JP2011171248A - Solid electrolyte and all-solid lithium secondary battery - Google Patents

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直毅 鈴木
Tadashi Inaba
忠司 稲葉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte with further increased lithium ion conductivity using lithium phosphorus oxynitride as a main component, and an all-solid lithium secondary battery. <P>SOLUTION: The all-solid lithium secondary battery 20 is provided with a positive electrode 24, a negative electrode 28, and a solid electrolyte 26 interposed between the positive electrode 24 and the negative electrode 28. The solid electrolyte 26 is made of lithium phosphorus oxynitride, with an atomic ratio (Li/P) of lithium atom to phosphorus atom 3.0 or more and 6.0 or less, and the peak of P<SB>2P</SB>coupling of the phosphorus atom of the lithium phosphorus oxynitride in XPS spectrum exists in a range of 134 eV or more and 135 eV or less. Furthermore, it is preferable that the solid electrolyte 26 be manufactured by a high-frequency sputtering method, by using a mixed powder of lithium phosphate and lithium oxide as a target. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体電解質及び全固体型リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte and an all solid-state lithium secondary battery.

従来、液体の電解質に代えて固体電解質を用いる全固体電池の開発が行われている。この電池の構成要素はすべて固体であるため、電池の信頼性が向上するだけでなく、電池をより小型化および薄型化することが可能となる。リチウム二次電池の場合においても、不燃性の固体材料で構成される固体電解質を用いた全固体電池である全固体リチウム二次電池の開発が望まれている。全固体リチウムイオン二次電池において、一番重要なのは固体電解質である。このため、薄膜作製や取り扱いの容易さ、あるいはリチウムに対する反応性、分解電圧などの立場から、酸化物系の固体電解質材料の開発が行われている。その中でも、Li3PO4をベースとした固体電解質材料の開発が盛んに行われている。例えば、Oak Ridge National Laboratory(ORNL)のBatesらは、固体電解質にLiPONを用いた全固体電池を報告している(例えば、特許文献1 参照)。ここで、LiPONとは、Li3PO4に窒素が導入されたリチウムイオン伝導体である。 Conventionally, development of an all-solid battery using a solid electrolyte instead of a liquid electrolyte has been performed. Since all components of the battery are solid, not only the reliability of the battery is improved, but also the battery can be made smaller and thinner. Even in the case of a lithium secondary battery, development of an all-solid lithium secondary battery, which is an all-solid battery using a solid electrolyte composed of a noncombustible solid material, is desired. Among all solid lithium ion secondary batteries, the most important is the solid electrolyte. For this reason, oxide-based solid electrolyte materials have been developed from the standpoint of ease of thin film production and handling, reactivity with lithium, decomposition voltage, and the like. Among them, solid electrolyte materials based on Li 3 PO 4 have been actively developed. For example, Bates et al. Of Oak Ridge National Laboratory (ORNL) have reported an all-solid battery using LiPON as a solid electrolyte (see, for example, Patent Document 1). Here, LiPON is a lithium ion conductor in which nitrogen is introduced into Li 3 PO 4 .

米国特許第5,597,660号US Pat. No. 5,597,660

しかしながら、特許文献1に記載の固体電解質である窒化リン酸リチウムは、リチウムイオン伝導率が1×10-6〜2×10-6S/cm程度と不十分であった。リチウムイオン伝導体のリチウムイオン伝導率が低いと、例えば、これを全固体リチウムイオン二次電池の固体電解質に用いた場合、電池の内部抵抗が大きくなる。そのため、電圧降下が大きくなり、良好な大電流放電特性が得られなかった。 However, lithium nitride phosphate, which is a solid electrolyte described in Patent Document 1, has an insufficient lithium ion conductivity of about 1 × 10 −6 to 2 × 10 −6 S / cm. When the lithium ion conductivity of the lithium ion conductor is low, for example, when it is used as a solid electrolyte of an all-solid lithium ion secondary battery, the internal resistance of the battery increases. For this reason, the voltage drop becomes large, and good large current discharge characteristics cannot be obtained.

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、窒化リン酸リチウムを主成分とするものにおいて、リチウムイオン伝導率をより高めることができる固体電解質及び全固体型リチウム二次電池を提供することを主目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and provides a solid electrolyte and an all-solid-state lithium secondary battery that can further increase lithium ion conductivity in a lithium nitride phosphate as a main component. The main purpose is to do.

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、β相のリン酸リチウムと酸化リチウムとの混合粉体を用い高周波スパッタリングを行い、窒化リン酸リチウムの固体電解質膜を作製したところ、リチウムイオン伝導率をより高めることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。   As a result of diligent research to achieve the above-mentioned object, the present inventors made high-frequency sputtering using a mixed powder of β-phase lithium phosphate and lithium oxide, and produced a solid electrolyte membrane of lithium nitride phosphate As a result, it has been found that the lithium ion conductivity can be further increased, and the present invention has been completed.

即ち、本発明の固体電解質は、含有するリン原子に対する含有するリチウム原子の原子比(Li/P)が3.0以上6.0以下である窒化リン酸リチウムからなるものである。   That is, the solid electrolyte of the present invention is made of lithium nitride lithium having an atomic ratio (Li / P) of lithium atoms to phosphorus atoms of 3.0 or more and 6.0 or less.

本発明の全固体型リチウム二次電池は、
正極活物質を有する正極と、
負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在する上述した固体電解質と、を備えたものである。
The all solid-state lithium secondary battery of the present invention is
A positive electrode having a positive electrode active material;
A negative electrode having a negative electrode active material;
And the above-described solid electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode.

本発明の固体電解質は、リチウムイオン伝導率をより高めることができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推測される。例えば、一般的に、LiPONは、焼結体またはホットプレス焼成されたリン酸リチウム(Li3PO4)をターゲットとして用い、これを窒素ガス中でスパッタリングすることにより得ることができる。なお、この焼成過程においてリン酸リチウムはγ相へ変化する。この方法によると、XPSスペクトルにおける窒化リン酸リチウムの窒素原子のN1s結合において、P−N−P(−P)結合に比してP−N=P結合が多く形成される。これに対して、本発明の固体電解質では、P−N−P(−P)結合が多く形成されている。即ち、窒素原子のN1s結合において、P−N=P結合では、1個の窒素原子に2つのリン原子が結合しているが、P−N−P(−P)結合では、1個の窒素原子に3つのリン原子が結合しており、リチウムイオン伝導率が向上するものと推察される。あるいは、本発明の固体電解質では、リチウムの含有量が多く、結晶中にリチウム結晶相を有している。これによりリチウムイオン伝導率が向上するものと推察される。 The solid electrolyte of the present invention can further increase lithium ion conductivity. The reason why such an effect is obtained is not clear, but is presumed as follows. For example, in general, LiPON can be obtained by using a sintered body or hot-press fired lithium phosphate (Li 3 PO 4 ) as a target and sputtering it in nitrogen gas. In this firing process, lithium phosphate changes to a γ phase. According to this method, in the N 1s bond of the nitrogen atom of lithium nitride lithium phosphate in the XPS spectrum, more PN = P bonds are formed than the PNPP (-P) bond. On the other hand, in the solid electrolyte of the present invention, many P—N—P (—P) bonds are formed. That is, in the N 1s bond of the nitrogen atom, in the P— N═P bond, two phosphorus atoms are bonded to one nitrogen atom, but in the P—N—P (—P) bond, one It is presumed that the lithium ion conductivity is improved because three phosphorus atoms are bonded to the nitrogen atom. Alternatively, the solid electrolyte of the present invention has a large amount of lithium and has a lithium crystal phase in the crystal. This is presumed to improve the lithium ion conductivity.

本発明の全固体型リチウム二次電池20の一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of the all-solid-type lithium secondary battery 20 of this invention. 実験セル30の概略断面図。FIG. 実施例1のCV測定で得られたボルタモグラム。The voltammogram obtained by the CV measurement of Example 1. 実施例3、比較例3のN1s状態とP2p状態のXPSスペクトル。The XPS spectrum of the N1s state of Example 3 and the comparative example 3 and a P2p state. 実施例1、比較例1,3の固体電解質膜のX線回折測定結果。The X-ray-diffraction measurement result of the solid electrolyte membrane of Example 1 and Comparative Examples 1 and 3.

本発明の固体電解質は、固体電解質に含有するリン原子に対する固体電解質に含有するリチウム原子の原子比(Li/P)が3.0以上6.0以下である窒化リン酸リチウム(以下LiPONとも称する)からなるものである。即ち、この固体電解質は、LixPOyz(xは3.0以上6.0以下、y及びzは任意の値)で表すことができる。この原子比が3.0以上では、リチウムイオン伝導率が3×10-6S/cmを上回り好ましい。また、この原子比が6.0以下では、化学的な安定性をより高めることができる。この原子比は、3.2以上4.0以下がより好ましく、3.3以上3.8以下が更に好ましい。 The solid electrolyte of the present invention is a lithium lithium phosphate (hereinafter also referred to as LiPON) in which the atomic ratio (Li / P) of lithium atoms contained in the solid electrolyte to phosphorus atoms contained in the solid electrolyte is 3.0 or more and 6.0 or less. ). That is, this solid electrolyte can be represented by Li x PO y N z (x is 3.0 or more and 6.0 or less, and y and z are arbitrary values). When the atomic ratio is 3.0 or more, the lithium ion conductivity is preferably more than 3 × 10 −6 S / cm. In addition, when the atomic ratio is 6.0 or less, chemical stability can be further improved. This atomic ratio is more preferably 3.2 or more and 4.0 or less, and further preferably 3.3 or more and 3.8 or less.

本発明の固体電解質は、リチウム結晶相を有する窒化リン酸リチウムを含むものとしてもよい。こうすれば、リチウム結晶相の存在によりリチウムイオン伝導率をより高めることができる。一般に、窒化リン酸リチウム膜は、膜中ではLi2O−P25−PONという形で相分離していると考えられている(非特許文献1:J.Electrochem.Soc.,144,524(1997)参照)。本発明の固体電解質は、窒化リン酸リチウム中のLi2Oが過剰となっており、これがリチウム結晶相として存在することによって、高いリチウムイオン伝導率を示すものと推察される。 The solid electrolyte of the present invention may contain lithium nitride phosphate having a lithium crystal phase. In this way, the lithium ion conductivity can be further increased due to the presence of the lithium crystal phase. In general, it is considered that lithium nitride phosphate films are phase-separated in the form of Li 2 O—P 2 O 5 —PON (Non-patent Document 1: J. Electrochem. Soc., 144, 524 (1997)). The solid electrolyte of the present invention is presumed to exhibit high lithium ion conductivity due to the excess of Li 2 O in lithium nitride lithium phosphate, which is present as a lithium crystal phase.

本発明の固体電解質は、X線光電子分光法(XPS)を用いて測定を行うと、XPSスペクトルにおける窒化リン酸リチウムのリン原子のP2p結合のピークが134eV以上135eV以下の範囲に存在する。この範囲に窒化リン酸リチウムのリン原子のP2p結合のピークがあるものとすると、リチウムイオン伝導率がより向上する。また、本発明の固体電解質は、X線光電子分光法(XPS)を用いて測定を行うと、XPSスペクトルにおける窒化リン酸リチウムの窒素原子のN1s結合において、P−N=P結合に比してP−N−P(−P)結合が多く形成されている。即ち、窒素原子のN1s結合において、P−N=P結合では、1個の窒素原子に2つのリン原子が結合しているが、P−N−P(−P)結合では、1個の窒素原子に3つのリン原子が結合しており、リチウムイオン伝導率が向上する(非特許文献2:Journal of Power Sources,43−33(1993)103−110参照)。P−N−P(−P)結合が多い本発明の固体電解質では、高いリチウムイオン伝導率を示すものと推察される。 When the solid electrolyte of the present invention is measured using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the peak of the P 2p bond of the phosphorous atom of lithium lithium phosphate in the XPS spectrum is in the range of 134 eV to 135 eV. If the P 2p bond peak of the phosphorus atom of lithium nitride lithium phosphate is in this range, the lithium ion conductivity is further improved. In addition, when the solid electrolyte of the present invention is measured by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the N 1s bond of the nitrogen atom of lithium nitride lithium in the XPS spectrum is compared with the P— N═P bond. Thus, many P—N—P (—P) bonds are formed. That is, in the N 1s bond of the nitrogen atom, in the P— N═P bond, two phosphorus atoms are bonded to one nitrogen atom, but in the P—N—P (—P) bond, one Three phosphorus atoms are bonded to the nitrogen atom, so that lithium ion conductivity is improved (see Non-Patent Document 2: Journal of Power Sources, 43-33 (1993) 103-110). It is presumed that the solid electrolyte of the present invention having many P—N—P (—P) bonds exhibits high lithium ion conductivity.

本発明の固体電解質は、特に限定されないが膜状に形成されていることが好ましい。この膜厚としては、0.1μm以上100μm以下であることが好ましく、0.5μm以上10μm以下であることがより好ましい。0.1μm以上では、電極の短絡などをより防止でき、100μm以下では、リチウムの移動が円滑であり好ましい。   The solid electrolyte of the present invention is not particularly limited, but is preferably formed in a film shape. The film thickness is preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less. When the thickness is 0.1 μm or more, short-circuiting of the electrode can be further prevented.

本発明の固体電解質は、リチウムイオン伝導率が3.0×10-6S/cmを上回るものとしてもよい。本発明の固体電解質のリチウムイオン伝導率は、3.5×10-6S/cm以上であることがより好ましく、4.0×10-6S/cm以上であることがより好ましい。 The solid electrolyte of the present invention may have a lithium ion conductivity exceeding 3.0 × 10 −6 S / cm. The lithium ion conductivity of the solid electrolyte of the present invention is more preferably 3.5 × 10 −6 S / cm or more, and more preferably 4.0 × 10 −6 S / cm or more.

本発明の固体電解質は、リチウム金属に対して安定であり、且つ電位窓が Li/Li+基準で+0V以上+5V以下の範囲よりも広い電位窓を有しているものとしてもよい。このような窒化リン酸リチウムでは、活物質の選択範囲がより広いため、全固体型リチウム二次電池に利用しやすい。この電位窓は、Li/Li+基準で+0V以上+5.5V以下の範囲がより好ましい。 The solid electrolyte of the present invention may have a potential window that is stable against lithium metal and has a potential window wider than the range of +0 V or more and +5 V or less on the basis of Li / Li + . Such a lithium nitride phosphate is easy to use for an all-solid-state lithium secondary battery because the selection range of the active material is wider. This potential window is more preferably in the range of +0 V to +5.5 V on the basis of Li / Li + .

本発明の固体電解質は、真空装置を用いた薄膜製造方法によって作製することができる。なお、真空装置を用いた作製方法以外の方法、例えば、上記原子比となる原料ペーストを作製し、焼成する方法によって作製してもよい。真空装置を用いる製造方法としては、蒸着法と窒素イオンを導入するイオンビーム照射を組み合わせた方法が挙げられる。この蒸着法としては、例えばマグネトロンまたは高周波などの手段によりターゲットを窒素(N2)でスパッタするスパッタリング法、抵抗により蒸着源を加熱して蒸着させる抵抗加熱蒸着法、電子ビームにより蒸着源を加熱して蒸着させる電子ビーム蒸着法、およびレーザーにより蒸着源を加熱して蒸着させるレーザーアブレーション法などが挙げられる。このうち、高周波スパッタリング法により作製するものが好ましい。この高周波スパッタリング法において、β相のリン酸リチウム及び酸化リチウムの混合体をターゲットとして用いることが好ましく、混合粉体をターゲットとして用いることがより好ましい。この混合体を用いれば、例えばリン酸リチウムの焼結体を用いるものに比して、低エネルギーであり、上記原子比の固体電解質を比較的容易に作製することができる。ここで、混合体とは、リン酸リチウムの粉体と酸化リチウムの粉体とを混合した混合粉体や、この混合粉体を成形した成形体等が含まれる。また、熱処理を加えていないリン酸リチウムや酸化リチウム(焼結体ではないもの)をスパッタリング法のターゲットに用いるものとしてもよい。こうすれば、リン酸リチウムがγ相に変化するのを抑制し、β相として利用しやすい。例えば、500℃以上でリン酸リチウムを焼成すると、リン酸リチウムが準安定なγ相に変化し、焼成後に冷却してもβ相ではなくγ相でリン酸リチウムが存在する(非特許文献3:Chem.Mater.,20 5574−5584(2008)参照)。このγ相のリン酸リチウムに比してβ相のリン酸リチウムを原料として用いると、リチウムイオン伝導率が向上するため、より好ましい。リン酸リチウムの粉体としては、例えば平均粒径が0.1μm以上500μm以下とすることが好ましく、1.0μm以上100μm以下とすることがより好ましく、10μm以上50μm以下とすることが更に好ましい。酸化リチウムの粉体としては、例えば平均粒径が0.1μm以上500μm以下とすることが好ましく、1.0μm以上100μm以下とすることがより好ましく、10μm以上50μm以下とすることが更に好ましい。混合粉体の平均粒径としては、リン酸リチウムに比して酸化リチウムの平均粒径が小さい方が、固体電解質のリチウム含有量を高めやすく好ましい。 The solid electrolyte of the present invention can be produced by a thin film production method using a vacuum apparatus. Note that it may be manufactured by a method other than a manufacturing method using a vacuum apparatus, for example, a method in which a raw material paste having the above atomic ratio is manufactured and fired. As a manufacturing method using a vacuum apparatus, a method combining vapor deposition and ion beam irradiation for introducing nitrogen ions can be given. As this vapor deposition method, for example, a sputtering method in which a target is sputtered with nitrogen (N 2 ) by means such as magnetron or high frequency, a resistance heating vapor deposition method in which the vapor deposition source is heated by vapor deposition, and a vapor deposition source is heated by an electron beam. And an electron beam vapor deposition method for vapor deposition, and a laser ablation method for vapor deposition by heating a vapor deposition source with a laser. Among these, what is produced by a high frequency sputtering method is preferable. In this high-frequency sputtering method, a mixture of β-phase lithium phosphate and lithium oxide is preferably used as a target, and a mixed powder is more preferably used as a target. When this mixture is used, for example, a solid electrolyte having a low energy and the above-mentioned atomic ratio can be produced relatively easily as compared with a lithium phosphate sintered body. Here, the mixture includes a mixed powder obtained by mixing a lithium phosphate powder and a lithium oxide powder, and a molded body obtained by molding the mixed powder. Alternatively, lithium phosphate or lithium oxide (not a sintered body) that has not been heat-treated may be used as a sputtering target. If it carries out like this, it will suppress that a lithium phosphate changes to a gamma phase, and it will be easy to utilize as a beta phase. For example, when lithium phosphate is fired at 500 ° C. or higher, lithium phosphate changes to a metastable γ phase, and even if cooled after firing, lithium phosphate exists in the γ phase instead of the β phase (Non-patent Document 3). : Chem. Mater., 20 5574-5854 (2008)). Compared to this γ-phase lithium phosphate, it is more preferable to use β-phase lithium phosphate as a raw material because the lithium ion conductivity is improved. For example, the lithium phosphate powder preferably has an average particle size of 0.1 μm to 500 μm, more preferably 1.0 μm to 100 μm, and still more preferably 10 μm to 50 μm. The lithium oxide powder preferably has an average particle size of, for example, 0.1 μm to 500 μm, more preferably 1.0 μm to 100 μm, and still more preferably 10 μm to 50 μm. As the average particle size of the mixed powder, it is preferable that the average particle size of lithium oxide is smaller than that of lithium phosphate because the lithium content of the solid electrolyte can be easily increased.

本発明の固体電解質は、リン酸リチウムに対する酸化リチウムの混合モル比(Li2O/Li3PO4)が0.5以上3.0以下である混合体を用いて作製されていることが好ましい。こうすれば、固体電解質中のLi/P比を3.0以上6.0以下としやすい。この混合モル比は、1.0以上2.0以下であることがより好ましい。 The solid electrolyte of the present invention is preferably produced using a mixture having a mixed molar ratio of lithium oxide to lithium phosphate (Li 2 O / Li 3 PO 4 ) of 0.5 or more and 3.0 or less. . If it carries out like this, it will be easy to make Li / P ratio in a solid electrolyte into 3.0 or more and 6.0 or less. The mixing molar ratio is more preferably 1.0 or more and 2.0 or less.

本発明の全固体型リチウム二次電池は、正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極と、正極と負極との間に介在する上述したいずれかの固体電解質と、を備えたものである。本発明の全固体型リチウム二次電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。図1は、本発明の全固体型リチウム二次電池20の一例を示す模式図である。この全固体型リチウム二次電池20は、基板21上に導電層22が形成されており、この導電層22上に正極24、固体電解質26、負極28が順に積層して形成されている。導電層22には、集電リード23が接続され、負極28には集電リード29が接続されている。この全固体型リチウム二次電池20では、固体電解質26は、リンに対するリチウムの原子比(Li/P)が3.0以上6.0以下である窒化リン酸リチウムによって形成されている。このような構成の全固体型リチウム二次電池20では、例えば、基板21をシリコン基板や石英板としてもよいし、導電層22を白金層としてもよいし、集電リード23,29を金ワイヤーとしてもよい。正極活物質や負極活物質には、全固体型リチウム二次電池に一般的に用いられるものを利用可能である。   An all solid-state lithium secondary battery of the present invention includes a positive electrode having a positive electrode active material, a negative electrode having a negative electrode active material, and any of the solid electrolytes described above interposed between the positive electrode and the negative electrode. It is. The shape of the all solid-state lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a rectangular type. FIG. 1 is a schematic view showing an example of an all solid-state lithium secondary battery 20 of the present invention. In this all solid-state lithium secondary battery 20, a conductive layer 22 is formed on a substrate 21, and a positive electrode 24, a solid electrolyte 26, and a negative electrode 28 are sequentially stacked on the conductive layer 22. A current collecting lead 23 is connected to the conductive layer 22, and a current collecting lead 29 is connected to the negative electrode 28. In this all solid-state lithium secondary battery 20, the solid electrolyte 26 is formed of lithium nitride phosphate having an atomic ratio (Li / P) of lithium to phosphorus of 3.0 or more and 6.0 or less. In the all solid-state lithium secondary battery 20 having such a configuration, for example, the substrate 21 may be a silicon substrate or a quartz plate, the conductive layer 22 may be a platinum layer, and the current collecting leads 23 and 29 are gold wires. It is good. As the positive electrode active material and the negative electrode active material, those generally used in all solid-state lithium secondary batteries can be used.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

以下には、本発明の固体電解質を具体的に作製した例を実施例として説明する。   Below, the example which produced the solid electrolyte of this invention concretely is demonstrated as an Example.

[実施例1]
固体電解質薄膜を備えた実験セルを作製し、本発明の固体電解質のイオン伝導率を検討した。図2は、実験セル30の概略断面図である。図2に示すように、実験セル30は、ガラス基板31、白金/チタンからなる集電体層32 、固体電解質層33 、および金からなる集電体層34で構成した。まず、第1工程として、ガラス基板31の所定の位置に、窓(2mm × 50mm)を有するメタルマスクを被せ、RFスパッタリング法で膜厚20nmのチタン層形成後、DCスパッタリング法で膜厚80nm の白金層を形成し、集電体層32を作製した。第2工程として、メタルマスクの寸法を10mm×30mm に変更し、白金/チタンの集電体層32上に、RFスパッタリング法で固体電解質膜を形成し、膜厚2μmの固体電解質層33を作製した。このとき、ターゲットは熱処理を加えていない(焼成していない)リン酸リチウム及び酸化リチウムの混合粉末を使用した。なお、X線回折測定の結果、使用した粉末において、リン酸リチウムはβ相であった。粉末の平均粒径は、SEM撮影画像から算出し、リン酸リチウムが100μm程度、酸化リチウムが30μm程度であった。両粉末の混合比は、リン酸リチウム:酸化リチウムで1:2(モル比)とし、乳鉢で混合しターゲットとした。RFスパッタリングは、スパッタリングガスとして窒素を用い、チャンバー内圧2.5mTorr 、ガス導入量20sccmで行った。製膜中の基板の温度は50℃以下になるようにした。続いて、第3工程として、固体電解質層33の上に、固体電解質層33からはみ出さないように2mm×50mmの窓を有するメタルマスクを配置し、DCスパッタリング法で金の膜を成膜し、膜厚0.1μm の金からなる集電体層34を形成した。得られたものを実施例1の実験セルとした。表1に実施例1の原料などをまとめて示す。なお、この表1には、Li/P比及びイオン伝導率の測定結果を示すと共に、後述する実施例2,3及び比較例1〜3の内容も示した。
[Example 1]
An experimental cell equipped with a solid electrolyte thin film was prepared, and the ionic conductivity of the solid electrolyte of the present invention was examined. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the experimental cell 30. As shown in FIG. 2, the experimental cell 30 was composed of a glass substrate 31, a current collector layer 32 made of platinum / titanium, a solid electrolyte layer 33, and a current collector layer 34 made of gold. First, as a first step, a metal mask having a window (2 mm × 50 mm) is put on a predetermined position of the glass substrate 31, a titanium layer having a thickness of 20 nm is formed by RF sputtering, and then a film having a thickness of 80 nm by DC sputtering. A platinum layer was formed to produce a current collector layer 32. As a second step, the metal mask size is changed to 10 mm × 30 mm, a solid electrolyte film is formed on the platinum / titanium current collector layer 32 by RF sputtering, and a solid electrolyte layer 33 having a thickness of 2 μm is produced. did. At this time, a mixed powder of lithium phosphate and lithium oxide not subjected to heat treatment (not fired) was used as the target. As a result of the X-ray diffraction measurement, lithium phosphate was in the β phase in the powder used. The average particle size of the powder was calculated from the SEM image, and was about 100 μm for lithium phosphate and about 30 μm for lithium oxide. The mixing ratio of the two powders was 1: 2 (molar ratio) of lithium phosphate: lithium oxide, and the mixture was mixed in a mortar to obtain a target. RF sputtering was performed using nitrogen as a sputtering gas, with a chamber internal pressure of 2.5 mTorr, and a gas introduction amount of 20 sccm. The temperature of the substrate during film formation was set to 50 ° C. or lower. Subsequently, as a third step, a metal mask having a 2 mm × 50 mm window is disposed on the solid electrolyte layer 33 so as not to protrude from the solid electrolyte layer 33, and a gold film is formed by DC sputtering. A current collector layer 34 made of gold having a thickness of 0.1 μm was formed. The obtained one was used as the experimental cell of Example 1. Table 1 summarizes the raw materials of Example 1. In addition, this Table 1 showed the measurement result of Li / P ratio and ionic conductivity, and also showed the contents of Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 to 3 described later.

Figure 2011171248
Figure 2011171248

[実施例2,3]
ターゲットとして、熱処理を加えていないリン酸リチウム粉末と酸化リチウム粉末とを1:1(モル比) の混合比で混合した混合粉体を用いた以外は実施例1と同様の処理を行い得られたものを実施例2の実験セルとした。また、ターゲットとして、熱処理を加えていないリン酸リチウム粉末と酸化リチウム粉末とを1:0.5(モル比) の混合比で混合した混合粉体を用いた以外は実施例1と同様の処理を行い得られたものを実施例3の実験セルとした。
[Examples 2 and 3]
The same treatment as in Example 1 can be performed except that a mixed powder obtained by mixing lithium phosphate powder and lithium oxide powder not subjected to heat treatment at a mixing ratio of 1: 1 (molar ratio) was used as a target. This was used as the experimental cell of Example 2. Moreover, the process similar to Example 1 except having used the mixed powder which mixed the lithium phosphate powder and the lithium oxide powder which were not heat-processed with the mixing ratio of 1: 0.5 (molar ratio) as a target. The experimental cell obtained in Example 3 was used as the experimental cell of Example 3.

[比較例1,2]
ターゲットとして、熱処理を加えていないリン酸リチウム粉末のみを用いた以外は実施例1と同様の処理を行い得られたものを比較例1の実験セルとした。また、ターゲットとして、熱処理を加えていないリン酸リチウム粉末と酸化リチウム粉末とを1:4(モル比) の混合比で混合した混合粉体を用いた以外は実施例1と同様の処理を行い得たものを比較例2の実験セルとした。
[Comparative Examples 1 and 2]
An experimental cell of Comparative Example 1 was obtained by performing the same treatment as in Example 1 except that only the lithium phosphate powder not subjected to heat treatment was used as a target. Further, the same treatment as in Example 1 was performed except that a mixed powder obtained by mixing a lithium phosphate powder and a lithium oxide powder not subjected to heat treatment at a mixing ratio of 1: 4 (molar ratio) was used as a target. The obtained one was used as an experimental cell of Comparative Example 2.

[比較例3]
ターゲットとして、700℃で焼結させた焼結板状体のリン酸リチウムを用いた以外は実施例1と同様の処理を行い得られたものを比較例3の実験セルとした。なお、X線回折測定の結果、使用した焼結板状体において、リン酸リチウムはγ相であった。
[Comparative Example 3]
An experimental cell of Comparative Example 3 was obtained by performing the same treatment as in Example 1 except that a sintered plate-like lithium phosphate sintered at 700 ° C. was used as a target. As a result of X-ray diffraction measurement, lithium phosphate was in the γ phase in the used sintered plate.

[組成:Li/P比]
実施例1〜3及び比較例1〜3の膜の組成はLi/Pの原子比を誘導結合プラズマ発光分析装置(RIGAKU社製CIROS−120EOP)を用いて測定した。表1に示すように、実施例1〜3では、LiPONの理論比の3.0よりも大きな値を示し、リチウムの含有量が多いことがわかった。また、比較例1〜3では、Li/P比は3.0未満であった。
[Composition: Li / P ratio]
The compositions of the films of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 were measured for the atomic ratio of Li / P using an inductively coupled plasma emission spectrometer (CIROS-120EOP manufactured by RIGAKU). As shown in Table 1, in Examples 1 to 3, it was found that the theoretical ratio of LiPON was larger than 3.0 and the lithium content was large. Moreover, in Comparative Examples 1-3, Li / P ratio was less than 3.0.

[リチウムイオン伝導率の測定]
実施例1〜3及び比較例1〜3の実験セルについて、交流インピーダンス測定を行い、イオン伝導率の経時変化を調べた。交流インピーダンス測定は、平衡電圧をゼロとし、±50mVの振幅、および106Hzから1Hzまでの周波数領域を用いて行った(表1参照)。この結果、本発明の窒化リン酸リチウム(実施例1〜3)は、イオン伝導率が3.0×10-6S/cm以上であり、従来のLiPON(比較例3)の2.3×10-6S/cmと比べて、高いイオン伝導率を示すことが確認できた。一方、比較例1,2のイオン伝導率はそれぞれ、1.7×10-6S/cmと2.1×10-6であり、従来のLiPON(比較例3)よりも劣っていた。従って本発明において、固体電解質膜中のLi/P比は3.0以上6.0以下(Li2O/Li3PO4の混合モル比が0.5以上3.0以下)が望ましいことがわかった。
[Measurement of lithium ion conductivity]
About the experimental cell of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3, alternating current impedance measurement was performed and the time-dependent change of ion conductivity was investigated. AC impedance measurement was performed using an equilibrium voltage of zero, an amplitude of ± 50 mV, and a frequency region from 10 6 Hz to 1 Hz (see Table 1). As a result, the lithium nitride phosphate (Examples 1 to 3) of the present invention has an ionic conductivity of 3.0 × 10 −6 S / cm or more, and 2.3 × of conventional LiPON (Comparative Example 3). It was confirmed that the ion conductivity was higher than 10 −6 S / cm. On the other hand, the ionic conductivities of Comparative Examples 1 and 2 were 1.7 × 10 −6 S / cm and 2.1 × 10 −6 , respectively, which were inferior to conventional LiPON (Comparative Example 3). Therefore, in the present invention, the Li / P ratio in the solid electrolyte membrane is preferably 3.0 or more and 6.0 or less (the mixed molar ratio of Li 2 O / Li 3 PO 4 is 0.5 or more and 3.0 or less). all right.

[電位窓の検討]
サイクリックボルタンメトリ法(CV法)を用いて測定を行い、作製した固体電解質のリチウム金属に対する安定性を評価した。CV測定用の電極は、以下の手順で作製した。まず、ガラス基板上にRFスパッタリング法で膜厚20nmのチタン層を形成した後、DCスパッタリング法で膜厚80nm の白金層を形成し集電体層とした。その上に固体電解質膜を形成した。固体電解質膜の形成において、1μmの膜厚をとした以外は実施例1と同様の工程を経て、CV測定用の実施例1の固体電解質膜を作製した。作製した電極を作用極としCV法により測定を行った。対極、参照極をリチウム箔(厚さ約0.5mm)とし、電解液として、LiPF6を1mol/L溶解させたエチレンカーボネートとジエチレンカーボネートの重量比3:7の混合溶液を用いた。作用極の電位を自然電位(約+0.4V vs.Li/Li+)から−0.5V(vs.Li/Li+)とし、続いて+7.5V(vs.Li/Li+)から自然電位へと電位を変化させながら電流を測定した。
[Examination of potential window]
Measurement was carried out using a cyclic voltammetry method (CV method), and the stability of the produced solid electrolyte against lithium metal was evaluated. The electrode for CV measurement was produced by the following procedure. First, a titanium layer having a thickness of 20 nm was formed on a glass substrate by RF sputtering, and then a platinum layer having a thickness of 80 nm was formed by DC sputtering to form a current collector layer. A solid electrolyte membrane was formed thereon. In the formation of the solid electrolyte membrane, the solid electrolyte membrane of Example 1 for CV measurement was produced through the same steps as in Example 1 except that the film thickness was 1 μm. Measurement was carried out by the CV method using the produced electrode as a working electrode. The counter electrode and the reference electrode were lithium foil (thickness: about 0.5 mm), and a mixed solution of ethylene carbonate and diethylene carbonate in which LiPF 6 was dissolved at 1 mol / L in a weight ratio of 3: 7 was used as the electrolyte. The potential of the working electrode is changed from a natural potential (about +0.4 V vs. Li / Li + ) to −0.5 V (vs. Li / Li + ), and then from +7.5 V (vs. Li / Li + ) to the natural potential. The current was measured while changing the potential.

図3は、実施例1のCV測定で得られたボルタモグラムである。図3に示すaおよびbの地点で大きな電流が流れているが、これは電極上でのリチウムの析出および溶解に対応すると考えられる。またcの地点においても電流が急激に増加しているが、これは固体電解質の分解に対応する。そのほかには固体電解質の分解に対応すると思われるシグナルは観察されなかった。このことから、本発明にかかる固体電解質膜はリチウム金属の析出が始まる電圧(0V vs.Li/Li+)においても分解せず、また+6Vを超えるまでは、分解せず、安定であることがわかった。以上の結果から、実施例1の固体電解質膜は、リチウム金属に対して安定であることと、電位窓が+0V〜+5V(vs.Li/Li+)よりも広いことがわかった。 FIG. 3 is a voltammogram obtained by the CV measurement of Example 1. A large current flows at points a and b shown in FIG. 3, which is considered to correspond to lithium deposition and dissolution on the electrode. Also, the current increases rapidly at point c, which corresponds to the decomposition of the solid electrolyte. In addition, no signal that could correspond to the degradation of the solid electrolyte was observed. From this, the solid electrolyte membrane according to the present invention does not decompose even at a voltage (0 V vs. Li / Li + ) at which lithium metal starts to be deposited, and does not decompose until it exceeds +6 V, and is stable. all right. From the above results, it was found that the solid electrolyte membrane of Example 1 was stable against lithium metal and that the potential window was wider than +0 V to +5 V (vs. Li / Li + ).

[XPS測定]
X線光電子分光測定(XPS測定)を行い、本発明の固体電解質中の原子の結合状態を検討した。XPS測定は、XPS測定装置(アルバックファイ製PHI−5500MC)を用い、X線源としてMgKαを用いて行った。シリコン基板上に膜の厚さを100nmとし、上述した実施例3と同様の工程を経て、XPS測定用の実施例3の固体電解質を測定試料として作製した。また、シリコン基板上に膜の厚さを100nmとした以外は比較例3と同様の工程を経て、XPS測定用の比較例3の固体電解質膜を測定試料として作製した。図4は、実施例3および比較例3の固体電解質膜中のN1s状態とP2p状態のXPSスペクトルである。実施例3と比較例3とで有意に異なっていることが分かる。LiPON膜のN1s状態はP−N=P結合とP−N−P(−P)結合の2種類あるが、通常のLiPON膜と同様に、比較例3では低エネルギー側(約398eV)のP−N=P結合が支配的であった(非特許文献2参照)。一方、実施例3の固体電解質膜は、P−N−P(−P)結合が支配的であることがわかった。また、比較例3の固体電解質膜中のリン原子のP2p結合は133.5eVにピークを持つが、実施例3の固体電解質膜中のリン原子のP2p結合は134.25eVにピークを示した。即ち、実施例3では、窒化リン酸リチウムのリン原子のP2p結合のピークが134eV以上135eV以下の範囲に存在することがわかった。
[XPS measurement]
X-ray photoelectron spectroscopy measurement (XPS measurement) was performed to examine the bonding state of atoms in the solid electrolyte of the present invention. The XPS measurement was performed using an XPS measurement apparatus (PHI-5500MC manufactured by ULVAC-PHI) and using MgKα as an X-ray source. The thickness of the film was set to 100 nm on the silicon substrate, and the solid electrolyte of Example 3 for XPS measurement was produced as a measurement sample through the same steps as in Example 3 described above. A solid electrolyte membrane of Comparative Example 3 for XPS measurement was produced as a measurement sample through the same process as Comparative Example 3 except that the thickness of the film was changed to 100 nm on the silicon substrate. FIG. 4 is an XPS spectrum of the N 1s state and the P 2p state in the solid electrolyte membranes of Example 3 and Comparative Example 3. It can be seen that Example 3 and Comparative Example 3 are significantly different. There are two types of N 1s states in the LiPON film: PN = P bond and P—N—P (—P) bond. Like the normal LiPON film, Comparative Example 3 has a low energy side (about 398 eV). The P—N═P bond was dominant (see Non-Patent Document 2). On the other hand, the solid electrolyte membrane of Example 3 was found to have a dominant PNP (-P) bond. The P 2p bond of the phosphorus atom in the solid electrolyte membrane of Comparative Example 3 has a peak at 133.5 eV, while the P 2p bond of the phosphorus atom in the solid electrolyte membrane of Example 3 has a peak at 134.25 eV. It was. That is, in Example 3, it was found that the peak of the P 2p binding of phosphorus atoms of lithium phosphorus oxynitride acid is present in 135eV following range of 134EV.

[X線回折測定]
X線回折測定を行い、作製した固体電解質中の結晶状態を検討した。X線回折測定は、X線回折装置(リガク社製RINT2200)を用い、X線源としてCuKα線:(λ=1.5418Å)を用いて行った。シリコン基板上に膜の厚さを2μmとし、上述した実施例1と同様の工程を経て、X線回折測定用の実施例1の固体電解質を測定試料として作製した。また、シリコン基板上に膜の厚さを2μmとし、上述した比較例1及び比較例3と同様の工程を経て、X線回折測定用の比較例1及び比較例3の固体電解質を測定試料として作製した。図5は、実施例1及び比較例1,3の固体電解質膜のX線回折測定結果である。比較例1,3については、シリコン基板由来のピーク以外の結晶ピークが確認されなかったことから、これらの薄膜はアモルファス(非晶質)であった。一方、実施例1では、リチウム金属結晶に由来するピークが確認された。これはターゲット中に過剰に混入された酸化リチウムがスパッタリングにより酸素欠陥の多い酸化リチウムとなり、これが酸化リチウム相とリチウム結晶相に相分離したものと推察された。
[X-ray diffraction measurement]
X-ray diffraction measurement was performed to examine the crystalline state in the produced solid electrolyte. X-ray diffraction measurement was performed using an X-ray diffractometer (RINT2200, manufactured by Rigaku Corporation) and using CuKα ray (λ = 1.5418) as an X-ray source. The thickness of the film was set to 2 μm on the silicon substrate, and the solid electrolyte of Example 1 for X-ray diffraction measurement was prepared as a measurement sample through the same steps as in Example 1 described above. Further, the thickness of the film is set to 2 μm on the silicon substrate, and the solid electrolytes of Comparative Example 1 and Comparative Example 3 for X-ray diffraction measurement are used as measurement samples through the same steps as Comparative Example 1 and Comparative Example 3 described above. Produced. FIG. 5 shows X-ray diffraction measurement results of the solid electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Examples 1 and 3. In Comparative Examples 1 and 3, since no crystal peak other than the peak derived from the silicon substrate was confirmed, these thin films were amorphous. On the other hand, in Example 1, the peak derived from a lithium metal crystal was confirmed. This is presumed that lithium oxide excessively mixed in the target became lithium oxide with many oxygen defects by sputtering, and this was phase-separated into a lithium oxide phase and a lithium crystal phase.

このように、焼結していないリン酸リチウム及び酸化リチウムの混合粉末を使用し、スパッタリング法により作製した本発明の窒化リン酸リチウムからなる固体電解質は、リンに対するリチウムの原子比(Li/P)が3.0以上6.0以下であり、リチウムイオン伝導率がより高く、電位窓が広く、全固体型リチウム二次電池への利用が好ましいことが明らかとなった。   Thus, the solid electrolyte composed of lithium nitride phosphate of the present invention prepared by sputtering using a powder mixture of unsintered lithium phosphate and lithium oxide has an atomic ratio of lithium to phosphorus (Li / P ) Is 3.0 or more and 6.0 or less, and the lithium ion conductivity is higher, the potential window is wide, and it is clear that it is preferably used for an all-solid-state lithium secondary battery.

20 全固体型リチウム二次電池、21 基板、22 導電層、23,29 集電リード、24 正極、26 固体電解質、28 負極、30 実験セル、31 ガラス基板、32,34 集電体層、33 固体電解質層。   20 Lithium secondary battery, 21 substrate, 22 conductive layer, 23, 29 current collector lead, 24 positive electrode, 26 solid electrolyte, 28 negative electrode, 30 experimental cell, 31 glass substrate, 32, 34 current collector layer, 33 Solid electrolyte layer.

Claims (4)

含有するリン原子に対する含有するリチウム原子の原子比(Li/P)が3.0以上6.0以下である窒化リン酸リチウムからなる、固体電解質。   A solid electrolyte comprising a lithium lithium phosphate having an atomic ratio (Li / P) of a lithium atom to a phosphorus atom contained of 3.0 or more and 6.0 or less. β相のリン酸リチウム及び酸化リチウムの混合体をターゲットとして高周波スパッタリング法により作製されている、請求項1に記載の固体電解質。   The solid electrolyte according to claim 1, wherein the solid electrolyte is produced by a high-frequency sputtering method using a mixture of β-phase lithium phosphate and lithium oxide as a target. リン酸リチウムに対する酸化リチウムの混合モル比が0.5以上3.0以下である前記混合体を用いて作製されている、請求項2に記載の固体電解質。   The solid electrolyte of Claim 2 produced using the said mixture whose mixing molar ratio of lithium oxide with respect to lithium phosphate is 0.5 or more and 3.0 or less. 正極活物質を有する正極と、
負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在する請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質と、
を備えた全固体型リチウム二次電池。
A positive electrode having a positive electrode active material;
A negative electrode having a negative electrode active material;
The solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, which is interposed between the positive electrode and the negative electrode,
All-solid-state lithium secondary battery.
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