JP5217195B2 - Thin-film solid lithium ion secondary battery and composite device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薄膜固体リチウムイオン二次電池及びこれを備えた複合型機器に係り、特に、薄型・小型であるのと同時に高い安全性と高温での動作安定性を備えた薄膜固体リチウムイオン二次電池及びこれを備えた複合型機器に関する。 The present invention relates to a composite device with a thin film solid state lithium ion secondary battery and which, in particular, a thin film solid state lithium ion secondary with the operation stability at the same time high safety and high-temperature as a thin and small The present invention relates to a secondary battery and a composite device including the secondary battery.
現在、携帯電話をはじめとする小型携帯機器は広く普及し、より小型、軽量、多機能化が進んでいる。それに伴い、それらの機器を駆動させるために必要な電池もより小型でエネルギー密度が高いことが求められている。リチウムイオン二次電池は、他の電池と比べてエネルギー密度が高いため広い用途で用いることが可能で、現在、最も広く普及している。 Currently, small portable devices such as mobile phones are widely spread, and are becoming smaller, lighter, and more multifunctional. Accordingly, batteries required for driving these devices are also required to be smaller and have higher energy density. Lithium ion secondary batteries have a higher energy density than other batteries and can be used in a wide range of applications, and are currently most widely used.
最近では、安全性や高温での耐性もリチウムイオン二次電池の重要な要素となってきているが、電解液を用いる従来の電池には液洩れや熱膨張による爆発などの危険性が伴うため、安全性や高温での耐性が完全ではない面がある。例えば、電池動作が可能な温度の上限は、溶液電解質を使った通常のリチウムイオン二次電池では80℃程度であり、それよりも温度が上がると電池特性は劣化し、熱膨張による爆発の危険性が増大する。 Recently, safety and high-temperature resistance have become important factors for lithium-ion secondary batteries, but conventional batteries that use electrolytes have risks such as liquid leakage and explosion due to thermal expansion. There are aspects that are not completely safe and resistant at high temperatures. For example, the upper limit of the temperature at which the battery can operate is about 80 ° C. for a normal lithium ion secondary battery using a solution electrolyte, and if the temperature rises higher than that, the battery characteristics deteriorate and there is a risk of explosion due to thermal expansion. Increase.
また、小型化、薄型化に関しても、電解液を用いる従来の電池では容器の厚さなどから限界がある。仮に溶液ではなく、ゲル状の電解質や固体電解質を用いて全固体型の電池ができれば、小型化、薄型化を実現できるのと同時に安全性の向上も期待できる。 Further, with regard to miniaturization and thinning, conventional batteries using an electrolytic solution have limitations due to the thickness of the container. If an all-solid battery can be made using a gel electrolyte or a solid electrolyte instead of a solution, it is possible to realize a reduction in size and thickness as well as an improvement in safety.
従来、そのような新しい電池として、例えばゲル状の電解質を用いるポリマー電池(例えば、特許文献1参照)や、固体電解質を用いる薄膜固体二次電池(例えば、特許文献2、3参照)が開発されている。
Conventionally, as such a new battery, for example, a polymer battery using a gel electrolyte (for example, see Patent Document 1) and a thin film solid secondary battery using a solid electrolyte (for example, see
特許文献1に記載のポリマー電池は、外装体内部に、正極集電体、内部に高分子固体電解質を含有する複合正極、イオン伝導性高分子化合物からなる電解質層、内部に高分子固体電解質を含有する複合負極、負極集電体を順に配置して構成されている。
The polymer battery described in
このようなポリマー電池は、電解液を使う通常のリチウムイオン二次電池よりは薄型化、小型化が可能であり、また、安定した電池動作が可能な温度も100℃程度まで向上する。しかしながら、ゲル状の電解質や接合剤、封口部材等を必要とするため、厚さとしては0.1mm程度が限界であり、より一層の薄型化、小型化を進めるには適当ではなかった。また、電解質がポリマーであるため、150℃ぐらいの温度になると構造変化を起こし、電池そのものが崩壊してしまうため、より高い温度での使用や安全性に問題があった。 Such a polymer battery can be made thinner and smaller than a normal lithium ion secondary battery using an electrolytic solution, and the temperature at which stable battery operation can be improved to about 100 ° C. However, since a gel electrolyte, a bonding agent, a sealing member, and the like are required, the thickness is about 0.1 mm, which is not suitable for further thinning and miniaturization. In addition, since the electrolyte is a polymer, structural changes occur when the temperature reaches about 150 ° C., and the battery itself collapses. Therefore, there are problems in use and safety at higher temperatures.
一方、薄膜固体二次電池の構成は、特許文献2、3に記載のように、基板上に集電体薄膜、負極活物質薄膜、固体電解質薄膜、正極活物質薄膜、集電体薄膜を順に積層した構成、又は基板上に上記層を逆の順で積層した構成である。このような構成により、薄膜固体二次電池は、基板を除けば1μm程度の薄さにすることが可能である。また、基板の厚さを薄くしたり、薄膜化した固体電解質フィルムを基板の代わりに使用したりすれば、全体としてより薄型化、小型化を図ることが可能である。さらに、全固体型の薄膜固体二次電池であるため、液漏れや爆発の可能性もなく、高い安全性を持つ。
On the other hand, as described in
しかしながら、これらの薄膜固体二次電池でも、150℃以上の温度では、リチウムイオンの熱拡散などにより安定した電池動作をするのが難しく、150℃程度の高温での使用が必要な用途には用いることが非常に困難であった。
すなわち、通常の動作温度では、充電時にはリチウムイオンが正極から負極へ移動し、放電時には負極から正極へ移動する。しかし、高温では熱拡散によりリチウムイオンがこの移動方向とは逆方向へ移動する逆流現象が起こる。また、電子についても同様に、反対極側へ移動する逆流現象が起こる。
このように、高温では、電子やリチウムイオンの逆流により、充放電容量の減少が起こり、電池の動作が不安定になると考えられる。
However, even these thin-film solid state secondary batteries are difficult to operate stably due to thermal diffusion of lithium ions at a temperature of 150 ° C. or higher, and are used for applications that require use at a high temperature of about 150 ° C. It was very difficult.
That is, at normal operating temperature, lithium ions move from the positive electrode to the negative electrode during charging, and move from the negative electrode to the positive electrode during discharging. However, at high temperatures, a reverse flow phenomenon occurs in which lithium ions move in a direction opposite to the moving direction due to thermal diffusion. Similarly, a reverse flow phenomenon occurs in which electrons move to the opposite pole side.
Thus, at high temperatures, the charge / discharge capacity decreases due to the backflow of electrons and lithium ions, and the operation of the battery is considered to be unstable.
本発明の目的は、薄型・小型であるのと同時に高温での良好な動作安定性と高い安全性を備えた薄膜固体リチウムイオン二次電池を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、このような薄膜固体リチウムイオン二次電池を電源として用いることで高温でも安定した動作が可能な複合型機器を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a thin-film solid lithium ion secondary battery that is thin and small, and at the same time has good operational stability at high temperatures and high safety.
Furthermore, another object of the present invention is to provide a composite device that can operate stably even at high temperatures by using such a thin film solid lithium ion secondary battery as a power source.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、内部抵抗を少なくする観点からすれば通常は低くするべき固体電解質層の抵抗値を、あえて高く設定することで、高温においても薄膜固体リチウムイオン二次電池の動作を安定化させることができるという新たな知見を得て本発明を完成させた。
すなわち、前記課題は、本発明の薄膜固体リチウムイオン二次電池によれば、基板上に、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体層が積層されてなる薄膜固体リチウムイオン二次電池において、前記固体電解質層の単位面積1cm2あたりの膜厚方向における抵抗値が8×104Ω以上1×105Ω以下の範囲内であることにより解決される。
このように、本発明の薄膜固体リチウムイオン二次電池は、固体電解質層の単位面積1cm2あたりの膜厚方向の抵抗値が8×104Ω以上1×105Ω以下の範囲内とすることで、150℃程度の高温でも安定した電池動作が可能となる。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have set the resistance value of the solid electrolyte layer that should normally be lowered from the viewpoint of reducing the internal resistance at a high temperature. In addition, the present invention was completed by obtaining new knowledge that the operation of the thin film solid lithium ion secondary battery can be stabilized.
That is, according to the thin film solid lithium ion secondary battery of the present invention, the problem is that a positive electrode current collector layer, a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, a negative electrode active material layer, and a negative electrode current collector layer are formed on a substrate. In the laminated thin film lithium ion secondary battery, the resistance value in the film thickness direction per 1 cm 2 of unit area of the solid electrolyte layer is in the range of 8 × 10 4 Ω to 1 × 10 5 Ω. Solved.
Thus, in the thin film solid lithium ion secondary battery of the present invention, the resistance value in the film thickness direction per 1 cm 2 of unit area of the solid electrolyte layer is in the range of 8 × 10 4 Ω to 1 × 10 5 Ω. Thus, stable battery operation is possible even at a high temperature of about 150 ° C.
また、前記固体電解質層は、窒素が添加されていないリン酸リチウム(Li3PO4)を含有することが好適である。
このように、リチウムイオンの伝導性が良好なこれらの化合物を固体電解質層に含有することで、リチウムイオン二次電池の充放電特性を向上させることができる。
Moreover, it is preferable that the solid electrolyte layer contains lithium phosphate (Li 3 PO 4 ) to which nitrogen is not added.
Thus, the charging / discharging characteristic of a lithium ion secondary battery can be improved by containing these compounds with favorable lithium ion conductivity in the solid electrolyte layer.
また、前記正極活物質層は、リチウム−マンガン酸化物、リチウム−コバルト酸化物、リチウム−ニッケル酸化物、及びリチウム−マンガン−コバルト酸化物からなる群より選択される1又は2以上の酸化物を含有することが好ましい。
このように、リチウムイオンを離脱、吸着させやすいこれらの化合物を正極活物質層に含むことで、正極活物質層に多くのイオンを吸蔵・離脱させることが可能となる。したがって、薄膜固体リチウムイオン二次電池の充放電特性を更に向上させることが可能となる。
The positive electrode active material layer may include one or more oxides selected from the group consisting of lithium-manganese oxide, lithium-cobalt oxide, lithium-nickel oxide, and lithium-manganese-cobalt oxide. It is preferable to contain.
As described above, by including in the positive electrode active material layer these compounds that easily release and adsorb lithium ions, it is possible to occlude and release a large number of ions in the positive electrode active material layer. Therefore, the charge / discharge characteristics of the thin film solid lithium ion secondary battery can be further improved.
また、前記負極活物質層は、シリコン−マンガン合金(Si−Mn)、シリコン−コバルト合金(Si−Co)、シリコン−ニッケル合金(Si−Ni)、リチウム−チタン酸化物、リチウム−チタン−ニオブ酸化物、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化チタン(TiO2)、酸化インジウム(In2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)、酸化ニッケル(NiO)、スズが添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウムが添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウムが添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモンが添加された酸化スズ(ATO)、フッ素が添加された酸化スズ(FTO)、リチウムが添加された酸化ニッケル(NiO−Li)からなる群より選択される1又は2以上の金属を含有することが好ましい。
このように、リチウムイオンを離脱、吸着させやすいこれらの化合物を負極活物質層に含むことで、負極活物質層に多くのイオンを吸蔵・離脱させることが可能となる。したがって、薄膜固体リチウムイオン二次電池の充放電特性を更に向上させることが可能となる。
Further, the negative electrode active material layer is formed of silicon-manganese alloy (Si-Mn), silicon-cobalt alloy (Si-Co), silicon-nickel alloy (Si-Ni), lithium-titanium oxide, lithium-titanium-niobium. Oxide, niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO 2 ), nickel oxide (NiO), tin Indium oxide added (ITO), zinc oxide added with aluminum (AZO), zinc oxide added with gallium (GZO), tin oxide added with antimony (ATO), tin oxide added with fluorine ( FTO) and one or more metals selected from the group consisting of nickel oxide (NiO-Li) to which lithium is added are preferred. Arbitrariness.
As described above, by including in the negative electrode active material layer these compounds that easily release and adsorb lithium ions, a large number of ions can be occluded and released from the negative electrode active material layer. Therefore, the charge / discharge characteristics of the thin film solid lithium ion secondary battery can be further improved.
さらに、上記いずれかの薄膜固体リチウムイオン二次電池において、前記薄膜固体リチウムイオン二次電池の表面に水分防止膜が積層されていると好適である。
このように、薄膜固体リチウムイオン二次電池の表面に水分防止膜が形成されることで、水分等の付着を防止できるため、水分の付着による電池性能の低下を防ぐことができる。したがって、電池性能を長期間安定的に保持することができる。
Further, in any one of the thin film solid state lithium ion secondary battery, the moisture barrier film to the thin film solid surface of the lithium-ion secondary battery is preferable that is a product layer.
Thus, since a moisture prevention film | membrane is formed in the surface of a thin film solid lithium ion secondary battery, since adhesion of a water | moisture content etc. can be prevented, the fall of the battery performance by adhesion of a water | moisture content can be prevented. Therefore, battery performance can be stably maintained for a long time.
また、前記正極集電体層、前記正極活物質層、前記固体電解質層、前記負極活物質層、前記負極集電体層は、スパッタリング法により形成されることが好ましい。
このように、すべての層をスパッタリングにより成膜することで、薄膜固体リチウムイオン二次電池の各構成層を均一で緻密な膜にすることができる。
The positive electrode current collector layer, the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer, the negative electrode active material layer, and the negative electrode current collector layer are preferably formed by a sputtering method.
Thus, by forming all the layers by sputtering, each constituent layer of the thin film solid lithium ion secondary battery can be made into a uniform and dense film.
また、上記いずれかの薄膜固体リチウムイオン二次電池が2層以上、直列又は並列に積層されていると好適である。
このように、2つ以上の薄膜固体リチウムイオン二次電池を同一基板上に積層することで、電池を薄型化・小型化することが可能となり、省スペース化を図ることができる。また、薄膜固体リチウムイオン二次電池の接続数や接続状態(直列・並列)を適宜設定することで、起電力などの特性を任意に設定することが可能となり、所望の電池特性を有する薄膜固体リチウムイオン二次電池を作製することができる。
Moreover, it is preferable that two or more of the thin film solid lithium ion secondary batteries are stacked in series or in parallel.
Thus, by stacking two or more thin film solid lithium ion secondary batteries on the same substrate, the battery can be made thinner and smaller, and space can be saved. In addition, by appropriately setting the number and connection state (series / parallel) of thin film solid lithium ion secondary batteries, it is possible to arbitrarily set characteristics such as electromotive force, and the thin film solid having desired battery characteristics A lithium ion secondary battery can be manufactured.
上記課題は、本発明の複合型機器によれば、薄膜固体リチウムイオン二次電池と該薄膜固体リチウムイオン二次電池に接続されるデバイスとから構成される複合型機器であって、前記薄膜固体リチウムイオン二次電池は、上記いずれかに記載の薄膜固体リチウムイオン二次電池であることにより解決される。
上述のように本発明の薄膜固体リチウムイオン二次電池は、薄型・小型であるのと同時に高温での動作安定性と高い安全性を備えているため、これを電源として備えた複合型機器は、高温での高い安定性と安全性を備えたものとなる。
The above object is achieved by a composite device consists according to the multifunction type apparatuses, and devices connected to the thin film solid state lithium ion secondary battery and thin film solid state lithium ion secondary battery of the present invention, the thin film solid The lithium ion secondary battery is solved by being the thin film solid lithium ion secondary battery described in any of the above.
As described above, the thin-film solid lithium ion secondary battery of the present invention is thin and small, and at the same time has high-temperature operation stability and high safety. High stability at high temperatures and safety.
本発明の薄膜固体リチウムイオン二次電池によれば、固体電解質層の単位面積1cm2あたりの膜厚方向の抵抗値が、150℃程度の高温において熱拡散による電子やリチウムイオンの逆流が生じにくい抵抗値である8×104Ω以上であるので、高温でも安定した電池動作が可能となる。このように高温でも電池動作が不安定になりにくいため、高温でも爆発や破壊などが発生しにくい。このため、低温から高温に及ぶ広い温度範囲で高い安全性を有する。
さらに、薄膜で構成されているため、ポリマー電池などの他の二次電池と比較してより小型・薄型の電池として用いることが可能となる。
また、本発明の複合型機器によれば、上述したように高温で高い動作安定性と安全性を備えた薄膜固体リチウムイオン二次電池を電源として備えているため、高温でも安定した動作が可能で、かつ安全性を高くすることができる。さらに、上述したように電源が小型化・薄型化されているため、複合型機器内において電源設置用のスペースを小さくすることができる。このため、複合型機器自体を小型化・薄型化することができる。
According to the thin film solid lithium ion secondary battery of the present invention, the resistance value in the film thickness direction per 1 cm 2 unit area of the solid electrolyte layer is less likely to cause backflow of electrons and lithium ions due to thermal diffusion at a high temperature of about 150 ° C. Since the resistance value is 8 × 10 4 Ω or more, stable battery operation is possible even at high temperatures. As described above, since the battery operation is less likely to become unstable even at high temperatures, explosions and destruction are unlikely to occur even at high temperatures. For this reason, it has high safety in a wide temperature range from low temperature to high temperature.
Furthermore, since it is composed of a thin film, it can be used as a smaller and thinner battery compared to other secondary batteries such as polymer batteries.
Also, according to the composite device of the present invention, as described above, the thin film solid lithium ion secondary battery having high operational stability and safety at high temperature is provided as a power source, so that stable operation is possible even at high temperature. In addition, safety can be increased. Furthermore, since the power source is reduced in size and thickness as described above, the space for installing the power source in the composite device can be reduced. For this reason, the composite device itself can be reduced in size and thickness.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材、配置、構成等は、本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
図1、図2は本発明の一実施形態に係る薄膜固体リチウムイオン二次電池の断面図であり、図1は薄膜固体リチウムイオン二次電池の断面図、図2は薄膜固体リチウムイオン二次電池を2つ積層させた積層型薄膜固体リチウムイオン二次電池の断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The members, arrangements, configurations, and the like described below do not limit the present invention and can be variously modified within the scope of the gist of the present invention.
1 and 2 are cross-sectional views of a thin film solid lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention, FIG. 1 is a cross sectional view of the thin film solid lithium ion secondary battery, and FIG. 2 is a thin film solid lithium ion secondary battery. It is sectional drawing of the lamination type thin film solid lithium ion secondary battery which laminated | stacked two batteries.
図1に示すように、本例の薄膜固体リチウムイオン二次電池10は、基板1上に、正極側の集電体層2(正極集電体層)、正極活物質層3、固体電解質層4、負極活物質層5、負極側の集電体層2(負極集電体層)、水分防止膜6が順に積層されて形成されている。なお、基板1上への積層順序は、負極側の集電体層2、負極活物質層5、固体電解質層4、正極活物質層3、正極側の集電体層2、水分防止膜6の順であってもよい。
As shown in FIG. 1, a thin film solid state lithium ion
基板1は、ガラス、半導体シリコン、セラミック、ステンレス、樹脂基板等を用いることができる。樹脂基板としては、ポリイミドやPET等を用いることができる。また、形が崩れずに取り扱いができるものであれば、基板1に折り曲げが可能な薄いフィルムを用いることができる。これらの基板には、例えば透明性を増したり、Naなどのアルカリ元素の拡散を防止したり、耐熱性を増したり、ガスバリア性を持たせるなどの付加特性が備わっていればより好ましく、そのために表面にSiO2、TiO2などの薄膜がスパッタリング法などにより形成された基板であっても良い。
As the
集電体層2は、正極(正極活物質層3)及び負極(負極活物質層5)との密着性がよく、電気抵抗が低い導電膜を用いることができる。集電体層2が取り出し電極として良好に機能するためには、そのシート抵抗が1kΩ/□以下であることが望ましい。集電体層2の膜厚を0.1μm程度以上に設定すると、集電体層2は抵抗率が1×10−2Ω・cm程度以下の物質によって形成する必要がある。このような物質として、例えば、バナジウム、アルミニウム、銅、ニッケル、金等を使用することができる。これらの物質によって集電体層2は、できるだけ薄くて電気抵抗も低くなる0.05以上1μm以下の範囲内の膜厚に形成することができる。
As the
正極活物質層3は、リチウムを含み、リチウムイオンの離脱、吸蔵が可能である物質であればよく、特に限定はないが、好ましくは、遷移金属であるマンガン、コバルト、ニッケルのうちのいずれか一つ以上とリチウムとを含む金属酸化物薄膜を用いると好適である。例えば、リチウム−マンガン酸化物(LiMn2O4、Li2Mn2O4等)、リチウム−コバルト酸化物(LiCoO2、LiCo2O4等)、リチウム−ニッケル酸化物(LiNiO2、LiNi2O4等)、リチウム−マンガン−コバルト酸化物(LiMnCoO4、Li2MnCoO4等)、リチウム−チタン酸化物(Li4Ti5O12、LiTi2O4等)などを使用することができる。正極活物質層3の膜厚は、できるだけ薄いことが望ましいが、充放電容量を確保できる0.05以上5μm以下の範囲内とするとよい。
The positive electrode
固体電解質層4は、リチウムイオンの伝導性が良い材料から選択される材料で構成される。
ここで、固体電解質層4の膜厚方向の抵抗値は、電子やリチウムイオンがスムーズに移動できるよう、低い値であることが好ましいと一般的に言われている。
しかし、本発明では、高温での電子やリチウムイオンの逆拡散を防止して安定動作を行えるよう、固体電解質層4の抵抗値を通常よりもあえて高く設定している。
具体的には、固体電解質層4の単位面積1cm2あたりの膜厚方向の抵抗値は、10Ω以上1×108Ω以下の範囲内とすることができる。このように抵抗値を通常よりもあえて高くすることで、高温での電子やリチウムイオンの逆拡散が少なくなり、薄膜固体リチウムイオン二次電池10の充放電特性が向上する。
ただし、抵抗値が高すぎると、電子やリチウムイオンの伝導性が低下するため、室温程度の温度での電池特性が悪くなる。このため、低温での電池特性も良くなるよう、単位面積1cm2あたりの膜厚方向の抵抗値が8×104Ω以上1×105Ω以下の範囲内にすると良い。
The
Here, it is generally said that the resistance value in the film thickness direction of the
However, in the present invention, the resistance value of the
Specifically, the resistance value in the film thickness direction per
However, if the resistance value is too high, the conductivity of electrons and lithium ions is lowered, so that the battery characteristics at a temperature of about room temperature are deteriorated. For this reason, it is preferable that the resistance value in the film thickness direction per unit area of 1 cm 2 is in the range of 8 × 10 4 Ω or more and 1 × 10 5 Ω or less so that the battery characteristics at low temperature are improved.
固体電解質層4の抵抗値は、これを構成する材料に固有の抵抗率と、膜厚により決定される。すなわち、以下の式に示されるように、固体電解質層4の抵抗値Rは、材料の抵抗率ρと膜厚Lの積に比例する。
R=ρ×L/S ・・・(式1)
(ここで、Rは抵抗値(Ω)、ρは抵抗率(Ω・cm)、Lは膜厚(cm)、Sは断面積(cm2)を示す。)
なお、ここで、抵抗値には、電子伝導の抵抗とイオン伝導の抵抗の両方を含めている。
The resistance value of the
R = ρ × L / S (Formula 1)
(Here, R is a resistance value (Ω), ρ is a resistivity (Ω · cm), L is a film thickness (cm), and S is a cross-sectional area (cm 2 ).)
Here, the resistance value includes both resistance of electron conduction and resistance of ion conduction.
固体電解質層4の材料としては、リン酸リチウム(Li3PO4)やこれに窒素を添加してリチウムイオンの伝導性を良くした窒素含有リン酸リチウム(LiPON)、リン酸リチウムに酸素を添加した酸素含有リン酸リチウム(Li3PO4+O2)などを用いることが好ましい。これらの材料の抵抗率は、Li3PO4+O2>Li3PO4>LiPONの順となっている。
Materials for the
固体電解質層4の膜厚は、抵抗値が上記の範囲内となるように適宜設定する。膜厚は、固体電解質層4の材料によって異なるが、通常0.1μm以上2μm以下の範囲内である。
例えば、リン酸リチウムは伝導率が低く抵抗率が高いので、固体電解質層4の材料としてリン酸リチウムを用いるのであれば、膜厚を0.1以上1μm以下の範囲内とすることが好ましい。また、LiPONは伝導率が高く抵抗率が低いので、LiPONを用いるのであれば、膜厚を0.5以上2μm以下の範囲内とすることが好ましい。
The film thickness of the
For example, since lithium phosphate has low conductivity and high resistivity, if lithium phosphate is used as the material of the
負極活物質層5は、リチウムイオンの離脱、吸蔵が可能である物質であればよく、特に限定はないが、好ましくは、シリコン−マンガン合金(Si−Mn)、シリコン−コバルト合金(Si−Co)、シリコン−ニッケル合金(Si−Ni)、リチウム−チタン酸化物(LiTi2O4、Li4Ti5O12等)、リチウム−チタン−ニオブ酸化物、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化チタン(TiO2)、酸化インジウム(In2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)、酸化ニッケル(NiO)、スズが添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウムが添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウムが添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモンが添加された酸化スズ(ATO)、フッ素が添加された酸化スズ(FTO)、リチウムが添加された酸化ニッケル(NiO−Li)などを用いると好適である。
The negative electrode
また、薄膜固体リチウムイオン二次電池10のうち大気に露出する表面は、水分防止効果のある水分防止膜6で被覆されていることが好ましい。このようにすると電池性能をより長く保つことができる。水分防止膜6としては、酸化珪素(SiO2)や窒化珪素(SiNX)等を使用することができる。水分防止膜6の膜厚は、できるだけ薄くて水分防止効果も高い0.05以上1μm以下の範囲内が好ましい。
Moreover, it is preferable that the surface exposed to air | atmosphere among the thin film solid lithium ion
上記の各薄膜の形成方法としては、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、加熱蒸着法等の真空成膜法や、塗布法等を用いることができる。好ましくは、より薄く均一に薄膜を形成できる真空成膜法を用いるのが良い。さらに好ましくは、蒸着物質との原子組成のずれが少なく、均一に成膜ができるスパッタリング法を用いるのが良い。 As a method for forming each thin film, a vacuum film forming method such as a sputtering method, an electron beam vapor deposition method, a heat vapor deposition method, a coating method, or the like can be used. It is preferable to use a vacuum film-forming method that can form a thin film more thinly and uniformly. More preferably, it is preferable to use a sputtering method in which there is little deviation in the atomic composition from the vapor deposition material and uniform film formation is possible.
上記の薄膜固体リチウムイオン二次電池10は、充電を行うと、正極活物質層3からリチウムがイオンとなって離脱し、固体電解質層4を介して負極活物質層5に吸蔵される。このとき、正極活物質層3から外部へ電子が放出される。
また、放電時には、負極活物質層5からリチウムがイオンとなって離脱し、固体電解質層4を介して正極活物質層3に吸蔵される。このとき、負極活物質層5から外部へ電子が放出される。
When the thin film solid lithium ion
Further, at the time of discharging, lithium is separated from the negative electrode
図2は、本発明の直列又は並列接続で積層された積層型の薄膜固体リチウムイオン二次電池20の断面図である。基本構造は図1に示した薄膜固体リチウムイオン二次電池10を単純に2層積層したものであり、各層の作製方法は図1の薄膜固体リチウムイオン二次電池10と全く同様である。1層目と2層目の間には絶縁膜が形成されていても良い。また、2層目の上に薄膜固体リチウムイオン二次電池10を更に積層し、3層以上の構成としても良い。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a stacked thin film solid lithium ion
本発明の薄膜固体リチウムイオン二次電池は、デバイスを備えた複合型機器の電源として用いられることで、高温であっても安定的かつ安全にデバイスを駆動することができる。したがって、複合型機器自体の高温での動作安定性や安全性を向上させることができる。
また、薄膜固体リチウムイオン二次電池が小型・薄型であるため、複合型機器内部の電源設置スペースを小さくすることができる。このため、複合型機器自体を小型化・薄型化することが可能になる。
このような複合型機器において、本発明の薄膜固体リチウムイオン二次電池は、一般的なデバイスの電源として通常使用される電池と同じような使用形態で用いることができる。このようなデバイスとして、例えば、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ、携帯型ゲーム機等のモバイル機器などが挙げられる。
The thin-film solid lithium ion secondary battery of the present invention can be used as a power source for a composite device equipped with a device, so that the device can be driven stably and safely even at high temperatures. Accordingly, it is possible to improve the operational stability and safety of the composite device itself at a high temperature.
Further, since the thin-film solid lithium ion secondary battery is small and thin, the power supply installation space inside the composite device can be reduced. For this reason, the composite device itself can be reduced in size and thickness.
In such a composite apparatus, the thin film solid lithium ion secondary battery of the present invention can be used in the same usage form as a battery normally used as a power source of a general device. Examples of such devices include mobile devices such as mobile phones, notebook computers, digital cameras, and portable game machines.
次に、図面を参照して、本発明の実施例、比較例について説明する。図3〜7、表1に実施例1、比較例1〜4の薄膜固体リチウムイオン二次電池の構成及び充放電特性の測定結果を示す。 Next, examples and comparative examples of the present invention will be described with reference to the drawings. The structure of the thin film solid lithium ion secondary battery of Example 1 and Comparative Examples 1-4 and the measurement result of charging / discharging characteristics are shown in FIGS.
(比較例1)
比較例1では、図1の構成をなすよう基板1上に、集電体層2、正極活物質層3、固体電解質層4、負極活物質層5、集電体層2をこの順に、スパッタリング装置を用いて形成し、薄膜固体リチウムイオン二次電池10を作製した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, the
基板1は、縦50mm、横50mm、厚さ1mmのソーダライムガラスを用いた。
集電体層2は、バナジウム金属ターゲットを用い、DCマグネトロンスパッタリング法にて形成した。DCパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、集電体層2として0.1μmのバナジウム薄膜を形成した。
As the
The
正極活物質層3は、マンガン酸リチウム(Li2Mn2O4)の焼結体ターゲットを用い、酸素を導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.2μmのマンガン酸リチウム薄膜を形成した。
The positive electrode
固体電解質層4は、リン酸リチウム(Li3PO4)の焼結体ターゲットを用い、Arガスを導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.4μmの窒素が添加されていないリン酸リチウム薄膜を形成した。
The
負極活物質層5は、五酸化ニオブ(Nb2O5)の焼結体ターゲットを用い、酸素を導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.1μmの五酸化ニオブ薄膜を形成した。
The negative electrode
以上のようにして作製した薄膜固体リチウムイオン二次電池10とは別に、固体電解質薄膜単層の膜厚方向の抵抗値を調べるために、上記の薄膜固体リチウムイオン二次電池10と同じガラス基板を用いて、バナジウム電極薄膜でリン酸リチウム薄膜を挟んだ抵抗値測定試料を作製した。
Separately from the thin film solid lithium ion
この試料の膜厚、作製条件は、バナジウム薄膜、リン酸リチウム薄膜ともに、上記の薄膜固体リチウムイオン二次電池10の膜厚、作製条件と全く同じであり、バナジウム、リン酸リチウム、バナジウムの順に、上下のバナジウムがショートしないよう、マスクを使用して、3層構成の試料を作製した。
試料の有効面積(上下のバナジウム膜が重なっている部分の面積)は、3.2cm×3.2cm=10.24cm2と測定された。
The film thickness and production conditions of this sample are exactly the same as the film thickness and production conditions of the thin film solid lithium ion
The effective area of the sample (the area where the upper and lower vanadium films overlap) was measured as 3.2 cm × 3.2 cm = 10.24 cm 2 .
以上のようにして作製した薄膜固体リチウムイオン二次電池10と抵抗値測定試料について、以下のような評価を行った。
The following evaluation was performed on the thin-film solid lithium ion
抵抗値測定試料については、ソーラトロン社製の周波数応答アナライザ(FRA)1260型を用いて、1mHzから32MHzの周波数レンジで交流インピーダンス測定を行った。得られた数十ポイントの各周波数でのインピーダンスの値を実数部と虚数部に分けてコール−コールプロットを行い、描かれた円弧の直径を求めて試料全体の抵抗値とし、その値に測定試料の有効面積10.24cm2を掛けて、単位面積1cm2あたりの抵抗値を算出した。その結果、Li3PO4(膜厚0.4μm)の抵抗値測定試料の全体の抵抗値は、127Ωとなり、単位面積1cm2あたりの抵抗値は、1.3×103Ωと算出された。
また、イオン伝導度は、
〔イオン伝導度〕=〔膜厚〕/(〔円弧の直径〕×〔有効面積〕)
=1/〔抵抗率〕
=〔膜厚〕/(〔抵抗値〕×〔有効面積〕)
の関係式から、3×10−8S/cmと求められた。
ここで得られた抵抗値、イオン伝導度は、ともに膜厚方向の値であり、また、最終的に得られた抵抗値は、単位面積1cm2あたりの抵抗値である。以降、抵抗値、イオン伝導度と記述した場合、それらの値を意味するものとする。
For the resistance value measurement sample, AC impedance measurement was performed in a frequency range from 1 mHz to 32 MHz using a frequency response analyzer (FRA) 1260 manufactured by Solartron. The obtained impedance value at each frequency of several tens of points is divided into a real part and an imaginary part, and the Cole-Cole plot is performed, and the diameter of the drawn arc is obtained and used as the resistance value of the entire sample, and measured to that value. It is multiplied by the effective area 10.24Cm 2 samples were calculated resistance value per
Also, the ionic conductivity is
[Ionic conductivity] = [film thickness] / ([arc diameter] × [effective area])
= 1 / [Resistivity]
= [Film thickness] / ([resistance value] × [effective area])
From this relational expression, it was determined to be 3 × 10 −8 S / cm.
The resistance value and ionic conductivity obtained here are both values in the film thickness direction, and the finally obtained resistance value is a resistance value per 1 cm 2 of unit area. Hereinafter, when the resistance value and the ionic conductivity are described, these values are meant.
薄膜固体リチウムイオン二次電池10については、室温と150℃で、充放電測定器を用いて充放電測定を行った。測定は、充電時と放電時の電流をいずれも0.05mAとし、充電と放電の打ち切りの電圧をそれぞれ3.5V、0.3Vとする条件で行った。
About the thin film solid lithium ion
その結果、室温では、100サイクル以上、繰り返し安定した充放電動作を示すことが確認できた。150℃においても、初期の充放電容量は室温とほぼ同じで、サイクル進行により容量がやや減少したが、100サイクル以上にわたって比較的安定した充放電動作を示すことが確認できた。図3に、この150℃での充放電容量のサイクル特性を示す。 As a result, it was confirmed that a stable charge / discharge operation was repeatedly performed at room temperature for 100 cycles or more. Even at 150 ° C., the initial charge / discharge capacity was almost the same as that at room temperature, and the capacity slightly decreased as the cycle progressed, but it was confirmed that a relatively stable charge / discharge operation was exhibited over 100 cycles or more. FIG. 3 shows the cycle characteristics of the charge / discharge capacity at 150 ° C.
また、表1に、固体電解質Li3PO4薄膜の膜厚、抵抗値、室温での100サイクル後の放電容量、150℃での100サイクル後の放電容量をまとめて示す。 Table 1 summarizes the thickness, resistance value, discharge capacity after 100 cycles at room temperature, and discharge capacity after 100 cycles at 150 ° C. of the solid electrolyte Li 3 PO 4 thin film.
(実施例1)
実施例1では、固体電解質層4の膜厚、成膜条件を変えたこと以外は、比較例1と同様にして、薄膜固体リチウムイオン二次電池10と抵抗値測定試料を作製し、それぞれについて交流インピーダンス測定と充放電特性の測定を行った。
Example 1
In Example 1, a thin film solid lithium ion
固体電解質層4は、リン酸リチウム(Li3PO4)の焼結体ターゲットを用い、流量比が9:1のアルゴンと酸素の混合ガスを導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。膜厚は0.8μmで、比較例1の2倍の膜厚とした。
The
比較例1と同様にして、交流インピーダンス測定により、Li3PO4+O2(膜厚0.8μm)の膜厚方向における単位面積1cm2あたりの抵抗値を求めた結果、8×104Ωとなった。また、イオン伝導度は、2×10−9S/cmと算出された。
Similarly to Comparative Example 1, the resistance value per
充放電測定では、室温で100サイクル以上の安定した充放電動作を示すことが確認できた。150℃においても、初期の充放電容量は室温とほぼ同じで、サイクル進行による容量の減少は少なく、安定した充放電動作を100サイクル以上示すことが確認できた。図4に、この150℃での充放電容量のサイクル特性を示す。その後、さらに測定を進めた結果、500サイクル以上、150℃で安定した動作を示すことが確認できた。 In the charge / discharge measurement, it was confirmed that a stable charge / discharge operation of 100 cycles or more at room temperature was exhibited. Even at 150 ° C., the initial charge / discharge capacity was almost the same as that at room temperature, the decrease in capacity due to the progress of the cycle was small, and it was confirmed that stable charge / discharge operation was exhibited for 100 cycles or more. FIG. 4 shows the cycle characteristics of the charge / discharge capacity at 150 ° C. Thereafter, as a result of further measurement, it was confirmed that stable operation was exhibited at 150 ° C. for 500 cycles or more.
表1に、固体電解質Li3PO4薄膜の膜厚、抵抗値、室温での100サイクル後の放電容量、150℃での100サイクル後の放電容量をまとめて示す。 Table 1 summarizes the film thickness, resistance value, discharge capacity after 100 cycles at room temperature, and discharge capacity after 100 cycles at 150 ° C. of the solid electrolyte Li 3 PO 4 thin film.
(比較例2)
比較例2では、固体電解質層4の膜厚、成膜条件を変えたこと以外は、比較例1と同様にして薄膜固体リチウムイオン二次電池10と抵抗値測定試料を作製し、それぞれについて交流インピーダンス測定と充放電特性の測定を行った。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a thin-film solid lithium ion
固体電解質層4は、リン酸リチウム(Li3PO4)の焼結体ターゲットを用い、窒素ガスのみを導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。膜厚は、0.2μmとした。
The
比較例1と同様にして、交流インピーダンス測定により、Li3PO4+N(すなわち、LiPON)(膜厚0.2μm)の膜厚方向における単位面積1cm2あたりの抵抗値を求めた結果、10Ωとなった。また、イオン伝導度は、2×10−6S/cmと算出された。 As in Comparative Example 1, the resistance value per 1 cm 2 of unit area in the film thickness direction of Li 3 PO 4 + N (ie, LiPON) (film thickness 0.2 μm) was obtained by AC impedance measurement. became. The ionic conductivity was calculated to be 2 × 10 −6 S / cm.
充放電測定では、室温で100サイクル以上の安定した充放電動作を示すことが確認できた。150℃においは、初期の充放電容量は室温とほぼ同じであったが、サイクル進行により容量が少し減少し、80サイクル以降、充電がやや不安定になった。
しかしながら、放電の方は、比較的安定した充放電動作を100サイクル以上にわたって継続して示し、全体的に見て、安定性が良好であることが分かった。図5に、150℃での充放電容量のサイクル特性を示す。
In the charge / discharge measurement, it was confirmed that a stable charge / discharge operation of 100 cycles or more at room temperature was exhibited. At 150 ° C., the initial charge / discharge capacity was almost the same as room temperature, but the capacity slightly decreased with the progress of the cycle, and after 80 cycles, the charge became slightly unstable.
However, the discharge showed a relatively stable charge / discharge operation continuously over 100 cycles or more, and it was found that the overall stability was good. FIG. 5 shows the cycle characteristics of the charge / discharge capacity at 150.degree.
表1に、固体電解質LiPON薄膜の膜厚、抵抗値、室温での100サイクル後の放電容量、150℃での100サイクル後の放電容量をまとめて示す。 Table 1 summarizes the film thickness, resistance value, discharge capacity after 100 cycles at room temperature, and discharge capacity after 100 cycles at 150 ° C. of the solid electrolyte LiPON thin film.
(比較例3)
比較例3では、固体電解質層4の膜厚、成膜条件を変えたこと以外は、比較例1と同様にして、薄膜固体リチウムイオン二次電池10と抵抗値測定試料を作製し、それぞれについて交流インピーダンス測定、充放電特性の測定を行った。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, a thin film solid lithium ion
固体電解質層4は、リン酸リチウム(Li3PO4)の焼結体ターゲットを用い、窒素ガスのみを導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。膜厚は、0.1μmとした。この膜厚が半分であること以外、比較例2と全く同じ成膜条件である。
The
比較例1と同様にして、交流インピーダンス測定により、Li3PO4+N(すなわち、LiPON)(膜厚0.1μm)の膜厚方向における単位面積1cm2あたりの抵抗値を求めた結果、5Ωとなった。また、イオン伝導度は、2×10−6S/cmと算出された。 As in Comparative Example 1, the resistance value per unit area of 1 cm 2 in the film thickness direction of Li 3 PO 4 + N (that is, LiPON) (film thickness 0.1 μm) was obtained by AC impedance measurement. became. The ionic conductivity was calculated to be 2 × 10 −6 S / cm.
充放電測定では、室温では100サイクル以上の安定した充放電動作を示すことが確認できた。一方、150℃においは、そのサイクル特性を図6に示すように、初期の放電容量は室温とほぼ同じであったが、サイクル進行により放電容量が減少し、40サイクル以降は充電容量が一定の大きな値0.3mAhとなった。これは、充電時、電圧が3.5Vの打ち切り電圧まで上がらなくなった場合、ある一定の時間で終了して、その時間に対応する大きな一定の容量の値をグラフにプロットするためであるが、電圧が上がらなくなる原因は、LiPON薄膜の抵抗が低く、リチウムイオンや電子の逆流が起こって内部ショートのような状態になるためであると考えられる。すなわち、電池としての機能が失われることを意味する。 In the charge / discharge measurement, it was confirmed that a stable charge / discharge operation of 100 cycles or more was exhibited at room temperature. On the other hand, at 150 ° C., as shown in FIG. 6, the initial discharge capacity was almost the same as room temperature, but the discharge capacity decreased with the progress of the cycle, and the charge capacity was constant after 40 cycles. The large value was 0.3 mAh. This is because, when charging, when the voltage does not rise to the cutoff voltage of 3.5 V, it ends in a certain time, and a large constant capacity value corresponding to that time is plotted on the graph. The reason why the voltage does not increase is considered to be that the LiPON thin film has a low resistance, and a lithium ion or electron backflow occurs, causing an internal short circuit. That is, the function as a battery is lost.
表1には、固体電解質Li3PO4薄膜の膜厚、抵抗値、室温での100サイクル後の放電容量、150℃での100サイクル後の放電容量をまとめて示す。 Table 1 summarizes the thickness, resistance value, discharge capacity after 100 cycles at room temperature, and discharge capacity after 100 cycles at 150 ° C. of the solid electrolyte Li 3 PO 4 thin film.
(比較例4)
比較例4では、固体電解質層4の膜厚、成膜条件を変えたこと以外は、比較例1と同様にして、薄膜固体リチウムイオン二次電池10と抵抗値測定試料を作製し、それぞれについて交流インピーダンス測定、充放電特性の測定を行った。
(Comparative Example 4)
In Comparative Example 4, a thin film solid lithium ion
固体電解質層4は、リン酸リチウム(Li3PO4)の焼結体ターゲットを用い、Arガスに加えて酸素ガスを流量比が9:1になるように導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。膜厚は1.2μmで、実施例1の3倍の膜厚とした。この膜厚が1.5倍であること以外、実施例2と全く同じ成膜条件である。
The
比較例1と同様にして、交流インピーダンス測定により、Li3PO4+O2(膜厚1.2μm)の膜厚方向における単位面積1cm2あたりの抵抗値を求めた結果、1.2×105Ωとなった。また、イオン伝導度は、1×10−9S/cmと算出された。
In the same manner as in Comparative Example 1, the resistance value per
室温での充放電測定では、サイクル特性は安定しているものの、その充放電容量は比較例1〜比較例2と比較してやや小さい値となった。これは、固体電解質層4の抵抗が高いため、室温ではリチウムイオンの動きが鈍くなることによると考えられる。その充放電容量のサイクル特性を図7に示す。150℃においては、初期の充放電容量は比較例2とほぼ同じで、サイクル進行による容量の減少も少なく、比較例2と同様に比較的安定した充放電動作を100サイクル以上示すことが確認できた。その後、さらに測定を進めた結果、500サイクル以上、150℃で安定した動作を示すことが確認できた。
In the charge / discharge measurement at room temperature, the cycle characteristics were stable, but the charge / discharge capacity was slightly smaller than those in Comparative Examples 1 and 2 . This is considered to be due to the slow movement of lithium ions at room temperature because the resistance of the
表1に、固体電解質Li3PO4薄膜の膜厚、抵抗値、室温での100サイクル後の放電容量、150℃での100サイクル後の放電容量をまとめて示す。 Table 1 summarizes the film thickness, resistance value, discharge capacity after 100 cycles at room temperature, and discharge capacity after 100 cycles at 150 ° C. of the solid electrolyte Li 3 PO 4 thin film.
以上示したとおり、実施例1、比較例1〜比較例2においては、固体電電解質層の単位面積1cm2あたりの膜厚方向の抵抗値が10Ω以上であったため、150℃の温度においてもリチウムイオンの拡散による逆流が起こらず、安定した充放電動作を示したと考えられる。また、抵抗値が1×105Ω以下であったため、室温においてもリチウムイオンがスムーズに動くことができ、安定した電池特性を示したと考えられる。
As described above, in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 , the resistance value in the film thickness direction per
一方、比較例3においては、抵抗値が5Ωであり、10Ωよりも低かったため、室温においてはリチウムイオンがスムーズに動くことができ、安定した電池特性を示したが、150℃では、リチウムイオンの拡散による逆流が起こり、電池特性が劣化したと考えられる。
特に、材料が同じである比較例2と比較例3を比べると、比較例2では抵抗値が10Ωであるのに対して比較例3では抵抗値が5Ωと、比較例2のほうが2倍高い程度であるが、150℃の100サイクル後の放電容量は実施例3が0.056mAhであるのに対して比較例3では0.017mAhと、両者の間で実に3倍以上の顕著な差が生じている。このことから、抵抗値10Ωは、高温での放電容量の高低を分ける臨界点であると考えられる。
On the other hand, in Comparative Example 3 , the resistance value was 5Ω, which was lower than 10Ω, so that lithium ions could move smoothly at room temperature and showed stable battery characteristics. It is thought that the reverse flow due to diffusion occurred and the battery characteristics deteriorated.
In particular, when Comparative Example 2 and Comparative Example 3 having the same material are compared, Comparative Example 2 has a resistance value of 10Ω, while Comparative Example 3 has a resistance value of 5Ω, and Comparative Example 2 is twice as high. However, the discharge capacity after 100 cycles at 150 ° C. was 0.056 mAh in Example 3 and 0.017 mAh in Comparative Example 3 , which is a remarkable difference of 3 times or more between the two. Has occurred. From this, it can be considered that the resistance value of 10Ω is a critical point that divides the discharge capacity at high temperature.
また、比較例4においては、抵抗値1.2×105Ωであり、1×105Ωよりも高かった。このため、温度が150℃では、リチウムイオンの拡散による逆流が起こらず、安定した電池特性を示したと考えられる。しかしながら、室温においては抵抗値が高すぎてリチウムイオンがスムーズに動くことができず、充放電容量が減少したと考えられる。 In Comparative Example 4 , the resistance value was 1.2 × 10 5 Ω, which was higher than 1 × 10 5 Ω. For this reason, when the temperature is 150 ° C., the reverse flow due to the diffusion of lithium ions does not occur, and it is considered that stable battery characteristics were exhibited. However, the resistance value is too high at room temperature, and lithium ions cannot move smoothly, and it is considered that the charge / discharge capacity has decreased.
特に、材料が同じである実施例1と比較例4を比べると、実施例1では抵抗値が8×104Ωであるのに対して比較例4では抵抗値が1.2×105Ωと、比較例4のほうが1.5倍高い程度であるが、室温の100サイクル後の放電容量は実施例1が0.090mAhであるのに対して比較例4では0.057mAhと、約半分となっている。このことから、抵抗値1×105Ωは、室温での放電容量の高低を分ける臨界点であると考えられる。 In particular, when Example 1 and Comparative Example 4 having the same material are compared, in Example 1 , the resistance value is 8 × 10 4 Ω, whereas in Comparative Example 4 , the resistance value is 1.2 × 10 5 Ω. Comparative Example 4 is about 1.5 times higher, but the discharge capacity after 100 cycles at room temperature is 0.090 mAh in Example 1 and 0.057 mAh in Comparative Example 4 , about half. It has become. From this, the resistance value of 1 × 10 5 Ω is considered to be a critical point that divides the discharge capacity at room temperature.
以上のとおり、固体電解質層4の単位面積1cm2あたりの膜厚方向の抵抗値を10Ω以上とすることで、150℃の高温でも安定した充放電特性を示すことを確認した。また、抵抗値を1×105Ω以下とすることにより、高温のみならず室温であっても安定した充放電動作を示すことを確認した。
As described above, it was confirmed that stable charge / discharge characteristics were exhibited even at a high temperature of 150 ° C. by setting the resistance value in the film thickness direction per
(実施例2)
実施例2では、図2の構成をなすよう基板1上に、集電体層2、正極活物質層3、固体電解質層4、負極活物質層5、集電体層2をこの順にスパッタリング法により形成し、さらにこの上に正極活物質層3、固体電解質層4、負極活物質層5、集電体層2をこの順にスパッタリング法により形成し、直列接続積層型の薄膜固体リチウムイオン二次電池20を作製した。ここで、いずれの層も、比較例1と同じ物質、膜厚、成膜条件で形成した。
(Example 2)
In Example 2, the
以上のようにして得られた薄膜固体リチウムイオン二次電池20について、充放電測定器を用いて室温と150℃での充放電特性を測定した。充放電測定の測定条件は電圧が2倍になると予想されるので、充電時と放電時の電流をいずれも0.02mAとし、充電と放電の打ち切りの電圧はそれぞれ7.0V、0.6Vとした。
About the thin film solid lithium ion
その結果、室温では、実施例1の約2倍の電圧範囲で100サイクル以上の安定した充放電動作を示すことが確認できた。150℃の温度でも、サイクル進行に伴い、充放電容量の減少が多少見られる程度で、比較的安定した充放電動作を示すことが確認できた。 As a result, it was confirmed that at room temperature, a stable charge / discharge operation of 100 cycles or more was exhibited in the voltage range about twice that of Example 1. It was confirmed that even at a temperature of 150 ° C., a relatively stable charge / discharge operation was exhibited with a slight decrease in charge / discharge capacity as the cycle progressed.
(実施例3)
実施例3では、実施例1〜実施例2、比較例1〜比較例2の薄膜固体リチウムイオン二次電池10の大気に露出する表面に、水分防止膜6として窒化珪素薄膜(SiN)をスパッタリング法によりそれぞれ形成した。すなわち負極側の集電体層2の露出面に窒化珪素薄膜を形成した。
水分防止膜6は、Si半導体ターゲットを用い、RFマグネトロンスパッタリング法により窒素ガスを導入して行った。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.2μmの窒化珪素薄膜を形成した。
(Example 3)
In Example 3, a silicon nitride thin film (SiN) is sputtered as a
The
以上のようにして得られた薄膜固体リチウムイオン二次電池10の充放電特性を、作製後すぐに測定したところ、上記実施例1〜実施例2、比較例1〜比較例2の水分防止膜6を被覆していない薄膜固体リチウムイオン二次電池10とそれぞれ同等の充放電電圧、充放電容量が得られた。
When the charge / discharge characteristics of the thin film solid lithium ion
約1か月後に実施例1〜実施例2、比較例1〜比較例2の薄膜固体リチウムイオン二次電池10について、再び充放電特性の測定を行った。その結果、水分防止膜6で被覆されていない実施例1〜実施例2、比較例1〜比較例2の薄膜固体リチウムイオン二次電池10では、放電容量は約5%低下していた。
About one month later, the charge / discharge characteristics of the thin film solid lithium ion
これに対して、水分防止膜6で被覆された実施例1〜実施例2、比較例1〜比較例2の薄膜固体リチウムイオン二次電池10では、いずれも1ヶ月後の測定で充放電容量の低下が見られなかった。
On the other hand, in each of the thin film solid lithium ion
次に、水分防止膜6で被覆した実施例1〜実施例2、比較例1〜比較例2の薄膜固体リチウムイオン二次電池10について、150℃で充放電特性の測定を行った。その結果、いずれの薄膜固体リチウムイオン二次電池10も、それぞれ実施例1〜実施例2、比較例1〜比較例2とほぼ同じ安定した充放電動作を100サイクル以上示した。100サイクル後の充放電容量は、いずれも1〜5%程度と僅かではあるが増加していた。
Next, charge / discharge characteristics were measured at 150 ° C. for the thin film solid lithium ion
このように、水分防止膜6で表面を被覆することにより、薄膜固体リチウムイオン二次電池10は、空気中の水分に対する耐久性を有し、電池特性が劣化しにくくなることが分かった。また、150℃でも安定した充放電動作を示し、充放電容量も僅かではあるが増加することが分かった。
Thus, it was found that by covering the surface with the
(実施例4)
実施例4では、比較例1と同様にして作製した図1のSiN水分防止膜の付いた薄膜固体リチウムイオン二次電池10と、Si太陽電池を正、負極が一致するよう接続し、複合型機器を作製した。Si太陽電池は、市販の電圧が3.0V、電流1mAのものを用いた。
(Example 4 )
In Example 4 , the thin film solid lithium ion
このSi太陽電池に光を当てて発電を行い、同時に薄膜固体リチウムイオン二次電池10の充電を行った。充電は電圧が3Vに達したところで終了とし、太陽電池と薄膜固体リチウムイオン二次電池10を切り離して、放電時電流0.02mAで0.3Vまで放電を行った。この一連の操作を100サイクル繰り返し行い、充放電特性を測定した。その結果、いずれのサイクルもほぼ同じ特性を100サイクルまで安定して示した。
Electric power was generated by applying light to the Si solar cell, and at the same time, the thin film solid lithium ion
次に、同様にSi太陽電池で充電を行った後、薄膜固体リチウムイオン二次電池10にデジタル時計をつないで駆動させた。その結果、連続して約15日間、デジタル時計を駆動できることができた。このサイクルを連続して10回繰り返し実行したが、いずれのサイクルも約15日間、液晶時計の駆動を行うことができた。
Next, similarly, after charging with a Si solar battery, the thin film solid lithium ion
以上のように、太陽電池と薄膜固体リチウムイオン二次電池10を組み合わせた複合型機器を作製し、容易に充電を行うことが可能で、液晶時計などの電源として、光さえあれば半永久的に利用可能な電源となることを確かめた。
As described above, a composite device combining a solar cell and a thin-film solid lithium ion
1 基板
2 集電体層(正極集電体層、負極集電体層)
3 正極活物質層
4 固体電解質層
5 負極活物質層
6 水分防止膜
10 薄膜固体リチウムイオン二次電池
20 薄膜固体リチウムイオン二次電池
1
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記薄膜固体リチウムイオン二次電池は、請求項1〜7のいずれか1項に記載の薄膜固体リチウムイオン二次電池であることを特徴とする複合型機器。 A composite device consisting of a device connected to the thin film solid state lithium ion secondary battery and thin film solid state lithium ion secondary battery,
The thin film solid state lithium ion secondary battery, the composite device, characterized in that a thin film solid state lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 7.
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