JP4174729B2 - Method for forming inorganic solid electrolyte - Google Patents

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Description

本発明は、無機固体電解質の形成方法に関するものである。   The present invention relates to a method for forming an inorganic solid electrolyte.

有機電解液を使用したリチウム2次電池の実用化が進展している。その特徴とするところは、他の電池と比較して、単位体積あるいは単位重量当りのエネルギー出力が高いことであり、移動体通信、ノートパソコンや電気自動車用電源として、実用化開発が進められている。   Practical use of lithium secondary batteries using organic electrolyte is progressing. The feature is that the energy output per unit volume or unit weight is higher compared to other batteries, and the development of practical use has been promoted as a power source for mobile communications, notebook computers and electric vehicles. Yes.

リチウム2次電池の性能を向上させるため、負極としてリチウム金属を使用しようとする試みがあるが、充放電時に樹枝状のリチウム金属の成長が負極上に起こり、正極との内部短絡を引き起こし、最終的には爆発に至る危険性を有している。この危険性を抑える手法として、特許文献1に記載されているように、リチウム金属上に硫化物系の無機固体電解質薄膜を形成することが検討されている。   In order to improve the performance of the lithium secondary battery, there is an attempt to use lithium metal as a negative electrode, but dendritic lithium metal grows on the negative electrode during charging and discharging, causing an internal short circuit with the positive electrode, and finally There is a risk of explosion. As a technique for suppressing this risk, as described in Patent Document 1, formation of a sulfide-based inorganic solid electrolyte thin film on lithium metal has been studied.

また、リチウム電池などに用いる固体電解質として、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6に記載の技術が知られている。   Moreover, as a solid electrolyte used for a lithium battery etc., nonpatent literature 1, nonpatent literature 2, nonpatent literature 3, nonpatent literature 4, patent literature 2, patent literature 3, patent literature 4, patent literature 5, patent literature 6 The technique described in is known.

特開2000−340257号公報JP 2000-340257 A 特開2001-250580号公報JP 2001-250580 A 特公平5-48582号公報Japanese Patent Publication No. 5-48582 特開平4-231346号公報JP-A-4-231346 米国特許第6,025,094号明細書U.S. Patent No. 6,025,094 米国特許第5,314,765号明細書U.S. Pat.No. 5,314,765 Rene Mercier, Jean-Pierre Malugani, Bernard Fahys, Guy Robert, 「SUPERIONICCONDUCTION IN Li2S-P2S5-LiI-GLASSES」, Solid State Ionics5, North-Holland Publishing Company, 1981年, P663-666Rene Mercier, Jean-Pierre Malugani, Bernard Fahys, Guy Robert, "SUPERIONICCONDUCTION IN Li2S-P2S5-LiI-GLASSES", Solid State Ionics5, North-Holland Publishing Company, 1981, P663-666 高田和典,近藤繁雄,「無機固体電解質」,電気化学65,No.11,1997年,P914-919Kazunori Takada, Shigeo Kondo, “Inorganic Solid Electrolyte”, Electrochemistry 65, No. 11, 1997, P914-919 「J.Am.Cream.Soc,84[2]」 2001年,P477-479“J.Am.Cream.Soc, 84 [2]” 2001, P477-479 濱重規,林晃敏,森本英行,辰巳砂昌弘,南努,「新規なLi2S-P2S5系ガラスセラミックスの合成と高リチウムイオン伝導性」,第26回固体イオニクス討論会講演要旨集,固体イオニクス学会,2000年11月15日〜17日,P174-175Shigenori Tsuji, Satoshi Hayashi, Hideyuki Morimoto, Masahiro Isago, Tsutomu Minami, "Synthesis and High Lithium Ion Conductivity of Novel Li2S-P2S5 Glass Ceramics", Proceedings of the 26th Solid State Ionics Conference, Solid State Ionics Society , November 15-17, 2000, P174-175

しかし、硫化ケイ素を含む硫化物系の無機固体電解質薄膜をリチウム金属と接触させると、リチウム金属により硫化ケイ素(SiS2)のケイ素が還元され、無機固体電解質が室温においても経時的に変質することが判明した。 However, when a sulfide-based inorganic solid electrolyte thin film containing silicon sulfide is brought into contact with lithium metal, the silicon of silicon sulfide (SiS 2 ) is reduced by the lithium metal, and the inorganic solid electrolyte changes over time even at room temperature. There was found.

一般に、リチウム金属上には酸化物などのイオン伝導度の低い層が形成されており、この酸化物層が存在している場合、前記のリチウム金属と硫化ケイ素の反応は抑制される傾向にある。しかし、電池性能を改善するために酸化物層を除去すると、リチウム金属と硫化ケイ素の反応に伴う無機固体電解質の経時的変質が顕在化することがわかった。   In general, a layer having a low ion conductivity such as an oxide is formed on lithium metal. When this oxide layer is present, the reaction between the lithium metal and silicon sulfide tends to be suppressed. . However, it has been found that when the oxide layer is removed to improve the battery performance, the deterioration of the inorganic solid electrolyte over time associated with the reaction between lithium metal and silicon sulfide becomes obvious.

そこで、本発明の目的は、リチウム金属と接触させてもケイ素の還元反応にともなう無機固体電解質の経時的変質が抑制される硫化物系の無機固体電解質の形成方法を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming a sulfide-based inorganic solid electrolyte in which the deterioration with time of the inorganic solid electrolyte accompanying the reduction reaction of silicon is suppressed even when contacted with lithium metal.

本発明は、リチウム金属と硫化ケイ素(SiS2)が室温において反応し、無機固体電解質の劣化が生じるとの知見に基づくもので、無機固体電解質中にSiを含有させないことで上記の目的を達成する。 The present invention is based on the knowledge that lithium metal and silicon sulfide (SiS 2 ) react at room temperature to cause deterioration of the inorganic solid electrolyte. The above object is achieved by not containing Si in the inorganic solid electrolyte. To do.

<無機固体電解質>
まず、本発明無機固体電解質の形成方法は、基材上に無機固体電解質薄膜を形成する方法であって、基材上に形成される無機固体電解質は、Li、PおよびSで実質的に構成されて、Siを含有していないことを特徴とする。特に、Liを20原子%以上60原子%以下含み、残部が実質的にPおよびSで構成されて、Siを含有していないことが好ましい。より好ましくは、Liを25原子%以上60原子%以下含み残部が実質的にPおよびSで構成されて、Siを含有していないことである。本発明において実質的とは、有意的に含有させる元素以外に不可避的不純物を含有するものとする。
<Inorganic solid electrolyte>
First, the method for forming an inorganic solid electrolyte of the present invention is a method for forming an inorganic solid electrolyte thin film on a substrate, and the inorganic solid electrolyte formed on the substrate is substantially composed of Li, P and S. It is characterized by not containing Si. In particular, it is preferable that Li is contained in an amount of 20 atomic% or more and 60 atomic% or less, and the balance is substantially composed of P and S and contains no Si. More preferably, Li is 25 atomic% or more and 60 atomic% or less, and the balance is substantially composed of P and S and does not contain Si. In the present invention, the term “substantially” means that inevitable impurities are contained in addition to the elements that are significantly contained.

Siは無機固体電解質のガラス質組成物の主骨格に含まれないようにすることが望ましい。従来より、硫化物系の無機固体電解質薄膜にはSiが含有されることが当然視されていたが、このSiが無機固体電解質の性能に悪影響を及ぼすことは知られておらず、何らの対策もされていなかった。そこで、本発明ではSiを含ませないことでリチウム金属と硫化ケイ素の反応に伴う無機固体電解質の経時的変質を抑制する。なお、Siを含まないとは、Siの含有量が1原子%未満であることとする。   It is desirable that Si is not included in the main skeleton of the glassy composition of the inorganic solid electrolyte. Conventionally, it was naturally considered that sulfide-based inorganic solid electrolyte thin films contain Si, but this Si is not known to adversely affect the performance of inorganic solid electrolytes. It was not done. Therefore, in the present invention, by not containing Si, the temporal change of the inorganic solid electrolyte accompanying the reaction between lithium metal and silicon sulfide is suppressed. Note that “not containing Si” means that the Si content is less than 1 atomic%.

ケイ素を含まないリチウム-リン-イオウ系の無機固体電解質は、以下の理由により、他の硫化物無機固体電解質、特にケイ素を含む硫化物無機固体電解質に比べて優れている。   The lithium-phosphorus-sulfur inorganic solid electrolyte containing no silicon is superior to other sulfide inorganic solid electrolytes, particularly sulfide inorganic solid electrolytes containing silicon, for the following reasons.

1.イオン伝導度が高い。
2.リチウム金属表面に接触させても、ケイ素を含む硫化物無機固体電解質のように、リチウム金属との反応をおこさない。
3.非水の有機電解液を使ったリチウム2次電池において、リチウム金属上に無機固体電解質を形成して負極としたときに、次の特性を有する。
・デンドライト成長の抑制効果が優れている。
・電解液に対する化学安定性が優れている。
・充放電サイクルにおけるモフォロジー変化に対し、機械的強度が強い。
4.SiS2は高価であるが、硫化リン(P2S5)は、比較的価格も安く、入手しやすいため、工業生産用に適している。
1. High ionic conductivity.
2. Even if it is brought into contact with the lithium metal surface, it does not react with the lithium metal like the sulfide inorganic solid electrolyte containing silicon.
3. A lithium secondary battery using a non-aqueous organic electrolyte has the following characteristics when an inorganic solid electrolyte is formed on lithium metal to form a negative electrode.
• Excellent dendrite growth suppression effect.
・ Excellent chemical stability against electrolytes.
・ Strong mechanical strength against morphological changes during charge / discharge cycles.
Four. Although SiS 2 is expensive, phosphorus sulfide (P 2 S 5 ) is suitable for industrial production because it is relatively inexpensive and easily available.

この無機固体電解質層中のリチウム元素含有量は、20原子%以上で60原子%以下とする。20原子%未満ではイオン伝導度が低くなり、高抵抗化する。また、無機固体電解質層とリチウム金属層との密着性が低下する。一方、リチウム元素含有量が60原子%を超えると、無機固体電解質層とリチウム金属層との密着性は向上するが、無機固体電解質層が多結晶化および多孔質化して、緻密な無機固体電解質の連続膜の形成が困難になる。その上、電子伝導性が発現し、電池を構成した際に内部短絡を引き起こし、電池性能を低下させる。   The lithium element content in the inorganic solid electrolyte layer is 20 atomic% or more and 60 atomic% or less. If it is less than 20 atomic%, the ionic conductivity is lowered and the resistance is increased. Moreover, the adhesiveness of an inorganic solid electrolyte layer and a lithium metal layer falls. On the other hand, when the lithium element content exceeds 60 atomic%, the adhesion between the inorganic solid electrolyte layer and the lithium metal layer is improved, but the inorganic solid electrolyte layer becomes polycrystallized and porous, resulting in a dense inorganic solid electrolyte. It becomes difficult to form a continuous film. In addition, electronic conductivity is manifested, causing an internal short circuit when the battery is constructed, thereby reducing battery performance.

従って、電解質層は非晶質体であることが好ましい。本発明において非晶質とは、実質的に非晶質(ガラス)で形成されており、X線回折でハローパターンとなる場合はもちろん、ハローパターンに加えて出発原料や生成物などによるわずかなピークがみられる場合(一部に出発原料や生成物の結晶粒が析出している場合)や、基材(薄膜形成時)のピークがみられる場合を含むものとする。   Therefore, the electrolyte layer is preferably an amorphous body. In the present invention, the amorphous is substantially formed of amorphous (glass), and in addition to a halo pattern by X-ray diffraction, a slight amount due to starting materials and products in addition to the halo pattern. This includes cases where a peak is observed (when starting material or product crystal grains are partially precipitated) and when a peak of the substrate (when forming a thin film) is observed.

無機固体電解質層中のリン元素含有量は3原子%以上20原子%以下が好ましい。また、イオウ元素含有量は30原子%以上60原子%以下が好ましい。リンやイオウの含有量が少ないと欠陥が発生しやすくなる。また、リンやイオウが多いと、固体電解質中に不純物としてのリン単体やイオウ単体が増える。   The phosphorus element content in the inorganic solid electrolyte layer is preferably 3 atomic% to 20 atomic%. The sulfur element content is preferably 30 atomic% or more and 60 atomic% or less. If the phosphorus or sulfur content is low, defects are likely to occur. In addition, if there is a large amount of phosphorus or sulfur, phosphorus or sulfur alone as impurities increases in the solid electrolyte.

本発明における無機固体電解質に含有される具体的化合物としては、硫化リチウム(Li2S)と硫化リン(P2S5)の化合物が好適である。特に、リチウム(Li)の組成比をXとし、リン(P)の組成比をYとしたとき、X/Yが1.0以上19以下であることが好ましい。 As a specific compound contained in the inorganic solid electrolyte in the present invention, a compound of lithium sulfide (Li 2 S) and phosphorus sulfide (P 2 S 5 ) is preferable. In particular, when the composition ratio of lithium (Li) is X and the composition ratio of phosphorus (P) is Y, X / Y is preferably 1.0 or more and 19 or less.

さらに、この無機固体電解質には酸素および窒素の少なくとも一方が含有されていても良い。5原子%程度以下の微量な酸素または窒素の含有により、さらに高いリチウムイオン伝導性を発揮することが可能となる。これは、微量な酸素原子または窒素原子が含有されることにより、形成される非晶質骨格の隙間を広げる効果がもたらされ、リチウムイオンが移動する妨げを軽減しているためと推定される。   Furthermore, this inorganic solid electrolyte may contain at least one of oxygen and nitrogen. Inclusion of a trace amount of oxygen or nitrogen of about 5 atomic% or less makes it possible to exhibit even higher lithium ion conductivity. This is presumably because the inclusion of a trace amount of oxygen or nitrogen atoms has the effect of widening the gaps between the formed amorphous skeletons, reducing the hindrance to the movement of lithium ions. .

酸素を含む化合物としては、Li3PO4、Li2SO4、Li2O、P2O5などが挙げられる。窒素を含む化合物としては、Li3PO4-XN2X/3(0<X<4)などが挙げられる。 Examples of the compound containing oxygen include Li 3 PO 4 , Li 2 SO 4 , Li 2 O, and P 2 O 5 . Examples of the compound containing nitrogen include Li 3 PO 4-X N 2X / 3 (0 <X <4).

このような無機固体電解質は、薄膜にすることが望ましい。薄膜の厚さは0.01μm以上10μm以下が望ましく、より好ましくは0.05μm以上1μm以下である。これは、薄すぎるとピンホール等の欠陥が増え、厚すぎるとプロセス時間が長くなり製造コストが増えるためである。   Such an inorganic solid electrolyte is preferably a thin film. The thickness of the thin film is desirably 0.01 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 0.05 μm or more and 1 μm or less. This is because if the thickness is too thin, defects such as pinholes increase, and if it is too thick, the process time increases and the manufacturing cost increases.

<基材>
本発明の無機固体電解質の形成方法では、無機固体電解質薄膜が形成される基材として、電池部材として利用できるよう、リチウム金属またはリチウム合金(リチウム含有材料)の表面に形成することが望ましい。リチウム合金の具体例としては、LiとIn、Ti、Zn、BiまたはSn等との合金が挙げられる。
<Base material>
In the method for forming an inorganic solid electrolyte of the present invention, it is desirable that the inorganic solid electrolyte thin film be formed on the surface of lithium metal or lithium alloy (lithium-containing material) so that it can be used as a battery member. Specific examples of the lithium alloy include alloys of Li and In, Ti, Zn, Bi, Sn, or the like.

このリチウム含有材料の表面に、リチウムと合金または金属間化合物を形成する金属、たとえばAl、In、Bi、Zn、Pbなどの金属薄膜を形成しても良い。この金属薄膜とリチウム含有材料とからなる負極を用いることで、充放電時のリチウム金属の移動が円滑になり、リチウム金属の利用厚みが増加する。また、充放電時の負極の変形が均一になり、電解質層への歪を低減できる。   On the surface of the lithium-containing material, a metal thin film such as Al, In, Bi, Zn, Pb or the like, which forms an alloy or intermetallic compound with lithium, may be formed. By using a negative electrode composed of this metal thin film and a lithium-containing material, the movement of the lithium metal during charge / discharge becomes smooth, and the use thickness of the lithium metal increases. Further, the deformation of the negative electrode during charge / discharge becomes uniform, and the strain on the electrolyte layer can be reduced.

<無機固体電解質の形成方法>
本発明無機固体電解質の形成方法は、基材上に無機固体電解質薄膜を形成する無機固体電解質の形成方法であって、基材を40℃以上180℃以下に加熱しながらLi、PおよびSで実質的に構成されて、Siを含有していない無機固体電解質薄膜を形成することを特徴とする。或いは、40℃未満の基材温度で上記と同様の無機固体電解質薄膜を形成した後、薄膜の形成された基材を40℃以上180℃以下に加熱することを特徴とする。
<Method for forming inorganic solid electrolyte>
The method for forming an inorganic solid electrolyte of the present invention is a method for forming an inorganic solid electrolyte thin film on a substrate, wherein the substrate is heated at 40 ° C. to 180 ° C. with Li, P and S. An inorganic solid electrolyte thin film that is substantially configured and does not contain Si is formed. Alternatively, after forming an inorganic solid electrolyte thin film similar to the above at a substrate temperature of less than 40 ° C., the substrate on which the thin film is formed is heated to 40 ° C. or more and 180 ° C. or less.

特に、Liを20原子%以上60原子%以下含み、残部が実質的にPおよびSで構成されることが好ましい。より好ましくは、Liを25原子%以上60原子%以下含み残部が実質的にPおよびSで構成されて、Siを含有していないことである。   In particular, it is preferable that Li is contained in an amount of 20 atomic% to 60 atomic%, with the balance being substantially composed of P and S. More preferably, Li is 25 atomic% or more and 60 atomic% or less, and the balance is substantially composed of P and S and does not contain Si.

このように無機固体電解質薄膜を形成するときに基材を加熱するか、室温で形成した後に薄膜を加熱処理することにより、イオン伝導度の高い薄膜が得られる。   Thus, a thin film with high ionic conductivity is obtained by heating a base material when forming an inorganic solid electrolyte thin film, or heat-treating a thin film after forming at room temperature.

ところで、リチウム含有材料の表面にSiを含む無機固体電解質を形成する場合、基材を加熱しながら無機固体電解質を形成したり、無機固体電解質を形成後に加熱処理を行うと、LiとSiの反応が促進される。これに対し、本発明のようにリチウム含有材料の表面にSiを含まない無機固体電解質を形成する場合に上記のような加熱処理を行うと、イオン伝導度などの特性がよい無機固体電解質を形成することができて極めて有効である。また、基材を加熱しながら無機固体電解質薄膜を形成する場合、薄膜と基材との密着性がよくなるなどの効果も期待できる。   By the way, when forming an inorganic solid electrolyte containing Si on the surface of a lithium-containing material, if an inorganic solid electrolyte is formed while heating the substrate, or if heat treatment is performed after forming the inorganic solid electrolyte, the reaction between Li and Si Is promoted. In contrast, when an inorganic solid electrolyte that does not contain Si is formed on the surface of a lithium-containing material as in the present invention, an inorganic solid electrolyte with good characteristics such as ionic conductivity is formed by performing the above heat treatment. It is extremely effective. Moreover, when forming an inorganic solid electrolyte thin film, heating a base material, the effect that the adhesiveness of a thin film and a base material improves is also expectable.

上記無機固体電解質薄膜の形成は、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法のいずれかにより行うことが好ましい。   The inorganic solid electrolyte thin film is preferably formed by any one of sputtering, vacuum deposition, laser ablation, and ion plating.

また、本発明の無機固体電解質の形成方法は、基材表面に不活性ガスイオンを照射して基材表面をエッチングする工程と、前記エッチング工程と少なくとも一部が重複して行われる無機固体電解質膜の形成工程とを具えるようにすることが好ましい。   The method for forming an inorganic solid electrolyte of the present invention includes a step of irradiating a substrate surface with inert gas ions to etch the substrate surface, and an inorganic solid electrolyte that is performed at least partially overlapping with the etching step. It is preferable to include a film forming step.

特に、基材として、上記のリチウム含有材料を用いる場合、このリチウム含有材料は、電解質層を形成するときに何らの前処理を行わずにそのまま使用しても良いが、一般的にリチウム金属の表面には、酸化物層(Li2Oなど)、炭酸化物層(Li2CO3)、水酸化物層(LiOH)などが、薄く形成されていることが多い。これらのリチウムイオン伝導度は低いため、除去することが望ましい。酸化物層などの除去は、アルゴンイオンビームなどの不活性ガスイオンを照射することで行うことができる。その際に用いるアルゴンガスは、極力純度の高いものが望ましい。例えば、純度が99.9999%のアルゴンが好適である。 In particular, when the above lithium-containing material is used as a substrate, this lithium-containing material may be used as it is without any pretreatment when forming the electrolyte layer. In many cases, an oxide layer (Li 2 O, etc.), a carbonate layer (Li 2 CO 3 ), a hydroxide layer (LiOH), etc. are formed thin on the surface. Since these lithium ion conductivities are low, it is desirable to remove them. Removal of the oxide layer or the like can be performed by irradiation with an inert gas ion such as an argon ion beam. The argon gas used at that time is preferably as pure as possible. For example, argon having a purity of 99.9999% is suitable.

これにより、無機固体電解質薄膜を直接リチウム含有材料上に形成し、リチウム含有材料と無機固体電解質層とのインピーダンスをより低減することができる。   Thereby, an inorganic solid electrolyte thin film can be directly formed on a lithium containing material, and the impedance of a lithium containing material and an inorganic solid electrolyte layer can be reduced more.

そして、基材表面に不活性ガスイオンを照射して基材表面をエッチングする工程と無機固体電解質膜の形成工程とを重複して行うことが望ましい。このような成膜により、分析室を1.33×10-9hPa(1×10-9Torr)以下の超高真空に保持できるXPSによる分析でも、リチウム含有材料と無機固体電解質との境界で、酸素量が無機固体電解質からリチウム含有材料に向かって漸次的に変化し、リチウム含有材料の表面に存在する酸化物層がほぼ除去されたリチウム電池部材であることを確認できる。分析室を1.33×10-9hPa(1×10-9Torr)以下の超高真空に保持できるXPS(X‐ray Photo-electronic Spectroscopy:X線光電子分光法分析装置)としては、ファイ社製5400型が挙げられる。 And it is desirable to carry out the process of irradiating the surface of the substrate with inert gas ions to etch the surface of the substrate and the step of forming the inorganic solid electrolyte membrane. Even with XPS analysis that can maintain the analysis chamber in an ultra-high vacuum of 1.33 × 10 -9 hPa (1 × 10 -9 Torr) or less by forming such a film, oxygen is separated at the boundary between the lithium-containing material and the inorganic solid electrolyte. It can be confirmed that the amount of the lithium battery member gradually changes from the inorganic solid electrolyte toward the lithium-containing material, and the oxide layer present on the surface of the lithium-containing material is almost removed. As an XPS (X-ray Photo-electronic Spectroscopy) that can maintain the analysis chamber in an ultra-high vacuum of 1.33 × 10 -9 hPa (1 × 10 -9 Torr) or less, 5400 manufactured by Phi A type is mentioned.

従来、到達真空度が1.3×10-7hPa(1×10-7Torr)程度の通常の真空装置を用いた電解質膜の形成では、エッチング工程を行った後に電解質薄膜の形成工程を行うと、リチウム含有材料と無機固体電解質との間に酸素含有層(酸化物層、炭酸化物層、水酸化物層など)が形成され易い。本発明では、エッチング工程と電解質薄膜の形成工程を重複させて行うことで、通常の真空装置でもほぼ酸素含有層を排除して成膜することができる。 Conventionally, in the formation of an electrolyte film using an ordinary vacuum apparatus having a degree of vacuum of about 1.3 × 10 −7 hPa (1 × 10 −7 Torr), an electrolyte thin film forming step is performed after performing an etching step. An oxygen-containing layer (oxide layer, carbonate layer, hydroxide layer, etc.) is easily formed between the lithium-containing material and the inorganic solid electrolyte. In the present invention, by performing the etching process and the electrolyte thin film forming process in an overlapping manner, even an ordinary vacuum apparatus can be formed by substantially eliminating the oxygen-containing layer.

エッチング工程と電解質薄膜の形成工程とは、完全に重複しても良いが、エッチング工程の終了側と電解質薄膜形成工程の開始側とを部分的に重複させることが好ましい。エッチング工程により基材表面部の酸素含有層をほぼ除去し、基材表面のエッチングに続いて酸素含有層が形成できない状態において電解質薄膜の形成を開始する。その際、電解質薄膜は不活性ガスイオンにより若干除去されながら成膜されていくことになる。   The etching step and the electrolyte thin film forming step may completely overlap, but it is preferable to partially overlap the etching process end side and the electrolyte thin film forming step start side. The oxygen-containing layer on the surface of the substrate is almost removed by the etching step, and the formation of the electrolyte thin film is started in a state where the oxygen-containing layer cannot be formed following the etching of the surface of the substrate. At that time, the electrolyte thin film is formed while being slightly removed by the inert gas ions.

エッチング工程を単独で行う時間は、基材表面部の酸素含有層をほぼ除去できる程度とすれば良い。また、エッチング工程と電解質薄膜形成工程とを重複させる時間は基材表面が電解質薄膜材料に覆われる程度とすれば良い。   The time for performing the etching step alone may be set to such an extent that the oxygen-containing layer on the surface portion of the substrate can be substantially removed. Further, the time for overlapping the etching process and the electrolyte thin film forming process may be such that the substrate surface is covered with the electrolyte thin film material.

一方、酸素含有層をほぼ除去した後、窒化リチウム(Li3N)などの窒化物層を形成してから電解質薄膜を形成しても良い。Li3Nはイオン伝導度が室温で1×10-3S/cm以上であり、リチウム金属と無機固体電解質薄膜の中間に存在しても、流すことのできる電流密度の低下にはつながらない。また、窒化物層が存在することにより、酸化物層などの生成抑制も期待できる。 On the other hand, the electrolyte thin film may be formed after forming the nitride layer such as lithium nitride (Li 3 N) after substantially removing the oxygen-containing layer. Li 3 N has an ionic conductivity of 1 × 10 −3 S / cm or more at room temperature, and even if it exists between lithium metal and an inorganic solid electrolyte thin film, it does not reduce the current density that can be passed. In addition, the presence of the nitride layer can be expected to suppress generation of an oxide layer or the like.

窒化物層の形成はアルゴンと窒素の混合イオンビーム処理などによりおこなうことができる。窒化物層はリチウム含有材料のごく表面のみに形成されていれば十分であり、窒化されていない部分が点在しないように1nm以上の厚みが好ましい。ただし、窒化物層は厚すぎると多結晶化によるイオン伝導度の低下、電解液との反応、耐電圧性の劣化等の問題が出てくる。従って、窒化物層の厚さは0.1μm(100nm)以下にすることが望ましく、より好ましくは10nm以下である。   The nitride layer can be formed by a mixed ion beam treatment of argon and nitrogen. It is sufficient that the nitride layer is formed only on the very surface of the lithium-containing material, and a thickness of 1 nm or more is preferable so that non-nitrided portions are not scattered. However, if the nitride layer is too thick, problems such as a decrease in ionic conductivity due to polycrystallization, a reaction with the electrolytic solution, and a deterioration in withstand voltage occur. Therefore, the thickness of the nitride layer is desirably 0.1 μm (100 nm) or less, more preferably 10 nm or less.

<リチウム2次電池>
以上のようなリチウム金属またはリチウム合金(リチウム含有材料)の表面に無機固体電解質薄膜を形成した電池部材は、リチウム2次電池の負極として利用することができる。
<Lithium secondary battery>
The battery member in which an inorganic solid electrolyte thin film is formed on the surface of lithium metal or lithium alloy (lithium-containing material) as described above can be used as a negative electrode for a lithium secondary battery.

例えば、正極と、多孔質のセパレータと、負極とを積層して非水の有機電解液を含浸し、この積層体を電池ケースに収納して封口することでリチウム2次電池を構成できる。   For example, a lithium secondary battery can be constructed by laminating a positive electrode, a porous separator, and a negative electrode, impregnating with a nonaqueous organic electrolyte solution, and housing and sealing the laminate in a battery case.

より詳細に説明すると、まず負極集電体と負極を接合し、負極となるリチウム含有材料上に、有機電解液を含まない無機系の固体電解質薄膜を形成して、負極と電解質の接合体を作製する。さらに、正極集電体(例えば銅あるいはアルミ箔)上に、有機高分子を含有する正極材料を形成して正極とする。前記の接合体と正極とをセパレータを介在して合体し、リチウム二次電池を作製する。   In more detail, first, the negative electrode current collector and the negative electrode are joined, and an inorganic solid electrolyte thin film not containing an organic electrolyte solution is formed on the lithium-containing material to be the negative electrode. Make it. Further, a positive electrode material containing an organic polymer is formed on a positive electrode current collector (for example, copper or aluminum foil) to obtain a positive electrode. The joined body and the positive electrode are combined via a separator to produce a lithium secondary battery.

これにより、負極および正極と電解質層との接触抵抗を低減でき、良好な充放電特性を得ることが可能となる。このように積層したボタン型電池の他、負極、電解質層、正極を積層して巻くことによって円筒状にしたものでも良い。   Thereby, the contact resistance between the negative electrode and the positive electrode and the electrolyte layer can be reduced, and good charge / discharge characteristics can be obtained. In addition to the button type battery thus laminated, a negative electrode, an electrolyte layer, and a positive electrode may be laminated and wound into a cylindrical shape.

正極と固体電解質層との間に配置されるセパレータの材質としては、リチウムイオンが移動できる細孔を有し、有機電解液に不溶で安定したものを用いる。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂などから形成された不織布や多孔質材が利用できる。その他、細孔を有する金属酸化物フィルムなどでも良い。   As a material of the separator disposed between the positive electrode and the solid electrolyte layer, a separator having pores through which lithium ions can move and insoluble and stable in the organic electrolyte is used. For example, a nonwoven fabric or a porous material formed from polypropylene, polyethylene, fluorine resin, polyamide resin or the like can be used. In addition, a metal oxide film having pores may be used.

以上説明したように、本発明の無機固体電解質の形成方法によれば、Siを含有させない無機固体電解質薄膜を基材の上に形成できるので、リチウム金属と硫化ケイ素の反応による電解質膜の劣化を抑制することができる。特に、リチウム含有金属上に直接電解質膜を形成し、リチウム含有金属と電解質膜との間でリチウム含有金属表面に存在していた酸素含有層をエッチングによりほぼ完全に除去することで、電解質膜とリチウム含有金属間の界面の抵抗を下げると共に、高いイオン伝導度を実現することができる。   As described above, according to the method for forming an inorganic solid electrolyte of the present invention, an inorganic solid electrolyte thin film not containing Si can be formed on a substrate, so that deterioration of the electrolyte membrane due to the reaction between lithium metal and silicon sulfide is prevented. Can be suppressed. In particular, the electrolyte membrane is formed directly on the lithium-containing metal, and the oxygen-containing layer existing on the lithium-containing metal surface between the lithium-containing metal and the electrolyte membrane is almost completely removed by etching. While reducing the resistance of the interface between lithium-containing metals, high ionic conductivity can be realized.

以下、本発明の実施の形態を説明する。
(実施例1)
厚み10μmで100mm×50mmの銅箔上に、厚さが10μmのリチウム金属薄膜を真空蒸着法で形成し、その表面上に無機固体電解質薄膜を形成する。リチウム金属薄膜の代わりに、銅箔と同じサイズで厚さが30μmのリチウム金属箔を貼り合わせて、そのリチウム金属箔上に無機固体電解質薄膜を形成することもできる。
Embodiments of the present invention will be described below.
(Example 1)
A 10 μm thick lithium metal thin film having a thickness of 10 μm is formed on a 100 mm × 50 mm copper foil by a vacuum deposition method, and an inorganic solid electrolyte thin film is formed on the surface. Instead of the lithium metal thin film, an inorganic solid electrolyte thin film can be formed on the lithium metal foil by laminating a lithium metal foil having the same size as the copper foil and a thickness of 30 μm.

このリチウム金属箔膜を形成した基材を、真空成膜装置内に設置する。真空装置の到達真空度は5.3×10-7hPa(4×10-7Torr)である。まず、圧力2.7×10-4hPa(2×10-4Torr)となるようにアルゴンガス(純度99.9999%)を流し、イオンガンにより、15mA、500Vでイオンビームを試料表面に30秒照射する。さらに、このイオンビーム照射を中断せずにレーザーアブレーション法で無機固体電解質の成膜を開始する。すなわち、イオンビーム照射は連続して40秒間行っているが、後半の10秒間は無機固体電解質の成膜と重複して行っている。最初の30秒はリチウム金属上の酸化物層や炭酸化物層などの除去のためである。 The base material on which the lithium metal foil film is formed is placed in a vacuum film forming apparatus. Ultimate vacuum of the vacuum apparatus is 5.3 × 10 -7 hPa (4 × 10 -7 Torr). First, argon gas (purity 99.9999%) is flowed so that the pressure becomes 2.7 × 10 −4 hPa (2 × 10 −4 Torr), and the sample surface is irradiated with an ion beam at 15 mA and 500 V for 30 seconds by an ion gun. Furthermore, the film formation of the inorganic solid electrolyte is started by laser ablation without interrupting the ion beam irradiation. That is, the ion beam irradiation is continuously performed for 40 seconds, but the second half of 10 seconds is performed overlapping with the film formation of the inorganic solid electrolyte. The first 30 seconds is for removing the oxide layer and carbonate layer on the lithium metal.

イオンビーム照射を中断し、間をおいてから成膜を開始すると、到達真空度が1.3×10-7hPa(1×10-7Torr)程度の一般的な真空装置では真空容器内に残存する酸素によりリチウム金属表面にごく薄い酸化物層が生成され易い。そのため、後半の10秒ではイオンビーム照射と成膜の同時に行い、酸化物層がほとんど形成されないようにしている。 When the ion beam irradiation is interrupted and the film formation is started after a while, it remains in the vacuum vessel in a general vacuum apparatus having a vacuum degree of about 1.3 × 10 −7 hPa (1 × 10 −7 Torr) Oxygen tends to produce a very thin oxide layer on the lithium metal surface. Therefore, in the latter 10 seconds, ion beam irradiation and film formation are performed at the same time, so that almost no oxide layer is formed.

イオンビーム停止後、成膜は継続し、3分以内にアルゴンガス圧力を2.7×10-3hPa(2×10-3Torr)、温度を室温から140℃に上昇させた。この条件で無機固体電解質を厚さ0.5μmに形成した。成膜に使用したレーザはKrFエキシマレーザーであり、レーザ発振周波数は5Hzとした。 After stopping the ion beam, the film formation continued, and within 3 minutes, the argon gas pressure was increased to 2.7 × 10 −3 hPa (2 × 10 −3 Torr), and the temperature was raised from room temperature to 140 ° C. Under these conditions, an inorganic solid electrolyte was formed to a thickness of 0.5 μm. The laser used for film formation was a KrF excimer laser, and the laser oscillation frequency was 5 Hz.

今回示したイオンビーム照射条件(電流、時間、ガス圧力)は一例に過ぎず、リチウム金属表面に形成されている酸化物層や炭酸化物層などの厚さ・イオンガンと試料の距離などに合わせて、調整する必要がある。   The ion beam irradiation conditions (current, time, and gas pressure) shown here are only examples, depending on the thickness of the oxide layer and carbonate layer formed on the lithium metal surface, the distance between the ion gun and the sample, etc. Need to be adjusted.

なお、1.33×10-9hPa(1×10-9Torr)以下の超高真空に到達でき、かつ容器内部の酸素や水分の吸着が極めて微量の真空装置を使用すれば、イオンビーム照射後、間をおいて成膜を開始しても、リチウム金属表面に酸化物層などがほとんど存在しないように無機固体電解質膜を形成することができると思われる。しかし、このような装置を作製するには極めて高度な技術が要求され、できても装置代が非常に高くなるため、上記に示した方法を採用した。 In addition, if an ultrahigh vacuum of 1.33 × 10 -9 hPa (1 × 10 -9 Torr) or less can be reached and the adsorption of oxygen and moisture inside the container is extremely small, after ion beam irradiation, Even if the film formation is started at an interval, it is considered that the inorganic solid electrolyte film can be formed so that an oxide layer or the like hardly exists on the lithium metal surface. However, in order to manufacture such a device, an extremely advanced technique is required, and even if possible, the cost of the device becomes very high. Therefore, the method described above was adopted.

無機固体電解質は、Siを含む63Li2S−36.5SiS2−0.5Li3PO4(数値はモル比)をターゲットとして形成した試料Aと、Siを含まない78Li2S−21.5P2S5−0.5Li3PO4(数値はモル比)をターゲットとして形成した試料Bの2種類を作製した。 The inorganic solid electrolyte is composed of a sample A formed using 63Li 2 S-36.5SiS 2 -0.5Li 3 PO 4 containing Si (a numerical value is a molar ratio) and 78Li 2 S-21.5P 2 S 5 − containing no Si. Two types of sample B were prepared with 0.5Li 3 PO 4 (the numerical value is a molar ratio) as a target.

成膜後取り出して試料を観察すると、Siを含む63Li2S−36.5SiS2−0.5Li3PO4をターゲットとした試料Aの薄膜は真っ黒に変質していた。通常、良好なLi2S−SiS2系薄膜は無色透明である。また、イオン伝導度は25℃で1×10-4S/cm以下であり、リチウム金属と直接接触させることによりSiと反応して、劣化していることが判明した。このイオン伝導度は、膜面に垂直な方向の伝導度を直流測定法により測定した。 When the sample was taken out after film formation and the sample was observed, the thin film of sample A targeted for 63Li 2 S-36.5SiS 2 -0.5Li 3 PO 4 containing Si was completely black. Usually, a good Li 2 S—SiS 2 thin film is colorless and transparent. In addition, the ionic conductivity was 1 × 10 −4 S / cm or less at 25 ° C., and it was found that it deteriorated by reacting with Si by direct contact with lithium metal. The ionic conductivity was measured by a direct current measurement method in the direction perpendicular to the film surface.

一方、78Li2S−21.5P2S5−0.5Li3PO4をターゲットとした試料Bの薄膜は無色透明で、イオン伝導度を測定すると、25℃で1.3×10-3S/cmであった。イオン伝導度は、試料Aと同様に測定した。この試料BのLi組成比(原子%)はEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)分析の結果、41%であった。薄膜の組成(原子%)は上記EPMA、XPS、ICP(Inductively Coupled Plasma)発光分析や不活性ガス融解赤外吸収法によるガス分析などで測定する。また、試料Bと同じ成膜条件でガラス基板上に形成した薄膜をICPで分析してLiの組成比XとPの組成比Yとを求め、これから計算した比X/Yは3.6であった。このとき用いたICP分析装置は、セイコー電子社製SPS1200VR型である。X線回折では、基材からのピーク以外は極小さなピークのみであり試料Bが非晶質状態であることが確認された。 On the other hand, the thin film of Sample B targeted at 78Li 2 S-21.5P 2 S 5 -0.5Li 3 PO 4 is colorless and transparent, and the ionic conductivity measured is 1.3 × 10 −3 S / cm at 25 ° C. It was. The ionic conductivity was measured in the same manner as Sample A. The Li composition ratio (atomic%) of Sample B was 41% as a result of EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) analysis. The composition (atomic%) of the thin film is measured by the above-mentioned EPMA, XPS, ICP (Inductively Coupled Plasma) emission analysis or gas analysis by inert gas melting infrared absorption method. Further, a thin film formed on the glass substrate under the same film formation conditions as Sample B was analyzed by ICP to obtain a composition ratio X of Li and a composition ratio Y of P, and the calculated ratio X / Y was 3.6. . The ICP analyzer used at this time is an SPS1200VR type manufactured by Seiko Electronics. X-ray diffraction confirmed that Sample B was in an amorphous state with only a very small peak other than the peak from the substrate.

さらに、分析室を1.33×10-9hPa(1×10-9Torr)以下の超高真空に保持できるXPS(X‐ray Photo-electronic Spectroscopy:X線光電子分光法分析装置)を用いて無機固体電解質膜からリチウム金属薄膜における組成分析を行った。分析に用いた装置は、ファイ社製5400型である。 Furthermore, inorganic solids using an XPS (X-ray Photo-electronic Spectroscopy) that can maintain the analysis chamber in an ultra-high vacuum of 1.33 × 10 -9 hPa (1 × 10 -9 Torr) or less Composition analysis was performed on the lithium metal thin film from the electrolyte membrane. The apparatus used for analysis is model 5400 made by Phi.

その結果、無機固体電解質膜からリチウム金属薄膜との境界で、酸素量が無機固体電解質からリチウム金属薄膜に向かって漸次的に変化している(減少している)ことが確認された。また、無機固体電解質膜を形成する前にリチウム金属表面に存在する酸化物層がほぼ除去できていることが確認された。   As a result, it was confirmed that the amount of oxygen gradually changed (decreased) from the inorganic solid electrolyte toward the lithium metal thin film at the boundary between the inorganic solid electrolyte film and the lithium metal thin film. It was also confirmed that the oxide layer present on the lithium metal surface was almost removed before forming the inorganic solid electrolyte membrane.

リチウム金属薄膜上に78Li2S−21.5P2S5−0.5Li3PO4をターゲットとする無機固体電解質薄膜を形成した基材を負極として、セパレータ(多孔質ポリマーフィルム)、正極、有機電解液等からなるリチウム2次電池を作製した。以下に、電池の作製手順および電池評価結果を記す。 Using a base material on which an inorganic solid electrolyte thin film targeting 78Li 2 S-21.5P 2 S 5 -0.5Li 3 PO 4 is formed on a lithium metal thin film as a negative electrode, a separator (porous polymer film), a positive electrode, an organic electrolyte A lithium secondary battery composed of the above or the like was produced. The battery production procedure and battery evaluation results are described below.

エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)の混合溶液を加熱し、ポリアクリロニトリル(PAN)を高濃度に溶解させたものを冷却して、LiPF6が溶解しているEC、PCを多量に含有するPANを作製した。このPAN中に、活物質となるLiCoO2粒子、および電子伝導性を付与する炭素粒子を混合し、20μm厚のアルミ箔(正極集電体)上に300μmの厚みで塗布して正極とした。 Heats a mixed solution of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), cools a polyacrylonitrile (PAN) dissolved at a high concentration, and contains a large amount of EC and PC in which LiPF 6 is dissolved PAN to make. In this PAN, LiCoO 2 particles serving as an active material and carbon particles imparting electron conductivity were mixed and applied to a 20 μm thick aluminum foil (positive electrode current collector) at a thickness of 300 μm to form a positive electrode.

固体電解質薄膜を形成した負極、セパレータ(多孔質ポリマーフィルム)、及び正極を、ステンレス製密封容器中に重ねて設置し、さらにエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として1モル%のLiPF6を溶解させた有機電解液を滴下して、露点−60℃以下のアルゴンガス雰囲気下においてリチウム2次電池を作製した。 A negative electrode, a separator (porous polymer film), and a positive electrode on which a solid electrolyte thin film was formed were placed on top of each other in a stainless steel sealed container, and further 1 mol% LiPF 6 as an electrolytic salt in a mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate. A lithium secondary battery was produced in an argon gas atmosphere with a dew point of −60 ° C. or lower by dropping an organic electrolyte solution in which the above solution was dissolved.

作製した電池の充放電特性を評価した。その結果、いずれの電池も充電電圧を4.2Vとして、100mA放電により、3.0Vまで電圧が低下するまでの容量は0.5Ah(アンペア時)であった。またエネルギー密度は、500Wh(ワット時)/1(リットル)であった。さらに同一の条件のサイクル充放電を行った。600回以上のサイクルで安定であり、600回のサイクル後でも、初期容量の50%以上は保っていた。   The charge / discharge characteristics of the produced battery were evaluated. As a result, each battery had a charging voltage of 4.2 V, and the capacity until the voltage decreased to 3.0 V by 100 mA discharge was 0.5 Ah (ampere hour). The energy density was 500 Wh (watt hour) / 1 (liter). Furthermore, cycle charge / discharge was performed under the same conditions. It was stable over 600 cycles, and even after 600 cycles, over 50% of the initial capacity was maintained.

(実施例2)
厚み10μmで100mm×50mmの銅箔上に、厚さが10μmのリチウム金属薄膜を真空蒸着法で形成した。このリチウム金属薄膜上に、厚さが0.5μmの無機固体電解質薄膜を形成した。銅箔にリチウム金属箔を貼り合わせても良いことは実施例1と同様である。
(Example 2)
A lithium metal thin film having a thickness of 10 μm was formed on a 100 mm × 50 mm copper foil having a thickness of 10 μm by a vacuum deposition method. An inorganic solid electrolyte thin film having a thickness of 0.5 μm was formed on the lithium metal thin film. As in Example 1, the lithium metal foil may be bonded to the copper foil.

このリチウム金属薄膜を形成した基材を、真空装置内に設置し、まずイオンビーム処理を行った。圧力2.7×10-4hPa(2×10-4Torr)のアルゴンと窒素の混合ガス(アルゴン75vol.%、窒素25vol.%)を流し、イオンガンにより、15mA、500Vでイオンビームを試料表面に照射した。混合ガスの窒素含有量は10vol.%以上50vol.%以下が望ましい。窒素の含有量が少ないと窒化効果が小さく、多いとイオンガンのフィラメントの劣化が著しいためである。形成された窒化物層の厚さは、XPSによる分析の結果、1nmであった。 The base material on which the lithium metal thin film was formed was placed in a vacuum apparatus, and ion beam treatment was first performed. Flow a mixed gas of argon and nitrogen (Argon 75 vol.%, Nitrogen 25 vol.%) At a pressure of 2.7 x 10 -4 hPa (2 x 10 -4 Torr) and irradiate the sample surface with an ion beam at 15 mA and 500 V with an ion gun did. The nitrogen content of the mixed gas is preferably 10 vol.% Or more and 50 vol.% Or less. This is because when the content of nitrogen is small, the nitriding effect is small, and when the content is large, the filament of the ion gun is significantly deteriorated. As a result of XPS analysis, the thickness of the formed nitride layer was 1 nm.

ここでは、アルゴン-窒素混合ガスを用いて、酸化物層などのエッチングと窒化処理を同時に行ったが、アルゴンガスだけで酸化物層などのエッチング処理だけを行ったのち、窒化リチウムなどの窒化薄膜を気相法などにより形成することも可能である。また、イオンビーム照射の後半で窒化物層の成膜を開始させ、イオンビームによるエッチング処理と窒化物層の成膜とを同時進行させることも可能である。   Here, etching and nitriding of the oxide layer and the like were performed simultaneously using an argon-nitrogen mixed gas. However, after performing etching treatment of the oxide layer and the like only with argon gas, a nitride thin film such as lithium nitride is used. Can also be formed by a vapor phase method or the like. It is also possible to start the formation of the nitride layer in the second half of the ion beam irradiation, and simultaneously perform the etching process using the ion beam and the formation of the nitride layer.

そして、無機固体電解質薄膜を形成した。その形成条件を表1、表2に示す。なお、薄膜形成中に基材を加熱せずに室温にて成膜した場合、大気圧のArガス中で、表2に示した温度で15分間の加熱処理を行っている。得られた無機固体電解質薄膜のLiの組成比(原子%)並びに25℃におけるイオン伝導度、Liの組成比XとPの組成比Yを求め、これから計算した比X/Y(表中ではLi/P比と示す)も求めた。Liの組成比は、EPMAの分析により、比X/YはICPの分析により求めた。ICP分析は、同じ成膜条件でガラス基板あるいはサファイア基板に成膜した薄膜を分析した。これらも併せて表1、2に示す。なお、No.2-2とNo.2-8を除いてPの組成比(原子%)は全て3原子%以上20原子%以下、Sの組成比(原子%)は30原子%以上60原子%以下の範囲内に入っていた。   Then, an inorganic solid electrolyte thin film was formed. The formation conditions are shown in Tables 1 and 2. In addition, when forming a film at room temperature without heating the thin film during the thin film formation, a heat treatment is performed for 15 minutes at a temperature shown in Table 2 in an Ar gas at atmospheric pressure. The composition ratio (atomic%) of Li of the obtained inorganic solid electrolyte thin film, the ionic conductivity at 25 ° C., the composition ratio X of Li and the composition ratio Y of P were calculated, and the ratio X / Y calculated from this (in the table, Li / Li) / P ratio) was also obtained. The composition ratio of Li was determined by EPMA analysis, and the ratio X / Y was determined by ICP analysis. ICP analysis analyzed thin films deposited on glass or sapphire substrates under the same deposition conditions. These are also shown in Tables 1 and 2. Except for No.2-2 and No.2-8, the composition ratio of P (atomic%) is 3 atomic% to 20 atomic%, and the composition ratio of S (atomic%) is 30 atomic% to 60 atomic%. It was in the range of less than%.

Figure 0004174729
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Figure 0004174729
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このリチウム金属薄膜上に無機固体電解質薄膜を形成した基材を負極として、セパレータ(多孔質ポリマーフィルム)、正極、有機電解液等からなるリチウム2次電池を実施例1と同様な方法で作製した。   A lithium secondary battery comprising a separator (porous polymer film), a positive electrode, an organic electrolyte, and the like was produced in the same manner as in Example 1, using the base material on which the inorganic solid electrolyte thin film was formed on the lithium metal thin film as the negative electrode. .

作製した電池の充放電特性を評価した結果、いずれの電池も充電電圧を4.2Vとして、100mA放電により、3.0Vまで電圧が低下するまでの容量は0.5Ah(アンペア時)であった。また、エネルギー密度は、450〜550Wh(ワット時)/1(リットル)であった。   As a result of evaluating the charge / discharge characteristics of the batteries produced, the charge voltage was 4.2 V, and the capacity until the voltage decreased to 3.0 V by 100 mA discharge was 0.5 Ah (ampere hour). The energy density was 450 to 550 Wh (watt hour) / 1 (liter).

さらに同一の条件のサイクル充放電を行った。Li量が多いNo.2-2およびLi量が少ないNo.2-8を除き、600回以上のサイクル安定で、600回サイクル後でも、初期容量の50%を保っていた。   Furthermore, cycle charge / discharge was performed under the same conditions. Except for No. 2-2 with a large amount of Li and No. 2-8 with a small amount of Li, the cycle was stable 600 times or more, and 50% of the initial capacity was maintained even after 600 cycles.

(実施例3)
実施例2のNo.2-5と同様にリチウム金属上に固体電解質薄膜を作製し、さらにリチウム2次電池の作製評価を行った。この実施例では、窒化物層の厚さを変化させて評価を行った。その結果を表3に示す。
(Example 3)
A solid electrolyte thin film was prepared on lithium metal in the same manner as in Example 2 No. 2-5, and the production evaluation of a lithium secondary battery was further performed. In this example, evaluation was performed by changing the thickness of the nitride layer. The results are shown in Table 3.

Figure 0004174729
Figure 0004174729

表3より明らかなように、窒化物層の厚さは1nm以上100nm以下が好ましく、より好ましくは1nm以上10nm以下である。   As apparent from Table 3, the thickness of the nitride layer is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 1 nm or more and 10 nm or less.

No.3-1は、実施例1においてアルゴンイオンビームで酸化物や炭酸化物層等を除去した後に、間をおいて成膜した場合に相当する。   No. 3-1 corresponds to the case where the film was formed after the oxide or carbonate layer was removed with an argon ion beam in Example 1.

(実施例4)
実施例2と同様のリチウム金属薄膜の上に無機固体電解質薄膜を作製し、さらにリチウム2次電池の作製評価を行った。本例では、実施例2で用いたアルゴン-窒素混合ガスの代わりに純度99.9999%のアルゴンガスを用いてエッチング処理を行い、エッチング後に固体電解質膜を形成し、窒化物層の形成は行わなかった。得られた無機固体電解質薄膜のLiの組成比(原子%)並びに25℃におけるイオン伝導度、Liの組成比XとPの組成比Yを求め、これから計算した比X/Yも求めた。表4、表5に形成条件、イオン伝導度、比X/Y(表中ではLi/P比)を示す。
(Example 4)
An inorganic solid electrolyte thin film was produced on the same lithium metal thin film as in Example 2, and the production evaluation of a lithium secondary battery was further performed. In this example, an etching treatment was performed using an argon gas having a purity of 99.9999% instead of the argon-nitrogen mixed gas used in Example 2, and a solid electrolyte film was formed after the etching, and a nitride layer was not formed. . The composition ratio (atomic%) of Li of the obtained inorganic solid electrolyte thin film, the ionic conductivity at 25 ° C., the composition ratio X of Li and the composition ratio Y of P were obtained, and the ratio X / Y calculated from this was also obtained. Tables 4 and 5 show the formation conditions, ionic conductivity, and ratio X / Y (Li / P ratio in the table).

Figure 0004174729
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Figure 0004174729
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表5に示すようにいずれの試料も、1×10-4S/cm以上のイオン伝導度が得られていた。また、実施例1と同様のXPSを用いて無機固体電解質膜からリチウム金属薄膜における組成分析を行った。その結果、無機固体電解質膜からリチウム金属薄膜との境界で、酸素量が無機固体電解質からリチウム金属薄膜に向かって漸次的に変化していることが確認された。そして、無機固体電解質膜を形成する前にリチウム金属表面に存在する酸化物層がほぼ除去できていることが確認された。 As shown in Table 5, all samples had an ionic conductivity of 1 × 10 −4 S / cm or more. In addition, the same XPS as in Example 1 was used to analyze the composition of the lithium metal thin film from the inorganic solid electrolyte membrane. As a result, it was confirmed that the oxygen amount gradually changed from the inorganic solid electrolyte toward the lithium metal thin film at the boundary between the inorganic solid electrolyte film and the lithium metal thin film. It was confirmed that the oxide layer present on the surface of the lithium metal was almost removed before forming the inorganic solid electrolyte membrane.

また、実施例2と同一の条件でサイクル放電を行った。その結果、表5に示すように500回以上のサイクルで安定であり、500回のサイクル後でも、初期容量の50%以上は保っていた。   In addition, cyclic discharge was performed under the same conditions as in Example 2. As a result, as shown in Table 5, it was stable at 500 cycles or more, and even after 500 cycles, 50% or more of the initial capacity was maintained.

本発明の無機固体電解質の形成方法は、リチウム二次電池の負極を形成するために用いるのに好適である。   The method for forming an inorganic solid electrolyte of the present invention is suitable for use in forming a negative electrode for a lithium secondary battery.

Claims (5)

基材上に無機固体電解質薄膜を形成する無機固体電解質の形成方法であって、
基材を40℃以上180℃以下に加熱しながら、Li、PおよびSで実質的に構成されて、Siを含有していない無機固体電解質薄膜を形成することを特徴とする無機固体電解質の形成方法。
An inorganic solid electrolyte forming method for forming an inorganic solid electrolyte thin film on a substrate,
Formation of an inorganic solid electrolyte characterized by forming an inorganic solid electrolyte thin film substantially free from Si and substantially composed of Li, P, and S while heating the substrate to 40 ° C or higher and 180 ° C or lower Method.
基材上に無機固体電解質薄膜を形成する無機固体電解質の形成方法であって、
40℃未満の基材温度でLi、PおよびSで実質的に構成されて、Siを含有していない無機固体電解質薄膜を形成した後、薄膜の形成された基材を40℃以上180℃以下に加熱すること特徴とする無機固体電解質の形成方法。
An inorganic solid electrolyte forming method for forming an inorganic solid electrolyte thin film on a substrate,
After forming an inorganic solid electrolyte thin film that is substantially composed of Li, P, and S and does not contain Si at a substrate temperature of less than 40 ° C, the substrate on which the thin film is formed is 40 ° C to 180 ° C. A method for forming an inorganic solid electrolyte, characterized by heating to a temperature.
Liを20原子%以上60原子%以下含み、残部が実質的にPおよびSで構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の無機固体電解質の形成方法。 3. The method for forming an inorganic solid electrolyte according to claim 1, wherein Li is contained in an amount of 20 atomic% to 60 atomic%, and the balance is substantially composed of P and S. 4. 無機固体電解質薄膜は、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法のいずれかにより形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の無機固体電解質の形成方法。 The method for forming an inorganic solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3, wherein the inorganic solid electrolyte thin film is formed by any one of a sputtering method, a vacuum deposition method, a laser ablation method, and an ion plating method. 基材上に無機固体電解質膜を形成する無機固体電解質の形成方法であって、
基材表面に不活性ガスイオンを照射して基材表面をエッチングする工程と、
Li、PおよびSで実質的に構成されて、Siを含有していない無機固体電解質膜の形成工程とを具え
前記エッチング工程と前記電解質膜形成工程とを少なくとも一部が重複するように行うことを特徴とする無機固体電解質の形成方法。
An inorganic solid electrolyte forming method for forming an inorganic solid electrolyte membrane on a substrate,
Irradiating the substrate surface with inert gas ions to etch the substrate surface;
A step of forming an inorganic solid electrolyte membrane substantially composed of Li, P and S and not containing Si ,
A method of forming an inorganic solid electrolyte, wherein the etching step and the electrolyte membrane forming step are performed so that at least a part thereof overlaps .
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