JP2012150909A - Lithium metal solid body, lithium metal film made of the same, solid electrolyte membrane-lithium electrode assembly including the metal film, lithium air battery provided with the solid electrolyte membrane-lithium electrode assembly, and method for manufacturing the solid electrolyte membrane-lithium electrode assembly - Google Patents

Lithium metal solid body, lithium metal film made of the same, solid electrolyte membrane-lithium electrode assembly including the metal film, lithium air battery provided with the solid electrolyte membrane-lithium electrode assembly, and method for manufacturing the solid electrolyte membrane-lithium electrode assembly Download PDF

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寛 広瀬
Fuminori Mizuno
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium metal solid or the like which has novel orientation.SOLUTION: The lithium metal solid has the highest orientation in a {200} plane.

Description

本発明は、新規な配向性を有するリチウム金属固体等に関する。   The present invention relates to a lithium metal solid having a novel orientation.

二次電池は、化学反応に伴う化学エネルギーの減少分を電気エネルギーに変換し、放電を行うことができる他に、放電時と逆方向に電流を流すことにより、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積(充電)することが可能な電池である。二次電池の中でも、リチウム二次電池に代表される金属二次電池は、エネルギー密度が高いため、ノート型のパーソナルコンピューターや、携帯電話機等の電源として幅広く応用されている。   The secondary battery converts the decrease in chemical energy associated with the chemical reaction into electrical energy, and can discharge the battery. The battery can be stored (charged). Among secondary batteries, a metal secondary battery represented by a lithium secondary battery has a high energy density, and is therefore widely applied as a power source for notebook personal computers, cellular phones, and the like.

リチウム二次電池においては、負極活物質としてグラファイト(Cと表現する)を用いた場合、放電時において、負極では下記式(I)の反応が進行する。
LiC→C+xLi+xe (I)
(上記式(I)中、0<x<1である。)
上記式(I)の反応で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、上記式(I)の反応で生じたリチウムイオン(Li)は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。
In the lithium secondary battery, when graphite (expressed as C) is used as the negative electrode active material, the reaction of the following formula (I) proceeds in the negative electrode during discharge.
Li x C → C + xLi + + xe (I)
(In the above formula (I), 0 <x <1.)
The electrons generated by the reaction of the above formula (I) reach the positive electrode after working with an external load via an external circuit. Then, lithium ions (Li + ) generated by the reaction of the above formula (I) move from the negative electrode side to the positive electrode side by electroosmosis in the electrolyte sandwiched between the negative electrode and the positive electrode.

また、正極活物質としてコバルト酸リチウム(Li1−xCoO)を用いた場合、放電時において、正極では下記式(II)の反応が進行する。
Li1−xCoO+xLi+xe→LiCoO (II)
(上記式(II)中、0<x<1である。)
充電時においては、負極及び正極において、それぞれ上記式(I)及び式(II)の逆反応が進行し、負極においてはグラファイトインターカレーションによりリチウムが入り込んだグラファイト(LiC)が、正極においてはコバルト酸リチウム(Li1−xCoO)が再生するため、再放電が可能となる。
When lithium cobaltate (Li 1-x CoO 2 ) is used as the positive electrode active material, the reaction of the following formula (II) proceeds at the positive electrode during discharge.
Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe → LiCoO 2 (II)
(In the above formula (II), 0 <x <1.)
At the time of charging, reverse reactions of the above formulas (I) and (II) proceed in the negative electrode and the positive electrode, respectively, and in the negative electrode, graphite (Li x C) containing lithium by graphite intercalation is Since lithium cobaltate (Li 1-x CoO 2 ) is regenerated, re-discharge is possible.

リチウム二次電池は、従来のニッケル水素電池やニッケルカドミウム二次電池と比較して単位容積あたりの出力エネルギー量が大きい。ただ、残念ながら、再充電可能なリチウム二次電池の商品化は未だに成功しているとはいえない。再充電可能なリチウム二次電池が商品化できない主な理由は、セルの充放電サイクルの問題にある。充放電サイクルを繰り返すと、リチウム電極から生じるリチウムデンドライトが次第に成長し、電解質を突き抜け、ついには陽極に達する。このリチウムデンドライトにより、電池内で内部ショートが起こるため、従来のリチウム二次電池は数サイクルで使用不能に陥る。   Lithium secondary batteries have a larger amount of output energy per unit volume than conventional nickel hydride batteries and nickel cadmium secondary batteries. Unfortunately, the commercialization of rechargeable lithium secondary batteries has not been successful. The main reason why a rechargeable lithium secondary battery cannot be commercialized is the problem of the charge / discharge cycle of the cell. When the charge / discharge cycle is repeated, lithium dendrite generated from the lithium electrode gradually grows, penetrates the electrolyte, and finally reaches the anode. Since this lithium dendrite causes an internal short circuit in the battery, the conventional lithium secondary battery becomes unusable after several cycles.

一方、リチウムの充放電サイクル挙動の改善を目的として、リチウム電極の電解質側を保護層で被覆する構造が従来から提案されている。特許文献1には、第1表面と第2表面とを有する活性金属アノードと、電子伝導性成分と、イオン伝導性成分と、電気化学的活性成分とを含むカソード構造体であって、少なくとも1つのカソード構造体成分が水性構成成分を含むカソード構造体と、前記アノードの第1表面上に形成されるイオン伝導性保護膜であって、1又は複数の材料から形成され、前記アノードの活性金属に対して化学的適合性を有し、かつ、前記アノードに接する第1表面と、実質的に不浸透性であり、前記カソード構造体に対して化学的適合性を有し、かつ、前記カソード構造体に接する第2表面とを与えるように構成されるイオン伝導性保護膜と、を備える電池セルが開示されている。   On the other hand, for the purpose of improving the charge / discharge cycle behavior of lithium, a structure in which the electrolyte side of the lithium electrode is covered with a protective layer has been proposed. Patent Document 1 discloses a cathode structure including an active metal anode having a first surface and a second surface, an electronically conductive component, an ionic conductive component, and an electrochemically active component, wherein at least 1 A cathode structure in which one cathode structure component includes an aqueous component, and an ion conductive protective film formed on the first surface of the anode, the active metal of the anode being formed from one or more materials And is substantially impermeable to the first surface in contact with the anode, chemically compatible with the cathode structure, and the cathode. A battery cell is disclosed that includes an ion conductive protective film configured to provide a second surface in contact with the structure.

特表2007−513464号公報JP-T-2007-513464

上記特許文献1の段落[0056]及び[図4A]には、イオン伝導性のガラスセラミック材の表面にリチウム窒化物及びリチウムを蒸着させることが記載されている。しかし、本発明者らが検討したところ、固体電解質上にリチウムを蒸着させると、リチウム箔と固体電解質との間に隙間が生じ、得られた固体電解質膜・リチウム電極接合体を用いたリチウム二次電池は、十分な発電性能が発揮できないことが明らかとなった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、新規な配向性を有し、且つ、固体電解質と接合した際に界面隙間の少ない電極体が得られるリチウム金属固体、当該リチウム金属固体からなるリチウム金属膜、当該金属膜を含む固体電解質膜・リチウム電極接合体、当該固体電解質膜・リチウム電極接合体を備えるリチウム空気電池、及び当該固体電解質膜・リチウム電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。
Paragraphs [0056] and [FIG. 4A] of Patent Document 1 describe that lithium nitride and lithium are deposited on the surface of an ion conductive glass ceramic material. However, as a result of studies by the present inventors, when lithium is vapor-deposited on the solid electrolyte, a gap is formed between the lithium foil and the solid electrolyte, and a lithium secondary battery using the obtained solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly is obtained. It became clear that the secondary battery cannot exhibit sufficient power generation performance.
The present invention has been accomplished in view of the above-mentioned circumstances, and has a novel orientation and a lithium metal solid that provides an electrode body with a small interfacial gap when bonded to a solid electrolyte, the lithium metal solid A lithium metal film comprising a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly including the metal film, a lithium-air battery including the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly, and a method for producing the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly The purpose is to do.

本発明のリチウム金属固体は、{200}面に最も高い配向性を有することを特徴とする。   The lithium metal solid of the present invention is characterized by having the highest orientation in the {200} plane.

本発明のリチウム金属膜は、上記リチウム金属固体からなることを特徴とする。   The lithium metal film of the present invention is characterized by comprising the above lithium metal solid.

本発明の固体電解質膜・リチウム電極接合体は、固体電解質膜、及び当該固体電解質膜の少なくとも一方の面上に形成されたリチウム電極層を備える固体電解質膜・リチウム電極接合体であって、前記リチウム電極層が、上記リチウム金属膜を含むことを特徴とする。   The solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly of the present invention is a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly comprising a solid electrolyte membrane and a lithium electrode layer formed on at least one surface of the solid electrolyte membrane, The lithium electrode layer includes the lithium metal film.

本発明のリチウム空気電池は、少なくとも空気極、リチウム金属負極、並びに当該空気極及び当該リチウム金属負極の間に介在し、且つ少なくとも当該リチウム金属負極と接合した固体電解質膜を備えるリチウム空気電池であって、接合した前記リチウム金属負極及び前記固体電解質膜が、上記固体電解質膜・リチウム電極接合体であることを特徴とする。   The lithium-air battery of the present invention is a lithium-air battery comprising at least an air electrode, a lithium metal negative electrode, and a solid electrolyte membrane interposed between the air electrode and the lithium metal negative electrode and bonded to at least the lithium metal negative electrode. The bonded lithium metal negative electrode and the solid electrolyte membrane are the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly.

本発明の固体電解質膜・リチウム電極接合体の製造方法は、固体電解質膜、及び当該固体電解質膜の少なくとも一方の面上に形成されたリチウム電極層を備える固体電解質膜・リチウム電極接合体の製造方法であって、リチウムターゲット及び前記固体電解質膜を準備する工程、抵抗加熱法によりリチウムを加熱し蒸発させるための抵抗加熱蒸発源を備える真空槽を準備する工程、前記抵抗加熱蒸発源に前記リチウムターゲットを配置し、且つ、前記固体電解質膜と前記リチウムターゲットとの間の距離が0.5cm以上8cm未満となるように、前記真空槽内に前記固体電解質膜を配置する工程、並びに、前記真空槽内を排気した後、抵抗加熱法により前記抵抗加熱蒸発源から前記固体電解質膜の少なくとも一方の面上にリチウムを蒸着して、前記リチウム電極層を形成する工程、を有することを特徴とする。   The method for producing a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly of the present invention is a production of a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly comprising a solid electrolyte membrane and a lithium electrode layer formed on at least one surface of the solid electrolyte membrane. A step of preparing a lithium target and the solid electrolyte membrane, a step of preparing a vacuum chamber including a resistance heating evaporation source for heating and evaporating lithium by a resistance heating method, and the lithium heating to the resistance heating evaporation source A step of arranging a target, and arranging the solid electrolyte membrane in the vacuum chamber so that a distance between the solid electrolyte membrane and the lithium target is 0.5 cm or more and less than 8 cm, and the vacuum After evacuating the tank, lithium was evaporated from the resistance heating evaporation source onto at least one surface of the solid electrolyte membrane by a resistance heating method. , Characterized by having a step, of forming the lithium electrode layer.

本発明によれば、{200}面に最も高い配向性を有するため、固体電解質膜と接合した際に界面隙間の少ない固体電解質膜・リチウム電極接合体を得ることができる。また、本発明の製造方法によれば、抵抗加熱を用いることにより、固体電解質膜上に、{200}面に最も高い配向性を有する新規なリチウム金属層を形成することができる。   According to the present invention, since it has the highest orientation in the {200} plane, a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly with few interfacial gaps when bonded to the solid electrolyte membrane can be obtained. Moreover, according to the manufacturing method of the present invention, a novel lithium metal layer having the highest orientation on the {200} plane can be formed on the solid electrolyte membrane by using resistance heating.

本発明に係るリチウム空気電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is a figure which shows an example of the laminated constitution of the lithium air battery which concerns on this invention, Comprising: It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction. 実施例1、比較例1及び比較例2のXRDパターンを並べて示したグラフである。It is the graph which arranged and showed the XRD pattern of Example 1, the comparative example 1, and the comparative example 2. FIG. 実施例1及び比較例2について、放電時に溶解し、又は充電時に析出したリチウムの厚みを比較した棒グラフである。It is a bar graph which compared the thickness of the lithium which melt | dissolved at the time of discharge or deposited about the Example 1 and the comparative example 2 at the time of charge. 実施例1について、充電時に析出したリチウムの厚みと電圧との関係を示したグラフである。5 is a graph showing the relationship between the thickness of lithium deposited during charging and the voltage for Example 1. FIG. 比較例2について、充電時に析出したリチウムの厚みと電圧との関係を示したグラフである。6 is a graph showing the relationship between the thickness of lithium deposited during charging and the voltage for Comparative Example 2.

1.リチウム金属固体及びリチウム金属膜
本発明のリチウム金属固体は、{200}面に最も高い配向性を有することを特徴とする。本発明のリチウム金属膜は、前記リチウム金属固体からなることを特徴とする。
1. Lithium metal solid and lithium metal film The lithium metal solid of the present invention is characterized by having the highest orientation in the {200} plane. The lithium metal film of the present invention is made of the lithium metal solid.

本明細書においては、結晶面の表記について、等価な面群を中カッコで括って表す。例えば、(200)面、(020)面、(002)面、(*00)面、(0*0)面、(00*)面(以上、アスタリスク(*)で示した数字は、「2に上線」を意味する)等は、全て{200}面として表記する。   In the present specification, equivalent face groups are shown in braces for crystal face notation. For example, the (200) plane, (020) plane, (002) plane, (* 00) plane, (0 * 0) plane, (00 *) plane (the number indicated by the asterisk (*) is “2”. ”And so on) are all expressed as {200} planes.

近年、デンドライトの発生を抑制するために、固体電解質を正極と負極の間に設ける技術が盛んに研究されている。しかし、従来のリチウム箔を用いて緻密な固体電解質・リチウム金属界面を形成するのは極めて困難である。また、従来のリチウム箔を用いて作製した固体電解質膜・リチウム電極接合体は、リチウム空気電池に組み込んだとしても、リチウムの溶解析出反応において3V以上の過電圧が生じる。この過電圧は、リチウム金属を負極に用いたリチウム空気電池の電圧よりも大きいため、このような固体電解質膜・リチウム電極接合体は、リチウム空気電池に用いることはできない。   In recent years, in order to suppress the generation of dendrites, techniques for providing a solid electrolyte between a positive electrode and a negative electrode have been actively studied. However, it is extremely difficult to form a dense solid electrolyte / lithium metal interface using a conventional lithium foil. Moreover, even if a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly produced using a conventional lithium foil is incorporated in a lithium-air battery, an overvoltage of 3 V or more is generated in the lithium dissolution precipitation reaction. Since this overvoltage is larger than the voltage of a lithium air battery using lithium metal as a negative electrode, such a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly cannot be used for a lithium air battery.

このような大きな過電圧は、リチウム金属と固体電解質との間に、炭酸リチウム(LiCO)や酸化リチウム(Li)等からなるリチウム化合物の皮膜が形成されることにより生じる。この様な皮膜により、緻密な固体電解質・リチウム金属界面の形成が阻害される。また、単にリチウム金属箔を固体電解質に接合させても、固体電解質・リチウム金属界面には隙間が生じてしまい、その結果同様に大きな過電圧が生じていた。
本発明者らは、抵抗加熱により固体電解質にリチウム金属を蒸着することで、緻密な固体電解質・リチウム金属界面を形成できることを見出し、本発明を完成させた。
Such a large overvoltage occurs when a lithium compound film made of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) or lithium oxide (Li 2 O 2 ) is formed between the lithium metal and the solid electrolyte. Such a film inhibits the formation of a dense solid electrolyte / lithium metal interface. Further, even when the lithium metal foil is simply joined to the solid electrolyte, a gap is generated at the solid electrolyte / lithium metal interface, and as a result, a large overvoltage is generated.
The present inventors have found that a dense solid electrolyte / lithium metal interface can be formed by depositing lithium metal on a solid electrolyte by resistance heating, and completed the present invention.

後述する実施例において示すように、抵抗加熱を用いた蒸着により作製したリチウム金属固体は、{200}面に最も高い配向性を有する。{200}面に最も高い配向性を有するリチウム金属固体と固体電解質との接合体は、50μm以上の厚いリチウムを、リチウム金属を負極に用いた従来のリチウム二次電池よりも小さな過電圧で溶解析出することができる。
{200}面に最も高い配向性を有するリチウム金属固体においては、リチウムイオンが{200}面を伝導するため、リチウムの溶解析出を行っても、固体電解質・リチウム金属界面における隙間や、リチウムデンドライトが生じないと考えられる。
As shown in the examples described later, the lithium metal solid produced by vapor deposition using resistance heating has the highest orientation on the {200} plane. The joined body of a lithium metal solid having the highest orientation on the {200} plane and a solid electrolyte dissolves and deposits thick lithium of 50 μm or more with a smaller overvoltage than a conventional lithium secondary battery using lithium metal as a negative electrode. can do.
In the lithium metal solid having the highest orientation on the {200} plane, lithium ions are conducted through the {200} plane, so that even when lithium is dissolved and precipitated, gaps at the solid electrolyte / lithium metal interface or lithium dendrite Is not expected to occur.

リチウム金属固体は、形状は特に限定されないが、例えば、リチウム二次電池等に用いられる場合には、膜状であることが好ましい。
リチウム金属膜の厚さは特に限定されないが、リチウム二次電池の負極に用いられる場合には、0.1〜5000μmの厚さであることが好ましい。
The shape of the lithium metal solid is not particularly limited. For example, when it is used for a lithium secondary battery, it is preferably a film.
The thickness of the lithium metal film is not particularly limited, but when used for the negative electrode of a lithium secondary battery, the thickness is preferably 0.1 to 5000 μm.

後述するように、本発明のリチウム金属膜は、リチウム伝導性の固体電解質膜と組み合わせて、固体電解質膜・リチウム電極接合体として用いることができる。しかし、その様な組み合わせ以外にも、例えば、リチウムイオン伝導性の電解液と組み合わせて、リチウム空気電池に使用することもできる。本発明のリチウム金属膜をリチウムイオン伝導性電解液と組み合わせてリチウム空気電池に使用することにより、主に充電時におけるリチウムデンドライトの発生を抑制できる。   As will be described later, the lithium metal film of the present invention can be used as a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly in combination with a lithium conductive solid electrolyte membrane. However, in addition to such a combination, for example, it can be used in a lithium-air battery in combination with a lithium ion conductive electrolyte. By using the lithium metal film of the present invention in combination with a lithium ion conductive electrolyte in a lithium air battery, generation of lithium dendrite during charging can be mainly suppressed.

リチウムイオン伝導性電解液としては、例えば、非水系電解液を用いることができる。
本発明に用いられる非水系電解液は、通常、リチウム塩及び非水溶媒を含有する。リチウム塩としては、例えばLiBF、LiPF、LiClO及びLiAsF等の無機リチウム塩;並びにLiCFSO、LiN(SOCF(LiTFSI)、LiN(SO、LiC(SOCF等の有機リチウム塩等を挙げることができる。非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、エチルカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン及びこれらの混合物等を挙げることができる。溶存した酸素を効率良く反応に用いることができるという観点から、上記非水溶媒は、酸素溶解性が高い溶媒であることが好ましい。非水系電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば0.5〜3mol/Lの範囲内である。
なお、本発明においては、非水系電解液又は非水溶媒として、例えば、N−メチル−N−プロピルピペリジニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PP13TFSI)、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(P13TFSI)、N−ブチル−N−メチルピロリジニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(P14TFSI)、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(DEMETFSI)、N,N,N−トリメチル−N−プロピルアンモニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(TMPATFSI)に代表されるような、イオン性液体等の低揮発性液体を用いても良い。
As the lithium ion conductive electrolyte, for example, a non-aqueous electrolyte can be used.
The nonaqueous electrolytic solution used in the present invention usually contains a lithium salt and a nonaqueous solvent. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4, and LiAsF 6 ; and LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI), LiN (SO 2 C 2 F 5 ). 2 and organic lithium salts such as LiC (SO 2 CF 3 ) 3 . Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethyl carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane, Acetonitrile, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and mixtures thereof can be exemplified. From the viewpoint that dissolved oxygen can be efficiently used in the reaction, the non-aqueous solvent is preferably a solvent having high oxygen solubility. The concentration of the lithium salt in the nonaqueous electrolytic solution is, for example, in the range of 0.5 to 3 mol / L.
In the present invention, examples of the non-aqueous electrolyte or non-aqueous solvent include N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (PP13TFSI), N-methyl-N-propylpyrrolidinium. Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (P13TFSI), N-butyl-N-methylpyrrolidinium Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (P14TFSI), N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) Low volatile liquids such as ionic liquids such as ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (DEMETFSI), N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (TMPATFSI) Using Good.

2.固体電解質膜・リチウム電極接合体
本発明の固体電解質膜・リチウム電極接合体は、固体電解質膜、及び当該固体電解質膜の少なくとも一方の面上に形成されたリチウム電極層を備える固体電解質膜・リチウム電極接合体であって、前記リチウム電極層が、上記リチウム金属膜を含むことを特徴とする。
2. Solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly The solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly of the present invention comprises a solid electrolyte membrane and a lithium electrode layer formed on at least one surface of the solid electrolyte membrane. An electrode assembly, wherein the lithium electrode layer includes the lithium metal film.

本発明に用いられる固体電解質膜は、リチウム電極層の支持体としての役割を果たすと共に、本発明に係る固体電解質膜・リチウム電極接合体がリチウム空気電池に組み込まれる際には、空気極層及び負極層の間に保持され、空気極層及び負極層の間でリチウムイオンを交換する役割を有する。   The solid electrolyte membrane used in the present invention serves as a support for the lithium electrode layer, and when the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly according to the present invention is incorporated in a lithium-air battery, the air electrode layer and It is held between the negative electrode layers and has a role of exchanging lithium ions between the air electrode layer and the negative electrode layer.

リチウムイオン伝導性固体電解質としては、リチウムイオン伝導性無機固体電解質、及びリチウムイオン伝導性有機固体電解質等を用いることができる。   As the lithium ion conductive solid electrolyte, a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte, a lithium ion conductive organic solid electrolyte, or the like can be used.

リチウムイオン伝導性無機固体電解質としては、具体的には、リチウムイオン伝導性固体酸化物電解質、リチウムイオン伝導性固体硫化物電解質等を用いることができる。
リチウムイオン伝導性固体酸化物電解質としては、具体的には、LiPON(リン酸リチウムオキシナイトライド)、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO、LiTi(PO−AlPO、La0.51Li0.34TiO0.74、LiPO、LiSiO、LiSiO、Li0.5La0.5TiO、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO、LiLaZr12、LiBaLaTa12等を例示することができる。
リチウムイオン伝導性固体硫化物電解質としては、具体的には、LiS−P、LiS−P、LiS−P−P、LiS−SiS、LiI−LiS−P、LiI−LiS−SiS−P、LiS−SiS−LiSiO、LiS−SiS−LiPO、LiPS−LiGeS、Li3.40.6Si0.4、Li3.250.25Ge0.76、Li4−xGe1−x、Li11等を例示することができる。
上記以外のリチウムイオン伝導性無機固体電解質としては、LiN等を例示することができる。
Specifically, as the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte, a lithium ion conductive solid oxide electrolyte, a lithium ion conductive solid sulfide electrolyte, or the like can be used.
Specifically, as the lithium ion conductive solid oxide electrolyte, LiPON (lithium phosphate oxynitride), Li 1.3 Al 0.3 Ti 0.7 (PO 4 ) 3 , Li 2 Ti (PO 4) ) 3 -AlPO 4 , La 0.51 Li 0.34 TiO 0.74 , Li 3 PO 4 , Li 2 SiO 2 , Li 2 SiO 4 , Li 0.5 La 0.5 TiO 3 , Li 1.5 Al Examples include 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 7 BaLa 2 Ta 2 O 12, and the like.
Specifically, as the lithium ion conductive solid sulfide electrolyte, Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 3 , Li 2 S—P 2 S 3 —P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2, LiI-Li 2 S-P 2 S 5, LiI-Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5, Li 2 S-SiS 2 -Li 4 SiO 4, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 3 PS 4 -Li 4 GeS 4 , Li 3.4 P 0.6 Si 0.4 S 4 , Li 3.25 P 0.25 Ge 0.76 S 4 , Li 4-x Ge 1 -x P x S 4, Li 7 P 3 may be exemplified S 11 or the like.
Examples of the lithium ion conductive inorganic solid electrolyte other than the above include Li 3 N.

リチウムイオン伝導性有機固体電解質としては、具体的には、ポリマー電解質、ゲル電解質等を用いることができる。   Specifically, as the lithium ion conductive organic solid electrolyte, a polymer electrolyte, a gel electrolyte, or the like can be used.

本発明に用いられるポリマー電解質は、リチウム塩及びポリマーを含有するものであることが好ましい。リチウム塩は、上述した非水系電解液に用いられるリチウム塩と同様のものを使用できる。ポリマーとしては、リチウム塩と錯体を形成するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。   The polymer electrolyte used in the present invention preferably contains a lithium salt and a polymer. As the lithium salt, the same lithium salt used in the non-aqueous electrolyte solution described above can be used. The polymer is not particularly limited as long as it forms a complex with a lithium salt, and examples thereof include polyethylene oxide.

本発明に用いられるゲル電解質は、リチウム塩、ポリマー及び非水溶媒を含有するものであることが好ましい。
リチウム塩及び非水溶媒は、上述した非水系電解液に用いられるリチウム塩及び非水溶媒と同様のものをそれぞれ使用できる。また、非水溶媒として、イオン性液体を用いることもできる。
ポリマーとしては、ゲル化が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロース等が挙げられる。
The gel electrolyte used in the present invention preferably contains a lithium salt, a polymer and a nonaqueous solvent.
As the lithium salt and the non-aqueous solvent, those similar to the lithium salt and the non-aqueous solvent used in the above-described non-aqueous electrolyte can be used, respectively. Moreover, an ionic liquid can also be used as a non-aqueous solvent.
The polymer is not particularly limited as long as it can be gelled, and examples thereof include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyurethane, polyacrylate, and cellulose. Can be mentioned.

本発明に用いられる固体電解質膜は、2種以上の上記リチウム伝導性固体電解質を含んでいてもよい。本発明に用いられる固体電解質膜は、具体的には、2種以上の上記リチウム伝導性固体電解質を含んだ一枚の膜であってもよいし、上記リチウム伝導性固体電解質からなる2種以上の異なる膜の積層体であってもよい。   The solid electrolyte membrane used in the present invention may contain two or more lithium conductive solid electrolytes. Specifically, the solid electrolyte membrane used in the present invention may be a single membrane containing two or more types of the lithium conductive solid electrolyte, or two or more types of the lithium conductive solid electrolyte. It may be a laminate of different films.

本発明に係る固体電解質膜・リチウム電極接合体は、リチウム電極側にさらに集電体を備えていてもよい。
本発明に用いられる集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば銅、ステンレス、ニッケル、カーボン等を挙げることができる。上記集電体の形状としては、例えば箔状、板状及びメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。本発明に係る固体電解質膜・リチウム電極接合体がリチウム空気電池に組み込まれる際には、後述する電池ケースが集電体の機能を兼ね備えていても良い。
The solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly according to the present invention may further include a current collector on the lithium electrode side.
The material of the current collector used in the present invention is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, nickel, and carbon. Examples of the shape of the current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. When the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly according to the present invention is incorporated into a lithium-air battery, a battery case described later may also have the function of a current collector.

3.リチウム空気電池
本発明のリチウム空気電池は、少なくとも空気極、リチウム金属負極、並びに当該空気極及び当該リチウム金属負極の間に介在し、且つ少なくとも当該リチウム金属負極と接合した固体電解質膜を備えるリチウム空気電池であって、接合した前記リチウム金属負極及び前記固体電解質膜が、上記固体電解質膜・リチウム電極接合体であることを特徴とする。
3. Lithium-air battery The lithium-air battery of the present invention comprises at least an air electrode, a lithium metal negative electrode, and a lithium air provided between the air electrode and the lithium metal negative electrode and at least a solid electrolyte membrane joined to the lithium metal negative electrode. In the battery, the bonded lithium metal negative electrode and the solid electrolyte membrane are the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly.

図1は、本発明に係るリチウム空気電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本発明に係るリチウム空気電池は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
リチウム空気電池100は、空気極層2及び空気極集電体4を備える空気極6と、負極活物質層3及び負極集電体5を備える負極7と、空気極6及び負極7に挟持される固体電解質膜1を有する。
本発明に係るリチウム空気電池のうち、接合したリチウム金属負極及び固体電解質膜については上述した通りである。以下、本発明に係るリチウム空気電池を構成する空気極、並びに好適なセパレータ及び電池ケース等について、詳細に説明する。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a layer configuration of a lithium-air battery according to the present invention, and is a diagram schematically illustrating a cross section cut in a stacking direction. The lithium air battery according to the present invention is not necessarily limited to this example.
The lithium air battery 100 is sandwiched between an air electrode 6 including an air electrode layer 2 and an air electrode current collector 4, a negative electrode 7 including a negative electrode active material layer 3 and a negative electrode current collector 5, and the air electrode 6 and the negative electrode 7. The solid electrolyte membrane 1 is provided.
Among the lithium-air batteries according to the present invention, the joined lithium metal negative electrode and the solid electrolyte membrane are as described above. Hereinafter, the air electrode which comprises the lithium air battery which concerns on this invention, a suitable separator, a battery case, etc. are demonstrated in detail.

(空気極)
本発明に用いられる空気極は、好ましくは空気極層を備えるものであり、通常、これに加えて、空気極集電体、及び当該空気極集電体に接続された空気極リードを備えるものである。
(Air electrode)
The air electrode used in the present invention preferably includes an air electrode layer, and usually includes an air electrode current collector and an air electrode lead connected to the air electrode current collector. It is.

(空気極層)
本発明に用いられる空気極層は、少なくとも触媒及び導電性材料を含有するものであることが好ましい。本発明に用いられる空気極層は、必要に応じて、さらに結着剤を含有していてもよい。
(Air electrode layer)
The air electrode layer used in the present invention preferably contains at least a catalyst and a conductive material. The air electrode layer used in the present invention may further contain a binder as necessary.

上記空気極層に用いられる触媒としては、例えば、酸素活性触媒が挙げられる。酸素活性触媒の例としては、例えば、パラジウム及び白金等の白金族;コバルト、マンガン又は鉄等の遷移金属を含むペロブスカイト型酸化物;ルテニウム、イリジウム又はパラジウム等の貴金属酸化物を含む無機化合物;ポルフィリン骨格又はフタロシアニン骨格を有する金属配位有機化合物;酸化マンガン等が挙げられる。
電極反応がよりスムーズに行われるという観点から、後述する導電性材料に上記触媒が担持されていることが好ましい。
Examples of the catalyst used for the air electrode layer include an oxygen active catalyst. Examples of oxygen active catalysts include, for example, platinum groups such as palladium and platinum; perovskite oxides containing transition metals such as cobalt, manganese or iron; inorganic compounds containing noble metal oxides such as ruthenium, iridium or palladium; porphyrins Metal coordination organic compounds having a skeleton or a phthalocyanine skeleton; manganese oxide and the like.
From the viewpoint that the electrode reaction is performed more smoothly, it is preferable that the catalyst is supported on a conductive material described later.

上記空気極層に用いられる導電性材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素材料、ペロブスカイト型導電性材料、多孔質導電性ポリマー及び金属多孔体等を挙げることができる。特に、炭素材料は、多孔質構造を有するものであっても良く、多孔質構造を有しないものであっても良いが、本発明においては、多孔質構造を有するものであることが好ましい。比表面積が大きく、多くの反応場を提供でき、さらにガス拡散層としての役割も果たすからである。多孔質構造を有する炭素材料としては、具体的にはメソポーラスカーボン等を挙げることができる。一方、多孔質構造を有しない炭素材料としては、具体的にはグラファイト、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ及びカーボンファイバー等を挙げることができる。
空気極層における導電性材料の含有割合としては、例えば65〜99質量%の範囲内、中でも75〜95質量%の範囲内であることが好ましい。導電性材料の含有割合が少なすぎると、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があり、導電性材料の含有割合が多すぎると、相対的に触媒の含有量が減り、充分な触媒機能を発揮できない可能性があるからである。
The conductive material used for the air electrode layer is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, a carbon material, a perovskite-type conductive material, a porous conductive polymer, a metal porous body, etc. Can be mentioned. In particular, the carbon material may have a porous structure or may not have a porous structure, but in the present invention, the carbon material preferably has a porous structure. This is because the specific surface area is large, so that many reaction fields can be provided, and it also serves as a gas diffusion layer. Specific examples of the carbon material having a porous structure include mesoporous carbon. On the other hand, specific examples of the carbon material having no porous structure include graphite, acetylene black, carbon nanotube, and carbon fiber.
As a content rate of the electroconductive material in an air electrode layer, it is preferable to exist in the range of 65-99 mass%, for example in the range of 75-95 mass% especially. If the content ratio of the conductive material is too small, the reaction field may decrease, and the battery capacity may be reduced. If the content ratio of the conductive material is too large, the content of the catalyst is relatively reduced and sufficient. This is because it may not be possible to exert a proper catalytic function.

上記空気極層は、少なくとも触媒及び導電性材料を含有していれば良いが、さらに結着剤を含有することが好ましい。結着剤としては、例えばポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や、スチレン・ブタジエンゴム(SBRゴム)等のゴム系樹脂等を挙げることができる。空気極層における結着剤の含有割合としては、特に限定されるものではないが、例えば30質量%以下、中でも1〜10質量%の範囲内であることが好ましい。   The air electrode layer only needs to contain at least a catalyst and a conductive material, but preferably further contains a binder. Examples of the binder include rubber resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), and styrene / butadiene rubber (SBR rubber). Although it does not specifically limit as a content rate of the binder in an air electrode layer, For example, it is preferable that it is in the range of 30 mass% or less, especially 1-10 mass%.

空気極層は、少なくとも空気極触媒、必要に応じて導電性材料及び結着剤を混合した空気極合剤を、後述する空気極集電体等の支持体に塗布することにより形成することが好ましい。
空気極合剤の調製においては、溶媒を使用してもよい。空気極合剤の調製に使用する溶媒としては、沸点200℃以下の溶媒が好ましく、例えば、アセトンやN,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等を使用することができる。
The air electrode layer can be formed by applying an air electrode mixture in which at least an air electrode catalyst, and optionally a conductive material and a binder are mixed, to a support such as an air electrode current collector described later. preferable.
In the preparation of the air electrode mixture, a solvent may be used. As a solvent used for the preparation of the air electrode mixture, a solvent having a boiling point of 200 ° C. or lower is preferable. For example, acetone, N, N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), or the like is used. be able to.

上記空気極層の厚さは、空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば2〜500μmの範囲内、中でも5〜300μmの範囲内であることが好ましい。   The thickness of the air electrode layer varies depending on the use of the air battery, but is preferably in the range of 2 to 500 μm, and more preferably in the range of 5 to 300 μm.

(空気極集電体)
本発明に用いられる空気極集電体は、空気極層の集電を行うものである。空気極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、カーボン等を挙げることができる。空気極集電体の形状としては、例えば箔状、板状及びメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。中でも、本発明においては、空気極集電体の形状がメッシュ状であることが好ましい。集電効率に優れているからである。この場合、通常、空気極層の内部にメッシュ状の空気極集電体が配置される。さらに、本発明のリチウム空気電池は、メッシュ状の空気極集電体により集電された電荷を集電する別の空気極集電体(例えば箔状の集電体)を備えていても良い。また、本発明においては、後述する電池ケースが空気極集電体の機能を兼ね備えていても良い。
空気極集電体の厚さは、例えば10〜1000μmの範囲内、中でも20〜400μmの範囲内であることが好ましい。
(Air current collector)
The air electrode current collector used in the present invention collects current in the air electrode layer. The material for the air electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and carbon. Examples of the shape of the air electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. Especially, in this invention, it is preferable that the shape of an air electrode electrical power collector is a mesh form. This is because the current collection efficiency is excellent. In this case, usually, a mesh-shaped air electrode current collector is disposed inside the air electrode layer. Furthermore, the lithium-air battery of the present invention may include another air electrode current collector (for example, a foil-shaped current collector) that collects the charges collected by the mesh-shaped air electrode current collector. . In the present invention, a battery case to be described later may also have the function of an air electrode current collector.
The thickness of the air electrode current collector is, for example, preferably in the range of 10 to 1000 μm, and more preferably in the range of 20 to 400 μm.

なお、本発明に係るリチウム空気電池は、固体電解質膜と空気極との間に、さらに他の電解質を備えていてもよい。他の電解質としては、具体的には、上記「1.リチウム金属固体及びリチウム金属膜」の項において述べたリチウムイオン伝導性電解液や、上記「2.固体電解質膜・リチウム電極接合体」の項において述べたリチウムイオン伝導性固体電解質等を使用することができる。   The lithium air battery according to the present invention may further include another electrolyte between the solid electrolyte membrane and the air electrode. As other electrolytes, specifically, the lithium ion conductive electrolyte described in the section of “1. Lithium metal solid and lithium metal film” or the “2. Solid electrolyte film / lithium electrode assembly” described above. The lithium ion conductive solid electrolyte described in the section can be used.

(セパレータ)
本発明に係るリチウム空気電池は、空気極及び負極の間に、セパレータを備えることが好ましい。上記セパレータとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜;及び樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。
セパレータに用いられるこれらの材料は、上述した電解質を含浸させることにより、電解質の支持材として使用することもできる。
(Separator)
The lithium air battery according to the present invention preferably includes a separator between the air electrode and the negative electrode. Examples of the separator include porous films such as polyethylene and polypropylene; and nonwoven fabrics such as a resin nonwoven fabric and a glass fiber nonwoven fabric.
These materials used for the separator can also be used as an electrolyte support material by impregnating the above-described electrolyte.

(電池ケース)
本発明に係る空気電池は、通常、空気極、負極、電解質等を収納する電池ケースを備える。電池ケースの形状としては、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。電池ケースは、大気開放型の電池ケースであっても良く、密閉型の電池ケースであっても良い。大気開放型の電池ケースは、少なくとも空気極層が十分に大気と接触可能な構造を有する電池ケースである。一方、電池ケースが密閉型電池ケースである場合は、密閉型電池ケースに、気体(空気)の導入管及び排気管を設けることが好ましい。この場合、導入・排気する気体は、酸素濃度が高いことが好ましく、純酸素であることがより好ましい。また、放電時には酸素濃度を高くし、充電時には酸素濃度を低くすることが好ましい。
(Battery case)
The air battery according to the present invention usually includes a battery case that houses an air electrode, a negative electrode, an electrolyte, and the like. Specific examples of the shape of the battery case include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminate type. The battery case may be an open-air battery case or a sealed battery case. An open-air battery case is a battery case having a structure in which at least the air electrode layer can sufficiently come into contact with the atmosphere. On the other hand, when the battery case is a sealed battery case, it is preferable to provide a gas (air) introduction pipe and an exhaust pipe in the sealed battery case. In this case, the gas to be introduced / exhausted preferably has a high oxygen concentration, and more preferably pure oxygen. In addition, it is preferable to increase the oxygen concentration during discharging and decrease the oxygen concentration during charging.

4.固体電解質膜・リチウム電極接合体の製造方法
本発明の固体電解質膜・リチウム電極接合体の製造方法は、固体電解質膜、及び当該固体電解質膜の少なくとも一方の面上に形成されたリチウム電極層を備える固体電解質膜・リチウム電極接合体の製造方法であって、リチウムターゲット及び前記固体電解質膜を準備する工程、抵抗加熱法によりリチウムを加熱し蒸発させるための抵抗加熱蒸発源を備える真空槽を準備する工程、前記抵抗加熱蒸発源に前記リチウムターゲットを配置し、且つ、前記固体電解質膜と前記リチウムターゲットとの間の距離が0.5cm以上8cm未満となるように、前記真空槽内に前記固体電解質膜を配置する工程、並びに、前記真空槽内を排気した後、抵抗加熱法により前記抵抗加熱蒸発源から前記固体電解質膜の少なくとも一方の面上にリチウムを蒸着して、前記リチウム電極層を形成する工程、を有することを特徴とする。
4). Method for Producing Solid Electrolyte Membrane / Lithium Electrode Assembly The method for producing a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly of the present invention comprises a solid electrolyte membrane and a lithium electrode layer formed on at least one surface of the solid electrolyte membrane. A method for producing a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly comprising a step of preparing a lithium target and the solid electrolyte membrane, and a vacuum chamber provided with a resistance heating evaporation source for heating and evaporating lithium by a resistance heating method The lithium target is disposed in the resistance heating evaporation source, and the solid is placed in the vacuum chamber so that the distance between the solid electrolyte membrane and the lithium target is 0.5 cm or more and less than 8 cm. A step of arranging an electrolyte membrane, and after exhausting the inside of the vacuum chamber, the solid electrolyte is removed from the resistance heating evaporation source by a resistance heating method. And depositing lithium on at least one surface of the film to form the lithium electrode layer.

本発明に用いられる固体電解質膜は、上記「2.固体電解質膜・リチウム電極接合体」の項において述べた固体電解質膜を使用することができる。また、本発明に使用するリチウムターゲットは、通常、蒸着に用いられるリチウム金属であれば特に限定されない。   As the solid electrolyte membrane used in the present invention, the solid electrolyte membrane described in the above section “2. Solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly” can be used. Moreover, the lithium target used for this invention will not be specifically limited if it is a lithium metal normally used for vapor deposition.

抵抗加熱蒸発源を備える真空槽は、従来から蒸着に用いられる真空槽を使用することができる。抵抗加熱蒸発源は、リチウムターゲットを支持し、蒸着の際にリチウムターゲットを気化すると共に、基板となる固体電解質膜を加熱し、蒸着したリチウム金属の結晶成長を促す役割を果たす。   As a vacuum chamber provided with a resistance heating evaporation source, a vacuum chamber conventionally used for vapor deposition can be used. The resistance heating evaporation source plays a role of supporting a lithium target, evaporating the lithium target during vapor deposition, and heating a solid electrolyte film serving as a substrate to promote crystal growth of the deposited lithium metal.

抵抗加熱蒸発源の形状は特に限定されず、フィラメント型、ヘリカルコイル型、バスケット型等の線状蒸発源;ボート型等の箔状蒸発源を使用することができる。
リチウムを気化し、抵抗加熱により加熱する際に劣化することの無い材料であれば、抵抗加熱蒸発源の材質は特に限定されず、コバルト合金やニッケル合金等の合金類、アルミナやITO(インジウムチタン酸化物)等を使用することができる。
The shape of the resistance heating evaporation source is not particularly limited, and a linear evaporation source such as a filament type, a helical coil type, or a basket type; a foil evaporation source such as a boat type can be used.
The material of the resistance heating evaporation source is not particularly limited as long as it is a material that vaporizes lithium and does not deteriorate when heated by resistance heating. Alloys such as cobalt alloy and nickel alloy, alumina and ITO (indium titanium) Oxide) and the like can be used.

本発明においては、抵抗加熱によりリチウムを蒸着するため、リチウムターゲットと、基板となる固体電解質膜との距離を0.5cm以上8cm未満とする。
通常、リチウム蒸着には、所望のサイズや形状のリチウム薄膜を得るため、マスキングが用いられる。リチウムターゲットと基板との距離を8cmよりも短くすると、マスキングが汚れてメンテナンスが困難となり、またマスキングの再利用が難しいと考えられていた。したがって、このような抵抗加熱によるリチウム蒸着には、従来は利点が無いと考えられていた。
しかし、本発明者らが検討した結果、後述する実施例において示すように、リチウムターゲットと基板との距離を8cmよりも短くすることにより、当初の予想をはるかに超え、全く新しい配向性を有するリチウム電極層を含む固体電解質膜・リチウム電極接合体が得られることが見出された。
In the present invention, since lithium is deposited by resistance heating, the distance between the lithium target and the solid electrolyte membrane serving as the substrate is set to 0.5 cm or more and less than 8 cm.
Usually, masking is used for lithium deposition in order to obtain a lithium thin film having a desired size and shape. If the distance between the lithium target and the substrate is shorter than 8 cm, the masking becomes dirty and maintenance becomes difficult, and it is considered difficult to reuse the masking. Therefore, it has been conventionally considered that there is no advantage in lithium deposition by such resistance heating.
However, as a result of the study by the present inventors, as shown in an example described later, by making the distance between the lithium target and the substrate shorter than 8 cm, the initial expectation is far exceeded and it has completely new orientation. It has been found that a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly including a lithium electrode layer can be obtained.

リチウムターゲットと固体電解質膜との距離を0.5cm未満とすると、リチウムの製膜自体が事実上困難となり、当該距離を8cm以上とすると、抵抗加熱を用いることによる効果を十分に享受できないおそれがある。
リチウムターゲットと固体電解質膜との距離は、1〜6cmが好ましく、2〜4cmがより好ましい。
If the distance between the lithium target and the solid electrolyte membrane is less than 0.5 cm, lithium film formation itself becomes practically difficult. If the distance is 8 cm or more, the effect of using resistance heating may not be fully enjoyed. is there.
The distance between the lithium target and the solid electrolyte membrane is preferably 1 to 6 cm, and more preferably 2 to 4 cm.

リチウムの蒸着を行うために、真空槽内は排気する必要がある。真空槽内は、リチウム蒸着が行える減圧条件下であれば特に限定されないが、高真空下であるのが好ましく、具体的には10−3Pa以下の高真空下であるのが好ましい。なお、リチウムの蒸着は、真空槽内を不活性雰囲気に置換した後に行うのが好ましい。真空槽内の置換に使用する不活性ガスは、アルゴンが好ましい。 In order to deposit lithium, the vacuum chamber must be evacuated. The inside of the vacuum chamber is not particularly limited as long as it is under a reduced pressure condition capable of performing lithium deposition, but it is preferably under a high vacuum, and specifically, preferably under a high vacuum of 10 −3 Pa or less. Note that the deposition of lithium is preferably performed after replacing the inside of the vacuum chamber with an inert atmosphere. The inert gas used for replacement in the vacuum chamber is preferably argon.

リチウムの製膜寸法は、得られる固体電解質膜・リチウム電極接合体の用途によって異なる。リチウム膜の面積は、0.01〜100cmが好ましく、0.05〜10cmがより好ましい。また、リチウムの厚さは、0.0001〜10000μmが好ましく、0.1〜500μmがより好ましい。 The dimension of lithium film formation varies depending on the use of the obtained solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly. Area of the lithium film is preferably 0.01~100cm 2, 0.05~10cm 2 is more preferable. Moreover, 0.0001-10000 micrometers is preferable and, as for the thickness of lithium, 0.1-500 micrometers is more preferable.

本発明においては、ターゲットリチウムと固体電解質膜との距離を、従来よりも短くして蒸着を行うことで、固体電解質膜の温度が上がり、蒸着後のリチウム結晶の成長が促される。このように抵抗加熱を用いて作製したリチウム結晶は、{200}面に最も高い配向性を有するため、電極反応により新たに析出するリチウム結晶も、当該{200}面の配向に沿い析出すると考えられる。そのため、リチウムデントライトも発生せず、均一にリチウム結晶が析出できると考えられる。   In the present invention, vapor deposition is performed with the distance between the target lithium and the solid electrolyte film being shorter than before, so that the temperature of the solid electrolyte film is increased and the growth of lithium crystals after vapor deposition is promoted. Since the lithium crystal produced using resistance heating in this manner has the highest orientation on the {200} plane, the lithium crystal newly precipitated by the electrode reaction is also considered to precipitate along the orientation of the {200} plane. It is done. Therefore, lithium dentlite is not generated, and it is considered that lithium crystals can be deposited uniformly.

本発明においては、好ましくは高真空下で蒸着を行うため、リチウムと、酸素等の不純物との反応は起こらない。したがって、従来のリチウム蒸着の様に、リチウム電極層と固体電解質膜との界面にリチウム酸化物の皮膜が形成されることはない。また、蒸着により、リチウム微粒子が固体電解質膜上に緻密に析出するために、リチウム電極層と固体電解質膜との界面に隙間が生じない。さらに、抵抗過熱を用いるので、リチウムターゲット中の不純物は溶解しない。したがって、不純物は蒸着されず、本発明により得られる固体電解質膜・リチウム電極接合体中のリチウムの純度は極めて高い。また、抵抗加熱により、蒸着中の固体電解質膜の温度が高くなり、結晶の成長が促される結果、上述した{200}面に最も高い配向性を有するリチウム電極層を含む固体電解質膜・リチウム電極接合体が得られる。   In the present invention, since vapor deposition is preferably performed under a high vacuum, the reaction between lithium and impurities such as oxygen does not occur. Therefore, unlike the conventional lithium deposition, a lithium oxide film is not formed at the interface between the lithium electrode layer and the solid electrolyte film. Further, since the lithium fine particles are densely deposited on the solid electrolyte membrane by vapor deposition, no gap is generated at the interface between the lithium electrode layer and the solid electrolyte membrane. Further, since resistance overheating is used, impurities in the lithium target are not dissolved. Therefore, impurities are not deposited, and the purity of lithium in the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly obtained by the present invention is extremely high. In addition, the resistance heating increases the temperature of the solid electrolyte membrane during vapor deposition and promotes crystal growth. As a result, the solid electrolyte membrane / lithium electrode including the above-described lithium electrode layer having the highest orientation on the {200} plane A joined body is obtained.

以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples.

1.固体電解質膜・リチウム電極接合体の作製
[実施例1]
まず、固体電解質膜として、LiTi(PO−AlPO(株式会社オハラ社製;以下、オハラガラスと称する場合がある。)膜を用意した。オハラガラスの詳細を以下に示す。
寸法:13×13×0.150mm
伝導率:1×10−4S/cm
1. Preparation of solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly [Example 1]
First, a Li 2 Ti (PO 4 ) 3 —AlPO 4 (manufactured by OHARA INC .; hereinafter may be referred to as OHARA glass) film was prepared as a solid electrolyte film. The details of OHARA glass are shown below.
Dimensions: 13 x 13 x 0.150 mm
Conductivity: 1 × 10 −4 S / cm

次に、LiPOをターゲットとし、公知の方法により、オハラガラス膜上にLiPON(リン酸リチウムオキシナイトライド)膜を成膜した。製膜条件、及びLiPON膜の詳細を以下に示す。
<成膜条件>
圧力:N、4Pa
温度:室温(15〜25℃)
<LiPON膜>
寸法:13×13×0.0025mm
伝導率:1.92×10−6S/cm
Next, a LiPON (lithium phosphate oxynitride) film was formed on the OHARA glass film by a known method using Li 3 PO 4 as a target. Details of the film forming conditions and the LiPON film are shown below.
<Film formation conditions>
Pressure: N 2, 4Pa
Temperature: Room temperature (15-25 ° C)
<LiPON film>
Dimensions: 13 x 13 x 0.0025mm
Conductivity: 1.92 × 10 −6 S / cm

続いて、リチウムターゲットを準備した。アルゴン雰囲気下の真空槽内の抵抗加熱蒸発源に、リチウムターゲットを配置した。オハラガラス−LiPON積層体を、当該積層体とリチウムターゲットとの間の距離が3cmとなるように、真空槽内に配置した。このとき、LiPON膜が形成された面がリチウムターゲットと向かい合う様に、オハラガラス−LiPON積層体を配置した。
前記真空槽内が、10−3Pa以下の高真空となるまで当該真空槽内を排気した後、抵抗加熱蒸発源の抵抗加熱により、オハラガラス−LiPON積層体のLiPON膜上にリチウムを蒸着して、直径5φ(0.196cm)、厚さ50〜100μmのリチウム電極層を備える実施例1の固体電解質膜・リチウム電極接合体が得られた。
Subsequently, a lithium target was prepared. A lithium target was placed in a resistance heating evaporation source in a vacuum chamber under an argon atmosphere. The OHARA glass-LiPON laminated body was arrange | positioned in a vacuum chamber so that the distance between the said laminated body and a lithium target might be 3 cm. At this time, the OHARA glass-LiPON laminate was disposed so that the surface on which the LiPON film was formed faced the lithium target.
After evacuating the vacuum chamber until the inside of the vacuum chamber becomes a high vacuum of 10 −3 Pa or less, lithium is deposited on the LiPON film of the OHARA glass-LiPON laminate by resistance heating of a resistance heating evaporation source. Thus, the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly of Example 1 including a lithium electrode layer having a diameter of 5φ (0.196 cm 2 ) and a thickness of 50 to 100 μm was obtained.

[比較例1]
オハラガラス膜上にLiPON膜を製膜するまでは、実施例1と同様である。
続いて、リチウムターゲットを準備した。アルゴン雰囲気下の真空槽内に、リチウムターゲットを配置した。オハラガラス−LiPON積層体を、当該積層体とリチウムターゲットとの間の距離が8cmとなるように、真空槽内に配置した。このとき、LiPON膜が形成された面がリチウムターゲットと向かい合う様に、オハラガラス−LiPON積層体を配置した。
前記真空槽内が、10−3Pa以下の高真空となるまで当該真空槽内を排気した後、オハラガラス−LiPON積層体のLiPON膜上に従来と同様にリチウムを蒸着して、直径5φ(0.196cm)、厚さ50〜100μmのリチウム電極層を備える比較例1の固体電解質膜・リチウム電極接合体が得られた。
[Comparative Example 1]
The process is the same as in Example 1 until the LiPON film is formed on the OHARA glass film.
Subsequently, a lithium target was prepared. A lithium target was placed in a vacuum chamber under an argon atmosphere. The OHARA glass-LiPON laminated body was arrange | positioned in a vacuum chamber so that the distance between the said laminated body and a lithium target might be 8 cm. At this time, the OHARA glass-LiPON laminate was disposed so that the surface on which the LiPON film was formed faced the lithium target.
After the inside of the vacuum chamber was evacuated until the inside of the vacuum chamber became a high vacuum of 10 −3 Pa or less, lithium was vapor-deposited on the LiPON film of the OHARA glass-LiPON laminate in the same manner as in the past, and a diameter of 5φ ( 0.196 cm 2 ) and a lithium electrode layer having a thickness of 50 to 100 μm, a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly of Comparative Example 1 was obtained.

2.リチウム電極層の構造解析
実施例1及び比較例1の固体電解質膜・リチウム電極接合体中のリチウム電極層、並びにリチウム箔(本城金属株式会社製、厚さ250μm:比較例2)の化学構造を、X線結晶構造解析により調べた。測定には、X線回折装置(リガク社製、RINT−Ultima III)を用いた。測定にはCuKα線を用い、管電圧は40kVとし、管電流は40mAとした。
図2は、実施例1、比較例1及び比較例2のXRDパターンを並べて示した図である。
図2から分かるように、比較例2のXRDパターンには、(110)面の回折ピーク、(200)面の回折ピーク、及び(211)面の回折ピークがそれぞれ観察される。これらの回折ピークのうち、(211)面の回折ピークの強度が最も強いことから、従来からリチウム二次電池に用いられるリチウム箔は、特に(211)面に最も高い配向性を示すことが分かる。
2. Structural Analysis of Lithium Electrode Layer Chemical Structure of Lithium Electrode Layer in Solid Electrolyte Membrane / Lithium Electrode Assembly of Example 1 and Comparative Example 1, and Lithium Foil (Honjo Metal Co., Ltd., Thickness 250 μm: Comparative Example 2) Were examined by X-ray crystal structure analysis. For the measurement, an X-ray diffractometer (RINT-Ultima III, manufactured by Rigaku Corporation) was used. Using Cu K alpha rays for the measurement, the tube voltage was set to 40 kV, tube current was 40 mA.
FIG. 2 is a diagram showing the XRD patterns of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 side by side.
As can be seen from FIG. 2, in the XRD pattern of Comparative Example 2, a diffraction peak on the (110) plane, a diffraction peak on the (200) plane, and a diffraction peak on the (211) plane are observed. Among these diffraction peaks, since the intensity of the diffraction peak on the (211) plane is the strongest, it can be seen that lithium foils conventionally used in lithium secondary batteries exhibit the highest orientation on the (211) plane. .

また、図2から分かるように、比較例1のXRDパターンには、目立った回折ピークは見られない。したがって、従来の蒸着法により得られたリチウム膜は、特定の配向性を有さず、秩序の低い結晶からなる膜であることが分かる。
一方、図2から分かるように、実施例1のXRDパターンには、ほぼ(200)面の回折ピークのみが観察される。この結果は、抵抗加熱により蒸着して得られたリチウム膜が、上述した比較例1及び比較例2のリチウム膜とは異なり、特に(200)面に最も高い配向性を示すことが分かる。
下記表1は、実施例1のXRDパターンにおける、(200)面回折ピークの強度を1としたときの、それぞれの回折ピークの強度の比をまとめた表である。本発明のリチウム電極の(200)面の配向性は、(110)面の配向性及び(211)面の配向性と比較して、ピーク強度にして4〜5倍程度高いことが分かる。
Further, as can be seen from FIG. 2, no conspicuous diffraction peak is observed in the XRD pattern of Comparative Example 1. Therefore, it can be seen that the lithium film obtained by the conventional vapor deposition method is a film made of crystals with low order without having specific orientation.
On the other hand, as can be seen from FIG. 2, only the diffraction peak of (200) plane is observed in the XRD pattern of Example 1. From this result, it can be seen that the lithium film obtained by evaporation by resistance heating is different from the lithium films of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 described above, and particularly shows the highest orientation on the (200) plane.
Table 1 below is a table summarizing the ratio of the intensity of each diffraction peak when the intensity of the (200) plane diffraction peak is 1 in the XRD pattern of Example 1. It can be seen that the (200) plane orientation of the lithium electrode of the present invention is about 4 to 5 times higher in peak intensity than the (110) plane orientation and the (211) plane orientation.

Figure 2012150909
Figure 2012150909

3.リチウム電極層の厚み変化の比較
実施例1の固体電解質膜・リチウム電極接合体、及び比較例2のリチウム箔について、下記構成のセルを組み、充放電実験を行い、充電及び放電に供したリチウムの厚みを測定した。なお、比較例2のリチウム箔は、下記固体電解質膜と接合させ、固体電解質膜・リチウム電極接合体とした。
セル構成:リチウム試料(作用極)/固体電解質膜/電解液/リチウム箔(対極)
作用極のリチウム試料:実施例1中のリチウム電極層又は比較例2のリチウム箔
固体電解質膜:オハラガラス−LiPON積層体
電解液:プロピレンカーボネート(PC)に1M LiTFSIを溶解させた電解液
対極のリチウム箔:本城金属株式会社製
測定方法:定電流測定、1.0mA/cm、カット電圧5V、測定温度50℃
3. Comparison of change in thickness of lithium electrode layer About the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly of Example 1 and the lithium foil of Comparative Example 2, a cell having the following configuration was assembled, a charge / discharge experiment was performed, and lithium used for charging and discharging The thickness of was measured. The lithium foil of Comparative Example 2 was bonded to the following solid electrolyte membrane to obtain a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly.
Cell configuration: Lithium sample (working electrode) / solid electrolyte membrane / electrolyte / lithium foil (counter electrode)
Lithium sample of working electrode: lithium electrode layer in Example 1 or lithium foil of Comparative Example 2 Solid electrolyte membrane: OHARA glass-LiPON laminate Electrolyte solution: Electrolyte solution in which 1M LiTFSI is dissolved in propylene carbonate (PC) Lithium foil: manufactured by Honjo Metal Co., Ltd. Measurement method: Constant current measurement, 1.0 mA / cm 2 , cut voltage 5 V, measurement temperature 50 ° C.

図3は、実施例1及び比較例2について、放電時に溶解し、又は充電時に析出したリチウムの厚みを比較した棒グラフである。
図3から分かるように、比較例2中のリチウム箔は、溶解反応、析出反応ともに1μm未満の厚み変化しかない。この結果は、従来のリチウム箔を固体電解質膜と単に接合して得られた比較例2の固体電解質膜・リチウム電極接合体においては、固体電解質膜とリチウム箔の界面のリチウム伝導性が極めて低いことを示す。
一方、図3から分かるように、実施例1中のリチウム電極層は、溶解反応時に58μmの厚さのリチウムを溶解し、且つ、析出反応時に58μmの厚さのリチウムを析出することができた。この結果は、(200)面に最も高い配向性を示すリチウム電極層が固体電解質膜と強固に接合しており、その結果、実施例1の固体電解質膜・リチウム電極接合体において、固体電解質膜とリチウム電極層の界面のリチウム伝導性が極めて高いことを示す。
FIG. 3 is a bar graph comparing the thicknesses of lithium dissolved in discharging or deposited during charging for Example 1 and Comparative Example 2.
As can be seen from FIG. 3, the lithium foil in Comparative Example 2 has only a thickness change of less than 1 μm in both the dissolution reaction and the precipitation reaction. As a result, in the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly of Comparative Example 2 obtained by simply joining the conventional lithium foil to the solid electrolyte membrane, the lithium conductivity at the interface between the solid electrolyte membrane and the lithium foil is extremely low. It shows that.
On the other hand, as can be seen from FIG. 3, the lithium electrode layer in Example 1 was able to dissolve 58 μm thick lithium during the dissolution reaction and deposit 58 μm thick lithium during the precipitation reaction. . As a result, the lithium electrode layer having the highest orientation on the (200) plane is firmly bonded to the solid electrolyte membrane. As a result, in the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly of Example 1, the solid electrolyte membrane The lithium conductivity at the interface between the electrode and the lithium electrode layer is extremely high.

図4は、実施例1について、充電時に析出したリチウムの厚みと電圧との関係を示したグラフである。また、図5は、比較例2について、充電時に析出したリチウムの厚みと電圧との関係を示したグラフである。
図5から分かるように、比較例2のリチウム箔を含むリチウム空気電池は、わずか数nmのリチウムを析出しただけで、電圧が−3Vまで降下することが分かる。一方、図4から分かるように、実施例1の固体電解質膜・リチウム電極接合体を含むリチウム空気電池は、リチウムが58μmの厚さに析出するまで、一定の電圧を保つことが分かる。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of lithium deposited during charging and the voltage for Example 1. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness of lithium deposited during charging and the voltage in Comparative Example 2.
As can be seen from FIG. 5, the lithium air battery including the lithium foil of Comparative Example 2 shows that the voltage drops to −3 V only by depositing a few nm of lithium. On the other hand, as can be seen from FIG. 4, the lithium-air battery including the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly of Example 1 maintains a constant voltage until lithium is deposited to a thickness of 58 μm.

1 固体電解質膜
2 空気極層
3 負極活物質層
4 空気極集電体
5 負極集電体
6 空気極
7 負極
100 リチウム空気電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid electrolyte membrane 2 Air electrode layer 3 Negative electrode active material layer 4 Air electrode current collector 5 Negative electrode current collector 6 Air electrode 7 Negative electrode 100 Lithium air battery

Claims (5)

{200}面に最も高い配向性を有することを特徴とする、リチウム金属固体。   A lithium metal solid characterized by having the highest orientation in the {200} plane. 前記請求項1に記載のリチウム金属固体からなることを特徴とする、リチウム金属膜。   A lithium metal film comprising the lithium metal solid according to claim 1. 固体電解質膜、及び当該固体電解質膜の少なくとも一方の面上に形成されたリチウム電極層を備える固体電解質膜・リチウム電極接合体であって、
前記リチウム電極層が、前記請求項2に記載のリチウム金属膜を含むことを特徴とする、固体電解質膜・リチウム電極接合体。
A solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly comprising a solid electrolyte membrane and a lithium electrode layer formed on at least one surface of the solid electrolyte membrane,
3. The solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly, wherein the lithium electrode layer includes the lithium metal film according to claim 2.
少なくとも空気極、リチウム金属負極、並びに当該空気極及び当該リチウム金属負極の間に介在し、且つ少なくとも当該リチウム金属負極と接合した固体電解質膜を備えるリチウム空気電池であって、
接合した前記リチウム金属負極及び前記固体電解質膜が、前記請求項3に記載の固体電解質膜・リチウム電極接合体であることを特徴とする、リチウム空気電池。
A lithium-air battery comprising at least an air electrode, a lithium metal negative electrode, and a solid electrolyte membrane interposed between the air electrode and the lithium metal negative electrode and joined to at least the lithium metal negative electrode;
The lithium-air battery, wherein the bonded lithium metal negative electrode and the solid electrolyte membrane are the solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly according to claim 3.
固体電解質膜、及び当該固体電解質膜の少なくとも一方の面上に形成されたリチウム電極層を備える固体電解質膜・リチウム電極接合体の製造方法であって、
リチウムターゲット及び前記固体電解質膜を準備する工程、
抵抗加熱法によりリチウムを加熱し蒸発させるための抵抗加熱蒸発源を備える真空槽を準備する工程、
前記抵抗加熱蒸発源に前記リチウムターゲットを配置し、且つ、前記固体電解質膜と前記リチウムターゲットとの間の距離が0.5cm以上8cm未満となるように、前記真空槽内に前記固体電解質膜を配置する工程、並びに、
前記真空槽内を排気した後、抵抗加熱法により前記抵抗加熱蒸発源から前記固体電解質膜の少なくとも一方の面上にリチウムを蒸着して、前記リチウム電極層を形成する工程、を有することを特徴とする、固体電解質膜・リチウム電極接合体の製造方法。
A method for producing a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly comprising a solid electrolyte membrane and a lithium electrode layer formed on at least one surface of the solid electrolyte membrane,
Preparing a lithium target and the solid electrolyte membrane;
Preparing a vacuum chamber equipped with a resistance heating evaporation source for heating and evaporating lithium by a resistance heating method;
The lithium target is disposed in the resistance heating evaporation source, and the solid electrolyte membrane is placed in the vacuum chamber so that the distance between the solid electrolyte membrane and the lithium target is 0.5 cm or more and less than 8 cm. Arranging, and
And evacuating the inside of the vacuum chamber and then depositing lithium on at least one surface of the solid electrolyte membrane from the resistance heating evaporation source by a resistance heating method to form the lithium electrode layer. A method for producing a solid electrolyte membrane / lithium electrode assembly.
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