JP2005093373A - Energy device and its manufacturing method - Google Patents

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Kazuyoshi Honda
和義 本田
Yoshiyuki Okazaki
禎之 岡崎
Kiichiro Oishi
毅一郎 大石
Makoto Takahashi
誠 高橋
より子 ▲高▼井
Yoriko Takai
Hiroshi Higuchi
洋 樋口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stably manufacture an energy device using a lithium thin film as a negative electrode. <P>SOLUTION: The energy device has a solid electrolyte layer 25 and a negative active material layer 24 containing lithium and a second metal, and the concentration of lithium in the negative active material layer 24 is gradually increased toward the interface of the solid electrolyte layer 25 side. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はエネルギーデバイス及びその製造方法に関する。特にリチウムイオン2次電池及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an energy device and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a lithium ion secondary battery and a manufacturing method thereof.

リチウムイオン2次電池は、負極集電体、負極活物質、電解質、セパレーター、正極活物質、正極集電体を主な構成要素とする。このリチウムイオン2次電池は、文字通りリチウムイオンをその動作原理の根底に有しており、その製造方法においてはきわめて活性な材料の取り扱いに十分な注意が必要である。   The lithium ion secondary battery includes a negative electrode current collector, a negative electrode active material, an electrolyte, a separator, a positive electrode active material, and a positive electrode current collector as main components. This lithium ion secondary battery literally has lithium ions as the basis of its operating principle, and sufficient care must be taken in handling extremely active materials in its manufacturing method.

こうした安全努力のもとで、リチウムイオン2次電池は移動体通信機器や各種AV機器のエネルギー源として大きな役割を果たしており、電池特性の向上に多くの努力が払われている。例えば、特許文献1には、特定の遷移金属酸化物の混合粉末を加熱し溶融後、急冷して得たアモルファス化した酸化物を正極活物質として用いることにより、高エネルギー密度化を実現できることが開示されている。また、特許文献2には、正極活物質がリチウムを含有する遷移金属酸化物であり、負極材料としてケイ素原子を含む化合物を用い、かつ正極活物質重量を負極活物質重量よりも多くすることによって電池容量とサイクル寿命を高めることができることが開示されている。   Under such safety efforts, lithium ion secondary batteries play a major role as energy sources for mobile communication devices and various AV devices, and much effort has been made to improve battery characteristics. For example, Patent Document 1 discloses that a high energy density can be realized by using, as a positive electrode active material, an amorphous oxide obtained by heating, melting, and rapidly cooling a mixed powder of a specific transition metal oxide. It is disclosed. Patent Document 2 discloses that a positive electrode active material is a transition metal oxide containing lithium, a compound containing a silicon atom is used as a negative electrode material, and the weight of the positive electrode active material is made larger than the weight of the negative electrode active material. It is disclosed that battery capacity and cycle life can be increased.

このように機器の小型化高性能化とあいまってリチウム2次電池の薄型化、高エネルギー密度化が進められている。特に、集電体と活物質を薄型にし、電解質に固体電解質を用いることで、薄型で高エネルギー密度を実現でき、セパレーターも不要になることが期待されている。エネルギー素子分野における薄膜技術の展開は一般電子部品に比べて遅れを生じてはいるが、材料技術やプロセス技術の進捗により大幅な技術革新が期待されており、とくに金属リチウム薄膜を負極に用いることにより大容量化が期待される。
特開平8−78002号公報 特開2000−12092号公報
In this way, along with the downsizing and high performance of devices, lithium secondary batteries are being made thinner and higher in energy density. In particular, by making the current collector and the active material thin and using a solid electrolyte as the electrolyte, it is expected that a thin and high energy density can be realized, and a separator is unnecessary. Although the development of thin film technology in the energy device field has been delayed compared to general electronic components, significant technological innovation is expected due to progress in material technology and process technology, especially the use of metallic lithium thin film for the negative electrode. This is expected to increase the capacity.
JP-A-8-78002 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-12092

金属リチウム薄膜を負極とする場合の課題として、水分や酸素との反応抑制はきわめて重要である。   As a problem in the case of using a metal lithium thin film as a negative electrode, suppression of reaction with moisture and oxygen is extremely important.

固体電解質を用いたリチウムイオン2次電池の一般的構成を図12に示す。図示したように、リチウムイオン2次電池は、基板22上に、正極集電体層27、正極活物質層26、固体電解質層25、負極活物質層28、負極集電体層23が順に積層されてなる。   FIG. 12 shows a general configuration of a lithium ion secondary battery using a solid electrolyte. As shown in the figure, the lithium ion secondary battery has a positive electrode current collector layer 27, a positive electrode active material layer 26, a solid electrolyte layer 25, a negative electrode active material layer 28, and a negative electrode current collector layer 23 stacked on a substrate 22 in this order. Being done.

負極活物質層28の形成は、例えば図13に示したような真空プロセスによって行われる。即ち、真空槽901内において、蒸発源902にて負極活物質層材料を加熱し蒸発させる。負極活物質層材料の蒸発粒子903はマスク904の開口を通過して、基板905の表面に付着して負極活物質層となる薄膜906を形成する。916は真空槽901を所定に真空度に維持する真空ポンプである。   The negative electrode active material layer 28 is formed by a vacuum process as shown in FIG. 13, for example. That is, in the vacuum chamber 901, the negative electrode active material layer material is heated and evaporated by the evaporation source 902. The evaporated particles 903 of the negative electrode active material layer material pass through the openings of the mask 904 and adhere to the surface of the substrate 905 to form a thin film 906 that becomes a negative electrode active material layer. Reference numeral 916 denotes a vacuum pump that maintains the vacuum chamber 901 at a predetermined degree of vacuum.

工業的量産においては、例えば図14に示すようにして製造される。巻き出しロール911から長尺の基板915を巻き出し、搬送ローラ912a、円筒状のキャンローラ913、搬送ローラ912bを順に経由して、巻き取りローラ914に巻き取る。基板915の片面には、予め、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層が、又は負極集電体層が、形成されている。基板915がキャンローラ913上を搬送される際に、基板915の表面に、マスク904の開口を通じて、蒸発源902からの負極活物質層材料の蒸発粒子903が堆積し、薄膜906が連続的に形成される。   In industrial mass production, for example, it is manufactured as shown in FIG. A long substrate 915 is unwound from an unwinding roll 911 and wound around a take-up roller 914 through a transport roller 912a, a cylindrical can roller 913, and a transport roller 912b in this order. A positive electrode current collector layer, a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, or a negative electrode current collector layer is formed on one surface of the substrate 915 in advance. When the substrate 915 is transported on the can roller 913, evaporation particles 903 of the negative electrode active material layer material from the evaporation source 902 are deposited on the surface of the substrate 915 through the opening of the mask 904, and the thin film 906 is continuously formed. It is formed.

このようなプロセスにおいて負極活物質層としてリチウム薄膜を形成すると、リチウムがきわめて活性度が高いために、巻き取りロール914に巻き取られた状態であっても大気暴露すると、ごく短時間で白色に変色してしまう。そのため作業雰囲気中の水分をできるだけ少なくする必要があり、露点がマイナス数十度以下の、いわゆるドライルームでの作業が必要である。ところが、このようなドライ雰囲気では作業者の存在によって容易に露点が上昇してしまうので、ドライ雰囲気を維持するために作業員の人数や服装を厳しく制限する必要があり、生産性の向上が困難である。しかも、こうしたドライ雰囲気に対する配慮を行ってもなお、吸湿により特性が劣化して電池性能にばらつきが生じてしまう場合も多い。従って、負極活物質層としてリチウム薄膜を使用するためには、これらの課題を解決する必要がある。   When a lithium thin film is formed as a negative electrode active material layer in such a process, since lithium is extremely active, even when it is wound on a winding roll 914, it becomes white in a very short time when exposed to the atmosphere. Discoloration. Therefore, it is necessary to reduce the moisture in the working atmosphere as much as possible, and work in a so-called dry room with a dew point of minus several tens of degrees or less is necessary. However, in such a dry atmosphere, the dew point easily rises due to the presence of workers, so it is necessary to strictly limit the number of workers and clothes to maintain the dry atmosphere, and it is difficult to improve productivity. It is. Moreover, even when such a dry atmosphere is taken into consideration, there are many cases where the characteristics deteriorate due to moisture absorption and the battery performance varies. Therefore, in order to use a lithium thin film as the negative electrode active material layer, it is necessary to solve these problems.

本発明の第1のエネルギーデバイスは、固体電解質層と、リチウム及び第2金属を含む負極活物質層とを有するエネルギーデバイスであって、前記負極活物質層におけるリチウムの濃度が前記固体電解質層側の界面に向かって漸増していることを特徴とする。   The first energy device of the present invention is an energy device having a solid electrolyte layer and a negative electrode active material layer containing lithium and a second metal, wherein the concentration of lithium in the negative electrode active material layer is on the solid electrolyte layer side. It is characterized by gradually increasing toward the interface.

本発明の第2のエネルギーデバイスは、固体電解質層と、リチウム及び第2金属を含む負極複合層とを有するエネルギーデバイスであって、前記第2金属は仕事関数が4eV以上の金属であり、前記負極複合層におけるリチウムの濃度が前記固体電解質層から離れるにしたがって漸減しており、前記負極複合層の前記固体電解質層とは反対側の界面又はその近傍に、前記負極複合層に含まれるリチウムの、リチウムと前記第2金属との合計に対する比率が20at%以下の領域が厚さ100nm以上で存在することを特徴とする。   The second energy device of the present invention is an energy device having a solid electrolyte layer and a negative electrode composite layer containing lithium and a second metal, wherein the second metal is a metal having a work function of 4 eV or more, The lithium concentration in the negative electrode composite layer gradually decreases as the distance from the solid electrolyte layer increases, and the lithium contained in the negative electrode composite layer is at or near the interface opposite to the solid electrolyte layer of the negative electrode composite layer. A region having a ratio of 20 at% or less to the total of lithium and the second metal is present with a thickness of 100 nm or more.

本発明のエネルギーデバイスの製造方法は、固体電解質層上に、リチウム及び第2金属を含む負極層を真空薄膜プロセスにより形成する工程を有するエネルギーデバイスの製造方法であって、前記リチウムを積層するための第1薄膜形成源と前記第2金属を積層するための第2薄膜形成源とを用い、前記第1薄膜形成源による薄膜形成から前記第2薄膜形成源による薄膜形成に薄膜形成の寄与度を移行させて前記負極層を形成することを特徴とする。   The method for producing an energy device of the present invention is a method for producing an energy device having a step of forming a negative electrode layer containing lithium and a second metal on a solid electrolyte layer by a vacuum thin film process, in order to laminate the lithium The contribution of the thin film formation from the thin film formation by the first thin film formation source to the thin film formation by the second thin film formation source using the first thin film formation source and the second thin film formation source for laminating the second metal To form the negative electrode layer.

本発明のエネルギーデバイスは、リチウムを含む負極層と固体電解質層とを備えるので、小型で高エネルギー密度の2次電池を提供できる。また、負極が、リチウム及び第2金属を含み、リチウムの濃度が固体電解質層側の界面に向かって漸増しているので、生産性良く、安定して製造できる。   Since the energy device of the present invention includes a negative electrode layer containing lithium and a solid electrolyte layer, a small secondary battery having a high energy density can be provided. In addition, since the negative electrode contains lithium and the second metal and the concentration of lithium gradually increases toward the interface on the solid electrolyte layer side, the negative electrode can be manufactured stably with high productivity.

また、本発明のエネルギーデバイスの製造方法によれば、本発明のエネルギーデバイスを生産性良く、安定して製造することができる。   Moreover, according to the manufacturing method of the energy device of this invention, the energy device of this invention can be manufactured stably with sufficient productivity.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1にかかるエネルギーデバイスの概略構成の一例を図1に示す。本実施の形態のエネルギーデバイスは、基板22上に、電池要素20が積層されてなる。電池要素20は、正極集電体層27、正極活物質層26、固体電解質層25、組成傾斜型負極活物質層24、負極集電体層23がこの順に形成されている。図1では、基板22は、電池要素20の正極集電体層27側に配されているが、負極集電体層23側に配されていてもよい。
(Embodiment 1)
An example of a schematic configuration of the energy device according to the first exemplary embodiment of the present invention is shown in FIG. In the energy device of the present embodiment, the battery element 20 is laminated on the substrate 22. In the battery element 20, a positive electrode current collector layer 27, a positive electrode active material layer 26, a solid electrolyte layer 25, a composition gradient negative electrode active material layer 24, and a negative electrode current collector layer 23 are formed in this order. In FIG. 1, the substrate 22 is disposed on the positive electrode current collector layer 27 side of the battery element 20, but may be disposed on the negative electrode current collector layer 23 side.

基板22としては、例えばポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)やその他の高分子フィルム、又はステンレス金属箔、又はニッケル、銅、アルミニウムやその他の金属元素を含む金属箔などの可撓性を有する材料を用いることが出来る。更に、各種形状のシリコン、ガラス、セラミック、プラスチックなどを用いることも出来、本発明では基板の材質や形状に特に限定はない。   Examples of the substrate 22 include polyimide (PI), polyamide (PA), polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), other polymer films, stainless metal foil, nickel, copper, aluminum, and other metals. A flexible material such as a metal foil containing an element can be used. Furthermore, various shapes of silicon, glass, ceramic, plastic, and the like can be used, and in the present invention, the material and shape of the substrate are not particularly limited.

正極集電体層27としては、例えばニッケル、銅、アルミニウム、白金、白金−パラジウム、金、銀、チタン、ITO(インジウム−スズ酸化物)で代表される金属を用いることが出来る。エネルギーデバイスの最終形態によっては、正極側に基板22を配置し、且つ基板22として導電性材料を用いる場合には、正極集電体層27を省略し、基板22を正極集電体層27としても機能させることができる。   As the positive electrode current collector layer 27, for example, nickel, copper, aluminum, platinum, platinum-palladium, gold, silver, titanium, or a metal represented by ITO (indium-tin oxide) can be used. Depending on the final form of the energy device, when the substrate 22 is disposed on the positive electrode side and a conductive material is used as the substrate 22, the positive electrode current collector layer 27 is omitted and the substrate 22 is used as the positive electrode current collector layer 27. Can also work.

正極活物質層26としては、例えばコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムなどを用いることが出来る。但し、本発明の正極活物質層26の材料は上記に限定されず、その他の材料を用いることも出来る。   As the positive electrode active material layer 26, for example, lithium cobaltate, lithium nickelate, or the like can be used. However, the material of the positive electrode active material layer 26 of the present invention is not limited to the above, and other materials can also be used.

固体電解質層25としては、イオン伝導性があり、電子伝導性が無視できるほど小さい材料を用いることが出来る。特にエネルギーデバイスがリチウムイオン2次電池である場合には、リチウムイオンが可動イオンであるため、Li3PO4や、Li3PO4に窒素を混ぜて(あるいはLi3PO4の元素の一部を窒素で置換して)得られる材料(LiPON:代表的な組成はLi2.9PO3.30.36)などからなる固体電解質はリチウムイオン伝導性に優れるので好ましい。同様に、Li2S−SiS2、Li2S−P25、Li2S−B23などの硫化物からなる固体電解質も有効である。更にこれらの固体電解質にLiIなどのハロゲン化リチウムや、Li3PO4等のリチウム酸素酸塩をドープした固体電解質も有効である。本発明の固体電解質25の材料は上記に限定されず、その他の材料を固体電解質層25として用いることも出来る。電解質として固体電解質を用いることにより、従来の液型電解質で必須の液漏れ対策が不要となり、エネルギーデバイスの小型化、薄型化が容易になる。 As the solid electrolyte layer 25, a material having ion conductivity and small enough to have negligible electronic conductivity can be used. Especially when the energy device is a lithium ion secondary battery, since lithium ions are mobile ions, Li 3 PO 4 and, mixed with nitrogen to Li 3 PO 4 (or part of the elements of Li 3 PO 4 A solid electrolyte made of a material (LiPON: typical composition is Li 2.9 PO 3.3 N 0.36 ) or the like obtained by substituting with nitrogen is preferable because of its excellent lithium ion conductivity. Similarly, a solid electrolyte made of a sulfide such as Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—B 2 S 3 is also effective. Furthermore, solid electrolytes obtained by doping these solid electrolytes with lithium halides such as LiI and lithium oxyacid salts such as Li 3 PO 4 are also effective. The material of the solid electrolyte 25 of the present invention is not limited to the above, and other materials can be used as the solid electrolyte layer 25. By using a solid electrolyte as the electrolyte, it is not necessary to take countermeasures against liquid leakage which are essential in the conventional liquid electrolyte, and the energy device can be easily reduced in size and thickness.

組成傾斜型負極活物質層24は、少なくともリチウムと第2金属とを含むリチウム化合物からなる。これにより組成傾斜型負極活物質層24の化学的安定性が向上し、生産が容易になる。更に、厚さ方向(図1の紙面上下方向)において、リチウムと第2金属との組成比率は一定ではなく、固体電解質層25との界面に向かってリチウム濃度が漸増している。これにより、充放電特性を損なうことなく、安定して負極活物質層24を形成できる。第2金属は、特に制限はないが、仕事関数が4eV以上の金属が好ましい。このような金属は化学的に安定であり、負極活物質層24の効率的な成膜が容易になるからである。仕事関数が4eV以上の金属の一例を挙げるとアルミニウム、シリコン、バナジウム、コバルト、ニッケル、銅、ゲルマニウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、銀、ロジウム、スズ、タンタル、パラジウム、白金、金、タングステン等である。好ましくはアルミニウムである。良好な特性を有する薄膜を容易に形成できるからである。但し、これらに限定されるものではなく、例えば、先に例示した金属以外の金属であって仕事関数が4eV以上の金属を第2金属として用いてもよい。また、仕事関数が4eV以上の金属を2種以上含んでも良い。   The composition gradient type negative electrode active material layer 24 is made of a lithium compound containing at least lithium and a second metal. This improves the chemical stability of the composition-graded negative electrode active material layer 24 and facilitates production. Further, in the thickness direction (up and down direction in FIG. 1), the composition ratio between lithium and the second metal is not constant, and the lithium concentration gradually increases toward the interface with the solid electrolyte layer 25. Thereby, the negative electrode active material layer 24 can be stably formed without impairing charge / discharge characteristics. The second metal is not particularly limited, but a metal having a work function of 4 eV or more is preferable. This is because such a metal is chemically stable and facilitates efficient film formation of the negative electrode active material layer 24. Examples of metals having a work function of 4 eV or more are aluminum, silicon, vanadium, cobalt, nickel, copper, germanium, zirconium, niobium, molybdenum, silver, rhodium, tin, tantalum, palladium, platinum, gold, tungsten, and the like. . Aluminum is preferable. This is because a thin film having good characteristics can be easily formed. However, it is not limited to these, For example, you may use metals other than the metal illustrated previously and whose work function is 4 eV or more as a 2nd metal. Further, two or more metals having a work function of 4 eV or more may be included.

負極集電体層23としては、正極集電体層27と同様に、例えばニッケル、銅、アルミニウム、白金、白金−パラジウム、金、銀、ITO(インジウム−スズ酸化物)で代表される金属を用いることが出来る。エネルギーデバイスの最終形態によっては、負極側に基板22を配置し、且つ基板22として導電性材料を用いる場合には、負極集電体層23を省略し、基板22を負極集電体23としても機能させることができる。   As the negative electrode current collector layer 23, similarly to the positive electrode current collector layer 27, for example, a metal typified by nickel, copper, aluminum, platinum, platinum-palladium, gold, silver, ITO (indium-tin oxide) is used. Can be used. Depending on the final form of the energy device, when the substrate 22 is disposed on the negative electrode side and a conductive material is used as the substrate 22, the negative electrode current collector layer 23 may be omitted and the substrate 22 may be used as the negative electrode current collector 23. Can function.

組成傾斜型負極活物質層24の固体電解質層25側の界面又はその近傍において、リチウムと第2金属との合計に対するリチウム比率Reが70at%以上であることが好ましい。組成傾斜型負極活物質層24の固体電解質層25側の界面又はその近傍でのリチウム比率Reが70at%未満であると、エネルギーデバイスの充放電サイクル試験において容量低下がおき易い。特に充放電レートが2C以上の時にサイクル劣化が顕著である。これは、組成傾斜型負極活物質層24の固体電解質層25側界面でリチウム比率Reが低下すると、該界面でのLiの出入が困難になり、それによって充放電サイクル特性が劣化してしまうためである思われる。好ましくは、前記リチウム比率Reは80at%以上である。これにより、充放電レートを10Cとしたときにおいて、第2金属を含まない場合(即ち、Re=100at%)と遜色のないサイクル特性が得られる。   The lithium ratio Re with respect to the total of lithium and the second metal is preferably 70 at% or more at the interface of the gradient composition negative electrode active material layer 24 on the solid electrolyte layer 25 side or in the vicinity thereof. When the lithium ratio Re at the interface on the solid electrolyte layer 25 side of the composition-graded negative electrode active material layer 24 or in the vicinity thereof is less than 70 at%, the capacity is likely to decrease in the charge / discharge cycle test of the energy device. In particular, the cycle deterioration is remarkable when the charge / discharge rate is 2C or more. This is because when the lithium ratio Re decreases at the solid electrolyte layer 25 side interface of the composition-graded negative electrode active material layer 24, it becomes difficult for Li to enter and exit at the interface, thereby deteriorating charge / discharge cycle characteristics. Seems to be. Preferably, the lithium ratio Re is 80 at% or more. As a result, when the charge / discharge rate is 10 C, cycle characteristics comparable to those when the second metal is not included (that is, Re = 100 at%) are obtained.

また、組成傾斜型負極活物質層24の固体電解質層25とは反対側の界面又はその近傍において、リチウムと第2金属との合計に対するリチウム比率Rcが60at%以下であることが好ましい。組成傾斜型負極活物質層24の固体電解質25とは反対側の界面又はその近傍でのリチウム比率Rcが60at%を超えると、組成傾斜型負極活物質層24を成膜後の雰囲気暴露により、この上に形成される負極集電体層23との剥離や、電池容量の著しい低下が起き易い。これは、組成傾斜型負極活物質層24の前記固体電解質25とは反対側界面でのリチウム比率Rcを低下させることにより、組成傾斜型負極活物質層24の、水分や酸素との反応性を抑制することが出来るためであると思われる。好ましくは、前記リチウム比率Rcは40at%以下である。これにより、雰囲気暴露による電池容量の低下の防止が容易になり、暴露される雰囲気の湿度や酸素濃度が同じであれば、電池容量が問題となるレベルにまで低下するのに要する暴露時間が長くなる。   Moreover, it is preferable that lithium ratio Rc with respect to the sum total of lithium and a 2nd metal is 60 at% or less in the interface on the opposite side to the solid electrolyte layer 25 of the composition inclination type negative electrode active material layer 24 or its vicinity. When the lithium ratio Rc at the interface opposite to or near the solid electrolyte 25 of the composition gradient negative electrode active material layer 24 exceeds 60 at%, the composition gradient negative electrode active material layer 24 is exposed to the atmosphere after film formation, Peeling from the negative electrode current collector layer 23 formed thereon and a significant decrease in battery capacity are likely to occur. This is to reduce the lithium ratio Rc at the interface opposite to the solid electrolyte 25 of the composition gradient negative electrode active material layer 24, thereby making the reactivity of the composition gradient negative electrode active material layer 24 with moisture and oxygen low. This seems to be because it can be suppressed. Preferably, the lithium ratio Rc is 40 at% or less. This makes it easy to prevent the battery capacity from being reduced by exposure to the atmosphere, and if the humidity and oxygen concentration of the exposed atmosphere are the same, the exposure time required to reduce the battery capacity to a problem level is increased. Become.

本実施の形態のエネルギーデバイスでは、負極集電体層23を省略することができる。上述のように、組成傾斜型負極活物質層24中のリチウム濃度は固体電解質25とは反対側界面に向かって漸減している。従って、組成傾斜型負極活物質層24の固体電解質25とは反対側界面のリチウム比率Rcが低い部分を実質的に負極集電体層として使用することができる。この場合、組成傾斜型負極活物質層24を負極活物質層と負極集電体層との複合層と考えることができる。このように負極集電体層23を省略することにより、組成傾斜型負極活物質層24と負極集電体層23との界面での剥離や、これによって発生する電池容量の低下の問題が解消される。また、負極集電体層23を別途形成する工程が不要になる。負極集電体層23を省略する場合、組成傾斜型負極活物質層24の固体電解質層25とは反対側の界面又はその近傍において、リチウムと第2金属との合計に対するリチウム比率Rcが20at%以下であることが好ましい。また、組成傾斜型負極活物質層24の固体電解質層25とは反対側の界面又はその近傍に、リチウムと第2金属との合計に対するリチウム比率Rcが20at%以下である部分が厚さが100nm以上にわたって存在することがより好ましい。   In the energy device of the present embodiment, the negative electrode current collector layer 23 can be omitted. As described above, the lithium concentration in the composition gradient negative electrode active material layer 24 gradually decreases toward the interface opposite to the solid electrolyte 25. Therefore, a portion having a low lithium ratio Rc at the interface opposite to the solid electrolyte 25 of the composition-graded negative electrode active material layer 24 can be substantially used as the negative electrode current collector layer. In this case, the composition gradient negative electrode active material layer 24 can be considered as a composite layer of the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector layer. By omitting the negative electrode current collector layer 23 in this way, the problem of peeling at the interface between the composition-gradient negative electrode active material layer 24 and the negative electrode current collector layer 23 and the decrease in battery capacity caused thereby is eliminated. Is done. Further, the step of separately forming the negative electrode current collector layer 23 becomes unnecessary. When the negative electrode current collector layer 23 is omitted, the lithium ratio Rc with respect to the total of lithium and the second metal is 20 at% at the interface opposite to the solid electrolyte layer 25 of the composition gradient negative electrode active material layer 24 or in the vicinity thereof. The following is preferable. In addition, the portion where the lithium ratio Rc with respect to the total of lithium and the second metal is 20 at% or less at the interface opposite to the solid electrolyte layer 25 of the composition-graded negative electrode active material layer 24 or in the vicinity thereof has a thickness of 100 nm. More preferably, it exists over the above.

エネルギーデバイスの製品形態としては特に制限されず、種々のものが考えられる。例えば、可撓性の長尺の基板22上に図1に示した電池要素20を積層したものを図2に示すようにして平板状に巻回しても良い。このとき、巻回体10の内周に平板状の内芯11を配置しても良い。   The product form of the energy device is not particularly limited, and various types are conceivable. For example, what laminated | stacked the battery element 20 shown in FIG. 1 on the flexible long board | substrate 22 may be wound by flat form as shown in FIG. At this time, a plate-shaped inner core 11 may be disposed on the inner periphery of the wound body 10.

図3は図2に示した平板状エネルギーデバイスの斜視図である。図3において、12は巻回体10の両端に設けられる一対の外部電極12である。外部電極12の材料としては、ニッケル、亜鉛、スズ、はんだ合金、導電性樹脂などの各種導電材料を用いることが出来る。その形成方法としては、溶射、メッキ、塗布などを用いることが出来る。一方の外部電極12には負極集電体層23が電気的に接続され、他方の外部電極12には正極集電体層27が電気的に接合され、且つ、一対の外部電極12,12が相互に絶縁されるように、負極集電体層23及び正極集電体層27の幅方向(巻回中心方向)の形成領域がパターニングされている。これにより、負極集電体層23と正極集電体層27とがいずれかの外部電極12を介して短絡することがない。   FIG. 3 is a perspective view of the flat energy device shown in FIG. In FIG. 3, reference numeral 12 denotes a pair of external electrodes 12 provided at both ends of the wound body 10. As the material of the external electrode 12, various conductive materials such as nickel, zinc, tin, solder alloy, and conductive resin can be used. As the formation method, thermal spraying, plating, coating, or the like can be used. The negative electrode current collector layer 23 is electrically connected to one external electrode 12, the positive electrode current collector layer 27 is electrically bonded to the other external electrode 12, and the pair of external electrodes 12, 12 are The formation regions in the width direction (winding center direction) of the negative electrode current collector layer 23 and the positive electrode current collector layer 27 are patterned so as to be insulated from each other. Thereby, the negative electrode current collector layer 23 and the positive electrode current collector layer 27 are not short-circuited via any one of the external electrodes 12.

図4は、エネルギーデバイスの別の製品形態を示す断面図である。図4において、15は一対の外部電極であり、一方の外部電極15には負極集電体層23が電気的に接続され、他方の外部電極15には正極集電体層27が電気的に接合される。その材料及び形成方法は図3に示した外部電極12と同様である。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing another product form of the energy device. In FIG. 4, reference numeral 15 denotes a pair of external electrodes. A negative electrode current collector layer 23 is electrically connected to one external electrode 15, and a positive electrode current collector layer 27 is electrically connected to the other external electrode 15. Be joined. The material and the formation method are the same as those of the external electrode 12 shown in FIG.

16は、負極集電体層23の外部電極15との接続部近傍、及び正極集電体層27の外部電極15との接続部近傍に設けられたヒューズ部である。ヒューズ部16は、過電流が流れたときに溶断して過電流を遮断して発火などに至るのを事前に防止する安全装置として機能する。本実施の形態では、ヒューズ部16は、負極集電体層23及び正極集電体層27に設けられているが、いずれか一方のみであっても良い。図5(A)はヒューズ部16の一例を示した平面図、図5(B)は、図5(A)における5B−5B線での矢視断面図である。集電体層23,27を、電流が流れる部分の幅が狭くなるようなパターンを付与してヒューズ部16を形成している。過電流が流れると、ヒューズ部16がジュール熱により発熱し、溶断して、過電流を遮断する。従って、発火などの重大な事態に至るのを未然に防止することができる。なお、ヒューズ部16の構成は図5(A)及び図5(B)に限定されない。例えば、負極集電体層23及び正極集電体層27の厚みを部分的に薄くすることによりヒューズ部16を構成しても良い。あるいは、負極集電体層23及び正極集電体層27内に、電気抵抗の温度係数の大きな異種材料を特定パターンで形成することによりヒューズ部を形成しても良い。異種材料の電気抵抗の温度係数が、負極集電体層23及び正極集電体層27の電気抵抗の温度係数よりも大きいので、過電流時にヒューズ部16がわずかに温度上昇すると異種材料の抵抗値が急激に増大する。よって、ヒューズ部16内の異種材料以外の負極集電体層23及び正極集電体層27の材料内に電流が集中して流れる結果、ヒューズ部16がジュール熱により発熱し、溶断して、過電流を遮断する。   Reference numeral 16 denotes a fuse portion provided in the vicinity of the connection portion between the negative electrode current collector layer 23 and the external electrode 15 and in the vicinity of the connection portion between the positive electrode current collector layer 27 and the external electrode 15. The fuse section 16 functions as a safety device that prevents the occurrence of ignition or the like by cutting off the overcurrent when the overcurrent flows and causing the ignition. In the present embodiment, the fuse portion 16 is provided in the negative electrode current collector layer 23 and the positive electrode current collector layer 27, but only one of them may be provided. 5A is a plan view showing an example of the fuse portion 16, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line 5B-5B in FIG. 5A. The fuse portions 16 are formed on the current collector layers 23 and 27 by giving a pattern that narrows the width of the portion where current flows. When an overcurrent flows, the fuse portion 16 generates heat due to Joule heat and melts to cut off the overcurrent. Therefore, it is possible to prevent a serious situation such as ignition from occurring. Note that the configuration of the fuse portion 16 is not limited to FIGS. 5 (A) and 5 (B). For example, the fuse portion 16 may be configured by partially reducing the thickness of the negative electrode current collector layer 23 and the positive electrode current collector layer 27. Or you may form a fuse part in the negative electrode collector layer 23 and the positive electrode collector layer 27 by forming dissimilar material with a large temperature coefficient of electrical resistance with a specific pattern. Since the temperature coefficient of the electric resistance of the dissimilar material is larger than the temperature coefficient of the electric resistance of the negative electrode current collector layer 23 and the positive electrode current collector layer 27, the resistance of the dissimilar material when the temperature of the fuse portion 16 rises slightly during overcurrent. The value increases rapidly. Therefore, as a result of the current flowing in the material of the negative electrode current collector layer 23 and the positive electrode current collector layer 27 other than the dissimilar materials in the fuse part 16, the fuse part 16 generates heat due to Joule heat and melts. Cut off the overcurrent.

図4において、17は、機械的保護、耐湿性向上、層間剥離の防止などを目的として設けられる保護層である。保護層17の材料は特に限定されないが、例えばシランカップリング剤等の表面処理剤、光あるいは熱硬化性樹脂、金属、金属酸化物、金属窒化物などを用いることができる。形成方法としては、塗布、ディップ(浸漬)、スプレーなどの湿式プロセスや、蒸着、スパッタなどのドライプロセスを採ることができる。また、保護層17は異種又は同種の材料からなる多層の複合膜であっても良い。保護層17は、外部電極15を除くエネルギーデバイスの外表面に形成することができる。基板22の材料によっては、図4に示すように基板22の表面には保護層17を形成しなくてもよい。   In FIG. 4, 17 is a protective layer provided for the purpose of mechanical protection, improvement of moisture resistance, prevention of delamination, and the like. Although the material of the protective layer 17 is not specifically limited, For example, surface treatment agents, such as a silane coupling agent, light or a thermosetting resin, a metal, a metal oxide, a metal nitride etc. can be used. As a forming method, a wet process such as coating, dipping (dipping) or spraying, or a dry process such as vapor deposition or sputtering can be employed. Further, the protective layer 17 may be a multilayer composite film made of different or similar materials. The protective layer 17 can be formed on the outer surface of the energy device excluding the external electrode 15. Depending on the material of the substrate 22, the protective layer 17 may not be formed on the surface of the substrate 22 as shown in FIG. 4.

さらに、電池要素20を必要な数だけ繰り返して積層してエネルギーデバイスを構成してもよい。   Furthermore, the energy device may be configured by repeatedly stacking the battery elements 20 as many times as necessary.

本実施の形態のエネルギーデバイスの製造方法を説明する。図6は、エネルギーデバイスを製造するための装置の一例を示した概略構成図である。   A method for manufacturing the energy device of the present embodiment will be described. FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an apparatus for manufacturing an energy device.

図3に示した真空成膜装置30は、隔壁31aにより上下に仕切られた真空槽31を備える。隔壁31aより上側の部屋(搬送室)31bには、巻き出しロール32,円筒状のキャンロール33,巻き取りロール34,搬送ロール35a,35bが配置される。隔壁31aより下側の部屋(薄膜形成室)31cには、第1薄膜形成源41及び第2薄膜形成源42が配置されている。隔壁31aの中央部には開口31dが設けられ、キャンロール33の下面が薄膜形成室31c側に露出している。真空槽31内は、真空ポンプ37により所定の真空度に維持されている。   The vacuum film forming apparatus 30 shown in FIG. 3 includes a vacuum chamber 31 that is partitioned vertically by a partition wall 31a. An unwinding roll 32, a cylindrical can roll 33, a winding roll 34, and conveying rolls 35a and 35b are arranged in a room (conveying chamber) 31b above the partition wall 31a. A first thin film formation source 41 and a second thin film formation source 42 are arranged in a room (thin film formation chamber) 31c below the partition wall 31a. An opening 31d is provided at the center of the partition wall 31a, and the lower surface of the can roll 33 is exposed to the thin film forming chamber 31c side. The inside of the vacuum chamber 31 is maintained at a predetermined degree of vacuum by a vacuum pump 37.

第1薄膜形成源41及び第2薄膜形成源42による薄膜の形成方法としては、薄膜の種類に応じて、蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法などで代表される各種真空薄膜プロセスを用いることが出来る。このような方法により、所望する薄膜を容易に効率よく形成できる。   As a method of forming a thin film by the first thin film forming source 41 and the second thin film forming source 42, various vacuum thin films represented by a vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a laser ablation method, etc., depending on the type of the thin film. Process can be used. By such a method, a desired thin film can be formed easily and efficiently.

巻き出しロール32から巻き出された長尺の基板22は、搬送ロール35a、キャンロール33、搬送ロール35bによって順に搬送され、巻き取りロール34に巻き取られる。第1薄膜形成源41及び第2薄膜形成源42から生成された原子、分子、又はクラスタなどの粒子43が隔壁31aの開口31dを通過して、キャンロール33上を走行している基材22の表面上に付着して薄膜45を形成する。   The long substrate 22 unwound from the unwinding roll 32 is sequentially conveyed by the conveying roll 35a, the can roll 33, and the conveying roll 35b, and is taken up by the winding roll 34. Particles 43 such as atoms, molecules, or clusters generated from the first thin film forming source 41 and the second thin film forming source 42 pass through the opening 31d of the partition wall 31a and travel on the can roll 33. A thin film 45 is formed on the surface.

基板22の表面に、あらかじめ正極集電体層27、正極活物質層26、固体電解質層25を形成しておく。第1薄膜形成源41からリチウム粒子を、第2薄膜形成源42から第2金属粒子を、ぞれぞれ生成させる。基材22の走行方向に沿って、第1薄膜形成源41がその上流側に、第2薄膜形成源42がその下流側にそれぞれ配置されているので、第1薄膜形成源41によるリチウム薄膜の形成から第2薄膜形成源42による第2金属薄膜の形成に薄膜形成の寄与度が移行しながら、基材22上に薄膜が形成される。従って、固体電解質層25側の界面に向かってリチウム濃度が漸増し、その反対側に向かって第2金属濃度が漸増した組成傾斜型負極活物質層24を形成できる。その後、この組成傾斜型負極活物質層24上に負極集電体層23を形成することによって、図1に示したような積層構造を有するエネルギーデバイスを得ることが出来る。   A positive electrode current collector layer 27, a positive electrode active material layer 26, and a solid electrolyte layer 25 are formed in advance on the surface of the substrate 22. Lithium particles are generated from the first thin film formation source 41, and second metal particles are generated from the second thin film formation source. Since the first thin film forming source 41 is arranged on the upstream side and the second thin film forming source 42 is arranged on the downstream side along the traveling direction of the base material 22, the lithium thin film formed by the first thin film forming source 41 is arranged. A thin film is formed on the substrate 22 while the contribution of the thin film formation shifts from the formation to the formation of the second metal thin film by the second thin film formation source 42. Therefore, it is possible to form the composition gradient negative electrode active material layer 24 in which the lithium concentration gradually increases toward the interface on the solid electrolyte layer 25 side and the second metal concentration gradually increases toward the opposite side. Thereafter, by forming the negative electrode current collector layer 23 on the composition gradient negative electrode active material layer 24, an energy device having a laminated structure as shown in FIG. 1 can be obtained.

[実施例1,比較例1]
実施の形態1に対応した実施例を示す。
[Example 1, Comparative Example 1]
An example corresponding to the first embodiment will be described.

実施例1として、図6に示した装置を用いて、第1薄膜形成源41からリチウムを、第2薄膜形成源42からアルミニウムを、それぞれ蒸発させて、二源蒸着法により2.5μm厚の組成傾斜型負極活物質層24を形成した。基板22として、25μm厚のポリイミド基板の上に正極集電体層27、正極活物質層26、固体電解質層25が形成されたものを用いた。正極集電体層27として0.5μm厚のニッケル薄膜、正極活物質層26として4μm厚のコバルト酸リチウム薄膜、固体電解質層25として2μm厚のリン酸リチウム系薄膜を用いた。組成傾斜型負極活物質層24を形成後、負極集電体層23としてニッケル薄膜を0.5μm厚に形成し、図1に示したエネルギーデバイスを得た。   As Example 1, the apparatus shown in FIG. 6 was used to evaporate lithium from the first thin film formation source 41 and aluminum from the second thin film formation source 42, respectively, and to have a thickness of 2.5 μm by a two-source evaporation method. The composition gradient type negative electrode active material layer 24 was formed. As the substrate 22, a substrate in which a positive electrode current collector layer 27, a positive electrode active material layer 26, and a solid electrolyte layer 25 were formed on a 25 μm thick polyimide substrate was used. A 0.5 μm thick nickel thin film was used as the positive electrode current collector layer 27, a 4 μm thick lithium cobaltate thin film was used as the positive electrode active material layer 26, and a 2 μm thick lithium phosphate thin film was used as the solid electrolyte layer 25. After forming the composition gradient negative electrode active material layer 24, a nickel thin film was formed to a thickness of 0.5 μm as the negative electrode current collector layer 23, and the energy device shown in FIG. 1 was obtained.

比較例1として、組成傾斜型負極活物質層24の代わりに2.5μm厚のリチウム薄膜からなる負極活物質層とした他は実施例1と同じ工程を経てエネルギーデバイスを得た。   As Comparative Example 1, an energy device was obtained through the same steps as Example 1 except that a negative electrode active material layer made of a lithium thin film having a thickness of 2.5 μm was used instead of the composition gradient negative electrode active material layer 24.

実施例1においては、組成傾斜型負極活物質層24を形成後に、30分間の大気暴露を行い、その後再度真空排気して負極集電体層23を作成した。同様に、比較例においては、負極活物質層を形成後に、30分間の大気暴露を行い、その後再度真空排気して負極集電体層23を作成した。暴露雰囲気の湿度は20%であった。比較例1の場合には負極集電体層23の膜剥れが頻発した。これに対して実施例1の場合には負極集電体層23の膜剥れは発生しなかった。   In Example 1, after forming the composition-graded negative electrode active material layer 24, exposure to the atmosphere for 30 minutes was performed, and then vacuum evacuation was performed again to prepare the negative electrode current collector layer 23. Similarly, in the comparative example, after forming the negative electrode active material layer, it was exposed to the atmosphere for 30 minutes, and then evacuated again to form the negative electrode current collector layer 23. The humidity of the exposure atmosphere was 20%. In the case of Comparative Example 1, peeling of the negative electrode current collector layer 23 occurred frequently. On the other hand, in the case of Example 1, peeling of the negative electrode current collector layer 23 did not occur.

図1に示す構成のエネルギーデバイスの正負の集電体層23,27から電極引出しを行い、0.2Cの充放電速度で充放電試験を行った。比較例1では正極活物質量などから予想される理論容量の3%の電池容量しか確認できなかったが、実施例1の場合には理論容量の98%の電池容量が確認出来た。   Electrodes were extracted from the positive and negative current collector layers 23 and 27 of the energy device having the configuration shown in FIG. 1, and a charge / discharge test was conducted at a charge / discharge rate of 0.2C. In Comparative Example 1, only 3% of the theoretical capacity expected from the positive electrode active material amount could be confirmed, but in Example 1, the battery capacity of 98% of the theoretical capacity could be confirmed.

実施例1と同じ条件で、シリコン基板上に組成傾斜型負極活物質層24および負極集電体層23を形成し、膜厚方向におけるリチウム、アルミニウム、酸素、ニッケル、及びシリコンの分布を調べた。結果を図7に示す。また、比較例1と同じ条件で、シリコン基板上に負極活物質層および負極集電体層23を形成し、膜厚方向におけるリチウム、酸素、ニッケル、及びシリコンの分布を調べた。結果を図8に示す。元素分布の測定は、試料を膜表面からプラズマエッチングしながら分光分析する手法で行い、検出信号強度を標準試料のデータで校正することにより組成データを求めた。   Under the same conditions as in Example 1, the composition gradient negative electrode active material layer 24 and the negative electrode current collector layer 23 were formed on the silicon substrate, and the distribution of lithium, aluminum, oxygen, nickel, and silicon in the film thickness direction was examined. . The results are shown in FIG. In addition, a negative electrode active material layer and a negative electrode current collector layer 23 were formed on a silicon substrate under the same conditions as in Comparative Example 1, and the distribution of lithium, oxygen, nickel, and silicon in the film thickness direction was examined. The results are shown in FIG. The element distribution was measured by a technique of spectroscopic analysis of the sample while plasma etching from the film surface, and the composition data was obtained by calibrating the detection signal intensity with the data of the standard sample.

比較例1に対応する図8では、負極活物質層と負極集電体層23との界面(エッチング深さが約0.5μmの地点)に酸素が高レベルで検出されたが、実施例1に対応する図7では組成傾斜型負極活物質層24と負極集電体層23との界面(エッチング深さが約0.5μmの地点)における酸素の検出レベルは低かった。   In FIG. 8 corresponding to Comparative Example 1, oxygen was detected at a high level at the interface between the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector layer 23 (point where the etching depth was about 0.5 μm). In FIG. 7 corresponding to FIG. 7, the oxygen detection level at the interface between the composition-gradient negative electrode active material layer 24 and the negative electrode current collector layer 23 (point where the etching depth is about 0.5 μm) was low.

実施例1に対応する図7において、組成傾斜型負極活物質層24のリチウムの分布曲線及びアルミニウムの分布曲線を負極集電体層23側に延長する。負極集電体層23との界面(エッチング深さが約0.5μmの地点)近傍で酸素濃度がピークを示す位置での、リチウムの延長線及びアルミニウムの延長線が示す元素濃度を、それぞれLic、Alcとする。これより、組成傾斜型負極活物質層24の負極集電体層23側でのリチウム比率Rc(=Lic/(Lic+Alc)×100)は、50at%であり、リチウム比率Rcが好ましい数値範囲であるRc≦60at%を満足していた。従って、実施例1のエネルギーデバイスでは、負極集電体層23の剥離や、電池容量の著しい低下は認められなかった。   In FIG. 7 corresponding to Example 1, the lithium distribution curve and the aluminum distribution curve of the composition gradient negative electrode active material layer 24 are extended to the negative electrode current collector layer 23 side. The element concentrations indicated by the lithium extension line and the aluminum extension line at the position where the oxygen concentration peaks near the interface with the negative electrode current collector layer 23 (point where the etching depth is about 0.5 μm) are respectively Lic. And Alc. Accordingly, the lithium ratio Rc (= Lic / (Lic + Alc) × 100) on the negative electrode current collector layer 23 side of the composition gradient negative electrode active material layer 24 is 50 at%, and the lithium ratio Rc is a preferable numerical range. Rc ≦ 60 at% was satisfied. Therefore, in the energy device of Example 1, peeling of the negative electrode current collector layer 23 and a significant decrease in battery capacity were not recognized.

また、実施例1に対応する図7において、組成傾斜型負極活物質層24のリチウムの分布曲線及びアルミニウムの分布曲線をシリコン基板側(エネルギーデバイスでは、固体電解質層25側に相当する)に延長する。シリコン基板との界面(エッチング深さが約3μmの地点)近傍で酸素濃度がピークを示す位置での、リチウムの延長線及びアルミニウムの延長線が示す元素濃度を、それぞれLie、Aleとする。これより、組成傾斜型負極活物質層24のシリコン基板側でのリチウム比率Re(=Lie/(Lie+Ale)×100)は、90at%であり、リチウム比率Reが好ましい数値範囲であるRe≧70at%を満足していた。従って、実施例1のエネルギーデバイスは、良好な充放電サイクル特性を有していた。   In FIG. 7 corresponding to Example 1, the lithium distribution curve and the aluminum distribution curve of the composition-graded negative electrode active material layer 24 are extended to the silicon substrate side (corresponding to the solid electrolyte layer 25 side in the energy device). To do. The element concentrations indicated by the extension line of lithium and the extension line of aluminum at the position where the oxygen concentration peaks near the interface with the silicon substrate (point where the etching depth is about 3 μm) are set to Lie and Ale, respectively. Accordingly, the lithium ratio Re (= Lie / (Lie + Ale) × 100) on the silicon substrate side of the composition-graded negative electrode active material layer 24 is 90 at%, and the lithium ratio Re is a preferable numerical range, Re ≧ 70 at%. Was satisfied. Therefore, the energy device of Example 1 had good charge / discharge cycle characteristics.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2にかかるエネルギーデバイスの概略構成の一例を図9に示す。本実施の形態のエネルギーデバイスは、基板22上に、電池要素20が積層されてなる。電池要素20は、正極集電体層27、正極活物質層26、固体電解質層25、負極複合層29がこの順に形成されている。図9では、基板22は、電池要素20の正極集電体層27側に配されているが、負極複合層29側に配されていてもよい。
(Embodiment 2)
An example of a schematic configuration of the energy device according to the second embodiment of the present invention is shown in FIG. In the energy device of the present embodiment, the battery element 20 is laminated on the substrate 22. In the battery element 20, a positive electrode current collector layer 27, a positive electrode active material layer 26, a solid electrolyte layer 25, and a negative electrode composite layer 29 are formed in this order. In FIG. 9, the substrate 22 is disposed on the positive electrode current collector layer 27 side of the battery element 20, but may be disposed on the negative electrode composite layer 29 side.

基板22としては、例えばポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)やその他の高分子フィルム、又はステンレス金属箔、又はニッケル、銅、アルミニウムやその他の金属元素を含む金属箔などの可撓性を有する材料を用いることが出来る。更に、各種形状のシリコン、ガラス、セラミック、プラスチックなどを用いることも出来、本発明では基板の材質や形状に特に限定はない。   Examples of the substrate 22 include polyimide (PI), polyamide (PA), polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), other polymer films, stainless metal foil, nickel, copper, aluminum, and other metals. A flexible material such as a metal foil containing an element can be used. Furthermore, various shapes of silicon, glass, ceramic, plastic, and the like can be used, and in the present invention, the material and shape of the substrate are not particularly limited.

正極集電体層27としては、例えばニッケル、銅、アルミニウム、白金、白金−パラジウム、金、銀、チタン、ITO(インジウム−スズ酸化物)で代表される金属を用いることが出来る。エネルギーデバイスの最終形態によっては、正極側に基板22を配置し、且つ基板22として導電性材料を用いる場合には、正極集電体層27を省略し、基板22を正極集電体層27としても機能させることができる。   As the positive electrode current collector layer 27, for example, nickel, copper, aluminum, platinum, platinum-palladium, gold, silver, titanium, or a metal represented by ITO (indium-tin oxide) can be used. Depending on the final form of the energy device, when the substrate 22 is disposed on the positive electrode side and a conductive material is used as the substrate 22, the positive electrode current collector layer 27 is omitted and the substrate 22 is used as the positive electrode current collector layer 27. Can also work.

正極活物質層26としては、例えばコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムなどを用いることが出来る。但し、本発明の正極活物質層26の材料は上記に限定されず、その他の材料を用いることも出来る。   As the positive electrode active material layer 26, for example, lithium cobaltate, lithium nickelate, or the like can be used. However, the material of the positive electrode active material layer 26 of the present invention is not limited to the above, and other materials can also be used.

固体電解質層25としては、イオン伝導性があり、電子伝導性が無視できるほど小さい材料を用いることが出来る。特にエネルギーデバイスがリチウムイオン2次電池である場合には、リチウムイオンが可動イオンであるため、Li3PO4や、Li3PO4に窒素を混ぜて(あるいはLi3PO4の元素の一部を窒素で置換して)得られる材料(LiPON:代表的な組成はLi2.9PO3.30.36)などからなる固体電解質はリチウムイオン伝導性に優れるので好ましい。同様に、Li2S−SiS2、Li2S−P25、Li2S−B23などの硫化物からなる固体電解質も有効である。更にこれらの固体電解質にLiIなどのハロゲン化リチウムや、Li3PO4等のリチウム酸素酸塩をドープした固体電解質も有効である。本発明の固体電解質25の材料は上記に限定されず、その他の材料を固体電解質層25として用いることも出来る。電解質として固体電解質を用いることにより、従来の液型電解質で必須の液漏れ対策が不要となり、エネルギーデバイスの小型化、薄型化が容易になる。 As the solid electrolyte layer 25, a material having ion conductivity and small enough to have negligible electronic conductivity can be used. Especially when the energy device is a lithium ion secondary battery, since lithium ions are mobile ions, Li 3 PO 4 and, mixed with nitrogen to Li 3 PO 4 (or part of the elements of Li 3 PO 4 A solid electrolyte made of a material (LiPON: typical composition is Li 2.9 PO 3.3 N 0.36 ) or the like obtained by substituting with nitrogen is preferable because of its excellent lithium ion conductivity. Similarly, a solid electrolyte made of a sulfide such as Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—B 2 S 3 is also effective. Furthermore, solid electrolytes obtained by doping these solid electrolytes with lithium halides such as LiI and lithium oxyacid salts such as Li 3 PO 4 are also effective. The material of the solid electrolyte 25 of the present invention is not limited to the above, and other materials can be used as the solid electrolyte layer 25. By using a solid electrolyte as the electrolyte, it is not necessary to take countermeasures against liquid leakage which are essential in the conventional liquid electrolyte, and the energy device can be easily reduced in size and thickness.

負極複合層29は負極活物質層としての役割と負極集電体層としての役割とを兼ね備えるものであり、少なくともリチウムと第2金属とを含むリチウム化合物からなる。これにより負極複合層24の化学的安定性が向上し、生産が容易になる。   The negative electrode composite layer 29 has both a role as a negative electrode active material layer and a role as a negative electrode current collector layer, and is made of a lithium compound containing at least lithium and a second metal. This improves the chemical stability of the negative electrode composite layer 24 and facilitates production.

第2金属は、仕事関数が4eV以上の金属である。このような金属は化学的に安定であり、負極複合層29の効率的な成膜が容易になるからである。仕事関数が4eV以上の金属の一例を挙げるとアルミニウム、シリコン、バナジウム、コバルト、ニッケル、銅、ゲルマニウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、銀、ロジウム、スズ、タンタル、パラジウム、白金、金、タングステン等である。好ましくはアルミニウムである。良好な特性を有する薄膜を容易に形成できるからである。但し、これらに限定されるものではなく、例えば、先に例示した金属以外の金属であって仕事関数が4eV以上の金属を第2金属として用いてもよい。また、仕事関数が4eV以上の金属を2種以上含んでも良い。   The second metal is a metal having a work function of 4 eV or more. This is because such a metal is chemically stable and facilitates efficient film formation of the negative electrode composite layer 29. Examples of metals having a work function of 4 eV or more are aluminum, silicon, vanadium, cobalt, nickel, copper, germanium, zirconium, niobium, molybdenum, silver, rhodium, tin, tantalum, palladium, platinum, gold, tungsten, and the like. . Aluminum is preferable. This is because a thin film having good characteristics can be easily formed. However, it is not limited to these, For example, you may use metals other than the metal illustrated previously and whose work function is 4 eV or more as a 2nd metal. Further, two or more metals having a work function of 4 eV or more may be included.

負極複合層29の厚さ方向(図9の紙面上下方向)において、リチウムと第2金属との組成比率は一定ではなく、固体電解質層25との界面に向かってリチウム濃度が漸増している。換言すれば、固体電解質層25から離れるにしたがってリチウム濃度が漸減している。これにより、充放電特性を損なうことなく、安定して負極複合層29を形成できる。   In the thickness direction of the negative electrode composite layer 29 (the vertical direction in FIG. 9), the composition ratio of lithium and the second metal is not constant, and the lithium concentration gradually increases toward the interface with the solid electrolyte layer 25. In other words, the lithium concentration gradually decreases as the distance from the solid electrolyte layer 25 increases. Thereby, the negative electrode composite layer 29 can be stably formed without impairing the charge / discharge characteristics.

負極複合層29の固体電解質層25とは反対側の界面では、リチウム濃度は低下し、ほぼ第2金属により構成されていることが好ましい。具体的には、負極複合層29の固体電解質層25とは反対側の界面又はその近傍に、リチウムと第2金属との合計に対するリチウム比率Rcが20at%以下である部分が存在し、且つRc≦20at%の部分の厚さTが100nm以上である。好ましくは厚さTは200nm以上、より好ましくは500nm以上である。また、負極複合層29の固体電解質層25とは反対側の界面又はその近傍において、リチウムと第2金属との合計に対するリチウム比率Rcが10at%以下であることが好ましく、5at%以下であることがより好ましい。厚さTが大きいことにより、また、リチウム比率Rcが小さいことにより、負極複合層29の固体電解質層25とは反対側の表面において、負極複合層29と水分や酸素との反応性を抑制することが出来る。特にRc/Tが200(at%/μm)以下であると、エネルギーデバイスを高湿雰囲気で放置したときの負極複合層29の表面の顕著な変色を防止することができる。更に、Rc/Tが10(at%/μm)以下であると、エネルギーデバイスの高湿度雰囲気での保存特性や充放電サイクルにおける電池特性が顕著に向上する。   At the interface of the negative electrode composite layer 29 on the side opposite to the solid electrolyte layer 25, the lithium concentration is preferably reduced and is substantially composed of the second metal. Specifically, a portion where the lithium ratio Rc with respect to the total of lithium and the second metal is 20 at% or less exists at or near the interface opposite to the solid electrolyte layer 25 of the negative electrode composite layer 29, and Rc The thickness T of the portion of ≦ 20 at% is 100 nm or more. The thickness T is preferably 200 nm or more, more preferably 500 nm or more. Further, the lithium ratio Rc with respect to the total of lithium and the second metal is preferably 10 at% or less, preferably 5 at% or less, at or near the interface of the negative electrode composite layer 29 opposite to the solid electrolyte layer 25. Is more preferable. Due to the large thickness T and the small lithium ratio Rc, the reactivity of the negative electrode composite layer 29 with moisture and oxygen is suppressed on the surface of the negative electrode composite layer 29 opposite to the solid electrolyte layer 25. I can do it. In particular, when Rc / T is 200 (at% / μm) or less, significant discoloration of the surface of the negative electrode composite layer 29 when the energy device is left in a high humidity atmosphere can be prevented. Further, when Rc / T is 10 (at% / μm) or less, the storage characteristics of the energy device in a high humidity atmosphere and the battery characteristics in the charge / discharge cycle are remarkably improved.

負極複合層29の固体電解質層25側の界面又はその近傍において、リチウムと第2金属との合計に対するリチウム比率Reが70at%以上であることが好ましい。負極複合層29の固体電解質層25側の界面又はその近傍でのリチウム比率Reが70at%未満であると、エネルギーデバイスの充放電サイクル試験において容量低下がおき易い。特に充放電レートが2C以上の時にサイクル劣化が顕著である。これは、負極複合層29の固体電解質層25側界面でリチウム比率Reが低下すると、該界面でのLiの出入が困難になり、それによって充放電サイクル特性が劣化してしまうためである思われる。好ましくは、前記リチウム比率Reは80at%以上である。これにより、充放電レートを10Cとしたときにおいて、第2金属を含まない場合(即ち、Re=100at%)と遜色のないサイクル特性が得られる。   It is preferable that the lithium ratio Re with respect to the total of lithium and the second metal is 70 at% or more at the interface or the vicinity thereof on the solid electrolyte layer 25 side of the negative electrode composite layer 29. When the lithium ratio Re at the interface of the negative electrode composite layer 29 on the solid electrolyte layer 25 side or in the vicinity thereof is less than 70 at%, the capacity is likely to decrease in the charge / discharge cycle test of the energy device. In particular, the cycle deterioration is remarkable when the charge / discharge rate is 2C or more. This is because when the lithium ratio Re decreases at the solid electrolyte layer 25 side interface of the negative electrode composite layer 29, it becomes difficult for Li to enter and exit at the interface, thereby deteriorating charge / discharge cycle characteristics. . Preferably, the lithium ratio Re is 80 at% or more. As a result, when the charge / discharge rate is 10 C, cycle characteristics comparable to those when the second metal is not included (that is, Re = 100 at%) are obtained.

負極複合層29が負極活物質層としての役割と負極集電体層としての役割とを兼ね備えるため、本実施の形態のエネルギーデバイスでは、負極複合層29の表面に負極集電体層を設けなくても良い。上述のように、負極複合層29は固体電解質25とは反対側界面又はその近傍に、100nm以上の厚さでリチウム比率Rcが20at%以下である部分が存在している。この部分を負極集電体層として機能させることができる。負極複合層29とは別個の負極集電体層を省略することにより、従来のエネルギーデバイスにおいて問題であった、負極活物質層と負極集電体層との界面での剥離や、これによって発生する電池容量の低下の問題が解消される。また、負極集電体層を別途形成する工程が不要になる。   Since the negative electrode composite layer 29 has both a role as a negative electrode active material layer and a role as a negative electrode current collector layer, in the energy device of the present embodiment, the negative electrode current collector layer is not provided on the surface of the negative electrode composite layer 29. May be. As described above, the negative electrode composite layer 29 has a portion having a thickness of 100 nm or more and a lithium ratio Rc of 20 at% or less at the interface or the vicinity thereof opposite to the solid electrolyte 25. This portion can function as a negative electrode current collector layer. Omission of the negative electrode current collector layer that is separate from the negative electrode composite layer 29 causes peeling at the interface between the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector layer, which has been a problem in conventional energy devices. This eliminates the problem of reduced battery capacity. Moreover, the process of forming a negative electrode collector layer separately becomes unnecessary.

エネルギーデバイスの製品形態としては特に制限されず、種々のものが考えられる。例えば、実施の形態1で説明した図2のような平板状の巻回体であってもよく、あるいは、図4のような積層体構造であってもよい。電池要素20の構成が異なる以外は実施の形態1と同様であるので、これらの説明を省略する。   The product form of the energy device is not particularly limited, and various types are conceivable. For example, it may be a flat wound body as shown in FIG. 2 described in the first embodiment, or may be a laminate structure as shown in FIG. Since it is the same as that of Embodiment 1 except the structure of the battery element 20 differing, these description is abbreviate | omitted.

本実施の形態のエネルギーデバイスの製造方法を説明する。図10は、エネルギーデバイスを製造するための装置の一例を示した概略構成図である。   A method for manufacturing the energy device of the present embodiment will be described. FIG. 10 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an apparatus for manufacturing an energy device.

図10に示した真空成膜装置50は、隔壁51aにより上下に仕切られた真空槽51を備える。隔壁51aより上側の部屋(搬送室)51bには、巻き出しロール52,円筒状の第1及び第2キャンロール53a,53b,巻き取りロール54,搬送ロール55a,55b,55c,55dが配置される。隔壁51aより下側の部屋(薄膜形成室)51cには、第1〜第5薄膜形成源61〜65及びプラズマガン67が配置されている。隔壁51aには第1〜第4開口58a〜58dが設けられている。第1キャンロール53aの外周面は、第1開口58aを介して第1薄膜形成源61と対向し、第2開口58bを介して第2薄膜形成源62と対向している。第2キャンロール53bの外周面は、第3開口58cを介して第3薄膜形成源63と対向し、第4開口58dを介して第4薄膜形成源64及び第5薄膜形成源65と対向している。プラズマガン67は、これからのプラズマ流67aが第2開口58bを通って、第1キャンロール53aの外周面を照射するように配置されている。真空槽51内は、第1及び第2真空ポンプ57a,57bにより所定の真空度に維持されている。プラズマガン67や第1〜第5薄膜形成源61〜65と基板22との相対的位置関係は図10に限定されるものではなく、プロセス設備の個々の事情により変更することが可能である。   The vacuum film forming apparatus 50 shown in FIG. 10 includes a vacuum chamber 51 that is partitioned vertically by a partition wall 51a. An unwinding roll 52, cylindrical first and second can rolls 53a and 53b, a take-up roll 54, and transport rolls 55a, 55b, 55c, and 55d are disposed in a room (transport chamber) 51b above the partition wall 51a. The First to fifth thin film forming sources 61 to 65 and a plasma gun 67 are arranged in a room (thin film forming chamber) 51c below the partition wall 51a. The partition wall 51a is provided with first to fourth openings 58a to 58d. The outer peripheral surface of the first can roll 53a is opposed to the first thin film forming source 61 through the first opening 58a, and is opposed to the second thin film forming source 62 through the second opening 58b. The outer peripheral surface of the second can roll 53b faces the third thin film forming source 63 through the third opening 58c, and faces the fourth thin film forming source 64 and the fifth thin film forming source 65 through the fourth opening 58d. ing. The plasma gun 67 is arranged so that the plasma flow 67a from now on irradiates the outer peripheral surface of the first can roll 53a through the second opening 58b. The inside of the vacuum chamber 51 is maintained at a predetermined degree of vacuum by the first and second vacuum pumps 57a and 57b. The relative positional relationship between the plasma gun 67 and the first to fifth thin film forming sources 61 to 65 and the substrate 22 is not limited to that shown in FIG. 10, and can be changed according to individual circumstances of the process equipment.

第1〜第5薄膜形成源61〜65による薄膜の形成方法としては、薄膜の種類に応じて、蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法などで代表される各種真空薄膜プロセスを用いることが出来る。このような方法により、所望する薄膜を容易に効率よく形成できる。   As a method of forming a thin film by the first to fifth thin film forming sources 61 to 65, various vacuum thin film processes represented by a vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a laser ablation method and the like are used according to the type of the thin film. Can be used. By such a method, a desired thin film can be formed easily and efficiently.

巻き出しロール52から巻き出された長尺の基板22は、搬送ロール55a、第1キャンロール53a、搬送ロール55b、搬送ロール55c、第2キャンロール53b、搬送ロール55dによって順に搬送され、巻き取りロール54に巻き取られる。この過程において、第1〜第5薄膜形成源61〜65から生成された原子、分子、又はクラスタなどの粒子が順に基板22の表面上に付着して薄膜を形成する。   The long substrate 22 unwound from the unwinding roll 52 is sequentially transported by the transporting roll 55a, the first can roll 53a, the transporting roll 55b, the transporting roll 55c, the second can roll 53b, and the transporting roll 55d. It is wound on a roll 54. In this process, particles such as atoms, molecules, or clusters generated from the first to fifth thin film forming sources 61 to 65 are sequentially deposited on the surface of the substrate 22 to form a thin film.

最初に、第1薄膜形成源61により、正極集電体層27の材料が、第1開口58aを介して基板22上に付着し、正極集電体層27が形成される。次いで、第2薄膜形成源62により、正極活物質層26の材料が、第2開口58bを介して基板22上に付着し、正極活物質層26が形成される。このとき、プラズマガン67からのプラズマ流67aは、第2薄膜形成源62からの正極活物質層26の材料粒子に対してエネルギーを付与する。次いで、第3薄膜形成源63により、固体電解質層25の材料が、第3開口58cを介して基板22上に付着し、固体電解質層25が形成される。最後に、第4薄膜形成源64からリチウム粒子が、第5薄膜形成源65から第2金属粒子が、第4開口58dを介して基板22上に付着し、負極複合層29が形成される。基材22の走行方向に沿って、第4薄膜形成源64がその上流側に、第5薄膜形成源65がその下流側にそれぞれ配置されているので、第4薄膜形成源64によるリチウム薄膜の形成から第5薄膜形成源65による第2金属薄膜の形成に薄膜形成の寄与度が移行しながら、基材22上に薄膜が形成される。従って、固体電解質層25側の界面に向かってリチウム濃度が漸増し、その反対側に向かって第2金属濃度が漸増した負極複合層29を形成できる。かくして、図9に示したような積層構造を有するエネルギーデバイスを得ることが出来る。   First, the material of the positive electrode current collector layer 27 is deposited on the substrate 22 through the first opening 58a by the first thin film forming source 61, and the positive electrode current collector layer 27 is formed. Next, the material of the positive electrode active material layer 26 is deposited on the substrate 22 through the second opening 58b by the second thin film formation source 62, and the positive electrode active material layer 26 is formed. At this time, the plasma flow 67 a from the plasma gun 67 imparts energy to the material particles of the positive electrode active material layer 26 from the second thin film formation source 62. Next, the material of the solid electrolyte layer 25 adheres on the substrate 22 through the third opening 58c by the third thin film formation source 63, and the solid electrolyte layer 25 is formed. Finally, lithium particles from the fourth thin film formation source 64 and second metal particles from the fifth thin film formation source 65 adhere to the substrate 22 through the fourth openings 58d, and the negative electrode composite layer 29 is formed. Since the fourth thin film forming source 64 is arranged on the upstream side and the fifth thin film forming source 65 is arranged on the downstream side along the traveling direction of the base material 22, the lithium thin film formed by the fourth thin film forming source 64 is arranged. A thin film is formed on the base material 22 while the contribution of the thin film formation shifts from the formation to the formation of the second metal thin film by the fifth thin film formation source 65. Therefore, the negative electrode composite layer 29 in which the lithium concentration gradually increases toward the interface on the solid electrolyte layer 25 side and the second metal concentration gradually increases toward the opposite side can be formed. Thus, an energy device having a laminated structure as shown in FIG. 9 can be obtained.

[実施例2]
実施の形態2に対応した実施例を示す。
[Example 2]
An example corresponding to the second embodiment will be described.

実施例2として、図10に示した装置を用い、基板22として20μm厚のポリイミド基板を用いた。この基板22の上に、第1薄膜形成源61により正極集電体層27として0.5μm厚のニッケル薄膜を、第2薄膜形成源62により正極活物質層26として4μm厚のコバルト酸リチウム薄膜を、第3薄膜形成源63により固体電解質層25として2μm厚のリン酸リチウム系の薄膜を、順に形成した。更に、第4薄膜形成源64からリチウムを、第5薄膜形成源65からアルミニウムを、それぞれ蒸発させて、二源蒸着法により3μm厚の負極複合層29を形成した。かくして、図9に示したエネルギーデバイスを得た。   As Example 2, the apparatus shown in FIG. 10 was used, and a 20 μm-thick polyimide substrate was used as the substrate 22. On the substrate 22, a nickel thin film having a thickness of 0.5 μm is formed as the positive electrode current collector layer 27 by the first thin film forming source 61, and a lithium cobalt oxide thin film having a thickness of 4 μm is formed as the positive electrode active material layer 26 by the second thin film forming source 62. 2 μm thick lithium phosphate thin films were sequentially formed as the solid electrolyte layer 25 by the third thin film forming source 63. Further, lithium was evaporated from the fourth thin film forming source 64 and aluminum was evaporated from the fifth thin film forming source 65, respectively, and the negative electrode composite layer 29 having a thickness of 3 μm was formed by a two-source vapor deposition method. Thus, the energy device shown in FIG. 9 was obtained.

図9に示す構成のエネルギーデバイスの正極集電体層27及び負極複合層29から電極引出しを行い、0.2Cの充放電速度で充放電試験を行った。その結果、正極活物質量などから予想される理論容量の97%の電池容量が確認出来た。   Electrodes were extracted from the positive electrode current collector layer 27 and the negative electrode composite layer 29 of the energy device having the configuration shown in FIG. 9, and a charge / discharge test was performed at a charge / discharge rate of 0.2C. As a result, a battery capacity of 97% of the theoretical capacity expected from the amount of the positive electrode active material was confirmed.

実施例2と同じ条件で、シリコン基板上に負極複合層29のみを形成し、膜厚方向におけるリチウム、アルミニウム、酸素、及びシリコンの分布を調べた。結果を図11に示す。元素分布の測定は、試料を膜表面からプラズマエッチングしながら分光分析する手法で行い、検出信号強度を標準試料のデータで校正することにより組成データを求めた。   Under the same conditions as in Example 2, only the negative electrode composite layer 29 was formed on the silicon substrate, and the distribution of lithium, aluminum, oxygen, and silicon in the film thickness direction was examined. The results are shown in FIG. The element distribution was measured by a technique of spectroscopic analysis of the sample while plasma etching from the film surface, and the composition data was obtained by calibrating the detection signal intensity with the data of the standard sample.

図11の膜厚方向の組成分布から、実施例2のエネルギーデバイスでは、負極複合層29の表面近傍においてLi濃度が低いことが分かった。   From the composition distribution in the film thickness direction of FIG. 11, it was found that in the energy device of Example 2, the Li concentration was low in the vicinity of the surface of the negative electrode composite layer 29.

図11において、負極複合層29の表面又はその近傍におけるリチウム濃度Lic及びアルミニウム濃度Alcとしたとき、リチウム比率Rc(=Lic/(Lic+Alc)×100)は、0at%である。また、Rc≦20at%を満足する部分の厚みTは500nmである。Rc/T=0(at%/μm)である。実施例2のエネルギーデバイスは、高湿雰囲気で放置したときの負極複合層29表面の変色がなく、また、充放電サイクルにおける電池特性に優れていた。   In FIG. 11, the lithium ratio Rc (= Lic / (Lic + Alc) × 100) is 0 at% when the lithium concentration Lic and the aluminum concentration Alc at or near the surface of the negative electrode composite layer 29 are used. The thickness T of the portion satisfying Rc ≦ 20 at% is 500 nm. Rc / T = 0 (at% / μm). The energy device of Example 2 had no discoloration on the surface of the negative electrode composite layer 29 when left in a high humidity atmosphere, and was excellent in battery characteristics in a charge / discharge cycle.

また、図11において、負極複合層29のリチウムの分布曲線及びアルミニウムの分布曲線をシリコン基板側(エネルギーデバイスでは、固体電解質層25側に相当する)に延長する。シリコン基板との界面(エッチング深さが約3μmの地点)近傍で酸素濃度がピークを示す位置での、リチウムの延長線及びアルミニウムの延長線が示す元素濃度を、それぞれLie、Aleとする。これより、負極複合層29のシリコン基板側でのリチウム比率Re(=Lie/(Lie+Ale)×100)は、90at%であり、リチウム比率Reが好ましい数値範囲であるRe≧70at%を満足していた。従って、実施例2のエネルギーデバイスは、良好な充放電サイクル特性を有していた。   In FIG. 11, the lithium distribution curve and the aluminum distribution curve of the negative electrode composite layer 29 are extended to the silicon substrate side (corresponding to the solid electrolyte layer 25 side in the energy device). The element concentrations indicated by the extension line of lithium and the extension line of aluminum at the position where the oxygen concentration peaks near the interface with the silicon substrate (point where the etching depth is about 3 μm) are set to Lie and Ale, respectively. Accordingly, the lithium ratio Re (= Lie / (Lie + Ale) × 100) on the silicon substrate side of the negative electrode composite layer 29 is 90 at%, and the lithium ratio Re satisfies a preferable numerical range of Re ≧ 70 at%. It was. Therefore, the energy device of Example 2 had good charge / discharge cycle characteristics.

本発明のエネルギーデバイスの利用分野は特に限定されないが、例えば薄型、軽量の小型携帯機器の2次電池として利用することができる。   The field of application of the energy device of the present invention is not particularly limited, but it can be used as a secondary battery for a thin, lightweight, small portable device, for example.

本発明の実施の形態1にかかるエネルギーデバイスの積層構造の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the laminated structure of the energy device concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1にかかるエネルギーデバイスの製品形態の一例の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of an example of the product form of the energy device concerning Embodiment 1 of this invention. 図2に示したエネルギーデバイスの製品形態の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the product form of the energy device shown in FIG. 本発明の実施の形態1にかかるエネルギーデバイスの製品形態の別の一例の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of another example of the product form of the energy device concerning Embodiment 1 of this invention. 図5(A)は、本発明のエネルギーデバイスにおけるヒューズ部の一例を示した平面図、図5(B)は、図5(A)における5B−5B線での矢視断面図である。FIG. 5A is a plan view showing an example of the fuse portion in the energy device of the present invention, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line 5B-5B in FIG. 5A. 本発明のエネルギーデバイスの実施の形態1にかかる製造装置の一例の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of an example of the manufacturing apparatus concerning Embodiment 1 of the energy device of this invention. 実施例1に対応する負極集電体層及び組成傾斜型負極活物質層の厚さ方向の元素分布図である。4 is an element distribution diagram in the thickness direction of a negative electrode current collector layer and a composition gradient negative electrode active material layer corresponding to Example 1. FIG. 比較例1に対応する負極集電体層及び負極活物質層の厚さ方向の元素分布図である。6 is an element distribution diagram in the thickness direction of a negative electrode current collector layer and a negative electrode active material layer corresponding to Comparative Example 1. FIG. 本発明の実施の形態2にかかるエネルギーデバイスの積層構造の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the laminated structure of the energy device concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明のエネルギーデバイスの実施の形態2にかかる製造装置の一例の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of an example of the manufacturing apparatus concerning Embodiment 2 of the energy device of this invention. 実施例2に対応する負極複合層の厚さ方向の元素分布図である。5 is an element distribution diagram in the thickness direction of a negative electrode composite layer corresponding to Example 2. FIG. 固体電解質を用いたリチウムイオン2次電池の一般的構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the general structure of the lithium ion secondary battery using a solid electrolyte. 負極活物質層の従来の形成方法の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the conventional formation method of a negative electrode active material layer. 負極活物質層の従来の量産的形成方法の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the conventional mass-production formation method of a negative electrode active material layer.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・巻回体
11・・・内芯
12・・・外部電極
15・・・外部電極
16・・・ヒューズ部
17・・・保護層
20・・・電池要素
22・・・基板
23・・・負極集電体層
24・・・組成傾斜型負極活物質層
25・・・固体電解質層
26・・・正極活物質層
27・・・正極集電体層
29・・・負極複合層
30・・・真空成膜装置
31・・・真空槽
31a・・・隔壁
31b・・・搬送室
31c・・・薄膜形成室
31d・・・開口
32・・・巻き出しロール
33・・・キャンロール
34・・・巻き取りロール
35a,35b・・・搬送ロール
37・・・真空ポンプ
41・・・第1薄膜形成源
42・・・第2薄膜形成源
43・・・粒子
45・・・薄膜
50・・・真空成膜装置
51・・・真空槽
51a・・・隔壁
51b・・・搬送室
51c・・・薄膜形成室
52・・・巻き出しロール
53a,53b・・・キャンロール
54・・・巻き取りロール
55a,55b,55c,55d・・・搬送ロール
58a〜58d・・・開口
57a,57b・・・真空ポンプ
61・・・第1薄膜形成源
62・・・第2薄膜形成源
63・・・第3薄膜形成源
63・・・第4薄膜形成源
65・・・第5薄膜形成源
67・・・プラズマガン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Rolled body 11 ... Inner core 12 ... External electrode 15 ... External electrode 16 ... Fuse part 17 ... Protective layer 20 ... Battery element 22 ... Substrate 23- ··· Negative electrode current collector layer 24 ··· Composition gradient negative electrode active material layer 25 ··· Solid electrolyte layer 26 ··· Positive electrode active material layer 27 ··· Positive electrode current collector layer 29 ··· Negative electrode composite layer 30 ... Vacuum film forming apparatus 31 ... Vacuum chamber 31a ... Branch 31b ... Transfer chamber 31c ... Thin film forming chamber 31d ... Opening 32 ... Unwinding roll 33 ... Can roll 34 ... take-up rolls 35a, 35b ... transport roll 37 ... vacuum pump 41 ... first thin film forming source 42 ... second thin film forming source 43 ... particles 45 ... thin film 50 ..Vacuum film forming apparatus 51 ... Vacuum chamber 51a ... Partition wall 51b ... Transfer chamber 51c ... Thin Forming chamber 52 ... Unwinding rolls 53a, 53b ... Can roll 54 ... Winding rolls 55a, 55b, 55c, 55d ... Conveying rolls 58a-58d ... Openings 57a, 57b ... Vacuum Pump 61 ... First thin film formation source 62 ... Second thin film formation source 63 ... Third thin film formation source 63 ... Fourth thin film formation source 65 ... Fifth thin film formation source 67 ... Plasma gun

Claims (11)

固体電解質層と、リチウム及び第2金属を含む負極活物質層とを有するエネルギーデバイスであって、
前記負極活物質層におけるリチウムの濃度が前記固体電解質層側の界面に向かって漸増していることを特徴とするエネルギーデバイス。
An energy device having a solid electrolyte layer and a negative electrode active material layer containing lithium and a second metal,
An energy device, wherein a concentration of lithium in the negative electrode active material layer gradually increases toward an interface on the solid electrolyte layer side.
前記第2金属が仕事関数が4eV以上の金属である請求項1に記載のエネルギーデバイス。   The energy device according to claim 1, wherein the second metal is a metal having a work function of 4 eV or more. 前記負極活物質層に含まれるリチウムの、リチウムと前記第2金属との合計に対する比率が前記固体電解質側の界面又はその近傍で70at%以上である請求項1に記載のエネルギーデバイス。   2. The energy device according to claim 1, wherein a ratio of lithium contained in the negative electrode active material layer to the total of lithium and the second metal is 70 at% or more at or near the interface on the solid electrolyte side. 前記負極活物質層に含まれるリチウムの、リチウムと前記第2金属との合計に対する比率が、前記固体電解質とは反対側の界面又はその近傍で60at%以下である請求項1に記載のエネルギーデバイス。   2. The energy device according to claim 1, wherein a ratio of lithium contained in the negative electrode active material layer to the total of lithium and the second metal is 60 at% or less at an interface opposite to the solid electrolyte or in the vicinity thereof. . 前記第2金属がアルミニウムである請求項1に記載のエネルギーデバイス。   The energy device according to claim 1, wherein the second metal is aluminum. 前記負極活物質層の前記固体電解質とは反対側の表面上に集電体層が形成されていない請求項1に記載のエネルギーデバイス。   The energy device according to claim 1, wherein a current collector layer is not formed on a surface of the negative electrode active material layer opposite to the solid electrolyte. 固体電解質層と、リチウム及び第2金属を含む負極複合層とを有するエネルギーデバイスであって、
前記第2金属は仕事関数が4eV以上の金属であり、
前記負極複合層におけるリチウムの濃度が前記固体電解質層から離れるにしたがって漸減しており、
前記負極複合層の前記固体電解質層とは反対側の界面又はその近傍に、前記負極複合層に含まれるリチウムの、リチウムと前記第2金属との合計に対する比率が20at%以下の領域が厚さ100nm以上で存在することを特徴とするエネルギーデバイス。
An energy device having a solid electrolyte layer and a negative electrode composite layer containing lithium and a second metal,
The second metal is a metal having a work function of 4 eV or more,
The lithium concentration in the negative electrode composite layer gradually decreases as the distance from the solid electrolyte layer increases.
The region where the ratio of lithium contained in the negative electrode composite layer to the total of lithium and the second metal is 20 at% or less is thick at the interface or the vicinity thereof opposite to the solid electrolyte layer of the negative electrode composite layer. An energy device characterized by being present at 100 nm or more.
前記負極複合層に含まれるリチウムの、リチウムと前記第2金属との合計に対する比率が前記固体電解質側の界面又はその近傍で70at%以上である請求項7に記載のエネルギーデバイス。   8. The energy device according to claim 7, wherein a ratio of lithium contained in the negative electrode composite layer to the total of lithium and the second metal is 70 at% or more at the interface on the solid electrolyte side or in the vicinity thereof. 前記第2金属がアルミニウムである請求項7に記載のエネルギーデバイス。   The energy device according to claim 7, wherein the second metal is aluminum. 前記負極複合層の前記固体電解質とは反対側の表面上に集電体層が形成されていない請求項7に記載のエネルギーデバイス。   The energy device according to claim 7, wherein a current collector layer is not formed on a surface of the negative electrode composite layer opposite to the solid electrolyte. 固体電解質層上に、リチウム及び第2金属を含む負極層を真空薄膜プロセスにより形成する工程を有するエネルギーデバイスの製造方法であって、
前記リチウムを積層するための第1薄膜形成源と前記第2金属を積層するための第2薄膜形成源とを用い、
前記第1薄膜形成源による薄膜形成から前記第2薄膜形成源による薄膜形成に薄膜形成の寄与度を移行させて前記負極層を形成することを特徴とするエネルギーデバイスの製造方法。
A method for producing an energy device comprising a step of forming a negative electrode layer containing lithium and a second metal on a solid electrolyte layer by a vacuum thin film process,
Using a first thin film forming source for laminating the lithium and a second thin film forming source for laminating the second metal,
A method of manufacturing an energy device, wherein the negative electrode layer is formed by shifting the contribution of thin film formation from thin film formation by the first thin film formation source to thin film formation by the second thin film formation source.
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