JP2015076158A - All-solid secondary battery, manufacturing method of the same, and sensor system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、全固体二次電池、全固体二次電池の製造方法、及びセンサシステムに関する。 The present invention relates to an all-solid secondary battery, a method for producing an all-solid secondary battery, and a sensor system.
充放電により電気エネルギを繰り返し供給できるリチウムイオン二次電池等の二次電池は、様々な機器へ応用されつつある。 Secondary batteries such as lithium ion secondary batteries that can repeatedly supply electric energy by charging and discharging are being applied to various devices.
二次電池が備える電解質は液体又は固体であり、電解質が固体の二次電池は全固体二次電池と呼ばれる。全固体二次電池は、電解質が固体であるため、液もれが発生せず安全である。更に、全固体二次電池は、半導体プロセスで形成することができるため、製造が容易であるという利点もある。 The electrolyte included in the secondary battery is liquid or solid, and the secondary battery having a solid electrolyte is called an all-solid secondary battery. The all-solid-state secondary battery is safe because it does not leak because the electrolyte is solid. Furthermore, since the all-solid-state secondary battery can be formed by a semiconductor process, there is an advantage that it is easy to manufacture.
全固体二次電池、全固体二次電池の製造方法、及びセンサシステムにおいて信頼性を向上させることを目的とする。 It is an object of the present invention to improve reliability in an all-solid secondary battery, an all-solid secondary battery manufacturing method, and a sensor system.
以下の開示の一観点によれば、基板と、前記基板の上に第1の電極と固体電解質と第2の電極とを順に積層してなる電池部と、前記電池部の周囲に設けられた枠と、前記電池部と前記枠とを覆う封止膜とを有する全固体二次電池が提供される。 According to one aspect of the disclosure below, a substrate, a battery unit in which a first electrode, a solid electrolyte, and a second electrode are sequentially stacked on the substrate, and the periphery of the battery unit are provided. An all solid state secondary battery having a frame and a sealing film covering the battery part and the frame is provided.
更に、その開示の他の観点によれば、基板の上に枠を形成する工程と、前記枠の内側に、第1の電極と固体電解質と第2の電極とを順に積層して電池部を形成する工程と、前記電池部と前記枠とを覆う封止膜を形成する工程とを有する全固体二次電池の製造方法が提供される。 Further, according to another aspect of the disclosure, a battery unit is formed by sequentially stacking a first electrode, a solid electrolyte, and a second electrode inside the frame, the step of forming a frame on the substrate. There is provided a method for producing an all-solid-state secondary battery including a forming step and a step of forming a sealing film that covers the battery part and the frame.
また、その開示の別の観点によれば、全固体二次電池と、前記全固体二次電池が蓄えた電力で駆動するセンサと、前記全固体二次電池が蓄えた電力で駆動し、前記センサからの情報を無線送信する送信部とを有し、前記全固体二次電池は、第1の電極と固体電解質と第2の電極とを順に積層してなる電池部と、前記電池部の周囲に設けられた枠と、前記電池部と前記枠とを覆う封止膜とを有するセンサシステムが提供される。 According to another aspect of the disclosure, the all-solid-state secondary battery, a sensor that is driven by the power stored in the all-solid-state secondary battery, and the power that is stored in the all-solid-state secondary battery are driven, A transmission unit that wirelessly transmits information from the sensor, and the all-solid-state secondary battery includes: a battery unit in which a first electrode, a solid electrolyte, and a second electrode are sequentially stacked; and There is provided a sensor system having a frame provided around, and a sealing film covering the battery part and the frame.
以下の開示によれば、充放電によって電池部の高さが変化した場合であっても、電池部につられて封止膜が伸縮しようとするのを枠で抑えることができる。これにより、封止膜に繰り返しかかる応力を抑制して、封止膜に亀裂が入り難い信頼性の高い全固体二次電池を提供することができる。 According to the following disclosure, even when the height of the battery part is changed due to charging / discharging, it is possible to suppress the sealing film from being stretched and contracted by the battery part with a frame. Thereby, the stress applied repeatedly to the sealing film can be suppressed, and a highly reliable all-solid secondary battery that is difficult to crack the sealing film can be provided.
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。 Prior to the description of the present embodiment, items studied by the inventor will be described.
図1は、本願発明者が検討した全固体二次電池1の断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an all-solid
図1に示すように、全固体二次電池1は、基板2の上に、第1の電極3、電解質4、及び第2の電極5を順に積層してなる電池部6を有する。基板2の表面から測った電池部6の高さはTであり、その電池部6は封止膜7で覆われる。
As shown in FIG. 1, the all-solid-state
基板2は、例えばシリコン基板である。また、第1の電極3は、電池部6の正極であり、コバルト酸リチウム(LiCoO2)などの材料から形成される。そして、第2の電極5は、電池部6の負極であり、リチウム(Li)などの材料から形成される。
The
また、電解質4は固体であって、その材料としてはリン酸リチウム(LiPON)などのリチウム塩がある。また、封止膜7の材料としては、アクリル等の樹脂がある。
The
更に、第1の電極3と基板2との間には第1の集電体8が設けられ、第2の電極5の上には第2の集電体9が設けられる。各集電体8、9の材料は例えばプラチナ(Pt)であり、電池部6の充放電はこれらの集電体8、9を介して行われる。
Further, a first
図2は、全固体二次電池1の充放電曲線である。
FIG. 2 is a charge / discharge curve of the all solid state
図2の放電曲線に示すように、全固体二次電池1は、放電によりその電圧値が凡そ3.0Vよりも低下すると電圧値が急激に低下する。よって、電圧値が3.0Vの点は全固体二次電池1が放電完了となる目安の電圧値であって、以下ではその電圧値に対応する全固体二次電池1の容量を第1の充電量C1と呼ぶ。
As shown in the discharge curve of FIG. 2, the voltage value of the all-solid-state
また、図2の充電曲線に示すように、全固体二次電池1は、充電によりその電圧値が凡そ4.1Vよりも高くなると電圧値の上昇が緩やかとなる。よって、電圧値が4.1Vの点は全固体二次電池1が充電完了となる目安の電圧値であって、以下ではその電圧値に対応する全固体二次電池1の容量を第2の充電量C2と呼ぶ。
Further, as shown in the charging curve of FIG. 2, when the voltage value of the all-solid-state
図3(a)は、第1の充電量C1の全固体二次電池1の断面図であり、図3(b)は、第2の充電量C2の全固体二次電池1の断面図である。
3A is a cross-sectional view of the all-solid-state
図3(a)に示すように、第1の充電量C1のとき、電池部6の高さTは第1の高さT1を有する。
As shown in FIG. 3A, the height T of the
この状態において電池部6に対して充電を行うと、第1の電極3のコバルト酸リチウムの結晶からリチウムイオン(Li+)が放出される。
When the
そして、図3(b)に示すように、上記のリチウムイオン(Li+)は電解質4を通って第2の電極5の下面に到達し、そこで電子と結合することでリチウムの金属層10が形成される。
Then, as shown in FIG. 3 (b), the lithium ions (Li + ) reach the lower surface of the
この結果、電池部6の高さTは、金属層10の厚さTLiの分だけ高くなり、第2の高さT2=T1+TLiとなる。
As a result, the height T of the
これとは逆に、放電時には金属層10のリチウムが電子を放出してリチウムイオン(Li+)となり、そのリチウムイオンが第1の電極3へと移動する。これにより、リチウムイオンが第1の電極3に吸蔵されると共に、金属層10が薄くなって電池部6の高さT2が減少する。
On the contrary, during discharge, lithium in the
このように、全固体二次電池1は充放電に伴いその高さTが変化する。これにより、封止膜7に応力が繰り返し作用するようになり、封止膜7に亀裂7aが入ることがある。
Thus, the height T of the all-solid-state
封止膜7は、リチウムを含む電池部6を大気中の水分等から保護する役割を担うものであるが、このように亀裂7aが生じるとその亀裂7aから電池部6に外部の水分が侵入し、水分とリチウムとが反応して発熱や発火が生じるおそれがある。
The sealing
特に、封止膜7の下部Dにおいては、基板2に固定された部分の封止膜7が上下に動けないため応力が強く作用し、上記のような亀裂7aが発生し易い。
In particular, in the lower portion D of the sealing
以上のように、全固体二次電池1には封止膜に作用する応力を低減し、その信頼性を向上させるという点で改善の余地がある。
As described above, the all-solid-state
(第1実施形態)
図4は、本実施形態に係る全固体二次電池21の断面図である。なお、図4において、図1で説明したのと同じ要素には図1におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
(First embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view of the all-solid-state
図4に示すように、全固体二次電池21は、基板2の上に、第1の電極3と、電解質4と、第2の電極5とを順に積層してなる電池部6を有する。
As shown in FIG. 4, the all-solid-state
基板2は、例えばシリコン基板であって、その上には酸化シリコン(SiO2)膜等の不図示の絶縁膜が形成される。
The
第1の電極3は、電池部6の正極として機能し、コバルト酸リチウムなどの材料から形成され、その膜厚は例えば6μmである。
The
そして、電解質4は、リン酸リチウムなどのリチウム塩を含む材料から形成され、その膜厚は例えば2μmである。
And the
また、第2の電極5は、電池部6の負極として機能し、金属リチウムなどの材料により例えば2μmの膜厚に形成される。
The
更に、第1の電極3と基板2との間には第1の集電体8が設けられ、第2の電極5の上には第2の集電体9が設けられる。各集電体8、9は例えばプラチナ膜であり、電池部6の充放電はこれらの集電体8、9を介して行われる。
Further, a first
そして、電池部6の周囲には、高さThを有する絶縁性の保護枠11が設けられる。保護枠11の材料は特に限定されないが、この例ではアルミナで保護膜11を形成する。
Then, around the
更に、その保護枠11と電池部6は、アクリル等の樹脂を材料とする封止膜7で覆われる。
Further, the
次に、本実施形態に係る全固体二次電池21の動作について、図5(a)、(b)を参照しながら説明する。
Next, the operation of the all solid state
図5(a)は、第1の充電量C1の全固体二次電池21の断面図であり、図5(b)は、第2の充電量C2の全固体二次電池21の断面図である。
5A is a cross-sectional view of the all-solid-state
前述のように、第1の充電量C1は放電完了時の全固体二次電池21の容量であり、第2の充電量C2は充電完了時の全固体二次電池21の容量である。
As described above, the first charge amount C 1 is the capacity of the all-solid-state
図5(a)に示すように、放電完了時においては、電池部6の高さは前述のように第1の高さT1まで減少する。
As shown in FIG. 5A, when the discharge is completed, the height of the
一方、充電完了時においては、図5(b)に示すように、金属のリチウムが析出して形成された金属層10により、電池部6の高さが前述の第2の高さT2まで増加する。
On the other hand, when the charging is completed, as shown in FIG. 5B, the height of the
ここで、本実施形態では電池部6の周囲を保護枠11で囲ったため、電池部6の側面において当該電池部6と封止膜7とが隔離される。
Here, in this embodiment, since the periphery of the
よって、電池部6の高さが上記のように変化しても、保護枠11の側面の封止膜7に対して電池部6から応力が直接作用せず、その応力が原因で封止膜7に亀裂が入るのを抑制できる。
Therefore, even if the height of the
これにより、封止膜7の亀裂から大気中の水分が電池部6に侵入するのを防止でき、水分との接触で電池部6が発熱するおそれが低減されるので、全固体二次電池21の信頼性を高めることができる。
Thereby, it is possible to prevent moisture in the atmosphere from entering the
なお、保護枠11の高さThは特に限定されないが、第1の高さT1よりも高く、かつ、第2の高さT2よりも低くなるように高さThを設定するのが好ましい。これにより、図5(b)に示すように、充電完了時における保護枠11と第2の電極5の各々の高さの差Δが金属層10の厚さTLiよりも小さくなり、電池部6の上方で封止膜7が受ける応力を低減し易くなる。
Although the height T h of the
本願発明者は、封止膜7が受ける応力が保護枠11の高さによってどのように変わるのかを計算した。
The inventor of the present application calculated how the stress applied to the
その計算結果を図6に示す。 The calculation result is shown in FIG.
図6の横軸は、図5(a)の各高さTh、T1の差(Th−T1)を表し、その縦軸は封止膜7が受ける応力を表す。なお、差(Th−T1)は、放電完了時の状態における電池部6と保護枠11の各々の高さの差に相当する。
The horizontal axis in FIG. 6 represents the difference (T h −T 1 ) between the heights Th and T 1 in FIG. 5A, and the vertical axis represents the stress that the sealing
また、この計算に使用した電池部6のモデルは、平面視で一辺の長さが5mmの正方形とした。また、保護枠11のモデルは、平面視で一辺の長さが5.2mmの正方形とした。更に、充電完了時における金属層10(図5(b)参照)の厚さTLiは1μmとした。金属層10の厚さTLiは前述の各高さT1、T2の差(T2−T1)に等しいので、T2−T1=1μmということになる。
The model of the
図6に示すように、差(Th−T1)が大きくなるにつれて封止膜7が受ける応力が低減している。
As shown in FIG. 6, as the difference (T h −T 1 ) increases, the stress applied to the
特に、差(Th−T1)が0μm〜0.5μmの範囲において応力が急激に低減し、差(Th−T1)が0.5μmよりも大きくなると応力の低減がなだらかとなる。前述のようにT2−T1=1μmであるから、Th−T1が0.5μmに等しいときは、Th=(T1+T2)/2となる。よって、保護枠11の高さを、第1の高さT1と第2の高さT2の和の2分の1よりも高くすることで、封止膜7が受ける応力を十分に低減することができる。
In particular, when the difference (T h −T 1 ) is in the range of 0 μm to 0.5 μm, the stress is drastically reduced. When the difference (T h −T 1 ) is larger than 0.5 μm, the stress is gently reduced. Since T 2 −T 1 = 1 μm as described above, when T h −T 1 is equal to 0.5 μm, T h = (T 1 + T 2 ) / 2. Therefore, the stress applied to the
次に、本実施形態に係る全固体二次電池の製造方法について説明する。 Next, a manufacturing method of the all solid state secondary battery according to the present embodiment will be described.
図7〜図13は、本実施形態に係る全固体二次電池21の製造途中の断面図である。また、図14及び図15は、本実施形態に係る全固体二次電池21の製造途中の平面図である。
7-13 is sectional drawing in the middle of manufacture of the all-solid-state
まず、図7に示すように、基板2として表面に酸化シリコン膜などの不図示の酸化膜が形成されたシリコン基板を用意する。そして、基板2の上方に不図示のメタルマスクを配置し、そのメタルマスク膜で覆われていない部分の基板2にチタン膜とプラチナ膜とをスパッタ法でこの順に形成し、これらの膜を第1の集電体8とする。そのチタン膜は、プラチナ膜と基板2との密着性を向上させる密着膜として機能する。
First, as shown in FIG. 7, a silicon substrate having an oxide film (not shown) such as a silicon oxide film formed on the surface is prepared as the
また、第1の集電体8の膜厚は特に限定されないが、この例ではその膜厚を約200nmとする。
The film thickness of the first
次に、図8及び図14に示すように、基板2の上にスパッタ法でアルミナを堆積し、それをリフトオフ法でパターニングすることで、基板2の上に保護枠11を10.7μm程度の厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 8 and FIG. 14, alumina is deposited on the
なお、保護枠11はスパッタ法に代えて印刷法で形成することもできる。その際、1500℃〜1600℃程度の基板温度で保護枠11を熱処理することで、保護枠11のアルミナを焼結させる。
The
また、保護枠11に酸化シリコンを添加することで、上記の熱処理温度を低くしてもよい。
In addition, the heat treatment temperature may be lowered by adding silicon oxide to the
更に、アルミナ等のセラミックに代えて樹脂を保護枠11の材料として用いてもよい。
Further, a resin may be used as a material for the
続いて、図9に示すように、基板2の上方に窓12aを備えたマスク12を配置して、窓12aを通じて保護枠11内の第1の集電体8の上にスパッタ法でコバルト酸リチウムを供給することで、保護枠11内に第1の電極3を約6μの厚さに形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 9, a
なお、スパッタ法に代えて印刷法で第1の電極3を形成してもよい。
Note that the
その後に、大気中で基板温度を約600℃とする熱処理を第1の電極3に対して施し、第1の電極3のコバルト酸リチウムを結晶化させる。
Thereafter, a heat treatment is performed on the
次に、図10に示すように、基板2の上方に窓13aを備えたマスク13を配置する。そして、窓13aを通じて第1の電極3の上にスパッタ法でリン酸リチウムを供給することで、保護枠11内に電解質4を約2μmの厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 10, a
続いて、図11に示すように、上記とは別のマスク14を基板2の上方に配置する。そして、そのマスク14が備える窓14aを通じて電解質4の上にスパッタ法でリチウムを供給することで、保護枠11内に厚さが約2μm程度の第2の電極5を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 11, a
なお、この例のように第1の電極3を形成した後に第2の電極5を形成することで、第1の電極3のコバルト酸リチウムを結晶化させるための熱処理に第2の電極5が曝されず、その熱処理で第2の電極5のリチウムが溶融するのを防止できる。
In addition, by forming the
ここまでの工程により、第1の電極3、電解質4、及び第2の電極5をこの順に積層してなる電池部6が得られる。
Through the steps so far, a
次に、図12に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。 Next, steps required until a sectional structure shown in FIG.
まず、第2の電極5の上方にマスク15を配置する。そして、マスク15で覆われていない部分の第2の電極5と基板2の各々の上に蒸着法によりプラチナ膜を200μm程度の厚さに形成し、そのプラチナ膜を第2の集電体9とする。
First, the
図15は、本工程を終了した時点での平面図である。 FIG. 15 is a plan view at the time when this process is completed.
電池部6は、例えば平面視で一辺の長さが約5mmの正方形であり、その周囲には前述の保護枠11が設けられる。その保護膜11の平面サイズは特に限定されないが、この例では一辺の長さが約5.2mmの正方形に保護枠11を形成する。
The
その後に、図13に示すように、アクリルなどの樹脂材料を真空中で電池部6と保護枠11に吹き付け、電池部6と保護枠11とを覆う封止膜7を形成する。このように単層のアクリル層に代えて、アクリル層と金属層とをこの順に積層してなる膜を封止膜7として形成してもよい。
After that, as shown in FIG. 13, a resin material such as acrylic is sprayed on the
以上により、本実施形態に係る全固体二次電池21の基本構造が完成する。
As described above, the basic structure of the all-solid-state
なお、本実施形態は上記に限定されない。 Note that the present embodiment is not limited to the above.
図16は、本実施形態に係る全固体二次電池の他の例について示す断面図である。 FIG. 16 is a cross-sectional view showing another example of the all solid state secondary battery according to the present embodiment.
この例では、銅やアルミニウム等の金属で保護枠11を形成し、その保護枠11の表面に酸化シリコン膜等の絶縁膜16を形成することで、その絶縁膜16により電池部6と保護枠11とを電気的に絶縁する。
In this example, the
このように保護枠11の材料として金属を採用すると、めっき等により保護枠11を簡単に形成することができる。なお、絶縁膜16の形成方法としては、例えば、段差被覆性に優れたMOCVD(Metal Organic Chemical Vapour Deposition)法がある。
Thus, if a metal is employ | adopted as a material of the
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態で説明した全固体二次電池21をセンサシステムに適用する。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, the all solid state
図17は、本実施形態に係るセンサシステムの機能ブロック図である。 FIG. 17 is a functional block diagram of the sensor system according to the present embodiment.
図17に示すように、このセンサシステム30は、熱電変換素子等の発電素子20と、その発電素子20が発電した電力を蓄える全固体二次電池21とを有する。
As shown in FIG. 17, the sensor system 30 includes a
全固体二次電池21は、センサ22と送信部23に電力を供給する。センサ22は、全固体二次電池21の電力で駆動する温度センサや振動センサ等であって、温度や振動等の環境に係る情報S1を送信部23に送る。
The all-solid-state
送信部23は、全固体二次電池21の電力で駆動すると共に、第1のアンテナ24を介して上記の情報S1を適当な通信プロトコルで無線送信する。無線送信された情報S1は、第2のアンテナ25を介してユーザが所有する受信機器26により受信される。
The
受信機器26は、例えばパーソナルコンピュータであって、その画面に上記した温度等の環境に係る情報が表示される。
The receiving
以上説明した本実施形態によれば、保護膜7(図4参照)に亀裂が入り難い信頼性の高い全固体二次電池21を使用しているので、長期にわたって環境に係る温度等の情報を取得し、その情報をユーザに安定して提供することができる。
According to the present embodiment described above, since the highly reliable all-solid
1、21…全固体二次電池、2…基板、3…第1の電極、4…電解質、5…第2の電極、6…電池部、7…封止膜、8、9…集電体、10…金属層、11…保護枠、12〜15…マスク、12a〜14a…開口、16…絶縁膜、20…発電素子、22…センサ、23…送信部、24、25…アンテナ、26…受信機器。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記基板の上に第1の電極と固体電解質と第2の電極とを順に積層してなる電池部と、
前記電池部の周囲に設けられた枠と、
前記電池部と前記枠とを覆う封止膜と、
を有する全固体二次電池。 A substrate,
A battery part in which a first electrode, a solid electrolyte, and a second electrode are sequentially laminated on the substrate;
A frame provided around the battery unit;
A sealing film covering the battery part and the frame;
An all solid state secondary battery.
前記枠の内側に、第1の電極と固体電解質と第2の電極とを順に積層して電池部を形成する工程と、
前記電池部と前記枠とを覆う封止膜を形成する工程と、
を有する全固体二次電池の製造方法。 Forming a frame on the substrate;
Forming a battery part by sequentially laminating a first electrode, a solid electrolyte, and a second electrode inside the frame;
Forming a sealing film covering the battery part and the frame;
The manufacturing method of the all-solid-state secondary battery which has this.
前記全固体二次電池が蓄えた電力で駆動するセンサと、
前記全固体二次電池が蓄えた電力で駆動し、前記センサからの情報を無線送信する送信部とを有し、
前記全固体二次電池は、第1の電極と固体電解質と第2の電極とを順に積層してなる電池部と、前記電池部の周囲に設けられた枠と、前記電池部と前記枠とを覆う封止膜とを有することを特徴とするセンサシステム。 An all-solid-state secondary battery;
A sensor that is driven by the electric power stored in the all-solid-state secondary battery;
Driven by the power stored in the all-solid-state secondary battery, and having a transmitter that wirelessly transmits information from the sensor,
The all-solid-state secondary battery includes a battery part in which a first electrode, a solid electrolyte, and a second electrode are sequentially laminated, a frame provided around the battery part, the battery part, and the frame. And a sealing film covering the sensor.
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