JP2006120437A - Solid electrolyte battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、活物質と固体電解質との界面に非晶質のシリカを有するリチウム電池に関する。 The present invention relates to a lithium battery having amorphous silica at the interface between an active material and a solid electrolyte.
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話などのポータブル機器の開発に伴い、その電源としての電池の需要が増大している。上記のような用途に用いられる電池には、常温使用が求められると同時に、高いエネルギー密度と優れたサイクル特性が要望される。 In recent years, with the development of portable devices such as personal computers and mobile phones, the demand for batteries as power sources has increased. A battery used for the above applications is required to be used at room temperature, and at the same time, a high energy density and excellent cycle characteristics are required.
上記要望に対して、有機電解液、あるいはこれをポリマーやゲル化剤を用いて非流動化したゲルポリマー電解質、さらには固体電解質のような各種の非水電解質を電解質に用い、リチウムイオンを電荷移動用媒体とする非水電解質リチウム電池が開発されてきた。さらにLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4などのように各種電解質との間でリチウムイオンを可逆的に吸蔵放出し高い可逆電位を示す材料、および黒鉛や各種炭素体などのように低い可逆電位を示す単体や合金あるいは化合物が発見され、これらを正極や負極の活物質に活用して構成する電池が開発されている。例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4などリチウムと遷移金属の複合酸化物は、優れた正極用の活物質材料であり、また黒鉛や珪素、スズは優れた負極用の活物質材料であって、いずれも代表的な活物質材料である。 In response to the above-mentioned demand, an organic electrolyte, or a gel polymer electrolyte obtained by making it non-fluid using a polymer or a gelling agent, and various non-aqueous electrolytes such as solid electrolytes are used as electrolytes, and lithium ions are charged. Nonaqueous electrolyte lithium batteries have been developed as transfer media. Furthermore, materials that exhibit reversible potential by reversibly occluding and releasing lithium ions with various electrolytes such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , and low reversible potentials such as graphite and various carbon bodies. A simple substance, an alloy, or a compound showing the above has been discovered, and a battery that uses these as active materials for a positive electrode and a negative electrode has been developed. For example, lithium and transition metal composite oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 are excellent active material materials for positive electrodes, and graphite, silicon, and tin are excellent active material materials for negative electrodes. Any of them is a typical active material.
しかしながら、非水電解質リチウム電池は、電解液を使用していることから、電池に関するトラブルの最大の要因である漏液が懸念される。特に、非水電解質リチウム電池では可燃性の有機電解液を使用することから、安全性の面で不安がある。 However, since the non-aqueous electrolyte lithium battery uses an electrolytic solution, there is a concern about liquid leakage, which is the biggest cause of trouble related to the battery. In particular, a non-aqueous electrolyte lithium battery uses a flammable organic electrolyte, and thus is uneasy in terms of safety.
そこで有機電解液の代わりに固体電解質を用いる試みが多数なされている。固体電解質の一つとして化学的に安定な無機化合物を適用する研究も盛んに行われている。そして、室温でのイオン伝導度が10−4〜10−3S/cmと有機電解液に匹敵するレベルにある固体電解質もいくつか検討されている。そのような固体電解質としては、例えばLi1+xMxTi2−x(PO4)3[MはAlまたはGa]であらわされるリチウムイオン伝導性酸化物がある。このような酸化物は通称LISICONと呼ばれ、その組成や合成条件が多くの研究者により研究されている。 Thus, many attempts have been made to use solid electrolytes instead of organic electrolytes. Research is also actively conducted on the application of chemically stable inorganic compounds as one of the solid electrolytes. Some solid electrolytes having ion conductivity at room temperature of 10 −4 to 10 −3 S / cm and a level comparable to an organic electrolyte have been studied. As such a solid electrolyte, for example, there is a lithium ion conductive oxide represented by Li 1 + x M x Ti 2-x (PO 4 ) 3 [M is Al or Ga]. Such an oxide is commonly called LISICON, and its composition and synthesis conditions have been studied by many researchers.
しかしながらこのような酸化物は、活物質と点で接触するため、粒子間のイオン伝導に対する抵抗が高く、粒子間でリチウムイオンが円滑に移動しにくい。そこで、活物質粒子とLISICONからなる固体電解質粒子との間に非晶質のシリカを介在させる方法が提案されている(例えば、特許文献1)。 However, since such an oxide is in point contact with the active material, resistance to ion conduction between particles is high, and lithium ions are difficult to move smoothly between particles. Therefore, a method has been proposed in which amorphous silica is interposed between the active material particles and the solid electrolyte particles made of LISICON (for example, Patent Document 1).
具体的には、正極活物質粒子と非晶質のシリカの原料とを含むスラリーを集電体に塗布し乾燥および熱処理して正極を得る。その正極の上に、LISICON粒子と非晶質のシリカの原料を含むスラリーを塗布し、これを乾燥および熱処理して被覆層を形成する。この構成では、活物質粒子やLISICON粒子の周囲に非晶質のシリカが形成され、これらがリチウムイオンの移動に必要なホッピングサイトを提供すると考えられている。 Specifically, a slurry containing positive electrode active material particles and amorphous silica raw material is applied to a current collector, dried and heat-treated to obtain a positive electrode. A slurry containing LISICON particles and amorphous silica raw material is applied onto the positive electrode, and this is dried and heat-treated to form a coating layer. In this configuration, it is considered that amorphous silica is formed around the active material particles and the LISICON particles, and these provide hopping sites necessary for migration of lithium ions.
一方、リン酸リチウム(Li3PO4)を窒素中でスパッタすることで得られる電解質膜は、酸素の一部が窒素に置きかわり、その結果としてリチウムイオン伝導性を示すことが知られている(例えば、特許文献2)。この電解質はLIPONと呼ばれ、電池への応用が期待されている。
しかしながら、特許文献1のような手法を用いても固体電解質粒子間のリチウムイオン伝導性が十分ではないために、電池の内部インピーダンスが大きなものとなり、出力電流密度を低下させることになる。その対策として、特許文献1の固体電解質粒子に代えて、特許文献2のLIPONを使用することで固体電解質粒子間のリチウムイオン伝導性の問題が解消され、電池の内部インピーダンスが小さくなり、実用的な電池を作成することができる。
However, even if a technique such as
しかしながらLIPONは、ごく微量であっても、水分に接すると、もともと+5価で存在したリン(P)が低位の酸化度のリンに還元される。その結果、化合物が分解されて、イオン伝導性が著しく低下するという現象が生じる。このような場合、電解質層のリチウムイオン伝導度の低下により、負極全体のインピーダンスが上昇して、電池特性が低下する。 However, even in a very small amount of LIPON, when it comes into contact with moisture, phosphorus (P) that originally existed in a +5 valence is reduced to phosphorus having a low degree of oxidation. As a result, a phenomenon occurs in which the compound is decomposed and the ionic conductivity is significantly reduced. In such a case, due to the decrease in lithium ion conductivity of the electrolyte layer, the impedance of the entire negative electrode increases, and the battery characteristics deteriorate.
本発明は上記固体電解質の水分に対する安定性とイオン伝導性の確保をはかることによって、電池の特性劣化を抑制することを目的とする。すなわち、上記のような固体電解質層の変質を抑制し、電池全体のインピーダンス増大を抑制して、電池特性劣化抑制機能を高め、優れたサイクル特性を確保することを目的とする。 An object of the present invention is to suppress deterioration of battery characteristics by ensuring stability of the solid electrolyte with respect to moisture and ion conductivity. That is, an object of the present invention is to suppress deterioration of the solid electrolyte layer as described above, suppress an increase in impedance of the entire battery, enhance a battery characteristic deterioration suppressing function, and ensure excellent cycle characteristics.
上記の課題を解決するために、本発明の固体電解質電池は、充電時にリチウムイオンを放出し、リチウムイオンの可逆的な酸化還元が可能な正極活物質を含む正極と、充電時にリチウムイオンを還元し、リチウムイオンの可逆的な酸化還元が可能な負極活物質を含む負極と、正極と負極との間に介在し、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質と、活物質と固体電解質の界面に化学結合した非晶質のシリカとを有する。そして固体電解質が一般式1あるいは一般式2で表わされるイオン伝導性無機化合物であることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the solid electrolyte battery of the present invention includes a positive electrode containing a positive electrode active material that releases lithium ions during charging and capable of reversible oxidation and reduction of lithium ions, and reduces lithium ions during charging. And a negative electrode including a negative electrode active material capable of reversible oxidation-reduction of lithium ions, a solid electrolyte having a lithium ion conductivity interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an interface between the active material and the solid electrolyte. With bonded amorphous silica. The solid electrolyte is an ion conductive inorganic compound represented by
一般式1:LixPTyOz(ここで、Tは元素記号Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、PtおよびAuからなる元素群から選択された少なくとも1種の元素であり、かつ2.0≦x≦7.0、0.01≦y≦1.0、3.5≦z≦8.0であり、望ましくは2.0≦x≦3.0、0.01≦y≦0.5、3.5≦z≦4.0、または2.0≦x≦3.0、0.01≦y≦1.0、3.5≦z≦7.0である)
一般式2:LixMOyNz(ここで、Mは元素記号Si、B、Ge、Al、C、GaおよびSからなる元素群から選択された少なくとも1種の元素であり、かつ0.6≦x≦1.0、1.05≦y≦1.99、および0.01≦z≦0.5、または1.6≦x≦2.0、2.05≦y≦2.99、および0.01≦z≦0.5、または1.6≦x≦2.0、3.05≦y≦3.99、および0.01≦z≦0.5、または4.6≦x≦5.0、3.05≦y≦3.99、および0.01≦z≦0.5)
これらの固体電解質層を構成する材料は、リチウムイオン伝導性が高く、充放電における耐還元性も良好である。そのため、長期の充放電サイクルにわたって、優れた電池特性が持続される。しかも耐湿性に優れるため、外部からの水分の侵入に対してもリチウムイオン伝導性の低下が抑制される。結果として、長期の使用において優れた電池特性が持続される。
General formula 1: Li x PT y O z (where T is the element symbol Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Ag, Ta, W, Pt and At least one element selected from the element group consisting of Au, and 2.0 ≦ x ≦ 7.0, 0.01 ≦ y ≦ 1.0, 3.5 ≦ z ≦ 8.0, Desirably 2.0 ≦ x ≦ 3.0, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, 3.5 ≦ z ≦ 4.0, or 2.0 ≦ x ≦ 3.0, 0.01 ≦ y ≦ 1 0.0, 3.5 ≦ z ≦ 7.0)
General formula 2: Li x MO y N z (where M is at least one element selected from the element group consisting of element symbols Si, B, Ge, Al, C, Ga, and S; 6 ≦ x ≦ 1.0, 1.05 ≦ y ≦ 1.99, and 0.01 ≦ z ≦ 0.5, or 1.6 ≦ x ≦ 2.0, 2.05 ≦ y ≦ 2.99, And 0.01 ≦ z ≦ 0.5, or 1.6 ≦ x ≦ 2.0, 3.05 ≦ y ≦ 3.99, and 0.01 ≦ z ≦ 0.5, or 4.6 ≦ x ≦ 5.0, 3.05 ≦ y ≦ 3.99, and 0.01 ≦ z ≦ 0.5)
The materials constituting these solid electrolyte layers have high lithium ion conductivity and good resistance to reduction during charging and discharging. Therefore, excellent battery characteristics are maintained over a long charge / discharge cycle. And since it is excellent in moisture resistance, the fall of lithium ion conductivity is suppressed also with respect to the penetration | invasion of the water | moisture content from the outside. As a result, excellent battery characteristics are maintained over a long period of use.
本発明によれば、固体電解質の水分に対する安定性とイオン伝導性の確保をはかることによって、活物質と固体電解質との間のリチウムイオンの移動が円滑になることで抵抗が低減され、かつ充放電サイクル特性に優れた固定電解質電池が提供できる。 According to the present invention, by ensuring the stability of the solid electrolyte against moisture and ionic conductivity, the movement of lithium ions between the active material and the solid electrolyte is facilitated, so that the resistance is reduced and the charge is reduced. A fixed electrolyte battery having excellent discharge cycle characteristics can be provided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下の内容に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following contents as long as it is based on the basic features described in this specification.
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1による電池の概略断面図である。電池は、負極1と、それに対向した正極2と、それらに介在しリチウムイオンを伝導する固体電解質層3とを有する。負極1、正極2は、固体電解質層3とともに、保護層4内に収納されている。正極2は充電時にリチウムイオンを放出し、リチウムイオンの可逆的な酸化還元が可能な正極活物質を含む。負極1は充電時にリチウムイオンを還元し、リチウムイオンの可逆的な酸化還元が可能な負極活物質を含む。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the battery according to the first embodiment. The battery includes a
正極2は正極集電体(以下、集電体)7と正極活物質を含む活物質層8からなる。集電体7には正極リード7Aが接続されている。活物質層8において、活物質粒子の界面には非晶質のシリカ粒子が化学結合されている。固体電解質層3においては、一般式LixPTyOzで示される固体電解質層3と活物質層8との界面に非晶質のシリカ粒子が化学結合されている。ここで、Tは元素記号Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、PtおよびAuからなる元素群から選択された少なくとも1種の元素であり、かつ2.0≦x≦7.0、0.01≦y≦1.0、3.5≦z≦8.0である。上記の組成物LixPTyOzは、本発明者らによって発見されたリチウムイオン伝導性と耐湿性に優れた材料であることを付記する。
The
集電体7には、アルミニウム、鉄、金あるいは炭素などの良導体が適用される。集電体7は、シリコン、シリカ、アルミナ、炭素焼結体などの薄板のように自己形状保持性を有する基板上に、上記の良導体材料を蒸着法やスパッタリング法により薄膜形成して用いてもよい。上記良導体材料自体が金属板や金属フィルム、金属箔のように自己形状保持性を有する場合には、基板を省略できる。
A good conductor such as aluminum, iron, gold, or carbon is applied to the
正極活物質材料には、一般のリチウム電池の場合と同様に、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4など公知の酸化物や化合物が適用できる。これらの活物質材料の粉末をテトラアルコキシシランと混合し、所定時間攪拌した後、乾燥させることにより、非晶質シリカが化学結合した活物質粒子からなる粉末が得られる。あるいは、活物質材料の粉末をテトラアルコキシシランと混合した後、紫外線照射により反応させてもよい。得られた粉末は、カーボンブラックなどの導電性粉末、ポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレンなどの結着剤、それにN−メチルピロリドンなどの混合用溶媒とともに混合されてスラリーが調製される。このスラリーが集電体7上に塗布され、乾燥されて活物質層8が形成される。
As the positive electrode active material, known oxides and compounds such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 can be applied as in the case of a general lithium battery. These active material powders are mixed with tetraalkoxysilane, stirred for a predetermined time, and dried to obtain a powder composed of active material particles chemically bonded with amorphous silica. Or you may make it react by ultraviolet irradiation, after mixing the powder of an active material material with tetraalkoxysilane. The obtained powder is mixed with a conductive powder such as carbon black, a binder such as polyvinylidene fluoride or polytetrafluoroethylene, and a mixing solvent such as N-methylpyrrolidone to prepare a slurry. This slurry is applied on the
固体電解質層3の形成は、予め固体電解質層3との接合面に非晶質シリカが形成された正極2に、蒸着あるいはスパッタリングにより、直接形成する。この場合、固体電解質層3の厚さを極めて薄くできる利点がある。以下、一般式LixPTyOzで示される固体電解質の薄膜形成法を説明する。
The
固体電解質層3を薄膜状に形成する場合には、リン酸リチウムとT成分として規定されたタングステン、モリブデン、タンタル等の遷移金属あるいはそれらの金属酸化物等をターゲットあるいは蒸着源とし、乾式薄膜プロセスで形成する。すなわち、アルゴンや真空環境で蒸着法や抵抗加熱蒸着法、高周波加熱蒸着法、レーザーアブレーション蒸着法、イオンビーム蒸着法等の各種蒸着法、あるいはスパッタリング法、rfマグネトロンスパッタリング法等、通常の薄膜形成手段を適用して活物質層8上に形成するのが好ましい。また、リン酸リチウムに代わってLi2OとP2O5の混合物を適用してもよい。
When the
ここでT成分のターゲットや蒸着源には、T成分の単体の他、遷移金属酸化物などの化合物を用いることが好ましい。このような固体電解質において、リチウム原子、リン原子および酸素原子の価数は、それぞれ+1価、+5価および−2価となる。T成分は化合物をターゲットとして用いた場合には化合物の状態での価数と同じとなる。一方、遷移金属単体をターゲットとして用いた場合では、T成分はリン酸リチウム中に金属の状態で取り込まれていると考えられるため、0価となる。作成したLixPTyOz中のx、y、及びzを求める方法として、リン原子の割合をまず1とする。次にT成分とリン原子の割合を誘導結合高周波プラズマ分光分析法(ICP分光分析法)などから求めてyを算出する。さらに窒素酸素分析などの手法によりリン原子あるいは遷移金属原子に対する酸素の割合を求めることでzを算出する。なお、窒素酸素分析では例えば、材料中に含まれている酸素・窒素を、高温状態での熱分解である不活性ガス−インパルス加熱融解法により抽出し、酸素をCOガスとして高感度型非分散赤外線検出器にて、窒素をN2ガスとして高感度型熱伝導度検出器にて検出することができる。xは上記価数を用い、全体の価数が0となるものとして求める。 Here, it is preferable to use a compound such as a transition metal oxide in addition to the T component alone as the T component target or vapor deposition source. In such a solid electrolyte, the valences of lithium atom, phosphorus atom and oxygen atom are +1 valence, +5 valence and -2 valence, respectively. The T component is the same as the valence in the state of the compound when the compound is used as a target. On the other hand, when a single transition metal is used as a target, the T component is considered to be incorporated in the lithium phosphate in a metallic state, and thus becomes zero-valent. As a method for obtaining x, y, and z in the prepared Li x PT y O z , the ratio of phosphorus atoms is first set to 1. Next, y is calculated by obtaining the ratio between the T component and the phosphorus atom by inductively coupled high-frequency plasma spectroscopy (ICP spectroscopy) or the like. Furthermore, z is calculated by obtaining the ratio of oxygen to phosphorus atoms or transition metal atoms by a technique such as nitrogen oxygen analysis. In the nitrogen-oxygen analysis, for example, oxygen and nitrogen contained in the material are extracted by an inert gas-impulse heating and melting method, which is thermal decomposition at a high temperature, and oxygen is used as a CO gas for high sensitivity non-dispersion. With an infrared detector, nitrogen can be detected as N 2 gas with a highly sensitive thermal conductivity detector. x is obtained by using the above valence and assuming that the overall valence is zero.
固体電解質層3の組成物LixPTyOzは、リン酸リチウムの構成元素成分と遷移金属群Tから構成されている。この組成物においては組成物が水分子と接するとき、遷移金属であるT成分がリン原子に優先して還元されることによってリン酸リチウム成分の分解が抑制され、固体電解質層3自体のイオン伝導性の低下が抑制される。
The composition Li x PT y O z of the
組成物LixPTyOzにおいて、遷移金属T成分は水分子との反応をリンの還元に優先させるものであって、リン酸リチウムに原子レベルで取込まれても、さらにリン酸リチウムと粒子レベルで混合されていてもよい。 In the composition Li x PT y O z , the transition metal T component gives priority to the reaction with water molecules over the reduction of phosphorus, and even if incorporated in lithium phosphate at the atomic level, It may be mixed at the particle level.
LixPTyOzの組成物が優れたイオン伝導性と湿潤環境における分解を抑制する機能を十分得るためには、2.0≦x≦7.0、0.01≦y≦1.0、3.5≦z≦8.0であることが望ましい。この組成は、LixPTyOzを形成する際に遷移金属T成分用のターゲットとして遷移金属を用いた場合では2.0≦x≦3.0、0.01≦y≦0.50、3.5≦z≦4.0、遷移金属酸化物を用いた場合は2.0≦x≦3.0、0.01≦y≦1.0、3.5≦z≦7、リチウム遷移金属酸化物を用いた場合では2.0≦x≦7.0、0.01≦y≦1.0、3.5≦z≦8.0となる。 In order for the composition of Li x PT y O z to sufficiently obtain excellent ion conductivity and a function of suppressing decomposition in a wet environment, 2.0 ≦ x ≦ 7.0, 0.01 ≦ y ≦ 1.0 3.5 ≦ z ≦ 8.0 is desirable. This composition is 2.0 ≦ x ≦ 3.0, 0.01 ≦ y ≦ 0.50 when a transition metal is used as a target for the transition metal T component when forming Li x PT y O z . 3.5 ≦ z ≦ 4.0, 2.0 ≦ x ≦ 3.0, 0.01 ≦ y ≦ 1.0, 3.5 ≦ z ≦ 7 when a transition metal oxide is used, lithium transition metal When an oxide is used, 2.0 ≦ x ≦ 7.0, 0.01 ≦ y ≦ 1.0, and 3.5 ≦ z ≦ 8.0.
上記のようにして形成されたLixPTyOzは、従来リチウムイオン伝導体として知られているLIPONに比べて優れた安定性を示す。 Li x PT y O z formed as described above exhibits superior stability compared to LIPON, which is conventionally known as a lithium ion conductor.
すなわちLixPTyOzと活物質層が非晶質シリカが化学結合されて構成された固体電解質層3は、充放電に対し安定であるとともに、水分に対しても安定であり、固体電解質層3のイオン伝導性の低下が抑制される。したがって、固体電解質層3と活物質層8との間でリチウムイオンが円滑に伝導することによる良好な電池特性が長期にわたって持続される。
That is, the
保護層4には、一般にリチウム化合物やリチウム合金等を適用して構成される電池に用いられるラミネートフィルムなどの材料や形状がすべて適用可能である。また保護層4に代わってケースやガスケット等を用いてボタン型電池を構成してもよい。さらにケースとして円筒型ケース、楕円扁平型ケース、角型ケースなど金属ケースを用いてもよい。 For the protective layer 4, all materials and shapes such as a laminate film generally used for a battery configured by applying a lithium compound, a lithium alloy, or the like are applicable. In addition, a button type battery may be configured using a case, a gasket or the like instead of the protective layer 4. Further, a metal case such as a cylindrical case, an elliptic flat case, or a square case may be used as the case.
負極1は、リチウム金属の他、黒鉛や各種カーボン、スズあるいはケイ素、その他窒化物などリチウムイオンを吸収してリチウムに近い電位を示す単体、合金、化合物を活物質として用いることができる。負極活物質として粉末を用い、結着剤や溶媒と混合して負極集電体に形成する場合には正極2と同様に、負極活物質の粒子に非晶質シリカを化学結合させることが好ましい。この場合、負極活物質と固体電解質との界面に非晶質シリカが結合した構成となる。
The
また、負極1としてリチウム金属を薄膜形成する場合には、リチウム金属と固体電解質との間でリチウムイオンが移動しやすいので、その界面には非晶質シリカを形成しなくてもよい。なお、集電体9には負極リード9Aが取り付けられ、電池外部に引き出されている。負極1としてリチウム金属箔を用いる場合には集電体9を設けず、リチウム金属箔に直接負極リード9Aを取り付けてもよい。
Further, when a thin film of lithium metal is formed as the
上記のように固体電解質電池を作製することによって、活物質粒子から固体電解質層へのイオン伝導がスムーズに行われるのに加え、固体電解質層3が水分に対して安定なため、低抵抗で良好な充放電特性が長期に亘って維持される。
By producing a solid electrolyte battery as described above, ion conduction from the active material particles to the solid electrolyte layer is performed smoothly, and the
以下、具体的な実施例によって本発明による実施の形態の特徴と効果を述べる。 The features and effects of the embodiments of the present invention will be described below with specific examples.
ここでは、薄膜形成によって負極1、正極2、固体電解質層3を形成する場合を説明する。図2は以下のようにして作製した電池の概略断面図である。
Here, the case where the
まず正極2の作製について説明する。基板としてケイ素(Si)を用い、金(Au)を100μmの厚さで蒸着して集電体7を作製した。次に真空蒸着装置のホルダーに集電体7を装着した。2cm×2cmのメタルマスクを用い、ソース材料である適量のコバルト金属(Co)とリチウム金属(Li)をそれぞれの電子ビーム蒸着用ルツボに充填した。装置内を排気した後、アルゴンと酸素との1:1混合ガス(体積比)を導入し、1×10−3〜1×10−1Paに保った。その後、ソース材料に電子銃から10kV、100〜180mAの電子ビームを照射してソースを蒸発させ、蒸発開始から20分経過後にすべての電子照射を停止した。上記操作によって厚さ2μmの薄膜を作製した後、酸素雰囲気中において800℃で2時間の熱処理を行ない、正極活物質の薄膜であるLiCoO2膜8Aを得た。つぎに、LiCoO2膜8Aが形成された集電体7をテトラメトキシシランに浸漬し、攪拌しながら、室温で放置した。その後、集電体7を取り出し、120℃で2時間乾燥した。
First, preparation of the
このようにして得られた正極活物質層8の表面をX線で検証したがSiO2のピークは検出されなかった。一方XPSで測定したところ、Si−Oに由来するピークが確認された。以上の結果から、LiCoO2膜8Aの上に形成されたシリカ膜8Bは非晶質であることが確認された。
The surface of the positive electrode
つぎにシリカ膜8Bの上に、rfスパッタ法を用いて厚さ2.5μmのLixPTyOzからなる固体電解質層3を形成した。その際サンプル1〜17では、ターゲットに直径4インチのLi3PO4および遷移金属元素Tとして表1に示したような遷移金属をそれぞれ用い、5mTorrのアルゴン雰囲気において、Li3PO4に対しては100Wのrfパワー、遷移金属Tに対しては25Wのrfパワーを適用し50分間スパッタリングを行なった。得られた固体電解質層3の厚さは約0.15μmであった。形成された固体電解質層3の組成は、固体電解質層3形成時に集電体7の脇に白金板を設置して作製したサンプルを、前述のように誘導結合高周波プラズマ分光分析法(ICP分光分析法)等にて測定した。この手法によると、上記組成物の組成はLi2.8PT0.2O3.9であった。
Next, the
また比較のために、サンプル1の固体電解質層3の代わりに、リン酸リチウムの窒化物(LIPON)からなる層を形成した比較サンプル1を作製した。LIPON層の形成にあたっては、ターゲットにLi3PO4を用い、窒素雰囲気、5mTorr、100WのRFパワーの条件で10分スパッタリングした。得られたLIPON層の厚さは約0.2μmであった。表1に以上のサンプルの構成を示す。
For comparison,
つぎに上記のように正極2の上に形成した固体電解質層3の上に、リチウム金属を1.8cm×1.8cmの大きさ、2μmの厚さに蒸着して負極1を形成した。さらにその上に銅を蒸着して100nmの厚さの負極集電体9を形成した。そして集電体7、9にそれぞれリード7A、9Aを取り付け、リード7A、9Aの他端が露出するようにして全体を保護層4で覆い、電池を完成させた。保護層4はエポキシ樹脂を塗布、硬化させることにより形成した。
Next, on the
つぎに上記各電池を温度20℃、相対湿度50%の恒温槽に収納し、充放電サイクル試験を行った。その際、設計容量を5時間で放電しきる電流値、すなわち5時間率で電池電圧が4.2Vに達するまで定電流充電したのち、4.2Vの定電圧充電に切換え、電流値が定電流充電値の5%に低下するまで充電した。また放電時には、定電流充電時と同じ電流値で、電池電圧が3Vになるまで定電流放電を行ないその容量を測定した。このようにして初回の放電容量に対するサイクル中の放電容量の比率、すなわち容量維持率の変化を調べた。また100サイクル経過後の容量維持率を比較した。結果を表1に示す。 Next, each of the above batteries was housed in a constant temperature bath at a temperature of 20 ° C. and a relative humidity of 50%, and a charge / discharge cycle test was conducted. At that time, the current value that discharges the design capacity in 5 hours, that is, the constant current charge until the battery voltage reaches 4.2 V at a 5-hour rate, then switches to the constant voltage charge of 4.2 V, the current value is the constant current charge The battery was charged until it dropped to 5% of the value. During discharging, constant current discharging was performed until the battery voltage reached 3 V at the same current value as during constant current charging, and the capacity was measured. In this manner, the ratio of the discharge capacity during the cycle to the initial discharge capacity, that is, the change in the capacity retention rate was examined. In addition, the capacity retention rates after 100 cycles were compared. The results are shown in Table 1.
まずサンプル1の電池と比較サンプルの電池との容量維持率とサイクル数の関係(サイクル特性)を図3に示した。図3から明らかなように、固体電解質層に従来のイオン伝導体としてLIPONを形成した比較サンプル1では、早期に容量維持率が低下した。これに対してT成分にタングステン(W)を選択し、一般式LixPTyOzからなる固体電解質層3を形成したサンプル1の電池では、比較サンプルに対して顕著にサイクル特性が改善された。
First, the relationship (cycle characteristics) between the capacity retention ratio and the number of cycles of the battery of
また、表1から明らかなように、LIPONからなる固体電解質層を用いた比較サンプル1では容量維持率が42.6%であった。これに対してLixPTyOzからなる固体電解質層3を形成したサンプル1〜17の電池は、100サイクルでもおおむね60%以上の容量維持率を維持し、優れたサイクル特性を示した。
Further, as is apparent from Table 1, the capacity retention rate of
次に、組成式LixPTyOzにおけるy値の範囲について検討した結果を示す。ここでは一例としてT成分としてWを適用した場合について説明する。 Next, the results of investigation of the range of y values in the composition formula Li x PT y O z. Here, a case where W is applied as the T component will be described as an example.
表2に示すように、サンプル1A〜1Hを作製した。これらの作製においては、サンプル1の構成においてスパッタリングrfパワーを変化させて、WとPのモル比率であるW/P(すなわちyの値)が異なるLixPWyOzの組成物からなる固体電解質層3を形成した。W/Pは組成式におけるyに相当する。他の条件はサンプル1に準じた。W/Pは、サンプル1A〜1Hに対し、それぞれ0.005、0.01、0.05、0.1、0.2、0.5、0.6、0.8であった。比較のため実施例1の比較サンプル1と同じものを作製した。
As shown in Table 2, Samples 1A to 1H were prepared. In these productions, a solid consisting of a composition of Li x PW y O z in which the sputtering rf power is changed in the configuration of
これらのサンプルを用い、サンプル1と同様にして電池を作製し、実施例1と同様の手法で評価した。図4は、異なるW/Pを持つLixPWyOzを固体電解質層3に形成された電池について充放電を行ない、100サイクル目の容量維持率とW/Pとの関係を示している。図4から明らかなように、容量維持率はW/Pが0.01以上、0.5以下で容量維持率が60%以上となり、良好な特性を示した。
Using these samples, batteries were prepared in the same manner as in
次に、固体電解質層3の原料を変えた場合について説明する。まず固体電解質層3を形成するときに、遷移金属元素Tの単体の代わりに、表3に示される遷移金属酸化物を用いた場合について説明する。
Next, the case where the raw material of the
スパッタリングのターゲットとして遷移金属Tの代わりに表3に示した遷移金属酸化物を用いたこと以外、サンプル1と同様にして電池を作製した。比較のため実施例1の比較サンプル1と同じものを作製した。サンプル1J〜13J、15J、比較サンプル1における固体電解質層3の組成を表3に示す。また得られた電池を実施例1と同様の条件で評価した結果である、100サイクル経過後の容量維持率を表3に示す。
A battery was fabricated in the same manner as
表3から明らかなように、比較サンプル1では容量維持率が42.6%であったのに対して、LixPTyOzからなる固体電解質層3を形成したサンプル1J〜13J、15Jの電池は、100サイクル経過後でも60%以上の容量維持率を示し、優れたサイクル特性を示した。このように、遷移金属単体以外に遷移金属酸化物を原料に用いた場合でもサイクル特性が向上する。
As is clear from Table 3, the capacity retention rate of
次に、固体電解質層3を形成する際に、ターゲットとして遷移金属元素Tの単体に代わりに、表4に示すようなリチウム酸素酸塩を用いた場合について説明する。
Next, the case where lithium oxyacid salts as shown in Table 4 are used instead of the transition metal element T alone as a target when forming the
スパッタリングのターゲットに表4に示したリチウム酸素酸塩を用いたこと以外、サンプル1と同様にして電池を作製した。比較のため実施例1の比較サンプル1と同じものを作製した。サンプル1K〜7K、12K、13K、比較サンプル1における固体電解質層3の組成、得られた電池を同様の条件で評価した結果である100サイクル経過後の容量維持率を表4に併せて示す。
A battery was fabricated in the same manner as
表4から明らかなように、比較サンプル1では容量維持率が42.6%であったのに対して、LixPTyOzからなる固体電解質層を形成したサンプル1K〜7K、12K、13Kの電池は、100サイクル経過後でもおおむね60%以上の容量維持率を示し、優れたサイクル特性を示した。このように、遷移金属単体以外にリチウム酸素酸塩を原料に用いた場合でもサイクル特性が向上する。
As apparent from Table 4, the capacity retention rate of
次に、固体電解質層3を形成する際に、ターゲットとして遷移金属元素Tの単体の代わりに、リチウム酸素酸塩を用いた場合のy値についての検討結果を示す。ここでは一例としてタングステン酸リチウム(Li2WO4)を用いた場合について説明する。
Next, when the
表5に示すように、サンプル1KA〜1KFを作製した。これらの作製においては、サンプル1Kの構成においてスパッタリングrfパワーを変化させて、WとPのモル比率であるW/Pが異なるLixPWyOzの組成物からなる固体電解質層3を形成した。W/Pは組成式におけるyに相当する。他の条件はサンプル1Kに準じた。W/Pは、サンプル1KA〜1KFに対し、それぞれ0.01、0.1、0.25、0.33、1.0、2.0であった。比較のため実施例1の比較サンプル1と同じものを作製した。表5にはサンプル1KA〜1KF、比較サンプル1での固体電解質層3のそれぞれの組成も合わせて示す。
As shown in Table 5, samples 1KA to 1KF were prepared. In these productions, the sputtering rf power was changed in the configuration of the sample 1K to form the
これらのサンプル電池を作製し、評価した。図5は、異なるW/Pを持つLixPWyOzを固体電解質層3に形成した電池について充放電を行ない、100サイクル経過後の容量維持率とW/Pとの関係を示している。図5から明らかなように、容量維持率はW/Pが0.01以上、1.0以下で容量維持率が60%以上となり、良好な特性を示した。
These sample batteries were made and evaluated. FIG. 5 shows the relationship between the capacity retention rate and W / P after 100 cycles after charging / discharging of a battery in which Li x PW y O z having different W / P is formed on the
図4と図5とを比較すると、ターゲットとしてWに代えてLi2WO4を用いた場合、同じW/P(すなわちyの値)でも容量維持率はターゲットがWの場合よりも低下する。しかしながら、W/Pが0.5よりも大きく、1.0以下の場合でも容量維持率が60%以上となっている。 Comparing FIG. 4 and FIG. 5, when Li 2 WO 4 is used instead of W as a target, the capacity retention rate is lower than when the target is W even with the same W / P (ie, y value). However, even when W / P is greater than 0.5 and 1.0 or less, the capacity retention rate is 60% or more.
この理由は明らかではないが、前述のように遷移金属単体をスパッタリングのターゲットに用いた場合には、0価になるため電子電導性が高くなる傾向にある。そのため、リチウム酸素酸塩をターゲットに用いる場合に比べ、y値が小さいほうが好ましい。また、別の検討においてW/P(y値)の大きさによって固体電解質層3と金属リチウムの反応性が変化することがわかっている。すなわち、金属リチウムの表面に直接LixPWyOzを形成し、それを露点温度が−40℃のドライエアー環境下に2週間放置した後、金属リチウムの表面を観察すると、y値が大きい場合に変色が見られる。ターゲットにWを用いた場合、y値が0.5より大きい場合に変色が見られるが、ターゲットにLi2WO4を用いた場合には、y値が1.0よりも大きい場合に変色が見られる。すなわち、y値が0.5より大きく1.0以下の場合でも固体電解質層3と金属リチウムの反応性が低いことがわかる。放電時には負極1においてリチウムイオンが還元されてリチウムが析出することから、このような結果になっているものと推測される。
The reason for this is not clear, but as described above, when a single transition metal is used as a sputtering target, it has a zero valence and tends to increase electronic conductivity. For this reason, it is preferable that the y value be smaller than when lithium oxyacid salt is used as the target. In another study, it has been found that the reactivity of the
以上のように、Pに対するT成分のモル比率であるy値は適正な範囲を有する。そしてT成分をどのようなターゲットから得るかにより、y値に応じてx値、z値の適正範囲はそれぞれ自動的に決まる。これは前述のようにそれぞれの原子の価数が決まっているためである。すなわち、ターゲットが遷移金属である場合は2.0≦x≦3.0、0.01≦y≦0.5、3.5≦z≦4.0であり、ターゲットが遷移金属酸化物である場合は2.0≦x≦3.0、0.01≦y≦1.0、3.5≦z≦7.0であり、ターゲットがリチウム酸素酸塩である場合は2.0≦x≦7.0、0.01≦y≦1.0、3.5≦z≦8.0である。 As described above, the y value that is the molar ratio of the T component to P has an appropriate range. Depending on the target from which the T component is obtained, the appropriate ranges of the x value and the z value are automatically determined according to the y value. This is because the valence of each atom is determined as described above. That is, when the target is a transition metal, 2.0 ≦ x ≦ 3.0, 0.01 ≦ y ≦ 0.5, and 3.5 ≦ z ≦ 4.0, and the target is a transition metal oxide. 2.0 ≦ x ≦ 3.0, 0.01 ≦ y ≦ 1.0, 3.5 ≦ z ≦ 7.0, and 2.0 ≦ x ≦ when the target is a lithium oxyacid salt. 7.0, 0.01 ≦ y ≦ 1.0, and 3.5 ≦ z ≦ 8.0.
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における基本構造の概念を示す図は図1、図2と同様である。本実施の形態による固体電解質層3はLixMOyNzからなる。Mは元素記号Si、B、Ge、Al、C、GaおよびSからなる元素群から選択された少なくとも1種の元素であり、かつ0.6≦x≦1.0、1.05≦y≦1.99、および0.01≦z≦0.5、または1.6≦x≦2.0、2.05≦y≦2.99、および0.01≦z≦0.5、または1.6≦x≦2.0、3.05≦y≦3.99、および0.01≦z≦0.5、または4.6≦x≦5.0、3.05≦y≦3.99、および0.01≦z≦0.5である。組成物LixMOyNzもまた、本発明者らによって発見されたリチウムイオン伝導性と耐湿性に優れた材料である。
(Embodiment 2)
The view showing the concept of the basic structure in the second embodiment of the present invention is the same as FIG. 1 and FIG. The
LixMOyNzにおける成分元素Mと酸素との結合は、窒化リン酸リチウムにおけるリンと酸素との結合と比べて熱力学的に安定な結合が形成された組成物である。そのために、この組成物は水分子と接しても固体電解質の構造が安定に保たれ、湿潤環境でのイオン伝導性の低下が抑制される。上記のようにして形成されたLixMOyNzは、高いリチウムイオン伝導性を有するとともに、LISICONに比べ、充放電時に還元されにくい。また水分に対し、従来リチウムイオン伝導体として知られているリン酸リチウムやLIPONに比べてはるかに優れた安定性を示す。 The bond between the component element M and oxygen in Li x MO y N z is a composition in which a thermodynamically stable bond is formed in comparison with the bond between phosphorus and oxygen in lithium nitride phosphate. Therefore, even when this composition is in contact with water molecules, the structure of the solid electrolyte is kept stable, and a decrease in ionic conductivity in a wet environment is suppressed. Li x MO y N z, which is formed as described above, has high lithium ion conductivity, compared with LISICON, difficult to be reduced during charging and discharging. Further, it exhibits much better stability against moisture than lithium phosphate and LIPON, which are conventionally known as lithium ion conductors.
組成物LixMOyNzにおいて、M成分と酸素との結合は湿潤環境でも窒化リン酸リチウムにおけるリンと酸素との結合と比べてより安定な結合を形成させる役割をする。一方ではLixMOyNzは好ましいイオン伝導性を示すことが要求される。 In the composition Li x MO y N z , the bond between the M component and oxygen serves to form a more stable bond than the bond between phosphorus and oxygen in lithium nitride phosphate even in a wet environment. On the other hand, Li x MO y N z is required to exhibit favorable ionic conductivity.
上記の観点から、組成部を構成する元素比の範囲はリチウム酸素酸塩がLiBiO2、LiAlO2またはLiGaO2である場合、すなわち上記の一般式において、MがBi、AlまたはGaである場合、0.6≦x≦1.0、1.05≦y≦1.99、および0.01≦z≦0.5であるのが好ましい。 From the above viewpoint, the range of the element ratio constituting the composition part is when the lithium oxyacid salt is LiBiO 2 , LiAlO 2 or LiGaO 2, that is, in the above general formula, when M is Bi, Al or Ga, It is preferred that 0.6 ≦ x ≦ 1.0, 1.05 ≦ y ≦ 1.99, and 0.01 ≦ z ≦ 0.5.
リチウム酸素酸塩がLi2SiO3、Li2GeO3またはLi2CO3である場合、すなわち上記の一般式において、MがSi、GeまたはCである場合、1.6≦x≦2.0、2.05≦y≦2.99、および0.01≦z≦0.5であるのが好ましい。 When the lithium oxyacid salt is Li 2 SiO 3 , Li 2 GeO 3 or Li 2 CO 3, that is, in the above general formula, when M is Si, Ge or C, 1.6 ≦ x ≦ 2.0 2.05 ≦ y ≦ 2.99 and 0.01 ≦ z ≦ 0.5.
リチウム酸素酸塩がLi2SO4である場合、すなわち上記の一般式において、MがSである場合、1.6≦x≦2.0、3.05≦y≦3.99、および0.01≦z≦0.5であるのが好ましい。 When the lithium oxyacid salt is Li 2 SO 4, that is, in the above general formula, when M is S, 1.6 ≦ x ≦ 2.0, 3.05 ≦ y ≦ 3.99, and It is preferable that 01 ≦ z ≦ 0.5.
リチウム酸素酸塩がLi5AlO4である場合、すなわち上記の一般式において、MがAlである場合、4.6≦x≦5.0、3.05≦y≦3.99、および0.01≦z≦0.5であるのが好ましい。 When the lithium oxyacid salt is Li 5 AlO 4, that is, in the above general formula, when M is Al, 4.6 ≦ x ≦ 5.0, 3.05 ≦ y ≦ 3.99, and It is preferable that 01 ≦ z ≦ 0.5.
xおよびyは原材料に用いるリチウム酸素酸塩の量と種類によって変化させることができ、zは固体電解質層3を形成する場合の窒素の量や圧力によって変化させることができる。イオン伝導性の観点からは、とくにzの範囲が重要であって、0.01未満ではイオン伝導性に問題が生じ、逆にz>0.5では、骨格構造が破壊されやすくなり、いずれもイオン伝導性に支障が生じる。
x and y can be changed according to the amount and type of lithium oxyacid salt used as a raw material, and z can be changed according to the amount and pressure of nitrogen in forming the
LixMOyNzの固体電解質層3を形成するには、ターゲットにリン酸リチウム系の化合物およびLi2SiO3、LiBO2、LiAlO2、Li5AlO4、Li2GeO3、LiGaO2、Li2SO4、Li2CO3などのM元素群を含んだリチウム酸素酸塩を用いるのが好ましい。Nのとり込みには窒素ガスによるスパッタリング法や窒素雰囲気での蒸着法を適用し、酸素原子の一部を窒素原子に置換させるのが好ましい。また上記のリチウム酸素酸塩に代わって、Li2OとSiO2、B2O3、GeO2、Al2O3、Ga2O3などM元素の酸化物あるいはこれらの混合物をターゲットに用いることが可能である。このような固体電解質において、リチウム原子および酸素原子の価数は、それぞれ+1価および−2価となる。また窒素原子は−3価である。M元素は、ターゲットとして用いた化合物における価数と同じである。
In order to form the Li x MO y N z
作製したLixMOyNz中のx、y、及びzを求める方法として、まずM元素の割合を1とする。次にM元素に対する酸素原子および窒素原子の割合を窒素酸素分析(不活性ガス−インパルス加熱融解法を用いた分析)などの手法により、yおよびzを算出する。xは上記価数を用い、全体の価数が0となるものとして求める。 As a method for obtaining x, y, and z in the produced Li x MO y N z , first, the ratio of M element is set to 1. Next, y and z are calculated by a method such as nitrogen oxygen analysis (analysis using an inert gas-impulse heating melting method) for the ratio of oxygen atoms and nitrogen atoms to M element. x is obtained by using the above valence and assuming that the overall valence is zero.
これ以外の、負極1、正極2の作製方法や、固体電解質層3の形成方法や厚さ等は、実施の形態1と同様である。
Other than this, the manufacturing method of the
上記のように固体電解質電池を作製することによって、活物質粒子から固体電解質層へのイオン伝導がスムーズに行われるのに加え、固体電解質層3が充放電に伴う酸化還元や水分に安定なため、低抵抗で良好な充放電特性が長期に亘って維持される。
By producing a solid electrolyte battery as described above, the ion conduction from the active material particles to the solid electrolyte layer is smoothly performed, and the
以下、具体的な実施例によって本発明による実施の形態の特徴と効果を述べる。一例として、実施の形態1におけるサンプル1と同様にしてSiからなる基板上にAuを蒸着して形成した集電体7上にLiCoO2膜8Aを形成し、その上にシリカ膜8Bを形成した後、LixMOyNzの組成物からなる固体電解質層3を形成した場合について述べる。
The features and effects of the embodiments of the present invention will be described below with specific examples. As an example, a LiCoO 2 film 8A was formed on a
固体電解質層3の形成には表6に示したリチウム酸素酸塩をそれぞれターゲットとして用い、rfマグネトロンスパッタ法を使用し、窒素ガスを用いてスパッタリングした。スパッタリング条件は、内圧2.7Pa、ガス流量10sccm、高周波照射パワー200W、スパッタ時間3時間とした。得られた固体電解質層3の厚さはおおむね2.0μmであった。
For the formation of the
それぞれのサンプルの固体電解質層3の組成を表6に示す。形成された固体電解質層3の組成は、固体電解質層3形成時に集電体7の脇に白金板を設置して作製したサンプルを、実施例1と同様に誘導結合高周波プラズマ分光分析法(ICP分光分析法)等にて測定した。
Table 6 shows the composition of the
以下、実施例1と同様にしてサンプル電池を作製した。比較として、実施例1における比較サンプル1の電池を作製した。またこれらの電池を実施例と同様の条件で評価し、その結果としての100サイクル充放電後の容量維持率を表6に示している。
Thereafter, a sample battery was produced in the same manner as in Example 1. For comparison, a battery of
LIPONからなる固体電解質層を用いた比較サンプル1では容量維持率が42.6%であったのに対して、LixMOyNzからなる固体電解質層3を形成したサンプル21〜28の電池は、100サイクル後でも60%以上の容量維持率を示し、優れたサイクル特性を示した。
The
次に、2種類のリチウム酸素酸塩の混合物をスパッタリングのターゲットとして固体電解質層3を形成した例について説明する。
Next, an example in which the
固体電解質層3の形成に表7に示したリチウム酸素酸塩の混合物(モル比1:1)を用いた以外はサンプル21〜28と同様の条件で、表7に示すリチウム酸素酸塩の窒化物からなる固体電解質層3が形成されたサンプル31〜43の電池を得た。これ以外は実施例6と同様の条件で電池を作製し、実施例1と同様の条件でサイクル特性を評価した。固体電解質層3の組成と評価結果を表7に示す。
Nitriding of the lithium oxyacid salt shown in Table 7 under the same conditions as Samples 21 to 28 except that the mixture of lithium oxyacid salt shown in Table 7 (molar ratio 1: 1) was used for forming the
表7から明らかなように、サンプル31〜43の電池についても、100サイクル経過後でも60%以上の容量維持率を示し、優れたサイクル特性を示した。このように、固体電解質層3を形成する組成物LixMOyNzにおいて、成分Mは複数の元素から構成されていてもよい。なお、データは示していないが、実施の形態1におけるT成分についても複数の元素から構成されていてもよい。
As is clear from Table 7, the batteries of Samples 31 to 43 also showed a capacity retention rate of 60% or more even after 100 cycles, and exhibited excellent cycle characteristics. Thus, in the composition Li x MO y N z forming the
次に、組成式LixMOyNzにおけるz値の範囲について検討した結果を示す。ここでは一例としてM成分としてSiを適用した場合について説明する。 Next, the results of investigation of the range of z values in the composition formula Li x MO y N z. Here, a case where Si is applied as an M component will be described as an example.
表8に示すサンプル21A〜21Hの作製においては、サンプル21の構成において窒素圧力を変化させて固体電解質層3の組成物におけるNとSiのモル比率であるN/Siが異なるLixSiOyNzの組成物からなる固体電解質層3を形成した。N/Siは組成式におけるzに相当する。他の条件はサンプル21に準じた。表8には固体電解質層3の組成を示す。N/Siは、サンプル21A〜21Hに対し、それぞれ0.005、0.01、0.1、0.3、0.5、0.6、0.8、1.0であった。
In the production of Samples 21A to 21H shown in Table 8, Li x SiO y N in which the N / Si which is the molar ratio of N to Si in the composition of the
これらのサンプルを用い、実施例6と同様の条件で電池を作製し、実施例1と同様の条件でサイクル特性を評価した。図6は、異なるN/Siを持つLixSiOyNzを固体電解質層3に形成された電池について充放電を行ない、100サイクル経過後の容量維持率とN/Siとの関係を示している。
Using these samples, a battery was produced under the same conditions as in Example 6, and the cycle characteristics were evaluated under the same conditions as in Example 1. FIG. 6 shows the relationship between the capacity retention rate and N / Si after 100 cycles after charging and discharging a battery in which Li x SiO y N z having different N / Si was formed on the
図6から明らかなように、容量維持率はN/Siに大きく依存し、0.01以上で改善効果が見られた。さらにN/Siの値が増大するに伴って、容量維持率も増大し、N/Siの値が0.3から0.5でもっとも高い値が安定して得られた。しかし0.5を超えると急激に容量維持率が低下し0.8では完全に実用性が失われた。上記の結果から、N/Siについては0.3以上0.5以下が最も好ましい範囲であると考えられる。 As is apparent from FIG. 6, the capacity retention rate greatly depends on N / Si, and an improvement effect was observed at 0.01 or more. Further, as the value of N / Si increased, the capacity retention rate also increased, and the highest value was stably obtained when the value of N / Si was 0.3 to 0.5. However, when it exceeded 0.5, the capacity retention rate suddenly decreased, and when 0.8, practicality was completely lost. From the above results, it is considered that N / Si is most preferably in the range of 0.3 to 0.5.
以上のように、Siに対するNのモル比率であるz値は適正な範囲を有する。そしてスパッタリングのターゲットにリチウム酸素酸塩を用いた場合、z値に応じてx値、y値の適正範囲はそれぞれ自動的に決まる。これは前述のようにそれぞれの原子の価数が決まっているためである。すなわち、リチウム酸素酸塩がLiBiO2、LiAlO2またはLiGaO2である場合、すなわち上記の一般式において、MがBi、AlまたはGaである場合、0.6≦x≦1.0、1.05≦y≦1.99、および0.01≦z≦0.5である。リチウム酸素酸塩がLi2SiO3、Li2GeO3またはLi2CO3である場合、すなわち上記の一般式において、MがSi、GeまたはCである場合、1.6≦x≦2.0、2.05≦y≦2.99、および0.01≦z≦0.5である。リチウム酸素酸塩がLi2SO4である場合、すなわち上記の一般式において、MがSである場合、1.6≦x≦2.0、3.05≦y≦3.99、および0.01≦z≦0.5である。リチウム酸素酸塩がLi5AlO4である場合、すなわち上記の一般式において、MがAlである場合、4.6≦x≦5.0、3.05≦y≦3.99、および0.01≦z≦0.5である。 As described above, the z value that is the molar ratio of N to Si has an appropriate range. When lithium oxyacid salt is used as the sputtering target, the appropriate ranges of the x value and the y value are automatically determined according to the z value. This is because the valence of each atom is determined as described above. That is, when the lithium oxyacid salt is LiBiO 2 , LiAlO 2 or LiGaO 2, that is, in the above general formula, when M is Bi, Al or Ga, 0.6 ≦ x ≦ 1.0, 1.05 ≦ y ≦ 1.99 and 0.01 ≦ z ≦ 0.5. When the lithium oxyacid salt is Li 2 SiO 3 , Li 2 GeO 3 or Li 2 CO 3, that is, in the above general formula, when M is Si, Ge or C, 1.6 ≦ x ≦ 2.0 2.05 ≦ y ≦ 2.99 and 0.01 ≦ z ≦ 0.5. When the lithium oxyacid salt is Li 2 SO 4, that is, in the above general formula, when M is S, 1.6 ≦ x ≦ 2.0, 3.05 ≦ y ≦ 3.99, and 01 ≦ z ≦ 0.5. When the lithium oxyacid salt is Li 5 AlO 4, that is, in the above general formula, when M is Al, 4.6 ≦ x ≦ 5.0, 3.05 ≦ y ≦ 3.99, and 01 ≦ z ≦ 0.5.
なお、データを示していないが、LixMOyNzのM成分として、Si以外のB、Ge、Al、C、GaおよびSからなる元素群から選択された少なくとも1種の元素であり、かつ0.6≦x≦1.0、1.05≦y≦1.99、および0.01≦z≦0.5、または1.6≦x≦2.0、2.05≦y≦2.99、および0.01≦z≦0.5、または1.6≦x≦2.0、3.05≦y≦3.99、および0.01≦z≦0.5、または4.6≦x≦5.0、3.05≦y≦3.99、および0.01≦z≦0.5である場合にもほぼ同様の結果が得られた。 Although not shown in the data, the M component of Li x MO y N z is at least one element selected from the element group consisting of B, Ge, Al, C, Ga and S other than Si, And 0.6 ≦ x ≦ 1.0, 1.05 ≦ y ≦ 1.99, and 0.01 ≦ z ≦ 0.5, or 1.6 ≦ x ≦ 2.0, 2.05 ≦ y ≦ 2. .99, and 0.01 ≦ z ≦ 0.5, or 1.6 ≦ x ≦ 2.0, 3.05 ≦ y ≦ 3.99, and 0.01 ≦ z ≦ 0.5, or 4.6. Similar results were obtained when ≦ x ≦ 5.0, 3.05 ≦ y ≦ 3.99, and 0.01 ≦ z ≦ 0.5.
本発明に係る固体電解質電池は、活物質と一般式LixPTyOzあるいは一般式LixMOyNzのいずれかからなる固体電解質との界面に、非晶質シリカを形成した構成を有する。この固体電解質電池では、活物質粒子と固体電解質粒子との間におけるリチウムの移動に必要な接合が確保されるのと同時に、固体電解質が充放電における還元に対し安定であり、かつ外部からの水分の侵入による固体電解質のリチウムイオン伝導性の低下が抑制される。結果として、長期の使用において優れた電池特性が持続され、サイクル特性が大幅に改善される。 The solid electrolyte battery according to the present invention has a configuration in which amorphous silica is formed at the interface between an active material and a solid electrolyte made of either the general formula Li x PT y O z or the general formula Li x MO y N z. Have. In this solid electrolyte battery, the junction necessary for the movement of lithium between the active material particles and the solid electrolyte particles is ensured, and at the same time, the solid electrolyte is stable against reduction during charge and discharge, and moisture from the outside The deterioration of the lithium ion conductivity of the solid electrolyte due to the penetration of is suppressed. As a result, excellent battery characteristics are maintained over a long period of use, and the cycle characteristics are greatly improved.
1 負極
2 正極
3 固体電解質
4 保護層
7 正極集電体
8 活物質層
8A LiCoO2膜
8B 非晶質シリカ膜
9 集電体
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Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007004590A1 (en) * | 2005-07-01 | 2007-01-11 | National Institute For Materials Science | All-solid lithium battery |
JP2011509502A (en) * | 2007-12-21 | 2011-03-24 | インフィニット パワー ソリューションズ, インコーポレイテッド | Method of sputtering a target for an electrolyte membrane |
JP2011511399A (en) * | 2008-01-23 | 2011-04-07 | インフィニット パワー ソリューションズ, インコーポレイテッド | Thin film electrolytes for thin film batteries |
WO2012127762A1 (en) * | 2011-03-23 | 2012-09-27 | ヤマハ発動機株式会社 | Electrically conductive composition, dispersion system, process for producing electrically conductive composition, and solid electrolyte battery |
US20130316237A1 (en) * | 2011-02-02 | 2013-11-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Composite active material, method for producing composite active material, and battery |
EP2696399A2 (en) * | 2011-04-06 | 2014-02-12 | Shine Co., Ltd | Battery having electrode structure including metal fiber and preparation method of electrode structure |
US20160340784A1 (en) * | 2014-01-08 | 2016-11-24 | Ilika Technologies Limited | Vapour deposition method for preparing amorphous lithium-containing compounds |
US10490805B2 (en) | 2014-01-08 | 2019-11-26 | Ilika Technologies Limited | Vapour deposition method for fabricating lithium-containing thin film layered structures |
US11316193B2 (en) | 2016-06-15 | 2022-04-26 | Ilika Technologies Limited | Lithium borosilicate glass as electrolyte and electrode protective layer |
CN114402469A (en) * | 2019-08-30 | 2022-04-26 | 昭和电工株式会社 | Lithium ion conductive oxide |
US11851742B2 (en) | 2018-08-29 | 2023-12-26 | Ilika Technologies Limited | Vapor deposition method for preparing an amorphous lithium borosilicate |
-
2004
- 2004-10-21 JP JP2004306650A patent/JP2006120437A/en active Pending
Cited By (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007004590A1 (en) * | 2005-07-01 | 2007-01-11 | National Institute For Materials Science | All-solid lithium battery |
US7993782B2 (en) | 2005-07-01 | 2011-08-09 | National Institute For Materials Science | All-solid lithium battery |
JP2011509502A (en) * | 2007-12-21 | 2011-03-24 | インフィニット パワー ソリューションズ, インコーポレイテッド | Method of sputtering a target for an electrolyte membrane |
JP2011511399A (en) * | 2008-01-23 | 2011-04-07 | インフィニット パワー ソリューションズ, インコーポレイテッド | Thin film electrolytes for thin film batteries |
US9325001B2 (en) * | 2011-02-02 | 2016-04-26 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Composite active material, method for producing composite active material, and battery |
US20130316237A1 (en) * | 2011-02-02 | 2013-11-28 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Composite active material, method for producing composite active material, and battery |
CN103443864A (en) * | 2011-03-23 | 2013-12-11 | 雅马哈发动机株式会社 | Electrically conductive composition, dispersion system, process for producing electrically conductive composition, and solid electrolyte battery |
CN103443864B (en) * | 2011-03-23 | 2016-01-13 | 雅马哈发动机株式会社 | The manufacture method of conductive composition, disperse system, conductive composition and solid electrolyte cell |
WO2012127762A1 (en) * | 2011-03-23 | 2012-09-27 | ヤマハ発動機株式会社 | Electrically conductive composition, dispersion system, process for producing electrically conductive composition, and solid electrolyte battery |
US9929409B2 (en) | 2011-04-06 | 2018-03-27 | Jenax Inc. | Battery having electrode structure including metal fiber and preparation method of electrode structure |
EP2696399A2 (en) * | 2011-04-06 | 2014-02-12 | Shine Co., Ltd | Battery having electrode structure including metal fiber and preparation method of electrode structure |
EP2696399A4 (en) * | 2011-04-06 | 2014-10-01 | Shine Co Ltd | Battery having electrode structure including metal fiber and preparation method of electrode structure |
US20160340784A1 (en) * | 2014-01-08 | 2016-11-24 | Ilika Technologies Limited | Vapour deposition method for preparing amorphous lithium-containing compounds |
JP2017504726A (en) * | 2014-01-08 | 2017-02-09 | イリカ テクノロジーズ リミテッド | Deposition method for producing amorphous lithium-containing compounds |
CN109468595A (en) * | 2014-01-08 | 2019-03-15 | 爱利卡技术有限公司 | It is used to prepare the vapour deposition process of amorphous lithium-containing compound |
US10490805B2 (en) | 2014-01-08 | 2019-11-26 | Ilika Technologies Limited | Vapour deposition method for fabricating lithium-containing thin film layered structures |
US10865480B2 (en) | 2014-01-08 | 2020-12-15 | Ilika Technologies Limited | Vapour deposition method for preparing amorphous lithium-containing compounds |
US11316193B2 (en) | 2016-06-15 | 2022-04-26 | Ilika Technologies Limited | Lithium borosilicate glass as electrolyte and electrode protective layer |
US11851742B2 (en) | 2018-08-29 | 2023-12-26 | Ilika Technologies Limited | Vapor deposition method for preparing an amorphous lithium borosilicate |
CN114402469A (en) * | 2019-08-30 | 2022-04-26 | 昭和电工株式会社 | Lithium ion conductive oxide |
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