JP2006179241A - Solid battery - Google Patents

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Masayoshi Hiramoto
雅祥 平本
Masaya Ugaji
正弥 宇賀治
Masanori Yoshida
雅憲 吉田
Tatsuji Mino
辰治 美濃
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid battery capable of relaxing strain and stress generated with expansion/contraction of a power generation element caused by charge and discharge. <P>SOLUTION: This solid battery includes the power generation element and a protective layer in contact with a side face of the power generation element. The solid battery is so structured that the power generation element includes a lower electrode layer, an electrolyte layer and an upper layer all of which are sequentially stacked on one another; the protective layer is formed of an electron insulator, and covers side faces and an upper surface peripheral part of the lower electrode layer; and a lower surface peripheral part of the electrolyte layer covers at least a part of the upper surface of the protective layer. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、順次に積層された下部電極層、電解質層および上部電極層を有する発電要素を含む固体電池に関する。   The present invention relates to a solid state battery including a power generation element having a lower electrode layer, an electrolyte layer, and an upper electrode layer that are sequentially stacked.

固体電池は、例えば図3に示すような構成を有する。図3の固体電池は、基板31と、その上に設けられた発電要素30からなり、発電要素30を構成する下部電極層33、電解質層34および上部電極層35は、上方に形成される薄膜ほど面積が小さくなっている(例えば特許文献1参照)。このような固体電池は、それぞれ薄膜状の下部集電層32、下部電極層33、電解質層34、上部電極層35および上部集電層36を順次に形成することにより作製される。なお、基板31が導電性を有する場合には、下部集電層32が省かれる場合もある。   The solid battery has a configuration as shown in FIG. 3, for example. The solid state battery of FIG. 3 includes a substrate 31 and a power generation element 30 provided thereon, and a lower electrode layer 33, an electrolyte layer 34, and an upper electrode layer 35 constituting the power generation element 30 are thin films formed above. The area becomes smaller (see, for example, Patent Document 1). Such a solid battery is manufactured by sequentially forming a thin film-like lower current collecting layer 32, lower electrode layer 33, electrolyte layer 34, upper electrode layer 35, and upper current collecting layer 36, respectively. When the substrate 31 has conductivity, the lower current collecting layer 32 may be omitted.

また、図4に示すような構成を有する固体電池も提案されている。図4の固体電池は、基板41と、その上に設けられた発電要素40からなり、発電要素40を構成する下部電極層43、電解質層44および上部電極層45は、全て同じ大きさを有する(例えば特許文献2参照)。このような固体電池も、それぞれ薄膜状の下部集電層42、下部電極層43、電解質層44、上部電極層45および上部集電層46を順次に形成することにより作製される。   A solid battery having a configuration as shown in FIG. 4 has also been proposed. The solid state battery of FIG. 4 includes a substrate 41 and a power generation element 40 provided thereon, and the lower electrode layer 43, the electrolyte layer 44, and the upper electrode layer 45 constituting the power generation element 40 all have the same size. (For example, refer to Patent Document 2). Such a solid battery is also fabricated by sequentially forming a thin film-like lower current collecting layer 42, lower electrode layer 43, electrolyte layer 44, upper electrode layer 45, and upper current collecting layer 46, respectively.

また、図5に示すような構成を有する固体電池も提案されている。図5の固体電池では、基板51に、下部集電層52と上部電極層用集電層56とが形成されている。下部集電層52の上面には、下部電極層53が形成され、下部電極層53は、電解質層54で覆われている。下部集電層52の一部は露出しており、露出部は外部端子との接続部となる。上部電極層55は、電解質層54と上部電極層用集電層56とが短絡するように、両者のそれぞれ上面を覆っている(例えば特許文献3参照)。
特開平10−284130号公報 特開2002−42863号公報 米国特許第5538625号明細書
A solid battery having a configuration as shown in FIG. 5 has also been proposed. In the solid state battery of FIG. 5, a lower current collecting layer 52 and an upper electrode current collecting layer 56 are formed on a substrate 51. A lower electrode layer 53 is formed on the upper surface of the lower current collecting layer 52, and the lower electrode layer 53 is covered with an electrolyte layer 54. A part of the lower current collecting layer 52 is exposed, and the exposed portion serves as a connection portion with an external terminal. The upper electrode layer 55 covers the upper surfaces of the electrolyte layer 54 and the upper electrode current collecting layer 56 so as to short-circuit each other (see, for example, Patent Document 3).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-284130 JP 2002-42863 A US Pat. No. 5,538,625

特許文献1に記載の構成では、上方に形成される薄膜ほど面積が小さくなるので、充放電に使用される下部電極層33の反応面積は、上部電極層35の面積と同程度に小さくなってしまう。   In the configuration described in Patent Document 1, since the area becomes smaller as the thin film is formed on the upper side, the reaction area of the lower electrode layer 33 used for charging / discharging becomes as small as the area of the upper electrode layer 35. End up.

特許文献2に記載の構成では、下部電極層43、電解質層44および上部電極層45の大きさが同じであるので、各層の側面が面一に揃っている。その上、各層の厚さはそれぞれ数μm程度と薄いため、側面に沿ったリーク電流が流れやすく、電池特性に不良が生じる虞がある。   In the configuration described in Patent Document 2, since the lower electrode layer 43, the electrolyte layer 44, and the upper electrode layer 45 have the same size, the side surfaces of the respective layers are aligned. In addition, since the thickness of each layer is as thin as several μm, leakage current along the side surface tends to flow, and there is a possibility that the battery characteristics may be defective.

特許文献3に記載の構成では、電解質層54を挟んで、下部電極層53の上面周縁部と上部電極層55とが対向している。このような状態で、放電もしくは充電放電に伴って下部電極層53あるいは上部電極層55が膨張または収縮を行うと、下部電極層53の上面周縁部には歪みや応力が集中しやすい。そのため、発電要素を構成する下部電極層53、電解質層54および上部電極層55のいずれかに亀裂が入る虞がある。特に、破線X1およびX2で囲まれた領域、すなわち下部電極層53の上面周縁部や、そこに隣接する電解質層54には亀裂が入りやすい。   In the configuration described in Patent Document 3, the upper surface peripheral portion of the lower electrode layer 53 and the upper electrode layer 55 face each other with the electrolyte layer 54 interposed therebetween. In this state, when the lower electrode layer 53 or the upper electrode layer 55 expands or contracts due to discharge or charge / discharge, strain and stress tend to concentrate on the peripheral edge of the upper surface of the lower electrode layer 53. Therefore, there is a possibility that any of the lower electrode layer 53, the electrolyte layer 54, and the upper electrode layer 55 constituting the power generation element is cracked. In particular, the region surrounded by the broken lines X1 and X2, that is, the peripheral edge of the upper surface of the lower electrode layer 53 and the electrolyte layer 54 adjacent thereto are easily cracked.

特に電解質層54が割れると、下部電極層53と上部電極層55とが短絡する可能性が高くなる。また、上部電極層用集電層56と下部集電層52とが電解質層54を挟んで隣接するため、電池性能を上げるために電解質層54を薄く形成すると、容易に短絡してしまう虞がある。   In particular, when the electrolyte layer 54 is cracked, there is a high possibility that the lower electrode layer 53 and the upper electrode layer 55 are short-circuited. Further, since the current collecting layer 56 for the upper electrode layer and the lower current collecting layer 52 are adjacent to each other with the electrolyte layer 54 interposed therebetween, if the electrolyte layer 54 is formed thin in order to improve battery performance, there is a risk of short-circuiting easily. is there.

本発明は、これらの問題を解決することを目的とするものであり、下部電極層と上部電極層とが十分な対向面積を有し、発電要素に亀裂が生じにくく、かつ、発電要素の側面に沿ったリーク電流が抑制された、高性能な固体電池を提供することを目的とする。   The present invention aims to solve these problems, the lower electrode layer and the upper electrode layer have a sufficient facing area, the power generation element is hardly cracked, and the side surface of the power generation element An object of the present invention is to provide a high-performance solid state battery in which leakage current along the line is suppressed.

本発明は、まず、発電要素と、発電要素の側面と接触する保護層とを有し、発電要素は、順次に積層された下部電極層、電解質層および上部電極層を有し、保護層は、電子絶縁体からなり、かつ下部電極層の側面および上面周縁部を被覆し、電解質層の下面周縁部は、保護層の上面の少なくとも一部を被覆している、固体電池に関する。   The present invention first includes a power generation element and a protective layer in contact with a side surface of the power generation element. The power generation element includes a lower electrode layer, an electrolyte layer, and an upper electrode layer that are sequentially stacked. Further, the present invention relates to a solid state battery that is made of an electronic insulator and covers the side surface and the upper surface peripheral portion of the lower electrode layer, and the lower surface peripheral portion of the electrolyte layer covers at least part of the upper surface of the protective layer.

本発明は、また、発電要素と、発電要素の側面と接触する保護層とを有し、発電要素は、順次に積層された下部電極層、電解質層および上部電極層を有し、保護層は、電子絶縁体からなり、かつ下部電極層の側面ならびに電解質層の側面および上面周縁部を被覆し、上部電極層の下面周縁部は、保護層の上面の少なくとも一部を被覆している、固体電池に関する。   The present invention also includes a power generation element and a protective layer in contact with a side surface of the power generation element. The power generation element includes a lower electrode layer, an electrolyte layer, and an upper electrode layer that are sequentially stacked. A solid body made of an electronic insulator and covering the side surface of the lower electrode layer and the side surface and upper surface periphery of the electrolyte layer, and the lower surface periphery of the upper electrode layer covers at least part of the upper surface of the protective layer It relates to batteries.

上記のような構造においては、下部電極層の側面および上面周縁部を被覆する保護層が、リーク電流を抑制するとともに、電池の放電もしくは充放電反応に伴って発電要素に発生する歪みや応力を緩和する、あるいは歪みや応力に対する耐破壊強度が向する。   In the structure as described above, the protective layer covering the side surface and the upper surface peripheral edge of the lower electrode layer suppresses leakage current, and also prevents distortion and stress generated in the power generation element due to battery discharge or charge / discharge reaction. Relaxation or fracture resistance against strain and stress is suitable.

保護層には、電子絶縁性を有する樹脂、金属酸化物、ガラスなどを用いることができるが、これに限定されない。   For the protective layer, a resin, metal oxide, glass, or the like having electronic insulating properties can be used, but the protective layer is not limited thereto.

保護層の弾性率は、電解質層の弾性率よりも小さいことが望ましい。このように保護層の弾性率を制御する場合、発電要素に発生する歪みや応力を緩和する効果が大きくなるからである。また、保護層は、ゴム弾性を有する材料からなることが望ましく、ゴム性状高分子を用いることが特に望ましい。ゴム弾性を有する材料を用いることにより、発電要素に発生する歪みや応力を緩和する効果が顕著となるからである。   The elastic modulus of the protective layer is preferably smaller than the elastic modulus of the electrolyte layer. This is because when the elastic modulus of the protective layer is controlled in this way, the effect of relieving strain and stress generated in the power generation element is increased. The protective layer is preferably made of a material having rubber elasticity, and it is particularly desirable to use a rubbery polymer. This is because by using a material having rubber elasticity, the effect of relieving strain and stress generated in the power generation element becomes remarkable.

保護層には、電子絶縁性を有するイオン伝導体を用いることもできる。イオン伝導体を用いることにより、下部電極層の上面周縁部と上部電極層の下面周縁部との間でもイオンの授受が行われるため、固体電池の特性が向上する。   For the protective layer, an ion conductor having electronic insulating properties can also be used. By using the ionic conductor, ions are exchanged between the upper surface peripheral portion of the lower electrode layer and the lower surface peripheral portion of the upper electrode layer, so that the characteristics of the solid state battery are improved.

イオン伝導体は、無機イオン伝導体でもよいが、ポリマー電解質などの有機イオン伝導体の方が、弾性率が小さい点で望ましい。有機イオン伝導体としては、ポリエチレンオキシドやその誘導体が、弾性率が小さい点で特に望ましい。   The ionic conductor may be an inorganic ionic conductor, but an organic ionic conductor such as a polymer electrolyte is more preferable because of its low elastic modulus. As the organic ionic conductor, polyethylene oxide and its derivatives are particularly desirable because of their low elastic modulus.

電解質層は、有機固体電解質からなるものでもよいが、厚さ数μm以下の薄膜状へ形成が容易で、かつこれによるエネルギー密度の向上が容易となる観点から、無機固体電解質からなることが望ましい。無機固体電解質としては、少なくともLi、PおよびOを含むリン化合物が望ましい。
なお、発電要素の大きさ、下部電極層、電解質層および上部電極層の厚さ、保護層の厚さなどは、特に限定されない。
The electrolyte layer may be made of an organic solid electrolyte, but is preferably made of an inorganic solid electrolyte from the viewpoint of easy formation into a thin film having a thickness of several μm or less and easy improvement of energy density. . As the inorganic solid electrolyte, a phosphorus compound containing at least Li, P and O is desirable.
The size of the power generation element, the thickness of the lower electrode layer, the electrolyte layer and the upper electrode layer, the thickness of the protective layer, and the like are not particularly limited.

本発明によれば、電池の放電または充放電反応に伴って発電要素、特に下部電極層に発生する歪みや応力が保護層によって緩和されること、あるいは歪みや応力による耐破壊強度が向上することから、発電要素、特に下部電極層や電解質層が割れるのを防止することができる。よって、放電特性や充放電サイクル特性に優れた、信頼性の高い、高性能な一次固体電池もしくは二次固体電池を得ることが可能である。   According to the present invention, the strain or stress generated in the power generation element, particularly the lower electrode layer accompanying the discharge or charge / discharge reaction of the battery is alleviated by the protective layer, or the fracture resistance due to the strain or stress is improved. Therefore, it is possible to prevent the power generation element, particularly the lower electrode layer and the electrolyte layer from being cracked. Therefore, it is possible to obtain a reliable and high-performance primary solid battery or secondary solid battery excellent in discharge characteristics and charge / discharge cycle characteristics.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
実施形態1
図1は、本発明の一実施形態に係る、基板11と、その上に設けられた発電要素10と、発電要素10の側面と接触する保護層17と、を有する固体電池100の断面図である。保護層17は、電子絶縁体からなる。基板11上には、薄膜状の下部集電層12が形成されており、その上面に、それぞれ薄膜状の下部電極層13、電解質層14および上部電極層15からなる発電要素10が形成されている。下部集電層12の寸法は、下部電極層13の寸法よりも、大きく形成されており、保護層17の下面は、下部集電層12の上面に接触している。なお、下部集電層12の寸法を、より小さく形成して、保護層17の下面を基板11に接触させてもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1
FIG. 1 is a cross-sectional view of a solid state battery 100 having a substrate 11, a power generation element 10 provided thereon, and a protective layer 17 in contact with a side surface of the power generation element 10 according to an embodiment of the present invention. is there. The protective layer 17 is made of an electronic insulator. A thin film-shaped lower current collecting layer 12 is formed on the substrate 11, and a power generation element 10 including a thin film-shaped lower electrode layer 13, an electrolyte layer 14, and an upper electrode layer 15 is formed on the upper surface of the substrate 11. Yes. The size of the lower current collecting layer 12 is formed larger than the size of the lower electrode layer 13, and the lower surface of the protective layer 17 is in contact with the upper surface of the lower current collecting layer 12. The lower current collecting layer 12 may be formed to have a smaller size, and the lower surface of the protective layer 17 may be in contact with the substrate 11.

保護層17は、下部電極層13の側面および上面周縁部を被覆している。一方、下部電極層13の上面に形成されている電解質層14の下面周縁部は、保護層17の上面の一部を被覆している。すなわち、下部電極層13の上面周縁部と電解質層14の下面周縁部との間に、電子絶縁体からなる保護層17の一部が介在した状態である。このような状態は、下部電極層13を形成した後、保護層17を形成し、次いで、電解質層14を形成することで得られる。   The protective layer 17 covers the side surface and the upper surface periphery of the lower electrode layer 13. On the other hand, the lower surface peripheral portion of the electrolyte layer 14 formed on the upper surface of the lower electrode layer 13 covers a part of the upper surface of the protective layer 17. That is, a part of the protective layer 17 made of an electronic insulator is interposed between the upper surface periphery of the lower electrode layer 13 and the lower surface periphery of the electrolyte layer 14. Such a state can be obtained by forming the lower electrode layer 13, forming the protective layer 17, and then forming the electrolyte layer 14.

上記のような構造においては、上部電極層15が下部電極層13と同等以上の面積を有する場合でも、電子絶縁体からなる保護層17の存在により、発電要素の側面に沿ったリーク電流は抑制される。よって、電解質層14の上面に、下部電極層13との対向面積が最大になるように、上部電極層15を形成することができ、下部電極層13に含まれる活物質の有効活用が可能である。   In the above structure, even when the upper electrode layer 15 has an area equal to or larger than that of the lower electrode layer 13, the presence of the protective layer 17 made of an electronic insulator suppresses leakage current along the side surface of the power generation element. Is done. Therefore, the upper electrode layer 15 can be formed on the upper surface of the electrolyte layer 14 so that the area facing the lower electrode layer 13 is maximized, and the active material contained in the lower electrode layer 13 can be effectively used. is there.

また、上記のような構造の固体電池が放電、または充放電を行うと、下部電極層13が膨張または収縮を行うため、発電要素には歪みや応力が発生する。このような歪みや応力は、下部電極層13の側面および上面周縁部に集中する傾向がある。しかし、保護層17が、下部電極層13の側面および上面周縁部を覆うように配置されているため、発生した歪みや応力は保護層17により緩和される。あるいは、下部電極層13の側面および上面周縁部を被覆する電子絶縁体の厚みが増すことで、耐破壊強度が高まるため、短絡が生じにくくなる。   In addition, when the solid battery having the above-described structure is discharged or charged / discharged, the lower electrode layer 13 expands or contracts, so that distortion or stress is generated in the power generation element. Such strain and stress tend to concentrate on the side surface and the upper surface peripheral edge of the lower electrode layer 13. However, since the protective layer 17 is disposed so as to cover the side surface and the upper surface periphery of the lower electrode layer 13, the generated strain and stress are alleviated by the protective layer 17. Alternatively, the thickness of the electronic insulator covering the side surface and the upper surface peripheral portion of the lower electrode layer 13 is increased, so that the breakdown strength is increased, so that a short circuit hardly occurs.

歪みや応力を緩和する効果を高める観点から、保護層17の弾性率は、電解質層14の弾性率よりも小さいことが望ましく、電解質層14に対して、例えば1/2以下に小さいことが望ましい。保護層17の弾性率を小さくすることで、下部電極層53の上面周縁部への歪みや応力の集中は大きく抑制され、発電要素を構成する下部電極層53、電解質層54および上部電極層55のいずれかに亀裂が入る虞も大きく低減する。   From the viewpoint of enhancing the effect of relieving strain and stress, the elastic modulus of the protective layer 17 is preferably smaller than the elastic modulus of the electrolyte layer 14, and is preferably smaller than 1/2 of the electrolyte layer 14, for example. . By reducing the elastic modulus of the protective layer 17, the concentration of strain and stress on the peripheral edge of the upper surface of the lower electrode layer 53 is greatly suppressed, and the lower electrode layer 53, the electrolyte layer 54, and the upper electrode layer 55 constituting the power generation element. The risk of cracks in either of these is greatly reduced.

保護層17を構成する電子絶縁体としては、特に限定はないが、樹脂または、窒化物、炭化物、硫化物、硼化物、フッ化物、隣化物、あるいはこれらの混合材料などが挙げられる。電子絶縁体は、特にゴム弾性を有する材料(特に樹脂)であることが望ましい。
ゴム弾性を有する材料としては、ゴム性状高分子が好ましく、ゴム性状高分子としてはテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレンなどが望ましい。ゴム弾性を有する材料は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
The electronic insulator constituting the protective layer 17 is not particularly limited, and examples thereof include resins, nitrides, carbides, sulfides, borides, fluorides, fluorides, and mixed materials thereof. The electronic insulator is desirably a material (particularly a resin) having rubber elasticity.
As the material having rubber elasticity, a rubbery polymer is preferable. As the rubbery polymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene, or the like is desirable. One material having rubber elasticity may be used alone, or two or more materials may be used in combination.

保護層17を構成する電子絶縁体は、イオン導電性を有しても良い。保護層17がイオン導電性を有する場合、下部電極層13の上面周縁部と電解質層14の下面周縁部との間に介在する保護層17の一部でもイオンの移動が可能となるため、固体電池の特性が向上する。   The electronic insulator constituting the protective layer 17 may have ionic conductivity. When the protective layer 17 has ionic conductivity, ions can move even in a part of the protective layer 17 interposed between the upper surface periphery of the lower electrode layer 13 and the lower surface periphery of the electrolyte layer 14. The battery characteristics are improved.

保護層17として、ポリマー電解質などの有機イオン伝導体を用いる場合、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンオキシドの誘導体などの有機イオン伝導体が、弾性率が小さい点で特に望ましい。有機イオン伝導体は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。   When an organic ionic conductor such as a polymer electrolyte is used as the protective layer 17, an organic ionic conductor such as polyethylene oxide or a derivative of polyethylene oxide is particularly desirable because of its low elastic modulus. An organic ion conductor may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

下部電極層13および上部電極層15は、それぞれ正極活物質および負極活物質の一方および他方を含む。正極活物質および負極活物質には、二次電池の活物質として知られている材料を、特に限定なく用いることができる。   The lower electrode layer 13 and the upper electrode layer 15 include one and the other of a positive electrode active material and a negative electrode active material, respectively. As the positive electrode active material and the negative electrode active material, materials known as active materials for secondary batteries can be used without any particular limitation.

正極活物質としては、例えばリチウム含有遷移金属酸化物、バナジウム酸化物、クロム酸化物、チタン硫化物などが挙げられる。また、リチウム含有遷移金属酸化物としては、リチウムコバルト系酸化物(LiCoO、LiCoPOF)リチウムニッケル系酸化物(LiNiO)、リチウムマンガン系酸化物(LiMnP0、LiMn)、リチウム鉄系酸化物(LiFePO、LiFePOF)、LiMO(Mは、Ni、Co、 Fe、Al、Mg、Mnなどから選ばれた少なくとも2種)などが好ましい。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the positive electrode active material include lithium-containing transition metal oxides, vanadium oxides, chromium oxides, and titanium sulfides. Examples of the lithium-containing transition metal oxide include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 , LiCoPO 4 F), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMnP 0 4 , LiMn 2 O 4 ), lithium Iron-based oxides (LiFePO 4 , Li 2 FePO 4 F), LiMO 2 (M is at least two selected from Ni, Co, Fe, Al, Mg, Mn, etc.) are preferable. These may be used alone or in combination of two or more.

負極活物質としては、例えば金属もしくは半金属、酸化物、窒化物、酸窒化物、SiB、MgSi、炭素、CuP、FeS、FeSbなどが挙げられる。また、金属もしくは半金属としては、リチウム、珪素、アモルファス珪素、アルミニウム、銀、錫、アンチモンなどを用いることができ、酸化物としては、SiO、SnB0.50.5、SnBPO、SnO、Fe、CoO、WO、LiSrTi14、MoO、LiTi12、TiO、Nb、WO、Taなどを用いることができ、窒化物としては、Li2.6Co0.4N、LiFeN、LiMnNなどを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the negative electrode active material include metals or metalloids, oxides, nitrides, oxynitrides, SiB 3 , Mg 2 Si, carbon, Cu 2 P, Fe 2 S, and FeSb 2 . As the metal or semimetal, lithium, silicon, amorphous silicon, aluminum, silver, tin, antimony, or the like can be used. As the oxide, SiO, SnB 0.5 P 0.5 O 3 , SnBPO 6 , SnO 2, Fe 2 O 3 , CoO, WO 2, Li 2 SrTi 6 O 14, MoO 2, Li 4 Ti 5 O 12, TiO 2, Nb 2 O 5, WO, be used Ta 2 O 5 or the like As the nitride, Li 2.6 Co 0.4 N, Li 3 FeN 2 , Li 7 MnN 4 or the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.

電解質層14は、特に限定されないが、無機固体電解質からなることが望ましい。無機固体電解質としては、少なくともLi、PおよびOを含むリン化合物が望ましい。例えばリン酸リチウム(LiPO)、リン酸リチウムの酸素の一部を窒素で置換したLiPON、LiPOD(Dは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt、Auなどから選ばれた少なくとも1種)などが挙げられる。また、LiAON(Aは、Si、B、Ge、Al、C、Gaなどから選ばれた少なくとも1種)なども好ましく用いることができる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The electrolyte layer 14 is not particularly limited, but is preferably made of an inorganic solid electrolyte. As the inorganic solid electrolyte, a phosphorus compound containing at least Li, P and O is desirable. For example, lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), LiPON obtained by substituting part of oxygen of lithium phosphate with nitrogen, LiPOD (D is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb) , Mo, Ru, Ag, Ta, W, Pt, Au, etc.). LiAON (A is at least one selected from Si, B, Ge, Al, C, Ga and the like) can also be preferably used. These may be used alone or in combination of two or more.

下部集電層12および上部集電層16には、それぞれが隣接する電極の電位において安定な電子導電体であれば、特に限定なく用いることができる。例えば、金属、合金、金属酸化物などを用いることができる。金属や合金としては、例えばAu、Pt、Cu、Ni、Co、Tiなどを用いることができる。また、金属酸化物としては、酸化錫、酸化インジウム錫などを用いることができる。   The lower current collecting layer 12 and the upper current collecting layer 16 can be used without particular limitation as long as they are electronic conductors that are stable at the potential of the adjacent electrodes. For example, a metal, an alloy, a metal oxide, or the like can be used. As the metal or alloy, for example, Au, Pt, Cu, Ni, Co, Ti or the like can be used. As the metal oxide, tin oxide, indium tin oxide, or the like can be used.

図1の構造において、保護層17は、下部電極層13の上面周縁部の幅w1の領域を被覆している。また、電解質層14は、保護層17の上面内周縁部の幅d1の領域を被覆している。さらに、保護層17の上面は、下部電極層13の上面より高さh1だけ上方に位置する。   In the structure of FIG. 1, the protective layer 17 covers a region having a width w <b> 1 at the periphery of the upper surface of the lower electrode layer 13. In addition, the electrolyte layer 14 covers a region of the width d1 at the inner peripheral edge of the upper surface of the protective layer 17. Furthermore, the upper surface of the protective layer 17 is positioned above the upper surface of the lower electrode layer 13 by a height h1.

ここで、幅w1は、0.01mm〜5mmであることが望ましい。幅W1が小さすぎると、リーク電流や発電要素の亀裂を抑制する効果が小さくなり、幅W1が大きすぎると、下部電極層13の有効利用面積が小さくなる。また、幅d1は、(W1+0.01)mm〜(W1+5)mmであることが望ましい。幅d1が小さすぎると、リーク電流を抑制する効果が小さくなり、幅d1が大きすぎると、電解質層14の原料が無駄になる。また、高さh1は、0.005mm〜1mmであることが望ましい。高さh1が小さすぎると、リーク電流や発電要素の亀裂を抑制する効果が小さくなり、高さh1が大きすぎると、電池容量が低下することなる。   Here, the width w1 is preferably 0.01 mm to 5 mm. If the width W1 is too small, the effect of suppressing leakage current and cracking of the power generation element is reduced. If the width W1 is too large, the effective use area of the lower electrode layer 13 is reduced. The width d1 is preferably (W1 + 0.01) mm to (W1 + 5) mm. If the width d1 is too small, the effect of suppressing the leakage current is reduced, and if the width d1 is too large, the raw material for the electrolyte layer 14 is wasted. Further, the height h1 is desirably 0.005 mm to 1 mm. If the height h1 is too small, the effect of suppressing leakage current and cracking of the power generation element is reduced, and if the height h1 is too large, the battery capacity is reduced.

下部集電層12、下部電極層13、電解質層14、上部電極層15、上部集電層16および保護層17は、それぞれ、通常の厚膜もしくは薄膜形成プロセスにより、容易に形成することができる。本発明に適用可能な厚膜もしくは薄膜形成プロセスとしては、HP(ホットプレス)、プラズマ焼結、通電焼結法、ゾル−ゲル法の他、CVD法(chemical-vapor-deposition)、蒸着法、スパッタリング法などの真空形成法、鍍金技術、スピンコート法、スクリーン印刷や、インクジェット、吹き付けなどの印刷技術を用いた塗布法を挙げることができる。また、所望のパターンニングを行う手段としては、金属、樹脂もしくは油脂などを用いたマスク法や、フォトリソグラフィを用いることができる。   The lower current collecting layer 12, the lower electrode layer 13, the electrolyte layer 14, the upper electrode layer 15, the upper current collecting layer 16 and the protective layer 17 can be easily formed by a normal thick film or thin film forming process, respectively. . As a thick film or thin film forming process applicable to the present invention, HP (hot press), plasma sintering, electric current sintering method, sol-gel method, CVD method (chemical-vapor-deposition), vapor deposition method, Examples thereof include a vacuum forming method such as a sputtering method, a plating technique, a spin coating method, a screen printing method, a coating method using a printing technique such as ink jetting and spraying. As a means for performing desired patterning, a mask method using metal, resin, oil or the like, or photolithography can be used.

また、保護層17がポリテトラフルオロエチレンなどのゴム弾性を有する材料からなる場合には、スパッタ法ような厚膜もしくは薄膜形成法や、あらかじめシート状に形成したポリテトラフルオロエチレン等を熱融着法で貼り付けることで保護層17を設けることができる。ただし、これらの方法に限定されるわけではない。
さらに、保護層17がポリエチレンオキシドなどの有機イオン伝導体からなる場合には、あらかじめ溶媒と混合し、ディスペンサー、コーター、ブレード法などの塗布法を用い、下部電極上に所望の厚みに形成した後、溶媒を乾燥するか、あらかじめシート状に形成したポリエチレンオキシドを、熱融着法で貼り付けることで保護層17を設けることができる。ただし、これらの方法に限定されるわけではない。
When the protective layer 17 is made of a material having rubber elasticity such as polytetrafluoroethylene, a thick film or thin film forming method such as a sputtering method, or polytetrafluoroethylene previously formed into a sheet shape is heat-sealed. The protective layer 17 can be provided by sticking by a method. However, it is not necessarily limited to these methods.
Further, when the protective layer 17 is made of an organic ionic conductor such as polyethylene oxide, it is mixed with a solvent in advance and formed on the lower electrode to a desired thickness by using a coating method such as a dispenser, coater, blade method or the like. The protective layer 17 can be provided by drying the solvent or attaching polyethylene oxide formed in a sheet shape in advance by a thermal fusion method. However, it is not necessarily limited to these methods.

なお、図1では、上部電極層15の上面に、薄膜状の上部集電層16が形成されているが、上部集電層16は必須ではなく、上部電極層15が上部集電層を兼ねても良い。また、基板11が導電体である場合には、下部集電層12も、必ずしも必要ではない。さらに、基板11上に下部集電層12を形成する場合には、図1の構造の固体電池を形成後、薄型化のために基板11を除去してもよい。   In FIG. 1, a thin-film upper current collecting layer 16 is formed on the upper surface of the upper electrode layer 15, but the upper current collecting layer 16 is not essential, and the upper electrode layer 15 also serves as the upper current collecting layer. May be. Further, when the substrate 11 is a conductor, the lower current collecting layer 12 is not necessarily required. Further, when the lower current collecting layer 12 is formed on the substrate 11, the substrate 11 may be removed for thinning after the solid battery having the structure of FIG. 1 is formed.

なお、基板11としては、金属、樹脂、半導体、ガラス、酸化物、セラミックス材料などを用いることができるが、これらに限定されない。また、金属としては、例えばAl、Cu、Ti、ステンレス鋼(SUS)、コバールなどを用いることができ、樹脂としては、例えばポリイミド、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド、ポリイミドアミド、ポリエチレンナフタレート(PEN)などを用いることができ、半導体その他の基板としては、Si、SiO、MgO、NaCl、チタン酸ストロンチウム、アルミナ、サファイア基板などを用いることができる。特に、金属基板を用いる場合、活物質と基板との反応防止のために、基板表面に、酸化物、フッ化物、窒素化物などの反応防止膜を形成しても良い。いずれの基板も表面が平滑であることが望ましく、表面粗さRaが5μm程度以下であることがさらに好ましい。 Note that as the substrate 11, a metal, a resin, a semiconductor, glass, an oxide, a ceramic material, or the like can be used, but the substrate 11 is not limited thereto. Examples of metals that can be used include Al, Cu, Ti, stainless steel (SUS), and Kovar. Examples of resins that can be used include polyimide, polyethylene terephthalate (PET), polyamide, polyimide amide, and polyethylene naphthalate (PEN). Etc., and Si, SiO 2 , MgO, NaCl, strontium titanate, alumina, sapphire substrates, and the like can be used as the semiconductor and other substrates. In particular, when a metal substrate is used, a reaction preventing film such as an oxide, fluoride, or nitride may be formed on the surface of the substrate in order to prevent a reaction between the active material and the substrate. Each substrate desirably has a smooth surface, and more preferably has a surface roughness Ra of about 5 μm or less.

実施形態2
図2は、本発明の一実施形態に係る、基板21と、その上に設けられた発電要素20と、発電要素20の側面と接触する保護層27と、を有する固体電池200の断面図である。保護層27は、電子絶縁体からなる。基板21上には、薄膜状の下部集電層12が形成されており、その上面に、それぞれ薄膜状の下部電極層23、電解質層24および上部電極層25からなる発電要素20が形成されている。下部集電層22の寸法は、下部電極層23の寸法よりも、大きく形成されており、保護層27の下面は、下部集電層22の上面に接触している。なお、下部集電層22の寸法を、より小さく形成して、保護層27の下面を基板21に接触させてもよい。
Embodiment 2
FIG. 2 is a cross-sectional view of a solid state battery 200 having a substrate 21, a power generation element 20 provided thereon, and a protective layer 27 in contact with a side surface of the power generation element 20 according to an embodiment of the present invention. is there. The protective layer 27 is made of an electronic insulator. A thin-film lower current collecting layer 12 is formed on the substrate 21, and a power generation element 20 including a thin-film lower electrode layer 23, an electrolyte layer 24, and an upper electrode layer 25 is formed on the upper surface of the substrate 21. Yes. The size of the lower current collecting layer 22 is formed larger than the size of the lower electrode layer 23, and the lower surface of the protective layer 27 is in contact with the upper surface of the lower current collecting layer 22. Note that the size of the lower current collecting layer 22 may be formed smaller, and the lower surface of the protective layer 27 may be in contact with the substrate 21.

保護層27は、下部電極層23の側面ならびに電解質層24の側面および上面周縁部を被覆している。一方、電解質層24の上面に形成されている上部電極層25の下面周縁部は、保護層27の上面の一部を被覆している。すなわち、電解質層24の上面周縁部と上部電極層25の下面周縁部との間に、電子絶縁体からなる保護層27の一部が介在した状態である。このような状態は、電解質層24を形成した後、保護層27を形成し、次いで、上部電極層25を形成することで得られる。   The protective layer 27 covers the side surface of the lower electrode layer 23, the side surface of the electrolyte layer 24, and the peripheral edge of the upper surface. On the other hand, the lower surface peripheral portion of the upper electrode layer 25 formed on the upper surface of the electrolyte layer 24 covers a part of the upper surface of the protective layer 27. That is, a part of the protective layer 27 made of an electronic insulator is interposed between the upper surface periphery of the electrolyte layer 24 and the lower surface periphery of the upper electrode layer 25. Such a state can be obtained by forming the electrolyte layer 24, forming the protective layer 27, and then forming the upper electrode layer 25.

図2の構造において、保護層27は、電解質層24の上面周縁部の幅w2の領域を被覆している。また、上部電極層25は、保護層27の上面内周縁部の幅d2の領域を被覆している。さらに、保護層27の上面は、電解質層24の上面より高さh1だけ上方に位置する。   In the structure of FIG. 2, the protective layer 27 covers a region of the width w <b> 2 at the peripheral edge of the upper surface of the electrolyte layer 24. Further, the upper electrode layer 25 covers a region having a width d2 at the inner peripheral edge of the upper surface of the protective layer 27. Furthermore, the upper surface of the protective layer 27 is positioned above the upper surface of the electrolyte layer 24 by a height h1.

ここで、幅w2は、0.01mm〜5mmであることが望ましい。幅W2が小さすぎると、リーク電流や発電要素の亀裂を抑制する効果が小さくなり、幅W2が大きすぎると、下部電極層23の有効利用面積が小さくなる。また、幅d2は、(W2+0.01)mm〜(W2+5)mmであることが望ましい。幅d2が小さすぎると、リーク電流を抑制する効果が小さくなり、幅d2が大きすぎると、上部電極層25の原料が無駄になる。また、高さh2は、0.05mm〜1mmであることが望ましい。高さh2が小さすぎると、リーク電流や発電要素の亀裂を抑制する効果が小さくなり、高さh2が大きすぎると、電池容量が低下することになる。   Here, the width w2 is preferably 0.01 mm to 5 mm. If the width W2 is too small, the effect of suppressing leakage current and cracking of the power generation element is reduced. If the width W2 is too large, the effective use area of the lower electrode layer 23 is reduced. The width d2 is preferably (W2 + 0.01) mm to (W2 + 5) mm. If the width d2 is too small, the effect of suppressing the leakage current is reduced, and if the width d2 is too large, the raw material of the upper electrode layer 25 is wasted. Further, the height h2 is desirably 0.05 mm to 1 mm. If the height h2 is too small, the effect of suppressing leakage current and cracking of the power generation element is reduced, and if the height h2 is too large, the battery capacity is reduced.

上記のような構成の固体電池においては、電解質層24が下部電極層23に発生した歪みや応力による影響を受けるが、保護層27が下部電極層23の側面ならびに電解質層24の側面および上面周縁部を被覆しているため、歪みや応力は緩和される。そのため、発電要素の他の部分と同様に、電解質層24に亀裂が入る虞も低減する。   In the solid state battery having the above-described configuration, the electrolyte layer 24 is affected by the strain and stress generated in the lower electrode layer 23, but the protective layer 27 has the side surface of the lower electrode layer 23 and the side surface and upper surface periphery of the electrolyte layer 24. Since the portion is covered, strain and stress are alleviated. Therefore, the risk of cracks in the electrolyte layer 24 is reduced as in other parts of the power generation element.

また、電解質層24の上面に、下部電極層23との対向面積が最大になるように、上部電極層25を形成することができ、下部電極層23に含まれる活物質の有効活用が可能である。   Further, the upper electrode layer 25 can be formed on the upper surface of the electrolyte layer 24 so that the area facing the lower electrode layer 23 is maximized, and the active material contained in the lower electrode layer 23 can be effectively used. is there.

さらに、保護層27を構成する電子絶縁体がイオン導電性を有する場合には、下部電極層23の上面周縁部と電解質層24の下面周縁部との間に介在する保護層27の一部でもイオンの移動が可能となるため、固体電池の特性が向上する。
従って、図2に示す構造の固体電池であっても、実施形態1の固体電池とほぼ同様の効果を得ることができる。
Further, when the electronic insulator constituting the protective layer 27 has ionic conductivity, even a part of the protective layer 27 interposed between the upper surface periphery of the lower electrode layer 23 and the lower surface periphery of the electrolyte layer 24. Since ions can be moved, the characteristics of the solid state battery are improved.
Therefore, even the solid battery having the structure shown in FIG. 2 can obtain substantially the same effect as that of the solid battery of the first embodiment.

なお、実施形態2に係る基板21、下部集電層22、下部電極層23、電解質層24、上部電極層25、上部集電層26および保護層27は、それぞれ実施形態1で説明した基板11、下部集電層12、下部電極層13、電解質層14、上部電極層15、上部集電層16および保護層17と、同様の材料を用い、同様の方法で形成することができる。
以下に具体的な本発明の実施例について記載する。
The substrate 21, the lower current collecting layer 22, the lower electrode layer 23, the electrolyte layer 24, the upper electrode layer 25, the upper current collecting layer 26, and the protective layer 27 according to the second embodiment are the same as those described in the first embodiment. The lower current collecting layer 12, the lower electrode layer 13, the electrolyte layer 14, the upper electrode layer 15, the upper current collecting layer 16, and the protective layer 17 can be formed by using the same material and by the same method.
Specific examples of the present invention will be described below.

(i)基板の作製
ステンレス鋼基板(SUS304基板)(サイズ60mm×60mm×0.01mm)の両面に、厚さ3μmのSiO膜を形成した。そして、SiO膜を有する基板の両側に、図1で示す構造の電池を1セルずつ作製した。この両面2セルの電池を1ユニットとし、合計5ユニット(10セル)作製した。
(I) Production of Substrate A 3 μm thick SiO 2 film was formed on both surfaces of a stainless steel substrate (SUS304 substrate) (size 60 mm × 60 mm × 0.01 mm). Then, one cell of the structure shown in FIG. 1 was produced on both sides of the substrate having the SiO 2 film. This double-sided, 2-cell battery was taken as 1 unit, and a total of 5 units (10 cells) were produced.

(ii)下部集電層の形成
第一工程として、開口部45mm×45mmのメタルマスクを基板に装着し、TiターゲットおよびAuターゲットを用いたスパッタリング法により、SiO膜上に、厚さ1μmのTi層と厚さ2μmのAu層との積層膜からなる下部集電層を形成した。スパッタリングの放電ガスにはArを用い、そのガス圧は8mTorrとした。
(Ii) Formation of the lower current collecting layer As a first step, a metal mask having an opening of 45 mm × 45 mm is attached to the substrate, and a 1 μm-thickness is formed on the SiO 2 film by sputtering using a Ti target and an Au target. A lower current collecting layer made of a laminated film of a Ti layer and a 2 μm thick Au layer was formed. Ar was used as a sputtering discharge gas, and the gas pressure was 8 mTorr.

(iii)下部電極層の形成
第二工程として、開口部20mm×20mmのメタルマスクを下部集電層の中心と合わせて装着し、LiとCoを蒸発源に用いた蒸着法により、下部集電層上に、LiCoOからなる厚さ7μmの下部電極層を形成した。Liは抵抗加熱により蒸発させ、Coは電子ビームにより蒸着させて、下部集電層上に供給した。また、製膜雰囲気には酸素ガスを80sccmで流通させ、基板温度は450℃とした。
(Iii) Formation of the lower electrode layer As a second step, a metal mask having an opening of 20 mm × 20 mm is attached in alignment with the center of the lower current collecting layer, and the lower current collecting is performed by vapor deposition using Li and Co as an evaporation source. A 7 μm-thick lower electrode layer made of LiCoO 2 was formed on the layer. Li was evaporated by resistance heating, and Co was evaporated by an electron beam and supplied onto the lower current collecting layer. Further, oxygen gas was circulated at 80 sccm in the film forming atmosphere, and the substrate temperature was 450 ° C.

(iv)保護層の形成
第三工程として、リチウム塩であるLiTFSI(リチウムトリフルオロメタンスルホンイミド:lithium trifluoromethanesulfonylimide)と、ポリエチレンオキシド(PEO)と、溶媒としてのアセトニトリルとを混合した溶液を、ディスペンサーを用い、下部電極層の側面および上面周縁部を覆うように、塗布し、真空乾燥して、保護層を形成した。乾燥後のPEOを含む保護層の厚さは10μm、h1は3μm、幅は5mmであった。また、保護層で覆われた下部電極層の上面周縁部の幅(W1)は0.5mmであり、下部電極層の上面中央の19mm×19mmの領域は露出していた。
(Iv) Formation of protective layer As a third step, a lithium salt LiTFSI (lithium trifluoromethanesulfonylimide), polyethylene oxide (PEO), and a solution of acetonitrile as a solvent are mixed using a dispenser. The protective layer was formed by coating and vacuum drying so as to cover the side surface and the upper surface peripheral edge of the lower electrode layer. The thickness of the protective layer containing PEO after drying was 10 μm, h1 was 3 μm, and the width was 5 mm. Further, the width (W1) of the upper surface peripheral portion of the lower electrode layer covered with the protective layer was 0.5 mm, and a 19 mm × 19 mm region at the center of the upper surface of the lower electrode layer was exposed.

こうして得られた保護層は、リチウム塩を含んだPEOからなるイオン導電体であり、リチウムイオン伝導性を有する。   The protective layer thus obtained is an ionic conductor made of PEO containing a lithium salt and has lithium ion conductivity.

(v)電解質層の形成
第四工程として、開口部30mm×30mmのメタルマスクを下部電極層の中心と合わせて装着し、LiSiPOを焼結させたターゲットを用いたスパッタリング法により、下部電極層および保護層上に、Li3.5Si0.50.5からなる厚さ2μmの電解質層を形成した。その結果、下部電極層の上面中央の19mm×19mmの領域と、PEOからなる保護層は、完全に電解質層によって覆われた。スパッタリングの放電ガスにはArとOとの混合ガスを用い、そのガス圧は10mTorrとした。混合ガス中のArとOとの流量比は、Ar:O=90:10であった。
(V) Formation of electrolyte layer As a fourth step, a lower electrode layer and a 30 mm × 30 mm metal mask are fitted together with the center of the lower electrode layer, and a sputtering method using a target obtained by sintering LiSiPO is used. An electrolyte layer made of Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4 and having a thickness of 2 μm was formed on the protective layer. As a result, the 19 mm × 19 mm region in the center of the upper surface of the lower electrode layer and the protective layer made of PEO were completely covered with the electrolyte layer. A sputtering gas used was a mixed gas of Ar and O 2, and the gas pressure was 10 mTorr. The flow ratio of Ar to O 2 in the mixed gas was Ar: O 2 = 90: 10.

(vi)上部集電層兼、上部集電層の形成
第五工程として、開口部25mm×25mmのメタルマスクを電解質層の中心と合わせて装着し、Liを蒸発源に用いた抵抗加熱蒸着法により、電解質層上に、Liからなる厚さ4μmの上部電極層兼、上部集電層を形成した。
(Vi) Formation of upper current collecting layer and upper current collecting layer As a fifth step, a resistance heating vapor deposition method using a metal mask having an opening of 25 mm × 25 mm aligned with the center of the electrolyte layer and using Li as an evaporation source As a result, a 4 μm thick upper electrode layer and upper current collecting layer made of Li were formed on the electrolyte layer.

(i)基板の作製
ステンレス鋼基板(SUS304基板)(サイズ60mm×60mm×0.01mm)の両面に、厚さ3μmのSiO膜を形成した。そして、SiO膜を有する基板の両側に、図2で示す構造の電池を1セルずつ形成した。この両面2セルの電池を1ユニットとし、合計5ユニット(10セル)作製した。
(I) Production of substrate A 3 μm thick SiO 2 film was formed on both surfaces of a stainless steel substrate (SUS304 substrate) (size 60 mm × 60 mm × 0.01 mm). Then, one cell of the structure shown in FIG. 2 was formed on both sides of the substrate having the SiO 2 film. This double-sided, 2-cell battery was taken as 1 unit, and a total of 5 units (10 cells) were produced.

(ii)下部集電層の形成
第一工程として、開口部45mm×45mmのメタルマスクを基板に装着し、TiおよびAuターゲットを用いたスパッタリング法により、SiO膜上に、厚さ1μmのTi層と厚さ2μmのAu層との積層膜からなる下部集電層を形成した。スパッタリングの放電ガスにはArを用い、そのガス圧は8mTorrとした。
(Ii) Formation of lower current collecting layer As a first step, a metal mask having an opening of 45 mm × 45 mm is mounted on a substrate, and a Ti film having a thickness of 1 μm is formed on the SiO 2 film by sputtering using Ti and Au targets. A lower current collecting layer made of a laminated film of a layer and an Au layer having a thickness of 2 μm was formed. Ar was used as a sputtering discharge gas, and the gas pressure was 8 mTorr.

(iii)下部電極層の形成
第二工程として、開口部20mm×20mmのメタルマスクを下部集電層の中心と合わせて装着し、LiとCoを蒸発源に用いた蒸着法により、下部集電層上に、LiCoOからなる厚さ7μmの下部電極層を形成した。Liは抵抗加熱により蒸発させ、Coは電子ビームにより蒸着させて、下部集電層上に供給した。また、製膜雰囲気には酸素ガスを80sccmで流通させ、基板温度は450℃とした。
(Iii) Formation of the lower electrode layer As a second step, a metal mask having an opening of 20 mm × 20 mm is attached in alignment with the center of the lower current collecting layer, and the lower current collecting is performed by vapor deposition using Li and Co as an evaporation source. A 7 μm-thick lower electrode layer made of LiCoO 2 was formed on the layer. Li was evaporated by resistance heating, and Co was evaporated by an electron beam and supplied onto the lower current collecting layer. Further, oxygen gas was circulated at 80 sccm in the film forming atmosphere, and the substrate temperature was 450 ° C.

(iv)電解質層の形成
第三工程として、開口部20mm×20mmのメタルマスクを装着したまま、LiSiPO焼結ターゲットを用いたスパッタリング法により、下部電極層上に、Li3.5Si0.50.5からなる厚さ2μmの電解質層を形成した。その結果、下部電極層の上面は、完全に電解質層によって覆われた。スパッタリングの放電ガスにはArとOとの混合ガスを用い、そのガス圧は10mTorrとした。混合ガス中のArとOとの流量比は、Ar:O=90:10であった。
(Iv) Formation of Electrolyte Layer As a third step, Li 3.5 Si 0.5 is formed on the lower electrode layer by sputtering using a LiSiPO sintered target with a metal mask having an opening of 20 mm × 20 mm attached. An electrolyte layer having a thickness of 2 μm made of P 0.5 O 4 was formed. As a result, the upper surface of the lower electrode layer was completely covered with the electrolyte layer. A sputtering gas used was a mixed gas of Ar and O 2, and the gas pressure was 10 mTorr. The flow ratio of Ar to O 2 in the mixed gas was Ar: O 2 = 90: 10.

(v)保護層の形成
第四工程として、リチウム塩であるLiTFSI(リチウムトリフルオロメタンスルホンイミド:lithium trifluoromethanesulfonylimide)と、ポリエチレンオキシド(PEO)と、溶媒としてのアセトニトリルとを混合した溶液を、ディスペンサーを用い、下部電極層の側面および電解質層の上面周縁部を覆うように、塗布し、真空乾燥して、保護層を形成した。乾燥後のPEOからなる保護層の厚さは10μm、h2は10−9=1μm、幅は5mmであった。また、保護層で覆われた電解質層の上面周縁部の幅(W2)は0.5mmであり、電解質層の上面中央の19mm×19mmの領域は露出していた。
(V) Formation of protective layer As a fourth step, a solution obtained by mixing LiTFSI (lithium trifluoromethanesulfonylimide) which is a lithium salt, polyethylene oxide (PEO), and acetonitrile as a solvent is used with a dispenser. The protective layer was formed by coating and vacuum drying so as to cover the side surface of the lower electrode layer and the peripheral edge of the upper surface of the electrolyte layer. The thickness of the protective layer made of PEO after drying was 10 μm, h2 was 10−9 = 1 μm, and the width was 5 mm. Moreover, the width (W2) of the upper surface periphery of the electrolyte layer covered with the protective layer was 0.5 mm, and a 19 mm × 19 mm region at the center of the upper surface of the electrolyte layer was exposed.

こうして得られた保護層は、リチウム塩を含んだPEOからなるイオン導電体であり、リチウムイオン伝導性を有する。   The protective layer thus obtained is an ionic conductor made of PEO containing a lithium salt and has lithium ion conductivity.

(vi)上部集電層兼、上部集電層の形成
第五工程として、開口部25mm×25mmのメタルマスクを電解質層の中心と合わせて装着し、Liを蒸発源に用いた抵抗加熱蒸着法により、電解質層および保護層上に、Liからなる厚さ4μmの上部電極層兼、上部集電層を形成した。その結果、電解質層の上面中央の19mm×19mmの領域と、PEOからなる保護層は、完全に上部集電層によって覆われた。
(Vi) Formation of upper current collecting layer and upper current collecting layer As a fifth step, a resistance heating vapor deposition method using a metal mask having an opening of 25 mm × 25 mm aligned with the center of the electrolyte layer and using Li as an evaporation source As a result, a 4 μm thick upper electrode layer and an upper current collecting layer made of Li were formed on the electrolyte layer and the protective layer. As a result, the 19 mm × 19 mm region in the center of the upper surface of the electrolyte layer and the protective layer made of PEO were completely covered by the upper current collecting layer.

《比較例1》
(i)基板の作製
ステンレス鋼基板(SUS304基板)(サイズ60mm×60mm×0.01mm)の両面に、厚さ3μmのSiO膜を形成した。そして、SiO膜を有する基板の両側に、図3で示す構造の電池を1セルずつ形成した。この両面2セルの電池を1ユニットとし、合計5ユニット(10セル)作製した。
<< Comparative Example 1 >>
(I) Production of substrate A 3 μm thick SiO 2 film was formed on both surfaces of a stainless steel substrate (SUS304 substrate) (size 60 mm × 60 mm × 0.01 mm). Then, one cell of the structure shown in FIG. 3 was formed on both sides of the substrate having the SiO 2 film. This double-sided, 2-cell battery was taken as 1 unit, and a total of 5 units (10 cells) were produced.

(ii)下部集電層の形成
第一工程として、開口部45mm×45mmのメタルマスクを基板に装着し、TiおよびAuターゲットを用いたスパッタリング法により、SiO膜上に、厚さ1μmのTi層と厚さ2μmのAu層との積層膜からなる下部集電層を形成した。スパッタリングの放電ガスにはArを用い、そのガス圧は8mTorrとした。
(Ii) Formation of lower current collecting layer As a first step, a metal mask having an opening of 45 mm × 45 mm is mounted on a substrate, and a Ti film having a thickness of 1 μm is formed on the SiO 2 film by sputtering using Ti and Au targets. A lower current collecting layer made of a laminated film of a layer and an Au layer having a thickness of 2 μm was formed. Ar was used as a sputtering discharge gas, and the gas pressure was 8 mTorr.

(iii)下部電極層の形成
第二工程として、開口部20mm×20mmのメタルマスクを下部集電層の中心と合わせて装着し、LiとCoを蒸発源に用いた蒸着法により、下部集電層上に、LiCoOからなる厚さ7μmの下部電極層を形成した。Liは抵抗加熱により蒸発させ、Coは電子ビームにより蒸着させて、下部集電層上に供給した。また、製膜雰囲気には酸素ガスを80sccmで流通させ、基板温度は450℃とした。
(Iii) Formation of the lower electrode layer As a second step, a metal mask having an opening of 20 mm × 20 mm is attached in alignment with the center of the lower current collecting layer, and the lower current collecting is performed by vapor deposition using Li and Co as an evaporation source. A 7 μm-thick lower electrode layer made of LiCoO 2 was formed on the layer. Li was evaporated by resistance heating, and Co was evaporated by an electron beam and supplied onto the lower current collecting layer. Further, oxygen gas was circulated at 80 sccm in the film forming atmosphere, and the substrate temperature was 450 ° C.

(iv)電解質層の形成
第三工程として、開口部19mm×19mmのメタルマスクを下部電極層の中心と合わせて装着し、LiSiPOを焼結させたターゲットを用いたスパッタリング法により、下部電極層上に、Li3.5Si0.50.5からなる厚さ2μmの電解質層を形成した。スパッタリングの放電ガスにはArとOとの混合ガスを用い、そのガス圧は10mTorrとした。混合ガス中のArとOとの流量比は、Ar:O=90:10であった。
(Iv) Formation of electrolyte layer As a third step, a metal mask having an opening of 19 mm × 19 mm is mounted in alignment with the center of the lower electrode layer, and the lower electrode layer is formed by sputtering using a target obtained by sintering LiSiPO. Then, an electrolyte layer having a thickness of 2 μm made of Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4 was formed. A sputtering gas used was a mixed gas of Ar and O 2, and the gas pressure was 10 mTorr. The flow ratio of Ar to O 2 in the mixed gas was Ar: O 2 = 90: 10.

(v)上部集電層兼、上部集電層の形成
第四工程として、開口部18mm×18mmのメタルマスクを電解質層の中心と合わせて装着し、Liを蒸発源に用いた抵抗加熱蒸着法により、電解質層上に、Liからなる厚さ4μmの上部電極層兼、上部集電層を形成した。
(V) Formation of upper current collecting layer and upper current collecting layer As a fourth step, a resistance heating vapor deposition method using a metal mask having an opening of 18 mm × 18 mm aligned with the center of the electrolyte layer and using Li as an evaporation source As a result, a 4 μm thick upper electrode layer and upper current collecting layer made of Li were formed on the electrolyte layer.

《比較例2》
(i)基板の作製
ステンレス鋼基板(SUS304基板)(サイズ60mm×60mm×0.01mm)の両面に、厚さ3μmのSiO膜を形成した。そして、SiO膜を有する基板の両側に、図2で示す構造の電池を1セルずつ形成した。この両面2セルの電池を1ユニットとし、合計5ユニット(10セル)作製した。
<< Comparative Example 2 >>
(I) Production of substrate A 3 μm thick SiO 2 film was formed on both surfaces of a stainless steel substrate (SUS304 substrate) (size 60 mm × 60 mm × 0.01 mm). Then, one cell of the structure shown in FIG. 2 was formed on both sides of the substrate having the SiO 2 film. This double-sided, 2-cell battery was taken as 1 unit, and a total of 5 units (10 cells) were produced.

(ii)下部集電層の形成
第一工程として、開口部45mm×45mmのメタルマスクを基板に装着し、TiおよびAuターゲットを用いたスパッタリング法により、SiO膜上に、厚さ1μmのTi層と厚さ2μmのAu層との積層膜からなる下部集電層を形成した。スパッタリングの放電ガスにはArを用い、そのガス圧は8mTorrとした。
(Ii) Formation of lower current collecting layer As a first step, a metal mask having an opening of 45 mm × 45 mm is mounted on a substrate, and a Ti film having a thickness of 1 μm is formed on the SiO 2 film by sputtering using Ti and Au targets. A lower current collecting layer made of a laminated film of a layer and an Au layer having a thickness of 2 μm was formed. Ar was used as a sputtering discharge gas, and the gas pressure was 8 mTorr.

(iii)下部電極層の形成
第二工程として、開口部20mm×20mmのメタルマスクを下部集電層の中心と合わせて装着し、LiとCoを蒸発源に用いた蒸着法により、下部集電層上に、LiCoOからなる厚さ7μmの下部電極層を形成した。Liは抵抗加熱により蒸発させ、Coは電子ビームにより蒸着させて、下部集電層上に供給した。また、製膜雰囲気には酸素ガスを80sccmで流通させ、基板温度は450℃とした。
(Iii) Formation of the lower electrode layer As a second step, a metal mask having an opening of 20 mm × 20 mm is attached in alignment with the center of the lower current collecting layer, and the lower current collecting is performed by vapor deposition using Li and Co as an evaporation source. A 7 μm-thick lower electrode layer made of LiCoO 2 was formed on the layer. Li was evaporated by resistance heating, and Co was evaporated by an electron beam and supplied onto the lower current collecting layer. Further, oxygen gas was circulated at 80 sccm in the film forming atmosphere, and the substrate temperature was 450 ° C.

(iv)電解質層の形成
第三工程として、開口部20mm×20mmのメタルマスクを装着したまま、LiSiPO焼結ターゲットを用いたスパッタリング法により、下部電極層上に、Li3.5Si0.50.5からなる厚さ2μmの電解質層を形成した。その結果、下部電極層の上面は、完全に電解質層によって覆われた。スパッタリングの放電ガスにはArとOとの混合ガスを用い、そのガス圧は10mTorrとした。混合ガス中のArとOとの流量比は、Ar:O=90:10であった。
(Iv) Formation of Electrolyte Layer As a third step, Li 3.5 Si 0.5 is formed on the lower electrode layer by sputtering using a LiSiPO sintered target with a metal mask having an opening of 20 mm × 20 mm attached. An electrolyte layer having a thickness of 2 μm made of P 0.5 O 4 was formed. As a result, the upper surface of the lower electrode layer was completely covered with the electrolyte layer. A sputtering gas used was a mixed gas of Ar and O 2, and the gas pressure was 10 mTorr. The flow ratio of Ar to O 2 in the mixed gas was Ar: O 2 = 90: 10.

(v)上部集電層兼、上部集電層の形成
第四工程として、開口部20mm×20mmのメタルマスクを装着したまま、Liを蒸発源に用いた抵抗加熱蒸着法により、電解質層上に、Liからなる厚さ4μmの上部電極層兼、上部集電層を形成した。
(V) Formation of upper current collecting layer and upper current collecting layer As a fourth step, with a metal mask having an opening of 20 mm × 20 mm attached, a resistance heating vapor deposition method using Li as an evaporation source is performed on the electrolyte layer. An upper electrode layer and an upper current collecting layer made of Li and having a thickness of 4 μm were formed.

《比較例3》
(i)基板の作製
ステンレス鋼基板(SUS304基板)(サイズ60mm×60mm×0.01mm)の両面に、厚さ3μmのSiO膜を形成した。そして、SiO膜を有する基板の両側に、図5で示す構造の電池を1セルずつ形成した。この両面2セルの電池を1ユニットとし、合計5ユニット(10セル)作製した。
<< Comparative Example 3 >>
(I) Production of Substrate A 3 μm thick SiO 2 film was formed on both surfaces of a stainless steel substrate (SUS304 substrate) (size 60 mm × 60 mm × 0.01 mm). Then, cells each having the structure shown in FIG. 5 were formed on both sides of the substrate having the SiO 2 film. This double-sided, 2-cell battery was taken as 1 unit, and a total of 5 units (10 cells) were produced.

(ii)下部集電層の形成
第一工程として、下部集電層用の開口部30mm×30mmおよび上部電極層用集電層用の開口部20mm×20mmを有するメタルマスクを基板に装着し、TiおよびAuターゲットを用いたスパッタリング法により、SiO膜上に、厚さ1μmのTi層と厚さ2μmのAu層との積層膜からなる下部集電層を形成した。スパッタリングの放電ガスにはArを用い、そのガス圧は8mTorrとした。
(Ii) Formation of the lower current collecting layer As a first step, a metal mask having an opening 30 mm × 30 mm for the lower current collecting layer and an opening 20 mm × 20 mm for the current collecting layer for the upper electrode layer is attached to the substrate, A lower current collecting layer composed of a laminated film of a Ti layer having a thickness of 1 μm and an Au layer having a thickness of 2 μm was formed on the SiO 2 film by a sputtering method using a Ti and Au target. Ar was used as a sputtering discharge gas, and the gas pressure was 8 mTorr.

(iii)下部電極層の形成
第二工程として、開口部20mm×20mmのメタルマスクを下部集電層の中心と合わせて装着し、LiとCoを蒸発源に用いた蒸着法により、下部集電層上に、LiCoOからなる厚さ7μmの下部電極層を形成した。Liは抵抗加熱により蒸発させ、Coは電子ビームにより蒸着させて、下部集電層上に供給した。また、製膜雰囲気には酸素ガスを80sccmで流通させ、基板温度は450℃とした。
(Iii) Formation of the lower electrode layer As a second step, a metal mask having an opening of 20 mm × 20 mm is attached in alignment with the center of the lower current collecting layer, and the lower current collecting is performed by vapor deposition using Li and Co as an evaporation source. A 7 μm-thick lower electrode layer made of LiCoO 2 was formed on the layer. Li was evaporated by resistance heating, and Co was evaporated by an electron beam and supplied onto the lower current collecting layer. Further, oxygen gas was circulated at 80 sccm in the film forming atmosphere, and the substrate temperature was 450 ° C.

(iv)電解質層の形成
第三工程として、開口部40mm×40mmのメタルマスクを、下部電極層の全体と下部集電層の一部およびSiO膜の一部が開口部内に入るように装着した。そして、LiSiPOを焼結させたターゲットを用いたスパッタリング法により、下部集電層の一部、下部電極層の全て及びSiO膜の一部を覆うように、Li3.5Si0.50.5からなる厚さ2μmの電解質層を形成した。スパッタリングの放電ガスにはArとOとの混合ガスを用い、そのガス圧は10mTorrとした。混合ガス中のArとOとの流量比は、Ar:O=90:10であった。
(Iv) Formation of electrolyte layer As a third step, a metal mask having an opening of 40 mm × 40 mm is mounted so that the entire lower electrode layer, a part of the lower current collecting layer, and a part of the SiO 2 film enter the opening. did. Then, Li 3.5 Si 0.5 P is covered so as to cover a part of the lower current collecting layer, all of the lower electrode layer, and part of the SiO 2 film by sputtering using a target obtained by sintering LiSiPO. An electrolyte layer made of 0.5 O 4 and having a thickness of 2 μm was formed. A sputtering gas used was a mixed gas of Ar and O 2, and the gas pressure was 10 mTorr. The flow ratio of Ar to O 2 in the mixed gas was Ar: O 2 = 90: 10.

(v)上部集電層兼、上部集電層の形成
第四工程として、開口部45mm×25mmのメタルマスクを、下部電極層の全体と上部電極層用集電層の一部が開口部内に入るように装着した。そして、Liを蒸発源に用いた抵抗加熱蒸着法により、電解質層および上部電極層用集電層上に、Liからなる厚さ4μmの上部電極層兼、上部集電層を形成した。その結果、下部電極層の全面が、電解質層を介して、上部電極層と対向した。
(V) Formation of upper current collecting layer and upper current collecting layer As a fourth step, a metal mask having an opening of 45 mm × 25 mm is used, and the entire lower electrode layer and a part of the current collecting layer for the upper electrode layer are placed in the opening. Installed to enter. Then, a 4 μm-thick upper electrode layer and upper current collecting layer made of Li were formed on the electrolyte layer and the upper electrode current collecting layer by a resistance heating vapor deposition method using Li as an evaporation source. As a result, the entire surface of the lower electrode layer was opposed to the upper electrode layer through the electrolyte layer.

以上のように作製された図1〜図5に示す構造を有する5種類の電池、各々10セルずつに関し、充放電サイクル試験を実施した。充電電位の上限は4.3V、放電電位の下限は3Vとし、50サイクル後のセル特性を測定した。尚、1サイクルは0.2Cで測定した。   A charge / discharge cycle test was conducted on the five types of batteries having the structure shown in FIGS. The upper limit of the charging potential was 4.3 V, the lower limit of the discharging potential was 3 V, and the cell characteristics after 50 cycles were measured. One cycle was measured at 0.2C.

初期の放電容量に対する50サイクル後の放電容量の割合を、10セルの平均値で求め、百分率で表1に示す。また、短絡の発生の有無についても表1に示す。短絡が発生した場合には、5セルのうちの最も寿命の短かかったセルの短絡発生サイクル数を示した。なお、比較例2、3では、それぞれ10セルの全てが短絡したため、50サイクル後の放電容量の初期の放電容量に対する割合は測定できなかった。   The ratio of the discharge capacity after 50 cycles to the initial discharge capacity is obtained as an average value of 10 cells and is shown in Table 1 as a percentage. Table 1 also shows whether or not a short circuit occurs. When a short circuit occurred, the number of short circuit occurrence cycles of the cell having the shortest lifetime among the five cells was shown. In Comparative Examples 2 and 3, since all 10 cells were short-circuited, the ratio of the discharge capacity after 50 cycles to the initial discharge capacity could not be measured.

Figure 2006179241
Figure 2006179241

表1に示すように、図1、図2の構造を有する実施例1、2の固体電池は、いずれも50サイクル後の放電容量の初期の放電容量に対する割合が大きく、充放電サイクルに伴う劣化が小さかった。また、短絡の発生も見られなかった。   As shown in Table 1, the solid batteries of Examples 1 and 2 having the structures shown in FIGS. 1 and 2 have a large ratio of the discharge capacity after 50 cycles to the initial discharge capacity, and are deteriorated due to the charge / discharge cycle. Was small. In addition, no short circuit occurred.

一方、図4、図5の構造を有する比較例2、3の固体電池では、初期充放電で短絡が発生した。短絡が発生した箇所を解析したところ、図4の構造を有する比較例2の固体電池では、発電要素の側面でリーク電流が流れていることが解った。また、図5の構造を有する比較例3の固体電池では、下部電極層の上面エッジ部分(図5中の破線X1で示す領域内)および下部集電層の上面エッジ部分(図5中の破線X2で示す領域内)で、上部電極層と下部電極層とが短絡していた。   On the other hand, in the solid batteries of Comparative Examples 2 and 3 having the structures of FIGS. 4 and 5, a short circuit occurred during initial charge and discharge. When the location where the short circuit occurred was analyzed, it was found that in the solid state battery of Comparative Example 2 having the structure of FIG. 4, a leak current flows on the side surface of the power generation element. Further, in the solid state battery of Comparative Example 3 having the structure of FIG. 5, the upper surface edge portion of the lower electrode layer (in the region indicated by the broken line X1 in FIG. 5) and the upper surface edge portion of the lower current collecting layer (broken line in FIG. 5) In the region indicated by X2, the upper electrode layer and the lower electrode layer were short-circuited.

破線X1内での短絡は、充放電に伴う下部電極層の膨張および収縮により、電解質層が破壊されたことによると考えられる。また、破線X2内での短絡は、上部電極層と下部電極層との間に介在する厚さ2μmの電解質層において、絶縁破壊が生じたものと考えられる。   The short circuit within the broken line X1 is considered to be due to the destruction of the electrolyte layer due to the expansion and contraction of the lower electrode layer accompanying charge / discharge. In addition, the short circuit within the broken line X2 is considered to be caused by dielectric breakdown in the electrolyte layer having a thickness of 2 μm interposed between the upper electrode layer and the lower electrode layer.

また、図3の構造を有する比較例1の固体電池では、図1、図2の構造を有する実施例1、2の固体電池に比較して、初期の放電容量に対する50サイクル後の放電容量が小さく、充放電サイクルに伴う劣化が大きかった。これは、図3の構造においては、図1、図2の構造に比べて、下部電極層に対向する上部電極層の面積の比率が小さいことから、下部電極層内で、Liの濃度分布が不均一となり、混成電位が発生したためと考えられる。即ち、所定の電圧まで充放電した際、下部電極層でのLi拡散が十分早くないために、下部電極層の一部では、電位が所定値以上になるまで過充電(Li原子の引出し)、あるいは所定値以下になるまで過放電(Liイオンの挿入)されることで、正極の劣化が促進されたものと考えられる。
なお、上記の実施例においては、PEOを用いて、保護層を作製したが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体等を用いる場合、ポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体をターゲットとし、これをスパッタリング法によって真空プロセスで保護膜に形成してもよい。
例えば、実施例1の第三工程において、下部電極層の上面中央の19mm×19mmの領域を覆うように第1メタルマスクを配置し、さらに、下部電極層を中心として開口部が29×29mmである第2メタルマスクを配置し、上記のようなスパッタリングを行うことで、実施例1とほぼ同様の電池を作製できることを確認している。
Further, in the solid battery of Comparative Example 1 having the structure of FIG. 3, the discharge capacity after 50 cycles with respect to the initial discharge capacity is higher than that of the solid batteries of Examples 1 and 2 having the structure of FIGS. The deterioration due to the charge / discharge cycle was large. This is because the ratio of the area of the upper electrode layer facing the lower electrode layer is smaller in the structure of FIG. 3 than in the structure of FIGS. This is considered to be due to the occurrence of heterogeneous potential and a mixed potential. That is, when charging / discharging to a predetermined voltage, Li diffusion in the lower electrode layer is not fast enough, so in a part of the lower electrode layer, overcharging until the potential becomes a predetermined value or more (extraction of Li atoms), Or it is thought that deterioration of a positive electrode was accelerated | stimulated by carrying out overdischarge (insertion of Li ion) until it becomes below a predetermined value.
In the above examples, the protective layer was produced using PEO. For example, when polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer or the like is used, polytetrafluoroethylene or tetrafluoroethylene is used. An ethylene-hexafluoropropylene copolymer may be used as a target, and this may be formed on the protective film by sputtering using a vacuum process.
For example, in the third step of Example 1, a first metal mask is disposed so as to cover a 19 mm × 19 mm region in the center of the upper surface of the lower electrode layer, and the opening is 29 × 29 mm with the lower electrode layer as the center. It has been confirmed that a battery substantially similar to that of Example 1 can be manufactured by arranging a second metal mask and performing sputtering as described above.

本発明は、小型で信頼性の高い固体電池が要求される機器に適用可能であり、特に半導体基板等の基板に搭載される小型の薄膜固体電池に適用することが好ましい。また、本発明は、活物質としてリチウムを利用する固体電池に好適であるが、固体電池の種類はこれに限られない。   The present invention can be applied to a device that requires a small and highly reliable solid battery, and is particularly preferably applied to a small thin film solid battery mounted on a substrate such as a semiconductor substrate. Moreover, although this invention is suitable for the solid battery using lithium as an active material, the kind of solid battery is not restricted to this.

本発明の実施形態1に係る固体電池の断面図である。It is sectional drawing of the solid battery which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2に係る固体電池の断面図である。It is sectional drawing of the solid battery which concerns on Embodiment 2 of this invention. 従来の固体電池の断面図である。It is sectional drawing of the conventional solid battery. 従来の別の固体電池の断面図である。It is sectional drawing of another conventional solid battery. 従来の更に別の固体電池の断面図である。It is sectional drawing of another conventional solid battery.

符号の説明Explanation of symbols

100、200、300、400、500 固体電池
10、20、30、40、50 発電要素
11、21、31、41、51 基板
12、22、32、42、52 下部集電層
13、23、33、43、53 下部電極層
14、24、34、44、54 電解質層
15、25、35、45、55 上部電極層
16、26、36、46 上部集電層
56 上部電極層用集電層
17、27 保護層
100, 200, 300, 400, 500 Solid battery 10, 20, 30, 40, 50 Power generation element 11, 21, 31, 41, 51 Substrate 12, 22, 32, 42, 52 Lower current collecting layer 13, 23, 33 , 43, 53 Lower electrode layer 14, 24, 34, 44, 54 Electrolyte layer 15, 25, 35, 45, 55 Upper electrode layer 16, 26, 36, 46 Upper current collecting layer 56 Current collecting layer 17 for upper electrode layer 27 Protective layer

Claims (9)

発電要素と、前記発電要素の側面と接触する保護層とを有し、
前記発電要素は、順次に積層された下部電極層、電解質層および上部電極層を有し、
前記保護層は、電子絶縁体からなり、かつ前記下部電極層の側面および上面周縁部を被覆し、
前記電解質層の下面周縁部は、前記保護層の上面の少なくとも一部を被覆している、固体電池。
A power generation element, and a protective layer in contact with a side surface of the power generation element,
The power generating element has a lower electrode layer, an electrolyte layer, and an upper electrode layer that are sequentially stacked,
The protective layer is made of an electronic insulator, and covers the side surface and the upper surface periphery of the lower electrode layer,
The lower surface peripheral part of the said electrolyte layer is a solid battery which coat | covers at least one part of the upper surface of the said protective layer.
発電要素と、前記発電要素の側面と接触する保護層とを有し、
前記発電要素は、順次に積層された下部電極層、電解質層および上部電極層を有し、
前記保護層は、電子絶縁体からなり、かつ前記下部電極層の側面ならびに前記電解質層の側面および上面周縁部を被覆し、
前記上部電極層の下面周縁部は、前記保護層の上面の少なくとも一部を被覆している、固体電池。
A power generation element, and a protective layer in contact with a side surface of the power generation element,
The power generating element has a lower electrode layer, an electrolyte layer, and an upper electrode layer that are sequentially stacked,
The protective layer is made of an electronic insulator, and covers the side surface of the lower electrode layer and the side surface and upper surface periphery of the electrolyte layer,
A solid state battery in which a lower surface peripheral portion of the upper electrode layer covers at least a part of an upper surface of the protective layer.
前記保護層の弾性率が、前記電解質層の弾性率よりも小さい、請求項1または2記載の固体電池。   The solid battery according to claim 1, wherein an elastic modulus of the protective layer is smaller than an elastic modulus of the electrolyte layer. 前記保護層が、ゴム弾性を有する、請求項3記載の固体電池。   The solid battery according to claim 3, wherein the protective layer has rubber elasticity. 前記保護層が、有機イオン伝導体からなる、請求項3記載の固体電池。   The solid battery according to claim 3, wherein the protective layer is made of an organic ion conductor. 前記ゴム弾性を有する保護膜が、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体およびポリテトラフルオロエチレンよりなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項4記載の固体電池。   The solid state battery according to claim 4, wherein the protective film having rubber elasticity includes at least one selected from the group consisting of a tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer and polytetrafluoroethylene. 前記有機イオン伝導体が、ポリエチレンオキシドならびにその誘導体よりなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項5記載の固体電池。   The solid state battery according to claim 5, wherein the organic ionic conductor includes at least one selected from the group consisting of polyethylene oxide and derivatives thereof. 前記電解質層が、無機固体電解質からなる、請求項1または2記載の固体電池。   The solid battery according to claim 1, wherein the electrolyte layer is made of an inorganic solid electrolyte. 前記無機固体電解質が、少なくともLi、PおよびOを含むリン化合物からなる、請求項8記載の固体電池。   The solid battery according to claim 8, wherein the inorganic solid electrolyte is made of a phosphorus compound containing at least Li, P, and O.
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