JP5217455B2 - リチウム電池、及びリチウム電池の製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本実施の形態におけるリチウム電池の縦断面図である。このリチウム電池1は、正極集電体層11の上に、正極層13、緩衝層16、固体電解質層(SE層)15、負極層14、負極集電体層12の順に積層された構成を有している。
(正極集電体層)
正極集電体層11は、所定の厚さを有する金属製の薄板であり、後述する各層を支持する基板の役割を兼ねている。正極集電体層11としては、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、これらの合金、ステンレスから選択される1種が好適に利用できる。金属膜からなる集電体11は、PVD法(物理的蒸着法)やCVD法(化学的蒸着法)により形成することができる。特に、所定のパターンに金属膜(集電体)を形成する場合、適宜なマスクを用いることで、容易に所定のパターンの集電体を形成することができる。その他、金属箔を絶縁性の基板に圧着することで、正極集電体層を形成しても良い。
正極層13は、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層である。特に、酸化物、例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、オリビン型鉄リン酸リチウム(LiFePO4)またはLiNi0.5Mn0.5O2、若しくはこれらの混合物を好適に使用することができる。これらの化合物を含む正極層は、その結晶構造を規定することで、リチウムイオン伝導性を向上させることができる。例えば、正極層の活物質として層状岩塩型構造をとる化合物(例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiNi0.5Mn0.5O2)を採用する場合、当該正極層の面指数の比を(003)/(101)<10とすることが好ましい。
負極集電体層12は、負極層14の上に形成される金属膜である。負極集電体層12としては、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、及びこれらの合金から選択される1種が好適に利用できる。なお、負極集電体層12も、正極集電体層11の場合と同様に、PVD法やCVD法で形成することができる。
負極層14は、リチウムイオンの吸蔵及び放出を行う活物質を含む層で構成する。例えば、負極層14として、Li金属及びLi金属と合金を形成することのできる金属よりなる群より選ばれる1つ、若しくはこれらの混合物又は合金が好適に使用できる。Liと合金を形成することのできる金属としては、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、錫(Sn)、ビスマス(Bi)、及びインジウム(In)よりなる群より選ばれる少なくとも一つ(以下、合金化材料という)が良い。
固体電解質層(SE層)15は、硫化物で構成されるリチウムイオン伝導体である。このSE層15は、リチウムイオン伝導度(20℃)が10-5S/cm以上あり、かつLiイオン輸率が0.999以上であることが好ましい。特に、リチウムイオン伝導度が10-4S/cm以上あり、かつリチウムイオン輸率が0.9999以上であれば良い。また、SE層15は、電子伝導度が10-8S/cm以下であることが好ましい。SE層15の材質としては、硫化物、例えば、Li、P、S、OからなるLi-P-S-Oや、Li2SとP2S5とからなるLi-P-Sのアモルファス膜あるいは多結晶膜などで構成することが好ましい。特に、Li2SとP2S5とからなるLi-P-Sで構成したSE層とすると、このSE層と負活物質層との間の界面抵抗値を低下させることができ、その結果、電池の性能を向上させることができる。
緩衝層16は、上記SE層15から正極層13にリチウムイオンが大量に移動することを防止して、SE層15と正極層13との界面において電荷の偏りを緩衝し、この界面近傍のSE層15に空乏層が生じることを防止する層である。緩衝層16は、酸化物からなることが好ましく、具体的には、LixLa(2-x)/3TiO3(x=0.1〜0.5)、Li4Ti5O12、Li3.6Si0.6P0.4O4、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li1.8Cr0.8Ti1.2(PO4)3、LiNbO3、LiTaO3または、Li1.4In0.4Ti1.6(PO4)3などを単独あるいは組み合わせて使用できる。また、緩衝層16には、Arが0.1〜5mol%含有されており、Arが所定量含有されていることにより、Arが含有されていない場合よりも、緩衝層16の電気抵抗が低減し、かつ、緩衝層16のリチウムイオン伝導性が向上する効果を奏する。この効果は、Ar含有量が、0.1mol%程度から顕著になり、5mol%程度で頭打ち状態になる。緩衝層におけるArの含有量が5mol%を大きく超えると、緩衝層としての役割(空乏層の形成抑制)が低下する。
リチウム電池を製造するには、各層を支持する基板を兼ねる正極集電体層11の上に、正極層13、緩衝層16、SE層15、負極層14、負極集電体層12の順に積層することで作製する。また、正極集電体層11、正極層13、緩衝層16およびSE層15を積層した積層体を作製すると共に、この積層体とは別個に負極集電体層12と負極層14とからなる積層体を作製し、これら二つの積層体を重ね合わせることでリチウム電池1を作製しても良い。
以上の構成を備えるリチウム電池1は、正極層13とSE層15との間に緩衝層16を設けるだけで、正極層13とSE層15との界面近傍におけるリチウムイオンの偏りを抑制し、SE層15において空乏層が形成されることを抑制することができる。また、緩衝層16は、正極層13上に積層するだけで良いので、非常に簡単かつ効率的にリチウム電池を作製することができる。
まず、Arを含有する緩衝層を備える試験片1〜3と、Arを含有しない緩衝層を備える試験片10とを作製し、両者についてリチウムイオン伝導度の温度依存性および電子伝導度を調べた。
導電性の基材を用意し、この基材上にLiNbO3からなる緩衝層を成膜した。緩衝層の成膜は、Ar雰囲気下でRFスパッタリング装置を利用して行った。試験片1〜3は、成膜装置に供給する電力と成膜室のAr濃度を調節することにより、緩衝層に含まれるArの含有量を変化させて作製した。成膜した緩衝層のリチウムイオン伝導度の温度依存性を交流インピーダンス法により測定した。また、緩衝層の電気抵抗値を測定した。成膜条件を表1に、測定結果を表2に示す。なお、各層の膜厚は、誘導結合プラズマ発光分光分析法で、Arの含有量は、ラザフォード後方散乱分析法で求めた。
試験片1〜3と同様に、導電性基材上にLiNbO3からなる緩衝層を成膜して試験片10を作製し、緩衝層の特性を測定した。但し、緩衝層の成膜にはレーザーアブレーション法を利用し、成膜雰囲気は酸素とした。成膜条件を表1に、測定結果を表2に示す
以下、実施の形態において説明した構成のコインセル型のリチウム電池(試料1、試料10および試料101〜104)を実際に作製し、電池の容量を測定することで、電池の性能を評価した。
正極集電体11として、厚さ0.5mmのSUS316Lからなる薄板を用意した。この薄板は、各層を支持する基板の役割も兼ねる。
試料1に対して、緩衝層にArを含有しない以外は、試料1と同様の構成を有する試料10を作製した。緩衝層の成膜方法は、<緩衝層の評価>の項目で述べた試験片10と同じ方法、同じ条件で実施した(酸素雰囲気、レーザーアブレーション)。
緩衝層の構成を種々変更した試料101〜104を作製した。試料101〜104は、緩衝層にArを含有しないこと(但し、試料101は緩衝層なし)と、以下に示す点以外は、試料1と同一の構成を有する。なお、以下の変更点は、各層を形成する際の温度条件などを調節することにより達成することができる。
試料101…緩衝層を成膜しなかった。
試料102…正極層を薄くする(具体的には50nm)ことでab軸配向が弱くなる傾向を利用し、正極層の面指数の比(003)/(101)が10を超えるようにした。
試料103…アニールを実施しないことで緩衝層を構成する化合物が正極層に拡散することを抑制した。
試料104…緩衝層成膜時、サンプル温度を500℃として成膜することで、緩衝層を結晶化させた。緩衝層が結晶化するように成膜すると、成膜の過程で緩衝層を構成する化合物が正極層に拡散し易い。
11 正極集電体層 12 負極集電体層
13 正極層 14 負極層
15 固体電解質層(SE層) 16 緩衝層
Claims (11)
- 正極層と、負極層と、これら両層の間でリチウムイオンの伝導を媒介する硫化物固体電解質層とを基板上に具えるリチウム電池であって、
前記正極層は、気相堆積法により形成されており、
前記正極層と固体電解質層との間に、これら両層の界面近傍におけるリチウムイオンの偏りを緩衝する緩衝層を備え、
前記緩衝層は、リチウムイオン伝導性酸化物であり、
前記緩衝層にArが0.1〜5mol%含有されているリチウム電池。 - 前記リチウムイオン伝導性酸化物は、LixLa(2-x)/3TiO3(x=0.1〜0.5)、Li4Ti5O12、Li3.6Si0.6P0.4O4、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li1.8Cr0.8Ti1.2(PO4)3、Li1.4In0.4Ti1.6(PO4)3、LiTaO3および、LiNbO3の少なくとも一種である請求項1に記載のリチウム電池。
- 前記緩衝層の膜厚が、1μm以下である請求項1又は2に記載のリチウム電池。
- 前記緩衝層の電子伝導度が、1×10-5S/cm以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウム電池。
- 前記緩衝層を構成するリチウムイオン伝導性酸化物が、前記正極層中に拡散している請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウム電池。
- 前記リチウムイオン伝導性酸化物の少なくとも一部がLiNbO3であり、
前記正極層における、前記緩衝層との界面から厚さ25nmの点でのNbの濃度が、1×10-3原子%以上25原子%以下である請求項5に記載のリチウム電池。 - 前記緩衝層がアモルファスの状態である請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウム電池。
- 前記緩衝層がLiNbO3からなり、
前記緩衝層のX線回折において、2θが22〜25°の範囲で半値幅が5°以下のピークが存在しない請求項7に記載のリチウム電池。 - 前記正極層において、ab軸配向がc軸配向よりも強い請求項1〜8のいずれか一項に記載のリチウム電池。
- 前記正極層の活物質が、結晶化したときに層状岩塩型構造をとる化合物からなり、
当該正極層の面指数の比が、(003)/(101)<10である請求項9に記載のリチウム電池。 - 正極層と、負極層と、これら両層の間でリチウムイオンの伝導を媒介する硫化物固体電解質層とを基板上に具えるリチウム電池の製造方法であって、
気相堆積法により、前記正極層を形成する工程と、
前記正極層の上に、前記正極層と固体電解質層との間の界面近傍におけるリチウムイオンの偏りを緩衝する緩衝層を形成する工程とを備え、
前記緩衝層の形成工程において、ArのプラズマあるいはArと酸素との混合プラズマを利用した気相堆積法を使用して、0.1〜5mol%のArを含有するリチウムイオン伝導性酸化物からなる緩衝層を形成するリチウム電池の製造方法。
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