JP2007123081A - 薄膜状リチウムイオン伝導性固体電解質、その製造方法、リチウム一次電池およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リチウムイオン伝導性の無機物質を含有し、厚さが10nm以上2um未満である事を特徴とする無機固体電解質。
【選択図】なし
Description
本発明に係る薄膜状の固体電解質は、電池として使用した場合、薄い方がリチウムイオンの移動距離が短いため高出力の電池が得られ、また単位体積当りの電極面積が広く確保できるため高容量の電池が得られる。しかし、本発明者の研究により薄膜の厚さが2μm以上であると、2μm未満の場合に比べて初期放電容量が急激に減少し、200サイクル後の放電容量維持率も実用上充分でない程度に減少することが判明した。したがって、薄膜状固体電解質として用いる電解質層の厚さは2μm未満が好ましく、1.5μm以下がより好ましく、1.3μm以下が最も好ましい。しかし、電解質が薄すぎるとピンホールが発生しやすくなり、その結果電極間の短絡が生じやすくなるので、電解質層の厚さは10nm以上が好ましく、100nm以上がより好ましく、500nm以上が最も好ましいことが判った。
本発明において薄膜状固体電解質が結晶を含有する場合、使用する第1のリチウムイオン伝導性無機物質からなるリチウムイオン伝導性の結晶は、Li1+x+yMxTi2−xSiyP3−yO12(ただし0≦x≦0.4、0≦y≦0.6、MはAl、Gaのいずれかまたは双方)の結晶相を有する結晶であり、特に好ましい結晶は、Li2O−M2O3−TiO2−SiO2−P2O5(MはAl、Gaのいずれかまたは双方)系の組成を有するアモルファス組成物を熱処理して結晶を析出させて得られるものである。
本発明の固体電解質薄膜は後述する材料源から作製され、スパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法等に例示されるPVD法、熱CVD、プラズマCVD法等に例示されるCVD法、プラズマ溶射法等に例示される溶射法の薄膜形成プロセスを用いて作製する。
Li2O成分は、Li+イオンキャリアを提供し、リチウムイオン伝導性をもたらすのに欠かせない成分である。良好な伝導度を得るためには含有量の下限は10%であることが好ましく、12%がより好ましく、13%が最も好ましい。しかし、この成分が多すぎるとかえって良好な伝導度が得られなくなるので、上限は60%であることが好ましく、45%であることがより好ましく、40%であることが最も好ましい。
この効果を十分に得るためには含有量の下限は0.1%であることが好ましく、1%であることがより好ましく、3%であることが最も好ましい。しかしその含有量が10%を超えると、かえって伝導度が低下してしまうため、含有量の上限は10%とすることが好ましく、8%とすることがより好ましく、6%とすることが最も好ましい。
Li2O成分は、Li+イオンキャリアを提供し、リチウムイオン伝導性をもたらすのに欠かせない成分である。良好な伝導度を得るためには含有量の下限は10%であることが好ましく、35%であることがより好ましく、40%であることが最も好ましい。しかし、この成分が多すぎるとかえって良好な伝導度が得られなくなるので、上限は60%であることが好ましく、58%であることがより好ましく、55%が最も好ましい。
Li2O成分は、Li+イオンキャリアを提供し、リチウムイオン伝導性をもたらすのに欠かせない成分である。良好な伝導度を得るためには含有量の下限は10%であることが好ましく、12%であることがより好ましく、13%であることが最も好ましい。しかし、この成分が多すぎるとかえって良好な伝導度が得られなくなるので、上限は60%であることが好ましく、45%であることがより好ましく、40%であることが最も好ましい。
Li2O成分は、Li+イオンキャリアを提供し、リチウムイオン伝導性をもたらすのに欠かせない成分である。良好な伝導度を得るためには含有量の下限は10%であることが好ましく、35%であることがより好ましく、40%であることが最も好ましい。しかし、この成分が多すぎるとかえって良好な伝導度が得られなくなるので、上限は60%であることが好ましく、58%であることがより好ましく、55%であることが最も好ましい。
薄膜電池を積層させる基板としては、Pt、Au、Ni、Cu、Al、SUS、シリコンウェハー、SiO2、Al2O3、石英ガラス、PET、PEN等を用いる事ができ、これら基板上に集電体、正極層、電解質層、負極層、封止膜を形成し薄膜電池を作製する。ただし、基板上に薄膜形成が可能な基板であれば特に限定なく用いることができる。また、回路基板上に、集電体を製膜することも可能である。集電体には、Pt、Au、Cu、Ni、SUS、Al、ITO、酸化インジウム、酸化スズ等の電子伝導性を有するものを用いる。正極活物質層を作製する材料としては、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、あるいはこれらの化合物中の遷移金属元素を異原子で置換したもの、リン酸鉄リチウムなどのリチウムイオンを吸蔵・放出できる材料であれば良い。優れた電気化学特性を得る為に、高結晶性が求められる正極材料は、得られた正極薄膜を酸素雰囲気中で熱処理を行う。
材料源には、2インチ直径のLi1+X+YMXTi2-XSiYP3-YO12(但し、0≦X≦0.4、0≦Y≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)結晶を含むリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスと各種リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを構成する酸化物を混合し、加圧成型、焼結したものを用いた。基板には、石英ガラスを使用して、RFスパッタリング法により薄膜を形成した。
材料源には、2インチ直径のLi1+X+Y+ZMX(Ge1-yTiy)2-xSizP3-zO12(但し、0≦X≦0.8、0≦Y≦1.0、0≦Z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)結晶を含むリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスと各種リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを構成する酸化物を加圧成型、焼結したものを用いた。基板には、石英ガラスを使用して、RFスパッタリング法により薄膜を形成した。
材料源には、2インチ直径のLi1+X+YMXTi2-XSiYP3-YO12(但し、0≦X≦0.4、0≦Y≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)結晶を含むリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスと各種リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを構成する酸化物を混合し加圧成型、焼結したものを用いた。基板には、石英ガラスを使用して、RFスパッタリング法により薄膜を形成した。
材料源には、2インチ直径のLi1+X+Y+ZMX(Ge1-yTiy)2-xSizP3-zO12(但し、0≦X≦0.8、0≦Y≦1.0、0≦Z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)結晶を含むリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスと各種リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを構成する酸化物を混合し加圧成型、焼結したものを用いた。基板には、石英ガラスを使用して、RFスパッタリング法により薄膜を形成した。
薄膜電池において、固体電解質層は、薄ければ薄い方が電池の内部抵抗が低減し、電池特性がより向上するが、薄すぎるとかえってピンホールによる短絡が生じることがしばしば起こる。そのため、固体電解質層の厚さと短絡の関係を調べ、電解質層の厚さと検討した。石英ガラス基板上にPt薄膜を形成し、その上に、RFスパッタリング法にて5nm−10umの厚さのアモルファス状固体電解質の薄膜を形成した。
全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
石英ガラス基板上に、長方形(2cm×1cm)の開口を有するSUS製マスクを設置して、厚さ100nmのPt薄膜をRFスパッタリング法で形成し、正極集電体とした。
正極集電体Pt薄膜上に、正方形(1cm角)の開口を有するSUS製マスクを設置して、厚さ2umのLiCoO2薄膜をRFスパッタリング法で形成し、正極とした。
正極上に、正方形(1.2cm角)の開口を有するSUS製マスクを設置して、厚さ1umの実施例3試料No11のアモルファス固体電解質層をRFスパッタリング法で形成し、熱処理を施して固体電解質とした。
固体電解質上に、正方形(1cm角)の開口を有するSUS製マスクを設置して、厚さ1umのSnO薄膜をRFスパッタリング法で形成し、負極とした。
負極上に、長方形(2cm×1cm)の開口を有するSUS製マスクを基板上に設置して、厚さ100nmのPt薄膜をRFスパッタリング法で形成し負極集電体とした。
固体電解質層の厚さを変えて、充放電規制電圧3.0-1.0V、充放電電流1C、室温にて100サイクル繰り返した。固体電解質層の厚さ1umのとき得られた容量維持率は92%で良好であった。厚さ2um以上では、初期容量も減少し、容量維持率も減少した結果を得た。この結果を表4に示す。
Claims (16)
- リチウムイオン伝導性の無機物質を含有し、厚さが10nm以上2μm未満である事を特徴とする無機固体電解質。
- Li,Ti又はGe,P,Oを含有し、厚さが10nm以上2μm未満である事を特徴とする請求項1に記載の無機固体電解質。
- Li1+X+YMXTi2-XSiYP3-YO12(但し、0≦X≦0.4、0≦Y≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)の結晶相を含有する事を特徴とする請求項1または2に記載の無機固体電解質。
- Li1+X+Y+ZMX(Ge1-yTiy)2-xSiZP3-ZO12(但し、0≦X≦0.8、0≦Y≦1.0、0≦Z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)の結晶相を含有する事を特徴とする請求項1または2に記載の無機固体電解質。
- 前記結晶相を構成する結晶は空孔または結晶粒界を含まないリチウムイオン伝導性の結晶であることを特徴とする請求項3または4に記載の無機固体電解質。
- 無機固体電解質に含まれる結晶の含有量が10wt%以上であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の無機固体電解質。
- モル%で、Li2O 10〜60%、P2O5 25〜50%、SiO2 0.1〜10%、TiO2 10〜30%、Al2O3+Ga2O3 1〜10%、の各成分を含有し、アモルファス構造であることを特徴とする請求項1または2に記載の無機固体電解質。
- モル%で、Li2O 10〜60%、P2O5 25〜50%、SiO2 0〜10%、GeO2 0<〜30%、TiO2 0〜<30%、但しGeO2+TiO2 10〜30%、ZrO2 0〜10%、Al2O3+Ga2O3 0.1〜10%の各成分を含有し、アモルファス構造であることを特徴とする請求項1または2に記載の無機固体電解質。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の無機固体電解質を成形後400℃以上1000℃以下の温度で熱処理することにより得られる無機固体電解質。
- モル%でLi2O 10〜60%、P2O5 25〜60%、SiO2 0.1〜10%、TiO2 10〜30%、Al2O3+Ga2O3 1〜10%の各成分を含有する材料源を用い、PVD、CVD、溶射法のいずれかによって、薄膜を形成することによって得られることを特徴とする請求項1〜3および5〜7のいずれかまたは9に記載の無機固体電解質。
- モル%でLi2O 10〜60%、P2O5 25〜60%、SiO2 0〜10%、GeO2 0<〜30%、TiO2 0〜<30%、但しGeO2+TiO2 10〜30%、ZrO2 0〜10%、Al2O3+Ga2O3 0.1〜10%の各成分を含有する材料源を用い、PVD、CVD、溶射法のいずれかによって、薄膜を形成することによって得られることを特徴とする請求項1、2、4、5、6、8または9に記載の無機固体電解質。
- 請求項1から11のいずれかに記載の無機固体電解質を備えたリチウムイオン二次電池。
- 請求項1から11のいずれかに記載の無機固体電解質を備えたリチウム一次電池。
- モル%で、Li2O 10〜60%、P2O5 25〜60%、SiO2 0.1〜10%、TiO2 10〜30%、Al2O3+Ga2O3 1〜10%の各成分を含有する材料源を用い、PVD、CVD、溶射法のいずれかによって、請求項1〜3および5〜7のいずれかまたは9に記載の無機固体電解質からなる薄膜を形成することを特徴とする無機固体電解質の製造方法。
- モル%でLi2O 10〜60%、P2O5 25〜60%、SiO2 0〜10%、GeO2 0<〜30%、TiO2 0〜<30%、但しGeO2+TiO2 10〜30%、ZrO2 0〜10%、Al2O3+Ga2O3 0.1〜10%を含有する原料物質を用い、PVD、CVD、溶射法のいずれかによって、請求項1、2、4、5、6、8または9に記載の無機固体電解質からなる薄膜を形成することを特徴とする無機固体電解質の製造方法。
- 薄膜形成後、400℃〜1000℃で熱処理することを特徴とする請求項14または15に記載の無機固体電解質の製造方法。
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