JP2014229502A - Manufacturing method of all-solid state lamination battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層型全固体電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a laminated all solid state battery.
リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高い、高電圧での動作が可能といった特徴を有している。そのため、リチウムイオン二次電池は、小型で軽量な二次電池として、携帯電話などの情報機器に使用されている。近年では、ハイブリッド自動車の電源のような大型の動力源として、リチウムイオン二次電池の需要が増えつつある。 Lithium ion secondary batteries have features such as high energy density and high voltage operation. Therefore, lithium ion secondary batteries are used in information devices such as mobile phones as small and light secondary batteries. In recent years, the demand for lithium ion secondary batteries is increasing as a large power source such as a power source of a hybrid vehicle.
リチウムイオン二次電池は、正極、負極及びこれらの間に配置された電解質によって構成されている。電解質は、非水系の電解液又は固体電解質である。広く使用されている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムが不可欠である。一方、固体電解質は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。以下、固体電解質を用いたリチウムイオン二次電池を「全固体電池」と称する。 A lithium ion secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte disposed therebetween. The electrolyte is a non-aqueous electrolyte solution or a solid electrolyte. Since widely used electrolytes are flammable, a system to ensure safety is essential. On the other hand, since the solid electrolyte is nonflammable, the above system can be simplified. Hereinafter, a lithium ion secondary battery using a solid electrolyte is referred to as an “all-solid battery”.
ハイブリッド自動車のように高電圧が必要とされる場合、電解液を用いたリチウムイオン二次電池は、例えば、鉛蓄電池のようにセルとセルとの間に配置された隔壁を必要とする。もしくは、セルごとに電池ケースが必要である。複数のセルを単純に直列に接続すると、電解液がセルの間で共有され、高電圧が得られない。これに対し、全固体電池の電解質は流動性を持たず、セルの間で電解質が共有されない。そのため、全固体電池によれば、複数のセルを単純に直列に接続するだけで高電圧が得られる。以下、このような二次電池を「積層型全固体電池」と称する。 When a high voltage is required as in a hybrid vehicle, a lithium ion secondary battery using an electrolytic solution requires a partition wall disposed between the cells like a lead storage battery, for example. Alternatively, a battery case is required for each cell. When a plurality of cells are simply connected in series, the electrolyte is shared between the cells, and a high voltage cannot be obtained. On the other hand, the electrolyte of an all-solid battery does not have fluidity, and the electrolyte is not shared between cells. Therefore, according to the all solid state battery, a high voltage can be obtained by simply connecting a plurality of cells in series. Hereinafter, such a secondary battery is referred to as a “stacked all-solid battery”.
図5に示すように、特許文献1に記載された積層型全固体電池は、集電体302、正極活物質層303、固体電解質層304及び負極活物質層305をこの順番に基板301の上に形成することによって得られる。
As shown in FIG. 5, the all-solid-state battery described in Patent Document 1 includes a
図6に示すように、特許文献2に記載された積層型全固体電池は、固体電解質層403が互いに接するようにユニット421、ユニット422及びユニット423を一体化することによって得られる。ユニット421は、集電体401、負極402及び固体電解質層403からなる。ユニット422は、固体電解質層403、正極404、集電体401、負極402及び固体電解質層403からなる。ユニット423は、集電体401、正極404及び固体電解質層403からなる。
As shown in FIG. 6, the stacked all solid state battery described in Patent Document 2 is obtained by integrating the
図5に示す構造によれば、各層を基板上に順番に形成しているときに層の剥がれ、ピンホールなどの欠陥が生じた場合、欠陥が生じた層を含めた全体が不良品となる。そのため、製造ロスが大きくなりがちである。図6に示す構造によれば、固体電解質層と固体電解質層とを接合させる必要がある。良好な接合を達成するためには、固体電解質の種類が制限される。 According to the structure shown in FIG. 5, when a layer is peeled off and a defect such as a pinhole occurs when the layers are sequentially formed on the substrate, the whole including the layer in which the defect has occurred becomes a defective product. . Therefore, manufacturing loss tends to be large. According to the structure shown in FIG. 6, it is necessary to join the solid electrolyte layer and the solid electrolyte layer. In order to achieve good bonding, the type of solid electrolyte is limited.
本開示の目的は、固体電解質の種類の制限を受けにくく、かつ製造ロスを減らすことができる技術を提供することにある。 An object of the present disclosure is to provide a technique that is not easily limited by the type of solid electrolyte and that can reduce manufacturing loss.
すなわち、本開示は、
1対の金属層の間に固体電解質層及び活物質層が配置された構造をそれぞれ有する第1ユニット及び第2ユニットを作製する工程と、
前記第1ユニットと前記第2ユニットとが電気的な直列接続を形成するように、前記第1ユニットに前記第2ユニットを積層する工程と、
を含む、積層型全固体電池の製造方法を提供する。
That is, this disclosure
Producing a first unit and a second unit each having a structure in which a solid electrolyte layer and an active material layer are disposed between a pair of metal layers;
Laminating the second unit on the first unit such that the first unit and the second unit form an electrical series connection;
A method for producing a laminated all solid state battery is provided.
上記の製造方法は、固体電解質の種類の制限を受けにくく、製造ロスを減らすことができる。 The above manufacturing method is not easily limited by the type of solid electrolyte, and can reduce manufacturing loss.
特許文献2に記載された方法(図6参照)が固体電解質の種類の制限を受けやすい理由は以下の通りである。固体電解質層が柔軟な硫化物系固体電解質で作られている場合には、固体電解質層と固体電解質層との間で良好な界面接合が形成されうる。しかし、固体電解質層が硬い酸化物系固体電解質で作られている場合には界面接合が形成されにくく、大きな粒界抵抗が生じる。そのため、固体電解質層と固体電解質層とを接合するために、極めて高い温度での焼結工程が不可欠となる。高い温度で焼結を行うと、正極と固体電解質層との界面、又は負極と固体電解質層との界面において元素の相互拡散が起こり、大きい抵抗を有する層が新たに生じる可能性がある。 The reason why the method described in Patent Document 2 (see FIG. 6) is easily restricted by the type of solid electrolyte is as follows. In the case where the solid electrolyte layer is made of a flexible sulfide-based solid electrolyte, a good interfacial junction can be formed between the solid electrolyte layer and the solid electrolyte layer. However, when the solid electrolyte layer is made of a hard oxide solid electrolyte, it is difficult to form an interface junction, resulting in a large grain boundary resistance. Therefore, in order to join the solid electrolyte layer and the solid electrolyte layer, a sintering process at an extremely high temperature is indispensable. When sintering is performed at a high temperature, interdiffusion of elements occurs at the interface between the positive electrode and the solid electrolyte layer or the interface between the negative electrode and the solid electrolyte layer, and a layer having a large resistance may be newly generated.
本開示の第1態様は、
1対の金属層の間に固体電解質層及び活物質層が配置された構造をそれぞれ有する第1ユニット及び第2ユニットを作製する工程と、
前記第1ユニットと前記第2ユニットとが電気的な直列接続を形成するように、前記第1ユニットに前記第2ユニットを積層する工程と、
を含む、積層型全固体電池の製造方法を提供する。
The first aspect of the present disclosure is:
Producing a first unit and a second unit each having a structure in which a solid electrolyte layer and an active material layer are disposed between a pair of metal layers;
Laminating the second unit on the first unit such that the first unit and the second unit form an electrical series connection;
A method for producing a laminated all solid state battery is provided.
第1態様によれば、第1ユニット及び第2ユニットを作製した時点で、各ユニットの良否を判別できる。つまり、不具合のあるユニットを積層工程の前に排除できるので、製造ロスの発生も極力抑制される。さらに、電気的な直列接続が形成されるように第1ユニットに第2ユニットが積層される。このとき、第1ユニットの金属層に第2ユニットの金属層が接する。そのため、第1態様の方法は固体電解質の種類の制限を受けにくい。その結果、高いエネルギー密度を有する積層型全固体電池を効率的に製造することができる。 According to the first aspect, when the first unit and the second unit are produced, the quality of each unit can be determined. That is, since defective units can be eliminated before the stacking process, production loss is suppressed as much as possible. Further, the second unit is stacked on the first unit so as to form an electrical series connection. At this time, the metal layer of the second unit is in contact with the metal layer of the first unit. Therefore, the method of the first aspect is not easily limited by the type of solid electrolyte. As a result, it is possible to efficiently manufacture a stacked all-solid battery having a high energy density.
本開示の第2態様は、第1態様に加え、前記1対の金属層が、互いに異なる方法で形成された第1金属層と第2金属層とを含み、前記第1ユニットの前記第1金属層に前記第2ユニットの前記第2金属層が接するように、前記積層工程を実施する、積層型全固体電池の製造方法を提供する。第1金属層及び第2金属層が互いに異なる方法で形成されていたとしても、金属層同士を接触させることによって、複数のユニットを容易に積層することができる。 According to a second aspect of the present disclosure, in addition to the first aspect, the pair of metal layers includes a first metal layer and a second metal layer formed by different methods, and the first unit of the first unit includes Provided is a method for manufacturing a stacked all solid state battery, wherein the stacking step is performed so that the second metal layer of the second unit is in contact with the metal layer. Even if the first metal layer and the second metal layer are formed by different methods, a plurality of units can be easily stacked by bringing the metal layers into contact with each other.
本開示の第3態様は、第1又は第2態様に加え、前記1対の金属層が、互いに異なる方法で形成された第1金属層と第2金属層とを含み、前記第1ユニット及び前記第2ユニットを作製する工程において、前記第1金属層として金属箔又は金属薄板を使用し、前記第2金属層を成膜方法によって形成する、積層型全固体電池の製造方法を提供する。第1金属層が箔又は薄板のように自立性を有する場合、第1金属層を基板として使用できる。また、第3態様によれば、固体電解質層又は活物質層の上に第2金属層を容易に形成できる。 According to a third aspect of the present disclosure, in addition to the first or second aspect, the pair of metal layers includes a first metal layer and a second metal layer formed by different methods, and the first unit and In the step of producing the second unit, there is provided a method for producing a stacked all solid state battery, wherein a metal foil or a metal thin plate is used as the first metal layer, and the second metal layer is formed by a film forming method. When the first metal layer is self-supporting like a foil or a thin plate, the first metal layer can be used as a substrate. According to the third aspect, the second metal layer can be easily formed on the solid electrolyte layer or the active material layer.
本開示の第4態様は、第2又は第3態様に加え、前記第2金属層の厚さは、前記第1金属層の厚さよりも小さい、積層型全固体電池の製造方法を提供する。第2金属層を十分に薄くすることによって、積層型全固体電池のエネルギー密度を高めることができる。 According to a fourth aspect of the present disclosure, in addition to the second or third aspect, there is provided a method for manufacturing a stacked all solid state battery, wherein the thickness of the second metal layer is smaller than the thickness of the first metal layer. By making the second metal layer sufficiently thin, the energy density of the stacked all-solid battery can be increased.
本開示の第5態様は、第1〜第4態様のいずれか1つに加え、前記1対の金属層が、互いに異なる方法で形成された第1金属層と第2金属層とを含み、前記第1ユニット及び前記第2ユニットを作製する工程において、前記固体電解質層の一方の主面に前記第1金属層を接触させ、前記固体電解質層の他方の主面に前記活物質層を接触させる、積層型全固体電池の製造方法を提供する。このような構造によれば、積層型全固体電池のエネルギー密度を高めることが可能である。 According to a fifth aspect of the present disclosure, in addition to any one of the first to fourth aspects, the pair of metal layers includes a first metal layer and a second metal layer formed by different methods, In the step of manufacturing the first unit and the second unit, the first metal layer is brought into contact with one main surface of the solid electrolyte layer, and the active material layer is brought into contact with the other main surface of the solid electrolyte layer A method for manufacturing a laminated all solid state battery is provided. According to such a structure, it is possible to increase the energy density of the laminated all solid state battery.
本開示の第6態様は、第1〜第5態様のいずれか1つに加え、前記1対の金属層が、互いに異なる方法で形成された第1金属層と第2金属層とを含み、前記第1ユニット及び第2ユニットを作製する工程において、前記固体電解質層を形成する方法、前記活物質層を形成する方法及び前記第2金属層を形成する方法のそれぞれが、スパッタ法、蒸着法、サーマルスプレー法、コールドスプレー法又はエアロゾルデポジション法である、積層型全固体電池の製造方法を提供する。これらの成膜方法は、酸化物系の固体電解質を使って固体電解質層を形成する場合にも好適に採用できる。また、これらの成膜方法によれば、固体電解質層と活物質層との間の密着性を十分に高めることができる。 In a sixth aspect of the present disclosure, in addition to any one of the first to fifth aspects, the pair of metal layers includes a first metal layer and a second metal layer formed by different methods, In the step of manufacturing the first unit and the second unit, a method of forming the solid electrolyte layer, a method of forming the active material layer, and a method of forming the second metal layer are respectively a sputtering method and a vapor deposition method. A method for producing a laminated all-solid-state battery, which is a thermal spray method, a cold spray method, or an aerosol deposition method. These film forming methods can also be suitably employed when forming a solid electrolyte layer using an oxide-based solid electrolyte. Moreover, according to these film-forming methods, the adhesiveness between a solid electrolyte layer and an active material layer can fully be improved.
本開示の第7態様は、第6態様に加え、前記固体電解質層を形成する方法及び前記活物質層を形成する方法が、サーマルスプレー法、コールドスプレー法又はエアロゾルデポジション法である、積層型全固体電池の製造方法を提供する。これらの成膜方法によれば、固体電解質層及び活物質層を比較的低い温度条件で形成できる。 According to a seventh aspect of the present disclosure, in addition to the sixth aspect, the method of forming the solid electrolyte layer and the method of forming the active material layer are a thermal spray method, a cold spray method, or an aerosol deposition method. A method for manufacturing an all-solid battery is provided. According to these film forming methods, the solid electrolyte layer and the active material layer can be formed under relatively low temperature conditions.
本開示の第8態様は、第1〜第7態様のいずれか1つに加え、前記活物質層を第1活物質層と定義したとき、前記第1ユニット及び前記第2ユニットを作製する工程において、前記第1活物質層とは異なる作動電位及び前記第1活物質層の反対の極性を有し、前記固体電解質層を介して前記第1活物質層から隔てられている第2活物質層をさらに形成する、積層型全固体電池の製造方法を提供する。このような構成によれば、第1活物質層と第2活物質層との間で元素(例えば、リチウム又はナトリウム)が移動する。従って、充放電に伴う第1ユニット及び第2ユニットの体積の変動を抑制することができる。 In an eighth aspect of the present disclosure, in addition to any one of the first to seventh aspects, when the active material layer is defined as a first active material layer, the first unit and the second unit are produced. A second active material having an operating potential different from that of the first active material layer and a polarity opposite to that of the first active material layer, and separated from the first active material layer via the solid electrolyte layer Provided is a method for manufacturing a laminated all-solid battery, in which a layer is further formed. According to such a configuration, an element (for example, lithium or sodium) moves between the first active material layer and the second active material layer. Therefore, the fluctuation | variation of the volume of the 1st unit and 2nd unit accompanying charging / discharging can be suppressed.
本開示の第9態様は、
第1金属層と第2金属層との間に固体電解質層及び活物質層が配置された構造を有する第1ユニットと、
前記第1金属層と前記第2金属層との間に前記固体電解質層及び前記活物質層が配置された構造を有し、前記第1ユニットに積層された第2ユニットと、
を備え、
前記第2金属層の厚さは、前記第1金属層の厚さよりも小さく、
前記第1ユニットと前記第2ユニットとが電気的な直列接続を形成するように、前記第1ユニットが前記第2ユニットに積層されている、積層型全固体電池を提供する。
The ninth aspect of the present disclosure is:
A first unit having a structure in which a solid electrolyte layer and an active material layer are disposed between the first metal layer and the second metal layer;
A second unit that has a structure in which the solid electrolyte layer and the active material layer are disposed between the first metal layer and the second metal layer, and is stacked on the first unit;
With
The thickness of the second metal layer is smaller than the thickness of the first metal layer,
Provided is a stacked all solid state battery in which the first unit is stacked on the second unit so that the first unit and the second unit form an electrical series connection.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the following embodiment.
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態の積層型全固体電池30(以下、「電池30」と称する)は、複数(図1では2つ)のユニット10を積層することによって形成されている。ユニット10は、第1金属層11、固体電解質層13、活物質層14(正極活物質層)及び第2金属層15を有し、これらの層をこの順番で積層することによって形成されている。すなわち、ユニット10は、1対の金属層11及び15の間に固体電解質層13及び活物質層14が配置された構造を有する。ユニット10においては、第1金属層11に固体電解質層13が接し、第2金属層15に活物質層14が接している。固体電解質層13は、セパレータの役割を担っており、第1金属層11と活物質層14とを電気的に隔てている。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the stacked all-solid battery 30 (hereinafter referred to as “
充電時には、活物質層14からリチウム又はナトリウムが脱離する。リチウム又はナトリウムは、固体電解質層13を伝導し、第1金属層11の上に析出する。詳細には、リチウム又はナトリウムは、第1金属層11と固体電解質層13との間に析出する。放電時には、リチウム又はナトリウムが固体電解質層13を伝導し、活物質層14に挿入(吸蔵)される。
At the time of charging, lithium or sodium is detached from the
次に、電池30の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、複数のユニット10を作製する。具体的には、任意の成膜方法によって第1金属層11の上に固体電解質層13、活物質層14及び第2金属層15をこの順番で形成する。これにより、ユニット10が得られる。
First, a plurality of
第1金属層11を形成するための金属材料として、リチウム、ナトリウムなどのアルカリ金属と合金化しにくい金属材料を使用できる。そのような金属材料としては、ニッケル、鉄、銅、白金、これらから選ばれる1つを主要構成元素として含む合金、ステンレスなどが挙げられる。第1金属層11は、上記の金属材料で作られた箔又は上記の金属材料で作られた薄板であることが望ましい。第1金属層11が箔又は薄板のように自立性を有する場合、後述する成膜工程において、第1金属層11を基板として使用できる。また、金属箔又は金属薄板の使用は、コスト及び生産性の観点においても優れている。本明細書において、「主要構成元素」とは、質量比で最も多く含まれた元素を意味する。なお、金属箔と金属薄板との間に大きな違いはない。例えば、100μm未満の厚さのものを箔、100μm以上の厚さのものを薄板と定義することができる。また、自重によって曲がるものを箔、曲がらないものを薄板と定義することもできる。体積エネルギー密度の観点では、金属箔を使用することが有利である。
As a metal material for forming the
固体電解質層13を形成するための固体電解質として、リチウムイオン又はナトリウムイオン導電性固体電解質を使用できる。リチウムイオン導電性固体電解質としては、Li3Zr2Si2PO12、Li7La3Zr2O12、Li5La3Ta2O12、Li1+xAlxTi2-x(PO4)3、Li1.5Ti1.7Al0.8P2.8Si0.2O12、La2/3-xLi3xTiO3、Li2S−SiS2系ガラス、Li2S−P2S5系ガラス、Li2S−P2S5系ガラスセラミックス、Li2S−B2S3系ガラス、Li3.25Ge0.25P0.75S4、Li10GeP2S12などが挙げられる。ナトリウムイオン導電性固体電解質としては、β−Al2O3、Na1.3Zr2Si0.3P2.7O12、Na3Zr2Si2PO12、Na3PS3などが挙げられる。
As the solid electrolyte for forming the
固体電解質層13は、スパッタ法、蒸着法、サーマルスプレー法、コールドスプレー法、エアロゾルデポジション法などの成膜方法(詳細には、気相中での成膜方法)で形成されうる。これらの成膜方法は、酸化物系の固体電解質を使って固体電解質層13を形成する場合にも好適に採用できる。また、これらの成膜方法は、粒界抵抗の低減にも効果がある。酸化物系の固体電解質を使用して成形体を得るためには、一般には、高温での焼結工程が必要である。しかし、上記の成膜方法によれば、そのような焼結工程を省略できる。
The
高い成膜温度が要求されないことから、固体電解質層13を形成するための方法として、サーマルスプレー法、コールドスプレー法又はエアロゾルデポジション法が望ましい。固体電解質層13を低い温度条件で形成することによって、結晶相の変化、非晶質化、非晶質相の結晶化などの変化が固体電解質に生じることを防止できる。言い換えれば、成膜工程で固体電解質が劣化することを防止できる。その結果、固体電解質の本来の特性が成膜後も確実に発揮される。さらに、サーマルスプレー法、コールドスプレー法及びエアロゾルデポジション法は、高い成膜速度を達成できるので、大容量のユニット10の作製に適している。
Since a high film forming temperature is not required, a thermal spray method, a cold spray method or an aerosol deposition method is desirable as a method for forming the
活物質層14を形成するための活物質として、リチウムを含む遷移金属酸化物、リチウムを含む遷移金属硫化物、ナトリウムを含む遷移金属酸化物、ナトリウムを含む遷移金属硫化物などのアルカリ金属を含む遷移金属化合物を使用できる。リチウムを含む遷移金属酸化物としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNi1-xMnxO2(0<x≦1)、LiNi1-x-yMnxCoyO2(0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦1)、LiNi1-x-yCoxAlyO2(0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦1)などが挙げられる。リチウムを含む遷移金属硫化物としては、LiTiS2、LiMoS2などが挙げられる。ナトリウムを含む遷移金属酸化物としては、NaCoO2、NaFeO2、NaFe0.4Mn0.3Ni0.3O2、NaCrO2、Na2/3Fe0.5Mn0.5O2、Na2FePO4F、Na3V2(PO4)2F3、NaVPO4F、Na4Mn3(PO4)2(P2O7)、NaFeF3などが挙げられる。ナトリウムを含む遷移金属硫化物としては、NaTiS2、NaMoS2などが挙げられる。
The active material for forming the
活物質層14は、スパッタ法、蒸着法、サーマルスプレー法、コールドスプレー法、エアロゾルデポジション法などの成膜方法(詳細には、気相中での成膜方法)で形成されうる。これらの方法によれば、固体電解質層13と活物質層14との間の密着性を十分に高めることができる。
The
高い成膜温度が要求されないことから、活物質層14を形成するための方法として、サーマルスプレー法、コールドスプレー法又はエアロゾルデポジション法が望ましい。活物質層14を低い温度条件で形成することによって、結晶相の変化、非晶質化、非晶質相の結晶化などの変化が活物質に生じることを防止できる。言い換えれば、成膜工程で活物質が劣化することを防止できる。その結果、活物質の本来の特性が成膜後も確実に発揮される。
Since a high film forming temperature is not required, a thermal spray method, a cold spray method, or an aerosol deposition method is desirable as a method for forming the
第2金属層15を形成するための金属材料として、リチウム、ナトリウムなどのアルカリ金属と合金化しにくい金属材料を使用できる。そのような金属材料としては、ニッケル、鉄、銅、白金、これらから選ばれる1つを主要構成元素として含む合金、ステンレスなどが挙げられる。
As a metal material for forming the
第2金属層15は、固体電解質層13及び活物質層14と同様に、スパッタ法、蒸着法、サーマルスプレー法、コールドスプレー法、エアロゾルデポジション法などの成膜方法(詳細には、気相中での成膜方法)で形成されうる。これらの成膜方法によれば、活物質層14の上に第2金属層15を容易に形成できる。また、金属材料に高い温度が加えられたとしても、金属材料の特性には大きな影響が及ばないことが多い。そのため、第2金属層15を形成するときの温度条件は比較的緩やかである。ただし、固体電解質層13及び活物質層14に悪影響が及ぶことを避けるために、第2金属層15もサーマルスプレー法、コールドスプレー法又はエアロゾルデポジション法で形成されることが望ましい。なお、湿式の成膜方法によって第2金属層15を形成することも可能である。例えば、活物質層14の上に導電性ペーストを塗布することによって第2金属層15を形成できる。さらに、活物質層14の上に金属箔を貼り合わせることによって第2金属層15を形成することも可能である。
Similar to the
第2金属層15に含まれた主要な金属元素は、第1金属層11に含まれた主要な金属元素と同じであってもよい。第2金属層15の組成が第1金属層11の組成と同じであってもよい。本実施形態において、第1金属層11と第2金属層15との相違点は、これらの金属層11及び15が互いに異なる方法で形成されている点にある。第1金属層11としての金属箔又は金属薄板は、圧延によって得られる。第2金属層15は、気相中での成膜方法によって形成されうる。そのため、第2金属層15の厚さは、第1金属層11の厚さよりも小さい。第1金属層11の厚さt1に対する第2金属層15の厚さt2の比率(t2/t1)は、例えば、1/1000≦(t2/t1)<1の関係を満たす。第2金属層15を十分に薄くすることによって、電池30のエネルギー密度を高めることができる。もちろん、第2金属層15の厚さが第1金属層11の厚さに等しい可能性もある。なお、「主要な金属元素」とは、質量比で最も多く含まれた金属元素を意味する。
The main metal element contained in the
固体電解質層13、活物質層14及び第2金属層15は、全て同じ成膜方法(例えば、エアロゾルデポジション法)によって形成されてもよいし、互いに異なる成膜方法で形成されてもよい。
The
以上の成膜工程を経て、ユニット10が得られる。複数のユニット10を作製し、複数のユニット10が電気的な直列接続を形成するように、複数のユニット10を積層する。図1に示すように、第1金属層11と第2金属層15との間に固体電解質層13及び活物質層14が配置されているとき、あるユニット10(第1ユニット)の第1金属層11に別のユニット10(第2ユニット)の第2金属層15が接するように、積層工程を実施することができる。これにより、電池30が得られる。第1金属層11及び第2金属層15が互いに異なる方法で形成されていたとしても、金属層同士を接触させることによって、複数のユニット10を容易に積層することができる。ユニット10の数を増やすことによって、電池30の高電圧化が可能である。
The
隣り合うユニット10の間の電気的な接続は、金属層を互いに接触させるだけで達成される。ただし、複数のユニット10は、接着性を有する導電層を介して接合又は接続されていてもよい。このようにすれば、ユニット10の位置ずれが生じたりすることを防止できる。導電層は、典型的には、導電性両面テープ又は導電性ペーストによって形成されうる。
Electrical connection between
本実施形態では、ユニット10を作製する工程において、固体電解質層13の一方の主面(例えば、下面)に第1金属層11を接触させ、固体電解質層13の他方の主面(例えば、上面)に活物質層14を接触させる。このような構造によれば、電池30のエネルギー密度を高めることが可能である。
In the present embodiment, in the step of manufacturing the
本実施形態の方法によれば、ユニット10ごとに特性バラつきを管理できるだけでなく、ユニット10ごとに不良品を発見するための検査を容易に実施できる。つまり、ユニット10を作製した時点で不良品を発見することが可能である。このことは、製造ロスの低減に寄与する。また、固体電解質の種類に依存することなくユニット10の大面積化を図ることができる。その結果、高いエネルギー密度を有する電池30を提供できる。
According to the method of the present embodiment, not only can the characteristic variation be managed for each
以下、変形例1、第2実施形態及び変形例2を説明する。図1に示す電池30と以下の変形例又は実施形態とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略する。
Hereinafter, Modification Example 1, Second Embodiment, and Modification Example 2 will be described. Elements common to the
(変形例1)
図2に示すように、積層型全固体電池30aは、ユニット10とユニット10aとを交互に積層することによって形成されている。ユニット10aにおいて、第1金属層11、活物質層14、固体電解質層13及び第2金属層15がこの順番で積層されている。すなわち、第1金属層11と第2金属層15との間における固体電解質層13及び活物質層14の配列は限定されない。ユニット10aにおいては、第1金属層11に活物質層14が接し、第2金属層15に固体電解質層13が接している。この配列は、ユニット10における固体電解質層13及び活物質層14の配列と逆である。
(Modification 1)
As shown in FIG. 2, the stacked all-
電池30aにおいては、第1金属層11同士が直接又は導電層を介して接し、第2金属層15同士が直接又は導電層を介して接している。さらに、複数のユニット10aのみを使用して積層型全固体電池を得ることもできる。
In the
(第2実施形態)
図3に示すように、本実施形態の電池40は、複数(図3では2つ)のユニット20を積層することによって形成されている。ユニット20は、第1金属層11、第2活物質層12(負極活物質層)、固体電解質層13、第1活物質層14(正極活物質層)及び第2金属層15を有し、これらの層をこの順番で積層することによって形成されている。ユニット20においては、第1金属層11に第2活物質層12が接し、第2金属層15に第1活物質層14が接している。
(Second Embodiment)
As shown in FIG. 3, the
すなわち、ユニット20は、図1を参照して説明したユニット10に第2活物質層12を追加することによって得られる。第2活物質層12は、第1活物質層14とは異なる作動電位及び第1活物質層14の反対の極性を有する。本実施形態では、第1活物質層14が正極活物質層であり、第2活物質層12が負極活物質層である。固体電解質層13によって、第2活物質層12が第1活物質層14から電気的に隔てられている。このような構成によれば、第1活物質層14と第2活物質層12との間でリチウム又はナトリウムが移動する。従って、充放電に伴うユニット20の体積の変動を抑制することができる。なお、「作動電位」は、基準電位(例えば、リチウムの還元電位)に対する第1活物質層14又は第2活物質層12の還元電位を意味する。
That is, the
第2活物質層12を形成するための材料(第2活物質)として、金属リチウム、金属ナトリウムなどのアルカリ金属を使用できる。さらに、リチウムイオン又はナトリウムイオンを吸蔵及び放出しうる化合物も使用できる。例えば、黒鉛、ハードカーボン、ケイ素、ケイ素酸化物、金属シリサイド、スズ、酸化スズ、スズ合金、インジウム、インジウム合金、ゲルマニウム、ゲルマニウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金、Li[Li1/3Ti5/3]O4、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどを使用できる。
As a material (second active material) for forming the second
第2活物質層12もスパッタ法、蒸着法、サーマルスプレー法、コールドスプレー法、エアロゾルデポジション法などの成膜方法(気相中での成膜方法)で形成されうる。高い成膜温度が要求されないことから、第2活物質層12を形成するための方法として、サーマルスプレー法、コールドスプレー法又はエアロゾルデポジション法が望ましい。第2活物質層12を低い温度条件で形成することによって、結晶相の変化、非晶質化、非晶質相の結晶化などの変化が活物質に生じることを防止できる。言い換えれば、成膜工程で活物質が劣化することを防止できる。その結果、活物質の本来の特性が成膜後も確実に発揮される。特に、Li[Li1/3Ti5/3]O4、二硫化チタン、二硫化モリブデンのように、熱の影響を受けやすい材料を使用する場合には、低い温度条件での成膜が望まれる。
The second
複数のユニット20を作製し、複数のユニット20が電気的な直列接続を形成するように、複数のユニット20を積層する。図3に示すように、第1金属層11と第2金属層15との間に第2活物質層12、固体電解質層13及び第1活物質層14が配置されているとき、あるユニット20(第1ユニット)の第1金属層11に別のユニット20(第2ユニット)の第2金属層15が接するように、積層工程を実施することができる。これにより、電池40が得られる。ユニット20の数を増やすことによって、電池40の高電圧化が可能である。第1実施形態と同様に、複数のユニット20は、接着性を有する導電層を介して接合又は接続されていてもよい。
A plurality of
(変形例2)
図4に示すように、積層型全固体電池40aは、ユニット20とユニット20aとを交互に積層することによって形成されている。ユニット20aにおいて、第1金属層11、第1活物質層14、固体電解質層13、第2活物質層12及び第2金属層15がこの順番で積層されている。すなわち、第1金属層11と第2金属層15との間における第2活物質層12及び第1活物質層14の配列は限定されない。ユニット20aにおいては、第1金属層11に第1活物質層14が接し、第2金属層15に第2活物質層12が接している。この配列は、ユニット20における第2活物質層12及び第1活物質層14の配列と逆である。
(Modification 2)
As shown in FIG. 4, the stacked all
電池40aにおいては、第1金属層11同士が直接又は導電層を介して接し、第2金属層15同士が直接又は導電層を介して接している。もちろん、複数のユニット40aのみを使用して積層型全固体電池を得ることもできる。
In the
以上のように、本明細書に開示された方法は、製造ロスを低減できるだけでなく、固体電解質の種類の制限を受けにくい。その結果、高いエネルギー密度及び高い信頼性を有する全固体電池を安価に提供できる。 As described above, the method disclosed in the present specification not only can reduce manufacturing loss, but also is not easily limited by the type of solid electrolyte. As a result, an all-solid battery having high energy density and high reliability can be provided at low cost.
本明細書に開示された方法で製造された積層型全固体電池は、ポータブル機器、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、電気自動車、定置用電源などに幅広く使用されうる。 The all-solid-state battery manufactured by the method disclosed in the present specification can be widely used in portable devices, hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles, electric vehicles, stationary power supplies, and the like.
10,10a,20,20a ユニット
11 第1金属層
12 第2活物質層
13 固体電解質層
14 第1活物質層
15 第2金属層
30,30a,40,40a 積層型全固体電池
10, 10a, 20,
Claims (9)
前記第1ユニットと前記第2ユニットとが電気的な直列接続を形成するように、前記第1ユニットに前記第2ユニットを積層する工程と、
を含む、積層型全固体電池の製造方法。 Producing a first unit and a second unit each having a structure in which a solid electrolyte layer and an active material layer are disposed between a pair of metal layers;
Laminating the second unit on the first unit such that the first unit and the second unit form an electrical series connection;
A method for producing a laminated all solid state battery.
前記第1ユニットの前記第1金属層に前記第2ユニットの前記第2金属層が接するように、前記積層工程を実施する、請求項1に記載の積層型全固体電池の製造方法。 The pair of metal layers includes a first metal layer and a second metal layer formed by different methods;
The method for manufacturing a stacked all-solid-state battery according to claim 1, wherein the stacking step is performed so that the second metal layer of the second unit is in contact with the first metal layer of the first unit.
前記第1ユニット及び前記第2ユニットを作製する工程において、前記第1金属層として金属箔又は金属薄板を使用し、前記第2金属層を成膜方法によって形成する、請求項1又は2に記載の積層型全固体電池の製造方法。 The pair of metal layers includes a first metal layer and a second metal layer formed by different methods;
3. The step of manufacturing the first unit and the second unit uses a metal foil or a metal thin plate as the first metal layer, and forms the second metal layer by a film forming method. A method for producing a laminated all solid state battery.
前記第1ユニット及び前記第2ユニットを作製する工程において、前記固体電解質層の一方の主面に前記第1金属層を接触させ、前記固体電解質層の他方の主面に前記活物質層を接触させる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の積層型全固体電池の製造方法。 The pair of metal layers includes a first metal layer and a second metal layer formed by different methods;
In the step of manufacturing the first unit and the second unit, the first metal layer is brought into contact with one main surface of the solid electrolyte layer, and the active material layer is brought into contact with the other main surface of the solid electrolyte layer The manufacturing method of the laminated | stacked all-solid-state battery of any one of Claims 1-4.
前記第1ユニット及び第2ユニットを作製する工程において、前記固体電解質層を形成する方法、前記活物質層を形成する方法及び前記第2金属層を形成する方法のそれぞれが、スパッタ法、蒸着法、サーマルスプレー法、コールドスプレー法又はエアロゾルデポジション法である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の積層型全固体電池の製造方法。 The pair of metal layers includes a first metal layer and a second metal layer formed by different methods;
In the step of manufacturing the first unit and the second unit, a method of forming the solid electrolyte layer, a method of forming the active material layer, and a method of forming the second metal layer are respectively a sputtering method and a vapor deposition method. The manufacturing method of the laminated | stacked all-solid-state battery of any one of Claims 1-5 which is a thermal spray method, a cold spray method, or an aerosol deposition method.
前記第1ユニット及び前記第2ユニットを作製する工程において、前記第1活物質層とは異なる作動電位及び前記第1活物質層の反対の極性を有し、前記固体電解質層を介して前記第1活物質層から隔てられている第2活物質層をさらに形成する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の積層型全固体電池の製造方法。 When the active material layer is defined as the first active material layer,
In the step of fabricating the first unit and the second unit, the first active material layer has an operating potential different from that of the first active material layer and a polarity opposite to the first active material layer, and the first unit and the second unit are interposed through the solid electrolyte layer The manufacturing method of the laminated | stacked all-solid-state battery of any one of Claims 1-7 which further forms the 2nd active material layer separated from the 1 active material layer.
前記第1金属層と前記第2金属層との間に前記固体電解質層及び前記活物質層が配置された構造を有し、前記第1ユニットに積層された第2ユニットと、
を備え、
前記第2金属層の厚さは、前記第1金属層の厚さよりも小さく、
前記第1ユニットと前記第2ユニットとが電気的な直列接続を形成するように、前記第1ユニットが前記第2ユニットに積層されている、積層型全固体電池。
A first unit having a structure in which a solid electrolyte layer and an active material layer are disposed between the first metal layer and the second metal layer;
A second unit that has a structure in which the solid electrolyte layer and the active material layer are disposed between the first metal layer and the second metal layer, and is stacked on the first unit;
With
The thickness of the second metal layer is smaller than the thickness of the first metal layer,
A stacked all solid state battery, wherein the first unit is stacked on the second unit such that the first unit and the second unit form an electrical series connection.
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