リチウム二次電池電極用スラリー組成物及びそれを用いた電池
【課題】無機固体電解質を用いてもイオン伝導度が高く、かつ強度が高い電極層を製造することが可能なスラリーの提供。
【解決手段】活物質粒子及び／又は硫化物系固体電解質粒子、バインダー、及びニトリル溶媒を含み、ｍ：ｎ＝５０〜９０：５０〜１０（式中、ｍは前記バインダー中の式（１）で示される繰返単位の全重量％、ｎはバインダー中の式（２）で示される繰返単位の全重量％である。）、及び０．１≦１００×ｘ／ｙ≦２０（式中、ｘはスラリー中のバインダーの重量、ｙは［スラリー中のバインダーの重量＋スラリー中の硫化物系固体電解質粒子の重量＋スラリー中の活物質粒子の重量］を示す。）を満たすスラリーであって、バインダーは、式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有し、前記ニトリル溶媒は式（３）で表わされるスラリー。式（１）−（−ＣＦ２ＣＨ２−）−式（２）−（−ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）−）−式（３）Ｒ−Ｃ≡Ｎ
【解決手段】活物質粒子及び／又は硫化物系固体電解質粒子、バインダー、及びニトリル溶媒を含み、ｍ：ｎ＝５０〜９０：５０〜１０（式中、ｍは前記バインダー中の式（１）で示される繰返単位の全重量％、ｎはバインダー中の式（２）で示される繰返単位の全重量％である。）、及び０．１≦１００×ｘ／ｙ≦２０（式中、ｘはスラリー中のバインダーの重量、ｙは［スラリー中のバインダーの重量＋スラリー中の硫化物系固体電解質粒子の重量＋スラリー中の活物質粒子の重量］を示す。）を満たすスラリーであって、バインダーは、式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有し、前記ニトリル溶媒は式（３）で表わされるスラリー。式（１）−（−ＣＦ２ＣＨ２−）−式（２）−（−ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）−）−式（３）Ｒ−Ｃ≡Ｎ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池及びその電池部材に用いることのできるスラリーに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ＰＤＡ、ノートパソコン等の高機能化に伴い、長時間使用が可能であり、かつ小型・軽量で、安全性の高い二次電池が強く要望されている。
しかし、従来から使用されてきた可燃性の有機溶媒を含むリチウム二次電池は過充電時や濫用時に液漏れや発火の危険性がある。そのため、電池の高エネルギー密度化に伴い、安全性の確保が重要な課題とされてきた。
【０００３】
このような課題を解決する電池として、有機電解液に比べて化学的に安定で、かつ漏液や発火の問題のない無機固体電解質を電解質として用いた全固体リチウムイオン二次電池の研究開発が鋭意行われている。
ここで、固体電解質及び活物質は無機物であるため、固体電解質粒子及び活物質粒子のみを用いて電極層を製造すると電極層が非常に脆くなるという欠点を有している。
【０００４】
この欠点を解消するために、固体電解質粒子と活物質粒子にバインダーを添加したスラリーを塗布・乾燥して電極層を製造する技術が開発された（特許文献１）。
しかし、バインダーはポリマーであるため、イオン伝導度が低く、上記電極層を用いたリチウムイオン電池では高性能とすることが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２１２０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、無機固体電解質を用いてもイオン伝導度が高く、かつ強度が高い電極層を製造することが可能なスラリーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、以下のスラリー等が提供される。
１．活物質粒子及び／又は硫化物系固体電解質粒子、バインダー、及びニトリル溶媒を含み、下記式（Ａ）及び（Ｂ）を満たすスラリーであって、
前記バインダーは、式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有し、
前記ニトリル溶媒は式（３）で表わされるスラリー。
ｍ：ｎ＝５０〜９０：５０〜１０・・・（Ａ）
（式中、ｍは前記バインダー中の式（１）で示される繰返単位の全重量％、ｎは前記バインダー中の式（２）で示される繰返単位の全重量％である。）
０．１≦１００×ｘ／ｙ≦２０・・・（Ｂ）
（式中、ｘはスラリー中のバインダーの重量、ｙは［スラリー中のバインダーの重量＋スラリー中の硫化物系固体電解質粒子の重量＋スラリー中の活物質粒子の重量］を示す。）
【化１】
（式（３）中、Ｒは炭素数１〜１３の炭化水素からなる主鎖及び炭素数１〜１３の炭化水素からなる側鎖を有する基、又は炭素数３〜７の環状構造を有する基であり、これらは飽和でも不飽和であってもよく、官能基を含んでいてもよい。
前記官能基は、エーテル、カルボニル、カルボキシル、ヒドロキシ、チオ、チオール、チオキシ、スルホ、ニトリル、ニトロ、ニトロソ、アゾ、アミド、イミド、アミノ、イミノ又はハロゲンである。）
２．１に記載のスラリーを用いて製造した電極、及び
１に記載のスラリーを用いて製造した電解質層のうち少なくとも１つを備えるリチウムイオン電池。
３．電極及び電解質層のうち少なくとも１つが、バインダー及び硫化物系固体電解質粒子を含み、前記バインダーが式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有するリチウムイオン電池。
【化２】
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、無機固体電解質を用いてもイオン伝導度が高く、かつ強度が高い電極層を製造することが可能なスラリーを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】密着性を測定する方法を説明するための図である。
【図２】実施例１で用いた正極活物質の粒度分布グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のスラリーは、活物質粒子及び／又は硫化物系固体電解質粒子、バインダー、及びニトリル溶媒を含む。
上記バインダーは、式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有し、その他の成分を含んでいてもよい。
【化３】
【００１１】
上記ニトリル溶媒は式（３）で表わされる。
【化４】
式（３）中、Ｒは炭素数１〜１３の炭化水素からなる主鎖及び炭素数１〜１３の炭化水素からなる側鎖を有する基、又は炭素数３〜７の環状構造を有する基であり、これらは飽和でも不飽和であってもよく、官能基を含んでいてもよい。
【００１２】
上記官能基は、エーテル、カルボニル、カルボキシル、ヒドロキシ、チオ、チオール、チオキシ、スルホ、ニトリル、ニトロ、ニトロソ、アゾ、アミド、イミド、アミノ、イミノ又はハロゲンである。
【００１３】
また、本発明のスラリーは下記式（Ａ）及び（Ｂ）を満たす。
ｍ：ｎ＝５０〜９０：５０〜１０・・・（Ａ）
（式中、ｍは前記バインダー中の式（１）で示される繰返単位の全重量％、ｎは前記バインダー中の式（２）で示される繰返単位の全重量％である。）
【００１４】
０．１≦１００×ｘ／ｙ≦２０・・・（Ｂ）
（式中、ｘはスラリー中のバインダーの重量、ｙは［スラリー中のバインダーの重量＋スラリー中の硫化物系固体電解質粒子の重量＋スラリー中の活物質粒子の重量］を示す。）
本発明のスラリーを用いて製造した電池部材は、密着性、耐屈曲性及び耐熱性に優れる。
【００１５】
（１）活物質粒子
活物質粒子は、正極活物質又は負極活物質である。
正極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な金属酸化物、電池分野において正極活物質として公知のものが使用できる。
例えば、硫化物系では硫化チタン（ＴｉＳ２）、硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、硫化鉄（ＦｅＳ、ＦｅＳ２）、硫化銅（ＣｕＳ）及び硫化ニッケル（Ｎｉ３Ｓ２）等が使用でき、特にＴｉＳ２が好適である。これらの物質は１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００１６】
また、酸化物系の正極活物質は好ましくは下記式（１０）又は（１１）で表わされる。
ＬｉＮｉｘＭ１−ｘＯ２・・・（１０）
ＬｉＮｉａＣｏｂＡｌ１−ａ−ｂＯ２・・・（１１）
式中、ｘは０．１＜ｘ＜０．９を満たす数であり、ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｍｎ及びＡｌからなる群から選ばれる元素であり、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１である。
【００１７】
また、例えば酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、鉛酸ビスマス（Ｂｉ２Ｐｂ２Ｏ５）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化バナジウム（Ｖ６Ｏ１３）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、オリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）や、ニッケルーマンガン系酸化物（ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２）、ニッケルーアルミニウムーコバルト系酸化物（ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２）、ニッケルーマンガンーコバルト系酸化物（ＬｉＮｉ０．３３Ｃｏ０．３３Ｍｎ０．３３Ｏ２）等が使用でき、特にＬｉＣｏＯ２やＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２が好適である。
これらの物質は１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００１８】
尚、上記の硫化物系と酸化物系を混合して用いることも可能である。また、上記の他に、セレン化ニオブ（ＮｂＳｅ３）も使用することができる。
必要に応じて、表面を酸化物や硫化物等でコート処理したものも好適に使用できる。
【００１９】
負極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質、電池分野において負極活物質として公知のものが使用できる。
例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。又はその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組合わせた合金を、負極材として用いることができる。
【００２０】
活物質の粒径は、０．０１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。０．０１μｍ未満であるとハンドリングが困難になるおそれがある。５０μｍより大きいと硫化物系固体電解質との接触面積が小さくなり、イオン伝導性が低くなるおそれがある。より好ましくは、活物質の粒径は１μｍ以上３０μｍ以下である。
【００２１】
（２）硫化物系固体電解質粒子
硫化物系固体電解質は、好ましくはＬｉ及びＳを含む。
また、硫化物系固体電解質は、Ｐ、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ及びＡｌからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素、並びにＬｉ元素及びＳ元素を含むことが好ましい。
固体電解質粒子は、好ましくはＳ、Ｌｉ及びＰを含む。
【００２２】
硫化物系固体電解質は、例えば硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）及び五硫化二燐（Ｐ２Ｓ５）；硫化リチウム、単体燐及び単体硫黄；又は硫化リチウム、五硫化二燐、単体燐及び／又は単体硫黄を原材料として製造することができる。
【００２３】
硫化物系固体電解質を、硫化リチウムと、五硫化二りんから製造する場合、混合モル比は、通常５０：５０〜８０：２０、好ましくは６０：４０〜７５：２５である。特に好ましくは、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝６８：３２〜７４：２６（モル比）程度である。
【００２４】
上記材料の混合物を溶融反応した後、急冷する、又はメカニカルミリング法（以下、ＭＭ法という場合がある）により処理することにより、ガラス状固体電解質が得られる。得られたガラス状固体電解質をさらに熱処理すると、結晶性固体電解質である硫化物系固体電解質が得られる。
【００２５】
硫化物系固体電解質粒子の粒径は、０．０１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。上記粒径はレーザー回折式粒度分布測定方法によって求めることができる。
０．０１μｍ未満であるとハンドリングが困難になるおそれがある。５０μｍより大きいと活物質との接触面積が小さくなり、イオン伝導性が低くなるおそれがある。より好ましくは、硫化物系固体電解質粒子の粒径は、０．０５以上２０μｍ以下である。
【００２６】
レーザー回折式粒度分布測定方法は、組成物を乾燥せずに粒度分布を測定することができ、具体的には、組成物中の粒子群にレーザーを照射してその散乱光を解析して粒度分布を測定する。
具体的な測定方法は以下の通りである。測定装置として、例えばＭａｌｖｅｒｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｌｔｄ社製マスターサイザー２０００を用いることができる。
まず、装置の分散槽に脱水処理されたトルエン（和光純薬製、製品名：特級）１１０ｍｌを入れ、さらに分散剤として脱水処理されたターシャリーブチルアルコール（和光純薬製、特級）を６％添加する。上記混合物を十分混合した後、固体電解質含有組成物を添加して粒子径を測定する。
ここで、固体電解質含有組成物の添加量は、上記装置で規定されている操作画面で、粒子濃度に対応するレーザー散乱強度が規定の範囲内（１０〜２０％）に収まるように加減して加える。この範囲を超えると多重散乱が発生し、正確な粒子径分布を求めることができなくなる恐れがある。また、この範囲より少ないとＳＮ比が悪くなり、正確な測定ができない恐れがある。
【００２７】
上記装置では、固体電解質含有組成物の添加量に基づきレーザー散乱強度が表示されるので、上記レーザー散乱強度範囲に入る添加量を見つける。
上記のように、固体電解質含有組成物の添加量は組成物の濃度によって最適量は異なるが、概ね１０μＬ〜２００μＬ程度である。
【００２８】
ここで、トルエンに分散剤を添加するのは、固体電解質含有組成物内の「凝集している固体電解質粒子」を一次粒子にする（分散させる）ためではなく、測定する固体電解質含有組成物内の固体電解質粒子が凝集しないようにするためである。
【００２９】
（３）バインダー
バインダーは、式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有する。（１）はフッ化ビニリデンに基づく重合単位（ＶＤＦ）であり、（２）はヘキサフルオロプロピレンに基づく重合単位（ＨＦＰ）である。
【化５】
【００３０】
ｍを、バインダー中の式（１）で示される繰返単位の全重量％、ｎを、バインダー中の式（２）で示される繰返単位の全重量％としたとき、これらの比は下記式（Ａ）を満たす。
ｍ：ｎ＝５０〜９０：５０〜１０・・・（Ａ）
【００３１】
バインダー中の式（２）で示される全繰返単位の重量比が１０％未満であると、ニトリル溶媒に溶解することができないおそれがある。バインダー中の式（２）で示される全繰返単位の重量比が５０％より大きいと、ＶＤＦの特性が発揮されず、密着性が乏しくなるおそれがある。より好ましくは、ｍ：ｎ＝８０〜９０：２０〜１０である。
【００３２】
尚、ｎ、ｍは以下のようにして求めることができる。
ｍ＝１００×（ｍ１×ｍ２）／（ｍ１×ｍ２＋ｎ１×ｎ２）
ｎ＝１００×（ｎ１×ｎ２）／（ｍ１×ｍ２＋ｎ１×ｎ２）
式中、ｍ１は核磁気共鳴測定（ＮＭＲ）で測定された式（１）で示されるセグメント（繰返単位）のｍｏｌ％であり、ｎ１は核磁気共鳴測定（ＮＭＲ）で測定された式（２）で示されるセグメントのｍｏｌ％であり、ｍ２は式（１）で示されるセグメントの分子量であり、ｎ２は式（２）で示されるセグメントの分子量である。
尚、ＮＭＲで測定するのは、一分子中の各セグメントのｍｏｌ％ではなく、バインダー全部に対する各セグメントのｍｏｌ％である。
【００３３】
バインダー分子の数平均分子量は、１，０００〜５００，０００であることが好ましく、１，０００〜１００，０００であることがより好ましく、５，０００〜５００，０００であることがさらに好ましい。
バインダー分子の数平均分子量が１，０００〜１００，０００であれば、溶媒への溶解性が向上し、溶媒量を少なくすることができる。
一方、バインダー分子の数平均分子量が５，０００〜５００，０００であれば、粘着性が増すので、本発明組成物の分散安定性や塗布性が向上し正極層を作製しやすくなる。
【００３４】
（４）ニトリル溶媒
ニトリル溶媒は式（３）で示される。
【化６】
式（３）中、Ｒは炭素数１〜１３の炭化水素からなる主鎖及び炭素数１〜１３の炭化水素からなる側鎖を有する基、又は炭素数３〜７の環状構造を有する基であり、これらは飽和でも不飽和であってもよく、官能基を含んでいてもよい。
上記炭素数３〜７の環状構造を有する基の環状構造は、好ましくは芳香環構造であり、環状構造の炭素数は好ましくは５又は６である。炭素数３〜７の環状構造を有する基は、より好ましくはフェニル基である。
【００３５】
官能基は、エーテル、カルボニル、カルボキシル、ヒドロキシ、チオ、チオール、チオキシ、スルホ、ニトリル、ニトロ、ニトロソ、アゾ、アミド、イミド、アミノ、イミノ又はハロゲンであり、好ましくは、チオ、チオール、ニトリルである。
上記ニトリル溶媒は上記固体電解質を劣化させず、また、上記バインダーの溶解性や固体物分散性が良好である。
【００３６】
式（３）の化合物は、好ましくは分岐構造を有する炭素数３及び４の炭化水素鎖、又は六員環構造を含む化合物であり、具体的には、イソブチロニトリル、イソバレロニトリル及びベンゾニトリル等が挙げられる。
【００３７】
（５）各成分の割合
本発明のスラリーは、下記式を満たす。
０．１≦１００×ｘ／ｙ≦２０
ｘ：スラリー中のバインダーの重量
ｙ：スラリー中のバインダーの重量＋スラリー中の硫化物系固体電解質粒子の重量＋スラリー中の正極活物質粒子の重量
【００３８】
１００×ｘ／ｙが０．１未満であると、製造した電極層の強度が低くなるおそれがある。
１００×ｘ／ｙが２０より大きいと、製造した電極中の活物質の量が少なくなり、電気容量が低くなるおそれがある。また、電極中の硫化物系固体電解質の量が少なくなり、イオン伝導性が低くなるおそれがある。
【００３９】
本発明のスラリーは、より好ましくは下記式を満たす。
１≦１００×ｘ／ｙ≦１０
【００４０】
本発明のスラリーは、上記の各成分を混合し粉砕することにより製造することができる。
この際、予め上記バインダーをニトリル溶媒の一部に溶解させて、これと上記スラリーの残りの成分を混合してもよい。
【００４１】
本発明のリチウムイオン電池は正極、固体電解質層及び負極を含み、これらのうち少なくとも１つが上記のバインダー及び硫化物系固体電解質粒子を含む。
正極、固体電解質層及び負極の少なくとも１つは、本発明のスラリーを用いて、例えば塗布法により製造できる。
この場合、層を別々に形成し、貼り合せ、接合してもよいし、積層構造を連続的に形成してもよい。
【実施例】
【００４２】
製造例１（固体電解質の製造）
［硫化リチウムの製造］
硫化リチウムは、特開平７−３３０３１２号公報における第１の態様（２工程法）の方法に従って製造した。具体的には、撹拌翼のついた１０リットルオートクレーブにＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）３３２６．４ｇ（３３．６モル）及び水酸化リチウム２８７．４ｇ（１２モル）を仕込み、３００ｒｐｍ、１３０℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を３リットル／分の供給速度で２時間吹き込んだ。
【００４３】
続いてこの反応液を窒素気流下（２００ｃｃ／分）昇温し、反応した水硫化リチウムを脱硫化水素化し硫化リチウムを得た。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、１８０℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。水硫化リチウムの脱硫化水素反応が終了後（約８０分）に反応を終了し、硫化リチウムを得た。
【００４４】
［硫化リチウムの精製］
上記で得られた５００ｍＬのスラリー反応溶液（ＮＭＰ−硫化リチウムスラリー）中のＮＭＰをデカンテーションした後、脱水したＮＭＰ１００ｍＬを加え、１０５℃で約１時間撹拌した。その温度のままＮＭＰをデカンテーションした。さらにＮＭＰ１００ｍＬを加え、１０５℃で約１時間撹拌し、その温度のままＮＭＰをデカンテーションし、同様の操作を合計４回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下２３０℃（ＮＭＰの沸点以上の温度）で硫化リチウムを常圧下で３時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
【００４５】
亜硫酸リチウム（Ｌｉ２ＳＯ３）、硫酸リチウム（Ｌｉ２ＳＯ４）、チオ硫酸リチウム（Ｌｉ２Ｓ２Ｏ３）の各硫黄酸化物、及びＮ−メチルアミノ酪酸リチウム（ＮＭＡＢ）の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は０．１３質量％であり、ＬＭＡＢは０．０７質量％であった。このようにして精製したＬｉ２Ｓを、以下の実施例で使用した。
【００４６】
製造例２（電解質粒子１の製造）
製造例１により製造した平均粒径３０μｍ程度のＬｉ２Ｓ ３２．５４ｇと平均粒径５０μｍ程度のＰ２Ｓ５（アルドリッチ社製）６７．４６ｇを１０ｍｍφアルミナボール１７５個が入った５００ｍｌアルミナ製容器に入れ密閉した。上記計量、密閉作業はすべてグローブボックス内で実施し、使用する器具類はすべて乾燥機で事前に水分除去したものを用いた。
【００４７】
この密閉したアルミナ容器を、遊星ボールミル（レッチェ社製ＰＭ４００）にて室温下、３６時間メカニカルミリング処理することで白黄色の固体電解質ガラス粗粒子を得た。このときの回収率は７８％であった。
得られた粗粒子のＸ線回折測定（ＣｕＫα：λ＝１．５４１８Å）を行なった結果、原料Ｌｉ２Ｓのピークは観測されず、固体電解質ガラスに起因するハローパターンであった。
【００４８】
上記固体電解質粗粒子をグローブボックス内Ａｒ雰囲気下でＳＵＳ製チューブに密閉し、３００℃、２時間の加熱処理を施し電解質ガラスセラミック（平均粒径１４．５２μｍ）（電解質粒子１）を得た。このガラスセラミック粗粒子のＸ線回折測定では、２θ＝１７．８、１８．２、１９．８、２１．８、２３．８、２５．９、２９．５、３０．０ｄｅｇにピークが観測された。
この固体電解質ガラスセラミック粗粒子の伝導度は、１．３×１０−３Ｓ／ｃｍであった。
また、リチウム・リン系硫化物ガラス固体電解質の体積基準平均粒径は、２５８μｍであった。平均粒径は、上記測定方法により測定した。
【００４９】
製造例３（電解質粒子２の製造）
製造例２において、製造例１で製造・精製した高純度硫化リチウムを０．７６６ｇ（０．０１６６モル）とし、五硫化二リン（アルドリッチ社製）を１．２２ｇ（０．００５５モル）とし、さらにアルゴン雰囲気下で、３００℃、２時間の加熱をしなかった以外は製造例２と同様にして電解質粒子２を製造した。
得られた電解質粒子２について、Ｘ線回折測定によりガラス化していることを確認した。また、電解質粒子２の体積基準平均粒径は、１２６．４μｍであり、イオン伝導度は、２．２９×１０−４Ｓ／ｃｍであった。平均粒径は、上記測定方法により測定した。
【００５０】
実施例１
（１）正極合材シートの作製
ＰＶＤＦ−ＨＦＰ（バインダー：アルケマ製、ＫＹＮＡＲ２７５１−００、ＨＦＰ配合率（重量比）１５％）２．０ｇをイソブチロニトリル（東京化成工業（株）製）１８．０ｇに８０℃で加熱溶解させたものをＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１として用いた。
【００５１】
遊星ボールミルのポットに、上記電解質粒子１を６．１５ｇ、上記ＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１を５．２５ｇ、及びイソブチロニトリルを９．２７ｇ投入し、３７０ｒｐｍで２．０時間ミリングを行なった。さらに正極活物質ＬＮＣＡＯ（ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.15Ａｌ0.05Ｏ２）（戸田工業製）を１４．３３ｇ添加し、１５０ｒｐｍで５分間ミリングを行なった。得られた正極スラリーを集電板であるアルミ箔上にドクターブレードを用いて塗布し、風乾、加熱減圧乾燥を行い、正極シートを得た。
尚、上記ＬＮＣＡＯの体積基準平均粒径は、５．９１μｍであった。ＬＮＣＡＯの粒度分布グラフを図２に示す。
【００５２】
この正極シートを所定の大きさに切り出し、図１に示すように１８０°に折り曲げたところ、正極が集電体から剥がれず集電体との密着性が良好であることが分かった。また、正極シート上の正極部分の厚みは５０μｍであった。
【００５３】
（２）固体電解質シートの作製
遊星ボールミルのポットに、上記電解質粒子１を７．７６ｇ、上記ＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１を２．４０ｇ、及びイソブチロニトリルを９．８４ｇ仕込み、３７０ｒｐｍで２．０時間ミリングを行なった。得られた固体電解質スラリーを、上記正極合材シート上へドクターブレードを用いて塗布し、正極・固体電解質二層シートを得た。
【００５４】
この正極・固体電解質２層シートを所定の大きさに切り出し、図１に示すように１８０°に折り曲げたところ、正極が集電体から剥がれず集電体との密着性が良好であり、かつ電解質層が正極から剥離せず電解質層と正極との密着性が良好であることが分かった。固体電解質層の厚みは１００μｍであった。
【００５５】
また、上記で製造した固体電解質スラリーを集電体上へドクターブレードを用いて塗布、風乾、加熱減圧乾燥を行い、固体電解質シートを得た。
この固体電解質シートを所定の大きさに切り出し、図１に示すように１８０°に折り曲げたところ、電解質層が集電体から剥離せず電解質層と集電体との密着性が良好であることが分かった。固体電解質層の厚みは１００μｍであった。
【００５６】
（３）電池の作製
作製した正極・固体電解質層２層シートを直径１６ｍｍで打抜き、ダイス鋼ＳＫＤ１１製の１６．５Φｍｍ円筒金型に投入し、６８ＭＰａ加圧してペレットを作製した。さらに正極の反対側の電解質層に接するように負極として直径１６ｍｍで打ち抜いた０．１ｍｍ厚のＩｎ箔（レアメタリック社製）を貼り合わせ、これら３層を２０３２サイズのコインセルに収容し電池とした。
【００５７】
（４）充放電試験
電流密度を０．１ｍＡ／ｃｍ２としたときの初期の充電量及び放電量を測定した。結果を表１に示す。
【００５８】
実施例２〜５
正極、及び固体電解質のバインダー含有量を表１に示すように変更したこと以外は、実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００５９】
実施例６
ＰＶＤＦ−ＨＦＰ−ＴＥＦ（バインダー：アルケマ製、ＫＹＮＡＲ−ＡＤＳ，ＶＤＦ，ＨＦＰ及びＴＥＦの重量比は、それぞれ６３、１３、２４ｗｔ％）２．０ｇを、イソブチロニトリル（東京化成工業（株）製）１８．０ｇに８０℃で加熱溶解させたものをＰＶＤＦ−ＨＦＰ−ＴＥＦバインダー溶液とした。
ＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１を上記のＰＶＤＦ−ＨＦＰ−ＴＥＦバインダー溶液とした以外は、実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００６０】
実施例７
ＰＶＤＦ−ＨＦＰ（バインダー：アルケマ製、Ｋｙｎａｒ２５００−２０，ＶＤＦ及びＨＦＰの重量比は、それぞれ８０、２０ｗｔ％）２．０ｇを、イソブチロニトリル（東京化成工業（株）製）１８．０ｇに８０℃で加熱溶解させたものをＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液２とした。
ＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１を上記のＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液２とした以外は、実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００６１】
実施例８
ＰＶＤＦ−ＨＦＰ（バインダー：アルケマ製、Ｋｙｎａｒ２８０１−００，ＶＤＦ及びＨＦＰの重量比は、それぞれ９０、１０ｗｔ％）２．０ｇを、イソブチロニトリル（東京化成工業（株）製）１８．０ｇに８０℃で加熱溶解させたものをＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液３とした。
ＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１を上記のＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液３とした以外は、実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００６２】
実施例９
固体電解質として電解質粒子２を用いた以外は実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００６３】
実施例１０
固体電解質として電解質粒子２を用いた以外は実施例６と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００６４】
尚、表１の密着性評価結果は以下を示す。
正極密着性
○：１８０°の折り曲げで、破損なし
△：１８０°の折り曲げで、端がかける程度で電池作製に耐えうる
×：１８０°の折り曲げで、ほぼ全壊し、電池作製に耐えない
固体電解質層密着性
○：正極層との密着性及び集電体との密着性の両方が１８０°の折り曲げで、破損なし
△：正極層との密着性及び集電体との密着性のいずれか（又は両方で）が１８０°の折り曲げで、端がかける程度で電池作製に耐えうる
×：正極層との密着性及び集電体との密着性のいずれか（又は両方で）が１８０°の折り曲げでほぼ全壊し、電池作製に耐えない
【００６５】
比較例１〜４
正極及び固体電解質に用いるバインダーとして、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）及びポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）の共重合樹脂を用い、その含有量を表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
比較例１は、正極層と電解質層が剥がれてしまい、電池を製造することができなかった。
【００６６】
比較例５〜８
バインダーの種類、添加量を表１のように変更した他は実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
比較例６は、正極層及び電解質層の密着性は優れていたが、充放電試験を行ったところ、充電することができなかったため、リチウムイオン電池として機能しないことが分かった。
【００６７】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明のスラリーは、リチウムイオン電池の部材に用いることができる。本発明のリチウムイオン電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電池として用いることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池及びその電池部材に用いることのできるスラリーに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ＰＤＡ、ノートパソコン等の高機能化に伴い、長時間使用が可能であり、かつ小型・軽量で、安全性の高い二次電池が強く要望されている。
しかし、従来から使用されてきた可燃性の有機溶媒を含むリチウム二次電池は過充電時や濫用時に液漏れや発火の危険性がある。そのため、電池の高エネルギー密度化に伴い、安全性の確保が重要な課題とされてきた。
【０００３】
このような課題を解決する電池として、有機電解液に比べて化学的に安定で、かつ漏液や発火の問題のない無機固体電解質を電解質として用いた全固体リチウムイオン二次電池の研究開発が鋭意行われている。
ここで、固体電解質及び活物質は無機物であるため、固体電解質粒子及び活物質粒子のみを用いて電極層を製造すると電極層が非常に脆くなるという欠点を有している。
【０００４】
この欠点を解消するために、固体電解質粒子と活物質粒子にバインダーを添加したスラリーを塗布・乾燥して電極層を製造する技術が開発された（特許文献１）。
しかし、バインダーはポリマーであるため、イオン伝導度が低く、上記電極層を用いたリチウムイオン電池では高性能とすることが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２１２０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、無機固体電解質を用いてもイオン伝導度が高く、かつ強度が高い電極層を製造することが可能なスラリーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、以下のスラリー等が提供される。
１．活物質粒子及び／又は硫化物系固体電解質粒子、バインダー、及びニトリル溶媒を含み、下記式（Ａ）及び（Ｂ）を満たすスラリーであって、
前記バインダーは、式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有し、
前記ニトリル溶媒は式（３）で表わされるスラリー。
ｍ：ｎ＝５０〜９０：５０〜１０・・・（Ａ）
（式中、ｍは前記バインダー中の式（１）で示される繰返単位の全重量％、ｎは前記バインダー中の式（２）で示される繰返単位の全重量％である。）
０．１≦１００×ｘ／ｙ≦２０・・・（Ｂ）
（式中、ｘはスラリー中のバインダーの重量、ｙは［スラリー中のバインダーの重量＋スラリー中の硫化物系固体電解質粒子の重量＋スラリー中の活物質粒子の重量］を示す。）
【化１】
（式（３）中、Ｒは炭素数１〜１３の炭化水素からなる主鎖及び炭素数１〜１３の炭化水素からなる側鎖を有する基、又は炭素数３〜７の環状構造を有する基であり、これらは飽和でも不飽和であってもよく、官能基を含んでいてもよい。
前記官能基は、エーテル、カルボニル、カルボキシル、ヒドロキシ、チオ、チオール、チオキシ、スルホ、ニトリル、ニトロ、ニトロソ、アゾ、アミド、イミド、アミノ、イミノ又はハロゲンである。）
２．１に記載のスラリーを用いて製造した電極、及び
１に記載のスラリーを用いて製造した電解質層のうち少なくとも１つを備えるリチウムイオン電池。
３．電極及び電解質層のうち少なくとも１つが、バインダー及び硫化物系固体電解質粒子を含み、前記バインダーが式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有するリチウムイオン電池。
【化２】
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、無機固体電解質を用いてもイオン伝導度が高く、かつ強度が高い電極層を製造することが可能なスラリーを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】密着性を測定する方法を説明するための図である。
【図２】実施例１で用いた正極活物質の粒度分布グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のスラリーは、活物質粒子及び／又は硫化物系固体電解質粒子、バインダー、及びニトリル溶媒を含む。
上記バインダーは、式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有し、その他の成分を含んでいてもよい。
【化３】
【００１１】
上記ニトリル溶媒は式（３）で表わされる。
【化４】
式（３）中、Ｒは炭素数１〜１３の炭化水素からなる主鎖及び炭素数１〜１３の炭化水素からなる側鎖を有する基、又は炭素数３〜７の環状構造を有する基であり、これらは飽和でも不飽和であってもよく、官能基を含んでいてもよい。
【００１２】
上記官能基は、エーテル、カルボニル、カルボキシル、ヒドロキシ、チオ、チオール、チオキシ、スルホ、ニトリル、ニトロ、ニトロソ、アゾ、アミド、イミド、アミノ、イミノ又はハロゲンである。
【００１３】
また、本発明のスラリーは下記式（Ａ）及び（Ｂ）を満たす。
ｍ：ｎ＝５０〜９０：５０〜１０・・・（Ａ）
（式中、ｍは前記バインダー中の式（１）で示される繰返単位の全重量％、ｎは前記バインダー中の式（２）で示される繰返単位の全重量％である。）
【００１４】
０．１≦１００×ｘ／ｙ≦２０・・・（Ｂ）
（式中、ｘはスラリー中のバインダーの重量、ｙは［スラリー中のバインダーの重量＋スラリー中の硫化物系固体電解質粒子の重量＋スラリー中の活物質粒子の重量］を示す。）
本発明のスラリーを用いて製造した電池部材は、密着性、耐屈曲性及び耐熱性に優れる。
【００１５】
（１）活物質粒子
活物質粒子は、正極活物質又は負極活物質である。
正極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な金属酸化物、電池分野において正極活物質として公知のものが使用できる。
例えば、硫化物系では硫化チタン（ＴｉＳ２）、硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、硫化鉄（ＦｅＳ、ＦｅＳ２）、硫化銅（ＣｕＳ）及び硫化ニッケル（Ｎｉ３Ｓ２）等が使用でき、特にＴｉＳ２が好適である。これらの物質は１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００１６】
また、酸化物系の正極活物質は好ましくは下記式（１０）又は（１１）で表わされる。
ＬｉＮｉｘＭ１−ｘＯ２・・・（１０）
ＬｉＮｉａＣｏｂＡｌ１−ａ−ｂＯ２・・・（１１）
式中、ｘは０．１＜ｘ＜０．９を満たす数であり、ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｍｎ及びＡｌからなる群から選ばれる元素であり、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１である。
【００１７】
また、例えば酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、鉛酸ビスマス（Ｂｉ２Ｐｂ２Ｏ５）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化バナジウム（Ｖ６Ｏ１３）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、オリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）や、ニッケルーマンガン系酸化物（ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２）、ニッケルーアルミニウムーコバルト系酸化物（ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２）、ニッケルーマンガンーコバルト系酸化物（ＬｉＮｉ０．３３Ｃｏ０．３３Ｍｎ０．３３Ｏ２）等が使用でき、特にＬｉＣｏＯ２やＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２が好適である。
これらの物質は１種を単独で、又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
【００１８】
尚、上記の硫化物系と酸化物系を混合して用いることも可能である。また、上記の他に、セレン化ニオブ（ＮｂＳｅ３）も使用することができる。
必要に応じて、表面を酸化物や硫化物等でコート処理したものも好適に使用できる。
【００１９】
負極活物質としては、リチウムイオンの挿入脱離が可能な物質、電池分野において負極活物質として公知のものが使用できる。
例えば、炭素材料、具体的には、人造黒鉛、黒鉛炭素繊維、樹脂焼成炭素、熱分解気相成長炭素、コークス、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、フルフリルアルコール樹脂焼成炭素、ポリアセン、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、天然黒鉛及び難黒鉛化性炭素等が挙げられる。又はその混合物でもよい。好ましくは、人造黒鉛である。
また、金属リチウム、金属インジウム、金属アルミ、金属ケイ素等の金属自体や他の元素、化合物と組合わせた合金を、負極材として用いることができる。
【００２０】
活物質の粒径は、０．０１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。０．０１μｍ未満であるとハンドリングが困難になるおそれがある。５０μｍより大きいと硫化物系固体電解質との接触面積が小さくなり、イオン伝導性が低くなるおそれがある。より好ましくは、活物質の粒径は１μｍ以上３０μｍ以下である。
【００２１】
（２）硫化物系固体電解質粒子
硫化物系固体電解質は、好ましくはＬｉ及びＳを含む。
また、硫化物系固体電解質は、Ｐ、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ及びＡｌからなる群から選択される少なくとも１種以上の元素、並びにＬｉ元素及びＳ元素を含むことが好ましい。
固体電解質粒子は、好ましくはＳ、Ｌｉ及びＰを含む。
【００２２】
硫化物系固体電解質は、例えば硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）及び五硫化二燐（Ｐ２Ｓ５）；硫化リチウム、単体燐及び単体硫黄；又は硫化リチウム、五硫化二燐、単体燐及び／又は単体硫黄を原材料として製造することができる。
【００２３】
硫化物系固体電解質を、硫化リチウムと、五硫化二りんから製造する場合、混合モル比は、通常５０：５０〜８０：２０、好ましくは６０：４０〜７５：２５である。特に好ましくは、Ｌｉ２Ｓ：Ｐ２Ｓ５＝６８：３２〜７４：２６（モル比）程度である。
【００２４】
上記材料の混合物を溶融反応した後、急冷する、又はメカニカルミリング法（以下、ＭＭ法という場合がある）により処理することにより、ガラス状固体電解質が得られる。得られたガラス状固体電解質をさらに熱処理すると、結晶性固体電解質である硫化物系固体電解質が得られる。
【００２５】
硫化物系固体電解質粒子の粒径は、０．０１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。上記粒径はレーザー回折式粒度分布測定方法によって求めることができる。
０．０１μｍ未満であるとハンドリングが困難になるおそれがある。５０μｍより大きいと活物質との接触面積が小さくなり、イオン伝導性が低くなるおそれがある。より好ましくは、硫化物系固体電解質粒子の粒径は、０．０５以上２０μｍ以下である。
【００２６】
レーザー回折式粒度分布測定方法は、組成物を乾燥せずに粒度分布を測定することができ、具体的には、組成物中の粒子群にレーザーを照射してその散乱光を解析して粒度分布を測定する。
具体的な測定方法は以下の通りである。測定装置として、例えばＭａｌｖｅｒｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｌｔｄ社製マスターサイザー２０００を用いることができる。
まず、装置の分散槽に脱水処理されたトルエン（和光純薬製、製品名：特級）１１０ｍｌを入れ、さらに分散剤として脱水処理されたターシャリーブチルアルコール（和光純薬製、特級）を６％添加する。上記混合物を十分混合した後、固体電解質含有組成物を添加して粒子径を測定する。
ここで、固体電解質含有組成物の添加量は、上記装置で規定されている操作画面で、粒子濃度に対応するレーザー散乱強度が規定の範囲内（１０〜２０％）に収まるように加減して加える。この範囲を超えると多重散乱が発生し、正確な粒子径分布を求めることができなくなる恐れがある。また、この範囲より少ないとＳＮ比が悪くなり、正確な測定ができない恐れがある。
【００２７】
上記装置では、固体電解質含有組成物の添加量に基づきレーザー散乱強度が表示されるので、上記レーザー散乱強度範囲に入る添加量を見つける。
上記のように、固体電解質含有組成物の添加量は組成物の濃度によって最適量は異なるが、概ね１０μＬ〜２００μＬ程度である。
【００２８】
ここで、トルエンに分散剤を添加するのは、固体電解質含有組成物内の「凝集している固体電解質粒子」を一次粒子にする（分散させる）ためではなく、測定する固体電解質含有組成物内の固体電解質粒子が凝集しないようにするためである。
【００２９】
（３）バインダー
バインダーは、式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有する。（１）はフッ化ビニリデンに基づく重合単位（ＶＤＦ）であり、（２）はヘキサフルオロプロピレンに基づく重合単位（ＨＦＰ）である。
【化５】
【００３０】
ｍを、バインダー中の式（１）で示される繰返単位の全重量％、ｎを、バインダー中の式（２）で示される繰返単位の全重量％としたとき、これらの比は下記式（Ａ）を満たす。
ｍ：ｎ＝５０〜９０：５０〜１０・・・（Ａ）
【００３１】
バインダー中の式（２）で示される全繰返単位の重量比が１０％未満であると、ニトリル溶媒に溶解することができないおそれがある。バインダー中の式（２）で示される全繰返単位の重量比が５０％より大きいと、ＶＤＦの特性が発揮されず、密着性が乏しくなるおそれがある。より好ましくは、ｍ：ｎ＝８０〜９０：２０〜１０である。
【００３２】
尚、ｎ、ｍは以下のようにして求めることができる。
ｍ＝１００×（ｍ１×ｍ２）／（ｍ１×ｍ２＋ｎ１×ｎ２）
ｎ＝１００×（ｎ１×ｎ２）／（ｍ１×ｍ２＋ｎ１×ｎ２）
式中、ｍ１は核磁気共鳴測定（ＮＭＲ）で測定された式（１）で示されるセグメント（繰返単位）のｍｏｌ％であり、ｎ１は核磁気共鳴測定（ＮＭＲ）で測定された式（２）で示されるセグメントのｍｏｌ％であり、ｍ２は式（１）で示されるセグメントの分子量であり、ｎ２は式（２）で示されるセグメントの分子量である。
尚、ＮＭＲで測定するのは、一分子中の各セグメントのｍｏｌ％ではなく、バインダー全部に対する各セグメントのｍｏｌ％である。
【００３３】
バインダー分子の数平均分子量は、１，０００〜５００，０００であることが好ましく、１，０００〜１００，０００であることがより好ましく、５，０００〜５００，０００であることがさらに好ましい。
バインダー分子の数平均分子量が１，０００〜１００，０００であれば、溶媒への溶解性が向上し、溶媒量を少なくすることができる。
一方、バインダー分子の数平均分子量が５，０００〜５００，０００であれば、粘着性が増すので、本発明組成物の分散安定性や塗布性が向上し正極層を作製しやすくなる。
【００３４】
（４）ニトリル溶媒
ニトリル溶媒は式（３）で示される。
【化６】
式（３）中、Ｒは炭素数１〜１３の炭化水素からなる主鎖及び炭素数１〜１３の炭化水素からなる側鎖を有する基、又は炭素数３〜７の環状構造を有する基であり、これらは飽和でも不飽和であってもよく、官能基を含んでいてもよい。
上記炭素数３〜７の環状構造を有する基の環状構造は、好ましくは芳香環構造であり、環状構造の炭素数は好ましくは５又は６である。炭素数３〜７の環状構造を有する基は、より好ましくはフェニル基である。
【００３５】
官能基は、エーテル、カルボニル、カルボキシル、ヒドロキシ、チオ、チオール、チオキシ、スルホ、ニトリル、ニトロ、ニトロソ、アゾ、アミド、イミド、アミノ、イミノ又はハロゲンであり、好ましくは、チオ、チオール、ニトリルである。
上記ニトリル溶媒は上記固体電解質を劣化させず、また、上記バインダーの溶解性や固体物分散性が良好である。
【００３６】
式（３）の化合物は、好ましくは分岐構造を有する炭素数３及び４の炭化水素鎖、又は六員環構造を含む化合物であり、具体的には、イソブチロニトリル、イソバレロニトリル及びベンゾニトリル等が挙げられる。
【００３７】
（５）各成分の割合
本発明のスラリーは、下記式を満たす。
０．１≦１００×ｘ／ｙ≦２０
ｘ：スラリー中のバインダーの重量
ｙ：スラリー中のバインダーの重量＋スラリー中の硫化物系固体電解質粒子の重量＋スラリー中の正極活物質粒子の重量
【００３８】
１００×ｘ／ｙが０．１未満であると、製造した電極層の強度が低くなるおそれがある。
１００×ｘ／ｙが２０より大きいと、製造した電極中の活物質の量が少なくなり、電気容量が低くなるおそれがある。また、電極中の硫化物系固体電解質の量が少なくなり、イオン伝導性が低くなるおそれがある。
【００３９】
本発明のスラリーは、より好ましくは下記式を満たす。
１≦１００×ｘ／ｙ≦１０
【００４０】
本発明のスラリーは、上記の各成分を混合し粉砕することにより製造することができる。
この際、予め上記バインダーをニトリル溶媒の一部に溶解させて、これと上記スラリーの残りの成分を混合してもよい。
【００４１】
本発明のリチウムイオン電池は正極、固体電解質層及び負極を含み、これらのうち少なくとも１つが上記のバインダー及び硫化物系固体電解質粒子を含む。
正極、固体電解質層及び負極の少なくとも１つは、本発明のスラリーを用いて、例えば塗布法により製造できる。
この場合、層を別々に形成し、貼り合せ、接合してもよいし、積層構造を連続的に形成してもよい。
【実施例】
【００４２】
製造例１（固体電解質の製造）
［硫化リチウムの製造］
硫化リチウムは、特開平７−３３０３１２号公報における第１の態様（２工程法）の方法に従って製造した。具体的には、撹拌翼のついた１０リットルオートクレーブにＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）３３２６．４ｇ（３３．６モル）及び水酸化リチウム２８７．４ｇ（１２モル）を仕込み、３００ｒｐｍ、１３０℃に昇温した。昇温後、液中に硫化水素を３リットル／分の供給速度で２時間吹き込んだ。
【００４３】
続いてこの反応液を窒素気流下（２００ｃｃ／分）昇温し、反応した水硫化リチウムを脱硫化水素化し硫化リチウムを得た。昇温するにつれ、上記硫化水素と水酸化リチウムの反応により副生した水が蒸発を始めたが、この水はコンデンサにより凝縮し系外に抜き出した。水を系外に留去すると共に反応液の温度は上昇するが、１８０℃に達した時点で昇温を停止し、一定温度に保持した。水硫化リチウムの脱硫化水素反応が終了後（約８０分）に反応を終了し、硫化リチウムを得た。
【００４４】
［硫化リチウムの精製］
上記で得られた５００ｍＬのスラリー反応溶液（ＮＭＰ−硫化リチウムスラリー）中のＮＭＰをデカンテーションした後、脱水したＮＭＰ１００ｍＬを加え、１０５℃で約１時間撹拌した。その温度のままＮＭＰをデカンテーションした。さらにＮＭＰ１００ｍＬを加え、１０５℃で約１時間撹拌し、その温度のままＮＭＰをデカンテーションし、同様の操作を合計４回繰り返した。デカンテーション終了後、窒素気流下２３０℃（ＮＭＰの沸点以上の温度）で硫化リチウムを常圧下で３時間乾燥した。得られた硫化リチウム中の不純物含有量を測定した。
【００４５】
亜硫酸リチウム（Ｌｉ２ＳＯ３）、硫酸リチウム（Ｌｉ２ＳＯ４）、チオ硫酸リチウム（Ｌｉ２Ｓ２Ｏ３）の各硫黄酸化物、及びＮ−メチルアミノ酪酸リチウム（ＮＭＡＢ）の含有量は、イオンクロマトグラフ法により定量した。その結果、硫黄酸化物の総含有量は０．１３質量％であり、ＬＭＡＢは０．０７質量％であった。このようにして精製したＬｉ２Ｓを、以下の実施例で使用した。
【００４６】
製造例２（電解質粒子１の製造）
製造例１により製造した平均粒径３０μｍ程度のＬｉ２Ｓ ３２．５４ｇと平均粒径５０μｍ程度のＰ２Ｓ５（アルドリッチ社製）６７．４６ｇを１０ｍｍφアルミナボール１７５個が入った５００ｍｌアルミナ製容器に入れ密閉した。上記計量、密閉作業はすべてグローブボックス内で実施し、使用する器具類はすべて乾燥機で事前に水分除去したものを用いた。
【００４７】
この密閉したアルミナ容器を、遊星ボールミル（レッチェ社製ＰＭ４００）にて室温下、３６時間メカニカルミリング処理することで白黄色の固体電解質ガラス粗粒子を得た。このときの回収率は７８％であった。
得られた粗粒子のＸ線回折測定（ＣｕＫα：λ＝１．５４１８Å）を行なった結果、原料Ｌｉ２Ｓのピークは観測されず、固体電解質ガラスに起因するハローパターンであった。
【００４８】
上記固体電解質粗粒子をグローブボックス内Ａｒ雰囲気下でＳＵＳ製チューブに密閉し、３００℃、２時間の加熱処理を施し電解質ガラスセラミック（平均粒径１４．５２μｍ）（電解質粒子１）を得た。このガラスセラミック粗粒子のＸ線回折測定では、２θ＝１７．８、１８．２、１９．８、２１．８、２３．８、２５．９、２９．５、３０．０ｄｅｇにピークが観測された。
この固体電解質ガラスセラミック粗粒子の伝導度は、１．３×１０−３Ｓ／ｃｍであった。
また、リチウム・リン系硫化物ガラス固体電解質の体積基準平均粒径は、２５８μｍであった。平均粒径は、上記測定方法により測定した。
【００４９】
製造例３（電解質粒子２の製造）
製造例２において、製造例１で製造・精製した高純度硫化リチウムを０．７６６ｇ（０．０１６６モル）とし、五硫化二リン（アルドリッチ社製）を１．２２ｇ（０．００５５モル）とし、さらにアルゴン雰囲気下で、３００℃、２時間の加熱をしなかった以外は製造例２と同様にして電解質粒子２を製造した。
得られた電解質粒子２について、Ｘ線回折測定によりガラス化していることを確認した。また、電解質粒子２の体積基準平均粒径は、１２６．４μｍであり、イオン伝導度は、２．２９×１０−４Ｓ／ｃｍであった。平均粒径は、上記測定方法により測定した。
【００５０】
実施例１
（１）正極合材シートの作製
ＰＶＤＦ−ＨＦＰ（バインダー：アルケマ製、ＫＹＮＡＲ２７５１−００、ＨＦＰ配合率（重量比）１５％）２．０ｇをイソブチロニトリル（東京化成工業（株）製）１８．０ｇに８０℃で加熱溶解させたものをＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１として用いた。
【００５１】
遊星ボールミルのポットに、上記電解質粒子１を６．１５ｇ、上記ＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１を５．２５ｇ、及びイソブチロニトリルを９．２７ｇ投入し、３７０ｒｐｍで２．０時間ミリングを行なった。さらに正極活物質ＬＮＣＡＯ（ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.15Ａｌ0.05Ｏ２）（戸田工業製）を１４．３３ｇ添加し、１５０ｒｐｍで５分間ミリングを行なった。得られた正極スラリーを集電板であるアルミ箔上にドクターブレードを用いて塗布し、風乾、加熱減圧乾燥を行い、正極シートを得た。
尚、上記ＬＮＣＡＯの体積基準平均粒径は、５．９１μｍであった。ＬＮＣＡＯの粒度分布グラフを図２に示す。
【００５２】
この正極シートを所定の大きさに切り出し、図１に示すように１８０°に折り曲げたところ、正極が集電体から剥がれず集電体との密着性が良好であることが分かった。また、正極シート上の正極部分の厚みは５０μｍであった。
【００５３】
（２）固体電解質シートの作製
遊星ボールミルのポットに、上記電解質粒子１を７．７６ｇ、上記ＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１を２．４０ｇ、及びイソブチロニトリルを９．８４ｇ仕込み、３７０ｒｐｍで２．０時間ミリングを行なった。得られた固体電解質スラリーを、上記正極合材シート上へドクターブレードを用いて塗布し、正極・固体電解質二層シートを得た。
【００５４】
この正極・固体電解質２層シートを所定の大きさに切り出し、図１に示すように１８０°に折り曲げたところ、正極が集電体から剥がれず集電体との密着性が良好であり、かつ電解質層が正極から剥離せず電解質層と正極との密着性が良好であることが分かった。固体電解質層の厚みは１００μｍであった。
【００５５】
また、上記で製造した固体電解質スラリーを集電体上へドクターブレードを用いて塗布、風乾、加熱減圧乾燥を行い、固体電解質シートを得た。
この固体電解質シートを所定の大きさに切り出し、図１に示すように１８０°に折り曲げたところ、電解質層が集電体から剥離せず電解質層と集電体との密着性が良好であることが分かった。固体電解質層の厚みは１００μｍであった。
【００５６】
（３）電池の作製
作製した正極・固体電解質層２層シートを直径１６ｍｍで打抜き、ダイス鋼ＳＫＤ１１製の１６．５Φｍｍ円筒金型に投入し、６８ＭＰａ加圧してペレットを作製した。さらに正極の反対側の電解質層に接するように負極として直径１６ｍｍで打ち抜いた０．１ｍｍ厚のＩｎ箔（レアメタリック社製）を貼り合わせ、これら３層を２０３２サイズのコインセルに収容し電池とした。
【００５７】
（４）充放電試験
電流密度を０．１ｍＡ／ｃｍ２としたときの初期の充電量及び放電量を測定した。結果を表１に示す。
【００５８】
実施例２〜５
正極、及び固体電解質のバインダー含有量を表１に示すように変更したこと以外は、実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００５９】
実施例６
ＰＶＤＦ−ＨＦＰ−ＴＥＦ（バインダー：アルケマ製、ＫＹＮＡＲ−ＡＤＳ，ＶＤＦ，ＨＦＰ及びＴＥＦの重量比は、それぞれ６３、１３、２４ｗｔ％）２．０ｇを、イソブチロニトリル（東京化成工業（株）製）１８．０ｇに８０℃で加熱溶解させたものをＰＶＤＦ−ＨＦＰ−ＴＥＦバインダー溶液とした。
ＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１を上記のＰＶＤＦ−ＨＦＰ−ＴＥＦバインダー溶液とした以外は、実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００６０】
実施例７
ＰＶＤＦ−ＨＦＰ（バインダー：アルケマ製、Ｋｙｎａｒ２５００−２０，ＶＤＦ及びＨＦＰの重量比は、それぞれ８０、２０ｗｔ％）２．０ｇを、イソブチロニトリル（東京化成工業（株）製）１８．０ｇに８０℃で加熱溶解させたものをＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液２とした。
ＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１を上記のＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液２とした以外は、実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００６１】
実施例８
ＰＶＤＦ−ＨＦＰ（バインダー：アルケマ製、Ｋｙｎａｒ２８０１−００，ＶＤＦ及びＨＦＰの重量比は、それぞれ９０、１０ｗｔ％）２．０ｇを、イソブチロニトリル（東京化成工業（株）製）１８．０ｇに８０℃で加熱溶解させたものをＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液３とした。
ＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液１を上記のＰＶＤＦ−ＨＦＰバインダー溶液３とした以外は、実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００６２】
実施例９
固体電解質として電解質粒子２を用いた以外は実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００６３】
実施例１０
固体電解質として電解質粒子２を用いた以外は実施例６と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
【００６４】
尚、表１の密着性評価結果は以下を示す。
正極密着性
○：１８０°の折り曲げで、破損なし
△：１８０°の折り曲げで、端がかける程度で電池作製に耐えうる
×：１８０°の折り曲げで、ほぼ全壊し、電池作製に耐えない
固体電解質層密着性
○：正極層との密着性及び集電体との密着性の両方が１８０°の折り曲げで、破損なし
△：正極層との密着性及び集電体との密着性のいずれか（又は両方で）が１８０°の折り曲げで、端がかける程度で電池作製に耐えうる
×：正極層との密着性及び集電体との密着性のいずれか（又は両方で）が１８０°の折り曲げでほぼ全壊し、電池作製に耐えない
【００６５】
比較例１〜４
正極及び固体電解質に用いるバインダーとして、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）及びポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）の共重合樹脂を用い、その含有量を表１に示すように変更した以外は、実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
比較例１は、正極層と電解質層が剥がれてしまい、電池を製造することができなかった。
【００６６】
比較例５〜８
バインダーの種類、添加量を表１のように変更した他は実施例１と同様にして電池部材及び電池を作製し、評価した。結果を表１に示す。
比較例６は、正極層及び電解質層の密着性は優れていたが、充放電試験を行ったところ、充電することができなかったため、リチウムイオン電池として機能しないことが分かった。
【００６７】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明のスラリーは、リチウムイオン電池の部材に用いることができる。本発明のリチウムイオン電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、モーターを電力源とする自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電池として用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活物質粒子及び／又は硫化物系固体電解質粒子、バインダー、及びニトリル溶媒を含み、下記式（Ａ）及び（Ｂ）を満たすスラリーであって、
前記バインダーは、式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有し、
前記ニトリル溶媒は式（３）で表わされるスラリー。
ｍ：ｎ＝５０〜９０：５０〜１０・・・（Ａ）
（式中、ｍは前記バインダー中の式（１）で示される繰返単位の全重量％、ｎは前記バインダー中の式（２）で示される繰返単位の全重量％である。）
０．１≦１００×ｘ／ｙ≦２０・・・（Ｂ）
（式中、ｘはスラリー中のバインダーの重量、ｙは［スラリー中のバインダーの重量＋スラリー中の硫化物系固体電解質粒子の重量＋スラリー中の活物質粒子の重量］を示す。）
【化７】
（式（３）中、Ｒは炭素数１〜１３の炭化水素からなる主鎖及び炭素数１〜１３の炭化水素からなる側鎖を有する基、又は炭素数３〜７の環状構造を有する基であり、これらは飽和でも不飽和であってもよく、官能基を含んでいてもよい。
前記官能基は、エーテル、カルボニル、カルボキシル、ヒドロキシ、チオ、チオール、チオキシ、スルホ、ニトリル、ニトロ、ニトロソ、アゾ、アミド、イミド、アミノ、イミノ又はハロゲンである。）
【請求項２】
請求項１に記載のスラリーを用いて製造した電極、及び
請求項１に記載のスラリーを用いて製造した電解質層のうち少なくとも１つを備えるリチウムイオン電池。
【請求項３】
電極及び電解質層のうち少なくとも１つが、バインダー及び硫化物系固体電解質粒子を含み、前記バインダーが式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有するリチウムイオン電池。
【化８】
【請求項１】
活物質粒子及び／又は硫化物系固体電解質粒子、バインダー、及びニトリル溶媒を含み、下記式（Ａ）及び（Ｂ）を満たすスラリーであって、
前記バインダーは、式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有し、
前記ニトリル溶媒は式（３）で表わされるスラリー。
ｍ：ｎ＝５０〜９０：５０〜１０・・・（Ａ）
（式中、ｍは前記バインダー中の式（１）で示される繰返単位の全重量％、ｎは前記バインダー中の式（２）で示される繰返単位の全重量％である。）
０．１≦１００×ｘ／ｙ≦２０・・・（Ｂ）
（式中、ｘはスラリー中のバインダーの重量、ｙは［スラリー中のバインダーの重量＋スラリー中の硫化物系固体電解質粒子の重量＋スラリー中の活物質粒子の重量］を示す。）
【化７】
（式（３）中、Ｒは炭素数１〜１３の炭化水素からなる主鎖及び炭素数１〜１３の炭化水素からなる側鎖を有する基、又は炭素数３〜７の環状構造を有する基であり、これらは飽和でも不飽和であってもよく、官能基を含んでいてもよい。
前記官能基は、エーテル、カルボニル、カルボキシル、ヒドロキシ、チオ、チオール、チオキシ、スルホ、ニトリル、ニトロ、ニトロソ、アゾ、アミド、イミド、アミノ、イミノ又はハロゲンである。）
【請求項２】
請求項１に記載のスラリーを用いて製造した電極、及び
請求項１に記載のスラリーを用いて製造した電解質層のうち少なくとも１つを備えるリチウムイオン電池。
【請求項３】
電極及び電解質層のうち少なくとも１つが、バインダー及び硫化物系固体電解質粒子を含み、前記バインダーが式（１）で示される繰返単位及び式（２）で示される繰返単位を有するリチウムイオン電池。
【化８】
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１５１０９６（Ｐ２０１２−１５１０９６Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６９５８４（Ｐ２０１１−２６９５８４）
【出願日】平成２３年１２月９日（２０１１．１２．９）
【出願人】（０００１８３６４６）出光興産株式会社 (2,069)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月９日（２０１１．１２．９）
【出願人】（０００１８３６４６）出光興産株式会社 (2,069)
【Ｆターム（参考）】
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