JP2009524900A - リチウム電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

正極集電体(11)、正極(12)、電解質(13)、負極(14)及び負極集電体(15)を含む薄膜電池(10)が開示される。正極は、リチウムコバルト酸化物又はその他の適切な正極材料を、5ミクロンと12ミクロンの間の平均粒子サイズを有する粉末に粉砕し、正極材料を有する液体スラリーを形成し、液体スラリーを基板上にキャストし、液体スラリーを乾燥して正極材料の層を形成し、そして正極層を5ミクロンと12ミクロンの間のおおむね均一かつ平滑な厚さに圧縮することによって製造される。次いで、圧縮された層が、正極粒子の周辺端部が互いに焼結又は融解する温度に加熱される。
【選択図】 図1

Description

本出願は、2005年10月11日に出願された米国特許出願番号第60/725,683号の一部継続出願である。
本発明は、リチウム電池の製造方法に関し、特に、薄膜リチウム電池及びリチウムイオン電池の製造方法に関する。
最近、電子装置の急速な発展が電池技術における進歩をはるかに上回っている。その結果、今日の電池にはより高いパワー密度、高いサイクル寿命、広い使用温度範囲、より迅速な再充電能力及び増大した出力密度が要求される。
従って、より高いパワー密度、高いサイクル寿命、広い使用温度範囲、より迅速な再充電能力及び増大した出力密度を提供する電池の必要性が存在することは知られている。そのような高性能電池の量産のためには、低コストの製造方法が重要である。従って、本発明は主として、そのような方法の提供に向けられる。
本発明の電池構成要素は、本明細書に特に組込まれる米国特許第6,835,493号及び第5,597,660号に示されているように従来通りに配列される。固体薄膜電池は、電池の構成要素を薄膜(5ミクロン未満)として基板上に溶着することによって構成される。固体薄膜電池の典型的構造が図1に示される略断面において図示されている。
薄膜電池10は正極集電体11、正極12、電解質13、負極14及び負極集電体15を含む。正極と負極の集電体は、スパッタリング又はその他の適切な物理的又は化学的溶着技術によって溶着される。リチウムコバルト酸化物又はその他の類似組成物(LiCoO2又はLiMn24)の正極膜は典型的には、Ar+O2中で各々の化合物の焼結ターゲットのRFマグネトロンスパッタリングによって溶着され、一方V25の膜は、Ar+O2中でVの反応性スパッタリングによって溶着される。電解質13は、基板を負極との直接接触から絶縁するために、正極及び基板の一部、負極集電体まで被覆するスパッターされたLiPON電解質膜であり得る。負極はリチウム金属又はSn34のようなその他のリチウム層間化合物のどちらでもあり得る。電池はまたシーリング層を含んでもよい。
本発明者は、通常真空技術によって製造される高出力薄膜電池の製造コストを削減するため、ハイブリッド手法が利用できることを見出した。この手法においては、湿式スラリー被覆法によってLiCoO2粉末を薄い金属基板上にキャストする。固体電解質であるLiPONの膜を、キャストした正極膜の上面に、従来のスパッタリング法によって溶着する。顕微鏡分析の結果、LiPONが正極膜を良好に被覆することが示される。LiPON電解質の溶着後、LiPON電解質の上面に、リチウム負極をグローブボックス内で従来の熱蒸着によって溶着し、電池を完成させる。
市販のLiCoO2粉末は5から10μmの平均粒子サイズを有する。これらのデータは、リチウムイオンが、電解質が存在しない場合、LiCoO2粒子内部の5から10μmの間隔を通って拡散できることを示す。従って、非常に薄いLiCoO2膜(5から10μmの厚さ)が望まれる。市販のLiCoO2粉末は、最大粒子が約20μmである広いサイズ分布を有する。5から10μmの厚さの膜をキャストするために、市販のLiCoO2粉末を、約5μmの平均粒子サイズに粉砕しなければならない。大きな粒子は、5μmの厚さのフィルムにスムーズにキャストできず、そして小さ過ぎる粒子サイズは、粒子間抵抗のため正極インピーダンスの増大をもたらすであろう。もう一つの重要な因子はLiPON薄膜(約2mmの厚さ)がピンホール無しで正極膜を被覆できるよう、正極膜が極めて平滑であるべき点である。この正極膜の所望の平滑性は、LiPONを溶着する前に、高圧下でステンレスローラーを通して圧延することによって達成できる。正極膜を圧延したら、それを加熱する。この非常に薄い膜(5から10μmの厚さ)を、250℃と800℃の間の温度でアニールする。
本発明において使用されるリチウムコバルト酸化物粉末を調製するために、PM100プラネタリーボールミルを用いて、湿潤剤として使用されるイソプロピルアルコール(IPA)と共にリチウムコバルト酸化物を粉砕する。200gのLiCoO2粉末(約80mL)、45mLのIPA、及び70mLのZrO2ボール(直径が3mm)を250mLのZrO2ジャー内に置き、450rpmの粉砕速度で回転させて実験を行った。図2は、粉砕前のLiCoO2粉末の粒子サイズ分布を示す。平均粒子サイズは7.42μmである。最大粒子サイズは22.79μmである。しかしながら、1時間粉砕後、粒子サイズ分布は図3に示す通り、平均粒子サイズが4.32μmで、最大粒子サイズが15.17μmに低下するという結果になった。しかしながら、更に粉砕時間を長くしても、3時間粉砕後の粒子サイズ分布を示す図4に示す通り、粒子サイズの有意な低下をもたらさなかった。この試験結果のまとめが表1に示されている。1時間後と3時間後の粉砕で粒子サイズは基本的に同じであることが明らかである。言い換えれば、粒子サイズは1時間の粉砕後にその最低に達している。
Figure 2009524900
ボールミル処理は、より小さな粒子の占有率を著しく増大させ得る。しかしながら、これらのより小さな粒子は、大きな粒子から分離しなければならず、その後それらを平滑膜にキャストするために使用することができる。より小さなLiCoO2粒子を、より大きな粒子から分離するために遠心分離が使用される。この作業を遂行するために、Accuspin400遠心分離機(Thermal Electric社)が使用されている。本発明者は以下の実験を実施した:粉砕処理(粉砕2時間後)からの40gの粒子スラリー(LiCoO2:IPA質量比=200:45)を320mLの蒸留水で希釈し、次いで、300rpmで8分間、遠心分離し、粒子を分離した。遠心分離後、より小さな粒子は溶液中に残り、一方、より大きな粒子は遠心分離管の底に沈積する。懸濁した小さな粒子(より大きな粒子は遠心分離管の底に沈積した)を含む約80体積パーセントの流体を遠心分離管から注ぎ出した。より小さな粒子は、スラリー中の水とIPAを加熱して除去することによって回収した。図5に示すSEM画像は、この遠心分離法は異なる粒子を効果的に分離できることを示している。図5aは管の底に残った粒子を示す。これらの粒子は約7μmよりも大きい。図5bは管の上部から注ぎ出された粒子を示す。これらの粒子の大部分は1μmより小さいと見られる。粒子サイズ分布の高分解能SEM画像を図7に示す。図6(a)は10,000倍に拡大したSEM画像である。図6(b)は5,000倍に拡大したSEM画像である。これらの図は、粒子サイズが1μmより小さいことを明らかに示している。
小さなバンド幅、つまり、小さな粒子分布範囲を有するLiCoO2粒子を選択するための方法を開発した。10μmの平均粒子サイズを有する新たに取得したLiCoO2粉末を使用した。先ず、粉末をアルコールと混合した。この粉末/アルコール混合物を超音波処理して粒子を分離し、次いで、少しの間振盪してそれらを混合した。次いで、より大きな粒子を底に沈ませるように、この溶液を1分間、静置した。次いで、溶液中に懸濁した状態で残ったより小さな粒子を注ぎ出し、そうすることによって、より大きな粒子を底に沈積させた状態で残した。図7aは、約5μmから30μmのサイズを有するこれらの粒子のSEM画像を示す。
次いで、この溶液を含む容器にアルコールを再充填して、再度超音波処理し、振盪した。それを、実験の最初の部分と同じ様に再度静置した。しかしながら今回は、溶液中のより小さな粒子を注ぎ出して、管の底にあるより大きな粒子を廃棄した。これで、図7(b)に示されるような、約5から12μmサイズの上述の粒子が選択された。
一般に、細かい粉末(1μm未満)を用いて調製された膜は、圧延の後、輝く(鏡のような)表面を示す。しかしながら、細かい粉末を用いて調製された全ての膜は、非常に高い電池抵抗を示した。これは、膜中の粒子の多層に起因する可能性がある。LiイオンのみがLiCoO2粒子の上層によく近づくものと思われる。もしも、このLiCoO2粒子の層も基板に直接接触するならば、この試料は良好なイオン伝導率及び電子伝導率を有するであろう。もしも、このLiCoO2粒子の層が基板に直接接触せず、そしてLiイオンが多数の粒子を通って拡散しなければならないならば、粒子間の多数のインターフェースのせいで、得られた電池は高いインピーダンスを示すことになる。
正極材料が乾燥したら、粒子を集め、使用してPVAバインダーと95:5の比率で混合することによって、キャスト溶液を作製する。このスラリーを2時間、混合し、超音波浴中に5分間、浸す。次いで、キャスト溶液又はスラリーを、ドクターブレード間隔を1milに設定してキャストする。乾燥後、膜を高圧下で圧延する。キャスト層のSEM断面が図8に示してある。層の厚みは好ましくは約7μmである。図8は、キャストされ圧延された単独LiCoO2粒子層の表面、及び層厚が6.5から7.5μmを示す2つの断面画像を示す。
キャストされたLiCoO2正極を用いた初期の電池は、スパッターされたLiCoO2より劣る容量減退と充電係数を示す。これは、アニールされ、キャストされた正極における応力によって、正極における約3から5パーセントの膨張/収縮による追加応力を生じさせる充放電処理中に、層中に亀裂が生じるせいである可能性がある。この問題を解消するために、LiCoO2層中における初期応力を適合させて最高の性能を生み出させることを期待して、著しく異なる熱膨張係数(CTE)を有するいくつかの異なる基板を使用した。
ステンレス鋼(SS)基板が、金属の酸化に関して最も良好に機能しそうである。非常に高い温度(800℃)でアニールされた電池は非常に高い容量を示すが、最初の10から15サイクルにおいて大きな減退を示す。最初の2、3回のサイクル後の容量は、作用面積にしてわずか0.36cm2で170から150μAh程度であった。
2mil厚のニッケル、Au/Coを被覆した2mil厚のニッケル、Au/Coを被覆した0.5mil厚のニッケル、2mil及び4μm厚のAlホイルを含む数種の基板を更に調べた。これらの基板のうち、2mil厚のニッケル及びAu/Coを被覆した2mil厚のニッケルが最高の接着を示した。ニッケル基板を700℃で1時間、処理して、絶縁層(NiO)の薄層(約2μm)を形成した後、200オングストロームのCo及び2000オングストロームのAuで被覆した。500のアニール後のテープ試験の結果、より厚いNi基板(2mil厚)上に調製された膜は、0.5mil厚のNi基板上に調製されたものよりもより粉状でないことが分かった。厚い基板上に溶着したLiCoO2は、粒子と基板の間のより良好な結合を有し得る。キャスト処理中に形成された、より薄い基板のミクロな皺が、アニール処理中にLiCoO2層の完全性を破壊し得る。
正極は、250℃よりも高温でアニールすると、バインダーの減少のためにその完全性を失うのであろうが、より高温(>500℃)でアニールすると、正極の焼結をもたらし、正極粉末をバインダーによるのではなく焼結によって互いに結合させることになる。好ましくは、粉末を焼結し、その結果、その周辺端部だけが、隣接粒子の周辺端部と共に焼結又は融解し、つまり、粉末全体が融解するよりむしろ端部が互いに溶融し、そのことによって、高密度固体材料が形成される。
この取り組みで、LiCoO2試料を、Au/Co被覆ニッケル又はAl基板上にキャストし、550℃で6時間アニールし、次いで、LiPONとリチウムで被覆して電池を完成させた。これらの試料は妥当な電気化学的性能を示した。同様の試料も700℃と800℃でアニールしたが、これらの試料はより早い容量減退を示した。これは充放電処理中での亀裂/接触低下に帰し得る。図9に示されるSEM画像は、750℃で30分間アニールされた、Co/Au/Niホイル(2mil)上にキャストされたLiCoO2の表面形態を明らかにする。
1パーセントのバインダーを用いたLiCoO2のキャスト層を550℃で5時間アニールした。この試料は、こするといくらか粉状の性質を示したが、スムーズに見え、この層は剥がれ落ちなかった。LiPONとLiを溶着させ、電池を25μAhにてサイクルにかけた(cycle)。その結果、良好なサイクル性能と妥当な容量を示した。作用面積0.36cm2に対するC−定格容量(C-rate capacity)は27μAhである。このキャスト電池は、約5から10μmの厚みを有し、細かい(<1μm)粉末とレギュラー粉末(約7μm)の混合物からキャストされたものである。この電池の断面を図10に示す(断面を出すために、Alホイルを破いている間にこの層をAlホイル基板から持上げた)。この試料の容量低下は、C−定格でサイクル試験する場合に最少になる。
上記試料に対して使用された温度/時間の組合せ(550℃で5時間)は、キャスト層内の個々の粒子を完全に焼結又は結合するには不十分である。より良好な粒子間接着を達成するために、正極のアニール温度を上昇させて、さらに試験を実施した。最初の試験試料は850℃と950℃で16時間アニールした。図11と12における画像は、950℃(左)と850℃(右)でアニールしたキャスト層の比較を示す。図11は試料の断面を示し、図12は試料の上面を示す。これらの画像は、950℃でのアニールが850℃でのアニールよりも、粒子をより多くのゆ合を引き起すことを示す。850℃で16時間アニールした後、Co/Au集電体は無傷で導電状態で残る。しかし、950℃で16時間のアニールでは、Co/Au正極集電体に対して高いインピーダンスをもたらした。Co/Au層についての試験の結果、900℃で5時間までのアニールの後、それが導電状態のまま残ることが示され、それよりも長い期間に対する試験を現在継続中である。
キャスト膜の調製においてアニール温度は一つの重要な因子である。250℃未満の温度では、LiCoO2粒子がバイダーによって互いに結合できるが、バインダー(これはイオン的及び電子的絶縁体である)の高いインピーダンスのせいで、得られる電池は高いインピーダンスとなる。800℃より高い温度では、LiCoO2粉末は互いに焼結する。しかしながら、800℃より高い温度で酸化しない、経済的で柔軟な基板を見出すことは困難である。250℃と800℃の間の温度で、バインダーは分解及び/又は蒸発するであろう。温度がより高くなるほど、バインダーはより早く除去される。550℃の温度で、PVA(水系)、PVB(アルコール系)及びLHB−108P(水系、台湾のLiCo Tech社製)は、約6時間で、ほぼ完全に分解及び/又は蒸発するであろう。この温度はまた、Au/Co被覆ニッケル基板の酸化を制限する。従って、550℃で6時間のアニールを用いた。
一般に、より厚いLiCoO2膜は、劣る結合を示す傾向があり、アニール後粉末状に見える。もし、圧延後表面がスムーズに見えても、その表面層はスコッチテープで容易に剥離でき、そして、その下の膜は非常に粉末状になる。これらの膜はまた高い抵抗の電池をもたらす。これは、イオンと電子を伝導するために厚い膜は多くの粒子間接触に依存せざるを得ないためであり、細かい粉末に関する先の分析と合致する。これらの多くのインターフェースは電池抵抗の著しい増大をもたらす。
追加試料を調製し、そして250℃でアニールした。試料C119は、LiCoO2:PVA(ポリビニルアルコール)比率が95:5である正極を使用した。ここで、LiCoO2は狭い粒子分布(5から12μm)を有する。C120は、LiCoO2:PVA比率が95:5である正極を使用した。ここで、LiCoO2は製造したままの(分離されていない)大きな粉末(平均粒子サイズが10μmで、広い粒子分布を有する)であり、そしてC121は、粉砕され分離された細かい粉末を混合した元の(7μm)粉末であった。C120試料は全て、LiPON溶着後、機能しなくなった。キャスト層を分離し、LiPONを剥離した。実験の結果、7から8μmよりも厚い層は通常このように機能しなくなることが分かった。基板と粒子の間の結合は強く、そして粒子とLiPONの間の結合は強いが、層内の粒子と粒子の間の結合ははるかに弱い。キャスト層の厚さがより増大するにつれ、基板からLiPONまでの全距離に広がる粒子がより少なくなるため、層を互いに完全に保持するよう、粒子と粒子の間のより多くの結合が要求される。溶着されたLiPON膜によって、大きな圧縮応力が多層系に加わり、それがキャスト層を分離させる可能性があり、LiPONの剥離の原因になる。C120試料の断面についてのSEM分析の結果、この膜の厚みが10から11μmであることが分かった(図13参照)。
試料C119を、Ni被覆された2milのAlホイル(C119a)及び1milの純粋なNiホイル(C119b)の上にキャストした。図14はこれらの試料の典型的なSEM断面を示す。C119aは8μmの正極厚さを有する。C119bは7μmの厚さを有する。同様のキャスト及び圧延条件であるにも拘わらず、Niホイル上で少しばかりより薄い層になる理由は、Niホイルがより硬くそしてより薄く、圧延処理において、沈下又はクッション作用がより少ないためである。
上記画像は1milのNiホイル上の正極層がより圧縮された状態を示すものの、試料C119aとC119bの表面の画像と比較すると(図15参照)、Ni被覆Alホイルに比べてNiホイルへの粒子の接着がより少ないことが明らかである。このことは、図15(b)に示されるNiホイルキャスト膜における空隙から分かり、これらの空隙は無くなった粒子によって生じる。空隙は層を横切って広がっておりそして多くの場合、それらはホイル表面を露出させるほどに十分に深い。このため、わずか2μmという薄いLiPON電解質の膜を用いるとき完全な絶縁被覆を達成することがほとんど不可能になる。
C121b試料を、2mil間隙を用いてキャストし、膜厚を増大させた。この断面を、層厚がわずか4μmを示している図16に示す。
電池のエネルギー密度を増すためには、ホイル基板厚みを減少させるか、又はLiCoO2の厚みを増大させることが望ましい。10から12μm(圧延後)の正極が得られるよう、キャスト用の増大させた間隙サイズを使用して、同じ基板の上に、試料を作製した。これらの層はテープ試験に基づいて優れた接着性を示したが、試料は、LiPON溶着後に剥離した。図17において示されるように、剥離(delamination)はキャストしたLiCoO2層の「内部」で生じた。粒子はLiPON膜の下及び基板表面(画像の下半分において、粒子を通して見えない)に接着されており、明らかにLiCoO2層それ自体の「内部」で分離している。
正極の超薄膜(単一層)を調製するための方法を開発した。最小厚さを有するものの、基板全体への良好な被覆を依然として有する正極膜をキャストするために、正極スラリーの濃度、キャスト間隙、及び速度を注意深く制御した。典型的なキャスト条件は:LiCoO2:PVAの比率=98:2、固体と液体(水)の比率が約1:2である。キャスト間隙は1milで、キャスト速度は5mm/秒であった。図18に示すように、キャストしたままの膜は基板全体を被覆してはいない。図18(a)は、基板全体を被覆してはいない、Alホイル上にキャストしたままのLiCoO2のSEM画像を示す。図18(b)は、ステンレスローラーの間で圧縮した後のLiCoO2膜のSEM画像を示す。この膜は圧延後の、より良好な基板の被覆を示す。Alホイルは変形して、LiCoO2粒子の形状にフィットする。
Ni(0.3μm)被覆されたAlホイル(通常2mil厚)が、Alホイル単独又は結合接着剤(Rohm & Haas Chemicals LLC社の登録商標、Adcoteなど)で被覆されたAlホイルよりもはるかに良好に機能することが観察されている。また、Ni被覆されたAlホイルでは、350℃で1時間又は450℃で1時間のアニールによって、そのインピーダンスが約5キロオームから300乃至600オームに低下する。
異なる圧延(カレンダー加工)圧力(又は間隙)を用いた正極のインピーダンスが図19に示されている。その結果、圧力増大(それはローラーの間隙の減少に伴って増大する)に伴ってインピーダンスが減少することが示される。しかしながら、ロール間隙を1mil未満まで減少させた後の更なるインピーダンスの減少は生じない。
正極の接着とインピーダンスに及ぼす、粒子サイズと組成の影響をも検討した。バッチC105からは、大きな粒子を使用して正極をキャストしている。表2に組成と基板をまとめてある。
Figure 2009524900
純粋なLiCoO2では、乾燥後のAl及びNi被覆Al両者の上への接着は劣った。99/1組成を有する正極はAl上への良好な接着を示したが、80℃で一晩乾燥した後のNi被覆Al上への接着は劣った。Adcoteを被覆したAl基板上にキャストした全ての正極は、乾燥しロール出しした後、良好な接着を示した。
しかしながら、これら全ての試料の初期インピーダンスは3から6キロオームの範囲にあった。従って、電池のインピーダンスを低下させるためには熱処理が好ましい。Ni/Al基板上にキャストした正極(95/5の組成を有する)を450℃で1時間加熱した。この正極のインピーダンスはアニール後に7キロオームから1.2キロオームに低下した。この正極を用いて調製した試料は、75μAhの容量と良好な可逆性を有する非常に良好な電気化学的性質を示している。この電池の充放電容量を図20に示す。正極の有効厚みは3μmであり、それはSEMによって測定された厚さに非常に近い。
更なる検討の結果、試料を240から250℃でわずか2分間アニールした場合、試料のインピーダンスが3から6キロオーム(圧延直後)から300乃至600オームに低下することが分かった。240℃未満の温度でアニールした場合、試料のインピーダンスは劇的に増加した。試験の結果、この熱処理条件(250℃)は、基板をLiPONラン(run)用の板上に搭載した後、その基板上で赤外線ランプを用いて容易に達成できることが示された。この結果、アニール後基板を静置する際に見られる、正極インピーダンスの漸増を最小化するためにアニールサイクルとLiPONラン開始の間の時間を非常に短くすることが可能になる。
LiPON電解質と正極膜の適合性を検討するために、LiCoO2粉末(7μmの平均粒子サイズを有する)を、5パーセントのバインダー及び3パーセントの導電性炭素と混合してスラリーを形成した。この正極スラリーを、薄いアルミニウム基板上にドクターブレードを用いてキャストし、約25μmの膜厚を達成した。120℃のオーブン中で一晩、熱処理した後、LiPONを5μmの被覆厚で正極上面に溶着した。図21aに示されるように、走査型電子顕微鏡によって膜の断面図を分析した。その結果は、LiCoO2膜がLiPON連続膜によって被覆されていることを示している。図21bは、LiPON膜の下のLiCoO2粉末のEDXスペクトルを示す。
図22に示されるように、LiPON膜を、圧延したLiCoO2正極の上面に溶着した。図22(a)は、4μm厚のAlホイルの両側にキャストされたLiCoO2正極の上に溶着されたLiPON膜の傾斜図を示す。この図は、LiPONが正極膜上で非常に良好な表面被覆性を有することを示す。図22(b)は、LiCoO2上を被覆した2.5ミクロンのLiPONの断面を示し、これはさらに正極構造とLiPON被覆性の詳細を示す。
1パーセントのバインダーを有するLiCoO2のキャスト層を550℃で5時間アニールした。この試料は、こするといくらか粉末性を示したが、スムーズに見え、この層は剥がれ落ちなかった。LiPONとLiを溶着させ、電池を25uAにてサイクル試験にかけた。その結果、良好なサイクル性能と妥当な容量を示した。作用面積0.36cm2に対するC−定格容量は27μAhである。このキャスト電池は、約5から10μmの厚みを有し、細かい(<1μm)粉末とレギュラー粉末(約7μm)の混合物からキャストされたものである。この電池のサイクル挙動を図23に示す。この試料の容量低下は、C−定格でサイクル試験した時に最少になる。
低温でアニールした正極を用いた電池は優れたサイクル性を示すが、高温(550℃)でアニールした試料はより良好な容量を示す。その理由は、如何なる不活性材料(電解質が存在しない時にイオン及び電子の輸送を妨げかねないバインダーなど)も含まない100パーセントのLiCoO2であり得るからである。
5パーセントのLHB−108Pバインダーを用いてLiCoO2膜をキャストした。混合スラリーを一晩圧延し、超音波にかけた後Au/Co被覆された2mil厚のNi基板の上にキャストした。Ni基板を700℃で1時間、処理して、絶縁層(NiO)の薄い層(約2μm)を形成した後、200オングストロームのコバルト及び2000オングストロームの金で被覆した。次いで、この膜をステンレス鋼のローラーでカレンダー加工し、そして550℃で6時間アニールした。約2μm厚のLiPONがLiCoO2膜の上面に溶着し、次いで、約2μm厚の金属リチウムをLiPONの上面に熱蒸着し、電池を完成させた。この試料を、175μAh/cm2の電流密度のもとでサイクルにかけた。試料fc1023b.001の初期電圧プロファイル及びサイクル曲線を図24と25に示す。この試料を600サイクルを超えるサイクルにかけた結果、図26に示されるように、100サイクル当たりの容量減退は3.9パーセントであった。
もう一つの試験において、5パーセントのPVAバインダーを用いてLiCoO2膜をキャストした。混合スラリーを一晩圧延して、Ni被覆された2mil厚のNi基板の上にキャストした。次いで、この膜をステンレス鋼のローラーでカレンダー加工し、そして630℃で6時間アニールした。約2μm厚のLiPONをLiCoO2膜の上面に溶着し、次いで、約2μm厚の金属リチウムをLiPONの上面に熱蒸着し、電池を完成した。試料を、12.5uAh/cm2の電流密度のもとでサイクルにかけた。この試料fc10051c.008の初期電圧プロファイル及びサイクル曲線を図27と28に示す。
この分析の結果、キャストLiCoO2を用いた薄膜電池が、優れたサイクル安定性を有し得ることが分かった。試料#4を、1000サイクルを超えて試験した結果、100サイクル当たりの容量低下は約2.1パーセントであった。試料fc1023b.001を、600サイクルを超えて試験した結果、100サイクル当たりの容量低下は約3.9パーセントであった。LiCoO2層の有効厚み(70μAh/cm2/μmの標準容量を仮定)が0.04μmから4.82μmで変動した。これは、電池の充放電処理は非常に安定で、そして最低の容量減退を有するものの、LiPON層に隣接するLiCoO2のみが、電池の充放電処理において利用されていることを意味する。
異なった電池特性間の相関を分析した。電池の容量減退が電池のクーロン効率の増大と共に減少するが、この容量減退が電池の電流密度には直接関連しないことが分かる。つまり、Au/Coで被覆された2mil厚のNiホイル上にキャストされて550℃でアニールされたような、適切な条件で調製された電池は、高電流で放電できるが、なおかつ最少の容量減退を示す。より小さな抵抗を有する試料は常により小さな容量減退を有する。大きな容量の電池(それはより大きな有効厚みを有する)は常により小さな抵抗を有する。
超薄膜LiCoO2を薄いアルミニウム基板の上に湿式スラリーキャスト法で被覆する薄膜電池を製造するためのハイブリッド法を開発した。固体電解質、LiPON膜及び負極(金属リチウム膜)を各々スパッタリング及び熱蒸着によって溶着する。この技術によって調製された試料を、600サイクルを超えてサイクルにかけた結果、100サイクル当たりの容量低下は約3.9パーセントであった。この薄膜電池の面積容量は338μAh/cm2に達し、これは4.82μmの有効厚みに対応するものである。これは、この正極の理論容量に非常に近い。
薄膜電池のための最善の調製条件を特定するために系統的研究を行った。最初の実験において、ほとんどの試料を250℃でアニールした。この実験の結果、イオン性ガラス及び炭素添加物の添加によって、正極のイオン導電性と電子導電性を増大できることが分かる。250℃でアニールした正極を用いた電池は優れたサイクル性能を示すものの、それらの容量は、バインダーの存在によって有意に制限された。バインダーを高温(450℃から600℃)でのアニールによって除去した後、試料は、より低い温度でアニールした試料よりも高い容量を示す。実験データの更なる分析の結果、大部分の試料の容量が、単一層のLiCoO2粒子の容量に対応することが見出される。これは、LiPON膜に隣接する第一LiCoO2の層のみが、これらの電池の充放電処理において関与することを意味する。従って、5から7u厚のLiCoO2膜(これはLiCoO2の平均粒子サイズに対応する)が正極にとって理想的厚みとなる。より小さな抵抗を有する試料は常により大きな容量及びより小さな容量減退を有する。
当然ながら、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、酸化バナジウム、五酸化バナジウム及びリン酸鉄リチウムのようなその他のリチウム層間化合物を、リチウムコバルト酸化物正極材料の代替物として使用することができる。
このように、効率的でコストパフォーマンスに優れる薄膜電池正極の製造法がここに提供されたことが分かる。勿論、当然のことながら以下の請求の範囲に述べられる本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく、本明細書に特に引用した事柄に加えて、本明細書で述べられた特に好ましい態様に多くの改良をなすことができるものである。
本発明の好ましい形態に従って製造された電池の概略断面である。 粉砕前の正極材料のサイズ分布を示すグラフである。 粉砕1時間後の正極材料のサイズ分布を示すグラフである。 粉砕3時間後の正極材料のサイズ分布を示すグラフである。 a、bは、正極粒子を示す写真のコピーである。 a、bは、正極粒子を示す写真のコピーである。 a、bは、正極粒子を示す写真のコピーである。 a〜cは、キャストした正極層を示す写真のコピーである。 アニール後のキャストした正極層を示す写真のコピーである。 アニール後のキャストした正極層を示す写真のコピーである。 アニール後のキャストした正極層を示す写真のコピーである。 アニール後のキャストした正極層を示す写真のコピーである。 アニール後のキャストした正極層を示す写真のコピーである。 a、bは、アニール後のキャストした正極層を示す写真のコピーである。 a、bは、アニール後のキャストした正極層を示す写真のコピーである。 アニール後のキャストした正極層を示す写真のコピーである。 アニールした後のキャスト正極層を示す写真のコピーであり、層間剥離表している。 aは、アニールした後のキャストした正極層を示す写真のコピーである。bはアニールし、そして圧延した後のキャストした正極層を示す写真のコピーである。 正極インピーダンスとロール間隙の間の相関を示すグラフである。 サイクル数の関数としての容量を示すグラフである。 aは、アニールし、そして電解質の層で被覆した後の、キャストした正極層を示す写真のコピーである。bは燐酸塩の拡散を示すグラフである。 a、bは、アニールし、そして電解質の層で被覆した後の、キャストした正極層を示す写真のコピーである。 電池のサイクル性を示すグラフである。 試料の電圧プロファイルを示すグラフである。 図24に示された試料の初期サイクル曲線を示すグラフである。 試料の長期サイクルプロファイルを示すグラフである。 試料の電圧プロファイルを示すグラフである。 図27に示された試料の初期サイクル曲線を示すグラフである。

Claims (23)

  1. (A)一塊の粉末状の正極材料を供給すること;
    (B)基板を供給すること;
    (C)正極材料を含む液体スラリーを形成すること;
    (D)液体スラリーを基板上にキャストすること;
    (E)液体スラリーを乾燥して正極材料の層を形成すること;
    (F)正極層をおおむね均一な厚さに圧縮すること;及び
    (G)正極層を少なくとも250℃に加熱すること
    の工程を含む薄膜電池正極の製造方法。
  2. 工程(A)において、粉末状の正極材料が5ミクロン〜12ミクロンの間の平均粒子サイズを有する請求項1記載の方法。
  3. 工程(F)において、正極層を5ミクロン〜12ミクロンの間の厚さに圧縮する請求項2記載の方法。
  4. 工程(A)において、粉末状の正極材料が、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、酸化バナジウム、五酸化バナジウム、リン酸鉄リチウム及びその他のリチウム層間化合物から成るグループから選ばれる請求項1記載の方法。
  5. 工程(C)において、スラリーがバインダーも含む請求項1記載の方法。
  6. 工程(G)において、正極層を少なくとも500℃に加熱する請求項5記載の方法。
  7. 工程(G)において、正極層を、正極粉末の周辺端部が互いに焼結する温度に加熱する請求項5記載の方法。
  8. 工程(F)において、正極層を、ローラーの間にそれを通過させることによって圧縮する請求項1記載の方法。
  9. 工程(B)において、基板がアルミニウム、コバルト及び金で被覆したアルミニウム、金で被覆したニッケル、ニッケル、白金、並びにステンレス鋼から成るグループから選ばれる請求項1記載の方法。
  10. 工程(F)において、正極層を5ミクロン〜12ミクロンの間の厚さに圧縮する請求項1記載の方法。
  11. (A)5ミクロン〜12ミクロンの間の平均粒子サイズを有する一塊の粉末状の正極材料を供給すること;
    (B)正極材料を含む液体スラリーを形成すること;
    (C)液体スラリーを基板上にキャストすること;
    (D)液体スラリーを乾燥して正極材料の層を形成すること;及び
    (E)正極層をおおむね均一な5ミクロン〜12ミクロンの間の厚さに圧縮すること
    の工程を含む薄膜電池正極の製造方法。
  12. 正極層を少なくとも250℃に加熱する工程(F)を更に含む請求項11記載の方法。
  13. 工程(F)において、正極層を正極粉末の周辺端部が互いに焼結する温度に加熱する請求項12記載の方法。
  14. 工程(A)において、粉末状の正極材料が、リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リチウムマンガン酸化物、酸化バナジウム、五酸化バナジウム、リン酸鉄リチウム及びその他のリチウム層間化合物から成るグループから選ばれる請求項11記載の方法。
  15. 工程(B)において、スラリーがバインダーも含む請求項11記載の方法。
  16. 工程(F)において、正極層を少なくとも500℃に加熱する請求項12記載の方法。
  17. 工程(D)において、正極層をローラーの間にそれを通過させることによって圧縮する請求項11記載の方法。
  18. 工程(C)において、基板がアルミニウム、コバルト及び金で被覆したアルミニウム、金で被覆したニッケル、ニッケル、白金、並びにステンレス鋼から成るグループから選ばれる請求項11記載の方法。
  19. (A)一塊の粉末状の正極材料を供給すること;
    (B)基板を供給すること;
    (C)正極材料を含む液体スラリーを形成すること;
    (D)液体スラリーを基板上にキャストすること;
    (E)液体スラリーを乾燥して正極材料の層を形成すること;及び
    (F)正極層をおおむね均一な厚さに圧縮すること
    の工程を含む薄膜電池正極の製造方法。
  20. 工程(A)において、粉末状の正極材料が5ミクロン〜12ミクロンの間の平均粒子サイズを有する請求項19記載の方法。
  21. 工程(F)において、正極層を5ミクロン〜12ミクロンの間の厚さに圧縮する請求項19記載の方法。
  22. 工程(A)において、粉末化された正極材料が、リチウムコバルト酸化物の粉末である請求項19記載の方法。
  23. 工程(C)において、スラリーがバインダーも含む請求項19記載の方法。
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