JP2004303718A - Solid battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid battery capable of eliminating the need for considering the thickness of a protection layer because it does not affect on the total thickness of the battery, preventing a protection layer from generating crack, and assuring reliability even if wiring is done freely on the protection layer. <P>SOLUTION: The solid battery comprises a substrate 11, a lower collecting body layer 12 sequentially laminated on the substrate, a lower electrode layer 13, an electrolyte layer 14, a power generating element having an upper electrode layer 15 and an upper collecting body layer, and the protection layer 17 for covering at least side surfaces of the power generating element. At least a portion of the protection layer has a smooth surface without steps, extending from the upper part covering the side surface of the upper collecting body layer toward the skirt part abutting the substrate. An angle of θ formed by the surface of the substrate and a shortest slant line connecting a point of the edge of the upper collecting body layer abutting the portion having a smooth surface and a point on the circumference of the contact surface of the substrate and the protection layer is 70° or less. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、基板上に順次に積層された下部集電体層、下部電極層、電解質層、上部電極層および上部集電体層からなる発電要素と、前記発電要素の少なくとも側面を被覆する保護膜とを備える固体電池に関する。   The present invention provides a power generating element including a lower current collector layer, a lower electrode layer, an electrolyte layer, an upper electrode layer, and an upper current collector layer which are sequentially stacked on a substrate, and protection for covering at least a side surface of the power generating element. And a solid-state battery comprising the membrane.

従来より、薄膜固体電池は、基板上に、下部集電体層、下部電極層、電解質層、上部電極層および上部集電体層を、順次に形成することにより作製される。一般に、短絡を防ぐ観点から、上方に形成される薄膜ほど、上面の面積を小さくすることが行われている(特許文献1参照)。また、外部環境から発電要素を保護する目的で、発電要素の全面を保護膜で被覆することが行われている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a thin-film solid-state battery is manufactured by sequentially forming a lower current collector layer, a lower electrode layer, an electrolyte layer, an upper electrode layer, and an upper current collector layer on a substrate. Generally, from the viewpoint of preventing a short circuit, the thinner the film is formed, the smaller the area of the upper surface is made (see Patent Document 1). Further, in order to protect the power generation element from the external environment, the entire surface of the power generation element is covered with a protective film.

図3に、従来の薄膜固体電池の断面の一例を示す。この固体電池は、基板31上に順次に積層された正極集電体層32、正極活物質層33、固体電解質層34、負極活物質層35および負極集電体層36からなる発電要素を具備する。そして、上方に形成される薄膜ほど、上面の面積が小さくなっている。このような発電要素の側面には、階段状の段差が形成される。また、発電要素を被覆する保護膜37にも、発電要素の側面に形成されている階段状の段差に沿って段差が形成される。   FIG. 3 shows an example of a cross section of a conventional thin-film solid-state battery. This solid-state battery includes a power generation element including a positive electrode current collector layer 32, a positive electrode active material layer 33, a solid electrolyte layer 34, a negative electrode active material layer 35, and a negative electrode current collector layer 36, which are sequentially stacked on a substrate 31. I do. The thinner the film is formed, the smaller the area of the upper surface is. A step-like step is formed on the side surface of such a power generating element. Also, a step is formed on the protective film 37 covering the power generation element along the step-like step formed on the side surface of the power generation element.

保護膜としては、酸化シリコン、酸化チタン等の酸化物、窒化シリコン等の窒化物、樹脂、金属、セラミックスなどが一般的に知られている(特許文献2、3参照)。保護膜は、湿気(水分)の侵入を確実に遮断する必要があるため、保護膜の厚膜化や多層化も検討されている。
特開平10−284130号公報(図2〜4) 特開2002−42863号公報(請求項12) 米国特許出願公開第2002/71989号明細書(クレーム1)
As the protective film, oxides such as silicon oxide and titanium oxide, nitrides such as silicon nitride, resins, metals, and ceramics are generally known (see Patent Documents 2 and 3). Since it is necessary to surely block the intrusion of moisture (moisture), the protective film is being studied to be thicker or more multilayered.
JP-A-10-284130 (FIGS. 2 to 4) JP-A-2002-42863 (Claim 12) US Patent Application Publication No. 2002/71989 (Claim 1)

上述のように、従来、発電要素の全面を被覆する方法がとられているが、全面を被覆すると、固体電池全体の厚さが増大してしまい、電池の体積容量密度は低下する。また、電池の充放電反応に伴って電極が膨張・収縮する際に、保護膜に歪や応力が発生して、保護膜が割れてしまうことがある。   As described above, conventionally, a method of covering the entire surface of the power generating element has been adopted. However, if the entire surface is covered, the thickness of the entire solid battery increases, and the volume capacity density of the battery decreases. In addition, when the electrode expands and contracts in response to the charge / discharge reaction of the battery, distortion and stress are generated in the protective film, and the protective film may be broken.

さらに、最上部の集電体層の上面に配線を接続したのち、発電要素の側面を覆う段差を有する保護膜部分の表面上に配線を這わせると、段差によって配線が破断されることがある。発電要素を構成する各層の厚さが大きくなるほど、段差は急峻となり、配線が破断する可能性は高くなる。しかし、1mAh/cm2以上の高容量な固体電池を得るためには、例えばLiCoO2からなる正極の場合、その厚さが13μm以上となる。その結果、保護膜に形成される段差も13μm以上となり、その上に配線を這わせると、配線が破断される可能性が極めて高く、信頼性が得られない。 Furthermore, if the wiring is connected to the upper surface of the uppermost current collector layer and then laid over the surface of the protective film portion having a step covering the side surface of the power generating element, the wiring may be broken by the step. . As the thickness of each layer constituting the power generating element increases, the step becomes steeper, and the possibility that the wiring is broken increases. However, in order to obtain a high-capacity solid battery of 1 mAh / cm 2 or more, for example, in the case of a positive electrode made of LiCoO 2 , the thickness is 13 μm or more. As a result, the step formed on the protective film becomes 13 μm or more, and if the wiring is laid on the protection film, the possibility of the wiring being broken is extremely high, and reliability cannot be obtained.

上記課題を鑑み、本発明は、基板と、前記基板上に順次に積層された下部集電体層、下部電極層、電解質層、上部電極層および上部集電体層からなる発電要素と、前記発電要素の少なくとも側面を被覆する保護膜とを備える固体電池であって、前記保護膜の少なくとも一部が、上部集電体層の側面を被覆する上部から基板と接する裾部に向かって段差を有さない滑らかな表面を有し、前記保護膜の前記滑らかな表面を有する部分と接する上部集電体層のエッジ上の一点と、前記基板と前記保護膜との接触面の外周上の一点とを結ぶ最短の斜線が、前記基板表面との間に形成する鋭角θが、70度以下である固体電池を提供する。   In view of the above problems, the present invention provides a substrate and a power generation element including a lower current collector layer, a lower electrode layer, an electrolyte layer, an upper electrode layer, and an upper current collector layer sequentially stacked on the substrate, A protective film covering at least a side surface of the power generating element, wherein at least a part of the protective film has a step from an upper portion covering the side surface of the upper current collector layer toward a skirt portion in contact with the substrate. A point on the edge of the upper current collector layer that has a smooth surface that does not have and is in contact with the portion of the protective film having the smooth surface, and a point on the outer periphery of the contact surface between the substrate and the protective film. The solid-state battery provides an acute angle θ formed between the shortest diagonal line connecting the substrate surface and the substrate surface at 70 degrees or less.

前記保護膜には、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化チタンおよび樹脂よりなる群から選択される少なくとも1種を用いることができる。   For the protective film, at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, tantalum oxide, aluminum oxide, titanium oxide, and resin can be used.

本発明は、また、前記発電要素と接続され、かつ前記保護膜の前記滑らかな表面上に配置された配線を備えた状態の上述の固体電池に関する。   The present invention also relates to the above-described solid-state battery provided with a wiring connected to the power generation element and disposed on the smooth surface of the protective film.

本発明によれば、電池全体の厚さが保護膜の膜厚に大きく影響されず、保護膜のクラック発生を防止できることに加え、保護膜上に自由に配線を這わせても、信頼性の高い固体電池を得ることが可能である。   According to the present invention, the thickness of the entire battery is not greatly affected by the thickness of the protective film, and in addition to preventing the occurrence of cracks in the protective film, the reliability is improved even if the wiring is freely laid on the protective film. It is possible to obtain a high solid state battery.

図1は、本発明の一実施形態に係る固体電池の断面図である。
図1において、基板11上には、下部集電体層12、下部電極層13、電解質層14、上部電極層15および上部集電体層16が順次に積層されている。下部集電体層12は、保護膜17で被覆されずに外部にはみ出た露出部12aを有する。下部電極層13、電解質層14、上部電極層15および上部集電体層16の側面は、当該断面図では面一である。発電要素の側面は、保護膜17により被覆されているが、上部集電体層16の上面は保護膜17で被覆されずに露出している。保護膜17の表面は、当該断面図において、滑らかな流線を描いており、その裾部は、発電要素の一方の側面(図1右側)において、基板と接している。
FIG. 1 is a sectional view of a solid-state battery according to one embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a lower current collector layer 12, a lower electrode layer 13, an electrolyte layer 14, an upper electrode layer 15, and an upper current collector layer 16 are sequentially laminated on a substrate 11. The lower current collector layer 12 has an exposed portion 12a that is not covered with the protective film 17 and protrudes outside. The side surfaces of the lower electrode layer 13, the electrolyte layer 14, the upper electrode layer 15, and the upper current collector layer 16 are flush with each other in the cross-sectional view. The side surface of the power generating element is covered with the protective film 17, but the upper surface of the upper current collector layer 16 is exposed without being covered with the protective film 17. The surface of the protective film 17 draws a smooth streamline in the cross-sectional view, and its skirt is in contact with the substrate on one side surface (the right side in FIG. 1) of the power generation element.

図2は、本発明の別の実施形態に係る固体電池の断面図である。
図2において、基板21上には、下部集電体層22、下部電極層23、電解質層24、上部電極層25および上部集電体層26が順次に積層されている。下部集電体層22は、保護膜27で被覆されずに外部にはみ出た露出部22aを有する。下部電極層23、電解質層24、上部電極層25および上部集電体層26は、次第に上面の面積が小さくなっており、発電要素の側面は当該断面図では階段状になっている。ここでも上部集電体層26の上面は保護膜27で被覆されずに露出している。保護膜27の表面は、当該断面図において、滑らかな流線を描いており、その裾部は、発電要素の一方の側面(図2右側)において、基板と接している。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a solid-state battery according to another embodiment of the present invention.
2, a lower current collector layer 22, a lower electrode layer 23, an electrolyte layer 24, an upper electrode layer 25, and an upper current collector layer 26 are sequentially stacked on a substrate 21. The lower current collector layer 22 has an exposed portion 22a that is not covered with the protective film 27 and protrudes outside. The lower electrode layer 23, the electrolyte layer 24, the upper electrode layer 25, and the upper current collector layer 26 have gradually decreasing upper surface areas, and the side surfaces of the power generating element are stepped in the cross-sectional view. Also in this case, the upper surface of the upper current collector layer 26 is exposed without being covered with the protective film 27. The surface of the protective film 27 draws a smooth streamline in the cross-sectional view, and its skirt is in contact with the substrate on one side surface (the right side in FIG. 2) of the power generation element.

なお、図1および2に示した構造は例示にすぎず、積層された薄膜からなる発電要素の形状は多種多様であり、どのような発電要素においても本発明を適用することができる。本発明は、このような積層薄膜からなる発電要素の少なくとも側面を被覆する保護膜の構造において、以下の特徴を有する。   Note that the structures shown in FIGS. 1 and 2 are merely examples, and the shapes of power generation elements formed of stacked thin films are various, and the present invention can be applied to any power generation elements. The present invention has the following features in the structure of the protective film that covers at least the side surface of the power generation element made of such a laminated thin film.

図4は、図1の保護膜付近の要部拡大図である。
まず、保護膜17は、上部集電体層の側面を被覆する上部から基板と接する裾部に向かって段差を有さない滑らかな表面を有している。このような滑らかな表面上に配線を這わせる場合、配線が破断する虞は大きく低減する。保護膜の全表面が滑らかな表面を有することが好ましいが、必ずしもその必要はない。配線を這わせる部分が決められている場合には、その部分が滑らかな表面を有すればよい。
FIG. 4 is an enlarged view of a main part near the protective film in FIG.
First, the protective film 17 has a smooth surface without a step from the upper portion covering the side surface of the upper current collector layer to the skirt portion in contact with the substrate. When the wires are laid on such a smooth surface, the risk of the wires being broken is greatly reduced. It is preferable, but not necessary, that the entire surface of the protective film has a smooth surface. When a portion for laying the wiring is determined, the portion only needs to have a smooth surface.

ここで、保護膜17と接する上部集電体層16のエッジ上の一点をPとする。また、基板11と保護膜17との接触面の外周上の一点をQとする。PとQとを結ぶ斜線Lが最短となるとき、その斜線Lは基板表面との間に鋭角θを形成している。ここで、鋭角θは70度以下にする必要がある。鋭角θが70度をこえると、保護膜17の表面上に配置された配線が破断することになり、本発明の目的を達成することができないからである。   Here, one point on the edge of the upper current collector layer 16 in contact with the protective film 17 is denoted by P. One point on the outer periphery of the contact surface between the substrate 11 and the protective film 17 is Q. When the oblique line L connecting P and Q is the shortest, the oblique line L forms an acute angle θ with the substrate surface. Here, the acute angle θ needs to be 70 degrees or less. If the acute angle θ exceeds 70 degrees, the wiring arranged on the surface of the protective film 17 will be broken, and the object of the present invention cannot be achieved.

保護膜には、電子絶縁性を有するセラミックス系の誘電材料や半導体材料が好ましく用いられる。例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化チタンなどを好ましく用いることができる。   For the protective film, a ceramic dielectric material or semiconductor material having electronic insulation properties is preferably used. For example, silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, tantalum oxide, aluminum oxide, titanium oxide, or the like can be preferably used.

また、絶縁性を有する樹脂材料を保護膜として用いることもできる。このような樹脂として、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、オレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、合成ゴムなどを用いることができる。   Further, an insulating resin material can be used as the protective film. As such a resin, for example, an epoxy resin, a phenol resin, a polyamide resin, an olefin resin, an acrylic resin, a synthetic rubber, or the like can be used.

セラミックス系の誘電材料や半導体材料からなる保護膜は、マスクを用いたスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、レーザーアブレーション法などにより行うことができる。また、保護膜の表面粗さや上述の鋭角θの制御は、ドライエッチング法などにより行うことができる。ドライエッチング法においては、一旦大まかな形状の保護膜を形成した後、保護膜の一部を、反応性イオンエッチ方式などによるドライエッチングにより除去する。例えばエッチングに使用するガス圧などの条件を制御することにより、保護膜の表面状態を任意に設定することができる。   The protective film made of a ceramic dielectric material or a semiconductor material can be formed by a sputtering method using a mask, an electron beam evaporation method, a resistance heating evaporation method, a laser ablation method, or the like. Further, the control of the surface roughness of the protective film and the above-mentioned acute angle θ can be performed by a dry etching method or the like. In the dry etching method, after a protective film having a rough shape is once formed, a part of the protective film is removed by dry etching using a reactive ion etching method or the like. For example, the surface state of the protective film can be arbitrarily set by controlling conditions such as gas pressure used for etching.

また、樹脂からなる保護膜の形成は、キャスティング、スクリーン印刷、スピンコータなどにより行うことができる。この場合、発電要素の側面を被覆するように基板に塗布された樹脂材料を、一定時間放置することにより、流動させて、上述の鋭角θを70度以下に制御することができる。   The formation of the protective film made of a resin can be performed by casting, screen printing, a spin coater, or the like. In this case, the resin material applied to the substrate so as to cover the side surface of the power generating element is allowed to flow for a certain period of time, thereby controlling the acute angle θ to 70 degrees or less.

配線の材料は、接続される材料に応じて選択されるため、特に限定されないが、薄膜形成が可能であり、抵抗が低く、集電体層もしくは基板とオーミック接触が可能な材料を好ましく用いることができる。薄膜状の配線の形成は、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、レーザーアブレーション法などにより行うことができる。また、配線のパターニングは、所定形状のマスクを用いることにより行うことができる。   The material of the wiring is selected according to the material to be connected, and is not particularly limited. However, it is preferable to use a material which can form a thin film, has low resistance, and can make ohmic contact with the current collector layer or the substrate. Can be. The thin film wiring can be formed by a sputtering method, an electron beam evaporation method, a resistance heating evaporation method, a laser ablation method, or the like. The wiring patterning can be performed by using a mask having a predetermined shape.

基板は、固体電池を設置する回路や素子に応じて選択されるため、特に限定されないが、例えばシリコン基板、サファイア基板などの半導体基板が好ましく用いられる。半導体基板はP型およびN型のどちらであってもよい。   The substrate is not particularly limited because it is selected according to the circuit or element in which the solid-state battery is installed. For example, a semiconductor substrate such as a silicon substrate or a sapphire substrate is preferably used. The semiconductor substrate may be either P-type or N-type.

下部集電体層および上部集電体層の構成材料は、下部電極層および上部電極層の種類に応じて選択されるため、特に限定されないが、電極層が正極となる場合には、アルミニウム、ニッケルなどが好ましく、下部電極層が負極となる場合には、銅、鉄、チタン、ニッケルなどが好ましい。他にも、接続される電極層と反応しない材料であれば、集電体層として用いることができる。薄膜状の集電体層の形成は、マスクを用いたスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、レーザーアブレーション法などにより行うことができる。   The constituent materials of the lower current collector layer and the upper current collector layer are not particularly limited because they are selected according to the types of the lower electrode layer and the upper electrode layer, but when the electrode layer serves as a positive electrode, aluminum, Nickel or the like is preferable, and when the lower electrode layer serves as a negative electrode, copper, iron, titanium, nickel, or the like is preferable. In addition, any material that does not react with the electrode layer to be connected can be used as the current collector layer. The thin-film current collector layer can be formed by a sputtering method using a mask, an electron beam evaporation method, a resistance heating evaporation method, a laser ablation method, or the like.

電解質層には、薄膜形成が可能な固体電解質を、特に限定なく、用いることができる。例えば、固体電池がリチウム二次電池である場合には、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質を用いる。このような固体電解質としては、硫化リチウム、硫化ケイ素、リン酸リチウム、窒素含有リン酸リチウム、ヨウ化リチウム、硫化リン、窒化リチウムおよびこれらの複合物を挙げることができる。薄膜状の電解質層の形成は、マスクを用いたスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、レーザーアブレーション法などにより行うことができる。   For the electrolyte layer, a solid electrolyte capable of forming a thin film can be used without particular limitation. For example, when the solid battery is a lithium secondary battery, a solid electrolyte having lithium ion conductivity is used. Examples of such a solid electrolyte include lithium sulfide, silicon sulfide, lithium phosphate, lithium phosphate containing nitrogen, lithium iodide, phosphorus sulfide, lithium nitride, and a composite thereof. The thin-film electrolyte layer can be formed by a sputtering method using a mask, an electron beam evaporation method, a resistance heating evaporation method, a laser ablation method, or the like.

正極には、薄膜形成が可能な正極材料を、特に限定なく、用いることができる。例えば、固体電池がリチウム二次電池である場合には、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、リチウム鉄酸化物、リチウムモリブデン酸化物、リチウムチタン酸化物などが用いられる。これらの材料の薄膜化は、マスクを用いたスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、レーザーアブレーション法などにより行うことができる。   For the positive electrode, a positive electrode material capable of forming a thin film can be used without particular limitation. For example, when the solid state battery is a lithium secondary battery, lithium cobalt oxide, lithium nickel oxide, lithium manganese oxide, lithium iron oxide, lithium molybdenum oxide, lithium titanium oxide, or the like is used. These materials can be thinned by a sputtering method using a mask, an electron beam evaporation method, a resistance heating evaporation method, a laser ablation method, or the like.

負極には、薄膜形成が可能な正極材料を、特に限定なく、用いることができる。例えば、固体電池がリチウム二次電池である場合には、炭素材料、金属リチウム、リチウムアルミニウムなどのリチウム合金が用いられる。これらの材料の薄膜化は、マスクを用いたスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、レーザーアブレーション法などにより行うことができる。   For the negative electrode, a positive electrode material capable of forming a thin film can be used without particular limitation. For example, when the solid-state battery is a lithium secondary battery, a carbon material, lithium metal, or a lithium alloy such as lithium aluminum is used. These materials can be thinned by a sputtering method using a mask, an electron beam evaporation method, a resistance heating evaporation method, a laser ablation method, or the like.

負極に炭素材料を用いる場合、イオン注入法により、炭素材料に予めリチウムを注入することが好ましい。また、リチウムと炭素材料とを同時にスパッタリングする方法なども用いることができる。   When a carbon material is used for the negative electrode, it is preferable to inject lithium into the carbon material in advance by an ion implantation method. Alternatively, a method of simultaneously sputtering lithium and a carbon material can be used.

上部および下部の電極層の厚さは、高容量化の観点からは、厚いほど好ましいが、厚すぎると小型化が困難となるため、1〜10μm程度であることが好ましい。   The thickness of the upper and lower electrode layers is preferably as thick as possible from the viewpoint of increasing the capacity. However, if the thickness is too large, miniaturization becomes difficult, so that the thickness is preferably about 1 to 10 μm.

作製した固体電池の発電要素の上面図である図5を参照しながら説明する。
まず、シリコン基板上に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、厚さ1500Åの酸化シリコン膜を形成した。その上に、縦8mm、横8.8mmの窓を有する金属マスクを被せ、正極集電体(下部集電体層)を形成した。すなわち、図5の縦L1−横W1で示される8mm×8.8mmの領域(面積70.4mm2)に、厚さ0.5μmの金属アルミニウム膜42を、以下の条件で、真空蒸着装置により形成した。
This will be described with reference to FIG. 5, which is a top view of the power generation element of the manufactured solid-state battery.
First, a 1500-nm-thick silicon oxide film was formed over a silicon substrate by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. A positive electrode current collector (lower current collector layer) was formed thereon by covering a metal mask having a window having a length of 8 mm and a width of 8.8 mm. That is, a metal aluminum film 42 having a thickness of 0.5 μm is vacuum-deposited in an area of 8 mm × 8.8 mm (area 70.4 mm 2 ) indicated by length L 1 −width W 1 in FIG. 5 under the following conditions. Formed by equipment.

[条件]
真空度 :1mTorr
ボート :1cm幅のタングステンボート
ソース :Al
電流 :4.5A
[conditions]
Degree of vacuum: 1 mTorr
Boat: 1cm wide tungsten boat Source: Al
Current: 4.5A

次に、正極集電体の上に、縦8mm、横8mmの窓を有する金属マスクを被せ、正極(下部電極層)を形成した。すなわち、図5の縦L1−横W2で示される8mm×8mmの領域(面積64mm2)に、厚さ5μmのLiCoO2膜を、以下の条件で、スパッタリングにより形成した。 Next, a metal mask having a window of 8 mm in length and 8 mm in width was put on the positive electrode current collector to form a positive electrode (lower electrode layer). That is, a 5 μm-thick LiCoO 2 film was formed by sputtering under the following conditions in a region of 8 mm × 8 mm (area of 64 mm 2 ) indicated by L 1 -W 2 in FIG.

[条件]
出力 :200W
雰囲気ガス:Ar/O2=3/1(体積比)
ガス流 :20sccm
真空度 :20mTorr
[conditions]
Output: 200W
Atmosphere gas: Ar / O 2 = 3/1 (volume ratio)
Gas flow: 20sccm
Vacuum degree: 20mTorr

正極の上に、縦8mm、横8mmの窓を有する金属マスクを被せ、固体電解質(電解質層)を形成した。すなわち、図5の縦L1−横W2で示される8mm×8mmの領域(面積64mm2)に、厚さ0.5μmのLi2S−SiS2−Li3PO4膜を、以下の条件で、レーザーアブレーション法により形成した。 A metal mask having a window of 8 mm in length and 8 mm in width was put on the positive electrode to form a solid electrolyte (electrolyte layer). That is, a 0.5 μm thick Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 film is formed in an 8 mm × 8 mm area (area 64 mm 2 ) indicated by length L 1 −width W 2 in FIG. And formed by a laser ablation method.

[条件]
YAGレーザ :266nm
エネルギー密度:2025mJ/cm2
繰り返し周波数:10Hz
ショット数 :36000
真空度 :10mTorr
[conditions]
YAG laser: 266 nm
Energy density: 2025 mJ / cm 2
Repetition frequency: 10Hz
Number of shots: 36000
Degree of vacuum: 10 mTorr

電解質層の上に、縦8mm、横8mmの窓を有する金属マスクを被せ、負極(上部電極層)を形成した。すなわち、図5の縦L1−横W2で示される8mm×8mmの領域(面積64mm2)に、厚さ5μmのグラファイト膜を、以下の条件で、レーザーアブレーション法により形成した。このようにして、負極全面と正極全面とを電解質層を介して対面させた。 A metal mask having a window of 8 mm in length and 8 mm in width was put on the electrolyte layer to form a negative electrode (upper electrode layer). That is, a graphite film having a thickness of 5 μm was formed in a region of 8 mm × 8 mm (area of 64 mm 2 ) indicated by length L 1 −width W 2 in FIG. 5 by a laser ablation method under the following conditions. In this way, the entire surface of the negative electrode and the entire surface of the positive electrode faced each other via the electrolyte layer.

[条件]
YAGレーザ :266nm
エネルギー密度:2025mJ/cm2
繰り返し周波数:10Hz
ショット数 :36000
真空度 :10mTorr
[conditions]
YAG laser: 266 nm
Energy density: 2025 mJ / cm 2
Repetition frequency: 10Hz
Number of shots: 36000
Degree of vacuum: 10 mTorr

負極の上に、縦8mm、横8mmの窓を有する金属マスクを被せ、負極集電体(上部集電体層)を形成した。すなわち、図5の縦L1−横W2で示される8mm×8mmの領域(面積64mm2)に、厚さ0.5μmの金属銅膜46を、以下の条件で、真空蒸着法で形成した。 A metal mask having a window of 8 mm in length and 8 mm in width was put on the negative electrode to form a negative electrode current collector (upper current collector layer). That is, a 0.5 μm-thick metal copper film 46 was formed by vacuum evaporation under the following conditions in an area of 8 mm × 8 mm (area of 64 mm 2 ) indicated by length L 1 −width W 2 in FIG. .

[条件]
真空度 :1mTorr
ボート :1cm幅のタングステンボート
ソース :Cu
電流 :5A
なお、上記成膜では、それぞれ所定サイズの開口を有するステンレス鋼(SUS304)製の金属マスクを用いた。
[conditions]
Degree of vacuum: 1 mTorr
Boat: 1cm wide tungsten boat Source: Cu
Current: 5A
In the above film formation, a metal mask made of stainless steel (SUS304) having openings of a predetermined size was used.

次に、保護膜としてポリイミド樹脂膜を、発電要素の側面およびその近傍に形成した。ポリイミド樹脂膜は、上部集電体層の側面を被覆する位置から、裾部に向かって、滑らかな表面を有するように形成した。
具体的には、まず、上部集電体層の周縁部に沿って、幅2mmで、熱硬化性の液状ポリイミド樹脂(日立化成工業(株)製のXE310−6)をキャスティング塗布した。その後、所定時間(3〜30分間)放置し、マスクを除いてから、ポリイミド樹脂の熱硬化を120℃で行った。
Next, a polyimide resin film was formed as a protective film on the side surface of the power generation element and in the vicinity thereof. The polyimide resin film was formed so as to have a smooth surface from the position covering the side surface of the upper current collector layer toward the bottom.
Specifically, first, a thermosetting liquid polyimide resin (XE310-6 manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) having a width of 2 mm was applied by casting along the periphery of the upper current collector layer. Thereafter, the polyimide resin was left at a predetermined time (3 to 30 minutes), and after removing the mask, the polyimide resin was thermally cured at 120 ° C.

その後、保護膜の全表面を酸素プラズマによりエッチング処理した。これにより、発電要素の側面およびその近傍のみに保護膜47が残った。この操作をエッチバックプロセスという。得られた保護膜の外観を観察したところ、ひび割れなどは見られなかった。   Thereafter, the entire surface of the protective film was etched by oxygen plasma. As a result, the protective film 47 remained only on the side surface of the power generating element and its vicinity. This operation is called an etch back process. Observation of the appearance of the resulting protective film revealed no cracks or the like.

なお、本実施例では、液状ポリイミド樹脂のキャスティング塗布後の放置時間を変化させることにより、表1に示すように、鋭角θ(tanθ=T2/T1)を変化させた。T2は発電要素の厚さであり、T1は上部集電体層のエッジから保護膜の裾までの基板面に対して水平な距離である。表1に示すような鋭角θ(tanθ=T2/T1)を有する保護膜を具備する複数の固体電池は、それぞれ10個ずつ作製した。 In this example, as shown in Table 1, the acute angle θ (tan θ = T 2 / T 1 ) was changed by changing the standing time after the liquid polyimide resin was applied by casting. T 2 are the thickness of the power generating element, T 1 is the horizontal distance to the substrate surface of the hem of the protective film from the edge of the upper current collector layer. Ten solid batteries each including a protective film having an acute angle θ (tan θ = T 2 / T 1 ) as shown in Table 1 were manufactured.

Figure 2004303718
Figure 2004303718

次に、各固体電池の上部集電体の上面と、基板表面とを接続する、10本のアルミ二ウムからなる配線48を、金属マスクを用いて、以下の条件で、真空蒸着法により、保護膜上を這うように形成した。配線の厚さは2μmとし、幅は1mmとした。   Next, 10 wires 48 made of aluminum for connecting the upper surface of the upper current collector of each solid battery to the substrate surface were formed by a vacuum deposition method using a metal mask under the following conditions using a metal mask. It was formed so as to crawl on the protective film. The thickness of the wiring was 2 μm, and the width was 1 mm.

[条件]
真空度: 1mTorr
ボート: 1cm幅のタングステンボート
ソース: Al
電流 : 4.5A
[conditions]
Vacuum degree: 1mTorr
Boat: 1cm wide tungsten boat Source: Al
Current: 4.5A

配線の設置を終えた後、断線の有無を拡大倍率500倍の顕微鏡で観察した。合計100本の配線中、断線の見られた配線の割合を百分率で表1に示す。表1の結果より、鋭角θが70度以下(tanθ≦2.7)の場合には、配線の断線率が飛躍的に低くなることが確認できた。   After the installation of the wiring was completed, the presence or absence of disconnection was observed with a microscope with a magnification of 500 times. Table 1 shows the percentage of broken wires among the total of 100 wires in percentage. From the results in Table 1, it was confirmed that when the acute angle θ was 70 degrees or less (tan θ ≦ 2.7), the disconnection rate of the wiring was significantly reduced.

次に、鋭角θが70度以下の各電池に関し、上部電極集電体と一端が接続されている一本の配線の他端と、下部電極集電体の保護膜で被覆されていない露出部とを、外部の充放電装置と接続し、以下の条件で、充放電を500回繰り返した。
充電: 240μA、1時間、4.2Vカット
放電: 240μA、1時間、3.0Vカット
その結果、いずれの電池においても、さらなる断線は発生せず、保護膜にクラックは発生しなかった。
Next, for each battery having an acute angle θ of 70 degrees or less, the other end of one wire having one end connected to the upper electrode current collector, and the exposed portion not covered with the protective film of the lower electrode current collector. Was connected to an external charging / discharging device, and charging / discharging was repeated 500 times under the following conditions.
Charge: 240 μA, 1 hour, 4.2 V cut Discharge: 240 μA, 1 hour, 3.0 V cut As a result, no disconnection occurred in any of the batteries, and no cracks occurred in the protective film.

以上のように、本発明の構成により、保護膜が発電要素の上面を被覆しないことから電池全体の厚さが小さく、保護膜のクラックが発生しにくく、保護膜上に自由に金属配線を設けても断線が発生しにくい固体電池を得ることができた。このような固体電池においては、電極端子を簡易かつ自在に設置することができる。   As described above, according to the configuration of the present invention, since the protective film does not cover the upper surface of the power generation element, the thickness of the entire battery is small, cracks in the protective film are unlikely to occur, and metal wiring is freely provided on the protective film. Thus, a solid battery in which disconnection hardly occurs was obtained. In such a solid-state battery, the electrode terminals can be easily and freely installed.

保護膜として、上部集電体層の周縁部に沿って、幅2mmで、最大厚さ14μmの酸化シリコン膜を形成した。ここでは、プラズマCVD法により、酸化シリコン膜を形成した。プラズマCVD法において、膜の成長温度は380℃に設定した。プラズマは50kHz、4kWの高周波により発生させた。反応ガスとしてSiH4とN2Oを、膜の成長速度が70nm/分になるようにプラズマ雰囲気に供給した。その結果、約3.5時間で、最大厚さ14μmの酸化シリコン膜が得られた。 As a protective film, a silicon oxide film having a width of 2 mm and a maximum thickness of 14 μm was formed along the periphery of the upper current collector layer. Here, a silicon oxide film was formed by a plasma CVD method. In the plasma CVD method, the growth temperature of the film was set to 380 ° C. The plasma was generated by a high frequency of 50 kHz and 4 kW. SiH 4 and N 2 O as reaction gases were supplied to the plasma atmosphere so that the growth rate of the film became 70 nm / min. As a result, a silicon oxide film having a maximum thickness of 14 μm was obtained in about 3.5 hours.

その後、酸化シリコン膜のドライエッチングを行い、実施例1の保護膜の場合と同様のエッチバックプロセスにより、発電要素の側面およびその近傍のみに酸化シリコン膜を残した。ドライエッチングは、一般的な反応性イオンエッチ方式により実施した。すなわち、エッチング反応室内に置かれた平行平板電極間に13.56MHzのRFを与え、CHF3ガスを供給して、高周波放電でプラズマを発生させた。 Thereafter, the silicon oxide film was dry-etched, and the silicon oxide film was left only on the side surfaces of the power generating element and in the vicinity thereof by the same etch-back process as in the case of the protective film of Example 1. Dry etching was performed by a general reactive ion etching method. That is, 13.56 MHz RF was applied between the parallel plate electrodes placed in the etching reaction chamber, CHF 3 gas was supplied, and plasma was generated by high frequency discharge.

エッチングレートは、約700nm/分とした。ガス圧を2Paに設定し、エッチングの異方性を高めることで、発電要素の側面およびその近傍のみに酸化シリコン膜を残すことができた。エッチング中は、度々エッチングを停止して、膜の状態を観察し、オーバーエッチングや等方性の増大が起こらないように注意した。   The etching rate was about 700 nm / min. By setting the gas pressure at 2 Pa and increasing the anisotropy of the etching, the silicon oxide film could be left only on the side surface of the power generating element and its vicinity. During the etching, the etching was frequently stopped, the state of the film was observed, and care was taken to prevent over-etching and increase in isotropicity.

なお、鋭角θは、CHF3のガス圧によって制御することができる。ガス圧を低くすると、鋭角θは低角度となり、ガス圧を高くすると、鋭角θは高角度となる。例えば、ガス圧を20Pa以上に設定し、真空度を15mTorrから150mTorrに下げると、エッチングの異方性は低くなる。その結果、発電要素の側面およびその近傍のみに酸化シリコン膜を残すことができなくなる。 The acute angle θ can be controlled by the gas pressure of CHF 3 . When the gas pressure is reduced, the acute angle θ becomes a low angle, and when the gas pressure is increased, the acute angle θ becomes a high angle. For example, when the gas pressure is set to 20 Pa or more and the degree of vacuum is reduced from 15 mTorr to 150 mTorr, the anisotropy of etching decreases. As a result, the silicon oxide film cannot be left only on the side surface of the power generating element and its vicinity.

上記のように、酸化シリコン膜を保護膜として形成したこと以外、実施例1と同様にして、固体電池を10個作製した。ただし、保護膜の鋭角θは70度(tanθ=2.7)とした。   Ten solid batteries were produced in the same manner as in Example 1 except that the silicon oxide film was formed as a protective film as described above. However, the acute angle θ of the protective film was set to 70 degrees (tan θ = 2.7).

次に、上記と同様に、プラズマCVD法と、ドライエッチングとの組み合わせにより、窒化シリコン膜、炭化シリコン膜、酸化タンタル膜、酸化アルミニウム膜または酸化チタン膜を形成したこと以外、実施例1と同様にして、それぞれ10個の固体電池を作製した。ただし、各保護膜の鋭角θは70度(tanθ=2.7)に統一した。   Next, in the same manner as in Example 1, except that a silicon nitride film, a silicon carbide film, a tantalum oxide film, an aluminum oxide film, or a titanium oxide film was formed by a combination of a plasma CVD method and dry etching as described above. In this way, ten solid batteries were produced. However, the acute angle θ of each protective film was unified to 70 degrees (tan θ = 2.7).

Figure 2004303718
Figure 2004303718

次に、各固体電池の上部集電体層の上面と、基板表面とを接続する、10本のアルミ二ウムからなる配線を、実施例1と同様に、保護膜上を這うように形成した。配線の厚さは2μmとし、幅は1mmとした。得られた固体電池の充放電を、実施例1と同じ条件で500回繰り返し、その後、断線の有無を拡大倍率500倍の顕微鏡で観察した。合計100本の配線中、断線の見られた配線の割合を、百分率で表2に示す。   Next, ten aluminum wires connecting the upper surface of the upper current collector layer of each solid state battery and the substrate surface were formed so as to crawl on the protective film in the same manner as in Example 1. . The thickness of the wiring was 2 μm, and the width was 1 mm. The charge / discharge of the obtained solid battery was repeated 500 times under the same conditions as in Example 1, and thereafter, the presence or absence of disconnection was observed with a microscope having a magnification of 500 times. Table 2 shows the percentage of broken wires among the total of 100 wires.

保護膜として、酸化シリコン膜を形成し、配線の厚さDを表3に示すように変化させたこと以外、実施例1と同様にして、それぞれ10個の固体電池を作製した。ただし、保護膜の鋭角θは70度(tanθ=2.7)に統一した。   Ten solid batteries were produced in the same manner as in Example 1 except that a silicon oxide film was formed as a protective film and the thickness D of the wiring was changed as shown in Table 3. However, the acute angle θ of the protective film was unified to 70 degrees (tan θ = 2.7).

Figure 2004303718
Figure 2004303718

ここでも、上部集電体層の上面と、基板表面とを接続する、10本のアルミ二ウムからなる配線を、実施例1と同様に、保護膜上を這うように形成した。配線の幅は1mmとした。得られた固体電池の充放電を、実施例1と同じ条件で500回繰り返し、その後、断線の有無を拡大倍率500倍の顕微鏡で観察した。合計100本の配線中、断線の見られた配線の割合を百分率で表3に示す。   Also in this case, ten aluminum wirings for connecting the upper surface of the upper current collector layer to the substrate surface were formed so as to crawl on the protective film in the same manner as in Example 1. The width of the wiring was 1 mm. The charge / discharge of the obtained solid battery was repeated 500 times under the same conditions as in Example 1, and thereafter, the presence or absence of disconnection was observed with a microscope having a magnification of 500 times. Table 3 shows the percentage of broken wires among the total of 100 wires in percentage.

上述の実施例の他、保護膜としては、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミニウムおよび酸化チタンよりなる群から選択される少なくとも2種を組み合わせた混合膜を用いることができる。例えば、酸化シリコンと窒化シリコンとの混合膜を用いることができる。また、2種以上の膜を順次に堆積させて、複数膜からなる保護膜を形成することもできる。
なお、上述の実施例では、一つの発電要素からなる単セル構造を示したが、本発明は、複数の発電要素からなる積層セルにおいても有効である。
In addition to the above-described embodiments, as the protective film, for example, a mixed film combining at least two kinds selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, tantalum oxide, aluminum oxide, and titanium oxide can be used. . For example, a mixed film of silicon oxide and silicon nitride can be used. Further, a protective film composed of a plurality of films can be formed by sequentially depositing two or more kinds of films.
In the above-described embodiment, the single-cell structure including one power generation element has been described. However, the present invention is also effective in a stacked cell including a plurality of power generation elements.

本発明は、小型で信頼性の高い固体電池が要求される機器に適用可能であり、特に半導体基板等の基板に搭載される小型の薄膜固体電池に適用することが好ましい。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applicable to a device requiring a small and highly reliable solid state battery, and is particularly preferably applied to a small thin film solid state battery mounted on a substrate such as a semiconductor substrate.

本発明の一実施形態に係る固体電池の縦断面図である。It is a longitudinal section of a solid state battery concerning one embodiment of the present invention. 本発明の別の実施形態に係る固体電池の縦断面図である。It is a longitudinal section of the solid state battery concerning another embodiment of the present invention. 従来の固体電池の一例の縦断面図である。It is a longitudinal section of an example of a conventional solid battery. 図1の固体電池の要部拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the solid-state battery of FIG. 1. 本発明の実施例1に係る固体電池の発電要素の上面図である。1 is a top view of a power generation element of a solid-state battery according to Embodiment 1 of the present invention.

符号の説明Explanation of reference numerals

11 基板
12 下部集電体層
12a 露出部
13 下部電極層
14 電解質層
15 上部電極層
16 上部集電体層
17 保護膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Substrate 12 Lower current collector layer 12a Exposed part 13 Lower electrode layer 14 Electrolyte layer 15 Upper electrode layer 16 Upper current collector layer 17 Protective film

21 基板
22 下部集電体層
22a 露出部
23 下部電極層
24 電解質層
25 上部電極層
26 上部集電体層
27 保護膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Substrate 22 Lower collector layer 22a Exposed part 23 Lower electrode layer 24 Electrolyte layer 25 Upper electrode layer 26 Upper collector layer 27 Protective film

31 基板
32 正極集電体層
33 正極活物質層
34 固体電解質層
35 負極活物質層
36 負極集電体層
37 保護膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 Substrate 32 Positive electrode current collector layer 33 Positive electrode active material layer 34 Solid electrolyte layer 35 Negative electrode active material layer 36 Negative electrode current collector layer 37 Protective film

41 シリコン基板
42 金属アルミニウム膜
43 LiCoO2
44 Li2S−SiS2−Li3PO4
45 グラファイト膜
46 金属銅膜
47 保護膜
48 配線
Reference Signs List 41 silicon substrate 42 metal aluminum film 43 LiCoO 2 film 44 Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 film 45 graphite film 46 metal copper film 47 protective film 48 wiring

Claims (3)

基板と、前記基板上に順次に積層された下部集電体層、下部電極層、電解質層、上部電極層および上部集電体層からなる発電要素と、前記発電要素の少なくとも側面を被覆する保護膜とを備える固体電池において、
前記保護膜の少なくとも一部が、上部集電体層の側面を被覆する上部から基板と接する裾部に向かって段差を有さない滑らかな表面を有し、
前記保護膜の前記滑らかな表面を有する部分と接する上部集電体層のエッジ上の一点と、前記基板と前記保護膜との接触面の外周上の一点とを結ぶ最短の斜線が、前記基板表面との間に形成する鋭角θが、70度以下である固体電池。
A substrate, a power generation element including a lower current collector layer, a lower electrode layer, an electrolyte layer, an upper electrode layer, and an upper current collector layer sequentially stacked on the substrate; and protection for covering at least a side surface of the power generation element. A solid battery comprising:
At least a part of the protective film has a smooth surface having no steps from the upper portion covering the side surface of the upper current collector layer toward the skirt portion in contact with the substrate,
The shortest oblique line connecting one point on the edge of the upper current collector layer in contact with the portion having the smooth surface of the protective film and one point on the outer periphery of the contact surface between the substrate and the protective film is the same as that of the substrate. A solid battery in which the acute angle θ formed between the surface and the surface is 70 degrees or less.
前記保護膜が、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化チタンおよび樹脂よりなる群から選択される少なくとも1種からなる請求項1記載の固体電池。   2. The solid-state battery according to claim 1, wherein the protective film is made of at least one selected from the group consisting of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, tantalum oxide, aluminum oxide, titanium oxide, and resin. 前記発電要素と接続され、かつ前記保護膜の前記滑らかな表面上に配置された配線を備える請求項1記載の固体電池。   The solid-state battery according to claim 1, further comprising a wiring connected to the power generation element and disposed on the smooth surface of the protective film.
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