JP2005093373A - Energy device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
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,
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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Li2.9PO3.3N0.36)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−P2S5、Li2S−B2S3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
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
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
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
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
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
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
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,
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,
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。
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
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
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
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
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
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
[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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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Li2.9PO3.3N0.36)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−P2S5、Li2S−B2S3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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
[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
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
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
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
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
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
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.
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
Claims (11)
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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