
Garnet type solid electrolyte separator.
前記溶媒接触工程後に、前記表面を450℃以上700℃未満の温度で加熱する加熱工程と、
を有する、ガーネット型固体電解質セパレータの製造方法。 a solvent contacting step of bringing a solvent containing an oxygen element into contact with the surface of the garnet-type solid electrolyte sintered body;
After the solvent contacting step, a heating step of heating the surface at a temperature of 450° C. or more and less than 700° C.;
A method for producing a garnet-type solid electrolyte separator, comprising:
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