JP2014002965A - 固体電解質薄膜の製造方法、固体電解質薄膜、および固体電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、少なくともLi源を含有する原料を用い、化学気相蒸着法により、基板上に固体電解質薄膜を成膜する成膜工程を有し、上記成膜工程において、レーザーを照射しながら上記固体電解質薄膜を成膜することを特徴とする固体電解質薄膜の製造方法を提供することにより、上記課題を解決する。
【選択図】図1
Description
本発明の固体電解質薄膜の製造方法は、少なくともLi源を含有する原料を用い、化学気相蒸着法により、基板上に固体電解質薄膜を成膜する成膜工程を有し、上記成膜工程において、レーザーを照射しながら上記固体電解質薄膜を成膜することを特徴とするものである。
本発明における成膜工程は、少なくともLi源を含有する原料を用い、CVD法により、基板上に固体電解質薄膜を成膜する工程である。本発明においては、通常、レーザーを照射しながら固体電解質薄膜を成膜する。
本発明により得られる固体電解質薄膜は、Liを含有し、Liイオン伝導性を有するものである。また、薄膜中に含まれる炭酸リチウムの割合は、より低いことが好ましく、例えば30mol%未満であることが好ましく、10mol%以下であることがより好ましく、1mol%以下であることがさらに好ましい。抵抗成分となる炭酸リチウムの割合が少なくなることで、Liイオン伝導性が向上するからである。薄膜中に含まれる炭酸リチウムの割合は、例えばICP−MS分析(誘導結合プラズマ質量分析)により求めることができる。なお、本発明により得られる固体電解質薄膜の表面には、nmオーダーの炭酸リチウム膜が析出する可能性が考えられるが、この炭酸リチウム膜は抵抗成分となるため、エッチングにより除去することが好ましい。すなわち、本発明においては、成膜工程の後に、炭酸リチウム膜を除去する除去工程を有することが好ましい。炭酸リチウム膜の除去方法としては、例えばドライエッチング、不活性ガス雰囲気下(例えばArガス雰囲気下)での加熱処理等を挙げることができる。
次に、本発明の固体電解質薄膜について説明する。本発明の固体電解質薄膜は、Liを含有し、薄膜中に含まれる炭酸リチウムの割合が30mol%未満であることを特徴とするものである。
次に、本発明の固体電池について説明する。本発明の固体電池は、正極活物質層と、負極活物質層と、上記正極活物質層および上記負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを有する固体電池であって、上記固体電解質層が、上述した固体電解質薄膜であることを特徴とするものである。
以下、本発明の固体電池について、構成ごとに説明する。
本発明における正極活物質層は、少なくとも正極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。CVD法により正極活物質層を形成する場合、正極活物質層は、例えば正極活物質のみを含有することが好ましい。一方、他の方法(例えば、圧粉法、スラリー塗布法)により正極活物質層を形成する場合、正極活物質層は、例えば固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有することが好ましい。
本発明における負極活物質層は、少なくとも負極活物質を含有する層であり、必要に応じて、固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有していても良い。CVD法により負極活物質層を形成する場合、負極活物質層は、例えば負極活物質のみを含有することが好ましい。一方、他の方法(例えば、圧粉法、スラリー塗布法)により負極活物質層を形成する場合、負極活物質層は、例えば固体電解質材料、導電化材および結着材の少なくとも一つを含有することが好ましい。負極活物質としては、例えば金属活物質およびカーボン活物質を挙げることができる。金属活物質としては、例えばIn、Al、SiおよびSn等を挙げることができる。一方、カーボン活物質としては、例えばメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等を挙げることができる。なお、負極活物質層に用いられる導電化材および結着材については、上述した正極活物質層における場合と同様である。また、負極活物質層の厚さは、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。
本発明における固体電解質層については、上記「B.固体電解質薄膜」に記載した内容と同様であるので、ここでの記載は省略する。
本発明の固体電池は、通常、正極活物質層の集電を行う正極集電体および負極活物質層の集電を行う負極集電体を有する。正極集電体の材料としては、例えばSUS、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタンおよびカーボン等を挙げることができる。一方、負極集電体の材料としては、例えばSUS、銅、ニッケルおよびカーボン等を挙げることができる。また、本発明に用いられる電池ケースには、一般的な電池の電池ケースを用いることができる。
本発明の固体電池は、一次電池であっても良く、二次電池であっても良いが、中でも二次電池であることが好ましい。繰り返し充放電でき、例えば車載用電池として有用だからである。本発明の固体電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。また、本発明の固体電池の製造方法は、上述した固体電池を得ることができる方法であれば特に限定されるものではなく、一般的な電池の製造方法と同様の方法を用いることができる。
基板としてアルミナ基板を用意した。また、固体電解質薄膜の原料として、Li錯体(Li−DPM錯体)、La錯体(La−DPM錯体)、Zr錯体(Zr−DPM錯体)を用意した。次に、基板をCVD装置のチャンバー内の台座部に配置した。その後、チャンバー内の圧力を400Paまで減圧し、基板を900℃まで加熱した。その後、原料加熱炉において、原料を200℃〜300℃程度に加熱し、Arガス(キャリアガス)ともに基板に個別に供給した。同時に、酸素ガスも基板に供給し、レーザー(波長808nm、出力100W)を基板に照射した。これにより、Li7La3Zr2O12である固体電解質薄膜(LLZO薄膜、膜厚3.5μm)を得た。
レーザー照射を行わず、基板加熱温度を850℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、Li7La3Zr2O12である固体電解質薄膜(LLZO薄膜、膜厚3μm)を得た。
(X線回折測定)
実施例1および比較例1で得られた固体電解質薄膜について、X線回折測定(XRD測定)を行った。測定には、薄膜X線回折(RTP300、Rigaku)を用いた。測定条件は、平行法の光学系にてCuKα線を用い、加速電圧は40kVとし、印加電流は40mAとした。その結果を図3に示す。図3に示すように、実施例1および比較例1では、いずれもLLZOの結晶相が形成されていることが確認できた。なお、従来のLLZO焼結体(立方晶)をリファレンスとした。また、実施例1におけるLLZO結晶相は立方晶単相であり、比較例1におけるLLZO結晶相は正方晶単相であった。
実施例1および比較例1で得られた固体電解質薄膜の断面(Arイオン研磨断面)を、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。その結果を図4に示す。図4(a)に示すように、比較例1では、薄膜中にLi2CO3(影の部分)が存在することが確認された。これに対して、図4(b)に示すように、実施例1では、薄膜中にLi2CO3(影の部分)がほとんど存在せず、緻密なLLZO薄膜であることが確認された。
実施例1および比較例1で得られた固体電解質薄膜について、ICP−MS分析(誘導結合プラズマ質量分析)を行った。その結果、比較例1では、LLZO薄膜およびLi2CO3割合が、LLZO:Li2CO3=7:3(モル比)となり、薄膜中に含まれるLi2CO3の割合は30mol%となった。これに対して、実施例1では、薄膜中に含まれるLi2CO3の割合が1%以下であり、Li2CO3の生成が抑制されていることが確認できた。
2 … 固体電解質薄膜
11 … チャンバー
12 … ガス供給部
13 … ガス排出部
14 … 台座部
15 … レーザー
16 … レンズ
17 … レーザー透過窓
21 … 正極活物質層
22 … 負極活物質層
23 … 固体電解質層
24 … 正極集電体
25 … 負極集電体
26 … 電池ケース
30 … 固体電池
Claims (11)
- 少なくともLi源を含有する原料を用い、化学気相蒸着法により、基板上に固体電解質薄膜を成膜する成膜工程を有し、
前記成膜工程において、レーザーを照射しながら前記固体電解質薄膜を成膜することを特徴とする固体電解質薄膜の製造方法。 - 前記固体電解質薄膜中に含まれる炭酸リチウムの割合が、30mol%未満であることを特徴とする請求項1に記載の固体電解質薄膜の製造方法。
- 前記固体電解質薄膜が、ガーネット型固体電解質薄膜であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の固体電解質薄膜の製造方法。
- 前記レーザーの出力が、10W〜200Wの範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の固体電解質薄膜の製造方法。
- 前記基板の加熱温度が、500℃〜1000℃の範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載の固体電解質薄膜の製造方法。
- Liを含有し、薄膜中に含まれる炭酸リチウムの割合が30mol%未満であることを特徴とする固体電解質薄膜。
- 前記炭酸リチウムの割合が、1mol%以下であることを特徴とする請求項6に記載の固体電解質薄膜。
- 前記固体電解質薄膜が、ガーネット型固体電解質薄膜であることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の固体電解質薄膜。
- 前記ガーネット型固体電解質薄膜が、正方晶または立方晶であるLi−La−Zr−O系固体電解質薄膜であることを特徴とする請求項6から請求項8までのいずれかの請求項に記載の固体電解質薄膜。
- 前記固体電解質薄膜の厚さが、0.1μm〜20μmの範囲内であることを特徴とする請求項6から請求項9までのいずれかの請求項に記載の固体電解質薄膜。
- 正極活物質層と、負極活物質層と、前記正極活物質層および前記負極活物質層の間に形成された固体電解質層とを有する固体電池であって、
前記固体電解質層が、請求項6から請求項10までのいずれかの請求項に記載の固体電解質薄膜であることを特徴とする固体電池。
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