JP2005259637A - Negative electrode for secondary battery, its manufacturing method, and secondary battery using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode for a secondary battery having a high capacity, excellent cycle characteristics, and excellent efficiency, by reducing a volume change of the negative electrode when it occludes and discharges a lithium ion, and its manufacturing method. <P>SOLUTION: This negative electrode for the secondary battery is formed of a metal compound nanostruture having a structure in which columnar structures are arranged. A target material and a base material are disposed in a reaction chamber, beam light is irradiated on the target material to excite it while introducing helium into the reaction chamber, a substance contained in the desorbed target material is condensed by helium to grow it, and thereby the electrode for the secondary battery is deposited on the base material as the metal compound nanostructure having the structure in which the columnar structures are arranged. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高容量かつサイクル寿命、効率に優れた二次電池用負極及びその製造方法と、これを用いた二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode for a secondary battery having high capacity, cycle life, and efficiency, a method for producing the same, and a secondary battery using the same.

近年、電子機器の小型化に伴い、電池の高エネルギー密度化が要求されており、そのため、高性能リチウム(Li)イオン二次電池が開発されている。当初、Li二次電池は負極に金属Liを用いていたが、高エネルギー密度を有する負極が得られる反面、充電時にLiが析出し、充放電効率の低下や正極と接して内部短絡を生じるという問題を生じた。このため、現在は、Liを可逆的に吸蔵、放出ができサイクル寿命特性、安全性に優れた黒鉛系の炭素材料を負極に用いたLiイオン二次電池が実用化されている。   In recent years, with the miniaturization of electronic devices, there has been a demand for higher energy density of batteries. For this reason, high-performance lithium (Li) ion secondary batteries have been developed. Initially, Li secondary batteries used metal Li for the negative electrode, but a negative electrode having a high energy density was obtained, but on the other hand, Li was deposited during charging, resulting in a decrease in charge / discharge efficiency and contact with the positive electrode, resulting in an internal short circuit. Caused a problem. Therefore, at present, Li ion secondary batteries using a graphite-based carbon material that can reversibly store and release Li and have excellent cycle life characteristics and safety as a negative electrode have been put into practical use.

しかしながら、黒鉛系炭素材料を負極に使用した場合、その理論容量が372mAh/gと金属Liと比べて小さく、また理論密度も2.2g/ccと低く、Li二次電池本来の特徴である高エネルギー密度を充分に得られない。   However, when a graphite-based carbon material is used for the negative electrode, its theoretical capacity is 372 mAh / g, which is smaller than that of metal Li, and its theoretical density is 2.2 g / cc, which is a characteristic characteristic of Li secondary batteries. A sufficient energy density cannot be obtained.

そこで、体積当たりでより高容量化が可能な金属系材料の検討が行われているが、金属系材料の負極への利用にはサイクル性に問題が生じる。充放電を繰り返すうちに負極が膨張、収縮を繰り返し、クラック等を生じ充分な集電性を維持できなくなるのである。例えば、スズ(Sn)は、Liをドープ、脱ドープできる物質として知られており、理論容量も790mAh/gという高い値を有する。しかし、板状のSnにLiをドープすると大きな体積膨張を伴うことからサイクル性の良い電池を作製することは困難であった。これは、度重なるサイクルにより体積変化を繰り返したSnが、基板となる板状のSnからLiを含んだまま遊離し、充放電に関与しなくなるためと考えられている。   Thus, metal materials capable of higher capacity per volume have been studied. However, the use of metal materials for negative electrodes has a problem in cycle performance. As the charge and discharge are repeated, the negative electrode repeatedly expands and contracts, causing cracks and the like, and sufficient current collection cannot be maintained. For example, tin (Sn) is known as a substance that can be doped and dedoped with Li, and has a high theoretical capacity of 790 mAh / g. However, it has been difficult to produce a battery with good cycleability because the plate-like Sn is doped with Li because of a large volume expansion. This is considered to be because Sn, which has repeatedly changed in volume by repeated cycles, is released from the plate-like Sn serving as the substrate while containing Li, and does not participate in charge / discharge.

さらに、最近では、金属酸化物導電体材料が高い充放電容量を有する材料として注目されている。例えば、特許文献1には、酸化スズをLi二次電池用負極に用いた場合に、高い放電容量が得られたことが開示されている。また、特許文献2には、酸化スズの比表面積を大きくすることで、単位重量当たりの充放電容量が増大することが開示されている。さらに、第二成分元素の添加や、金属酸化物の非晶質化といった手段も試みられている。   Furthermore, recently, a metal oxide conductor material has attracted attention as a material having a high charge / discharge capacity. For example, Patent Document 1 discloses that a high discharge capacity was obtained when tin oxide was used for a negative electrode for a Li secondary battery. Patent Document 2 discloses that the charge / discharge capacity per unit weight is increased by increasing the specific surface area of tin oxide. Furthermore, attempts have been made to add a second component element or to make the metal oxide amorphous.

一方、二次電池の小型化、回路基板との一体化の要求に対して、固体電解質を用いた新たなLiイオン二次電池の構成が提案されている。例えば、電池の基本構成材料である電極、電解質を真空プロセスにより薄膜状に積層した構成の電池が開示されている(特許文献3参照)。このような構成の電池においても、上記の問題点は共通である。
特開平07―122274号公報 特開平10―233211号公報 特開2001−76710号公報 特開平10−004220号公報 特開平10−003904号公報 特開2003−147514号公報 特開2003−306764号公報 特開2003−268536号公報 レーザー研究(社団法人 レーザー学会) 第28巻 第6号 佐々木 毅ら、「レーザーアブレーションによる金属酸化物ナノ粒子の調製」、2000年6月
On the other hand, a new configuration of a Li-ion secondary battery using a solid electrolyte has been proposed in response to the demand for miniaturization of a secondary battery and integration with a circuit board. For example, a battery having a configuration in which an electrode and an electrolyte, which are basic constituent materials of a battery, are laminated in a thin film by a vacuum process is disclosed (see Patent Document 3). The above problem is common to the batteries having such a configuration.
Japanese Patent Laid-Open No. 07-122274 Japanese Patent Laid-Open No. 10-23321 JP 2001-76710 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-004220 JP-A-10-003904 JP 2003-147514 A JP 2003-306764 A JP 2003-268536 A Laser Research (The Laser Society of Japan) Vol. 28, No. 6, Sasaki, et al., “Preparation of metal oxide nanoparticles by laser ablation”, June 2000

上記のように、従来の二次電池においては、Liイオンの吸蔵及び放出時における負極の体積変化により、サイクル寿命が短くなるという課題があった。また、この課題を解決するために、負極内に細孔を形成して比表面積を大きくすると、一定の体積の電池に充填可能な活物質の重量が低下してしまい、電池として充放電容量が低下するという課題があった。   As described above, the conventional secondary battery has a problem that the cycle life is shortened due to the volume change of the negative electrode during the insertion and release of Li ions. Also, in order to solve this problem, if pores are formed in the negative electrode to increase the specific surface area, the weight of the active material that can be filled in a battery with a constant volume is reduced, and the charge / discharge capacity of the battery is reduced. There was a problem of a decrease.

さらに、従来技術で用いられている負極の形状は粉末状である。粉末形状の材料を負極とする際には結着剤が必要であることから、単位重量及び、単位体積あたりの充放電容量を低下させることになる。   Furthermore, the shape of the negative electrode used in the prior art is powdery. When a powdered material is used as the negative electrode, a binder is required, and therefore the unit weight and charge / discharge capacity per unit volume are reduced.

したがって、二次電池の負極としては、活物質材料を無駄な空間が無く均一な形状で規則性を持って配置し、さらに活物質層の厚みも均一にすることが、よりLiの吸蔵、放出を円滑にし、電池の重量あたり、及び体積あたりのエネルギー密度の向上につながるのである。   Therefore, as the negative electrode of the secondary battery, the active material is arranged with regularity in a uniform shape with no wasted space, and the thickness of the active material layer is also made uniform, so that more Li can be occluded and released. This leads to an improvement in energy density per weight and per volume of the battery.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、Liイオンの吸蔵及び放出時における負極の体積変化を低減し、高容量かつサイクル寿命、効率に優れた二次電池用負極を提供することを目的とする。そして、その製造方法において、それら良好な特性を得られる二次電池用負極を得るための製造プロセスを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and provides a negative electrode for a secondary battery that reduces the volume change of the negative electrode during insertion and extraction of Li ions and has high capacity, cycle life, and efficiency. Objective. And in the manufacturing method, it aims at providing the manufacturing process for obtaining the negative electrode for secondary batteries which can acquire those favorable characteristics.

上記課題を解決するために、本発明の二次電池用負極は、柱状構造が配列した構造を有する金属化合物ナノ構造体で構成されている二次電池用負極としたものである。   In order to solve the above problems, the negative electrode for a secondary battery of the present invention is a negative electrode for a secondary battery composed of a metal compound nanostructure having a structure in which columnar structures are arranged.

上記の構成によって、活物質材料を無駄な空間が無く均一な形状で規則性を持って配置し、さらに活物質層の厚みも均一にすることが可能となり、よりLiの吸蔵、放出を円滑にし、電池の重量あたり、及び体積あたりのエネルギー密度の向上した二次電池用負極および、その製造方法を提供することができる。   With the above configuration, the active material can be arranged with regularity in a uniform shape with no wasted space, and the thickness of the active material layer can be made uniform, further smoothing the insertion and release of Li. Further, it is possible to provide a negative electrode for a secondary battery having improved energy density per weight and volume of the battery, and a method for producing the same.

より具体的には、本発明の請求項1に記載の発明は、柱状構造が配列した構造を有する金属化合物ナノ構造体で構成されていることを特徴とする二次電池用負極である。   More specifically, the invention described in claim 1 of the present invention is a negative electrode for a secondary battery characterized in that it is composed of a metal compound nanostructure having a structure in which columnar structures are arranged.

さらに、請求項2記載のように、柱状構造が、ナノメートルサイズの微細な樹枝構造を構成単位としてなることが望ましい。   Furthermore, as described in claim 2, it is desirable that the columnar structure has a fine dendritic structure having a nanometer size as a constituent unit.

以上の構成により、活物質材料を無駄な空間が無く均一な形状で規則性を持って配置し、さらに活物質層の厚みも均一にすることが可能となり、Liイオンの吸蔵及び放出時における負極の体積変化を低減することができる。   With the above configuration, the active material can be arranged with regularity in a uniform shape with no wasted space, and the thickness of the active material layer can be made uniform, and the negative electrode at the time of occlusion and release of Li ions The volume change of can be reduced.

ここで、請求項3記載のように、前記金属化合物ナノ構造体が、少なくともSn、In、Si、Ge、Al、Ga、Sb、Bi、Tiから選択されるいずれか1種以上を成分として有する酸化物導電体から構成されていることが好ましい。この構成により、導電性を保つための導電体材料を混合する必要がなく、負極をより高密度に充填することができる。   Here, as described in claim 3, the metal compound nanostructure has at least one selected from Sn, In, Si, Ge, Al, Ga, Sb, Bi, and Ti as a component. It is preferable that it is composed of an oxide conductor. With this configuration, it is not necessary to mix conductive materials for maintaining conductivity, and the negative electrode can be filled with higher density.

請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれかに記載の二次電池用負極を用いたことを特徴とする二次電池である。   The invention described in claim 4 is a secondary battery using the secondary battery negative electrode according to any one of claims 1 to 3.

また、請求項5に記載の発明は、請求項1から3のいずれかに記載の負極を用いた負極と、固体電解質と、正極を含むことを特徴とする薄膜固体リチウム二次電池である。   The invention according to claim 5 is a thin film solid lithium secondary battery comprising a negative electrode using the negative electrode according to any one of claims 1 to 3, a solid electrolyte, and a positive electrode.

以上の構成により、高容量かつサイクル寿命、効率に優れた二次電池を提供することができる。   With the above configuration, a secondary battery with high capacity, cycle life, and efficiency can be provided.

請求項6に記載の発明は、ターゲット材及び基材を反応室内に配置する工程と、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより前記ターゲット材近傍に形成される高温高圧領域のサイズを制御するために、前記反応室に導入する雰囲気ガスの圧力及び、前記ターゲット材と前記基板との間の距離を調整する工程と、前記反応室に前記圧力で前記雰囲気ガスを導入しながら、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより励起し、脱離した前記ターゲット材に含まれる物質を前記雰囲気ガス中で凝縮・成長させて、柱状構造が配列した構造を有する金属化合物ナノ構造体を前記基材上に堆積する工程と、を具備することを特徴とする二次電池用負極の製造方法である。   The invention according to claim 6 controls the size of the high temperature and high pressure region formed in the vicinity of the target material by arranging the target material and the base material in the reaction chamber and irradiating the target material with beam light. Therefore, adjusting the pressure of the atmospheric gas introduced into the reaction chamber and the distance between the target material and the substrate, and introducing the atmospheric gas at the pressure into the reaction chamber, the target material The base material is formed of a metal compound nanostructure having a structure in which columnar structures are arranged by condensing and growing a substance contained in the target material that has been excited and desorbed by irradiating the target with a beam of light in the atmospheric gas. And a step of depositing on the negative electrode for a secondary battery.

ここで、請求項7記載のように、柱状構造が、ナノメートルサイズの微細な樹枝構造を構成単位としてなることが望ましい。   Here, as described in claim 7, it is desirable that the columnar structure has a fine dendritic structure having a nanometer size as a constituent unit.

以上の構成により、二次電池用負極の薄膜化・固定化が容易な製造方法を提供することができる。   With the above configuration, it is possible to provide a manufacturing method that facilitates thinning and fixing of the negative electrode for a secondary battery.

請求項8に記載の発明は、請求項6または7記載の方法により製造される二次電池用負極を用いたことを特徴とする二次電池である。   The invention described in claim 8 is a secondary battery using the negative electrode for a secondary battery manufactured by the method described in claim 6 or 7.

本発明によれば、柱状構造が配列した構造を有する金属化合物ナノ構造体で構成されている二次電池用負極とすることで、活物質材料を無駄な空間が無く均一な形状で規則性を持って配置し、さらに活物質層の厚みも均一にすることが可能となり、充放電の繰り返しによる劣化が少なく、かつ高充放電容量・高エネルギー密度を有する二次電池用負極を提供することができる。   According to the present invention, by forming a negative electrode for a secondary battery composed of a metal compound nanostructure having a structure in which columnar structures are arranged, the active material has regularity in a uniform shape without wasted space. It is possible to provide a negative electrode for a secondary battery having a high charge / discharge capacity and a high energy density that is less likely to be deteriorated due to repeated charge / discharge, and can be made uniform in thickness. it can.

また、本発明の二次電池用負極の製造方法は、高純度な気相薄膜プロセスであることから、高純度な金属化合物ナノ構造体を基材上へ直接堆積することができるため、二次電池用負極の薄膜化・固定化が容易な作製方法を提供することができる。   Moreover, since the manufacturing method of the negative electrode for secondary batteries of this invention is a highly purified vapor-phase thin film process, since a highly purified metal compound nanostructure can be directly deposited on a base material, It is possible to provide a manufacturing method that facilitates thinning and fixing of the negative electrode for a battery.

さらに、本発明の二次電池用負極を用いて二次電池を作製することで、高サイクル寿命、高充放電容量、高エネルギー密度を有する二次電池を提供することができる。特に、本発明の二次電池用負極を用いた薄膜固体Li二次電池は、半導体プロセスとの整合性も高いため、半導体の集積回路上に電池を組み入れることも可能となる。   Furthermore, a secondary battery having a high cycle life, a high charge / discharge capacity, and a high energy density can be provided by producing a secondary battery using the negative electrode for a secondary battery of the present invention. In particular, the thin-film solid Li secondary battery using the negative electrode for a secondary battery of the present invention has high compatibility with a semiconductor process, and therefore, the battery can be incorporated on a semiconductor integrated circuit.

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

(実施の形態1)
本実施の形態においては、二次電池用負極について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a negative electrode for a secondary battery will be described.

本実施の形態における二次電池用負極は、数十nm〜数百nm程度の大きさの柱状構造が、間隙を持って配列した構造を有する金属化合物ナノ構造体から構成されている。さらに、各柱状構造は、数nm〜100nm程度の大きさの微細な樹枝構造から構成されている。この金属化合物ナノ構造体の材料としては、Liを吸蔵、放出できる、Sn、In、Si、Ge、Al、Ga、Sb、Bi、Tiから選択されるいずれか1種以上を成分として有する金属化合物を用いる。すなわち、本願ではこれらに代表される非遷移金属が用いられる。   The negative electrode for a secondary battery in the present embodiment is composed of a metal compound nanostructure having a structure in which columnar structures having a size of about several tens of nm to several hundreds of nm are arranged with gaps. Furthermore, each columnar structure is composed of a fine dendritic structure having a size of about several nm to 100 nm. As a material of this metal compound nanostructure, a metal compound having any one or more selected from Sn, In, Si, Ge, Al, Ga, Sb, Bi, and Ti as a component, which can occlude and release Li Is used. That is, in the present application, non-transition metals represented by these are used.

さらに、上記金属化合物ナノ構造体の主たる成分が、少なくともSn、In、Si、Ge、Al、Ga、Sb、Bi、Tiから選択されるいずれか1種以上を成分として有する酸化物導電体であることが好適である。この構成により、導電性を保つための導電体材料を混合する必要がなく、負極をより高密度に充填することができる。   Further, the main component of the metal compound nanostructure is an oxide conductor having as a component at least one selected from Sn, In, Si, Ge, Al, Ga, Sb, Bi, and Ti. Is preferred. With this configuration, it is not necessary to mix conductive materials for maintaining conductivity, and the negative electrode can be filled with higher density.

上記の構造を有する二次電池用負極として、図1に、酸化スズナノ構造体からなる二次電池用負極の電子顕微鏡写真を示す。(a)は、走査電子顕微鏡(SEM)による断面観察写真であり、柱状構造が配列した構造となっており、その厚みがほぼ均一になっている。(b)は、(a)の柱状構造の先端部分を、高分解能を有する透過電子顕微鏡(TEM)で観察した写真であり、柱状構造がナノメートルサイズの微細な樹枝構造で形成されていることがわかる。   As a negative electrode for a secondary battery having the above structure, FIG. 1 shows an electron micrograph of a negative electrode for a secondary battery comprising a tin oxide nanostructure. (A) is the cross-sectional observation photograph by a scanning electron microscope (SEM), and has the structure where the columnar structure was arranged, and the thickness is substantially uniform. (B) is a photograph of the tip of the columnar structure of (a) observed with a transmission electron microscope (TEM) having high resolution, and the columnar structure is formed with a fine dendritic structure of nanometer size. I understand.

以上の構成において、ナノメートルサイズの微細な樹枝構造を形成することで、活物質の比表面積を大きくし、かつ高密度充填を可能とし、Liイオンの吸蔵、放出を円滑かつ効率よく行うことができる。また、この樹枝構造を構成単位とする柱状構造を規則性を持って配置することで、活物質層の厚みを一定に制御できるとともに、負極作製の際の結着剤が不要になり、負極内部でのLiイオンの拡散を均一にし、かつ二次電池の重量あたり及び体積あたりのエネルギー密度を向上させることができる。さらに、樹枝構造及び柱状構造で形成される空隙が、Liイオンの吸蔵及び放出時における負極の体積変化を緩和することで、二次電池のサイクル特性を向上することができる。   In the above configuration, by forming a nanometer-sized fine dendritic structure, it is possible to increase the specific surface area of the active material and enable high-density packing, and smoothly and efficiently absorb and release Li ions. it can. In addition, by arranging the columnar structure having this dendritic structure as a regular unit with regularity, the thickness of the active material layer can be controlled to be constant, and a binder is not required during the production of the negative electrode. The diffusion of Li ions in the battery can be made uniform, and the energy density per weight and per volume of the secondary battery can be improved. Furthermore, the void formed by the dendritic structure and the columnar structure relaxes the volume change of the negative electrode during the insertion and extraction of Li ions, so that the cycle characteristics of the secondary battery can be improved.

(実施の形態2)
本実施の形態においては、実施の形態1で述べた二次電池用負極の製造方法について、酸化スズの場合を例として詳細に説明する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, the method for manufacturing the negative electrode for a secondary battery described in Embodiment 1 will be described in detail by taking the case of tin oxide as an example.

本実施の形態では、雰囲気ガス中におけるレーザアブレーションを用いて基材上に酸化スズナノ構造体を堆積させる。なお、レーザアブレーション法とは、高いエネルギー密度(パルスエネルギー:1.0J/cm2程度又はそれ以上)のレーザ光をターゲット材に照射し、被照射ターゲット材表面を溶融・脱離させる方法である。 In this embodiment, a tin oxide nanostructure is deposited on a substrate by laser ablation in an atmospheric gas. The laser ablation method is a method of irradiating a target material with laser light having a high energy density (pulse energy: about 1.0 J / cm 2 or more) and melting and desorbing the surface of the target material to be irradiated. .

この方法の特徴は、非熱平衡性及び無質量性プロセスであることにある。非熱平衡性における具体的効果としては、空間的・時間的選択励起が可能であることが挙げられる。特に、空間的選択励起性を有することから、従来の熱プロセスやプラズマプロセスにおいては反応槽のかなり広い領域あるいは全体が熱やイオンに晒されるのに対し、レーザアブレーション法では、必要な物質源のみを励起することができるので、不純物混入が抑制されたクリーンなプロセスとなる。また、無質量性とは、同じ非熱平衡性のイオンプロセスに比較して、格段な低ダメージ性であることを意味する。レーザアブレーションにおける脱離物質は、主にイオン及び中性粒子である原子・分子・クラスター(数個から数十個程度の原子から構成される)であり、その運動エネルギーは、イオンで数十eV、中性粒子の場合は数eVのレベルに達する。これは、加熱蒸発原子よりはるかに高エネルギーであるが、イオンビームよりはるかに低エネルギーの領域である。   This method is characterized by a non-thermal equilibrium and massless process. A specific effect on non-thermal equilibrium is that spatial and temporal selective excitation is possible. In particular, because it has spatial selective excitation properties, in a conventional thermal process or plasma process, a considerably large area or the entire reaction vessel is exposed to heat or ions, whereas in the laser ablation method, only a necessary material source is present. Therefore, a clean process in which contamination with impurities is suppressed can be obtained. Further, the massless property means that the damage property is remarkably low as compared with the same non-thermal equilibrium ion process. Desorbed materials in laser ablation are mainly atoms, molecules, and clusters (consisting of several to several tens of atoms) that are ions and neutral particles, and their kinetic energy is several tens eV for ions. In the case of neutral particles, the level reaches several eV. This is a much higher energy region than the heated evaporation atoms, but a much lower energy region than the ion beam.

このようにクリーンでダメージの少ないレーザアブレーションプロセスは、不純物の混入・組成・結晶性等が制御されたナノ構造体の作製に適している。また、そのようなナノ構造体を、基材上へ直接堆積することができるため、負極の薄膜化・固定化が容易である。なお、レーザアブレーション法を用いてナノ構造体作製を行うためには、ターゲット材料が、光源であるレーザ光の波長域で吸収があることが望ましい。   Such a clean and less damaged laser ablation process is suitable for the fabrication of nanostructures with controlled impurity mixing, composition, crystallinity, and the like. Moreover, since such a nanostructure can be directly deposited on a base material, it is easy to make the negative electrode thin and fixed. In order to fabricate the nanostructure using the laser ablation method, it is desirable that the target material has absorption in the wavelength region of the laser beam that is a light source.

図2は、本発明の酸化スズナノ構造体の作製に使用するナノ構造体作製装置の構成を示す図である。ここでは、酸化スズ(SnO2)焼結ターゲットを用いてレーザアブレーションを行うことにより、図1に示したような酸化スズナノ構造体を作製する場合について説明する。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a nanostructure manufacturing apparatus used for manufacturing the tin oxide nanostructure of the present invention. Here, the case where a tin oxide nanostructure as shown in FIG. 1 is produced by performing laser ablation using a tin oxide (SnO 2 ) sintered target will be described.

図2において、参照符号201はターゲットが配置される金属製の反応室を示す。反応室201の底部には、反応室201内の空気を排気して反応室201内を超真空にする超真空排気系202が設けられている。反応室201には、反応室201へ雰囲気ガスを供給するガス導入ライン204が取り付けられている。このガス導入ライン204には、反応室201へ供給する雰囲気ガスの流量を制御するマスフローコントローラ203が取り付けられている。また、反応室201の底部には、反応室201内の雰囲気ガスを差動排気するガス排気系205が設けられている。なお、反応室201とマスフローコントローラ203との間のガス導入ライン204にはバルブが設けられている。また、超真空排気系202と反応室201との間、およびガス排気系205と反応室201との間にも、それぞれバルブが設けられている。   In FIG. 2, reference numeral 201 indicates a metal reaction chamber in which a target is disposed. At the bottom of the reaction chamber 201 is provided an ultra-vacuum exhaust system 202 that exhausts the air in the reaction chamber 201 to make the reaction chamber 201 ultra-vacuum. A gas introduction line 204 that supplies atmospheric gas to the reaction chamber 201 is attached to the reaction chamber 201. A mass flow controller 203 that controls the flow rate of the atmospheric gas supplied to the reaction chamber 201 is attached to the gas introduction line 204. A gas exhaust system 205 that differentially exhausts the atmospheric gas in the reaction chamber 201 is provided at the bottom of the reaction chamber 201. A valve is provided in the gas introduction line 204 between the reaction chamber 201 and the mass flow controller 203. Valves are also provided between the ultra-vacuum exhaust system 202 and the reaction chamber 201 and between the gas exhaust system 205 and the reaction chamber 201, respectively.

反応室201内には、ターゲット207を保持するターゲットホルダー206が配置されている。このターゲットホルダー206には、回転シャフト206aが取り付けられており、この回転シャフトが図示しない回転制御部の制御で回転することにより、ターゲット207が回転する(8回転/分)ようになっている。このターゲット207の表面に対向するようにして基材209が配置されている。この基材209には、レーザ光の照射により励起されたターゲット207から脱離・射出された物質が堆積される。ここでは、ターゲットとして、二酸化スズ(SnO2)多結晶焼結体ターゲット(純度99.9%)を用いる。 A target holder 206 that holds the target 207 is disposed in the reaction chamber 201. A rotation shaft 206a is attached to the target holder 206, and the target 207 is rotated (8 rotations / minute) by rotating the rotation shaft under the control of a rotation control unit (not shown). A base material 209 is disposed so as to face the surface of the target 207. A substance desorbed and ejected from the target 207 excited by laser light irradiation is deposited on the base material 209. Here, a tin dioxide (SnO 2 ) polycrystalline sintered body target (purity 99.9%) is used as the target.

反応室201の外側には、ターゲット207にエネルギービームとしてのレーザ光を照射するパルスレーザ光源208が配置されている。反応室201の上部には、レーザ光を反応室201内に導入するレーザ導入窓210が取り付けられている。パルスレーザ光源208から出射したレーザ光の光路上には、レーザ光源208から近い順にスリット211,レンズ212,及び反射鏡213が配置されており、パルスレーザ光源208から出射したレーザ光がスリット211により整形され、レンズ212で集光され、反射鏡213で反射されて、レーザ導入窓210を通って反応室201内に設置されたターゲット207に照射されるようになっている。   A pulsed laser light source 208 that irradiates the target 207 with laser light as an energy beam is disposed outside the reaction chamber 201. A laser introduction window 210 for introducing laser light into the reaction chamber 201 is attached to the upper part of the reaction chamber 201. On the optical path of the laser light emitted from the pulse laser light source 208, a slit 211, a lens 212, and a reflecting mirror 213 are arranged in order from the laser light source 208, and the laser light emitted from the pulse laser light source 208 is transmitted through the slit 211. It is shaped, collected by the lens 212, reflected by the reflecting mirror 213, and irradiated to the target 207 installed in the reaction chamber 201 through the laser introduction window 210.

上記構成を有するナノ構造体作製装置における動作について説明する。反応室201の内部を、ターボ分子ポンプを主体とする超高真空排気系202により到達真空1.0×10-6Pa程度まで排気した後、マスフローコントローラ203を経由して、ガス導入ライン204より、Heガスの導入を行う。ここで、スクロールポンプもしくはヘリカル溝ポンプを主体としたガス排気系205の動作と連動することにより、反応室201内の雰囲気希ガス圧力を、10〜1000Pa程度の範囲の一圧力値に設定する。 The operation of the nanostructure manufacturing apparatus having the above configuration will be described. The inside of the reaction chamber 201 is evacuated to an ultimate vacuum of about 1.0 × 10 −6 Pa by an ultra-high vacuum exhaust system 202 mainly composed of a turbo molecular pump, and then from a gas introduction line 204 via a mass flow controller 203. , He gas is introduced. Here, the atmospheric rare gas pressure in the reaction chamber 201 is set to one pressure value in the range of about 10 to 1000 Pa by interlocking with the operation of the gas exhaust system 205 mainly composed of a scroll pump or a helical groove pump.

この状態で、自転機構を有するターゲットホルダー206に配置された、純度:99.9%のSnO2多結晶焼結体ターゲット207の表面に対して、パルスレーザ光源208からレーザ光を照射する。ここでは、アルゴン弗素(ArF)エキシマレーザ(波長:193nm、パルス幅:12ns、パルスエネルギー:50mJ、エネルギー密度:1J/cm2、繰返し周波数:10Hz)を用いた。このとき、SnO2ターゲット207表面では、レーザアブレーション現象が発生し、SnおよびOのイオンあるいは中性粒子(原子、分子、クラスター)が脱離し、当初はイオンで50eV、中性粒子で5eVのオーダーの運動エネルギーを有し、主にターゲット法線方向(すなわち、ターゲット207の表面に対する法線方向)に分子、クラスターレベルの大きさを維持して、射出して行く。そして、この脱離物質は、雰囲気ガス原子(ここではHe)と衝突することにより、飛行方向が乱雑になるとともに、運動エネルギーが雰囲気(すなわち、He)に散逸され、気相中での会合と凝集が促進される。その結果、約35mm離れて対向した基材209上にナノ構造体として堆積される。したがって、基板上に堆積される酸化スズの平均粒径は、雰囲気ガス原子との衝突回数が多いほど、すなわち、雰囲気ガス圧が高いほど大きくなる。なお、基材209の温度、ターゲット207の温度とも積極的な制御は行っていない。 In this state, a laser beam is irradiated from the pulse laser light source 208 to the surface of the SnO 2 polycrystalline sintered body target 207 having a purity of 99.9%, which is disposed on the target holder 206 having a rotation mechanism. Here, an argon fluorine (ArF) excimer laser (wavelength: 193 nm, pulse width: 12 ns, pulse energy: 50 mJ, energy density: 1 J / cm 2 , repetition frequency: 10 Hz) was used. At this time, a laser ablation phenomenon occurs on the surface of the SnO 2 target 207, and Sn and O ions or neutral particles (atoms, molecules, and clusters) are desorbed. It is ejected while maintaining the size of molecules and clusters mainly in the target normal direction (that is, the normal direction to the surface of the target 207). This desorbed material collides with atmospheric gas atoms (here, He), thereby making the flight direction messed up and dissipating kinetic energy into the atmosphere (ie, He). Aggregation is promoted. As a result, it is deposited as a nanostructure on the substrate 209 facing away by about 35 mm. Therefore, the average particle diameter of tin oxide deposited on the substrate increases as the number of collisions with the atmospheric gas atoms increases, that is, as the atmospheric gas pressure increases. In addition, neither the temperature of the base material 209 nor the temperature of the target 207 is positively controlled.

上記の方法により、雰囲気ガスであるHeガスの圧力を10〜1000Paの範囲で変化させて堆積した酸化スズについて、走査電子顕微鏡観察による微細構造評価を行った。その結果、10Paでは最小構成単位が数nm以下の微粒子からなる薄膜状の堆積物が得られ、圧力の増加とともに最小構成単位の微粒子が成長して大きくなりつつ、100Paでは柱状構造の形成が見られるようになった。さらに圧力を増加していくと、柱状構造が明瞭に見られるようになり、各柱状構造の中に空隙が形成されている様子が観察されるようになった。   By the above method, the fine structure was evaluated by observation with a scanning electron microscope for the tin oxide deposited by changing the pressure of the He gas as the atmospheric gas in the range of 10 to 1000 Pa. As a result, a thin-film-like deposit composed of fine particles having a minimum constitutional unit of several nm or less is obtained at 10 Pa, and the formation of a columnar structure is observed at 100 Pa while the fine particles of the smallest constitutional unit grow and increase with increasing pressure. It came to be able to. When the pressure was further increased, the columnar structures became clearly visible, and it was observed that voids were formed in each columnar structure.

一例として、Heガスの圧力を266Paとして堆積した酸化スズの電子顕微鏡観察写真を図1(a)および(b)に示した。(a)は、断面SEM観察写真であり、幅80nm程度の柱状構造が空隙を有して配列した構造となっており、その厚みは560nm程度でほぼ均一である。(b)は、(a)の柱状構造の先端部分の高分解能TEM観察写真であり、柱状構造が、長さが50nm程度の微細な樹枝構造から形成されていることがわかる。さらに、得られたナノ構造体の組成分析を行った結果、いずれの場合もターゲットと同様の組成のSnO2が得られていることがわかった。 As an example, an electron microscope observation photograph of tin oxide deposited at a He gas pressure of 266 Pa is shown in FIGS. (A) is a cross-sectional SEM observation photograph, which is a structure in which columnar structures with a width of about 80 nm are arranged with gaps, and the thickness is approximately uniform at about 560 nm. (B) is a high-resolution TEM observation photograph of the tip of the columnar structure of (a), and it can be seen that the columnar structure is formed from a fine dendritic structure having a length of about 50 nm. Furthermore, as a result of the composition analysis of the obtained nanostructure, it was found that SnO 2 having the same composition as the target was obtained in any case.

さらに圧力を増加していくと、500Pa程度から柱状構造が見られなくなり、100〜200nm程度のサイズの多結晶体が凝集した構造となった。   When the pressure was further increased, a columnar structure was not seen from about 500 Pa, and a polycrystalline body having a size of about 100 to 200 nm was aggregated.

以上の結果をまとめて、表1中の(1)欄に示す。ターゲット−基板間距離(D)が35mm、雰囲気ガスとしてHeを用いた場合には、ガス圧(P)が100〜500Pa程度の範囲で、柱状構造が間隙を持って配列した構造を有するナノ構造体が形成されることがわかった。   The above results are summarized and shown in the (1) column of Table 1. When the target-substrate distance (D) is 35 mm and He is used as the atmospheric gas, the nanostructure has a structure in which columnar structures are arranged with gaps in the range of the gas pressure (P) of about 100 to 500 Pa. It was found that a body was formed.

Figure 2005259637
以上においては、雰囲気ガスとして、Heガスを用いたが、Ar,Kr,Xe,N2等の他の不活性ガスを用いてもよい。この場合、気体密度がHeガスの場合と同等になるように圧力を設定すればよい。例えば、雰囲気ガスとしてAr(気体密度:1.78g/l)を用いる場合には、He(気体密度:0.18g/l)を基準とすると0.1倍程度の圧力に設定すればよい。
Figure 2005259637
In the above, He gas is used as the atmospheric gas, but other inert gases such as Ar, Kr, Xe, and N 2 may be used. In this case, what is necessary is just to set a pressure so that a gas density may become equivalent to the case of He gas. For example, when Ar (gas density: 1.78 g / l) is used as the atmospheric gas, the pressure may be set to about 0.1 times based on He (gas density: 0.18 g / l).

雰囲気ガスにArを用い、ガス圧を変えて堆積した酸化スズについて、走査電子顕微鏡観察による微細構造評価を行った結果を、表1中の(2)欄にまとめて示す。Heガスの場合に比べて一桁程度低い圧力で柱状構造が得られることがわかった。   The results of fine structure evaluation by scanning electron microscope observation on the tin oxide deposited using Ar as the atmospheric gas and changing the gas pressure are summarized in the column (2) of Table 1. It was found that a columnar structure can be obtained at a pressure lower by an order of magnitude than that of He gas.

さらに、レーザアブレーションにおいては、雰囲気ガス圧(P)とターゲット−基板間距離(D)の間に相関関係がある。レーザ照射によりターゲットから射出した物質はプルームと呼ばれるプラズマ状態を形成する。このプルームは雰囲気ガスとの衝突の影響を受けるため、プルームの大きさはガス圧依存性を有し、ガス圧が高いほどその大きさは小さくなる。さらに、堆積物の特性は、ターゲットからの射出物質が基材に到達する時の速度に大きく依存する。このため、同様の特性を得るには、上記速度が一定になるプロセス条件として、PDn=一定という相関関係があり、このnの値は2〜3程度とされている。したがって、例えば、Dを2倍にした場合には、対応するガス圧を1/4〜1/8程度とすればよい。 Further, in laser ablation, there is a correlation between the atmospheric gas pressure (P) and the target-substrate distance (D). A substance emitted from the target by laser irradiation forms a plasma state called a plume. Since this plume is affected by the collision with the atmospheric gas, the size of the plume is dependent on the gas pressure. The higher the gas pressure, the smaller the plume. Furthermore, the characteristics of the deposit are highly dependent on the speed at which the injected material from the target reaches the substrate. For this reason, in order to obtain the same characteristics, there is a correlation that PD n = constant as a process condition in which the speed is constant, and the value of n is about 2 to 3. Therefore, for example, when D is doubled, the corresponding gas pressure may be about 1/4 to 1/8.

ターゲット−基板間距離(D)を50mmとして、Heガス圧を変えて堆積した酸化スズについて、走査電子顕微鏡観察による微細構造評価を行った結果を、表1中の(3)欄にまとめて示す。D=35mmの場合に比べて約1/2の圧力で柱状構造が得られることがわかった。   The results of fine structure evaluation by scanning electron microscope observation on the tin oxide deposited with the target-substrate distance (D) of 50 mm and changing the He gas pressure are summarized in the column (3) in Table 1. . It was found that a columnar structure can be obtained at a pressure of about ½ compared to the case of D = 35 mm.

なお、金属酸化物ナノ構造体の作製においては、特に雰囲気ガス圧が低い場合には、ターゲットから射出された酸素が気体分子になって排気されていき、基材上に堆積する金属酸化物ナノ構造体に酸素抜けが生じることがある。このような場合には、雰囲気ガスとして、不活性ガスと酸化性ガスの混合ガスを用いてもよい。この場合には、レーザ照射によりターゲットから射出した物質(主に原子・イオン・クラスター)が、不活性ガスとの物理的相互作用(衝突、散乱、閉じ込め効果)に加えて、酸化性ガスとの化学的相互作用(酸化反応)を介して基板に到達するため、基板上に堆積する金属酸化物ナノ構造体の酸化を促進することができる。酸化性ガスとしては、O2、O3、N2O、NO2等を用い、その割合が質量流量比で0.1〜50%とすれば、酸化性ガスのみを用いた場合に比べて他のプロセスとの整合性をとることができるため好適である。この場合にも、雰囲気混合ガスの平均気体密度が上記Heガスの場合と同等になるように圧力を設定すればよい。 Note that in the production of metal oxide nanostructures, particularly when the atmospheric gas pressure is low, oxygen injected from the target is exhausted as gas molecules, and deposited on the substrate. Oxygen loss may occur in the structure. In such a case, a mixed gas of an inert gas and an oxidizing gas may be used as the atmospheric gas. In this case, the substance (mainly atoms, ions, and clusters) ejected from the target by laser irradiation is in contact with the oxidizing gas in addition to the physical interaction (impact, scattering, confinement effect) with the inert gas. Since it reaches the substrate through chemical interaction (oxidation reaction), oxidation of the metal oxide nanostructure deposited on the substrate can be promoted. As the oxidizing gas, if O 2 , O 3 , N 2 O, NO 2 or the like is used and the ratio is 0.1 to 50% in mass flow rate ratio, compared with the case where only the oxidizing gas is used. This is preferable because it can be consistent with other processes. Also in this case, the pressure may be set so that the average gas density of the atmosphere mixed gas is equivalent to that in the case of the He gas.

さらに、酸化性ガスにエネルギーを与え活性化することが有効である。例えば、レーザ光源としてArFエキシマレーザを用いた場合には、レーザ照射によりO2分子も容易に分解されて活性なO原子あるいはイオンとなるため、ターゲットからの射出物質の酸化が促進されることになる。 Furthermore, it is effective to activate the oxidizing gas by applying energy. For example, when an ArF excimer laser is used as the laser light source, the O 2 molecules are also easily decomposed by laser irradiation to become active O atoms or ions, which promotes the oxidation of the injection material from the target. Become.

一例として、雰囲気ガスとしてHe希釈1%O2ガスを用い、ガス圧266Paで酸化スズを堆積した結果、図1と同様のナノ構造体が得られた。 As an example, as a result of depositing tin oxide at a gas pressure of 266 Pa using He-diluted 1% O 2 gas as the atmospheric gas, a nanostructure similar to that shown in FIG. 1 was obtained.

また、上記方法で得られた酸化スズナノ構造体の組成や結晶性をさらに調整する必要が生じることがある。このような場合には、堆積後に基材を加熱し、一定温度に保持する工程を付け加えることが有効である。例えば、Heガス圧:667Paで堆積したSnO2ナノ構造体に対して、酸素ガス中で200〜350℃、10分の熱処理を行った試料を、X線回折測定したところ、ナノ構造体の結晶性が向上することが分かった。あるいは、Heガス圧:667Paで堆積したSnO2ナノ構造体に対して、窒素ガス中で300〜400℃、10分の熱処理を行い還元することにより、SnOナノ構造体を得ることができる。 Moreover, it may be necessary to further adjust the composition and crystallinity of the tin oxide nanostructure obtained by the above method. In such a case, it is effective to add a step of heating the substrate after deposition and maintaining it at a constant temperature. For example, when an X-ray diffraction measurement was performed on a sample obtained by heat-treating an SnO 2 nanostructure deposited at He gas pressure: 667 Pa in oxygen gas at 200 to 350 ° C. for 10 minutes, the nanostructure crystals It was found that the performance was improved. Alternatively, a SnO 2 nanostructure deposited at a He gas pressure of 667 Pa can be reduced by performing a heat treatment at 300 to 400 ° C. for 10 minutes in nitrogen gas to obtain a SnO nanostructure.

以上述べてきたように、本実施の形態の酸化スズナノ構造体の作製方法によって、基材を加熱する必要がなく、酸素を含有しない不活性ガスを用いても、その雰囲気ガス圧の制御によりターゲット組成を反映したナノ構造体を作製することができた。この結果は、レーザ照射によりターゲットから射出した物質(主に原子・イオン・クラスター)と雰囲気ガスとの相互作用(衝突、散乱、閉じ込め効果)の最適化により、ターゲット307の組成が保たれた、ナノメートルサイズの微細な樹枝構造を構成単位としてなる柱状構造が配列した構造を有する金属化合物ナノ構造体の作製が可能であることを示している。   As described above, according to the manufacturing method of the tin oxide nanostructure of the present embodiment, it is not necessary to heat the substrate, and even if an inert gas not containing oxygen is used, the target is controlled by controlling the atmospheric gas pressure. Nanostructures reflecting the composition could be fabricated. As a result, the composition of the target 307 was maintained by optimizing the interaction (collision, scattering, confinement effect) of the substance (mainly atoms, ions, and clusters) emitted from the target by laser irradiation and the atmospheric gas. This indicates that it is possible to produce a metal compound nanostructure having a structure in which columnar structures having nanometer-sized fine dendritic structures as constituent units are arranged.

さらに、上記の結果から明らかなように、雰囲気ガスの圧力により、構成単位の樹枝構造の大きさを制御することができる。したがって、上記の金属酸化物ナノ構造体の作製方法において、レーザアブレーション中に雰囲気ガスの導入圧力を変化させることにより、ナノ構造体の堆積方向における構造制御が可能となり、ひいては作製するナノ構造体の物性を制御することができる。   Further, as apparent from the above results, the size of the dendritic structure of the structural unit can be controlled by the pressure of the atmospheric gas. Therefore, in the above method for producing a metal oxide nanostructure, the structure control in the deposition direction of the nanostructure becomes possible by changing the introduction pressure of the atmospheric gas during laser ablation. Physical properties can be controlled.

(実施の形態3)
本実施の形態においては、本発明の二次電池用負極を用いた二次電池について、固体電解質を用いた薄膜固体Li電池を例として説明する。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, a secondary battery using the negative electrode for a secondary battery of the present invention will be described by taking a thin-film solid Li battery using a solid electrolyte as an example.

図3は、本発明の二次電池負極を用いた薄膜固体Li二次電池の構成を示す断面図である。図3において、31は基板であり、その上に、正極32、固体電解質33、負極34が順々に積層された構造となっており、負極34の上に取り出し電極35が形成されてなる。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a thin-film solid Li secondary battery using the secondary battery negative electrode of the present invention. In FIG. 3, reference numeral 31 denotes a substrate, which has a structure in which a positive electrode 32, a solid electrolyte 33, and a negative electrode 34 are sequentially laminated, and an extraction electrode 35 is formed on the negative electrode 34.

基板31としては、金属材料の板、箔等を用いることができる。あるいは、ガラス等の各種透明材料または不透明材料の上に導電膜を蒸着したものでもよい。   As the substrate 31, a metal material plate, foil, or the like can be used. Or what vapor-deposited the electrically conductive film on various transparent materials, such as glass, or an opaque material may be used.

正極32を構成する材料としては、通常Liイオン二次電池の正極に使用される材料が使用でき、例えば、LixCoO2、LixMnO2、LixMn24、LixNiO2、LixTiS2、LixMoS2、LixMo68等の化合物(ただし、x≧0)を用いることができる。 As a material constituting the positive electrode 32, materials normally used for a positive electrode of a Li ion secondary battery can be used. For example, Li x CoO 2 , Li x MnO 2 , Li x Mn 2 O 4 , Li x NiO 2 , Compounds such as Li x TiS 2 , Li x MoS 2 , and Li x Mo 6 S 8 (where x ≧ 0) can be used.

固体電解質33としては、SiS2、Al23、P25、B23、Li2O、Li3PO4、Li2SO4、Li2CO3よりなる群から選択される少なくとも一種を含む無機電解質を用いればよい。さらに好ましくは、電解質として、Li2S―X、またはLi2S―X―Yからなるガラス固体電解質を用いてもよい。ここで、XはSiS2、Al23、P25、およびB23よりなる群から選択される少なくとも一種を表し、YはLi2O、Li3PO4、Li2SO4、およびLi2CO3よりなる群から選択される少なくとも一種を表す。あるいは、有機系の固体電解質を用いてもよく、例えば、テトラシアノキノジメタン(TCNQ)化合物等を用いることができる。 The solid electrolyte 33 is at least selected from the group consisting of SiS 2 , Al 2 S 3 , P 2 S 5 , B 2 S 3 , Li 2 O, Li 3 PO 4 , Li 2 SO 4 , Li 2 CO 3. An inorganic electrolyte containing one kind may be used. More preferably, as the electrolyte, it may be used Li 2 S-X, or a glass solid electrolyte composed of Li 2 S-X-Y. Here, X represents at least one selected from the group consisting of SiS 2 , Al 2 S 3 , P 2 S 5 , and B 2 S 3 , and Y represents Li 2 O, Li 3 PO 4 , Li 2 SO 4. And at least one selected from the group consisting of Li 2 CO 3 . Alternatively, an organic solid electrolyte may be used. For example, a tetracyanoquinodimethane (TCNQ) compound or the like can be used.

正極32あるいは固体電解質33を形成する方法としては、それぞれを構成する材料の真空蒸着、スパッタリング、CVDやゾルゲル法によるコーティング等の方法を用いればよい。   As a method of forming the positive electrode 32 or the solid electrolyte 33, a method such as vacuum deposition, sputtering, CVD, or coating by a sol-gel method of materials constituting each of them may be used.

負極34としては、実施の形態1で述べた金属酸化物ナノ構造体からなる負極を堆積して作製する。このように作製された負極では、酸化スズによるLiイオンの吸蔵、放出持における体積変化が緩和される。   The negative electrode 34 is manufactured by depositing the negative electrode made of the metal oxide nanostructure described in the first embodiment. In the negative electrode produced in this way, volume change in the storage and release of Li ions by tin oxide is alleviated.

以上の構成の薄膜固体二次電池は、半導体プロセスとの整合性も高いため、半導体の集積回路上に電池を組み入れることも可能となる。   Since the thin-film solid secondary battery having the above configuration has high compatibility with a semiconductor process, the battery can be incorporated on a semiconductor integrated circuit.

(実施例1)
まず、基板31として、ガラス板上に、スパッタリングによりCu薄膜を100nm形成した。その上に、スパッタリングにより正極32となるLiCoO2膜を500nm程度形成した後、固体電解質33であるLiTCNQ化合物を1μm程度蒸着した。この固体電解質33の上に、実施の形態1で説明した金属化合物ナノ構造体の作製方法を用いて、Heガスの圧力を266Paとして図1に示した柱状の酸化スズナノ構造体を厚さ約500nmで直接堆積して負極を形成した。さらに、取り出し電極35としてAl薄膜を蒸着した後、保護膜としてSiO2を蒸着して、薄膜固体Li二次電池を得た。
(Example 1)
First, a Cu thin film having a thickness of 100 nm was formed as a substrate 31 on a glass plate by sputtering. A LiCoO 2 film serving as the positive electrode 32 was formed thereon by sputtering so as to have a thickness of about 500 nm, and then a LiTCNQ compound as the solid electrolyte 33 was deposited by about 1 μm. On the solid electrolyte 33, the columnar tin oxide nanostructure shown in FIG. 1 with a He gas pressure of 266 Pa is formed to a thickness of about 500 nm using the metal compound nanostructure manufacturing method described in the first embodiment. A negative electrode was formed by direct deposition. Further, after depositing an Al thin film as the take-out electrode 35, SiO 2 was deposited as a protective film to obtain a thin film solid Li secondary battery.

作製した薄膜固体Li二次電池について、0.2mA/cm2の低電流密度にて、0.2〜1.3Vの範囲で充放電試験を行った。その結果、電池性能を有しており、初回充電時の放電容量は、負極の重さに換算して70mAh/g程度であった。また、10回の充放電サイクル試験を繰り返し、1回目の放電容量に対する10回目の放電容量の維持率((10回目の放電容量/1回目の放電容量)×100(%))を測定することによって、サイクル性を評価した。その結果、放電容量の維持率は85%程度であった。 About the produced thin film solid Li secondary battery, the charge / discharge test was done in 0.2-1.3V in the low current density of 0.2 mA / cm < 2 >. As a result, it had battery performance, and the discharge capacity at the first charge was about 70 mAh / g in terms of the weight of the negative electrode. In addition, 10 charge / discharge cycle tests are repeated, and the 10th discharge capacity retention ratio ((10th discharge capacity / first discharge capacity) × 100 (%)) with respect to the first discharge capacity is measured. Thus, the cycle performance was evaluated. As a result, the maintenance rate of the discharge capacity was about 85%.

(比較例1)
基板31、正極32、固体電解質33を、実施例1と同様の方法で作製した。次に、市販の酸化スズ粉末の80wt%に対し、導電助剤としてアセチレンブラックを10wt%、結着材としてポリフッ化ビニリデン10wt%を混合して負極合剤を調製した。この負極合剤を適量のN―メチルピロリドンに溶解させて、固体電解質33の上に塗布成型し、110℃で減圧乾燥して負極34を形成した。さらに、取り出し電極35と保護膜を実施例1と同様の方法で作製して、薄膜固体Li二次電池を得た。
(Comparative Example 1)
The substrate 31, the positive electrode 32, and the solid electrolyte 33 were produced in the same manner as in Example 1. Next, 10 wt% of acetylene black as a conductive additive and 10 wt% of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed with 80 wt% of commercially available tin oxide powder to prepare a negative electrode mixture. This negative electrode mixture was dissolved in an appropriate amount of N-methylpyrrolidone, applied and molded on the solid electrolyte 33, and dried under reduced pressure at 110 ° C. to form the negative electrode. Furthermore, the extraction electrode 35 and the protective film were produced in the same manner as in Example 1 to obtain a thin film solid Li secondary battery.

作製した薄膜固体Li二次電池について、0.2mA/cm2の低電流密度にて、0.2〜1.3Vの範囲で充放電試験を行った結果、初回充電時の放電容量は、負極の重さに換算して30mAh/g程度であった。また、10回の充放電を繰り返すことによってサイクル性を評価した結果、放電容量の維持率は50%程度であった。 As a result of conducting a charge / discharge test in the range of 0.2 to 1.3 V at a low current density of 0.2 mA / cm 2 for the prepared thin-film solid Li secondary battery, the discharge capacity at the first charge was negative The weight was about 30 mAh / g. In addition, as a result of evaluating the cycle performance by repeating the charging and discharging 10 times, the retention rate of the discharge capacity was about 50%.

以上の実施例1および比較例1の結果から、本発明の柱状の非遷移金属酸化物ナノ構造体からなる負極を用いることにより、放電容量が大きく、充放電サイクル性もよいことが確認できた。   From the results of Example 1 and Comparative Example 1 above, it was confirmed that by using the negative electrode composed of the columnar non-transition metal oxide nanostructure of the present invention, the discharge capacity was large and the charge / discharge cycleability was also good. .

なお、本実施の形態では薄膜固体Li二次電池について説明したが、本発明のLiイオン二次電池は、正極、負極、電解質、及びセパレータという一般的に用いられている構成を適用して構わない。例えば、電解質としては、Liイオン二次電池において通常電解液として用いられている塩類を有機溶媒に溶解させた電解液を使用してもよい。   In the present embodiment, the thin-film solid Li secondary battery has been described. However, the Li ion secondary battery of the present invention may be applied to commonly used configurations of a positive electrode, a negative electrode, an electrolyte, and a separator. Absent. For example, as the electrolyte, an electrolytic solution obtained by dissolving a salt normally used as an electrolytic solution in a Li ion secondary battery in an organic solvent may be used.

本発明にかかる二次電池用負極は、充放電の繰り返しによる劣化が少なく、かつ高充放電容量・高エネルギー密度を有する二次電池用負極として有用である。   The negative electrode for a secondary battery according to the present invention is useful as a negative electrode for a secondary battery having little deterioration due to repeated charge / discharge and having a high charge / discharge capacity and a high energy density.

また、本発明にかかる二次電池用負極を用いた二次電池は、高サイクル寿命、高充放電容量、高エネルギー密度を有する二次電池として有用である。特に、本発明の二次電池用負極を用いた薄膜固体Li二次電池は、半導体プロセスとの整合性も高いため、半導体の集積回路上に電池を組み入れることも可能となり、メモリバックアップやマイクロマシン用の超小型・高信頼性のパワーソースとして実用化が期待できる。   The secondary battery using the secondary battery negative electrode according to the present invention is useful as a secondary battery having a high cycle life, a high charge / discharge capacity, and a high energy density. In particular, since the thin film solid Li secondary battery using the negative electrode for secondary battery of the present invention has high compatibility with the semiconductor process, it is possible to incorporate the battery on a semiconductor integrated circuit. It can be expected to be put into practical use as an ultra-compact and highly reliable power source.

本発明の実施の形態1における、酸化スズナノ構造体の電子顕微鏡写真Electron micrograph of tin oxide nanostructure in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態2における、ナノ構造体作製装置を示す構成図The block diagram which shows the nanostructure production apparatus in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態3における、薄膜固体リチウムイオン二次電池の構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the thin film solid lithium ion secondary battery in Embodiment 3 of this invention

符号の説明Explanation of symbols

201 反応室
202 超高真空排気系
203 マスフローコントローラ
204 ガス導入ライン
205 ガス排気系
206 ターゲットホルダ
207 ターゲット
208 パルスレーザ光源
209 堆積基板
210 レーザ導入窓
211 スリット
212 レンズ
213 反射鏡
214 プルーム
31 基板
32 正極
33 固体電解質
34 負極
35 取り出し電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 201 Reaction chamber 202 Ultra-high vacuum exhaust system 203 Mass flow controller 204 Gas introduction line 205 Gas exhaust system 206 Target holder 207 Target 208 Pulse laser light source 209 Deposition substrate 210 Laser introduction window 211 Slit 212 Lens 213 Reflector 214 Plume 31 Substrate 32 Positive electrode 33 Solid electrolyte 34 Negative electrode 35 Extraction electrode

Claims (8)

柱状構造が配列した構造を有する金属化合物ナノ構造体で構成されていることを特徴とする二次電池用負極。 A negative electrode for a secondary battery, comprising a metal compound nanostructure having a structure in which columnar structures are arranged. 前記柱状構造が、ナノメートルサイズの微細な樹枝構造を構成単位としてなることを特徴とする請求項1記載の二次電池用負極。 The negative electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the columnar structure has a fine dendritic structure having a nanometer size as a constituent unit. 前記金属化合物ナノ構造体が、少なくともSn、In、Si、Ge、Al、Ga、Sb、Bi、Tiから選択されるいずれか1種以上を成分として有する酸化物導電体から構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の二次電池用負極。 The metal compound nanostructure is composed of an oxide conductor having at least one selected from Sn, In, Si, Ge, Al, Ga, Sb, Bi, and Ti as a component. The negative electrode for a secondary battery according to claim 1 or 2, characterized in that: 請求項1から3のいずれかに記載の負極を用いたことを特徴とする二次電池。 A secondary battery using the negative electrode according to claim 1. 請求項1から3のいずれかに記載の負極を用いた負極と、固体電解質と、正極とから構成されることを特徴とする薄膜固体リチウム二次電池。 A thin film solid lithium secondary battery comprising a negative electrode using the negative electrode according to any one of claims 1 to 3, a solid electrolyte, and a positive electrode. ターゲット材及び基材を反応室内に配置する工程と、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより前記ターゲット材近傍に形成される高温高圧領域のサイズを制御するために、前記反応室に導入する雰囲気ガスの圧力及び、前記ターゲット材と前記基板との間の距離を調整する工程と、前記反応室に前記圧力で前記雰囲気ガスを導入しながら、前記ターゲット材にビーム光を照射することにより励起し、脱離した前記ターゲット材に含まれる物質を前記雰囲気ガス中で凝縮・成長させて、柱状構造が配列した構造を有する金属化合物ナノ構造体を前記基材上に堆積する工程と、を具備することを特徴とする二次電池用負極の製造方法。 Introducing the target material and the substrate into the reaction chamber, and controlling the size of the high temperature and high pressure region formed in the vicinity of the target material by irradiating the target material with beam light. The step of adjusting the pressure of the atmospheric gas and the distance between the target material and the substrate, and excitation by irradiating the target material with beam light while introducing the atmospheric gas at the pressure into the reaction chamber And condensing and growing a substance contained in the detached target material in the atmospheric gas, and depositing a metal compound nanostructure having a structure in which columnar structures are arranged on the substrate. A method for producing a negative electrode for a secondary battery. 前記柱状構造が、ナノメートルサイズの微細な樹枝構造を構成単位としてなることを特徴とする請求項6記載の二次電池用負極の製造方法。 The method for producing a negative electrode for a secondary battery according to claim 6, wherein the columnar structure has a fine dendritic structure having a nanometer size as a constituent unit. 請求項6または7記載の方法により製造される負極を用いたことを特徴とする二次電池。


A secondary battery using a negative electrode produced by the method according to claim 6.


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