JP2018029046A - All-solid lithium battery and method for manufacturing all-solid lithium battery - Google Patents

All-solid lithium battery and method for manufacturing all-solid lithium battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an all-solid lithium battery and a method for manufacturing the all-solid lithium battery, capable of reducing interface resistance between an electrode layer and an electrolyte layer, and achieving faster charge/discharge.SOLUTION: An all-solid lithium battery is a thin film type and laminated with a solid electrolyte layer between a positive electrode layer including a positive electrode active material and a negative electrode layer including a negative electrode active material. When a voltage value between the positive electrode layer and the negative electrode layer is not less than 4.5 V and not more than 4.75 V, a resistance value in an interface between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer is not less than 2 Ωcmand not more than 6 Ωcm.SELECTED DRAWING: Figure 3

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). .

C.Yada, A.Ohmori, K.Ide, H.Yamasaki, T.Kato, T.Saito, F.Sagane, and Y.Iriyama, Adv. Energy Mater. 4, 1301416(2014)C. Yada, A. Ohmori, K. Ide, H. Yamasaki, T. Kato, T. Saito, F. Sagane, and Y. Iriyama, Adv. Energy Mater. 4, 1301416 (2014)

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2000Ωcm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 Document 1 is used, the interface resistance between the electrode layer and the electrolyte layer is at least about 2000 Ωcm 2 at a voltage of 4.7 V, so that charging / discharging is speeded up. It was difficult.

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2Ωcm以上6Ωcm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.

本実施の形態に係る全固体リチウム電池の構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of a structure of the all-solid-state lithium battery which concerns on this Embodiment. 図1の全固体リチウム電池を作製する電池製造評価装置の構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the battery manufacture evaluation apparatus which produces the all-solid-state lithium battery of FIG. 実施例1および比較例1の全固体リチウム電池における交流インピーダンスの測定結果を示す概略図である。It is the schematic which shows the measurement result of the alternating current impedance in the all-solid-state lithium battery of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1の全固体リチウム電池における正極層と固体電解質層との間の界面抵抗の測定結果を示す概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the measurement results of the interface resistance between the positive electrode layer and the solid electrolyte layer in the all solid lithium battery of Example 1. 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。It is the schematic which shows the profile of the X-ray CTR scattering in the comparative example 2 and the comparative example 3. 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。6 is a schematic view showing an arrangement state of each atomic layer constituting the positive electrode active material of Comparative Example 2 and Comparative Example 3. FIG. 実施例1の全固体リチウム電池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。FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the charge / discharge cycle and the battery capacity in the all solid lithium battery of Example 1.

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-solid lithium battery 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the all solid lithium battery 1 includes a substrate 2, a current collector layer 3, a positive electrode layer 4, a solid electrolyte layer 5, and a negative electrode layer 6.

(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(SrTiO)基板にニオブ(Nb)をドープし、導電性を持たせたNb:SrTiO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 substrate 2 serves as a base for laminating the current collector layer 3, the positive electrode layer 4, the solid electrolyte layer 5, and the negative electrode layer 6. As the substrate 2, for example, a strontium titanate (SrTiO 3 ) substrate doped with niobium (Nb) and made conductive, an Nb: SrTiO 3 substrate (hereinafter referred to as “STO substrate” as appropriate) is used. Note that the substrate 2 is not limited to the above-described example, and for example, a metal plate, a glass substrate, a plastic substrate, or the like may be used.

(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、LaNiOを集電体として用いる。
(Current collector layer)
The current collector layer 3 is a layer formed by a current collector. As the current collector, a known metal that can be used as a current collector for an all-solid-state battery, or a layer in which a layer containing such a metal is laminated on a substrate such as ceramics can be used. The shape of the current collector is not particularly limited, and a foil shape, a plate shape, a mesh shape, or the like can be applied. In the present embodiment, LaNiO 3 is used as a current collector.

(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 positive electrode layer 4, a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is formed on the current collector layer 3. The positive electrode active material layer includes, for example, a positive electrode active material and a binder. As the positive electrode active material, a lithium composite oxide that can be used in an all solid lithium battery or an intercalation compound containing lithium can be used as appropriate.

このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、LiCoO、LiNiO、LiNiCo1−y(式中、x、yは電池の充放電状態によって異なる)、LiFePO、LiMnPO、LiNiMnPO、あるいはLiMn、LiMnのMnの一部をNiで置換したLiNi0.5Mn1.5(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 negative electrode layer 6, a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material is formed on a current collector layer (not shown). The negative electrode active material layer includes, for example, a negative electrode active material and a binder. Examples of the negative electrode active material include carbon materials, silicon materials, crystalline and amorphous metal oxides that can be used in all-solid lithium batteries, metals that can form an alloy with lithium, or such metals. An alloy compound or the like can be used as appropriate. In this embodiment mode, Li is used as the negative electrode active material.

(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、LiPO、LiLaTiO(通称、LLTO)、LiLaZr12(LLZ)、LiTaO、LiNbO、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、LiPO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 solid electrolyte layer 5 is a layer through which ions such as lithium ions moving between the positive electrode layer 4 and the negative electrode layer 6 are conducted. For the solid electrolyte layer 5, a known solid electrolyte that can be used in an all-solid lithium battery can be appropriately used. Examples of such a solid electrolyte include lithium phosphate oxynitride (LiPON). In addition, for example, Li 3 PO 4 , LiLaTiO 3 (common name, LLTO), Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ), LiTaO 3 , LiNbO 3 , LiI, a sulfur-based Li ion conductor, or a Li polymer such as a solid polymer. What made + ion a conductive seed (movable ion) may be used as a solid electrolyte. In the present embodiment, Li 3 PO 4 is used as the solid electrolyte. Note that the thickness of the solid electrolyte layer 5 is, for example, 5 to 1000 nm, more specifically, about 300 nm.

[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 manufacturing evaluation apparatus 100 that produces the all solid lithium battery 1 of FIG. As shown in FIG. 2, the battery manufacturing evaluation apparatus 100 includes a film formation chamber 10, an evaluation chamber 20, and a sample preparation chamber 30. Each chamber of the battery manufacturing evaluation apparatus 100 is connected to an ultra-high vacuum transfer mechanism 40 having an atmospheric pressure of about 10 −8 Pa. Thereby, in battery manufacturing evaluation apparatus 100, preparation, evaluation, and analysis of all solid lithium battery 1 can be performed, without touching air.

(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 film forming chamber 10 is a chamber for forming each layer of the all-solid-state lithium battery 1 using a pulsed laser deposition (PLD) method or a vacuum evaporation method. In the film formation chamber 10, a current collector preparation part 11 for forming the current collector layer 3 using the PLD method, a positive electrode preparation part 12 for forming the positive electrode layer 4 using the PLD method, and a PLD method are used. There are provided a solid electrolyte preparation section 13 for forming the solid electrolyte layer 5 and a negative electrode preparation section 14 for forming the negative electrode layer 6 using a vacuum deposition method.

(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 evaluation chamber 20 is a chamber for evaluating the electrochemical characteristics of the all solid lithium battery 1 produced in the film formation chamber 10. In the present embodiment, as an evaluation of the electrochemical characteristics of the all solid lithium battery 1, for example, AC impedance in the all solid lithium battery 1 is measured.

(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 sample preparation chamber 30 is a chamber for preparing a sample required when each layer is formed in the film formation chamber 10.

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 manufacturing evaluation apparatus 100 shown in FIG. 2, the substrate is transported from one direction, for example, from the left direction, and each layer is sequentially formed by each production unit. This order is related to the order shown in the figure. The order of film formation can be freely selected.

[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 solid lithium battery 1 according to the present embodiment will be described. First, the substrate 2 is mounted on the substrate holder, and a mask holder provided with a collector layer deposition mask is mounted on the substrate holder on which the substrate 2 is mounted. Then, the substrate 2 mounted on the substrate holder and the mask holder is transported to the current collector preparation unit 11 by the transport mechanism 40, and the current collector layer 3 is formed on the substrate 2 using the PLD method.

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 substrate 2 on which the current collector layer 3 is formed is transported to the positive electrode preparation unit 12 by the transport mechanism 40, and the positive electrode layer 4 is formed on the current collector layer 3 using the PLD method.

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 substrate 2 on which the positive electrode layer 4 is formed is transferred to the solid electrolyte preparation unit 13 by the transfer mechanism 40, and the solid electrolyte layer 5 is formed on the positive electrode layer 4 using the PLD method.

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 solid electrolyte layer 5 is formed on the positive electrode layer 4, the interface between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 can be flattened, and mixing of foreign substances can be suppressed. it can.

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 substrate 2 on which the solid electrolyte layer 5 is formed is transferred to the negative electrode preparation unit 14 by the transfer mechanism 40, and the negative electrode layer 6 is formed on the solid electrolyte layer 5 using a vacuum deposition method. Thereby, the all-solid-state lithium battery 1 in which the current collector layer 3, the positive electrode layer 4, the solid electrolyte layer 5, and the negative electrode layer 6 are laminated on the substrate 2 is manufactured.

[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 solid lithium battery 1 will be described. When measuring the alternating current impedance of the all-solid-state lithium battery 1, for example, in the evaluation chamber 20, the alternating current impedance in the set frequency range is measured, and based on the measurement result, between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5. Get the interface resistance. For example, a measuring instrument such as a potentio / galvanostat and a frequency response analyzer is used to measure the AC impedance of the all-solid-state lithium battery 1.

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 positive electrode layer 4 and the negative electrode layer 6 is set at a set voltage such as 4.7 V under a set condition such as a frequency of 1 MHz to 1 Hz. The AC impedance Z of the all solid lithium battery 1 in a certain case is measured. The measurement results are plotted on a Nyquist diagram with the horizontal axis representing the real component Z ′ of the AC impedance Z and the vertical axis representing the imaginary component Z ″ of the AC impedance Z.

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 positive electrode layer 4, the interface between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5, and the solid electrolyte layer 5. For example, in a high frequency region of about 1 MHz to 10 kHz, the solid electrolyte The impedance due to the layer 5 mainly appears, and the impedance due to the positive electrode layer 4 mainly appears in a low frequency region of about 10 Hz. In the region between the high frequency region and the low frequency region of about 1 kHz to 100 Hz, impedance due to the interface between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 appears.

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 positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 can be acquired by detecting the real component of the impedance that appears in the region between the high frequency region and the low frequency region.

[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-state lithium battery 1 by X-ray CTR (Crystal Truncation Rod) scattering will be described. When analyzing the all-solid-state lithium battery 1 using X-ray CTR scattering, for example, X-ray CTR scattering measurement is performed in a synchrotron radiation facility, and a scattering profile roughly corresponding to a part of the all-solid-state lithium battery 1 is acquired. . And based on the acquired scattering profile, element distribution in the specific layer of the all-solid-state lithium battery 1 is analyzed.

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-state lithium battery 1 by this Embodiment concretely, this Embodiment is not limited only to these Examples.

[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SrTiO(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LaNiO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:LaNiO
・酸素分圧:100mTorr
・基板温度:650℃
・レーザ条件:KrFエキシマ 5Hz,1J/cm
[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 substrate 2. Next, a layer made of LaNiO 3 having a thickness of 20 nm was formed on the STO substrate by using the PLD method, and the current collector layer 3 was produced. Each condition of the PLD method at this time is as follows.
Target composition: LaNiO 3
・ Oxygen partial pressure: 100 mTorr
-Substrate temperature: 650 ° C
Laser condition: KrF excimer 5 Hz, 1 J / cm 2

(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)O
・酸素分圧:100mTorr
・基板温度:600℃
・レーザ条件:KrFエキシマ 5Hz,1J/cm
(Preparation of positive electrode layer)
Next, a layer made of LNMO having a thickness of 60 nm was formed on the current collector layer 3 using the PLD method, and the positive electrode layer 4 was manufactured. Each condition of the PLD method at this time is as follows.
Target composition: Li 1.2 (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4
・ Oxygen partial pressure: 100 mTorr
-Substrate temperature: 600 ° C
Laser condition: KrF excimer 5 Hz, 1 J / cm 2

(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LiPO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:LiPO
・酸素分圧:真空
・基板温度:室温
・レーザ条件:ArFエキシマ 20Hz,1J/cm
(Preparation of solid electrolyte layer)
Next, a layer made of Li 3 PO 4 having a thickness of 500 nm was formed on the positive electrode layer 4 using the PLD method, and the solid electrolyte layer 5 was produced. Each condition of the PLD method at this time is as follows.
Target composition: Li 3 PO 4
-Oxygen partial pressure: Vacuum-Substrate temperature: Room temperature-Laser conditions: ArF excimer 20 Hz, 1 J / cm 2

(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 solid electrolyte layer 5 using a resistance heating type vacuum vapor deposition method to produce a negative electrode layer 6 having a thickness of 500 nm, and an all solid lithium battery 1 having a theoretical capacity value of 147 mAh / g is obtained. Produced.

[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 positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5, everything was the same as in Example 1.

[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 positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 were formed by using the same PLD method as in Example 1 was produced on the substrate 2.

[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 positive electrode layer 4 was formed on the substrate 2 by using the same PLD method as in Example 1 was produced.

[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 solid lithium battery 1 of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 3A shows the measurement result of the AC impedance Z in the all-solid-state lithium battery 1 of Example 1. FIG. 3B shows the real component Z ′ of the impedance Z in FIG. This is an enlarged portion of 80 kΩ. FIG. 3C shows the measurement result of the portion where the real component Z ′ of the impedance Z is 40 kΩ to 80 kΩ among the measurement results of the AC impedance Z in the all solid lithium battery 1 of Comparative Example 1.

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LiPO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 solid electrolyte layer 5, and the impedance component indicated by symbol B is present at the interface between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5. This is the derived impedance component. The impedance component indicated by symbol C is derived from the LNMO of the positive electrode layer 4.

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 positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 is increased by mixing different substances between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5.

[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 positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 in the all solid lithium battery 1 of Example 1. Here, a plurality of all solid lithium batteries 1 of Example 1 were produced under the same conditions, and all solid lithium batteries 1 of Sample A and Sample B were obtained. 4A shows the measurement result of the interface resistance in the all-solid lithium battery 1 of sample A, and FIG. 4B shows the measurement result of the interface resistance in the all-solid lithium battery 1 of sample B.

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、2Ωcm以上6Ωcm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 positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 is between 4.5 V and 4.75 V, which is near the operating voltage of LNMO. 2Ωcm was greater than or equal to 2 6Ωcm 2 below. Since the operating voltage of LNMO is usually about 4.7 V, the voltage range is set to “4.5 V or more and 4.75 V or less” in consideration of the actual operating voltage.

ここで、従来の全固体リチウム電池の界面抵抗は、200〜2000Ωcm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、30〜90Ωcm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-state lithium battery 1 according to the present embodiment, the interface resistance between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 is reduced to the interface between the conventional all-solid-state lithium battery and the lithium battery using the electrolyte in the electrolyte layer. It can be reduced more than the resistance.

[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 positive electrode layer 4 is not affected by the solid electrolyte layer 5. That is, it can be seen that the interface between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 manufactured using the PLD method is in a good state.

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 substrate 2 and the positive electrode layer 4, the left side is toward the substrate 2 and the right side is toward the solid electrolyte layer 5. Direction. Moreover, the vertical axis | shaft in FIG.6 (b) shows the electron density in a certain position. FIG. 6C shows a model of the crystal structure of each atomic layer based on the electron density distribution shown in FIG.

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 positive electrode layer 4, has an atomic layer of “Mn”, “MnLi”, and “O” constituting the LNMO. From the side, it can be seen that “O”, “Mn”, “O”, and “MnLi” are periodically arranged in this order. Moreover, the average distance between each atomic layer of LNMO in Comparative Example 2 is 1.10 ± 0.03 mm between Mn—O, 2.36 ± 0.04 mm between Mn—MnLi, and 4 between Mn—Mn. .72 ± 0.02 cm. Further, as shown in FIG. 6C, it can be seen that the LNMO of the positive electrode layer 4 is formed by growing in a state where the crystal orientations are aligned.

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 positive electrode layer 4 are periodically arranged, and It can be seen that the peak indicating the electron density appears in the same size as in Comparative Example 2. In addition, the average distance between each atomic layer of LNMO in Comparative Example 3 is 1.13 ± 0.05 mm between Mn—O, 2.42 ± 0.06 mm between Mn—MnLi, and 4 between Mn—Mn. .76 ± 0.03 cm.

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 positive electrode layer 4 is It can be seen that the solid electrolyte layer 5 is not affected.

[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-state lithium battery 1 of Example 1. Here, charging and discharging were performed by supplying a current that can be charged at 3600 C, that is, a current that can be fully charged in 1 second, to the all-solid-state lithium battery 1 having a theoretical capacity value of 147 mAh / g. As shown in FIG. 7, in the all solid lithium battery 1 of Example 1, charging and discharging were performed at an ultrafast rate of 3600 C for 1 to 100 cycles. A capacity of 73 mAh / g, which is about 50% of the capacity, was obtained. Further, even when such charge / discharge is repeated 100 cycles, no decrease in capacity is observed. From this result, it can be seen that the all-solid-state lithium battery 1 according to the present embodiment can repeat the ultra-high speed charge / discharge cycle with almost no deterioration.

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-solid lithium battery 1 according to the present embodiment is charged so that at least a capacity of about 50% of the theoretical capacity is obtained at a rate of 3600 C, which is significantly faster than the conventional all-solid lithium battery. And discharging can be performed.

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2Ωcm以上6Ωcm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 solid lithium battery 1 according to the present embodiment is a thin film type in which the solid electrolyte layer 5 is laminated between the positive electrode layer 4 including the positive electrode active material and the negative electrode layer 6 including the negative electrode active material. The resistance at the interface between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 when the voltage value between the positive electrode layer 4 and the negative electrode layer 6 is 4.5 V or more and 4.75 V or less in the all solid lithium battery 1. The value is 2 Ωcm 2 or more and 6 Ωcm 2 or less. Thereby, in this Embodiment, the interface resistance between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 can be reduced rather than the lithium battery using the conventional all-solid-state lithium battery and electrolyte solution. In addition, since the interface resistance between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 in the all-solid-state lithium battery 1 can be reduced, at least at a theoretical capacity, for example, at a rate that is significantly faster than conventional, such as charge / discharge at 3600C. Charging and discharging to obtain a capacity of about 50% can be performed.

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 solid lithium battery 1 according to the present embodiment is a thin film type all solid lithium in which a solid electrolyte layer 5 is laminated between a positive electrode layer 4 containing a positive electrode active material and a negative electrode layer 6 containing a negative electrode active material. In the battery 1, each atomic layer constituting the positive electrode active material is periodically formed in a direction perpendicular to the interface between the positive electrode layer 4, the substrate 2 on which the positive electrode layer 4, the solid electrolyte layer 5 and the negative electrode layer 6 are laminated. Has been placed. Thereby, the interface between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 can be formed flat to maintain a good state, thereby reducing the interface resistance between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5. be able to. Further, since the interface resistance between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 in the all-solid-state lithium battery 1 can be reduced, charging that obtains at least a capacity of about 50% of the theoretical capacity at a rate significantly faster than the conventional capacity. And discharging can be performed.

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 solid lithium battery 1 according to the present embodiment is a thin film type all solid lithium in which a solid electrolyte layer 5 is laminated between a positive electrode layer 4 containing a positive electrode active material and a negative electrode layer 6 containing a negative electrode active material. A positive electrode layer 4, a solid electrolyte layer 5, and a negative electrode layer 6 are stacked on a substrate 2 that is a battery 1 and has a crystal orientation of (100) or (111). Thereby, the interface between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 can be formed flat to maintain a good state, thereby reducing the interface resistance between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5. be able to. Further, since the interface resistance between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 in the all-solid-state lithium battery 1 can be reduced, charging that obtains at least a capacity of about 50% of the theoretical capacity at a rate significantly faster than the conventional capacity. And discharging can be performed.

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-state lithium battery 1 according to the present embodiment is a thin film type in which a solid electrolyte layer 5 is laminated between a positive electrode layer 4 containing a positive electrode active material and a negative electrode layer 6 containing a negative electrode active material. And a step of forming a current collector layer 3 on a substrate 2 using a pulse laser deposition method, and a pulse laser deposition method on the current collector layer 3. The step of forming the positive electrode layer 4, the step of forming the solid electrolyte layer 5 on the positive electrode layer 4 using a pulse laser deposition method, and the negative electrode layer 6 on the solid electrolyte layer 5 using a vacuum deposition method All steps are performed under vacuum. Thereby, the interface between the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 can be formed flat, and mixing of foreign substances can be suppressed and a good state can be maintained, whereby the positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 Interfacial resistance can be reduced.

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 positive electrode layer 4 and the solid electrolyte layer 5 in the all-solid lithium battery 1 is reduced, so that the charge / discharge time of the conventional all-solid lithium battery is significantly increased. Thus, charging and discharging can be performed at a rate of 3600 C, which is a high speed, that is, at a rate of about 50% of the theoretical capacity at 1 second.

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 substrate 2 with the crystal orientation (100) is used has been described. However, the present invention is not limited to this, and the above description is given even when the substrate 2 with the crystal orientation (111) is used. Characteristics similar to the characteristics can be obtained. Further, for example, a substrate 2 having a crystal orientation (010) or (001) equivalent to the orientation (100) may be used.

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LiCoO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 SYMBOLS 1 All-solid-state lithium battery, 2 board | substrate, 3 Current collector layer, 4 Positive electrode layer, 5 Solid electrolyte layer, 6 Negative electrode layer, 10 Film-forming chamber, 11 Current collector preparation part, 12 Positive electrode preparation part, 13 Solid electrolyte preparation part , 14 Negative electrode preparation part, 20 evaluation room, 30 sample preparation room, 40 conveyance mechanism, 100 battery manufacturing evaluation apparatus.

Claims (10)

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2Ωcm以上6Ωcm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.
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、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.
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、
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).
前記正極層は、
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.
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の結晶方位が(100)または(111)とされている
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).
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た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
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2Ωcm以上6Ωcm以下である
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:
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の製造方法であって、
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.
前記基板は、
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).
前記基板は、
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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