JP2021057317A - Thin film lithium secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents
Thin film lithium secondary battery and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021057317A JP2021057317A JP2019182121A JP2019182121A JP2021057317A JP 2021057317 A JP2021057317 A JP 2021057317A JP 2019182121 A JP2019182121 A JP 2019182121A JP 2019182121 A JP2019182121 A JP 2019182121A JP 2021057317 A JP2021057317 A JP 2021057317A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode layer
- positive electrode
- negative electrode
- layer
- secondary battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 75
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 74
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 74
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 35
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims abstract description 30
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 24
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 23
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 20
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 12
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- FDLZQPXZHIFURF-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Ti+4].[Li+] Chemical compound [O-2].[Ti+4].[Li+] FDLZQPXZHIFURF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910001386 lithium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 5
- TWQULNDIKKJZPH-UHFFFAOYSA-K trilithium;phosphate Chemical compound [Li+].[Li+].[Li+].[O-]P([O-])([O-])=O TWQULNDIKKJZPH-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910012305 LiPON Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract description 13
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 298
- 239000000463 material Substances 0.000 description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 22
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 10
- 238000005477 sputtering target Methods 0.000 description 9
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 7
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229910018119 Li 3 PO 4 Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005280 amorphization Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 3
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 238000004453 electron probe microanalysis Methods 0.000 description 2
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910012851 LiCoO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015643 LiMn 2 O 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013290 LiNiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical group O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910007541 Zn O Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000013081 microcrystal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 1
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 238000000177 wavelength dispersive X-ray spectroscopy Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
Description
本発明は、薄膜リチウム二次電池、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a thin film lithium secondary battery and a method for manufacturing the same.
小型の電子機器やICカードなどの分野では、バックアップ電源として、容積が小さく厚みが薄い薄膜二次電池が開発されている(例えば、特許文献1〜3を参照)。こうした薄膜二次電池としては、リチウムイオンを用いた薄膜リチウム二次電池が主に利用されている。
また、可視光透過性を有する薄膜によって集電体層、正極層、固体電解質層、および負極層を形成した、可視光透過性を有する薄膜リチウム二次電池も開発されている(例えば、特許文献4を参照)。
In the fields of small electronic devices and IC cards, thin-film secondary batteries having a small volume and a thin thickness have been developed as backup power sources (see, for example, Patent Documents 1 to 3). As such a thin-film secondary battery, a thin-film lithium secondary battery using lithium ions is mainly used.
Further, a thin film lithium secondary battery having visible light transmittance has also been developed in which a current collector layer, a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer are formed by a thin film having visible light transmittance (for example, Patent Documents). 4).
こうした薄膜リチウム二次電池は、正極層、電解質層、負極層なとが順に積層された積層体から構成されている。正極層としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4などが用いられる。電解質層としては、例えば、窒素が添加されたリン酸リチウム(LiPON)が用いられる。負極層としては、例えば、金属Li、V2O5、Nb2O5、In2O3などが用いられる。 Such a thin-film lithium secondary battery is composed of a laminate in which a positive electrode layer, an electrolyte layer, and a negative electrode layer are laminated in this order. As the positive electrode layer, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, and the like are used. As the electrolyte layer, for example, lithium phosphate (LiPON) to which nitrogen has been added is used. As the negative electrode layer, for example, metal Li, V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , In 2 O 3, and the like are used.
特許文献1〜4に示すような従来の薄膜リチウム二次電池は、正極層、負極層の膜厚を厚くしても、充放電容量を大きくすることが難しいという課題があった。これは、正極層や負極層の膜厚を厚くすると、内部抵抗が大きくなり、リチウムイオンの動きが低下するためと考えられる。また、正極層や負極層の膜厚を厚くした薄膜リチウム二次電池は、内部抵抗が大きくなるために、大電流で充放電を行うと充放電容量が低下するという課題があった。 Conventional thin-film lithium secondary batteries as shown in Patent Documents 1 to 4 have a problem that it is difficult to increase the charge / discharge capacity even if the film thicknesses of the positive electrode layer and the negative electrode layer are increased. It is considered that this is because when the film thickness of the positive electrode layer and the negative electrode layer is increased, the internal resistance increases and the movement of lithium ions decreases. Further, a thin-film lithium secondary battery having a thick positive electrode layer and a negative electrode layer has a problem that the charge / discharge capacity decreases when charging / discharging is performed with a large current because the internal resistance becomes large.
一方、薄膜リチウム二次電池を、例えば小型のソーラーパネルの受光面側に設けて、小型で充電が可能なソーラーバッテリーとして用いたり、ICカードの表面に設けて、ICカードに電力を供給するバッテリーとして用いることか考えられる。
しかしながら、特許文献4に示すような、従来の透明薄膜リチウム二次電池は、可視光透過率が十分ではなく、ソーラーパネルの受光面側に設けると、ソーラーパネルに到達する光量の低下による発電量の低下が懸念される。また、ICカードの表面に設けた場合、カード表面に施されたデザインが見えにくく、デザイン性が低下するという課題があった。
On the other hand, a thin-film lithium secondary battery is provided, for example, on the light receiving surface side of a small solar panel to be used as a small and rechargeable solar battery, or is provided on the surface of an IC card to supply power to the IC card. It is conceivable to use it as.
However, the conventional transparent thin-film lithium secondary battery as shown in
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、正極層や負極層の膜厚を増加させることで充放電容量を大きくすることができ、大電流で充放電を行っても充放電容量の低下が少なく、可視光透過率が高く透明性に優れた薄膜リチウム二次電池、およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the charge / discharge capacity can be increased by increasing the thickness of the positive electrode layer and the negative electrode layer, and even if charging / discharging is performed with a large current, charging / discharging is performed. An object of the present invention is to provide a thin-film lithium secondary battery having a small decrease in capacity, a high visible light transmittance, and excellent transparency, and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するために、本発明の薄膜リチウム二次電池は、正極層、固体電解質層、負極層を有する積層体を備え、前記正極層または前記負極層のうち、少なくともいずれか一方は窒素を含み、前記積層体は、可視光透過率が60%以上であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the thin-film lithium secondary battery of the present invention includes a laminate having a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer, and at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer is nitrogen. The laminated body is characterized by having a visible light transmittance of 60% or more.
本発明によれば、正極層または負極層のうち、少なくともいずれか一方は窒素(N)を含むことにより、正極層や負極層のイオン伝導度が向上し、正極層や負極層の膜厚を増加させることによって充放電容量を大きくすることができる。また、本発明の薄膜リチウム二次電池は、正極層または負極層のうち、少なくともいずれか一方は窒素(N)を含むことにより、構成材料の非晶質化が促進され、結晶化した場合の粒界散乱による光線拡散の影響が低減し、可視光透過性を向上させることができる。薄膜リチウム二次電池を構成する積層体の可視光透過率が60%以上であることによって、可視光の入出射が必要なデバイスの表面にも配置可能な薄膜リチウム二次電池を提供できる。 According to the present invention, by containing nitrogen (N) in at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer, the ionic conductivity of the positive electrode layer and the negative electrode layer is improved, and the thickness of the positive electrode layer and the negative electrode layer is increased. The charge / discharge capacity can be increased by increasing the charge / discharge capacity. Further, in the thin film lithium secondary battery of the present invention, when at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer contains nitrogen (N), the amorphization of the constituent material is promoted and crystallized. The influence of light diffusion due to grain boundary scattering can be reduced, and visible light transmission can be improved. When the visible light transmittance of the laminate constituting the thin film lithium secondary battery is 60% or more, it is possible to provide a thin film lithium secondary battery that can be arranged on the surface of a device that requires the input and output of visible light.
また、本発明では、前記正極層または前記負極層は、可視光透過性の金属酸化物を含む化合物からなることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the positive electrode layer or the negative electrode layer is made of a compound containing a metal oxide that transmits visible light.
また、本発明では、前記可視光透過性の金属酸化物は、リチウム−チタン酸化物、ニオブ酸化物のうちのいずれか一つを含むことを特徴とする。 Further, in the present invention, the visible light transmissive metal oxide is characterized by containing any one of a lithium-titanium oxide and a niobium oxide.
また、本発明では、前記固体電解質層は、リン酸リチウムに窒素(N)が添加されたLiPONからなることを特徴とする。 Further, in the present invention, the solid electrolyte layer is characterized by being composed of LiPON in which nitrogen (N) is added to lithium phosphate.
また、本発明では、前記積層体は、最上層および最下層に、可視光透過性を有する導電性酸化物からなる集電体層を有することを特徴とする。 Further, in the present invention, the laminated body is characterized by having a current collector layer made of a conductive oxide having visible light transmission in the uppermost layer and the lowermost layer.
本発明の薄膜リチウム二次電池の製造方法は、前記各項に記載の薄膜リチウム二次電池の製造方法であって、窒素を含むスパッタリングガスを用いて、前記正極層または前記負極層のうち、少なくともいずれか一方を成膜する成膜工程を備えたことを特徴とする。 The method for manufacturing a thin-film lithium secondary battery of the present invention is the method for manufacturing a thin-film lithium secondary battery according to each of the above items, wherein a sputtering gas containing nitrogen is used to among the positive electrode layer and the negative electrode layer. It is characterized by including a film forming step of forming at least one of them.
本発明によれば、正極層や負極層の膜厚を増加させることで充放電容量を大きくすることができ、大電流で充放電を行っても充放電容量の低下が少なく、可視光透過率が高く透明性に優れた薄膜リチウム二次電池、およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, the charge / discharge capacity can be increased by increasing the thickness of the positive electrode layer and the negative electrode layer, the charge / discharge capacity does not decrease much even when charging / discharging is performed with a large current, and the visible light transmission rate is small. It is possible to provide a thin-film lithium secondary battery having a high degree of transparency and excellent transparency, and a method for producing the same.
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that each of the embodiments shown below is specifically described in order to better understand the gist of the invention, and is not limited to the present invention unless otherwise specified. In addition, the drawings used in the following description may be shown by enlarging the main parts for convenience in order to make the features of the present invention easy to understand, and the dimensional ratios of the respective components are the same as the actual ones. Is not always the case.
本発明に係る薄膜リチウム二次電池は、正極層と、固体電解質層と、負極層とを有する積層体を備え、前記正極層または前記負極層のうち、少なくともいずれか一方は窒素(N)を含む。すなわち薄膜リチウム二次電池は、正極層または負極層がNを含む場合と、正極層および負極層の両方がNを含む場合がある。薄膜リチウム二次電池は、前記正極層または前記負極層のうち、少なくともいずれか一方は窒素(N)を含むことにより、前記正極層や前記負極層のイオン伝導度が向上し、前記正極層や前記負極層の膜厚を増加させることによって充放電容量を大きくすることができる。 The thin-film lithium secondary battery according to the present invention includes a laminate having a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer, and at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer contains nitrogen (N). Including. That is, in the thin film lithium secondary battery, the positive electrode layer or the negative electrode layer may contain N, or both the positive electrode layer and the negative electrode layer may contain N. In the thin film lithium secondary battery, at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer contains nitrogen (N), so that the ionic conductivity of the positive electrode layer and the negative electrode layer is improved, and the positive electrode layer and the negative electrode layer The charge / discharge capacity can be increased by increasing the thickness of the negative electrode layer.
また、薄膜リチウム二次電池は、前記正極層または前記負極層のうち、少なくともいずれか一方は窒素(N)を含む(ドープする)ことにより、Nをドープしない場合と比較して可視光透過性が向上する。これは、Nをドープすると正極層または負極層の構成材料の非晶質化が促進され、結晶化した場合の粒界散乱による光線拡散の影響が低減したことによる。 Further, in the thin film lithium secondary battery, at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer contains (dopes) nitrogen (N), so that the visible light transmittance is higher than that in the case where N is not doped. Is improved. This is because when N is doped, the amorphization of the constituent materials of the positive electrode layer or the negative electrode layer is promoted, and the influence of light diffusion due to intergranular scattering when crystallized is reduced.
また、本発明に係る薄膜リチウム二次電池は、正極層と固体電解質層と負極層とを備えた積層体は、可視光透過率が60%以上である。薄膜リチウム二次電池は、前記積層体が可視光透過性を有することにより、正極層と負極層との間で可視光(波長:約380nm〜810nm(後述する実施例においては400nm〜700nm))を透過させることができる。 Further, in the thin film lithium secondary battery according to the present invention, the laminated body provided with the positive electrode layer, the solid electrolyte layer and the negative electrode layer has a visible light transmittance of 60% or more. In the thin film lithium secondary battery, the laminated body has visible light transmittance, so that visible light (wavelength: about 380 nm to 810 nm (400 nm to 700 nm in the examples described later)) between the positive electrode layer and the negative electrode layer). Can be made transparent.
本発明の薄膜リチウム二次電池を構成する積層体は、正極集電体層、正極層、固体電解質層、負極層、および負極集電体層とを順に備える場合を含む。この場合、積層体は基板の一面に設けられるのが好ましい。積層体は、基板に一面側から正極集電体層、正極層、固体電解質層、負極層、および負極集電体層が順に設けられている場合と、基板の一面側から負極集電体層、負極層、固体電解質層、正極層、正極集電体層が順に設けられている場合とを含む。 The laminate constituting the thin film lithium secondary battery of the present invention includes a case where a positive electrode current collector layer, a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, a negative electrode layer, and a negative electrode current collector layer are provided in this order. In this case, the laminate is preferably provided on one surface of the substrate. In the laminated body, the positive electrode current collector layer, the positive electrode layer, the solid electrolyte layer, the negative electrode layer, and the negative electrode current collector layer are sequentially provided on the substrate from one side, and the negative electrode current collector layer is provided from one side of the substrate. , The case where the negative electrode layer, the solid electrolyte layer, the positive electrode layer, and the positive electrode current collector layer are provided in this order.
薄膜リチウム二次電池の積層体が正極集電体層および負極集電体層を備える場合、正極集電体層および負極集電体層も可視光透過性を有している。また、薄膜リチウム二次電池が基板を備える場合、基板も可視光透過性を有している。なお、薄膜リチウム二次電池は、正極集電体層または負極集電体層を基板として用いてもよく、この場合、基板を省略することができる。 When the laminate of the thin-film lithium secondary battery includes a positive electrode current collector layer and a negative electrode current collector layer, the positive electrode current collector layer and the negative electrode current collector layer also have visible light transmittance. Further, when the thin film lithium secondary battery includes a substrate, the substrate also has visible light transmission. The thin-film lithium secondary battery may use a positive electrode current collector layer or a negative electrode current collector layer as a substrate, and in this case, the substrate can be omitted.
また、正極集電体層や負極集電体層は、必ずしも必要ではなく、例えば、正極層が正極集電体層を兼ねる場合もあるし、負極層が負極集電体層を兼ねる場合もある。すなわち正極層と正極集電体層は、一体であって1層で形成される場合を含む。また負極層と負極集電体層は、一体であって1層で形成される場合を含む。 Further, the positive electrode current collector layer and the negative electrode current collector layer are not always necessary. For example, the positive electrode layer may also serve as the positive electrode current collector layer, and the negative electrode layer may also serve as the negative electrode current collector layer. .. That is, the case where the positive electrode layer and the positive electrode current collector layer are integrated and formed as one layer is included. Further, the case where the negative electrode layer and the negative electrode current collector layer are integrated and formed by one layer is included.
(薄膜リチウム二次電池)
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態の薄膜リチウム二次電池を示す断面図である。
図1に示す薄膜リチウム二次電池10は、正極集電体層14、正極層16、固体電解質層18、負極層20、および負極集電体層22とを有する積層体11を備えている。積層体11は、基板12の一面12aに設けられ、基板12に接する側から正極集電体層14、正極層16、固体電解質層18、負極層20、および負極集電体層22が順に積層されている。
(Thin film lithium secondary battery)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a thin film lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.
The thin-film lithium
薄膜リチウム二次電池10を構成する積層体11は、積層方向Dに沿って可視光透過性を有している。積層体11の積層方向Dに沿った可視光(波長:約380nm〜810nm(後述する実施例においては400nm〜700nm))の透過率は、例えば60%以上とされている。積層体11を構成する正極集電体層14、正極層16、固体電解質層18、負極層20、および負極集電体層22は、それぞれ可視光透過性を有する透明な薄膜から構成されている。また、基板12も可視光透過性を有する透明な薄板から構成されている。
The laminated body 11 constituting the thin-film lithium
基板12は、可視光透過性を有し、更に耐熱性や可撓性を有する基板を用いることができる。可視光透過性、および耐熱性を有する基板の材料は、例えば、ガラスなどが挙げられる。可視光透過性、および可撓性を有する基板の材料は、例えば、ポリカーボネート(PC)、ポリイミド(PI)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)などから選択できる。
As the
正極集電体層14と、負極集電体層22は、可視光透過性を有し、かつ電気抵抗が低い金属酸化物、即ち透明導電体で形成されている。正極集電体層14と負極集電体層22とは、互いに同じ材料で形成されていても、異なる材料で形成されていてもよい。正極集電体層14や負極集電体層22を構成する具体的な材料例としては、錫ドープ酸化インジウム(ITO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、ガリウムドープ酸化亜鉛(GZO)、アンチモンドープ酸化錫(ATO)などの可視光透過性を有する金属酸化物が挙げられる。
The positive electrode
正極層16は、リチウム(Li)を含み、リチウムの吸蔵と、吸蔵されたリチウムの脱離が可能な材料で形成され、さらにNを含み、可視光透過性を有する材料から構成されている。正極層16の構成材料の具体例としては、リチウム−チタン酸化物(Li4Ti5O12など)にNがドープされた透明な材料を用いることができる。
The
正極層16におけるNのドープ量は、例えば0.1at%〜10.0at%であるのが好ましく、1.0at%〜5.0at%であるのがより好ましい。Nのドープ量が0.1at%以上であることにより、より確実にイオン伝導度を向上する効果が得られる。Nのドープ量が10.0at%を超えると、イオン伝導度を向上する効果が飽和する。
The doping amount of N in the
固体電解質層18は、リチウムイオンを含有し、リチウムイオンが移動可能で、かつ可視光透過性を有する材料から構成される。固体電解質層18の構成材料の具体例としては、例えば、リン酸リチウム(Li3PO4)にNをドープしたLi3PO4−xNx(LiPON)からなるアモルファス薄膜を用いるのが好ましい。
The
負極層20は、可視光透過性を有し、リチウムイオンを吸蔵及び脱離し得る材料で形成され、酸化ニオブ(Nb2O5など)、酸化インジウム(In2O3など)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化錫(SnO2など)、錫ドープ酸化インジウム(ITO))、リチウム−チタン酸化物(Li4Ti5O12など)の金属酸化物薄膜によって形成されるのが好ましい。
The
負極層20は、さらにNがドープされているのがより好ましい。負極層20におけるNのドープ量は、0.1at%〜10.0at%であるのが好ましく、1.0at%〜5.0at%であるのがより好ましい。Nのドープ量が0.1at%以上であることにより、より確実にイオン伝導度を向上する効果が得られる。Nのドープ量が10.0at%を超えると、イオン伝導度を向上する効果が飽和する。
It is more preferable that the
薄膜リチウム二次電池10は、スパッタリング法、蒸着法、塗布法などにより作製することができる。塗布法は、有機金属化合物を有機溶媒とともに基板12の一面12aに塗布し、加熱、分解することによって所望の酸化物層が得られる。本実施形態の場合、組成のずれが少なく、比較的大きな面積に均一に膜を形成できるスパッタリング法が好ましい。
The thin-film lithium
積層体11を構成する各層の厚さは数10nm〜数μmであるのが好ましい。正極層16および負極層20の厚さは、それぞれの層の単位体積当たりの容量に膜厚と面積を乗じて得られるお互いの層全体の容量が一致するようにするのが好ましい。正極層16の厚さは、100nm〜1000nmがより好ましい。
The thickness of each layer constituting the laminated body 11 is preferably several tens of nm to several μm. The thicknesses of the
正極層16の厚さは、固体電解質層18の厚さに対し、50%〜1000%であるのが好ましい。固体電解質層18の厚さは10nm〜1000nmであることが好ましく、抵抗を下げて伝導度を上げるために、ピンホール等の欠陥によるショートが生じない範囲で、できる限り薄くすることがより好ましい。
The thickness of the
負極層20の厚さは、その層全体の容量が正極層16の層全体の容量と一致するようにすることが好ましい。例えば、負極層20の単位体積あたりの容量が正極層16の単位体積あたりの容量より大きい場合、負極層20の厚さは正極層16の厚さより薄いのが好ましい。具体的には、負極層20の単位体積あたりの容量が正極層16の単位体積あたりの容量の2倍であって、正極層16の厚さが100nm〜1000nmの場合、負極層20の厚さは、50nm〜500nmで正極層16の厚さの半分であるのがより好ましい。負極層20の厚さは、固体電解質層18の厚さに対し、50%〜1000%であるのが好ましい。
The thickness of the
薄膜リチウム二次電池10を充電する際には、正極集電体層14と負極集電体層22を図示しない電源に接続し、正極集電体層14と負極集電体層22間に電圧が印加される。これにより、正極層16におけるリチウムが正極層16から脱離してリチウムイオンとなって固体電解質層18を介して負極層20へ移動する。上記反応が継続することによって、正極層16ではリチウムが減り、負極層20ではリチウムイオンが電子と結びついて負極層20内に蓄積する。
When charging the thin-film lithium
薄膜リチウム二次電池10を放電する際には、正極集電体層14と負極集電体層22を図示しない外部回路に接続すると、正極集電体層14と負極集電体層22間に電位差が生じる。これにより、負極層20のリチウムがリチウムイオンとなって固体電解質層18を介して正極層16へ移動するとともに、電子が外部回路を通って負極層20から正極層16へ移動する。正極層16では、リチウムイオンと電子が結びついて正極層16内に蓄積される。上記の反応によって外部回路に電流が流れる。
When the thin-film lithium
本来的にNがドープされていない金属酸化物で形成した正極層は、微結晶の集合体である。Nがドープされることによって、正極層16はアモルファス化し、イオン伝導度が向上すると考えられる。本実施形態に係る薄膜リチウム二次電池10は、Nがドープされた正極層16を備えることによって、正極層16のイオン伝導度が向上し、正極層16の膜厚を厚くしても、内部抵抗の上昇が抑制される。
The positive electrode layer formed of a metal oxide that is not originally doped with N is an aggregate of microcrystals. It is considered that the
したがって正極層16において厚さ方向にリチウムイオンがスムーズに移動することができるので、薄膜リチウム二次電池10は、正極層16を有効に活用することができ、結果として充放電容量を大きくすることができる。また薄膜リチウム二次電池10は、内部抵抗が低いので、大きな電流で充放電を行っても充放電容量の低下が少なく、素早く充放電でき、従来にくらべ高出力化を実現することができる。
Therefore, since lithium ions can smoothly move in the thickness direction in the
薄膜リチウム二次電池10は、Nをドープした金属酸化物によって負極層20を形成すれば、負極層20においてもイオン伝導度が向上し、充放電容量をより大きくすることができる。このように、正極層16及び負極層20の両方にNをドープすることも好ましい。
In the thin film lithium
また薄膜リチウム二次電池10は、正極層16ではなく、負極層20のみにNをドープしてもよい。薄膜リチウム二次電池10は、Nがドープされた負極層20を備えることによって、負極層20のイオン伝導度が向上し、負極層20の膜厚を厚くしても、内部抵抗の上昇が抑制される。
Further, in the thin film lithium
従って、負極層20において厚さ方向にリチウムイオンがスムーズに移動することができるので、薄膜リチウム二次電池10は、負極層20を有効に活用することができ、結果として充放電容量を大きくすることができる。Nのドープ量は、上述した実施形態と同様に、0.1at%〜10.0at%であるのが好ましく、1.0at%〜5.0at%であるのがより好ましい。
Therefore, since lithium ions can smoothly move in the thickness direction in the
薄膜リチウム二次電池10は、積層体11を構成する各層、即ち正極集電体層14、正極層16、固体電解質層18、負極層20、および負極集電体層22を、それぞれ可視光透過性を有する材料によって形成することにより、可視光透過性を有する薄膜リチウム二次電池10にすることができる。
The thin-film lithium
一般的に、可視光透過性でない金属酸化物であっても、極めて薄く成膜することによって、ある程度の可視光透過性は生じるが、正極層16や負極層20の厚みが薄いと、充放電容量が限られてしまう。本実施形態の薄膜リチウム二次電池10は、積層体11を構成する各層を可視光透過性を有する材料から構成することで、正極層16や負極層20の厚みを厚くして充放電容量を高めても、積層体11の可視光透過率を例えば60%以上などと高く維持することができる。
In general, even a metal oxide that is not transparent to visible light can be charged and discharged to some extent by forming an extremely thin film, but if the
また、本実施形態のように、正極層16や固体電解質層18にNをドープした材料を用いることによって、積層体11の可視光透過性がNをドープしない場合と比較してより一層向上する。これは、Nをドープすると正極層16や固体電解質層18の非晶質化が促進され、結晶化した膜での粒界散乱による光線拡散の影響が低減したことによるものと考えられる。
Further, by using a material in which the
こうした積層体11の可視光透過性によって、本実施形態の薄膜リチウム二次電池10は、基板12の他面12b側に、可視光の入出射が必要なデバイス、例えば、表示装置や太陽電池も形成することができる。
Due to the visible light transmission of the laminated body 11, the thin-film lithium
以上のとおり、本実施形態の薄膜リチウム二次電池10によれば、正極層や負極層に窒素を含むことで充放電容量が大きく、かつ、可視光透過率が高く透明性に優れた薄膜リチウム二次電池を実現できる。
As described above, according to the thin-film lithium
なお、本実施形態では、積層体11は、基板12の一面12aから上層に向かって正極集電体層14、正極層16、固体電解質層18、負極層20、および負極集電体層22の順に積層しているが、これとは逆向きに各層を積層した構成であってもよい。
In the present embodiment, the laminated body 11 is composed of the positive electrode
また、1つの積層体を正極層、固体電解質層、負極層から構成し、この積層体を2つ以上重ねるように配して薄膜リチウム二次電池を構成してもよい。これにより、複数の薄膜リチウム二次電池を直列に接続する構成となり、放電電圧を高めることができる。 Further, one laminate may be composed of a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer, and two or more of these laminates may be arranged so as to form a thin film lithium secondary battery. As a result, a plurality of thin-film lithium secondary batteries are connected in series, and the discharge voltage can be increased.
また、積層体11を構成する正極集電体層14、正極層16、固体電解質層18、負極層20、および負極集電体層22の任意の層間に、別な機能層を設けることもできる。
Further, another functional layer may be provided between any layers of the positive electrode
また、用いる正極層と負極層の組み合わせによっては、充放電電圧が0Vを横切って正極と負極が反転しても安定に動作し、極性の区別がつかなくなることもある。本出願の実施例では、最初の測定電位の極性を正極、負極としている。 Further, depending on the combination of the positive electrode layer and the negative electrode layer used, even if the charge / discharge voltage crosses 0 V and the positive electrode and the negative electrode are inverted, the operation is stable and the polarities may not be distinguishable. In the examples of the present application, the polarity of the first measurement potential is a positive electrode and a negative electrode.
(薄膜リチウム二次電池の製造方法)
次に、本発明の薄膜リチウム二次電池の製造方法を説明する。
本実施形態の薄膜リチウム二次電池10の製造方法として、スパッタリング法によって積層体11を形成する際には、可視光透過性の基板12の一面に、積層体11の各層の構成材料をスパッタリングターゲットとしてスパッタリングを行い、所定の厚みまで順に各層を成膜することで行われる。
(Manufacturing method of thin-film lithium secondary battery)
Next, a method for manufacturing the thin-film lithium secondary battery of the present invention will be described.
As a method for manufacturing the thin film lithium
こうしたスパッタリング法による成膜のうち、Nを含む材料からなる正極層16を成膜する際には、スパッタリングガスとして、Nを含むガスを用いて成膜を行う(成膜工程)。
より具体的には、例えば、正極層16を成膜する際には、スパッタリングターゲットとして、リチウム−チタン酸化物(Li4Ti5O12)を用い、このスパッタリングターゲットに対して、Arに窒素(N2)を混合した混合ガスをスパッタリングガスとして、スパッタリングを行う。これにより、リチウム−チタン酸化物(Li4Ti5O12)に対して、スパッタリングガスのNがドープされたNドープリチウム−チタン酸化物(Li4Ti5O12+N)の薄膜が成膜できる。
Among the film formations by the sputtering method, when the
More specifically, for example, when the
また、Nを含む材料からなる固体電解質層18を成膜する際には、スパッタリングターゲットとして、Li3PO4を用い、このスパッタリングターゲットに対して、N2ガスをスパッタリングガスとして、スパッタリングを行う。これにより、スパッタリングガスのNがドープされたリン酸リチウム(LiPON)からなるアモルファス薄膜が成膜できる。
Further, when the
なお、Nを含む材料から負極層を成膜する場合でも、正極層と同様に、スパッタリングターゲットに対して、ArにN2を混合した混合ガスをスパッタリングガスとして、スパッタリングを行うことで、Nがドープされた薄膜を成膜できる。 Even when the negative electrode layer is formed from a material containing N, N can be obtained by performing sputtering on the sputtering target using a mixed gas obtained by mixing Ar and N 2 as the sputtering gas, as in the case of the positive electrode layer. A doped thin film can be formed.
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed without departing from the technical idea of the invention.
本発明の有効性を確認するために行った検証実験について説明する。 A verification experiment conducted to confirm the effectiveness of the present invention will be described.
(実施例1)スパッタリング法によって、ガラス基板に正極集電体層、正極層、固体電解質層、負極層、負極集電層を順に積層してなる積層体を形成し、実施例1の薄膜リチウム二次電池を作製した。成膜条件は以下の通りである。
スパッタリング装置: DCマグネトロンスパッタ装置(CS−200:アルバック株式会社製)。
磁界強度: 1000ガウス(スパッタリングターゲット直上、垂直成分)。
到達真空度: 5×10−5Pa以下。
スパッタリングターゲット: 正極集電体層および負極集電体層[ITO焼結体]、固体電解質層[Li3PO4焼結体]、正極層および負極層[Li4Ti5O12焼結体]。
スパッタリングガス: 正極集電体層および負極集電体層[Ar+O2混合ガス(混合比、Ar:O2=99:1)、固体電解質層[N2(100%)]、正極層および負極層[Ar+N2混合ガス(混合比、Ar:N2=9:1)。
スパッタリングガス圧: 0.5Pa。
スパッタリングパワー: 正極集電体層および負極集電体層[DC100W]、正極層、負極層、固体電解質層[RF100W]。
基板: 無アルカリガラス板(サイズ50mm×50mm×1mm(厚み))。
成膜時の基板加熱: なし。
(Example 1) By the sputtering method, a laminate formed by laminating a positive electrode current collector layer, a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, a negative electrode layer, and a negative electrode current collector layer in this order is formed on a glass substrate, and the thin film lithium of Example 1 is formed. A secondary battery was manufactured. The film forming conditions are as follows.
Sputtering equipment: DC magnetron sputtering equipment (CS-200: manufactured by ULVAC, Inc.).
Magnetic field strength: 1000 gauss (directly above the sputtering target, vertical component).
Ultimate vacuum: 5 x 10-5 Pa or less.
Sputtering target: Positive electrode current collector layer and negative electrode current collector layer [ITO sintered body], solid electrolyte layer [Li 3 PO 4 sintered body], positive electrode layer and negative electrode layer [Li 4 Ti 5 O 12 sintered body] ..
Sputtering gas: Positive electrode current collector layer and negative electrode current collector layer [Ar + O 2 mixed gas (mixing ratio, Ar: O 2 = 99: 1), solid electrolyte layer [N 2 (100%)], positive electrode layer and negative electrode layer [Ar + N 2 mixed gas (mixing ratio, Ar: N 2 = 9: 1).
Sputtering gas pressure: 0.5 Pa.
Sputtering power: Positive electrode current collector layer and negative electrode current collector layer [DC100W], positive electrode layer, negative electrode layer, solid electrolyte layer [RF100W].
Substrate: Non-alkali glass plate (size 50 mm x 50 mm x 1 mm (thickness)).
Substrate heating during film formation: None.
正極集電体層および負極集電体層はITO、膜厚は100nmとした。固体電解質層はLiPON、膜厚は100nmとした。正極層および負極層は、共にNをドープしたLi4Ti5O12とした。そして、正極層および負極層の膜厚をそれぞれ100nm(サンプル1,3)、200nm(サンプル2,4)にしたサンプルを作製した。なお、正極層や負極層にNがドープされていることは、それらの単層膜について、EPMA(電子線マイクロアナライザー、波長分散型X線分光)分析を行い、Nが検出されたことにより確認した。
The positive electrode current collector layer and the negative electrode current collector layer were ITO, and the film thickness was 100 nm. The solid electrolyte layer was LiPON and the film thickness was 100 nm. The positive electrode layer and the negative electrode layer were both N-doped Li 4 Ti 5 O 12 . Then, samples were prepared in which the film thicknesses of the positive electrode layer and the negative electrode layer were 100 nm (samples 1 and 3) and 200 nm (
(実施例2)
負極層をNb2O5にした以外は実施例1と同様である。正極層および負極層の膜厚をそれぞれ100nm(サンプル5,7)、200nm(サンプル6,8)にしたサンプルを作製した。また、実施例1と異なる成膜条件は以下の通りである。
スパッタリングターゲット: 負極層[Nb2O5焼結体]。
スパッタリングガス: 負極層[Ar+O2混合ガス(混合比、Ar:O2=9:1)。
(Example 2)
This is the same as in Example 1 except that the negative electrode layer is Nb 2 O 5. Samples were prepared in which the film thicknesses of the positive electrode layer and the negative electrode layer were 100 nm (samples 5 and 7) and 200 nm (
Sputtering target: Negative electrode layer [Nb 2 O 5 sintered body].
Sputtering gas: Negative electrode layer [Ar + O 2 mixed gas (mixing ratio, Ar: O 2 = 9: 1).
(比較例)
正極層および負極層として、NをドープしないLi4Ti5O12を用いた。正極層および負極層の膜厚をそれぞれ100nm(サンプル1、3、5、7)、200nm(サンプル2、4、6、8)にしたサンプルを作製した。
実施例1と異なる成膜条件は以下の通りである。
スパッタリングターゲット: 負極層[Li4Ti5O12焼結体]。
スパッタリングガス: 正極層および負極層[Ar+O2混合ガス(混合比、Ar:O2=9:1)。
(Comparison example)
As the positive electrode layer and the negative electrode layer, Li 4 Ti 5 O 12 not doped with N was used. Samples were prepared in which the film thicknesses of the positive electrode layer and the negative electrode layer were 100 nm (samples 1, 3, 5, 7) and 200 nm (
The film forming conditions different from those of Example 1 are as follows.
Sputtering target: Negative electrode layer [Li 4 Ti 5 O 12 sintered body].
Sputtering gas: Positive electrode layer and negative electrode layer [Ar + O 2 mixed gas (mixing ratio, Ar: O 2 = 9: 1).
以上のような実施例1、2、比較例の積層体を、正極層および負極層の膜厚をそれぞれ100nm、200nmにしたサンプルを作製し、これらをさらに2つに分けて測定電流を10μAおよび50μA(電圧範囲:−2.0〜+2.0V)に設定して、充電容量、放電容量、光学透過率、および正極層と負極層の窒素原子比率を測定した。それぞれの測定条件は以下の通りである。
充電、放電容量測定: 充放電測定装置(アスカ電子株式会社製)、測定温度25℃で実施。表1に示す充電容量、放電容量は、100サイクル目の値を採用。
光学透過率測定: 分光光度計(U4100:日立ハイテクノロジーズ株式会社製)、400nm〜700nmの波長範囲における透過率スペクトルを測定し平均透過率を算出。
窒素原子比率測定: 電子線マイクロアナライザー装置(EPMA、JEOL JXA−8530F:日本電子株式会社製)、窒素原子の定量分析を実施。
以上の測定結果を表1に纏めて示す。
Samples in which the thicknesses of the positive electrode layer and the negative electrode layer were 100 nm and 200 nm, respectively, were prepared from the laminates of Examples 1 and 2 and Comparative Examples as described above, and these were further divided into two to measure a current of 10 μA. The charge capacity, discharge capacity, optical transmittance, and nitrogen atom ratio between the positive electrode layer and the negative electrode layer were measured by setting the voltage range to 50 μA (voltage range: −2.0 to + 2.0 V). Each measurement condition is as follows.
Charging and discharging capacity measurement: Charge / discharge measuring device (manufactured by Asuka Electronics Co., Ltd.), measured at a measurement temperature of 25 ° C. The values for the 100th cycle are used for the charge capacity and discharge capacity shown in Table 1.
Optical transmittance measurement: A spectrophotometer (U4100: manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) measures the transmittance spectrum in the wavelength range of 400 nm to 700 nm and calculates the average transmittance.
Nitrogen atom ratio measurement: Electron probe microanalyzer (EPMA, JEOL JXA-8530F: manufactured by JEOL Ltd.), quantitative analysis of nitrogen atoms.
The above measurement results are summarized in Table 1.
表1に示す結果によれば、実施例1および実施例2共に、正極層および負極層の膜厚が厚くなると、充電容量および放電容量の増加が確認された。また、測定電流を大きくしても充電容量および放電容量があまり減少しないことが確認された。また、可視光領域(400〜700nm)の光学透過率がいずれも60%以上の高い値を示した。さらに、実施例1および実施例2共に、いずれのサンプルも充電容量および放電容量について、100サイクル以上の安定したサイクル特性が確認された。 According to the results shown in Table 1, in both Examples 1 and 2, it was confirmed that the charge capacity and the discharge capacity increased as the film thicknesses of the positive electrode layer and the negative electrode layer increased. It was also confirmed that the charge capacity and the discharge capacity did not decrease so much even if the measured current was increased. In addition, the optical transmittance in the visible light region (400 to 700 nm) was as high as 60% or more. Further, in both Example 1 and Example 2, stable cycle characteristics of 100 cycles or more were confirmed in terms of charge capacity and discharge capacity.
一方、比較例の各サンプルは、正極層や負極層の膜厚が増加しても、充電容量および放電容量は実施例1や実施例2のように増加せず、正極層、負極層が同じ膜厚の実施例のサンプルよりも充電容量および放電容量が小さかった。また、電流を大きくすると、実施例1や実施例2と比較して、充電容量および放電容量の大きな減少が確認された。また、可視光領域(400〜700nm)の光学透過率がいずれも60%未満で、実施例1、実施例2の各サンプルよりも光学透過率が低かった。 On the other hand, in each sample of the comparative example, even if the film thickness of the positive electrode layer and the negative electrode layer increases, the charge capacity and the discharge capacity do not increase as in Examples 1 and 2, and the positive electrode layer and the negative electrode layer are the same. The charge capacity and discharge capacity were smaller than those of the sample of the film thickness example. Further, when the current was increased, a large decrease in charge capacity and discharge capacity was confirmed as compared with Example 1 and Example 2. In addition, the optical transmittance in the visible light region (400 to 700 nm) was less than 60%, which was lower than that of the samples of Examples 1 and 2.
以上のとおり、実施例1、実施例2では、正極層、負極層の膜厚の増加に伴って充電容量および放電容量が増加し、また、測定電流を大きくしても充電容量および放電容量があまり減少しないことが確認された。これは、正極層の材料や負極層の材料に窒素(N)を添加したことにより、イオン伝導度が増加し、内部抵抗が低下したことによると考えられる。そして、実施例1、実施例2では、比較例よりも光学透過率が大きくなることが確認された。これは、正極層にNをドープしたことにより、正極層が非晶質となり、Nをドープしない場合に結晶化して受ける粒界散乱の影響が低減したことによると考えられる。 As described above, in Examples 1 and 2, the charge capacity and the discharge capacity increase as the film thicknesses of the positive electrode layer and the negative electrode layer increase, and the charge capacity and the discharge capacity increase even if the measurement current is increased. It was confirmed that it did not decrease much. It is considered that this is because the addition of nitrogen (N) to the material of the positive electrode layer and the material of the negative electrode layer increased the ionic conductivity and decreased the internal resistance. Then, in Examples 1 and 2, it was confirmed that the optical transmittance was larger than that in Comparative Example. It is considered that this is because the positive electrode layer is made amorphous by doping the positive electrode layer with N, and the influence of grain boundary scattering caused by crystallization when N is not doped is reduced.
次に、表1の実施例1中のサンプル1を用いて、充放電時の電圧変化および充放電容量のサイクル特性を測定した。この結果を図2、3にそれぞれ示す。このうち、図2は、サイクル数がそれぞれ2回目、10回目、50回目、および100回目における、充電時および放電時の電圧変化を示したグラフである。また、図3は、0〜100回までの充放電容量のサイクル特性を示している。 Next, using Sample 1 in Example 1 of Table 1, the voltage change during charging / discharging and the cycle characteristics of the charging / discharging capacity were measured. The results are shown in FIGS. 2 and 3, respectively. Of these, FIG. 2 is a graph showing voltage changes during charging and discharging at the second, tenth, 50th, and 100th cycles, respectively. Further, FIG. 3 shows the cycle characteristics of the charge / discharge capacity from 0 to 100 times.
図2によれば、表1に示すサンプル1の薄膜リチウム二次電池は、2サイクル目から100サイクル目に至るまで、充電時の電圧特性、および放電時の電圧特性が殆ど変化せず、繰り返しサイクルを経ても、0Vを介して安定して正負極の反転動作が行われることが確認された。
また、図3によれば、表1に示すサンプル1の薄膜リチウム二次電池は、充放電サイクル初期に若干のブレが生じて以降は、100回まで充放電容量が11uAh程度で殆ど変化せず、繰り返しサイクルを経ても安定した充放電を行えることが確認された。
According to FIG. 2, the thin-film lithium secondary battery of Sample 1 shown in Table 1 repeats from the second cycle to the 100th cycle with almost no change in the voltage characteristics during charging and the voltage characteristics during discharging. It was confirmed that the positive and negative electrode reversal operations were stably performed via 0 V even after the cycle.
Further, according to FIG. 3, the thin-film lithium secondary battery of Sample 1 shown in Table 1 has a charge / discharge capacity of about 11 uAh and hardly changes up to 100 times after a slight blurring occurs at the initial stage of the charge / discharge cycle. It was confirmed that stable charging and discharging can be performed even after repeated cycles.
10…薄膜リチウム二次電池
11…積層体
12…基板
14…正極集電体層
16…正極層
18…固体電解質層
20…負極層
22…負極集電体層
10 ... Thin-film lithium secondary battery 11 ...
Claims (6)
前記積層体は、可視光透過率が60%以上であることを特徴とする薄膜リチウム二次電池。 A laminate having a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer is provided, and at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer contains nitrogen.
The laminated body is a thin-film lithium secondary battery having a visible light transmittance of 60% or more.
窒素を含むスパッタリングガスを用いて、前記正極層または前記負極層のうち、少なくともいずれか一方を成膜する成膜工程を備えたことを特徴とする薄膜リチウム二次電池の製造方法。 The method for manufacturing a thin-film lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 5.
A method for producing a thin film lithium secondary battery, which comprises a film forming step of forming at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer using a sputtering gas containing nitrogen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019182121A JP2021057317A (en) | 2019-10-02 | 2019-10-02 | Thin film lithium secondary battery and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019182121A JP2021057317A (en) | 2019-10-02 | 2019-10-02 | Thin film lithium secondary battery and manufacturing method thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021057317A true JP2021057317A (en) | 2021-04-08 |
Family
ID=75271057
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019182121A Pending JP2021057317A (en) | 2019-10-02 | 2019-10-02 | Thin film lithium secondary battery and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2021057317A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022254524A1 (en) * | 2021-05-31 | 2022-12-08 | 日本電信電話株式会社 | Lithium secondary battery and method for producing same |
WO2023238379A1 (en) * | 2022-06-10 | 2023-12-14 | 日本電信電話株式会社 | Lithium secondary battery and method for producing lithium secondary battery |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011108533A (en) * | 2009-11-18 | 2011-06-02 | Sony Corp | Solid electrolyte cell, and positive electrode active material |
WO2011135713A1 (en) * | 2010-04-30 | 2011-11-03 | トヨタ自動車株式会社 | Electrode body and secondary battery using same |
JP2012009201A (en) * | 2010-06-23 | 2012-01-12 | Sony Corp | Transparent conductive film, method for manufacturing the same, dye-sensitized solar battery having the same, and solid electrolyte battery having the same |
JP5002852B2 (en) * | 2005-02-02 | 2012-08-15 | ジオマテック株式会社 | Thin film solid secondary battery |
JP2016162593A (en) * | 2015-03-02 | 2016-09-05 | 富士通株式会社 | Secondary battery and storage electricity amount display method |
JP2016170973A (en) * | 2015-03-12 | 2016-09-23 | トヨタ自動車株式会社 | Active material composite particle and lithium battery |
JP2019102399A (en) * | 2017-12-08 | 2019-06-24 | 日本電信電話株式会社 | Light transmission type battery, device using the battery, and determination method of remaining battery charge |
-
2019
- 2019-10-02 JP JP2019182121A patent/JP2021057317A/en active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5002852B2 (en) * | 2005-02-02 | 2012-08-15 | ジオマテック株式会社 | Thin film solid secondary battery |
JP2011108533A (en) * | 2009-11-18 | 2011-06-02 | Sony Corp | Solid electrolyte cell, and positive electrode active material |
WO2011135713A1 (en) * | 2010-04-30 | 2011-11-03 | トヨタ自動車株式会社 | Electrode body and secondary battery using same |
JP2012009201A (en) * | 2010-06-23 | 2012-01-12 | Sony Corp | Transparent conductive film, method for manufacturing the same, dye-sensitized solar battery having the same, and solid electrolyte battery having the same |
JP2016162593A (en) * | 2015-03-02 | 2016-09-05 | 富士通株式会社 | Secondary battery and storage electricity amount display method |
JP2016170973A (en) * | 2015-03-12 | 2016-09-23 | トヨタ自動車株式会社 | Active material composite particle and lithium battery |
JP2019102399A (en) * | 2017-12-08 | 2019-06-24 | 日本電信電話株式会社 | Light transmission type battery, device using the battery, and determination method of remaining battery charge |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022254524A1 (en) * | 2021-05-31 | 2022-12-08 | 日本電信電話株式会社 | Lithium secondary battery and method for producing same |
WO2023238379A1 (en) * | 2022-06-10 | 2023-12-14 | 日本電信電話株式会社 | Lithium secondary battery and method for producing lithium secondary battery |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9362547B2 (en) | Solid electrolyte cell and positive electrode active material | |
JP5002852B2 (en) | Thin film solid secondary battery | |
Choi et al. | Radio-frequency magnetron sputtering power effect on the ionic conductivities of LiPON films | |
CN106207162B (en) | All-solid-state lithium ion secondary battery and method for manufacturing same | |
Song et al. | High-performance flexible all-solid-state microbatteries based on solid electrolyte of lithium boron oxynitride | |
JP5549192B2 (en) | Solid electrolyte battery and positive electrode active material | |
US20150311562A1 (en) | Solid electrolyte for a microbattery | |
WO2006082846A1 (en) | Thin-film solid secondary cell | |
US9325008B2 (en) | Solid electrolyte battery and positive electrode active material | |
JP2008159399A (en) | Negative electrode active material for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery using it, and complex apparatus equipped with it | |
JP2021057317A (en) | Thin film lithium secondary battery and manufacturing method thereof | |
JP2015210970A (en) | Electricity storage element and method for manufacturing electricity storage element | |
CN102369626A (en) | Solid electrolyte cell and process for producing solid electrolyte cell | |
WO2018135154A1 (en) | Lithium ion secondary battery and positive electrode active material | |
WO2012111783A1 (en) | Solid electrolyte battery | |
JP4381176B2 (en) | Thin film solid secondary battery | |
US20210194040A1 (en) | Lithium-ion rechargeable battery and method for manufacturing lithium-ion rechargeable battery | |
Sasaki et al. | Fabrication of solid-state secondary battery using semiconductors and evaluation of its charge/discharge characteristics | |
CN111033855A (en) | Lithium ion secondary battery and positive electrode for lithium ion secondary battery | |
JP2021057316A (en) | Non-polar thin film lithium secondary battery and manufacturing method thereof | |
Donders et al. | All-solid-state batteries: a challenging route towards 3D integration | |
JP7227477B2 (en) | thin film lithium secondary battery | |
JP6697155B2 (en) | All solid state battery | |
Sakakura et al. | Development of oxide-based all-solid-state batteries using aerosol deposition | |
WO2023238379A1 (en) | Lithium secondary battery and method for producing lithium secondary battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220930 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230522 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230530 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20231128 |