JP2012160324A - Nonaqueous electrolyte battery - Google Patents

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馨 柴田
Hajime Ota
肇 太田
Mitsuyasu Ogawa
光靖 小川
Yasushi Mochida
恭志 餅田
Hideaki Awata
英章 粟田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonaqueous electrolyte battery that has an interface layer which resists cracking, and can maintain a junction between a negative electrode layer and a solid electrolyte layer even if charging and discharging are repeated.SOLUTION: A nonaqueous electrolyte battery comprises a positive electrode layer 13, a negative electrode layer 14, and a solid electrolyte layer 15 intervening between the electrode layers. The battery comprises an interface layer 16 mainly composed of Si between the negative electrode layer 14 and the solid electrolyte layer 15. The interface layer 16 is formed by physical vapor deposition using Si as a vapor deposition material in an atmosphere of a mixed gas prepared by adding oxygen to an inert gas. The addition ratio of the oxygen in the mixed gas is less than 0.5 vol.%.

Description

本発明は、充放電サイクル特性に優れる非水電解質電池に関する。   The present invention relates to a nonaqueous electrolyte battery having excellent charge / discharge cycle characteristics.

携帯機器といった比較的小型の電気機器の電源に非水電解質電池が利用されている。非水電解質電池の代表例として、正・負極体間でのLiイオンの授受反応を利用したリチウム電池やリチウムイオン二次電池(以下、単にリチウムイオン電池と呼ぶことがある)が挙げられる。   Nonaqueous electrolyte batteries are used as power sources for relatively small electric devices such as portable devices. Typical examples of the nonaqueous electrolyte battery include a lithium battery and a lithium ion secondary battery (hereinafter sometimes simply referred to as a lithium ion battery) using a transfer reaction of Li ions between the positive and negative electrode bodies.

このリチウムイオン電池は、正極層と負極層の間で電解質層を介してリチウム(Li)イオンをやり取りすることによって充放電を行う電池である。近年、有機電解液に代えて不燃性の無機固体電解質を電解質層に用いた全固体リチウム二次電池の研究が行われている(例えば、特許文献1を参照)。   This lithium ion battery is a battery that charges and discharges by exchanging lithium (Li) ions between a positive electrode layer and a negative electrode layer through an electrolyte layer. In recent years, research on an all-solid lithium secondary battery using an incombustible inorganic solid electrolyte instead of an organic electrolyte in an electrolyte layer has been performed (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1では、正極層、負極層及び固体電解質層を気相法(例えばスパッタリング法や蒸着法)により形成した電池が提案されている。この電池は、負極層と固体電解質層との間に界面層を備える。界面層は、電池の充電時に正極層から固体電解質層を介して移動してきたLiイオンを吸蔵し、同イオンを負極層内部に拡散させる機能を有する。それにより、充電時、負極層/固体電解質層界面にLiを析出し難くして、負極層と固体電解質層との剥離を抑制する。界面層の材質としては、例えばSiを利用することができる。   Patent Document 1 proposes a battery in which a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer are formed by a vapor phase method (for example, a sputtering method or a vapor deposition method). This battery includes an interface layer between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer. The interface layer has a function of occluding Li ions that have moved from the positive electrode layer through the solid electrolyte layer during battery charging and diffusing the ions into the negative electrode layer. This makes it difficult for Li to precipitate at the negative electrode layer / solid electrolyte layer interface during charging, and suppresses peeling between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer. For example, Si can be used as the material of the interface layer.

特開2009‐277381号公報JP 2009-277381 A

しかし、従来のリチウムイオン電池では、固体電解質層の上に界面層を形成した際、界面層から固体電解質層にまで達するクラックが入ることがある。このクラックは、負極層と固体電解質層との剥離を招いたり、クラックに沿ってLiのデンドライトが進展することで、短絡を招く要因となる。   However, in the conventional lithium ion battery, when the interface layer is formed on the solid electrolyte layer, a crack may reach from the interface layer to the solid electrolyte layer. This crack causes peeling between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer, and causes a short circuit due to the progress of Li dendrite along the crack.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、クラックの入り難い界面層を有し、充放電を繰り返しても、負極層と固体電解質層との接合を維持することができる非水電解質電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to have an interface layer that is difficult to crack, and maintain the bonding between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer even after repeated charge and discharge. An object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte battery that can be used.

(1)本発明非水電解質電池は、正極層、負極層、及びこれら両層の間に介在される固体電解質層を有する。この電池は、前記負極層と前記固体電解質層との間に、Siを主成分とする界面層を備え、この界面層は、不活性ガスに酸素を添加した混合ガス雰囲気で、Siを蒸着材料とした物理蒸着により形成される。そして、その混合ガスにおける酸素の添加割合が0.5体積%未満である。   (1) The nonaqueous electrolyte battery of the present invention has a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer interposed between these two layers. The battery includes an interface layer mainly composed of Si between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer, and the interface layer is a mixed gas atmosphere in which oxygen is added to an inert gas, and Si is vapor-deposited. It is formed by physical vapor deposition. The oxygen addition ratio in the mixed gas is less than 0.5% by volume.

Siを主成分とする界面層は、充電時に正極層から固体電解質層を経て移動してきたLiイオンを吸蔵して、Liイオンを負極層内部に拡散させる能力(拡散能)が高い。よって、本発明の構成によれば、充電時に負極層/固体電解質層界面にLiが析出し難く、両層の界面が押し広げられて接合不良となることを抑制できる。   The interface layer containing Si as a main component has a high ability (diffusion ability) to occlude Li ions that have moved from the positive electrode layer through the solid electrolyte layer during charging and diffuse Li ions into the negative electrode layer. Therefore, according to the configuration of the present invention, it is difficult for Li to precipitate at the negative electrode layer / solid electrolyte layer interface at the time of charging, and it is possible to prevent the interface between both layers from being widened and causing poor bonding.

また、界面層成膜時の雰囲気ガスへの酸素の添加により、正確な理由は不明だが、界面層には成膜後にクラックが生じにくい。界面層にクラックが生じると、通常、その界面層に隣接する固体電解質層にもクラックが生じ、そのクラックを介してLiのデンドライトが成長することで、正負極層の短絡の要因となる。そのため、クラックのない界面層を高い確率で形成できれば、前記短絡により早期に電池が機能しなくなることを抑制できる。   Further, the exact reason is unknown due to the addition of oxygen to the atmospheric gas during the formation of the interface layer, but cracks are unlikely to occur in the interface layer after film formation. When a crack occurs in the interface layer, the solid electrolyte layer adjacent to the interface layer usually cracks, and Li dendrite grows through the crack, which causes a short circuit between the positive and negative electrode layers. Therefore, if an interface layer without cracks can be formed with a high probability, it is possible to prevent the battery from functioning early due to the short circuit.

このような接合不良やクラックの抑制に伴い、充放電を繰り返しても負極層と固体電解質層との接合が良好に維持され、電池容量が低下し難い。界面層中のSiの含有量は、50質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましい。   Along with the suppression of such bonding failure and cracks, even when charging and discharging are repeated, the bonding between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer is maintained well, and the battery capacity is unlikely to decrease. The content of Si in the interface layer is preferably 50% by mass or more, and more preferably 80% by mass or more.

(2)本発明の非水電解質電池の一形態として、前記酸素の添加割合が0.1体積%以上である形態が挙げられる。   (2) As one form of the nonaqueous electrolyte battery of this invention, the form whose addition ratio of the said oxygen is 0.1 volume% or more is mentioned.

この構成によれば、界面層成膜時の混合ガスへの酸素の添加量をさらに特定することで、クラックのない界面層を一層形成し易くできる。   According to this configuration, by further specifying the amount of oxygen added to the mixed gas at the time of forming the interface layer, it is possible to further easily form an interface layer without cracks.

(3)本発明の非水電解質電池の一形態として、固体電解質層が、Li2SとP2S5を含む硫化物系固体電解質である形態が挙げられる。 As a form of non-aqueous electrolyte battery (3) The present invention, the solid electrolyte layer, and a form which is the sulfide-based solid electrolyte containing Li 2 S and P 2 S 5.

上記のような硫化物であれば、高いLiイオン伝導度を有する固体電解質層とすることができる。その結果、非水電解質電池の内部抵抗を低減することができる。固体電解質層に用いる硫化物系固体電解質としては、例えばLi2S‐P2S5系、Li2S‐SiS2系、Li2S‐B2S3系などが挙げられ、更にP2O5やLi3PO4を添加してもよい。中でも、Li2SとP2S5を含む硫化物系固体電解質は、高いLiイオン伝導性を示すので、好適である。 If it is the above sulfides, it can be set as the solid electrolyte layer which has high Li ion conductivity. As a result, the internal resistance of the nonaqueous electrolyte battery can be reduced. Examples of the sulfide-based solid electrolyte used for the solid electrolyte layer include Li 2 S-P 2 S 5 system, Li 2 S-SiS 2 system, Li 2 S-B 2 S 3 system, and further P 2 O. 5 or Li 3 PO 4 may be added. Among these, a sulfide-based solid electrolyte containing Li 2 S and P 2 S 5 is preferable because it exhibits high Li ion conductivity.

本発明の非水電解質電池は、負極層と固体電解質層との間に特定の界面層を備えることで、充放電の繰り返しに伴う、負極層と固体電解質層との剥離や固体電解質層のクラックの発生を防止することができる。その結果、充放電を繰り返しても、電池容量が低下し難く、優れた充放電サイクル特性を発揮する非水電解質電池とすることができる。   The nonaqueous electrolyte battery of the present invention includes a specific interface layer between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer, so that peeling between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer and cracking of the solid electrolyte layer accompanying repeated charge and discharge are provided. Can be prevented. As a result, even if charging / discharging is repeated, the battery capacity is unlikely to decrease and a nonaqueous electrolyte battery exhibiting excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

実施形態に係る非水電解質電池の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the nonaqueous electrolyte battery which concerns on embodiment.

以下、本発明の実施の形態を図1に基づいて説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

≪全体構成≫
このリチウム電池1は、正極集電体層11の上に、正極層13、固体電解質層(SE層)15、界面層16、負極層14、負極集電体層12の順に積層された積層構造を有している。この電池1の特徴の一つは、界面層16の主成分をSiとし、その界面層に所定量の酸素を含有させたことにある。以下、各構成を詳細に説明する。
≪Overall structure≫
This lithium battery 1 has a laminated structure in which a positive electrode layer 13, a solid electrolyte layer (SE layer) 15, an interface layer 16, a negative electrode layer 14, and a negative electrode current collector layer 12 are laminated in this order on a positive electrode current collector layer 11. have. One of the features of the battery 1 is that the main component of the interface layer 16 is Si, and the interface layer contains a predetermined amount of oxygen. Hereinafter, each configuration will be described in detail.

≪各構成部材≫
(正極集電体層)
正極集電体層11は、所定の厚さを有する金属製の薄板であり、後述する各層を支持する基板の役割を兼ねている。正極集電体層11としては、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、これらの合金、ステンレスから選択される1種が好適に利用できる。その他、絶縁性の基板の上に金属膜を形成して正極集電体層としても良い。金属膜からなる集電体層11は、PVD法(物理的気相蒸着法)やCVD法(化学的気相蒸着法)により形成することができる。PVD法としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法が、CVD法としては、熱CVD法、プラズマCVD法などが挙げられる。
≪Each component≫
(Positive electrode current collector layer)
The positive electrode current collector layer 11 is a thin metal plate having a predetermined thickness, and also serves as a substrate for supporting each layer described later. As the positive electrode current collector layer 11, one selected from aluminum (Al), nickel (Ni), alloys thereof, and stainless steel can be suitably used. In addition, a positive electrode current collector layer may be formed by forming a metal film over an insulating substrate. The current collector layer 11 made of a metal film can be formed by a PVD method (physical vapor deposition method) or a CVD method (chemical vapor deposition method). Examples of the PVD method include a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, and a laser ablation method. Examples of the CVD method include a thermal CVD method and a plasma CVD method.

(正極層)
正極層13は、Liイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層である。正極活物質としては、Mn,Fe,Co,Niから選択される少なくとも一種以上の元素とリチウムとの酸化物が好適に利用可能である。例えば、LiCoO2やLiNiO2、LiMnO2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiCo0.5Fe0.5O2などを挙げることができる。
(Positive electrode layer)
The positive electrode layer 13 is a layer containing an active material that absorbs and releases Li ions. As the positive electrode active material, an oxide of lithium and at least one element selected from Mn, Fe, Co, and Ni can be suitably used. For example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LiCo 0.5 Fe 0.5 O 2 and the like can be mentioned.

正極層13は、さらに導電助剤を含んでいても良い。導電助剤としては、例えば、アセチレンブラックといったカーボンブラック、天然黒鉛、熱膨張黒鉛、炭素繊維、酸化ルテニウム、酸化チタン、アルミニウムやニッケルなどの金属繊維からなるものが利用できる。特に、カーボンブラックは、少量で高い導電性を確保できて好ましい。   The positive electrode layer 13 may further contain a conductive additive. As a conductive support agent, what consists of metal fibers, such as carbon black, such as acetylene black, natural graphite, thermal expansion graphite, carbon fiber, ruthenium oxide, titanium oxide, aluminum, and nickel, can be utilized, for example. In particular, carbon black is preferable because it can secure high conductivity in a small amount.

上述した正極層13の形成方法としては、PVD法やCVD法などの乾式法あるいは塗布法やスクリーン印刷法などの湿式法を使用できる。湿式法を利用するのであれば、正極層に結着剤を含有させて、活物質同士、あるいは、活物質と活物質以外の物質(電解質粒子や導電助剤)などを結着するようにしても良い。このような結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)や、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などを使用することができる。   As a method for forming the positive electrode layer 13 described above, a dry method such as a PVD method or a CVD method, or a wet method such as a coating method or a screen printing method can be used. If a wet method is used, a binder is included in the positive electrode layer so that the active materials are bound to each other, or the active material and a material other than the active material (electrolyte particles and conductive aid). Also good. As such a binder, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), or the like can be used.

(固体電解質層)
固体電解質層(SE層)15は、Liイオン伝導度(20℃)が10−5S/cm以上あり、かつLiイオン輸率が0.999以上であることが好ましい。特に、Liイオン伝導度が10−4S/cm以上あり、かつLiイオン輸率が0.9999以上であれば良い。また、SE層15は、電子伝導率が10−8S/cm以下であることが好ましい。SE層15の材質としては、酸化物(例えば、Li-P-O-N)や、硫化物(例えば、Li-P-S-OやLi-P-S)のアモルファス膜あるいは多結晶膜などで構成することが好ましい。特に、Li2SとP2S5とからなるLi-P-Sは、優れたLiイオン伝導度を有するので、SE層15に採用した場合、電池の性能を向上させることができる。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte layer (SE layer) 15 preferably has a Li ion conductivity (20 ° C.) of 10 −5 S / cm or more and a Li ion transport number of 0.999 or more. In particular, the Li ion conductivity should be 10 −4 S / cm or more and the Li ion transport number should be 0.9999 or more. The SE layer 15 preferably has an electronic conductivity of 10 −8 S / cm or less. The material of the SE layer 15 is preferably composed of an oxide (eg, Li-PON), sulfide (eg, Li-PSO or Li-PS) amorphous film or polycrystalline film. In particular, Li-PS composed of Li 2 S and P 2 S 5 has excellent Li ion conductivity. Therefore, when it is used for the SE layer 15, the performance of the battery can be improved.

SE層15の形成方法としては、固相法や気相蒸着法を使用することができる。固相法としては、例えば、メカニカルミリング法を使用して原料粉末を作製し、この原料粉末を焼結して形成することが挙げられる。一方、気相蒸着法としては、例えば、PVD法、CVD法が挙げられる。気相蒸着法によりSE層15を形成した場合、固相法によりSE層を形成した場合よりも、SE層15の厚さを薄くすることができる。   As a method for forming the SE layer 15, a solid phase method or a vapor deposition method can be used. Examples of the solid phase method include forming a raw material powder using a mechanical milling method and sintering the raw material powder. On the other hand, examples of the vapor deposition method include a PVD method and a CVD method. When the SE layer 15 is formed by the vapor deposition method, the thickness of the SE layer 15 can be made thinner than when the SE layer is formed by the solid phase method.

(界面層)
界面層16は、SE層15と後述する負極層14との接合を確保する役割を果たす層である。界面層16の主たる材料としては、Siを利用することができる。界面層16におけるSiの含有量は、50質量%以上が好ましく、より好ましくは80質量%以上である。より具体的には、この界面層16は、実質的にSiと酸素とで構成される。後述するように、界面層16の成膜時の雰囲気ガスに所定量の酸素を添加することで、酸素を含有した界面層16を容易に形成することができる。酸素を含有した界面層16は、その成膜時にクラックが発生しにくく、放電特性に優れたリチウムイオン電池の部材として利用することができる。
(Interface layer)
The interface layer 16 is a layer that plays a role of ensuring the bonding between the SE layer 15 and a negative electrode layer 14 described later. Si can be used as a main material of the interface layer 16. The Si content in the interface layer 16 is preferably 50% by mass or more, more preferably 80% by mass or more. More specifically, the interface layer 16 is substantially composed of Si and oxygen. As will be described later, the oxygen-containing interface layer 16 can be easily formed by adding a predetermined amount of oxygen to the atmosphere gas during the formation of the interface layer 16. The interface layer 16 containing oxygen can be used as a member of a lithium ion battery that is less prone to crack during film formation and has excellent discharge characteristics.

界面層16の形成方法としては、物理蒸着法が好適に利用できる。例えば、抵抗加熱や電子ビームによる蒸着や、スパッタリング、イオンプレーティング、PLD(パルスレーザデポジション)法などが利用できる。これらは、通常、ターゲットを所定の雰囲気で蒸着粒子とし、基板に蒸着粒子を付着させることで成膜を行う技術である。ここで、Siターゲットを用い、成膜時の雰囲気を不活性ガスに酸素を添加した混合ガスとする。不活性ガスには、Ar、N2などが利用できる。また、混合ガスにおける酸素の含有量は、0.5体積%未満とする。この酸素添加量とすることで、酸素が添加されない雰囲気により成膜した界面層に比べて、クラックの発生、変色、しみ状部の発生などの欠陥を抑制することができ、界面層形成の歩留まり高めることができる。酸素添加量の下限は、0.1体積%程度である。この下限値以上の酸素を雰囲気ガスに添加することで、界面層16に対するクラックの抑制効果が得られ易い。 As a method for forming the interface layer 16, physical vapor deposition can be suitably used. For example, resistance heating, electron beam evaporation, sputtering, ion plating, PLD (pulse laser deposition) method, and the like can be used. These are usually techniques for forming a film by using a target as vapor deposition particles in a predetermined atmosphere and attaching the vapor deposition particles to a substrate. Here, a Si target is used, and the atmosphere during film formation is a mixed gas obtained by adding oxygen to an inert gas. Ar, N 2 or the like can be used as the inert gas. The oxygen content in the mixed gas is less than 0.5% by volume. By using this oxygen addition amount, defects such as cracks, discoloration, and spot-like portions can be suppressed as compared with the interface layer formed in an atmosphere to which oxygen is not added, and the yield of the interface layer formation is reduced. Can be increased. The lower limit of the oxygen addition amount is about 0.1% by volume. By adding oxygen above the lower limit value to the atmospheric gas, the effect of suppressing cracks on the interface layer 16 can be easily obtained.

界面層16の厚さは、50nm以下とすることが好ましい。界面層16の厚さを50nm超とした場合、界面層16の負極層14へのLiイオン拡散能よりも界面層自身のLiイオン吸蔵性が勝り、界面層16の体積変化が大きくなって、負極層/固体電解質層界面の接合が破壊される虞がある。好ましい界面層の厚さは、20nm以下である。また、界面層16の厚さを小さくし過ぎると、界面層16を設ける効果が低く、やはり負極層/固体電解質層界面の接合が破壊される虞がある。そこで、界面層16の厚さは、好ましくは5nm超、より好ましくは10nm以上とする。   The thickness of the interface layer 16 is preferably 50 nm or less. When the thickness of the interface layer 16 is more than 50 nm, the Li ion occlusion property of the interface layer itself is superior to the Li ion diffusing ability of the interface layer 16 to the negative electrode layer 14, and the volume change of the interface layer 16 is increased. There is a possibility that the junction at the negative electrode layer / solid electrolyte layer interface is destroyed. A preferred interface layer thickness is 20 nm or less. Further, if the thickness of the interface layer 16 is made too small, the effect of providing the interface layer 16 is low, and there is a possibility that the junction at the negative electrode layer / solid electrolyte layer interface is broken. Therefore, the thickness of the interface layer 16 is preferably more than 5 nm, more preferably 10 nm or more.

界面層16の厚さTbと次述する負極層14の厚さTnとの比であるTb/Tnを以下のように規定することが好ましい。
0.005<Tb/Tn<0.5
It is preferable to define Tb / Tn, which is a ratio between the thickness Tb of the interface layer 16 and the thickness Tn of the negative electrode layer 14 described below, as follows.
0.005 <Tb / Tn <0.5

界面層16の厚さと負極層14の厚さの比であるTb/Tnを0.005〜0.5とすることにより、負極層14とSE層15との接合を十分に確保することができる。特に、Tb/Tnは、0.01〜0.4であることが好ましい。Tb/Tnが0.005未満であると、相対的に界面層厚さTbが薄いことになるので、負極層14とSE層15との接合を保持することが困難になる。一方、Tb/Tnが0.5超であると、相対的に界面層厚さTbが厚いことになるので、電池の充放電に伴う界面層16の体積変化が大きく、負極層14とSE層15との接合を保持することが困難になる。   By setting Tb / Tn, which is the ratio between the thickness of the interface layer 16 and the thickness of the negative electrode layer 14, to 0.005 to 0.5, it is possible to sufficiently secure the bonding between the negative electrode layer 14 and the SE layer 15. In particular, Tb / Tn is preferably 0.01 to 0.4. When Tb / Tn is less than 0.005, the interface layer thickness Tb is relatively thin, so that it is difficult to maintain the bonding between the negative electrode layer 14 and the SE layer 15. On the other hand, if Tb / Tn is more than 0.5, the interface layer thickness Tb is relatively thick, so that the volume change of the interface layer 16 accompanying the charging / discharging of the battery is large, and the negative electrode layer 14 and the SE layer 15 It becomes difficult to maintain the bonding.

(負極層)
負極層14は、Liイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成する。具体的には、負極層14として、Li金属、あるいはLi合金(例えば、Li-Al、Li-Mn-Alなど)を使用する。このような負極層14は、負極層14自体に集電体としての機能を持たせることができるので、後述する負極集電体12を省略することもできる。
(Negative electrode layer)
The negative electrode layer 14 is composed of a layer containing an active material that absorbs and releases Li ions. Specifically, Li metal or Li alloy (for example, Li—Al, Li—Mn—Al, etc.) is used as the negative electrode layer 14. Since such a negative electrode layer 14 can provide the negative electrode layer 14 itself with a function as a current collector, the negative electrode current collector 12 described later can be omitted.

この負極層14の厚さTnは、0.1μm〜10μmの範囲とすることが好ましい。このような負極層厚さTnを有することにより、種々の用途に使用可能な放電容量を備えるリチウム電池とすることができる。負極層14の厚さTnのより好ましい範囲は、0.5μm〜2μmである。   The thickness Tn of the negative electrode layer 14 is preferably in the range of 0.1 μm to 10 μm. By having such negative electrode layer thickness Tn, it can be set as a lithium battery provided with the discharge capacity which can be used for various uses. A more preferable range of the thickness Tn of the negative electrode layer 14 is 0.5 μm to 2 μm.

また、負極層14の形成方法は、PVD法やCVD法などの気相蒸着法を利用することが好ましい。気相蒸着法を利用することで、金属箔で負極層14を形成するよりも、負極層14の厚さを薄くできるし、SE層15に対する接触を十分に確保することができる。   The negative electrode layer 14 is preferably formed using a vapor deposition method such as a PVD method or a CVD method. By using the vapor deposition method, the thickness of the negative electrode layer 14 can be reduced and contact with the SE layer 15 can be sufficiently ensured as compared with the case where the negative electrode layer 14 is formed with a metal foil.

(負極集電体層)
負極集電体層12は、負極層14に給電するための金属膜である。負極集電体層12としては、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、及びこれらの合金から選択される1種が好適に利用できる。この負極集電体層12も、正極集電体層11の場合と同様に、PVD法やCVD法で形成することができる。なお、既に述べたように、負極集電体層12は省略することができる。
(Negative electrode current collector layer)
The negative electrode current collector layer 12 is a metal film for supplying power to the negative electrode layer 14. As the negative electrode current collector layer 12, one selected from copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), chromium (Cr), and alloys thereof can be suitably used. This negative electrode current collector layer 12 can also be formed by the PVD method or the CVD method as in the case of the positive electrode current collector layer 11. As described above, the negative electrode current collector layer 12 can be omitted.

(その他)
図1には示していないが、正極層13とSE層15との間に、これら両層の界面近傍におけるLiイオンの偏りを緩和する中間層を設けてもかまわない。硫化物系固体電解質をSE層15に利用する場合、このSE層15と正極層13との間でLiイオンの偏りが生じ、電池の内部抵抗が高くなる傾向にある。そこで、正極層13とSE層15との間に、これら両層の界面近傍におけるLiイオンの偏りを緩和する中間層を備えることが好ましい。中間層の材料としては、Li伝導性の酸化物、例えば、LiNbO3、LiTaO3、Li4Ti5O12、LiXLa(2-X)/3TiO3(X=0.1〜0.5)、Li7+XLa3Zr2O12+(X/2)(-5≦X≦3)、Li3.6Si0.6P0.4O4、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li1.8Cr0.8Ti1.2(PO4)3、Li1.4In0.4Ti1.6(PO4)3などが挙げられ、これらを単独で又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。
(Other)
Although not shown in FIG. 1, an intermediate layer may be provided between the positive electrode layer 13 and the SE layer 15 to alleviate the deviation of Li ions near the interface between these two layers. When a sulfide-based solid electrolyte is used for the SE layer 15, Li ions are biased between the SE layer 15 and the positive electrode layer 13, and the internal resistance of the battery tends to increase. Therefore, it is preferable to provide an intermediate layer between the positive electrode layer 13 and the SE layer 15 to alleviate the deviation of Li ions near the interface between these two layers. As the material of the intermediate layer, Li conductive oxide, for example, LiNbO 3 , LiTaO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li X La (2-X) / 3 TiO 3 (X = 0.1 to 0.5), Li 7 + X La 3 Zr 2 O 12+ (X / 2) (-5 ≦ X ≦ 3), Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 , Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , Li 1.8 Cr 0.8 Ti Examples include 1.2 (PO 4 ) 3 and Li 1.4 In 0.4 Ti 1.6 (PO 4 ) 3 , and these may be used alone or in combination of two or more.

図1に示すような全固体リチウム二次電池に利用できる電池用試料を作製し、その界面層の評価を行った。この試料は、正極集電体層11、正極層13、中間層、SE層15、界面層16を順次形成した積層体である。   A battery sample usable for an all-solid lithium secondary battery as shown in FIG. 1 was prepared, and the interface layer was evaluated. This sample is a laminate in which the positive electrode current collector layer 11, the positive electrode layer 13, the intermediate layer, the SE layer 15, and the interface layer 16 are formed in this order.

<電池用試料の作製手順>
正極集電体層11となるステンレス製の基材(厚さ0.5mm、直径φ16mm)の上に、PLD法を用いてLiCoO2を成膜することで、正極層13(厚さ5μm、直径φ16mm)を形成した。また、成膜後、LiCoO2の正極層13が形成された基材を、大気中500℃で3時間のアニール処理を行った。
<Battery Sample Preparation Procedure>
By depositing LiCoO 2 using a PLD method on a stainless steel substrate (thickness 0.5 mm, diameter φ16 mm) to be the positive electrode current collector layer 11, the positive electrode layer 13 (thickness 5 μm, diameter φ16 mm) ) Was formed. Further, after the film formation, the base material on which the LiCoO 2 positive electrode layer 13 was formed was annealed in the atmosphere at 500 ° C. for 3 hours.

次に、正極層13の上に、PLD法を用いてLiNbO3を成膜することで、中間層(図示略)を形成した。中間層は、厚さ0.02μm、直径φ16mmとした。 Next, an intermediate layer (not shown) was formed on the positive electrode layer 13 by depositing LiNbO 3 using the PLD method. The intermediate layer had a thickness of 0.02 μm and a diameter of 16 mm.

次いで、中間層の上に、PLD法を用いてLi2S‐P2S5系固体電解質を成膜することで、SE層15(厚さ10μm、直径φ16mm)を形成した。 Next, an SE 2 layer (thickness 10 μm, diameter φ16 mm) was formed on the intermediate layer by depositing a Li 2 S—P 2 S 5 based solid electrolyte using the PLD method.

次いで、SE層15の上に、スパッタリング法を用いて界面層16(厚さ0.01μm(10nm)、直径φ10mm)を形成した。この界面層16は、Siをターゲットに用い、表1に示す酸素添加量のArガスを雰囲気ガスとして成膜される。比較のため、酸素の添加がない点以外は上記の試料と同様の構成である試料No.1も作製した。この試料No.1は、成膜時の雰囲気ガスをArガスのみとし、酸素を添加していない。この電池用試料の界面層16の上に、真空蒸着法を用いてLiを成膜することで、負極層14(厚さ1μm、直径φ10mm)を形成すれば、リチウム二次電池を構成できる。   Next, an interface layer 16 (thickness 0.01 μm (10 nm), diameter φ10 mm) was formed on the SE layer 15 by sputtering. The interface layer 16 is formed using Si as a target and using an oxygen gas addition amount Ar gas shown in Table 1 as an atmospheric gas. For comparison, Sample No. 1 having the same configuration as the above sample was also prepared except that oxygen was not added. In this sample No. 1, the atmosphere gas at the time of film formation is Ar gas only, and oxygen is not added. If a negative electrode layer 14 (thickness 1 μm, diameter φ10 mm) is formed on the interface layer 16 of the battery sample by depositing Li using a vacuum deposition method, a lithium secondary battery can be configured.

そして、得られた電池用試料に対して目視観察及び顕微鏡観察を行い、各試料の界面層の表面状態を評価した。表1の評価項目において、「白変色」は目視にて部分的に白濁した箇所が存在したことを、「クラック」は界面層表面に明確なクラックが認められ、そのクラックがSE層15にまで達しているものと推測されることを、「しみ状」は顕微鏡観察において局部的にしみ状の領域が認められることを示す。いずれの試料も複数製作し、最も発生頻度の高い界面層16の表面性状を示している。   And the visual observation and microscopic observation were performed with respect to the obtained battery sample, and the surface state of the interface layer of each sample was evaluated. In the evaluation items in Table 1, “white discoloration” indicates that there was a part that was partly clouded by visual inspection, and “crack” indicates that a clear crack was observed on the surface of the interface layer. The “spot-like” indicates that a spot-like region is locally observed in the microscopic observation. A plurality of samples are manufactured, and the surface property of the interface layer 16 having the highest occurrence frequency is shown.

Figure 2012160324
Figure 2012160324

表1から明らかなように、界面層成膜時の雰囲気ガスに酸素を添加しない場合及び酸素を0.5体積%以上添加した場合はいずれもクラック等の異常が認められた。これに対して、雰囲気ガスに酸素を0.1体積%添加した試料No.2は異常が認められなかった。従って、この試料No.2を用いて電池を構成した場合、界面層16及びSE層15のクラックの発生に伴う種々の不都合を解消することができると考えられる。   As is clear from Table 1, abnormalities such as cracks were observed in both cases where oxygen was not added to the atmospheric gas during the formation of the interface layer and when oxygen was added in an amount of 0.5% by volume or more. In contrast, Sample No. 2 in which 0.1% by volume of oxygen was added to the atmospheric gas showed no abnormality. Therefore, when a battery is configured using this sample No. 2, it is considered that various problems associated with the occurrence of cracks in the interface layer 16 and the SE layer 15 can be solved.

なお、本発明の実施形態は、上述したものに限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、界面層の構成元素として、Si以外の周期律表第14族元素であるC、Ge、Sn及びPbなどを利用することもできる。これら周期律表第14族元素は、電池の充電時に正極層から移動してきたLiイオンを吸蔵し、そして負極層に拡散させることができるという共通の性質を有するので、Siでできた界面層と同様の機能を発揮することが期待できる。   The embodiments of the present invention are not limited to those described above, and can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. For example, as a constituent element of the interface layer, C, Ge, Sn, Pb, or the like, which is a group 14 element of the periodic table other than Si, can be used. These Group 14 elements of the periodic table have the common property that they can occlude Li ions that have migrated from the positive electrode layer during battery charging and can be diffused into the negative electrode layer. It can be expected to perform the same function.

本発明の非水電解質電池は、携帯機器などの電源として好適に利用できる。   The nonaqueous electrolyte battery of the present invention can be suitably used as a power source for portable devices and the like.

1 リチウム電池
11 正極集電体層 12 負極集電体層 13 正極層 14 負極層
15 固体電解質層(SE層) 16 界面層
1 Lithium battery
11 Positive electrode current collector layer 12 Negative electrode current collector layer 13 Positive electrode layer 14 Negative electrode layer
15 Solid electrolyte layer (SE layer) 16 Interface layer

Claims (3)

正極層、負極層、及びこれら両層の間に介在される固体電解質層を有する非水電解質電池であって、
前記負極層と前記固体電解質層との間に、Siを主成分とする界面層を備え、
この界面層は、不活性ガスに酸素を添加した混合ガス雰囲気で、Siを蒸着材料とした物理蒸着により形成され、
その混合ガスにおける酸素の添加割合が0.5体積%未満であることを特徴とする非水電解質電池。
A non-aqueous electrolyte battery having a positive electrode layer, a negative electrode layer, and a solid electrolyte layer interposed between the two layers,
Between the negative electrode layer and the solid electrolyte layer, comprising an interface layer mainly composed of Si,
This interface layer is formed by physical vapor deposition using Si as a vapor deposition material in a mixed gas atmosphere in which oxygen is added to an inert gas,
A nonaqueous electrolyte battery characterized in that the proportion of oxygen added to the mixed gas is less than 0.5% by volume.
前記酸素の添加割合が0.1体積%以上であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質電池。   2. The nonaqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein an addition ratio of the oxygen is 0.1% by volume or more. 前記固体電解質層が、Li2SとP2S5を含む硫化物系固体電解質であることを特徴とする請求項1又は2に記載の非水電解質電池。 3. The nonaqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein the solid electrolyte layer is a sulfide-based solid electrolyte containing Li 2 S and P 2 S 5 .
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