JP2018029046A - All-solid lithium battery and method for manufacturing all-solid lithium battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜型の全固体リチウム電池および全固体リチウム電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a thin film type all solid lithium battery and a method for producing an all solid lithium battery.
近年、ノート型PC(Personal Computer)、携帯電話およびスマートフォン等の携帯型電子機器が普及し、電源として高電圧、高エネルギー密度および軽量といった利点を有するリチウムイオン電池が普及している。また、電気自動車またはハイブリッド自動車の車載用途として、あるいは電力システム用の定置型蓄電池として、大型のリチウムイオン電池の利用が期待されている。また、最近では、電解質を含むすべての部材が不燃性の固体で構成され、高い安全性を有する全固体リチウム電池が注目されている。 In recent years, portable electronic devices such as notebook PCs (Personal Computers), mobile phones, and smartphones have become widespread, and lithium-ion batteries having advantages such as high voltage, high energy density, and light weight as power sources. In addition, use of a large-sized lithium ion battery is expected as an in-vehicle application for an electric vehicle or a hybrid vehicle, or as a stationary storage battery for an electric power system. In recent years, all solid lithium batteries having high safety, in which all members including an electrolyte are made of nonflammable solids, are attracting attention.
しかし、全固体リチウム電池は、電極層と電解質層との間の界面における界面抵抗が大きく、実用化に向けた課題となっている。このように、電極層と電解質層との間の界面抵抗が大きいことにより、全固体リチウム電池の充放電を高速化することが困難であった。 However, the all-solid-state lithium battery has a large interface resistance at the interface between the electrode layer and the electrolyte layer, which is a problem for practical use. As described above, since the interface resistance between the electrode layer and the electrolyte layer is large, it is difficult to speed up the charge / discharge of the all-solid lithium battery.
電極層と電解質層との間の界面抵抗は、界面に形成される空間電荷層がその起源であると考えられている。そこで、最近では、界面に異物質を挿入することによって空間電荷層を抑制し、電極層と電解質層との間の界面抵抗を低減することが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。 The interface resistance between the electrode layer and the electrolyte layer is considered to originate from the space charge layer formed at the interface. Therefore, recently, it has been proposed to suppress the space charge layer by inserting a foreign substance at the interface and reduce the interface resistance between the electrode layer and the electrolyte layer (see, for example, Non-Patent Document 1). .
しかしながら、非特許文献1に記載の方法を用いた場合でも、電極層と電解質層との間の界面抵抗は、4.7Vの電圧において最低でも2000Ωcm2程度であるため、充放電を高速化することが困難であった。
However, even when the method described in Non-Patent
本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであって、電極層と電解質層との間の界面抵抗を低減し、充放電を高速化することができる全固体リチウム電池および全固体リチウム電池の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention has been made in view of the above problems, and is an all-solid lithium battery and all-solid lithium capable of reducing the interface resistance between the electrode layer and the electrolyte layer and speeding up charging and discharging. It aims at providing the manufacturing method of a battery.
本発明に係る全固体リチウム電池は、正極活物質を含む正極層と負極活物質を含む負極層との間に固体電解質層が積層された薄膜型の全固体リチウム電池であって、前記正極層と前記負極層との間の電圧値を4.5V以上4.75V以下とした場合の、前記正極層と前記固体電解質層との間の界面における抵抗値が2Ωcm2以上6Ωcm2以下とされたものである。 An all solid lithium battery according to the present invention is a thin film type all solid lithium battery in which a solid electrolyte layer is laminated between a positive electrode layer containing a positive electrode active material and a negative electrode layer containing a negative electrode active material, the positive electrode layer When the voltage value between the positive electrode layer and the negative electrode layer is 4.5 V or more and 4.75 V or less, the resistance value at the interface between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer is 2 Ωcm 2 or more and 6 Ωcm 2 or less. Is.
以上のように、本発明によれば、電極層と電解質層との間の界面抵抗を低減することにより、充放電を高速化することができる。 As described above, according to the present invention, charge / discharge can be speeded up by reducing the interface resistance between the electrode layer and the electrolyte layer.
実施の形態.
[全固体リチウム電池]
以下、本発明の実施の形態に係る全固体リチウム電池について説明する。全固体リチウム電池は、当該全固体リチウム電池を構成する各層を薄膜状に形成して積層する薄膜型と、微粒子を積層するバルク型とが提案されているが、本実施の形態においては、薄膜型の全固体リチウム電池を対象としている。
Embodiment.
[All-solid lithium battery]
Hereinafter, an all-solid-state lithium battery according to an embodiment of the present invention will be described. As the all-solid-state lithium battery, a thin-film type in which the respective layers constituting the all-solid-state lithium battery are formed in a thin film and stacked, and a bulk type in which fine particles are stacked have been proposed. It is intended for all-solid-state lithium batteries.
[全固体リチウム電池の構成]
図1は、本実施の形態に係る全固体リチウム電池1の構成の一例を示す概略断面図である。図1に示すように、全固体リチウム電池1は、基板2、集電体層3、正極層4、固体電解質層5および負極層6で構成されている。
[Configuration of all-solid lithium battery]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of an all-
(基板)
基板2は、上記の集電体層3、正極層4、固体電解質層5および負極層6を積層するためのベースとなるものである。基板2としては、例えば、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)基板にニオブ(Nb)をドープし、導電性を持たせたNb:SrTiO3基板(以下、「STO基板」と適宜称する)が用いられる。なお、基板2としては、上述した例に限られず、例えば金属板、ガラス基板またはプラスチック基板等を用いてもよい。
(substrate)
The
(集電体層)
集電体層3は、集電体によって形成された層である。集電体としては、全固体電池の集電体として使用可能な公知の金属、または、このような金属を含む層をセラミックス等の基板上に積層したもの等を用いることができる。集電体の形状は、特に限定されるものではなく、箔状、板状、メッシュ状等を適用できる。本実施の形態では、LaNiO3を集電体として用いる。
(Current collector layer)
The
(正極層)
正極層4は、正極活物質を含有する正極活物質層が集電体層3上に形成されたものである。正極活物質層は、例えば正極活物質と結着剤とを含有して構成されている。正極活物質としては、全固体リチウム電池で使用することができるリチウム複合酸化物、またはリチウムを含んだ層間化合物を適宜用いることができる。
(Positive electrode layer)
In the
このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、LiCoO2、LiNiO2、LiNiyCo1−yO2(式中、x、yは電池の充放電状態によって異なる)、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiMnPO4、あるいはLiMn2O4、LiMn2O4のMnの一部をNiで置換したLiNi0.5Mn1.5O4(以下、「LNMO」と適宜称する)等が挙げられる。 Specific examples of such a lithium composite oxide include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi y Co 1-y O 2 (where x and y vary depending on the charge / discharge state of the battery), LiFePO 4 , LiMnPO 4 , Examples include LiNiMnPO 4 , LiMn 2 O 4 , LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 (hereinafter, appropriately referred to as “LNMO”) in which a part of Mn of LiMn 2 O 4 is substituted with Ni.
このようなリチウム複合酸化物は正極活物質として用いることにより高電圧を発生させることができ、エネルギー密度に優れるため、特に好ましい材料である。本実施の形態では、5V程度の高電圧を発生させることができるLNMOを、正極活物質として用いる。 Such a lithium composite oxide is a particularly preferable material because it can generate a high voltage when used as a positive electrode active material and has an excellent energy density. In this embodiment, LNMO capable of generating a high voltage of about 5 V is used as the positive electrode active material.
(負極層)
負極層6は、負極活物質を含有する負極活物質層が図示しない集電体層上に形成されたものである。負極活物質層は、例えば負極活物質と結着剤とを含有して構成されている。負極活物質としては、全固体リチウム電池で使用することができる炭素材料、珪素材料、結晶質、非結晶質金属酸化物、あるいは、リチウムと合金を形成することができる金属またはこのような金属の合金化合物等を適宜用いることができる。本実施の形態では、Liを負極活物質として用いる。
(Negative electrode layer)
In the
(固体電解質層)
固体電解質層5は、正極層4と負極層6との間を移動するリチウムイオン等のイオンが伝導する層である。固体電解質層5には、全固体リチウム電池で使用することができる公知の固体電解質を適宜使用することができる。このような固体電解質としては、例えば、リン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)等が挙げられる。また、例えば、Li3PO4、LiLaTiO3(通称、LLTO)、Li7La3Zr2O12(LLZ)、LiTaO3、LiNbO3、LiI、硫黄系Liイオン伝導体、または固体ポリマー等のLi+イオンを伝導種(可動イオン)としたものを固体電解質として用いてもよい。本実施の形態では、Li3PO4を固体電解質として用いる。なお、固体電解質層5の厚さは、例えば5〜1000nm、より具体的には、300nm程度の厚さに形成されている。
(Solid electrolyte layer)
The
[電池製造評価装置]
図2は、図1の全固体リチウム電池1を作製する電池製造評価装置100の構成の一例を示す概略図である。図2に示すように、電池製造評価装置100は、成膜室10、評価室20および試料準備室30で構成されている。そして、電池製造評価装置100の各室は、気圧が10−8Pa程度である超高真空の搬送機構40に接続されている。これにより、電池製造評価装置100では、全固体リチウム電池1の作製、評価および分析を、大気に触れることなく行うことができる。
[Battery manufacturing evaluation system]
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the battery
(成膜室)
成膜室10は、パルスレーザ堆積(PLD;Pulsed Laser Deposition)法または真空蒸着法を用いて全固体リチウム電池1の各層を成膜するための室である。成膜室10には、PLD法を用いて集電体層3を成膜する集電体作製部11と、PLD法を用いて正極層4を成膜する正極作製部12と、PLD法を用いて固体電解質層5を成膜する固体電解質作製部13と、真空蒸着法を用いて負極層6を成膜する負極作製部14とが設けられている。
(Deposition room)
The
(評価室)
評価室20は、成膜室10で作製された全固体リチウム電池1の電気化学特性を評価するための室である。本実施の形態では、全固体リチウム電池1に対する電気化学特性の評価として、例えば、全固体リチウム電池1における交流インピーダンスの測定を行う。
(Evaluation room)
The
(試料準備室)
試料準備室30は、成膜室10で各層の成膜が行われる際に必要となる試料を準備するための室である。
(Sample preparation room)
The
なお、図2に示す電池製造評価装置100では、例えば左方向から等、一方向から基板を搬送させて各作製部によって各層を順次成膜するが、この順序は、図に示す順序とは関係なく、成膜の順序を自由に選択することができる。
In the battery
[全固体リチウム電池の作製方法]
次に、本実施の形態に係る全固体リチウム電池1の作製方法について説明する。まず、基板2を基板ホルダに装着し、基板2が装着された基板ホルダに対して、集電体層成膜用のマスクが設けられたマスクホルダが装着される。そして、基板ホルダおよびマスクホルダに装着された基板2が搬送機構40によって集電体作製部11に搬送され、PLD法を用いて基板2上に集電体層3が成膜される。
[Method for producing all-solid-state lithium battery]
Next, a method for producing the all
次に、マスクホルダに装着された集電体層成膜用のマスクが正極層成膜用のマスクに切り替えられる。そして、集電体層3が成膜された基板2が搬送機構40によって正極作製部12に搬送され、PLD法を用いて集電体層3上に正極層4が成膜される。
Next, the current collector layer deposition mask mounted on the mask holder is switched to the positive electrode layer deposition mask. Then, the
次に、マスクホルダに装着された正極層成膜用のマスクが固体電解質層成膜用のマスクに切り替えられる。そして、正極層4が成膜された基板2が搬送機構40によって固体電解質作製部13に搬送され、PLD法を用いて正極層4上に固体電解質層5が成膜される。
Next, the positive electrode layer deposition mask mounted on the mask holder is switched to the solid electrolyte layer deposition mask. Then, the
このように、各層を成膜する際に、真空下でPLD法を用いることにより、層間の界面の状態を良好に保つことができる。特に、正極層4上に固体電解質層5を成膜する場合においては、正極層4と固体電解質層5との間の界面を平坦にすることができるとともに、異物質の混入を抑制することができる。
Thus, when forming each layer, the interface state between the layers can be kept good by using the PLD method under vacuum. In particular, when the
最後に、マスクホルダに装着された固体電解質層成膜用のマスクが負極層成膜用のマスクに切り替えられる。そして、固体電解質層5が成膜された基板2が搬送機構40によって負極作製部14に搬送され、真空蒸着法を用いて固体電解質層5上に負極層6が成膜される。これにより、基板2上に、集電体層3、正極層4、固体電解質層5および負極層6が積層された全固体リチウム電池1が作製される。
Finally, the solid electrolyte layer deposition mask mounted on the mask holder is switched to the negative electrode layer deposition mask. Then, the
[交流インピーダンスの測定方法]
次に、全固体リチウム電池1における交流インピーダンスの測定方法について説明する。全固体リチウム電池1の交流インピーダンスを測定する場合には、例えば、評価室20において、設定された周波数範囲における交流インピーダンスを測定し、測定結果に基づき、正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を取得する。全固体リチウム電池1の交流インピーダンスの測定には、例えば、ポテンショ/ガルバノスタットおよび周波数応答アナライザ等の測定機器が用いられる。
[Measurement method of AC impedance]
Next, a method for measuring AC impedance in the all
具体的には、例えば、ポテンショ/ガルバノスタットと周波数応答アナライザとを用い、周波数1MHz〜1Hz等の設定条件で、正極層4と負極層6との間の電圧が4.7V等の設定電圧である場合の全固体リチウム電池1の交流インピーダンスZを測定する。そして、横軸を交流インピーダンスZの実数成分Z′とし、縦軸を交流インピーダンスZの虚数成分Z″としたナイキスト線図に測定結果をプロットする。
Specifically, for example, using a potentio / galvanostat and a frequency response analyzer, the voltage between the
ここで、通常、正極層4、正極層4と固体電解質層5との間の界面、および固体電解質層5では周波数に対するインピーダンス応答が異なり、例えば、1MHz〜10kHz程度の高周波領域においては、固体電解質層5によるインピーダンスが主に現れ、10Hz程度の低周波領域においては、正極層4によるインピーダンスが主に現れる。そして、1kHz〜100Hz程度の高周波領域と低周波領域との間の領域においては、正極層4と固体電解質層5との間の界面によるインピーダンスが現れる。
Here, the impedance response to the frequency is usually different in the
したがって、高周波領域と低周波領域との間の領域において現れるインピーダンスの実数成分を検出することにより、正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を取得することができる。
Therefore, the interface resistance between the
[X線CTR散乱による分析方法]
次に、X線CTR(Crystal Truncation Rod)散乱による全固体リチウム電池1の分析方法について説明する。X線CTR散乱を用いて全固体リチウム電池1を分析する場合には、例えば、放射光施設においてX線CTR散乱測定を行い、全固体リチウム電池1の一部におおよそ該当する散乱プロファイルを取得する。そして、取得した散乱プロファイルに基づき、全固体リチウム電池1の特定の層における元素分布を分析する。
[Analysis method by X-ray CTR scattering]
Next, an analysis method of the all-solid-
以下、実施例により、本実施の形態による全固体リチウム電池1について具体的に説明するが、本実施の形態は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
Hereinafter, although the example demonstrates the all-solid-
[実施例1]
(集電体層の作製)
まず、基板2として、Nbをドープし、結晶方位が(100)とされたSrTiO3(STO)基板を用意した。次に、STO基板上にPLD法を用いて、厚さ20nmのLaNiO3からなる層を形成し、集電体層3を作製した。このときのPLD法の各条件は、以下の通りである。
・ターゲット組成:LaNiO3
・酸素分圧:100mTorr
・基板温度:650℃
・レーザ条件:KrFエキシマ 5Hz,1J/cm2
[Example 1]
(Preparation of current collector layer)
First, an SrTiO 3 (STO) substrate doped with Nb and having a crystal orientation of (100) was prepared as the
Target composition: LaNiO 3
・ Oxygen partial pressure: 100 mTorr
-Substrate temperature: 650 ° C
Laser condition:
(正極層の作製)
次に、集電体層3上にPLD法を用いて、厚さ60nmのLNMOからなる層を形成し、正極層4を作製した。このときのPLD法の各条件は、以下の通りである。
・ターゲット組成:Li1.2(Ni0.5Mn1.5)O4
・酸素分圧:100mTorr
・基板温度:600℃
・レーザ条件:KrFエキシマ 5Hz,1J/cm2
(Preparation of positive electrode layer)
Next, a layer made of LNMO having a thickness of 60 nm was formed on the
Target composition: Li 1.2 (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4
・ Oxygen partial pressure: 100 mTorr
-Substrate temperature: 600 ° C
Laser condition:
(固体電解質層の作製)
次に、正極層4上にPLD法を用いて、厚さ500nmのLi3PO4からなる層を形成し、固体電解質層5を作製した。このときのPLD法の各条件は、以下の通りである。
・ターゲット組成:Li3PO4
・酸素分圧:真空
・基板温度:室温
・レーザ条件:ArFエキシマ 20Hz,1J/cm2
(Preparation of solid electrolyte layer)
Next, a layer made of Li 3 PO 4 having a thickness of 500 nm was formed on the
Target composition: Li 3 PO 4
-Oxygen partial pressure: Vacuum-Substrate temperature: Room temperature-Laser conditions:
(負極層の作製)
最後に、固体電解質層5上に抵抗加熱型の真空蒸着法を用いてLiを蒸着し、厚さ500nmの負極層6を作製し、理論容量値が147mAh/gとなる全固体リチウム電池1を作製した。
(Preparation of negative electrode layer)
Finally, Li is vapor-deposited on the
[比較例1]
正極層4と固体電解質層5との間の界面に異物質であるMgOを挿入した以外のことは、実施例1とすべて同様にした。
[Comparative Example 1]
Except for inserting MgO, which is a foreign substance, at the interface between the
[比較例2]
基板2上に、実施例1と同様のPLD法を用いて正極層4および固体電解質層5のみを成膜したものを作製した。
[Comparative Example 2]
A substrate in which only the
[比較例3]
基板2上に、実施例1と同様のPLD法を用いて正極層4のみを成膜したものを作製した。
[Comparative Example 3]
A substrate in which only the
[交流インピーダンスの測定]
図3は、実施例1および比較例1の全固体リチウム電池1における交流インピーダンスZの測定結果を示す概略図である。図3(a)は、実施例1の全固体リチウム電池1における交流インピーダンスZの測定結果を示し、図3(b)は、図3(a)において、インピーダンスZの実数成分Z′が40kΩ〜80kΩとなる部分を拡大したものである。また、図3(c)は、比較例1の全固体リチウム電池1における交流インピーダンスZの測定結果のうち、インピーダンスZの実数成分Z′が40kΩ〜80kΩとなる部分の測定結果を示す。
[Measurement of AC impedance]
FIG. 3 is a schematic diagram showing the measurement result of the AC impedance Z in the all
図3において、記号Aで示すインピーダンス成分は、固体電解質層5のLi3PO4に由来するものであり、記号Bで示すインピーダンス成分は、正極層4と固体電解質層5との間の界面に由来するインピーダンス成分である。また、記号Cで示すインピーダンス成分は、正極層4のLNMOに由来するものである。
In FIG. 3, the impedance component indicated by symbol A is derived from Li 3 PO 4 of the
図3(a)および図3(b)に示す結果から、実施例1では、界面抵抗が3.9kΩ程度となった。一方、図3(c)に示す結果から、比較例1では、界面抵抗が20kΩ程度となった。これらの結果から、正極層4と固体電解質層5との間に異物質が混入することにより、正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗が増大することがわかる。
From the results shown in FIGS. 3A and 3B, in Example 1, the interface resistance was about 3.9 kΩ. On the other hand, from the results shown in FIG. 3C, in Comparative Example 1, the interface resistance was about 20 kΩ. From these results, it can be understood that the interfacial resistance between the
[電圧に対する界面抵抗の変化]
図4は、実施例1の全固体リチウム電池1における正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗の測定結果を示す概略図である。なお、ここでは、実施例1の全固体リチウム電池1を同一条件で複数作製し、サンプルAおよびサンプルBの全固体リチウム電池1を得た。図4(a)は、サンプルAの全固体リチウム電池1における界面抵抗の測定結果を示し、図4(b)は、サンプルBの全固体リチウム電池1における界面抵抗の測定結果を示す。
[Change in interface resistance against voltage]
FIG. 4 is a schematic diagram showing the measurement results of the interface resistance between the
図4(a)および図4(b)に示すように、LNMOの動作電圧近傍にあたる4.5V以上4.75V以下の間では、正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗は、2Ωcm2以上6Ωcm2以下であった。なお、LNMOの動作電圧は、通常4.7V程度であるため、実際の動作電圧を考慮して、ここでは電圧の範囲を「4.5V以上4.75V以下」としている。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the interfacial resistance between the
ここで、従来の全固体リチウム電池の界面抵抗は、200〜2000Ωcm2程度であり、また、電解質層に電解液を用いた場合の界面抵抗は、30〜90Ωcm2程度である。したがって、本実施の形態に係る全固体リチウム電池1では、正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を、従来の全固体リチウム電池および電解質層に電解液を用いたリチウム電池の界面抵抗よりも低減することができる。
Here, the interface resistance of the conventional all-solid-state lithium battery is about 200 to 2000 Ωcm 2 , and the interface resistance when an electrolytic solution is used for the electrolyte layer is about 30 to 90 Ωcm 2 . Therefore, in the all-solid-
[X線CTR散乱による分析]
図5は、比較例2および比較例3におけるX線CTR散乱のプロファイルを示す概略図である。図5に示すように、PLD法を用いて作製した比較例2および比較例3では、それぞれが同様のプロファイルを示している。このことから、正極層4のLNMOの成膜状態は、固体電解質層5の影響を受けないことがわかる。すなわち、PLD法を用いて作製された正極層4と固体電解質層5との間の界面が良好な状態であることがわかる。
[Analysis by X-ray CTR scattering]
FIG. 5 is a schematic diagram showing profiles of X-ray CTR scattering in Comparative Example 2 and Comparative Example 3. As shown in FIG. 5, Comparative Example 2 and Comparative Example 3 produced using the PLD method show similar profiles, respectively. From this, it can be seen that the LNMO film formation state of the
図6は、比較例2および比較例3の正極活物質を構成する各原子層の配置状態を示す概略図である。この図6に示すグラフは、図5のX線CTR散乱プロファイルに基づき得ることができる。図6(a)は、比較例2における正極活物質の各原子層の電子密度分布を示し、図6(b)は、比較例3における正極活物質の各原子層の電子密度分布を示す。図6(a)および図6(b)において、横軸は、基板2と正極層4との間の界面に垂直な方向の位置を示し、左側が基板2、右側が固体電解質層5に向かう方向である。また、図6(b)における縦軸は、ある位置における電子密度を示す。図6(c)は、図6(a)に示す電子密度分布に基づく各原子層の結晶構造のモデルを示す。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an arrangement state of each atomic layer constituting the positive electrode active materials of Comparative Example 2 and Comparative Example 3. The graph shown in FIG. 6 can be obtained based on the X-ray CTR scattering profile of FIG. 6A shows the electron density distribution of each atomic layer of the positive electrode active material in Comparative Example 2, and FIG. 6B shows the electron density distribution of each atomic layer of the positive electrode active material in Comparative Example 3. In FIG. 6A and FIG. 6B, the horizontal axis indicates the position in the direction perpendicular to the interface between the
図6(a)に示すように、比較例2において、正極層4の正極活物質であるLNMOは、LNMOを構成する「Mn」、「MnLi」および「O」の各原子層が、基板2側から「O」、「Mn」、「O」および「MnLi」の順に周期的に配置されていることがわかる。また、比較例2におけるLNMOの各原子層間の平均距離は、それぞれ、Mn−O間が1.10±0.03Å、Mn−MnLi間が2.36±0.04Å、Mn−Mn間が4.72±0.02Åであった。さらに、図6(c)に示すように、正極層4のLNMOは、結晶方位が揃った状態で成長することによって成膜されていることがわかる。
As shown in FIG. 6A, in Comparative Example 2, LNMO, which is the positive electrode active material of the
一方、図6(b)に示すように、比較例3においても、比較例2と同様に、正極層4のLNMOを構成する各原子層が周期的に配置されているとともに、各原子層の電子密度を示すピークが比較例2と同様の大きさで出現していることがわかる。また、比較例3におけるLNMOの各原子層間の平均距離は、それぞれ、Mn−O間が1.13±0.05Å、Mn−MnLi間が2.42±0.06Å、Mn−Mn間が4.76±0.03Åであった。
On the other hand, as shown in FIG. 6B, in Comparative Example 3, as in Comparative Example 2, the atomic layers constituting the LNMO of the
このように、比較例2と比較例3とにおいて、LNMOを構成する各原子層の配置、ならびに各原子層間の平均距離は、ほぼ同様の結果を示すことから、正極層4のLNMOの構造は、固体電解質層5の影響を受けないことがわかる。
As described above, in Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the arrangement of the atomic layers constituting the LNMO and the average distance between the atomic layers show substantially the same results. Therefore, the structure of the LNMO of the
[充放電サイクルに対する容量変化]
図7は、実施例1の全固体リチウム電池1における充放電サイクルと電池容量との関係を示す概略図である。ここでは、理論容量値が147mAh/gの全固体リチウム電池1に対して、3600Cで充電することができる電流、すなわち1秒で満充電となるような電流を流し、充電および放電を行った。図7に示すように、実施例1の全固体リチウム電池1において、3600Cの超高速レートで充電および放電を1〜100サイクル行った結果、すべてのサイクルによる平均値が全固体リチウム電池1における理論容量の50%程度となる73mAh/gの容量を得た。また、このような充放電を100サイクル繰り返した場合でも、容量の低下は認められない。この結果から、本実施の形態に係る全固体リチウム電池1では、ほとんど劣化することなく超高速充放電サイクルを繰り返すことができることがわかる。
[Capacity change with charge / discharge cycle]
FIG. 7 is a schematic diagram showing the relationship between the charge / discharge cycle and the battery capacity in the all-solid-
ここで、従来の全固体リチウム電池は、最大でも10C程度のレートでしか充電および放電を行うことができない。したがって、上述した結果から、本実施の形態にかかる全固体リチウム電池1では、従来の全固体リチウム電池よりも大幅に高速化した3600Cのレートで、少なくとも理論容量の50%程度の容量を得る充電および放電を行うことができる。
Here, the conventional all solid lithium battery can be charged and discharged only at a rate of about 10 C at the maximum. Therefore, from the above-described results, the all-
以上のように、本実施の形態に係る全固体リチウム電池1は、正極活物質を含む正極層4と負極活物質を含む負極層6との間に固体電解質層5が積層された薄膜型の全固体リチウム電池1であり、正極層4と負極層6との間の電圧値を4.5V以上4.75V以下とした場合に、正極層4と固体電解質層5との間の界面における抵抗値が2Ωcm2以上6Ωcm2以下となるものである。これにより、本実施の形態では、正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を、従来の全固体リチウム電池および電解液を用いたリチウム電池よりも低減することができる。また、全固体リチウム電池1における正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を低減できることにより、例えば3600Cでの充放電といった、従来よりも大幅に高速化したレートで、少なくとも理論容量の50%程度の容量を得る充電および放電を行うことができる。
As described above, the all
また、本実施の形態に係る全固体リチウム電池1は、正極活物質を含む正極層4と負極活物質を含む負極層6との間に固体電解質層5が積層された薄膜型の全固体リチウム電池1であり、正極層4、固体電解質層5および負極層6が積層される基板2と、正極層4との界面に垂直な方向において、正極活物質を構成する各原子層が周期的に配置されている。これにより、正極層4と固体電解質層5との間の界面を平坦に形成して良好な状態を保つことができ、それによって正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を低減することができる。また、全固体リチウム電池1における正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を低減できることにより、従来よりも大幅に高速化したレートで、少なくとも理論容量の50%程度の容量を得る充電および放電を行うことができる。
Moreover, the all
さらに、本実施の形態に係る全固体リチウム電池1は、正極活物質を含む正極層4と負極活物質を含む負極層6との間に固体電解質層5が積層された薄膜型の全固体リチウム電池1であり、結晶方位が(100)または(111)とされた基板2上に、正極層4、固体電解質層5および負極層6が積層されている。これにより、正極層4と固体電解質層5との間の界面を平坦に形成して良好な状態を保つことができ、それによって正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を低減することができる。また、全固体リチウム電池1における正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を低減できることにより、従来よりも大幅に高速化したレートで、少なくとも理論容量の50%程度の容量を得る充電および放電を行うことができる。
Furthermore, the all
さらにまた、本実施の形態に係る全固体リチウム電池1の製造方法は、正極活物質を含む正極層4と負極活物質を含む負極層6との間に固体電解質層5が積層された薄膜型の全固体リチウム電池1の製造方法であり、基板2上に、パルスレーザ堆積法を用いて集電体層3を形成する工程と、集電体層3上に、パルスレーザ堆積法を用いて正極層4を形成する工程と、正極層4上に、パルスレーザ堆積法を用いて固体電解質層5を形成する工程と、固体電解質層5上に、真空蒸着法を用いて負極層6を形成する工程とを有し、すべての工程が真空下で行われる。これにより、正極層4と固体電解質層5との間の界面を平坦に形成するとともに異物質の混入を抑制して良好な状態を保つことができ、それによって正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を低減することができる。
Furthermore, the manufacturing method of the all-solid-
本発明によれば、上述したようにして全固体リチウム電池1における正極層4と固体電解質層5との間の界面抵抗を低減することにより、従来の全固体リチウム電池の充放電時間よりも大幅に高速化した3600Cのレート、すなわち1秒で、少なくとも理論容量の50%程度の容量を得る充電および放電を行うことができる。
According to the present invention, as described above, the interfacial resistance between the
以上、本実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。例えば、本実施の形態では、結晶方位を(100)とした基板2を用いた場合について説明したが、これに限られず、結晶方位を(111)とした基板2を用いた場合でも、上述した特性と同様の特性を得ることができる。さらに、例えば、方位(100)と等価な結晶方位(010)または(001)の基板2を用いてもよい。
Although the present embodiment has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and applications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the present embodiment, the case where the
また、本実施の形態では、正極活物質としてLNMOを適用した場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えばLiCoO2を正極活物質として適用してもよい。 In this embodiment, the case where LNMO is applied as the positive electrode active material has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and for example, LiCoO 2 may be applied as the positive electrode active material.
1 全固体リチウム電池、2 基板、3 集電体層、4 正極層、5 固体電解質層、6 負極層、10 成膜室、11 集電体作製部、12 正極作製部、13 固体電解質作製部、14 負極作製部、20 評価室、30 試料準備室、40 搬送機構、100 電池製造評価装置。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記正極層と前記負極層との間の電圧値を4.5V以上4.75V以下とした場合の、前記正極層と前記固体電解質層との間の界面における抵抗値が2Ωcm2以上6Ωcm2以下である
ことを特徴とする全固体リチウム電池。 A thin film type all solid lithium battery in which a solid electrolyte layer is laminated between a positive electrode layer containing a positive electrode active material and a negative electrode layer containing a negative electrode active material,
When the voltage value between the positive electrode layer and the negative electrode layer is 4.5 V or more and 4.75 V or less, the resistance value at the interface between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer is 2 Ωcm 2 or more and 6 Ωcm 2 or less. An all-solid-state lithium battery.
前記正極層、前記固体電解質層および前記負極層が積層される基板と、前記正極層との界面に垂直な方向において、前記正極活物質を構成する各原子層が周期的に配置されている
ことを特徴とする全固体リチウム電池。 A thin film type all solid lithium battery in which a solid electrolyte layer is laminated between a positive electrode layer containing a positive electrode active material and a negative electrode layer containing a negative electrode active material,
Each atomic layer constituting the positive electrode active material is periodically arranged in a direction perpendicular to the interface between the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer, and the positive electrode layer. An all-solid lithium battery.
結晶方位が(100)または(111)とされた基板上に、前記正極層、前記固体電解質層および前記負極層が積層されている
ことを特徴とする全固体リチウム電池。 A thin film type all solid lithium battery in which a solid electrolyte layer is laminated between a positive electrode layer containing a positive electrode active material and a negative electrode layer containing a negative electrode active material,
An all solid lithium battery, wherein the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are laminated on a substrate having a crystal orientation of (100) or (111).
リチウム複合酸化物であるLNMOを前記正極活物質として含む
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の全固体リチウム電池。 The positive electrode layer is
The all-solid-state lithium battery according to any one of claims 1 to 3, comprising LNMO, which is a lithium composite oxide, as the positive electrode active material.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の全固体リチウム電池。 The all-solid-state lithium battery according to claim 1 or 2, wherein a crystal orientation of a substrate on which the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, and the negative electrode layer are stacked is (100) or (111).
ことを特徴とする請求項1または3に記載の全固体リチウム電池。 Each atomic layer constituting the positive electrode active material is periodically arranged in a direction perpendicular to the interface between the positive electrode layer, the substrate on which the solid electrolyte layer and the negative electrode layer are laminated, and the positive electrode layer. The all-solid-state lithium battery according to claim 1 or 3, characterized in that
ことを特徴とする請求項2または3に記載の全固体リチウム電池。 When the voltage value between the positive electrode layer and the negative electrode layer is 4.5 V or more and 4.75 V or less, the resistance value at the interface between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer is 2 Ωcm 2 or more and 6 Ωcm 2 or less. The all-solid-state lithium battery according to claim 2, wherein:
基板上に、パルスレーザ堆積法を用いて集電体層を形成する工程と、
前記集電体層上に、パルスレーザ堆積法を用いて前記正極層を形成する工程と、
前記正極層上に、パルスレーザ堆積法を用いて前記固体電解質層を形成する工程と、
前記固体電解質層上に、真空蒸着法を用いて前記負極層を形成する工程と
を有し、
すべての工程が真空下で行われる
ことを特徴とする全固体リチウム電池の製造方法。 A method for producing a thin-film type all-solid lithium battery in which a solid electrolyte layer is laminated between a positive electrode layer containing a positive electrode active material and a negative electrode layer containing a negative electrode active material,
Forming a current collector layer on a substrate using a pulsed laser deposition method;
Forming the positive electrode layer on the current collector layer using a pulse laser deposition method;
Forming the solid electrolyte layer on the positive electrode layer using a pulse laser deposition method;
Forming the negative electrode layer on the solid electrolyte layer using a vacuum deposition method,
All the processes are performed under vacuum, The manufacturing method of the all-solid-state lithium battery characterized by the above-mentioned.
結晶方位が(100)とされている
ことを特徴とする請求項8に記載の全固体リチウム電池の製造方法。 The substrate is
The method for producing an all-solid-state lithium battery according to claim 8, wherein the crystal orientation is (100).
結晶方位が(111)とされている
ことを特徴とする請求項8に記載の全固体リチウム電池の製造方法。 The substrate is
The method for producing an all-solid-state lithium battery according to claim 8, wherein the crystal orientation is (111).
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