JP2012038433A - Thin-film solid secondary battery and method of manufacturing thin-film solid secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜固体二次電池及び薄膜固体二次電池の製造方法に係り、特に、マスクを使用した製造工程の簡略化を図り、歩留まりの良い薄膜固体二次電池及び薄膜固体二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a thin film solid secondary battery and a method for manufacturing a thin film solid secondary battery, and more particularly, to simplify a manufacturing process using a mask, and to provide a thin film solid secondary battery and a thin film solid secondary battery with high yield. It relates to a manufacturing method.
ICカード、携帯電話をはじめとする小型携帯機器は広く普及し、より小型、軽量、多機能化が進んでいる。それに伴い、それらの機器を駆動させるために必要な電池も、より小型でエネルギー密度が高いことが求められている。リチウムイオン二次電池は、他の電池と比べてエネルギー密度が高いため広い用途で用いることが可能で、現在、最も広く普及している。 Small portable devices such as IC cards and mobile phones are widely used, and are becoming smaller, lighter and more multifunctional. Accordingly, batteries required for driving these devices are also required to be smaller and have higher energy density. Lithium ion secondary batteries have a higher energy density than other batteries and can be used in a wide range of applications, and are currently most widely used.
また、小型携帯機器以外にも、医療機器、センサー機器、小型機能ロボット等、各種小型デバイスにおいても、小型でエネルギー密度が高い電池が求められている。
しかしながら、電池の小型化や薄型化に関し、電解液を用いる従来の電池では容器の厚さなどから限界がある。これに対し、溶液ではなく、ゲル状の電解質や固体電解質を用いる全固体型の電池が知られており、例えば固体電解質を用いる薄膜固体二次電池(例えば、特許文献1参照)が提案されている。
In addition to small portable devices, small and high energy density batteries are required for various small devices such as medical devices, sensor devices, and small functional robots.
However, with respect to miniaturization and thinning of the battery, conventional batteries using an electrolytic solution have limitations due to the thickness of the container. On the other hand, an all-solid battery using a gel electrolyte or a solid electrolyte instead of a solution is known. For example, a thin-film solid secondary battery using a solid electrolyte (for example, see Patent Document 1) has been proposed. Yes.
薄膜固体二次電池の構成は、特許文献1に記載のように、基板上に負極集電体薄膜、負極活物質薄膜、固体電解質薄膜、正極活物質薄膜、正極集電体薄膜を順に積層した構成、又は基板上に上記層を逆の順で積層した構成である。このような構成により、薄膜固体二次電池は、基板を除けば1μm程度の薄さにすることが可能である。また、基板の厚さを薄くしたり、薄膜化した固体電解質フィルムを基板の代わりに使用したりすれば、全体としてより薄型化、小型化を図ることが可能である。さらに、全固体型の薄膜固体二次電池であるため、液漏れ等の不都合もなく、高い安全性を備えたものとすることができる。
As described in
薄膜固体二次電池の製造技術に関しては、薄膜固体二次電池(例えば薄膜固体リチウム二次電池)の各層を積層させる際、スパッタリング技術、真空蒸着技術等のドライプロセスによりその材料及び成膜技術に関して、種々の材料及び技術が提案されている。その中でも、スパッタリングによる成膜技術は、近年の技術進歩に伴い、様々なターゲットによる成膜が可能となってきているだけでなく、装置の小型化、成膜工程の簡略化、及びそれに伴うコストダウンも可能であることから、薄膜固体二次電池の製造技術において非常に重要とされる技術である。 Regarding the manufacturing technology of a thin film solid secondary battery, when laminating each layer of a thin film solid secondary battery (for example, a thin film solid lithium secondary battery), the material and the film forming technique are applied by a dry process such as a sputtering technique and a vacuum deposition technique. Various materials and techniques have been proposed. Among them, the film formation technology by sputtering is not only capable of forming a film with various targets in accordance with recent technological advances, but also downsizing the apparatus, simplifying the film formation process, and the costs associated therewith. This is a technology that is very important in the manufacturing technology of thin film solid state secondary batteries because it can be down.
スパッタリング技術における成膜面積の制御方法としては、基板にマスクを装着して基板成膜面側を部分的に覆い隠し、マスクの開口部分のみに成膜する方法が一般に用いられている。基本的に、薄膜固体二次電池を構成する5層の成膜においては、それぞれ任意の二次元形状に成膜するために、マスクを積層プロセスごとに交換する必要がある。しかしながら、このマスク交換時においては、技術的な問題により僅かな「ずれ」が生じ、この「ずれ」に伴い、正極膜(正極集電体層及び正極活物質層)と負極膜(負極集電体層及び負極活物質層)とが、それぞれ膜の端部において接触して短絡が起きるという問題点がある。したがって、スパッタリング技術により高性能な薄膜固体リチウム二次電池を製造できるにもかかわらず、上記問題点により、不良品が発生し、歩留まりが悪いという不都合があった。 As a method for controlling the film formation area in the sputtering technique, a method is generally used in which a mask is attached to a substrate, the substrate film formation surface side is partially covered, and the film is formed only on the opening portion of the mask. Basically, in the film formation of the five layers constituting the thin film solid state secondary battery, it is necessary to exchange the mask for each lamination process in order to form each film in an arbitrary two-dimensional shape. However, when this mask is replaced, a slight “deviation” occurs due to technical problems. Along with this “deviation”, the positive electrode film (positive electrode current collector layer and positive electrode active material layer) and negative electrode film (negative electrode current collector). The body layer and the negative electrode active material layer) are in contact with each other at the end of the film, causing a short circuit. Therefore, despite the fact that a high-performance thin-film solid lithium secondary battery can be manufactured by the sputtering technique, there is a disadvantage that defective products are generated due to the above-described problems, and the yield is poor.
これに対し、特許文献2では、正極膜と負極膜の短絡を防止するため、電池を構成する各層の成膜面積を基板側から順に小さくし、各層が互いに平面上で重ならないように形成された薄膜固体二次電池が開示されている。
また、特許文献3では、箔の上に各層が積層され、最上層である負極活物質層のみを他の層と比較して面積が小さくなるように形成された薄膜固体二次電池が開示されている。
On the other hand, in
Patent Document 3 discloses a thin-film solid-state secondary battery in which each layer is laminated on a foil and only the uppermost negative electrode active material layer is formed to have a smaller area than other layers. ing.
特許文献2,3に開示された構成のように、下方に形成された層に対し、上方に形成された層の面積を小さく形成することにより、上方に形成された層は下方に形成された層の周縁において互いに接触することが無く、短絡の発生を抑制することができる。
As in the configurations disclosed in
また、特許文献4では、集電体層の上に面積の小さな負極活物質層を形成し、さらにこの負極活物質層の周縁を覆うように、面積の大きな電解質層を積層した薄膜固体二次電池が開示されている。そしてさらに電解質層の上層に、面積の小さな正極活物質層を形成し、この正極活物質層の上層に面積の大きな集電体層を形成することにより、正極活物質層の周縁を覆うこともまた開示されている。
このような構成とすると、負極活物質層と、正極活物質層及び集電体層とが接触することがない。
In Patent Document 4, a thin-film solid secondary in which a negative electrode active material layer having a small area is formed on a current collector layer, and an electrolyte layer having a large area is laminated so as to cover the periphery of the negative electrode active material layer. A battery is disclosed. Further, a positive electrode active material layer having a small area is formed on the electrolyte layer, and a current collector layer having a large area is formed on the positive electrode active material layer, thereby covering the periphery of the positive electrode active material layer. Also disclosed.
With such a configuration, the negative electrode active material layer, the positive electrode active material layer, and the current collector layer do not come into contact with each other.
特許文献2,3のように、薄膜固体二次電池を構成する各層について、上方に積層する層の面積を、下方に積層する面積よりも小さく形成した構成や、特許文献4のように、活物質層の上層に形成する層の面積を大きくし、活物質層の周縁を覆う構成とすると、各層が互いに周縁部で接触することなく、その結果、短絡を防止することができる。
As described in
このように、各層の面積が異なる各層を備えた薄膜固体二次電池をスパッタリングにより作製する際、面積の異なる各層を成膜するためにはマスクを交換する必要がある。そして、マスクを交換する際には、スパッタリング装置内を一旦大気開放する必要がある。したがってマスク交換時、各層の表面が大気中に曝されるため、各層における表面の酸化、水分による変質が伴う。そしてその結果、電池性能(例えば、電池の寿命)が低下する虞が生じる。 As described above, when a thin film solid-state secondary battery including each layer having a different area is formed by sputtering, it is necessary to replace the mask in order to form each layer having a different area. When replacing the mask, the inside of the sputtering apparatus needs to be once opened to the atmosphere. Therefore, when the mask is replaced, the surface of each layer is exposed to the atmosphere, so that the surface of each layer is oxidized and altered by moisture. As a result, battery performance (for example, battery life) may be reduced.
したがって、特許文献2乃至4に開示された技術においては、マスク交換回数が多いため電池性能の劣化が生じ、薄膜固体二次電池の製造において、歩留まりが低下するという問題点があった。さらに、各層毎にマスクを交換すると製造工程が煩雑となるとともにコストがかかるという問題点があった。
Therefore, the techniques disclosed in
本発明の目的は、薄膜固体二次電池の上下電極間で起こる短絡の削減を図り、歩留まりの良い薄膜固体二次電池及び薄膜固体二次電池の製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、薄膜固体二次電池を構成する各層の成膜において、マスク交換回数を削減して製造工程の簡略化を図り、電池性能の良い薄膜固体二次電池及び薄膜固体二次電池の製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to reduce a short circuit occurring between upper and lower electrodes of a thin film solid secondary battery, and to provide a thin film solid secondary battery having a high yield and a method for manufacturing the thin film solid secondary battery.
Another object of the present invention is to simplify the manufacturing process by reducing the number of mask exchanges in the formation of each layer constituting a thin film solid secondary battery, and to provide a thin film solid secondary battery and a thin film with good battery performance. It is providing the manufacturing method of a solid secondary battery.
前記課題は、本発明に係る薄膜固体二次電池によれば、正負いずれか一方の極性の下部電極と、固体電解質と、他方の極性の上部電極とがこの順に形成されてなる薄膜固体二次電池であって、前記下部電極は、前記固体電解質の下面に面接触する下部電極活物質と、該下部電極活物質の下面に面接触する下部電極集電体と、該下部電極集電体と導通すると共に前記下部電極活物質と面接触しない位置まで延設され露出した露出面、又は前記下部電極集電体の少なくとも一部が露出した露出面からなる端子部とを備え、前記上部電極は、前記固体電解質の上面に面接触する上部電極活物質と、該上部電極活物質の上面に面接触する上部電極集電体とを備え、前記下部電極活物質と、前記固体電解質と、前記上部電極活物質と、前記上部電極集電体とは、平面視略同一形状で積層され、前記下部電極集電体と前記下部電極活物質との接触面の外周は、前記下部電極活物質の下面の外周よりも内側に形成されてなること、により解決される。 According to the thin-film solid secondary battery of the present invention, the subject is a thin-film solid secondary in which a positive electrode of either positive or negative polarity, a solid electrolyte, and an upper electrode of the other polarity are formed in this order. The lower electrode includes a lower electrode active material that is in surface contact with the lower surface of the solid electrolyte, a lower electrode current collector that is in surface contact with the lower surface of the lower electrode active material, and the lower electrode current collector, An exposed surface extending and exposed to a position not conducting surface contact with the lower electrode active material, or an exposed surface from which at least a part of the lower electrode current collector is exposed, and the upper electrode comprises: An upper electrode active material in surface contact with the upper surface of the solid electrolyte, and an upper electrode current collector in surface contact with the upper surface of the upper electrode active material, the lower electrode active material, the solid electrolyte, and the upper electrode Electrode active material and upper electrode current collector Are laminated in substantially the same shape in plan view, and the outer periphery of the contact surface between the lower electrode current collector and the lower electrode active material is formed inside the outer periphery of the lower surface of the lower electrode active material. It is solved by.
このように、本発明の薄膜固体二次電池において、下部電極集電体と、その上方に配設される下部電極活物質との接触面の外周は、下部電極活物質の下面の外周よりも内側に形成されている。すなわち、この構成により、下部電極集電体の端部を、その上方に配設される下部電極活物質で覆うことにより、下部電極集電体が上部電極集電体と接触することがない。したがって、確実に短絡を防止することができるだけでなく、歩留まりの良い薄膜固体二次電池を提供することができる。
そして、薄膜固体二次電池を構成する下部電極集電体、下部電極活物質、固体電解質、上部電極活物質、上部電極集電体は、基板上に、真空成膜装置内でマスクを用いることにより形成されるのが一般的であるが、下部電極活物質から上部電極集電体までが平面視略同一形状として構成されるため、これら各層の薄膜形成時、すべて同一マスクを用いて成膜することができる。一般に、各層の形状が異なる構成とするとマスク交換が必要となり、マスク交換を行う際、真空成膜装置内の大気開放を伴い、その結果、薄膜を汚染することがある。これに対し、本発明の薄膜固体二次電池は平面視略同一形状であるため、各層の形成時にマスク交換を伴わず、一括で下部電極活物質から上部電極集電体までを成膜することにより、マスク交換に起因する各層の汚染を防止することができる。その結果、電池性能の良い薄膜固体二次電池とすることができる。
さらに、本発明の薄膜固体二次電池は、上記構成により下部電極活物質を形成した後、マスク交換を行う必要がない。したがって、本発明の薄膜固体二次電池は、特に下部電極を正極とした場合、電池性能に特に大きく関係するリチウムを含有した活物質の成膜時、真空成膜装置内の大気開放を行う必要が無く、その結果、活物質を汚染しないため、良好な電池性能を備えた薄膜固体二次電池とすることができる。
Thus, in the thin film solid secondary battery of the present invention, the outer periphery of the contact surface between the lower electrode current collector and the lower electrode active material disposed above the lower electrode active material is more than the outer periphery of the lower surface of the lower electrode active material. It is formed inside. That is, with this configuration, the lower electrode current collector is not brought into contact with the upper electrode current collector by covering the end portion of the lower electrode current collector with the lower electrode active material disposed above the lower electrode current collector. Therefore, it is possible to provide a thin film solid-state secondary battery that not only can reliably prevent a short circuit but also has a high yield.
Then, the lower electrode current collector, the lower electrode active material, the solid electrolyte, the upper electrode active material, and the upper electrode current collector constituting the thin film solid secondary battery use a mask in a vacuum film forming apparatus on the substrate. However, since the structure from the lower electrode active material to the upper electrode current collector is substantially the same shape in plan view, all these layers are formed using the same mask. can do. In general, if each layer has a different shape, it is necessary to replace the mask. When the mask is replaced, the atmosphere in the vacuum film forming apparatus is released, and as a result, the thin film may be contaminated. On the other hand, since the thin-film solid state secondary battery of the present invention has substantially the same shape in plan view, it is possible to form a film from the lower electrode active material to the upper electrode current collector in a lump without replacing the mask when forming each layer. Thus, contamination of each layer due to mask replacement can be prevented. As a result, a thin film solid secondary battery with good battery performance can be obtained.
Furthermore, the thin film solid secondary battery of the present invention does not require mask exchange after the lower electrode active material is formed by the above-described configuration. Therefore, the thin-film solid secondary battery of the present invention needs to be opened to the atmosphere in the vacuum film-forming apparatus when forming an active material containing lithium, which is particularly related to battery performance, particularly when the lower electrode is a positive electrode. As a result, since the active material is not contaminated, a thin film solid secondary battery having good battery performance can be obtained.
このとき、前記下部電極集電体及び前記端子部は、可撓性を備えた薄板状の絶縁性基板上に形成された導体膜パターンであると好適である。
このように、フィルム等を含む薄板状の絶縁性基板を用いることにより、本発明の薄膜個体二次電池は、可撓性を備えた薄膜固体二次電池とすることも可能である。したがって、薄膜固体二次電池が搭載される電子機器において、その設置箇所、設置形態を限定することなく、さまざまな電子機器に搭載可能である。さらに、薄板状又はフィルム状の薄膜固体二次電池は軽量であるため、運搬費用も抑制することができる。
At this time, it is preferable that the lower electrode current collector and the terminal portion are conductor film patterns formed on a thin plate-like insulating substrate having flexibility.
Thus, by using a thin plate-like insulating substrate including a film or the like, the thin film solid secondary battery of the present invention can be a thin film solid secondary battery having flexibility. Therefore, the electronic device on which the thin film solid secondary battery is mounted can be mounted on various electronic devices without limiting the installation location and the installation form. Furthermore, since a thin plate-like or film-like thin film solid secondary battery is lightweight, transportation costs can be reduced.
また、前記端子部は、前記下部電極集電体の外周方向外側に延設されてなると好ましい。
このように、下部電極集電体の外周方向外側に延設されることにより、基板上において、端子部は下部電極集電体が積層された側と同じ側に形成される。その結果、外部接続用に用いられる各種ケーブルは、この端子部と、上部電極集電体とに接続されるため、同一面上に正極、負極の端子を備えた薄膜固体二次電池とすることができる。したがって、薄膜固体二次電池が電子機器等に搭載される際、その配線が簡素化される。
Moreover, it is preferable that the said terminal part is extended in the outer peripheral direction outer side of the said lower electrode electrical power collector.
Thus, by extending outward in the outer peripheral direction of the lower electrode current collector, the terminal portion is formed on the same side as the side on which the lower electrode current collector is laminated on the substrate. As a result, since various cables used for external connection are connected to this terminal part and the upper electrode current collector, a thin-film solid secondary battery having positive and negative terminals on the same surface is used. Can do. Therefore, when the thin-film solid secondary battery is mounted on an electronic device or the like, the wiring is simplified.
さらにまた、前記下部電極集電体は、導電性基板からなり、該導電性基板上には、開口部を有する絶縁膜が形成され、該絶縁膜の開口部の外周は、前記下部電極活物質の外周よりも内側に形成された構成であっても良い。
このように、導電性基板を用いることにより、導電性基板を下部電極集電体として機能させることができる。その結果、絶縁性の基板を用いる場合と比較してその構成が簡素化される。また、下部電極集電体を別途成膜により形成する工程を省略することができるため、薄膜固体二次電池の製造工程を簡略化することができる。
Furthermore, the lower electrode current collector is made of a conductive substrate, and an insulating film having an opening is formed on the conductive substrate, and an outer periphery of the opening of the insulating film is formed by the lower electrode active material. The structure formed inside the outer periphery of may be sufficient.
Thus, by using a conductive substrate, the conductive substrate can function as a lower electrode current collector. As a result, the configuration is simplified compared to the case where an insulating substrate is used. Further, since the step of separately forming the lower electrode current collector by film formation can be omitted, the manufacturing process of the thin film solid secondary battery can be simplified.
このとき、前記下部電極活物質がリチウムを含む材料からなり、前記固体電解質が、リン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸リチウムの酸素を窒素で一部置換したリン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)、又は遷移金属及びLiとNを含む複合酸化物から選ばれるいずれか一つであると好ましい。
このように、下部電極を正極とし、下部電極活物質にリチウムを含む材料を用い、さらにリチウムイオンの伝導性が良好なこれらの化合物を固体電解質に含有することで、良好な充放電特性を備えた薄膜固体リチウムイオン二次電池を提供することができる。
At this time, the lower electrode active material is made of a material containing lithium, and the solid electrolyte includes lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium phosphate oxynitride in which oxygen of lithium phosphate is partially substituted with nitrogen ( LiPON) or a transition metal and a composite oxide containing Li and N is preferable.
Thus, using a material containing lithium as the lower electrode active material as the lower electrode active material and further containing these compounds with good lithium ion conductivity in the solid electrolyte, it has good charge / discharge characteristics. A thin film solid lithium ion secondary battery can be provided.
前記課題は、本発明に係る薄膜固体二次電池の製造方法によれば、正負いずれか一方の極性の下部電極を構成する下部電極集電体、端子部及び下部電極活物質と、固体電解質と、他方の極性の上部電極を構成する上部電極活物質及び上部電極集電体がこの順に形成されてなる薄膜固体二次電池の製造方法であって、絶縁性基板上に、前記下部電極集電体及び該下部電極集電体と導通すると共に少なくとも一部が露出した前記端子部を構成する導体膜パターンを形成する工程と、薄膜形成領域を区画する枠状のマスクを、前記薄膜形成領域の外周が前記下部電極集電体の外周よりも外側であって且つ前記端子部の一部が前記薄膜形成領域に含まれない位置で、前記絶縁性基板上の前記導体膜パターンが形成された側に配設する工程と、前記マスクの前記薄膜形成領域内に、前記下部電極活物質と、前記固体電解質と、前記上部電極活物質と、前記上部電極集電体とを連続してこの順に成膜する工程と、を備えてなること、により解決される。 According to the method for manufacturing a thin-film solid secondary battery according to the present invention, the subject is a lower electrode current collector, a terminal portion and a lower electrode active material that constitute a lower electrode of either positive or negative polarity, a solid electrolyte, A method of manufacturing a thin-film solid secondary battery in which an upper electrode active material and an upper electrode current collector constituting an upper electrode of the other polarity are formed in this order, wherein the lower electrode current collector is formed on an insulating substrate Forming a conductor film pattern that constitutes the terminal portion that is electrically connected to the body and the lower electrode current collector and is exposed at least partially, and a frame-like mask that defines the thin film formation region, The side on which the conductor film pattern on the insulating substrate is formed at a position where the outer periphery is outside the outer periphery of the lower electrode current collector and a part of the terminal portion is not included in the thin film formation region And the step of arranging the mass Forming the lower electrode active material, the solid electrolyte, the upper electrode active material, and the upper electrode current collector in this order in the thin film formation region. That is solved.
このとき、下部電極活物質、固体電解質、上部電極活物質、上部電極集電体の各層が平面視略同一形状に形成され、これら各層は、マスク交換を伴うことなく連続成膜される。これにより、マスク交換時に伴う真空成膜装置内の大気開放及び真空成膜装置の排気を省略する事ができ、その結果、電池セルの作製時間が大幅に短縮され、製造原価の低減を図ることができる。
また、マスク交換を伴わずに連続成膜することにより、大気中での作業を少なくすることができるため、電池セルを構成する薄膜の劣化を防止することが可能となる。さらに、製造過程において複数の担当者が関わった場合であっても、担当者間の作業効率の差に依存して、電池性能に差が出る可能性を低減することができる。したがって、歩留まりが向上すると共に、均一な品質の薄膜固体二次電池を製造することができる。
さらにまた、絶縁性基板上に形成される下部電極集電体と上部電極集電体とが接触しにくく、その結果、短絡の防止効果が高い薄膜固体二次電池を製造することができる。
At this time, the layers of the lower electrode active material, the solid electrolyte, the upper electrode active material, and the upper electrode current collector are formed in substantially the same shape in plan view, and these layers are continuously formed without mask replacement. As a result, it is possible to omit the opening of the atmosphere in the vacuum film forming apparatus and the exhaust of the vacuum film forming apparatus when the mask is replaced. As a result, the battery cell production time is greatly shortened and the manufacturing cost is reduced. Can do.
In addition, by performing continuous film formation without exchanging the mask, work in the air can be reduced, so that it is possible to prevent deterioration of the thin film constituting the battery cell. Furthermore, even when a plurality of persons in charge are involved in the manufacturing process, it is possible to reduce the possibility of a difference in battery performance depending on the difference in work efficiency between persons in charge. Therefore, the yield is improved and a thin film solid secondary battery with uniform quality can be manufactured.
Furthermore, the lower electrode current collector and the upper electrode current collector formed on the insulating substrate are unlikely to come into contact with each other, and as a result, a thin film solid secondary battery having a high short-circuit prevention effect can be manufactured.
また、前記課題は、本発明に係る薄膜固体二次電池の製造方法によれば、正負いずれか一方の極性の下部電極を構成する下部電極集電体、端子部及び下部電極活物質と、固体電解質と、他方の極性の上部電極を構成する上部電極活物質及び上部電極集電体がこの順に形成されてなる薄膜固体二次電池の製造方法であって、前記下部電極集電体を構成する導電性基板の表面に、開口部を備えた絶縁膜を成膜する工程と、薄膜形成領域を区画する枠状のマスクを、前記薄膜形成領域の外周が前記開口部の外周よりも外側となる位置で、前記導電性基板上の前記絶縁膜が形成された側に配設する工程と、前記マスクの前記薄膜形成領域内に、前記下部電極活物質と、前記固体電解質と、前記上部電極活物質と、前記上部電極集電体とを連続してこの順に成膜する工程と、を備えてなること、により解決される。 In addition, according to the method of manufacturing a thin film solid secondary battery according to the present invention, the problem is that the lower electrode current collector, the terminal portion and the lower electrode active material constituting the lower electrode of either positive or negative polarity, and the solid A method of manufacturing a thin-film solid secondary battery in which an electrolyte, an upper electrode active material constituting an upper electrode of the other polarity, and an upper electrode current collector are formed in this order, and the lower electrode current collector is constituted Forming an insulating film having an opening on the surface of the conductive substrate and a frame-shaped mask for partitioning the thin film formation region, the outer periphery of the thin film formation region is outside the outer periphery of the opening A position on the conductive substrate on the side where the insulating film is formed, and in the thin film formation region of the mask, the lower electrode active material, the solid electrolyte, and the upper electrode active Material and the upper electrode current collector in succession. Be provided with a step of forming a film on, it is solved by.
このとき、下部電極活物質、固体電解質、上部電極活物質、上部電極集電体の各層を、マスク交換を伴わずに連続成膜することができる。これにより、マスク交換に伴う大気開放を必要とせず、真空成膜装置の排気時間を省略する事ができ、その結果、電池セルの作製時間を短縮することができ、製造原価の低減を図ることができる。
また、導電性基板を用いた際、その表面に開口部を備えた絶縁膜を形成することにより、導電性基板によって構成される下部電極集電体と、その上方に形成される上部電極集電体とが接触しにくく、その結果、短絡の防止効果が高い薄膜固体二次電池を製造することができる。このとき、下部電極集電体として機能する導電性基板を用いることにより、下部電極集電体を別途成膜する必要がないため、製造工程を簡略化することができる。
At this time, each layer of the lower electrode active material, the solid electrolyte, the upper electrode active material, and the upper electrode current collector can be continuously formed without mask replacement. This eliminates the need for opening the atmosphere to replace the mask and eliminates the time required for evacuating the vacuum film forming apparatus. As a result, the battery cell manufacturing time can be shortened and the manufacturing cost can be reduced. Can do.
In addition, when a conductive substrate is used, an insulating film having an opening on the surface thereof is formed, so that a lower electrode current collector constituted by the conductive substrate and an upper electrode current collector formed thereabove are formed. As a result, it is possible to manufacture a thin-film solid secondary battery that is less likely to come into contact with the body and has a high short-circuit prevention effect. At this time, by using a conductive substrate functioning as a lower electrode current collector, it is not necessary to form a separate film for the lower electrode current collector, so that the manufacturing process can be simplified.
このとき、前記下部電極活物質は、リチウムを含む材料からなり、前記固体電解質は、リン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸リチウムの酸素を窒素で一部置換したリン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)、又は遷移金属及びLiとNを含む複合酸化物から選ばれるいずれか一つであると好ましい。
このように、下部電極活物質の成膜時、リチウムを含む材料を用いて成膜し、さらにリチウムイオンの伝導性が良好なこれらの化合物を用いて固体電解質を成膜することで、良好な充放電特性を備えた薄膜固体リチウムイオン二次電池を製造することができる。
At this time, the lower electrode active material is made of a material containing lithium, and the solid electrolyte is lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium phosphate oxynitride in which oxygen of lithium phosphate is partially substituted with nitrogen (LiPON) or any one selected from a transition metal and a composite oxide containing Li and N is preferable.
As described above, when the lower electrode active material is formed, a film containing a lithium-containing material is formed, and further, a solid electrolyte is formed using these compounds having good lithium ion conductivity. A thin film solid lithium ion secondary battery having charge / discharge characteristics can be manufactured.
本発明の薄膜固体二次電池によれば、下部電極集電体と下部電極活物質との接触面の外周が、下部電極活物質の下面の外周よりも内側に形成されてなることにより、下部電極と上部電極の各集電体が接触することによる短絡を効果的に防止することができ、その結果、歩留まりの良い薄膜固体二次電池を提供することができる。さらに、下部電極活物質、固体電解質、上部電極活物質、上部電極集電体の各層は、平面視略同一形状としているためマスク交換を伴わずに連続成膜することができると共に、電池効率に特に影響する活物質層を汚染することなく成膜することができ、薄膜固体二次電池の電池性能が向上する。
また、本発明の薄膜固体二次電池の製造方法によれば、下部電極活物質から上方に配設される各層を、マスク交換を伴わずに連続成膜することができるため、製造工程を簡略化し、大幅な製造時間の短縮化を図ることができ、薄膜固体二次電池の製造に伴う費用を抑えることができる。
According to the thin film solid secondary battery of the present invention, the outer periphery of the contact surface between the lower electrode current collector and the lower electrode active material is formed on the inner side of the outer periphery of the lower surface of the lower electrode active material. A short circuit due to contact between the current collectors of the electrode and the upper electrode can be effectively prevented, and as a result, a thin film solid secondary battery with a high yield can be provided. Furthermore, each layer of the lower electrode active material, the solid electrolyte, the upper electrode active material, and the upper electrode current collector has substantially the same shape in plan view, so that it can be continuously formed without replacing the mask, and the battery efficiency is improved. In particular, it is possible to form a film without contaminating the affected active material layer, and the battery performance of the thin film solid secondary battery is improved.
In addition, according to the method for manufacturing a thin film solid secondary battery of the present invention, each layer disposed upward from the lower electrode active material can be continuously formed without mask replacement, thereby simplifying the manufacturing process. The manufacturing time can be greatly shortened, and the costs associated with the manufacture of the thin film solid secondary battery can be reduced.
本発明の実施形態に係る薄膜固体二次電池及び薄膜固体二次電池の製造方法を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する材料、配置、構成等は、本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。 A thin film solid secondary battery and a method for manufacturing a thin film solid secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The materials, arrangements, configurations, and the like described below do not limit the present invention and can be variously modified within the scope of the gist of the present invention.
図1乃至3は本発明の実施形態1に係るもので、図1は薄膜固体二次電池の概略斜視図、図2は薄膜固体二次電池の平面図、図3は図1のA−A線に相当する概略断面図であり、図4及び図5は比較例に係るもので、図4は薄膜固体二次電池の平面図、図5は薄膜固体二次電池の概略断面図であり、図6は本発明の実施例及び比較例に係る薄膜固体二次電池の放電曲線のグラフ図であり、図7乃至9は本発明の実施形態2に係るもので、図7は薄膜固体二次電池の概略斜視図、図8は薄膜固体二次電池の平面図、図9は図7のB−B線に相当する概略断面図であり、図10は本発明の実施形態3に係る薄膜固体二次電池の概略断面図であり、図11は本発明の実施形態4に係る薄膜固体二次電池の概略断面図であり、図12は本発明の実施形態5に係る薄膜固体二次電池の概略断面図であり、図13は本発明の実施形態6に係る薄膜固体二次電池の概略断面図であり、図14は本発明の実施形態7に係る薄膜固体二次電池の平面図である。なお、薄膜固体二次電池を構成する各層は、説明のため実際よりも厚みを強調して描いてある。
1 to 3 relate to
[実施形態1]
本発明の実施形態1に係る薄膜固体二次電池10は、図1、図3に示すように、正負いずれか一方の極性の下部電極11と、固体電解質層12と、他方の極性の上部電極13とがこの順に形成されている。下部電極11と、固体電解質層12と、上部電極13は、絶縁性基板S上に順に積層され、下部電極11は、下部電極活物質層11a、下部電極集電体層11b、第1の端子部11cによって構成されており、上部電極13は、上部電極活物質層13a、上部電極集電体層13bによって構成されている。
なお、本実施形態1において、下部電極活物質層11aは特許請求の範囲の「下部電極活物質」、下部電極集電体層11bは特許請求の範囲の「下部電極集電体」、上部電極活物質層13aは特許請求の範囲の「上部電極活物質」、上部電極集電体層13bは特許請求の範囲の「上部電極集電体」に相当する。
[Embodiment 1]
As shown in FIGS. 1 and 3, the thin-film solid
In the first embodiment, the lower electrode
下部電極11は、絶縁性基板S上から順に下部電極集電体層11bと、下部電極活物質層11aとが積層されることによって形成されている。そして、下部電極11は、下部電極活物質層11aと接触しない位置まで延設され露出した露出面からなる第1の端子部11c、すなわち、下部電極集電体層11bの外周方向外側に延設された略矩形状の第1の端子部11cを備えている。(図2、図3では、説明のため、下部電極集電体層11bと、第1の端子部11cとが点線で隔てられて描かれているが、実際には連続した薄膜状に形成される。)第1の端子部11cは、外部接続用の各種ケーブル等に接続されるために形成され、下部電極集電体層11bと導通すると共に、その一部が露出した構成となっている。なお、本実施形態1において、第1の端子部11cは、特許請求の範囲の「端子部」に相当し、外部接続用のケーブルが接続される。
The
第1の端子部11cと各種ケーブルとの接続方法は公知の技術が用いられ、例えば、異方性導電体(ACF)、フレキシブルフラットケーブルをこの順に重ねた状態で加熱して熱圧着することにより接続される。なお、ACFを用いて接続するだけでなく、はんだ接続等の他の接続方法で接続するものであっても良く、フレキシブルフラットケーブルの代わりに金属導線を用いても良い。金属導線を用いる場合は、その接続方法をワイヤボンディング、はんだ、レーザー溶接などとすることができる。
A known technique is used to connect the first
一方、図3に示すように、下部電極活物質層11aの上面は、下部電極11上に形成される固体電解質層12の下面(底面)に面接触するように積層して形成されていると共に、下部電極活物質層11aの下面は、下部電極集電体層11bの上面に面接触するように積層して形成されている。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the upper surface of the lower electrode
上記下部電極活物質層11aと、固体電解質層12と、上部電極活物質層13aと、上部電極集電体層13bは、平面視略同一形状(本実施形態1では略矩形状)で積層されている。したがって、下部電極活物質層11aと、固体電解質層12と、上部電極活物質層13aと、上部電極集電体層13bの各層を形成する際、マスクを交換する必要が無い。マスク交換の際は真空成膜装置内の大気開放を伴うが、下部電極活物質層11aから上部電極集電体層13bまでの成膜時、同一マスクを使用可能であるため、下部電極活物質層11aから上部電極集電体層13bまでが大気開放による影響をうけることなく、電池性能の良い薄膜固体二次電池10を提供することができる。
The lower electrode
下部電極活物質層11aから上部電極集電体13bまでを成膜する際に使用するマスクは、図1、図2から示されるように略矩形状であっても良いし、他の形状としても良い。また、本実施形態1では、各種ケーブルとの接続用に、略矩形状の下部電極活物質層11a、固体電解質層12、上部電極活物質層13a、上部電極集電体層13bの各層から第2の端子部14が同一形状で突出して形成された構成としている。(図2では、説明のため、上部電極集電体層13bと、第2の端子部14とが点線で隔てられて描かれているが、実際には連続した薄膜状に形成される。)第2の端子部14は、第1の端子部11cと対称となる位置に形成されていると好ましい。なお、上記方法により、上部電極集電体層13bに対して直接各種ケーブルを接続可能であるから、第2の端子部14は本実施形態1のように上部電極集電体層13bから突出して延設されていなくても良い。
The mask used for forming the film from the lower electrode
そして、下部電極集電体層11bと下部電極活物質層11aとの接触面、すなわち、下部電極集電体層11bの上面の外周は、下部電極活物質層11aの外周よりも内側に形成されている。図2に示すように、本実施形態1の薄膜固体二次電池10において、下部電極集電体層11bの外周は略矩形状に形成されており、その外周から、外側に向かって第1の端子部11cが延設されている。
The contact surface between the lower electrode
下部電極集電体層11bは、下部電極活物質層11aと、固体電解質層12と、上部電極活物質層13aと、上部電極集電体層13bと比較して小さい面積となるように形成されており、下部電極集電体層11bの上面は、下部電極活物質層11aによって包含されている。すなわち、下部電極集電体層11bは、下部電極活物質層11aにその全面が覆われると共に、さらにその外周端部が他の層(固体電解質層12と、上部電極活物質層13aと、上部電極集電体層13b)に接触することがないように、配設されている。したがって、下部電極集電体層11b(より詳細には、下部電極集電体層11bと下部電極活物質層11aの接触面)の外周端部は、少なくとも下部電極活物質層11aの外周端部に対して内側に配設された構成となっている(図3を参照)。
The lower electrode
このように、下部電極集電体層11bの外周端部が、少なくとも下部電極活物質層11aの外周端部よりも内側となる構成とすると、下部電極集電体層11bが、下部電極活物質層11aに完全に覆われる形状となるため、下部電極集電体層11bが、固体電解質層12よりも上に形成される層に接触することがない。したがって、短絡を防止することができ、その結果、歩留まりの良い薄膜固体二次電池10とすることができる。
As described above, when the outer peripheral end portion of the lower electrode
一方、下部電極集電体層11bから延設された第1の端子部11cは、少なくともその一部が露出するように形成されており、図2に示すように、一部は下部電極活物質層11aと、固体電解質層12と、上部電極活物質層13aと、上部電極集電体層13bの外周よりも内側に形成されているが、一部は下部電極活物質層11aと、固体電解質層12と、上部電極活物質層13aと、上部電極集電体層13bの外周の外側まで延設されている。このように、下部電極集電体層11bから延設された第1の端子部11cを備え、この第1の端子部11cが、下部電極集電体層11bよりも上方に形成された各層(下部電極活物質層11aと、固体電解質層12と、上部電極活物質層13aと、上部電極集電体層13b)と積層されていない露出部を備えることにより、本発明の薄膜固体二次電池10は、各種ケーブルに容易に接続することができる。
On the other hand, the first
なお、上記構成の薄膜固体二次電池10の第1の端子部11cの露出部及び、第2の端子部14以外の部分を被覆する保護膜(不図示)が設けられる。また、上記のように、第2の端子部14を特別に形成することなく、上部電極集電体層13b上の一部において保護膜を備えない構成とし、その部分に各種ケーブルを接続する構成としても良い。
A protective film (not shown) is provided to cover the exposed portion of the first
以下、下部電極11を正極、上部電極13を負極とした薄膜固体リチウムイオン二次電池を例に挙げ、各層の構成について説明する。なお、下部電極11が負極、上部電極13が正極であっても良いのは勿論である。ただし、後述のように、リチウムを含んでいる正極活物質の表面を保護するため、下部電極11を正極とし、その上に固体電解質層12、負極となる上部電極13を積層させた構成とすると、正極活物質に含まれるリチウムが成膜中に負極活物質層に移動するのを防ぎ、電池特性の低下を抑制することができる。
Hereinafter, a configuration of each layer will be described by taking a thin film solid lithium ion secondary battery using the
絶縁性基板Sは、ガラス、樹脂基板等を用いることができる。樹脂基板としては、ポリイミドやPET等を用いることができる。また、破損することなく取り扱いができるものであれば、薄板状に形成されると共に可撓性を備え、折り曲げが可能な薄板状のフィルムを用いることができる。このように、フィルム等の薄板状に形成された可撓性を備えた絶縁性基板Sを用いると共に、各層を数μm〜数十μm程度の薄膜によって構成することにより、電池全体として可撓性を備えた薄膜固体二次電池10を提供することができる。
また、これらの絶縁性基板Sには、例えば透明性を増したり、Naなどのアルカリ元素の拡散を防止したり、耐熱性を増したり、ガスバリア性を持たせるなどの付加特性が備わっていればより好ましい。
As the insulating substrate S, glass, a resin substrate, or the like can be used. As the resin substrate, polyimide, PET, or the like can be used. In addition, as long as it can be handled without breakage, a thin plate-like film that is formed into a thin plate shape and has flexibility and can be bent can be used. Thus, while using the flexible insulating substrate S formed in a thin plate shape such as a film, each layer is constituted by a thin film of about several μm to several tens of μm, so that the battery as a whole is flexible. It is possible to provide a thin-film solid
In addition, these insulating substrates S have additional characteristics such as increasing transparency, preventing diffusion of alkali elements such as Na, increasing heat resistance, and providing gas barrier properties. More preferred.
正極集電体層として機能する下部電極集電体層11b及び第1の端子部11cは、絶縁性基板Sとの密着性がよく、電気抵抗が低い金属膜によって構成される。下部電極集電体層11bは、正極活物質層としての下部電極活物質層11aとの密着性がよく、電気抵抗が低い導電膜を用いることができる。
The lower electrode
第1の端子部11cが取り出し電極として良好に機能するためには、そのシート抵抗が1kΩ/□以下であることが望ましい。第1の端子部11cの膜厚を0.1μm以上に設定すると、第1の端子部11cは抵抗率が1×10−2Ω・cm以下の物質によって形成する必要がある。このような物質として、例えば、バナジウム、チタン、ニオブ、アルミニウム、銅、ニッケル、金等を使用することができる。これらの物質によって第1の端子部11cは、できるだけ薄くて電気抵抗も低くなる0.05〜1μm程度の膜厚に形成することができる。
In order for the first
そして、下部電極集電体層11bは、第1の端子部11cと同様にバナジウム、チタン、ニオブ、アルミニウム、銅、ニッケル、金等を使用することができる。下部電極集電体層11bと第1の端子部11cを同一の材料、且つ同一のマスクを用いて形成すると、電池セルの製造工程を簡略化することができ、好適である。
The lower electrode
正極活物質層として機能する下部電極活物質層11aは、リチウムを含み、リチウムイオンの離脱、吸蔵が可能である物質であればよく、特に限定はないが、好ましくは、遷移金属であるマンガン、コバルト、ニッケルのうちのいずれか一つ以上とリチウムを含む金属酸化物薄膜を用いると好適である。例えば、リチウム−マンガン酸化物(LiMn2O4,Li2Mn2O4等),リチウム−コバルト酸化物(LiCoO2,LiCo2O4等),リチウム−ニッケル酸化物(LiNiO2,LiNi2O4等),リチウム−マンガン−コバルト酸化物(LiMnCoO4,Li2MnCoO4等),リチウム−チタン酸化物(Li4Ti5O12,LiTi2O4等)等を使用することができる。下部電極活物質層11aの膜厚は、できるだけ薄いことが望ましいが、充放電容量を確保できる0.05〜5μm程度とすると良い。
The lower electrode
固体電解質層12は、リチウムイオンの伝導性が良いリン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸リチウムの酸素を窒素で一部置換したリン酸リチウムオキシナイトライドガラス(LiPON)、又はTaとNbのいずれか一つ以上の遷移金属及びLiとNを含む複合酸化物等を用いることができる。固体電解質層12の膜厚は、ピンホ−ルの発生が低減され且つできるだけ薄い0.05〜1μm程度が好ましい。
The
負極活物質層として機能する上部電極活物質層13aは、リチウムイオンの離脱、吸蔵が可能である物質であればよく、特に限定はないが、好ましくは、シリコン−マンガン合金(Si−Mn),シリコン−コバルト合金(Si−Co),シリコン−ニッケル合金(Si−Ni),リチウム−チタン酸化物(LiTi2O4,Li4Ti5O12等)、五酸化ニオブ(Nb2O5),酸化チタン(TiO2),酸化インジウム(In2O3),酸化亜鉛(ZnO),酸化スズ(SnO2)、酸化ニッケル(NiO)、スズが添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウムが添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウムが添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモンが添加された酸化スズ(ATO)、フッ素が添加された酸化スズ(FTO)、リチウムが添加された酸化ニッケル(NiO−Li)等を用いると好適である。
The upper electrode
負極集電体層として機能する上部電極集電体層13bは、負極活物質層としての上部電極活物質層13aとの密着性がよく、電気抵抗が低い導電膜を用いることができる。
下部電極集電体層11bと第1の端子部11cと同様にバナジウム、チタン、ニオブ、アルミニウム、銅、ニッケル、金等を使用することができる。
The upper electrode
Vanadium, titanium, niobium, aluminum, copper, nickel, gold, or the like can be used similarly to the lower electrode
また、負極活物質として、ニオブ酸化物(Nb2O5)を用いた場合、負極集電体をニオブとすることにより、同一のニオブ金属ターゲットを用いてスパッタリング成膜時の酸素ガス流量を調節して作製する事ができる。これにより、電池セルを作製する際に、必要なターゲット数と電源数を少なくする事ができ、装置の小型化を実現でき、原価を削減することができる。 Also, when niobium oxide (Nb 2 O 5 ) is used as the negative electrode active material, the negative electrode current collector is niobium, so that the oxygen gas flow rate during sputtering film formation is adjusted using the same niobium metal target. Can be produced. Thereby, when manufacturing a battery cell, the number of required targets and the number of power supplies can be reduced, the apparatus can be reduced in size, and the cost can be reduced.
上記の薄膜固体二次電池10は、充電を行うと、正極活物質層としての下部電極活物質層11aからリチウムがイオンとなって離脱し、固体電解質層12を介して負極活物質層としての上部電極活物質層13aに吸蔵される。このとき、正極活物質層としての下部電極活物質層11aから外部へ電子が放出される。
また、放電時には、負極活物質層としての上部電極活物質層13aからリチウムがイオンとなって離脱し、固体電解質層12を介して正極活物質層としての下部電極活物質層11aに吸蔵される。このとき、負極活物質層としての上部電極活物質層13aから外部へ電子が放出される。
When the thin-film solid
Further, during discharge, lithium is released as ions from the upper electrode
従来から、正極及び負極活物質層を他の層よりも面積が小さくなるように形成し、活物質層が覆われるような構成とすることにより、電子の授受に関連するリチウムを含む活物質層が保護され、電池性能を向上させることができる。しかし、活物質層を完全に覆うようにその上層を形成するためにはマスクの交換が必要であり、マスク交換時、作製途中の薄膜固体リチウムイオン二次電池は大気に曝され、汚染される可能性が高く、その結果、電池性能が低下する可能性がある。 Conventionally, an active material layer containing lithium related to the transfer of electrons is formed by forming a positive electrode and a negative electrode active material layer to have a smaller area than other layers and covering the active material layer. Is protected and battery performance can be improved. However, in order to form the upper layer so as to completely cover the active material layer, it is necessary to replace the mask. At the time of replacing the mask, the thin-film solid lithium ion secondary battery being manufactured is exposed to the atmosphere and contaminated. There is a high probability that battery performance may be reduced as a result.
これに対し、電子の授受に関連するリチウムを含む下部電極集電体層11bを成膜した後、マスクを交換し、下部電極活物質層11aよりも上層の各膜を下部電極集電体層11bよりも面積が大きな層となるように同一マスクを用い、連続して真空状態を保ったまま形成することにより、下部電極活物質層11aが汚染されることない。その結果、良好な電池性能の薄膜固体二次電池10を提供することができる。
On the other hand, after forming the lower electrode
次に、本発明の実施形態1に係る薄膜固体二次電池10に関し、その製造方法を具体的に説明する。本発明の薄膜固体二次電池10の製造方法は、正負いずれか一方の極性の下部電極11を構成する下部電極集電体層11b、第1の端子部11c及び下部電極活物質11aと、固体電解質層12と、他方の極性の上部電極13を構成する上部電極活物質層13a及び上部電極集電体層13bがこの順に形成されてなる薄膜固体二次電池10の製造方法であって、少なくとも、絶縁性基板S上にマスクを用い、導電性を備えた導体膜によって導体膜パターン(下部電極集電体層11b及び第1の端子部11c)を形成する導体膜パターン形成工程と、薄膜形成領域を区画する枠状のマスクを、薄膜形成領域の外周が下部電極集電体層11bの外周よりも外側であって且つ第1の端子部11cの一部が薄膜形成領域に含まれない位置で、絶縁性基板S上の導体膜パターンが形成された側に配設するマスク交換工程と、交換後のマスクの薄膜形成領域内に下部電極活物質層11aと、固体電解質層12と、上部電極活物質層13aと、上部電極集電体層13bとを連続してこの順に成膜する成膜工程と、を順に備えている。以下、各工程について詳細に説明する。
Next, a manufacturing method for the thin-film solid
(1.導体膜パターン形成工程)
本発明の薄膜固体二次電池10の製造方法では、まず、絶縁性基板Sの上に、下部電極集電体層11b及び第1の端子部11cが連続して一体となる島状の導体膜パターンを形成する。このとき、下部電極集電体層11b及び第1の端子部11cを構成する上記材料のターゲットを用い、下部電極集電体層11b及び下部電極集電体層11bに連続して形成される第1の端子部11cの形状を区画するマスクを用いてスパッタリング法により成膜される。なお、このとき、一枚の絶縁性基板S上において一カ所に島状の導体膜パターンを形成するのではなく、多数の導体膜パターンを形成し、各導体膜パターンの上方にその他の各層を積層した後、絶縁性基板Sごと分割することにより、少ない成膜回数で多数の薄膜固体二次電池10を作製することができる。
(1. Conductive film pattern forming process)
In the method of manufacturing the thin film solid
(2.マスク交換工程)
上記導体膜パターン形成工程を行った後、真空成膜装置内を大気開放し、下部電極集電体層11b及び第1の端子部11cを含む導体膜パターンを形成するために使用したマスクを取り外す。その後、下部電極集電体層11bの外周端部よりも、外側に薄膜形成領域の外周端部が配設される枠状のマスクを設置する。このとき、絶縁性基板S上において、下部電極集電体層11b及び第1の端子部11cが形成された側に薄膜形成領域を区画するマスクが配設される。なお、このマスクは第1の端子部11cの露出部(すなわち、各種ケーブルと接触する部分、ケーブル接続部)を形成するため、第1の端子部11c上において、下部電極集電体層11bとの接続部とは反対側の端部を被覆するように形成されている(図2参照)。
(2. Mask exchange process)
After performing the conductor film pattern forming step, the vacuum film forming apparatus is opened to the atmosphere, and the mask used to form the conductor film pattern including the lower electrode
(3.成膜工程)
上記マスク交換工程を行った後、下部電極活物質層11a、固体電解質層12、上部電極活物質層13a、上部電極集電体層13bを、この順で各層が所定の膜厚になるまで同一マスクを用いて連続して成膜する。
(3. Film formation process)
After performing the mask exchange step, the lower electrode
リチウム二次電池の構成材料であるリチウム含有酸化物は、水分及び酸化によって劣化しやすい事が一般に知られている。その対策としてドライルーム、グローブボックス等が必要となるが、本発明により電池セルを構成する下部電極活物質層11aから上部電極集電体層13bまでを連続して、真空成膜装置内で作製できるので、リチウム二次電池の作製方法として好適である。
It is generally known that a lithium-containing oxide that is a constituent material of a lithium secondary battery is easily deteriorated by moisture and oxidation. As a countermeasure, a dry room, a glove box, etc. are required. According to the present invention, the lower electrode
また、下部電極集電体層11bから上部電極集電体層13bまでの各層の形成方法としては、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、加熱蒸着法等の真空成膜法や、塗布法等を用いることができる。好ましくは、より薄く均一に薄膜を形成できる真空成膜法を用いるのが良い。さらに好ましくは、蒸着物質との原子組成のずれが少なく、均一に成膜ができるスパッタリング法を用いるのが良い。
In addition, as a method for forming each layer from the lower electrode
このように、下部電極集電体層11bの外周に対し、下部電極活物質層11aから上の各層の外周が外側になるようにマスクを構成し、下部電極活物質層11a以降の各層を一括で形成することにより、下部電極集電体層11bと上部電極集電体層13bの外周端部が離間して配設される。したがって、マスクの「ずれ」等により下部電極集電体層11bが上部電極集電体層13bに接触することによる短絡を防止することができる。さらに、下部電極活物質層11aを成膜した後、固体電解質層12の成膜前にマスク交換を必要としないため、下部電極活物質層11aの汚染を防止することができ、電池性能の向上を図ることができると共に、製造工程の簡略化を図ることができる。
Thus, the mask is configured so that the outer periphery of each layer above the lower electrode
なお、本実施形態1では、下部電極集電体層11b又は上部電極集電体層13bにおいて、いずれかを負極集電体層とし、負極集電体をニオブとし、さらに下部電極活物質層11a又は上部電極活物質層13aのうちいずれかを負極活物質層とし、負極活物質をニオブ酸化物(Nb2O5)とした場合、DCスパッタリング法によって成膜することができるため、RFスパッタリング法に比して、成膜速度の向上が促され、成膜時間の短縮が可能となり、生産効率が向上し、製造原価を削減することができる。
In the first embodiment, either the lower electrode
なお、本実施形態1においては薄膜固体リチウムイオン二次電池を例に挙げて説明したが、上記構成を持つ様々な動作原理、種類の薄膜固体型の二次電池が作製可能であると考えられる。その中で、エネルギー密度等の電池特性が優れている点と、構成材料の薄膜化が比較的容易である点から、実用的には薄膜固体型のリチウム二次電池が好適であると考えられる。 In the first embodiment, a thin film solid lithium ion secondary battery has been described as an example. However, it is considered that various thin film solid type secondary batteries having the above-described configuration can be manufactured. . Among them, a thin-film solid-state lithium secondary battery is considered to be suitable from the viewpoint of excellent battery characteristics such as energy density and relatively easy thinning of the constituent materials. .
次に、図面を参照して、本発明の実施形態1に係る実施例と、それに対する比較例について説明する。
(実施例)
図1乃至図3の構成となるように絶縁性基板S上、正極集電体層である下部電極集電体層11b、正極活物質層である下部電極活物質層11a、固体電解質層12、負極活物質層である上部電極活物質層13a、負極集電体層である上部電極集電体層13bをこの順にスパッタリング法により形成し、薄膜固体二次電池10を作製した。このとき、上記のように、絶縁性基板S上に予め第1の端子部11c及び下部電極集電体層11bを成膜した後、大気開放を伴うマスク交換を行い、その後、下部電極活物質層11a、固体電解質層12、上部電極活物質層13a、上部電極集電体層13bを連続的に成膜した。
Next, examples according to the first embodiment of the present invention and comparative examples for the same will be described with reference to the drawings.
(Example)
1 to FIG. 3, on the insulating substrate S, a lower electrode
絶縁性基板Sは、縦50mm、横50mm、厚さ1mmのホウケイ酸塩ガラスを用いた。
下部電極集電体層11b及び第1の端子部11cはチタン(Ti)ターゲットを用いてDCマグネトロンスパッタリング法により形成した。このとき、DCパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、下部電極集電体層11b及び第1の端子部11cを一体に連続した島状の導体膜パターンとして、厚さが0.1μmのチタン薄膜を形成した。
As the insulating substrate S, borosilicate glass having a length of 50 mm, a width of 50 mm, and a thickness of 1 mm was used.
The lower electrode
下部電極活物質層11aは、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)ターゲットを用い、酸素を導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、厚さが0.2μmのLiMn2O4薄膜を形成した。
さらに、固体電解質層12は、リン酸リチウム(Li3PO4)の焼結体ターゲットを用い、窒素を導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、厚さが0.1μmのリン酸リチウムオキシナイトライドガラス(LiPON)薄膜を形成した。
The lower electrode
Further, the
また、上部電極活物質層13aはニオブ(Nb)ターゲットを用い、酸素を導入してDCマグネトロンスパッタリング法にて形成した。DCパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.1μmの酸化ニオブ(Nb2O5)薄膜を形成した。
上部電極集電体層13bは下部電極集電体層11b及び第1の端子部11cと同様にチタン(Ti)ターゲットを用い、DCマグネトロンスパッタリング法にて形成した。DCパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、厚さが0.1μmのチタン薄膜を形成した。
The upper electrode
The upper electrode
(比較例)
比較例の実施形態に係る薄膜固体二次電池100に関し、図面に基づき説明する。
図4は比較例の実施形態に係る薄膜固体二次電池100の平面図、図5は比較例の実施形態に係る薄膜固体二次電池100の概略断面図である。
(Comparative example)
A thin film solid
FIG. 4 is a plan view of the thin-film solid
比較例の薄膜固体二次電池100は、下部電極集電体層11bの外周が、下部電極活物質層11aの外周よりも内側に形成された構成、すなわち、下部電極集電体層11bが露出しないように下部電極活物質層11aに覆われている上記実施形態1(図1乃至図3を参照)の薄膜固体二次電池10とは異なり、下部電極集電体層110bの外周が、下部電極活物質層110aから上に形成される各層の外周よりも外側に形成されていることを特徴としている。
The thin film solid state
以下、比較例の実施形態に係る薄膜固体二次電池100の構成について説明する。
図4、図5に示すように、比較例の実施形態に係る薄膜固体二次電池100は、絶縁性基板S上に、第1の端子部110c、下部電極集電体層110b、下部電極活物質層110a、固体電解質層120、上部電極活物質層130a、上部電極集電体層130bの薄膜が順に積層されて形成されている。
Hereinafter, the configuration of the thin film solid
As shown in FIGS. 4 and 5, the thin-film solid
そして、絶縁性基板S上に形成される下部電極集電体層110bの外周からは第1の端子部110cが同一平面上で延設されており、下部電極集電体層110bは、他の各層よりもその面積が広く形成されている。下部電極集電体層110b及び第1の端子部110cは、薄膜形成領域を区画するマスクを用いて一括で形成され、その後、マスク交換を行い、下部電極活物質層110a、固体電解質層120、上部電極活物質層130a、上部電極集電体層130bを、この順で各層が所定の膜厚になるまで同一マスクを用いて連続して成膜する。なお、この時に使用されるマスクは、下部電極集電体層110bの外周に対して、区画される薄膜形成領域の外周が内側に配設されるように形成されている。
And from the outer periphery of the lower
したがって、上記実施形態1の薄膜固体二次電池10と比較して、比較例の薄膜固体二次電池100は、下部電極集電体層110bの外周位置、すなわち、下部電極活物質層110aとの面積比が異なっているのみであり、マスクの形状が異なる点以外は、構成材料、各製造工程が同様であるため、その説明を省略する。
Therefore, as compared with the thin-film solid
図4、図5の構成となるように絶縁性基板S上、正極集電体層である下部電極集電体層110b、正極活物質層である下部電極活物質層110a、固体電解質層120、負極活物質層である上部電極活物質層130a、負極集電体層である上部電極集電体層130bをこの順にスパッタリング法により形成し、薄膜固体二次電池100を作製した。なお、上記薄膜固体二次電池10の実施例と比較して、下部電極活物質層110aよりも上の層を形成するためのマスク形状が異なる点以外は、同様の材料及び製造工程を経て、薄膜固体二次電池100を作製した。
4 and 5, on the insulating substrate S, a lower electrode
上述のようにして得られた薄膜固体二次電池10及び薄膜固体二次電池100について、歩留まり、エネルギー効率(充電電流容量に対する放電電流容量の割合)等の結果を表1にまとめた。実施例及び比較例の結果を以下の表1に示す。
Table 1 summarizes the results of yield, energy efficiency (ratio of discharge current capacity to charge current capacity), etc., for the thin film solid
測定は充放電測定器により、
充電電流=0.06mA、充電終了電圧=3.5V
放電電流=0.06mA、放電終了電圧=0.3V
の条件で行い、電池動作が確認できたものを良品として歩留まりを算出した。
Measurement is done with a charge / discharge meter.
Charging current = 0.06mA, charging end voltage = 3.5V
Discharge current = 0.06 mA, discharge end voltage = 0.3 V
The yield was calculated assuming that the battery operation was confirmed as a non-defective product.
その結果、本発明の実施例である薄膜固体二次電池10は、歩留まり及びエネルギー効率の点で、比較例の薄膜固体二次電池100よりも良好な結果が得られた。
歩留まりに関し、本発明の実施例の薄膜固体二次電池10は100%(測定個数216個、可動数216個)であったのに対し、比較例の薄膜固体二次電池100は73.8%(測定個数648個、可動数478個)であり、本発明の薄膜固体二次電池10の歩留まりが極めて高いことが示された。さらにエネルギー効率に関し、本発明の薄膜固体二次電池10は、86.2%であったのに対し、比較例の薄膜固体二次電池100は43.0%であり、本発明の薄膜固体二次電池10のエネルギー効率が極めて高いことが示された。すなわち、本発明の薄膜固体二次電池10は、充電電流容量に対して放電電流容量の保持率が極めて高いことが示されている。
As a result, the thin-film solid
Regarding the yield, the thin-film solid
また、薄膜固体二次電池10及び薄膜固体二次電池100について、放電特性を評価した。実施例及び比較例の結果を図6に示す。測定は、上記記載の条件で行った。
Further, the discharge characteristics of the thin film solid
その結果、等しい電池容量においては、本発明の実施例である薄膜固体二次電池10の方が、放電時に高い電池電圧を維持できることが示された。例えば電池電圧が0.5V以上を維持できる電池容量を比較すると、実施例の薄膜固体二次電池10は、比較例である薄膜固体二次電池100の約1.1倍の電池容量を備えている。
As a result, it was shown that the thin film solid
したがって上記比較により、下部電極集電体層11bの上面を下部電極活物質層11aによって覆い、下部電極活物質層11aよりも上に積層される各層を一括で成膜することにより、電池性能及び歩留まりが大きく向上することが示された。
Therefore, according to the above comparison, the upper surface of the lower electrode
さらに、本発明の実施形態2について図面を参照して説明する。図7〜図9は、本発明の実施形態2に係るもので、図7は薄膜固体二次電池20の概略斜視図、図8薄膜固体二次電池20の平面図、図9は、図7のB−B線に相当する断面図である。
Furthermore,
[実施形態2]
本発明の実施形態2に係る薄膜固体二次電池20は、図7、図9に示すように、正負いずれか一方の極性の下部電極21と、固体電解質層22と、他方の極性の上部電極23とがこの順に形成されている。下部電極21は、下部電極活物質層21a、下部電極集電体21b、第1の端子部21cを備えており、上部電極23は、上部電極活物質層23a、上部電極集電体層23bを備えている。
なお、本実施形態2において、下部電極活物質層21aは特許請求の範囲の「下部電極活物質」、下部電極集電体21bは特許請求の範囲の「下部電極集電体」、上部電極活物質層23aは特許請求の範囲の「上部電極活物質」、上部電極集電体層23bは特許請求の範囲の「上部電極集電体」に相当する。
[Embodiment 2]
As shown in FIGS. 7 and 9, the thin-film solid
In the second embodiment, the lower electrode
下部電極21は、導電性基板からなる下部電極集電体21b上に、開口部25a及び切り欠き部25bを有する絶縁膜25と、下部電極活物質層21aとが順に積層されることによって形成されている。枠状の絶縁膜25に形成された開口部25a及び切り欠き部25bは、図8に示すように、絶縁膜25の内側が略矩形状に切除された形状に形成されている。
The
そして、下部電極21は、下部電極活物質層21aと接触しない位置まで延設され露出した露出面からなる第1の端子部21c、すなわち、下部電極集電体21bと導通すると共にその表面が露出した略矩形状の第1の端子部21cを備えており、第1の端子部21cは、切り欠き部25bを介して導電性基板(すなわち、下部電極集電体21b)と電気的に接続されている。なお、本実施形態2において、第1の端子部21cは、特許請求の範囲の「端子部」に相当する。
The
第1の端子部21cは、外部接続用の各種ケーブル等に接続されるために形成され、下部電極集電体21bの外周方向外側において、絶縁膜25の一部を切除して切り欠き部25bを形成すると共に、切り欠き部25bに導電性部材を重ねて積層することによって第1の端子部21cが形成される。なお、本実施形態2において、絶縁膜25に形成された切り欠き部25bにおいて導電性基板の一部が露出するため、図9のように導電性部材を備えた構成ではなく、切り欠き部25bを介して各種ケーブルを接続する構成としても良い。
The first
さらに、第1の端子部21cは、図9のように略矩形状の切り欠き部25bによって区画されている必要はない。少なくとも、下部電極集電体21bと導通性を保持すると共にその一部が露出した構成であれば良い。
ただし、上記のように、下部電極集電体21bの外周方向外側に離間した位置であって、且つ導電性基板上において、絶縁膜25、下部電極活物質層21a、固体電解質層22、上部電極活物質層23a、上部電極集電体層23bが設けられる側と同じ側に切り欠き部25bを形成すると、もう一方の極性端子、すなわち上部電極集電体層23bと同一平面で各種ケーブルを接続することができる。したがって、同一面上に正極、負極の端子を備えた薄膜固体二次電池20とすることができる。
Furthermore, the first
However, as described above, the insulating
また、絶縁膜25の開口部25a及び切り欠き部25bは、マスクによって区画されて形成されても良いし、絶縁膜25に対してエッチングを行うことにより形成されていても良い。
Further, the opening 25 a and the
そして、下部電極21を構成する下部電極活物質層21aの上面は、下部電極21上に形成される固体電解質層22の下面(底面)に面接触するように積層して形成されていると共に、下部電極活物質層21aの下面は、絶縁膜25に形成された開口部25を介して下部電極集電体21bの上面に面接触するように積層して形成されている。
The upper surface of the lower electrode
上記下部電極活物質層21aと、固体電解質層22と、上部電極活物質層23aと、上部電極集電体層23bは、平面視略同一形状(本実施形態2では略矩形状)で積層されている。したがって、下部電極活物質層21aと、固体電解質層22と、上部電極活物質層23aと、上部電極集電体層23bの各層を形成する際、マスクを交換する必要が無い。マスク交換の際は真空成膜装置内の大気開放を伴うが、下部電極活物質層21aから上部電極集電体層23bまでの成膜時、同一マスクを使用可能であるため、下部電極活物質層21aから上部電極集電体層23bまでが大気開放による影響をうけることなく、電池性能の良い薄膜固体二次電池20を提供することができる。
The lower electrode
下部電極活物質層21aから上部電極集電体23bまでを成膜する際に使用するマスクは、図7、図8から示されるように略矩形状であっても良いし、他の形状としても良い。また、本実施形態2では、各種ケーブルとの接続用に、略矩形状の下部電極活物質層21a、固体電解質層22、上部電極活物質層23a、上部電極集電体層23bの各層から第2の端子部24が同一形状で突出して形成された構成としている。なお、上記方法により、上部電極集電体層23bに対して直接各種ケーブルを接続可能であるから、第2の端子部24は本実施形態2のように上部電極集電体層23bから突出して延設されていなくても良い。
The mask used when forming the film from the lower electrode
そして、下部電極集電体21bと下部電極活物質層21aとの接触面、(すなわち、下部電極集電体21bにおいて絶縁膜25の開口部25aによって区画される部分)の外周は、下部電極活物質層21aの下面の外周よりも内側に形成されている。図9に示すように、本実施形態2の薄膜固体二次電池20において、下部電極集電体21bは、絶縁膜25の開口部25aを介して下部電極活物質層21aと面接触している。
The outer periphery of the contact surface between the lower electrode
図8に示すように、下部電極集電体21bと下部電極活物質層21aとの接触面(開口部25a)は、下部電極活物質層21aと、固体電解質層22と、上部電極活物質層23aと、上部電極集電体層23bと比較して小さい面積となるように形成されており、開口部25aによって区画される下部電極集電体21bの上面は、下部電極活物質層21aによって包含されている。すなわち、下部電極集電体21bと下部電極活物質層21aとの接触面(開口部25a)は、下部電極活物質層21aによってその全面が覆われるとともに、さらに開口部25aの外周端部が他の層(固体電解質層22と、上部電極活物質層23aと、上部電極集電体層23b)に接触することがないように、少なくとも下部電極活物質層21aの外周端部と比較して内側に開口部25aの外周端部が配設された構成となっている(図8を参照)。
As shown in FIG. 8, the contact surface (opening 25a) between the lower electrode
このように、下部電極集電体21bと下部電極活物質層21aとの接触面の外周端部が、少なくとも下部電極活物質層21aの外周端部よりも内側となる構成とすると、下部電極集電体21bと下部電極活物質層21aとの接触面の端部が、下部電極活物質層21a及び絶縁膜25によって完全に覆われる形状となる。したがって、下部電極集電体21bが、固体電解質層22よりも上に形成される層に接触することがない。その結果、短絡を防止することができ、歩留まりの良い薄膜固体二次電池20とすることができる。
Thus, when the outer peripheral end portion of the contact surface between the lower electrode
本実施形態2の薄膜固体二次電池20を構成する各層の材料に関し、上記実施形態1の薄膜固体二次電池10と同様であるものは、その説明を省略する。
Regarding the material of each layer constituting the thin-film solid
下部電極集電体21bとしての機能を備える導電性基板の材料としては、導電性ガラスセラミックス、導電性ポリマー等が好適に用いられる。
また、導電性基板として、フィルム等の薄板状に形成され、可撓性を備えた導電性基板を用いると共に、各層を数μm〜数十μm程度の薄膜によって構成することにより、電池全体として可撓性を備えた薄膜固体二次電池20を提供することができる。
As a material of the conductive substrate having a function as the lower electrode
In addition, as a conductive substrate, a flexible conductive substrate formed in a thin plate shape such as a film is used, and each layer is formed of a thin film of about several μm to several tens μm. A thin film solid
導電性基板上に形成される絶縁膜25の材料としては、SiO2、Al2O3などを蒸着法、スパッタリング法、ディッピング法等により形成した薄膜、スクリーン印刷法により形成したポリイミドフィルムなどが用いられる。
The material of the insulating
なお、上記構成の薄膜固体二次電池20の第1の端子部21cの露出部及び、第2の端子部24以外の部分を被覆する保護膜(不図示)が設けられる。また、上記のように、第2の端子部24を特別に形成することなく、上部電極集電体層23b上の一部において保護膜を備えない構成とし、その部分に各種ケーブルを接続する構成としても良い。
A protective film (not shown) is provided to cover the exposed portion of the first
次に、本発明の実施形態2に係る薄膜固体二次電池20に関し、その製造方法を具体的に説明する。本発明の薄膜固体二次電池20の製造方法は、正負いずれか一方の極性の下部電極21を構成する下部電極集電体21b、第1の端子部21c及び下部電極活物質層21aと、固体電解質層22と、他方の極性の上部電極23を構成する上部電極活物質層23a及び上部電極集電体層23bがこの順に形成されてなる薄膜固体二次電池20の製造方法であって、少なくとも、導電性基板からなる下部電極集電体21b上に、開口部を備えた絶縁膜25を成膜する絶縁膜形成工程と、薄膜形成領域を区画する枠状のマスクを、薄膜形成領域の外周が絶縁膜25の開口部25aの外周よりも外側となる位置で、導電性基板上の絶縁膜25が形成された側に配設するマスク設置工程と、マスクの薄膜形成領域内に、下部電極活物質層21aと、固体電解質層22と、上部電極活物質層23aと、上部電極集電体層23bとを連続してこの順に成膜する成膜工程と、を順に備えている。以下、各工程について詳細に説明する。
Next, a manufacturing method for the thin-film solid
(1.絶縁膜形成工程)
本発明の薄膜固体二次電池20の製造方法では、まず、下部電極集電体21bを構成する絶縁性基板の表面に絶縁膜25を形成する。このとき絶縁膜25は、開口部25a及び切り欠き部25bに相当する部分が切除された構成となるように形成されたマスクを用いてスパッタリング法により形成されると好ましい。また、導電性基板上の全面に絶縁膜25を形成し、エッチングにより開口部25a及び切り欠き部25bを形成しても良い。開口部25a、切り欠き部25bを形成できる方法であれば、絶縁膜25の成膜方法は公知の如何なる方法を用いても良い。なお、このとき、一枚の導電性基板上において一カ所に開口部25a、切り欠き部25bを形成するのではなく、多数の開口部25a、切り欠き部25bを形成し、各開口部25aの上方にその他の各層を積層した後、導電性基板ごと分割することにより、少ない成膜回数で多数の薄膜固体二次電池20を作製することができる。
(1. Insulating film formation process)
In the method for manufacturing the thin film solid
(2.マスク設置工程)
スパッタリング法により上記絶縁膜形成工程を行った後は、真空成膜装置内を大気開放し絶縁膜25を形成するために使用したマスクを取り外す。エッチングにより絶縁膜25に対して開口部25a、切り欠き部25bを設けた場合は、真空成膜装置内に導電性基板を設置する。なお、エッチング工程を経た場合は、絶縁膜25を備えた導電性基板を乾燥させてから真空成膜装置内に設置すると良い。その後、開口部25aの外周端部よりも、外側に薄膜形成領域の外周端部が配設される枠状のマスクを設置する(図8参照)。
(2. Mask installation process)
After the insulating film forming step is performed by the sputtering method, the inside of the vacuum film forming apparatus is opened to the atmosphere, and the mask used for forming the insulating
(3.成膜工程)
上記マスク設置工程を行った後、下部電極活物質層21a、固体電解質層22、上部電極活物質層23a、上部電極集電体層23bを、この順で各層が所定の膜厚になるまで同一マスクを用いて連続して成膜する。
なお、上記成膜工程を行った後、絶縁膜25の切り欠き部25bに重なるようにして端子部21cを成膜しても良いし、又は、上記絶縁膜成膜工程を行った後、下部電極活物質層21a、固体電解質層22、上部電極活物質層23a、上部電極集電体層23bを成膜する前に端子部21cを形成しても良い。
(3. Film formation process)
After the mask installation step, the lower electrode
In addition, after performing the said film-forming process, you may form the
リチウム二次電池の構成材料であるリチウム含有酸化物は、水分及び酸化によって劣化しやすい事が一般に知られている。その対策としてドライルーム、グローブボックス等が必要となるが、本発明により電池セルを構成する下部電極活物質層11aから上部電極集電体層13bまでを連続して、真空成膜装置内で作製できるので、リチウム二次電池の作製方法として好適である。
It is generally known that a lithium-containing oxide that is a constituent material of a lithium secondary battery is easily deteriorated by moisture and oxidation. As a countermeasure, a dry room, a glove box, etc. are required. According to the present invention, the lower electrode
このように、導電性基板上に開口部25aを備えることにより、下部電極集電体21bと下部電極活物質層21aの接触面の外周に対し、下部電極活物質層21aから上の各層の外周が離間して外側になるようにマスクを構成し、下部電極活物質層21a以降の各層を一括で形成することにより、下部電極集電体21bと上部電極集電体層23bの外周端部が離間して配設される。したがって、マスクの「ずれ」等により下部電極集電体21bが上部電極集電体層23bに接触することによる短絡を防止することができる。さらに、下部電極活物質層21aを成膜した後、固体電解質層22の成膜前にマスク交換を必要としないため、下部電極活物質層21aの汚染を防止することができ、電池性能の向上を図ることができると共に、製造工程の簡略化を図ることができる。さらにまた、導電性基板が下部電極集電体21bとしての機能も兼ねているため、その構成が簡単な薄膜固体二次電池20を提供することができる。
Thus, by providing the
[実施形態3]
本発明の実施形態3に係る薄膜固体二次電池30は、図10に示すように、正負いずれか一方の極性の下部電極31と、固体電解質層32と、他方の極性の上部電極33とがこの順に形成されている。下部電極31は、下部電極活物質層31a、下部電極集電体層31b、第1の端子部31cを備えており、上部電極33は、上部電極活物質層33a、上部電極集電体層33bを備えている。
なお、本実施形態3において、下部電極活物質層31aは特許請求の範囲の「下部電極活物質」、下部電極集電体層31bは特許請求の範囲の「下部電極集電体」、上部電極活物質層33aは特許請求の範囲の「上部電極活物質」、上部電極集電体層33bは特許請求の範囲の「上部電極集電体」に相当する。
なお、第1の端子部31c(特許請求の範囲の「端子部」に相当する)以外の構成は、上記実施形態1の薄膜固体二次電池10と同様の構成であるため、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
As shown in FIG. 10, the thin film solid
In the third embodiment, the lower electrode
Since the configuration other than the first
下部電極31は、下部電極活物質層31aと接触しない位置まで延設され露出した露出面からなる第1の端子部31c、すなわち、下部電極集電体層31bと導通すると共にその表面が露出した略矩形状の第1の端子部31cを備えており、第1の端子部31cは、下部電極集電体層31bと電気的に接続されている。
第1の端子部31cは、外部接続用の各種ケーブル等に接続されるために形成され、絶縁性基板Sにおいて下部電極集電体層31bが形成された側とは反対側に設けられる。すなわち、第1の端子部31cと下部電極集電体層31bを接続する導電性部材は、下部電極集電体層31bから、絶縁性基板Sを貫通し、導通性を保って裏面側へ延設されている。このように、本発明の薄膜固体二次電池30は、絶縁性基板Sにおいて各層が設けられた側とは反対側に各種ケーブルを接続するための第1の端子部31cが備えられていても良い。
The
The first
このように、各層に対して裏面に第1の端子部31cを形成する場合、予め絶縁性基板Sを貫通する孔を設けておき、その孔を埋めるように導電性部材を流し込むことにより、下部電極集電体層31bに対して導通するとともに露出した第1の端子部31cを形成することができる。
As described above, when the first
[実施形態4]
本発明の実施形態4に係る薄膜固体二次電池40は、図11に示すように、正負いずれか一方の極性の下部電極41と、固体電解質層42と、他方の極性の上部電極43とがこの順に形成されている。下部電極41は、下部電極活物質層41a、下部電極集電体層41b、第1の端子部41cを備えており、上部電極43は、上部電極活物質層43a、上部電極集電体層43bを備えている。
なお、本実施形態4において、下部電極活物質層41aは特許請求の範囲の「下部電極活物質」、下部電極集電体層41bは特許請求の範囲の「下部電極集電体」、上部電極活物質層43aは特許請求の範囲の「上部電極活物質」、上部電極集電体層43bは特許請求の範囲の「上部電極集電体」に相当する。
なお、第1の端子部41c(特許請求の範囲の「端子部」に相当する)以外の構成は、上記実施形態1の薄膜固体二次電池10と同様の構成であるため、その説明を省略する。
[Embodiment 4]
As shown in FIG. 11, the thin-film solid
In the fourth embodiment, the lower electrode
Since the configuration other than the first
下部電極41は、下部電極活物質層41aと接触しない位置まで延設され露出した露出面からなる第1の端子部41c、すなわち、下部電極集電体層41bと導通すると共にその表面が露出した略矩形状の第1の端子部41cを備えており、第1の端子部41cは、下部電極集電体層41bと電気的に接続されている。
第1の端子部41cは、外部接続用の各種ケーブル等に接続されるために形成され、絶縁性基板Sにおいて下部電極集電体層41bが形成された側と反対側を導電性部材が経由した後、各層と同じ側に設けられる。すなわち、第1の端子部41cと下部電極集電体層41bを接続する導電性部材は、下部電極集電体層41bから、絶縁性基板Sを貫通し、導通性を保って裏面側へ延設され、さらにもう一度絶縁性基板Sを貫通し、表面側に第1の端子部41cが形成される。このように、本発明の薄膜固体二次電池40は、絶縁性基板Sにおいて各層が設けられた側とは反対側に導電性部材を経由させた後、絶縁性基板Sの表側に第1の端子部41cが備えられた構成としても良い。
The
The first
このように、各層に対して裏面に第1の端子部41cを形成する場合、予め絶縁性基板Sを貫通する孔を二カ所に設けておき、その孔を埋めるように導電性部材を流し込むと共に、その二カ所の穴を接続するように、絶縁性基板Sの裏側に導電性部材を成膜することにより、下部電極集電体層41bに対して導通するとともに露出した第1の端子部41cを形成することができる。
Thus, when forming the 1st
[実施形態5]
本発明の実施形態5に係る薄膜固体二次電池50は、図12に示すように、正負いずれか一方の極性の下部電極51と、固体電解質層52と、他方の極性の上部電極53とがこの順に形成されている。下部電極51は、下部電極活物質層51a、下部電極集電体51b、第1の端子部51cを備えており、上部電極53は、上部電極活物質層53a、上部電極集電体層53bを備えている。
なお、本実施形態5において、下部電極活物質層51aは特許請求の範囲の「下部電極活物質」、下部電極集電体51bは特許請求の範囲の「下部電極集電体」、上部電極活物質層53aは特許請求の範囲の「上部電極活物質」、上部電極集電体層53bは特許請求の範囲の「上部電極集電体」に相当する。
[Embodiment 5]
As shown in FIG. 12, the thin film solid
In the fifth embodiment, the lower electrode
下部電極51は、導電性基板からなる下部電極集電体51b上に、開口部55aを有する絶縁膜55と、下部電極活物質層51aとが順に積層されることによって形成されている。枠状の絶縁膜55に形成された開口部55aは、上記実施形態2と同様、絶縁膜55の内側が略矩形状に切除された形状に形成されている。
The
そして、下部電極51は、下部電極集電体51bと導通すると共にその表面が露出した略矩形状の第1の端子部51cを、導電性基板の裏側(各層が形成されていない側)に備えており、第1の端子部51cは、導電性基板(すなわち、下部電極集電体51b)の裏側表面に設けられる。なお、本実施形態5において、第1の端子部51cは、特許請求の範囲の「端子部」に相当する。
第1の端子部51cは、下部電極集電体51bの少なくとも一部が露出した露出面によって構成される。下部電極集電体51bを構成する導電性基板の裏面に各種ケーブルを接続することが可能であれば、第1の端子部51cは、少なくとも、下部電極集電体51bと導通性を保持すると共にその一部が露出した構成であれば良い。したがって、第1の端子部51cの位置に関し、下部電極集電体51bを構成する導電性基板の裏面上であれば、その位置は限定されない。例えば導電性基板の裏側を保護膜で覆い、該保護膜の一部を切除することによって第1の端子部51cを形成しても良い。
The
The first
このように、本実施形態5の薄膜固体二次電池50は、導電性基板によって下部電極集電体51bが構成され、さらに導電性基板上に設けた絶縁膜55により、下部電極集電体51bと下部電極活物質層51aとの接触面が調整されているため、下部電極集電体51bと上部電極集電体層53bとが接触することがない。さらに、本実施形態5の構成によると、薄膜固体二次電池50は、導電性基板の裏面側であれば、各種ケーブルの接続位置に関し、自由度の高い接続を可能にすると共に、その構成が単純であり、極めて製造効率の良い薄膜固体二次電池50を提供することができる。
As described above, in the thin-film solid
[実施形態6]
上記実施形態1〜5では、セルが1層の単セルの場合を例示して説明したが、薄膜固体二次電池10,20,30,40,50は、直列に積層させた構成、並列に接続された構成であっても良い。
本発明の実施形態6に係る薄膜固体二次電池60は、図13に示すように、薄膜固体二次電池を二段積層した例である。薄膜固体二次電池60は、正負いずれか一方の極性の下部電極61と、固体電解質層62と、他方の極性の上部電極63と、がこの順に形成されており、さらにその上層に、下部電極活物質層61a’と、固体電解質層62’と、上部電極63’とを備えている。そして、基板S側に形成される下部電極61は、下部電極活物質層61a、下部電極集電体層61b、第1の端子部61cを備えており、上部電極63は、上部電極活物質層63a、上部電極集電体層63bを備えている。また、上方に積層された上部電極63’は、上部電極活物質層63a’、上部電極集電体層63b’を備えている。
なお、本実施形態6において、下部電極活物質層61a,61a’は特許請求の範囲の「下部電極活物質」、下部電極集電体61bは特許請求の範囲の「下部電極集電体」、上部電極活物質層63a,63a’は特許請求の範囲の「上部電極活物質」、上部電極集電体層63b,63a’は特許請求の範囲の「上部電極集電体」に相当する。
[Embodiment 6]
In the first to fifth embodiments, the case where the cell is a single-layer single cell has been described as an example. However, the thin-film solid
A thin film solid
In the sixth embodiment, the lower electrode
そして、図13に示すように、下部電極集電体層61aの端部をその上方に配設される下部電極活物質層61a’で覆う(すなわち、下部電極集電体層61aと下部電極活物質層61a’との接触面の外周は、下部電極活物質層61a’の下面の外周よりも内側に形成されている)ことにより、下部電極集電体層61aと、上部電極集電体層63b’は互いに接触することがない。したがって、本発明の薄膜固体二次電池60において、下部電極集電体層61aと上部電極集電体層63b’との導通を防ぐ構成であり、複数の薄膜固体二次電池を多段に積層することにも適用することができる。
And as shown in FIG. 13, the edge part of the lower
本実施形態6の薄膜固体二次電池60の製造方法は、上記実施形態1(図3)の製造方法において、上部電極集電体層13bの成膜終了時、開口部が一回り大きいマスクに交換する工程をさらに備えている。そして、マスク交換後、二段目(上方)の下部電極活物質層61a’、固体電解質層62’、上部電極活物質層63a’、上部電極集電体層63b’の順に積層して成膜する。なお、二段目の下部電極活物質層61a’が正極、上部電極63’(上部電極活物質層63a’、上部電極集電体層63b’)が負極となるように積層すると、薄膜固体二次電池が直列に接続された構成となる。したがって、最上段(本実施形態では二段目)に設けられる薄膜固体二次電池を構成する最上層、すなわち、上部電極集電体層63b’が第2の端子部(不図示)を構成していればよい。
The manufacturing method of the thin film solid
[実施形態7]
また、第1の端子部11c,21c,31c,41c,51c,61c及び第2の端子部14,24の形状、配設位置は上記実施形態に限定されず、各集電体と導通すると共に各種ケーブルを接続可能なように露出した構成であれば、如何なる形状、位置に形成されていても良い。
[Embodiment 7]
Moreover, the shape and arrangement position of the first
したがって、本発明の実施形態7に係る薄膜固体二次電池70は、図14に示すように、下部電極集電体層71b、下部電極活物質層71a、固体電解質層72、上部電極活物質層73a、上部電極集電体層73bを平面視略矩形状に積層して形成し、一つの頂点部分には露出した第1の端子部71cを、他の頂点部分には第2の端子部74を設けた構成としても良い。第1の端子部71cは、下部電極活物質層71a、固体電解質層72、上部電極活物質層73a、上部電極集電体層73bの頂点部分が欠けた形状とすることにより、大気に露出する構成となる。また、第2の端子部74は、下部電極集電体層71bの頂点部分が欠けた形状とすることにより、下部電極集電体層71bの外側に延出して配設される。そして、下部電極集電体層71bの外周端部は、下部電極活物質層71aの外周端部よりも内側になるように成膜されている。なお、各層の積層順は薄膜固体二次電池10と同様である。
Therefore, as shown in FIG. 14, the thin film solid
なお、複数段積層された薄膜固体二次電池を接続する構成に関して実施形態6を例に挙げて説明したが、接続形式はこれに限定されず、他の様々な形態をとることができる。例えば、一段目の薄膜固体二次電池を正極から積層し、継いで二段目を負極から、さらに三段目を正極から、となるように極性が交互に変わるような構成で各薄膜固体二次電池を積層して、並列接続となるようにしてもよい。このとき、各段の薄膜固体二次電池の正極端子部、負極端子部は、それぞれ積層された段ごとに配設され、直下(又は直上)に積層された薄膜固体二次電池の同一極性の端子とそれぞれ導通するように形成される。
さらに、電池を構成する各層に関し、上記実施形態1乃至7のように、必ずしも矩形状とする必要はなく、一定の面積を備えた薄膜によって形成されていれば良い。
In addition, although Embodiment 6 was mentioned as an example regarding the structure which connects the thin film solid secondary battery laminated | stacked in multiple steps, the connection form is not limited to this, Various other forms can be taken. For example, each thin film solid state secondary battery is configured in such a manner that the first stage thin film solid state secondary battery is laminated from the positive electrode, the polarity is alternately changed so that the second stage is from the negative electrode, and the third stage is from the positive electrode. Secondary batteries may be stacked so that they are connected in parallel. At this time, the positive electrode terminal portion and the negative electrode terminal portion of the thin-film solid secondary battery at each stage are arranged for each stacked stage, and have the same polarity as the thin-film solid secondary battery stacked immediately below (or directly above). Each of the terminals is formed to be conductive.
Further, each layer constituting the battery does not necessarily have to be rectangular as in the first to seventh embodiments, and may be formed of a thin film having a certain area.
本発明により製造された薄膜固体二次電池は、デバイスを備えた複合型機器の電源として用いられることにより、安定的かつ長時間にわたってデバイスを駆動することができる。このようなデバイスとして、たとえば、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ、携帯型ゲーム等のモバイル機器が挙げられる。 The thin-film solid-state secondary battery manufactured according to the present invention can be used as a power source for a composite apparatus equipped with a device, thereby driving the device stably for a long time. Examples of such devices include mobile devices such as mobile phones, notebook computers, digital cameras, and portable games.
S 絶縁性基板
10,20,30,40,50,60,70 薄膜固体二次電池
11,21,31,41,51,61 下部電極
11a,21a,31a,41a,51a,61a,61a’,71a 下部電極活物質層(下部電極活物質)
11b,31b,41b,61b,71b 下部電極集電体層(下部電極集電体)
21b,51b 下部電極集電体(導電性基板)
11c,21c,31c,41c,51c,61c,71c 第1の端子部(端子部)
12,22,32,42,52,62,62’,72 固体電解質層(固体電解質)
13,23,33,43,53,63,63’ 上部電極
13a,23a,33a,43a,53a,63a,63a’,73a 上部電極活物質層(上部電極活物質)
13b,23b,33b,43b,53b,63b,63b’,73b 上部電極集電体層(上部電極活物質)
14,24,74 第2の端子部
25,55 絶縁膜
25a,55a 開口部
25b 切り欠き部
100 薄膜固体二次電池(比較例)
110 下部電極
110a 下部電極活物質層
110b 下部電極集電体層
110c 第1の端子部
120 固体電解質層
130 上部電極
130a 上部電極活物質層
130b 上部電極集電体層
11b, 31b, 41b, 61b, 71b Lower electrode current collector layer (lower electrode current collector)
21b, 51b Lower electrode current collector (conductive substrate)
11c, 21c, 31c, 41c, 51c, 61c, 71c First terminal portion (terminal portion)
12, 22, 32, 42, 52, 62, 62 ', 72 Solid electrolyte layer (solid electrolyte)
13, 23, 33, 43, 53, 63, 63 '
13b, 23b, 33b, 43b, 53b, 63b, 63b ′, 73b Upper electrode current collector layer (upper electrode active material)
14, 24, 74 Second
110 Lower electrode 110a Lower electrode
Claims (8)
前記下部電極は、前記固体電解質の下面に面接触する下部電極活物質と、該下部電極活物質の下面に面接触する下部電極集電体と、該下部電極集電体と導通すると共に前記下部電極活物質と面接触しない位置まで延設され露出した露出面、又は前記下部電極集電体の少なくとも一部が露出した露出面からなる端子部と、を備え、
前記上部電極は、前記固体電解質の上面に面接触する上部電極活物質と、該上部電極活物質の上面に面接触する上部電極集電体とを備え、
前記下部電極活物質と、前記固体電解質と、前記上部電極活物質と、前記上部電極集電体とは、平面視略同一形状で積層され、
前記下部電極集電体と前記下部電極活物質との接触面の外周は、前記下部電極活物質の下面の外周よりも内側に形成されてなることを特徴とする薄膜固体二次電池。 A thin-film solid secondary battery in which a lower electrode of either positive or negative polarity, a solid electrolyte, and an upper electrode of the other polarity are formed in this order,
The lower electrode includes a lower electrode active material in surface contact with the lower surface of the solid electrolyte, a lower electrode current collector in surface contact with the lower surface of the lower electrode active material, and the lower electrode current collector and the lower electrode current collector. An exposed surface that is extended and exposed to a position not in surface contact with the electrode active material, or a terminal portion that is an exposed surface where at least a part of the lower electrode current collector is exposed, and
The upper electrode comprises an upper electrode active material in surface contact with the upper surface of the solid electrolyte, and an upper electrode current collector in surface contact with the upper surface of the upper electrode active material,
The lower electrode active material, the solid electrolyte, the upper electrode active material, and the upper electrode current collector are laminated in substantially the same shape in plan view,
A thin-film solid secondary battery, wherein an outer periphery of a contact surface between the lower electrode current collector and the lower electrode active material is formed inside an outer periphery of a lower surface of the lower electrode active material.
該導電性基板上には、開口部を有する絶縁膜が形成され、
該絶縁膜の開口部の外周は、前記下部電極活物質の外周よりも内側に形成されてなることを特徴とする請求項1に記載の薄膜固体二次電池。 The lower electrode current collector is made of a conductive substrate,
An insulating film having an opening is formed on the conductive substrate,
The thin film solid secondary battery according to claim 1, wherein an outer periphery of the opening of the insulating film is formed inside an outer periphery of the lower electrode active material.
前記固体電解質が、リン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸リチウムの酸素を窒素で一部置換したリン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)、又は遷移金属及びLiとNを含む複合酸化物から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の薄膜固体二次電池。 The lower electrode active material is made of a material containing lithium,
The solid electrolyte is composed of lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium phosphate oxynitride (LiPON) obtained by partially replacing oxygen of lithium phosphate with nitrogen, or a composite oxide containing a transition metal and Li and N 5. The thin film solid secondary battery according to claim 1, wherein the thin film solid secondary battery is any one selected.
絶縁性基板上に、前記下部電極集電体及び該下部電極集電体と導通すると共に少なくとも一部が露出した前記端子部を構成する導体膜パターンを形成する工程と、
薄膜形成領域を区画する枠状のマスクを、前記薄膜形成領域の外周が前記下部電極集電体の外周よりも外側であって且つ前記端子部の一部が前記薄膜形成領域に含まれない位置で、前記絶縁性基板上の前記導体膜パターンが形成された側に配設する工程と、
前記マスクの前記薄膜形成領域内に、前記下部電極活物質と、前記固体電解質と、前記上部電極活物質と、前記上部電極集電体とを連続してこの順に成膜する工程と、
を備えてなることを特徴とする薄膜固体二次電池の製造方法。 Lower electrode current collector, terminal portion and lower electrode active material constituting the lower electrode of either positive or negative polarity, solid electrolyte, upper electrode active material and upper electrode current collector constituting the other polarity upper electrode Is a method of manufacturing a thin film solid secondary battery formed in this order,
On the insulating substrate, forming a conductive film pattern that constitutes the lower electrode current collector and the terminal portion that is electrically connected to the lower electrode current collector and at least partially exposed;
A frame-shaped mask that partitions the thin film formation region, wherein the outer periphery of the thin film formation region is outside the outer periphery of the lower electrode current collector and a part of the terminal portion is not included in the thin film formation region A step of disposing the conductive film pattern on the insulating substrate on the side where the conductive film pattern is formed;
Depositing the lower electrode active material, the solid electrolyte, the upper electrode active material, and the upper electrode current collector in this order in the thin film formation region of the mask;
A method for producing a thin-film solid secondary battery, comprising:
前記下部電極集電体を構成する導電性基板の表面に、開口部を備えた絶縁膜を成膜する工程と、
薄膜形成領域を区画する枠状のマスクを、前記薄膜形成領域の外周が前記開口部の外周よりも外側となる位置で、前記導電性基板上の前記絶縁膜が形成された側に配設する工程と、
前記マスクの前記薄膜形成領域内に、前記下部電極活物質と、前記固体電解質と、前記上部電極活物質と、前記上部電極集電体とを連続してこの順に成膜する工程と、
を備えてなることを特徴とする薄膜固体二次電池の製造方法。 Lower electrode current collector, terminal portion and lower electrode active material constituting the lower electrode of either positive or negative polarity, solid electrolyte, upper electrode active material and upper electrode current collector constituting the other polarity upper electrode Is a method of manufacturing a thin film solid secondary battery formed in this order,
Forming an insulating film having an opening on the surface of the conductive substrate constituting the lower electrode current collector; and
A frame-shaped mask that partitions the thin film formation region is disposed on the side of the conductive substrate on which the insulating film is formed at a position where the outer periphery of the thin film formation region is outside the outer periphery of the opening. Process,
Depositing the lower electrode active material, the solid electrolyte, the upper electrode active material, and the upper electrode current collector in this order in the thin film formation region of the mask;
A method for producing a thin-film solid secondary battery, comprising:
前記固体電解質は、リン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸リチウムの酸素を窒素で一部置換したリン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)、又は遷移金属及びLiとNを含む複合酸化物から選ばれるいずれか一つであることを特徴とする請求項6又は7に記載の薄膜固体二次電池の製造方法。 The lower electrode active material is made of a material containing lithium,
The solid electrolyte is composed of lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium phosphate oxynitride (LiPON) obtained by partially replacing oxygen of lithium phosphate with nitrogen, or a composite oxide containing a transition metal and Li and N. The method for producing a thin-film solid secondary battery according to claim 6, wherein the method is any one selected.
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