JP5817885B2 - Solid secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、固体二次電池に関するものである。 The present invention relates to a solid secondary batteries.

携帯電話機やモバイルコンピューター等の電源として、繰り返し充電が可能な二次電池の開発が進められている。このような二次電池の中には、有機電解液を用いたものが知られているが、有機電解液を用いた二次電池は、副反応が多く、また、液漏れや発火の危険性があり、安全面への配慮が必要とされていた。   Development of a secondary battery that can be repeatedly charged as a power source for a mobile phone or a mobile computer has been underway. Among these secondary batteries, those using organic electrolytes are known, but secondary batteries using organic electrolytes have many side reactions, and there is a risk of liquid leakage and ignition. There was a need for safety considerations.

脱電解液化の試みとして、固体電解質を用いた二次電池(固体二次電池)が報告されている(例えば、特許文献1,2)。例えば、固体電解質を用いたリチウムイオン二次電池の場合、電池反応によって電解質中を移動するイオンがリチウムイオンだけになるので、副反応が殆どなく、可燃性の有機溶液を含まず、さらに、液封止構造が必要ないので、小型・薄型化が可能となる。   A secondary battery using a solid electrolyte (solid secondary battery) has been reported as an attempt to remove the electrolyte (for example, Patent Documents 1 and 2). For example, in the case of a lithium ion secondary battery using a solid electrolyte, the ions that move in the electrolyte by the battery reaction are only lithium ions, so there are almost no side reactions, no flammable organic solution is contained, Since a sealing structure is not required, it is possible to reduce the size and thickness.

特開2006−277997号公報JP 2006-277797 A 特開2004−179158号公報JP 2004-179158 A

しかしながら、特許文献1の固体二次電池のように、固体電解質粉を電極活物質粉とともに圧粉成形する方法では、固体電解質粉と電極活物質粉との界面や固体電解質粉同士の界面で界面接触が不十分となり、高い電池出力が得られいという問題があった。また、充放電サイクルに伴う体積変化によって界面接触が不安定になり、サイクル寿命が劣化するという問題もあった。   However, in the method of compacting the solid electrolyte powder together with the electrode active material powder as in the solid secondary battery of Patent Document 1, the interface between the solid electrolyte powder and the electrode active material powder or the interface between the solid electrolyte powders is an interface. There was a problem that contact was insufficient and high battery output could not be obtained. In addition, there is a problem that the interface contact becomes unstable due to the volume change accompanying the charge / discharge cycle, and the cycle life is deteriorated.

一方、特許文献2の固体二次電池のように、スパッタリングなどの気相薄膜堆積法を用いて正極薄膜と固体電解質薄膜と負極薄膜とを順次積層するものも報告されている。このように薄膜を積層する方法では、電極と固体電解質との界面接触が良好であり、且つ、活物質層や固体電解質層の厚さを小さくすることができるので、高い電池出力と良好なサイクル寿命特性が得られる。   On the other hand, as in the solid secondary battery of Patent Document 2, there has been reported one in which a positive electrode thin film, a solid electrolyte thin film, and a negative electrode thin film are sequentially laminated using a vapor phase thin film deposition method such as sputtering. In such a method of laminating thin films, the interface contact between the electrode and the solid electrolyte is good, and the thickness of the active material layer and the solid electrolyte layer can be reduced, so that a high battery output and a good cycle are achieved. Lifetime characteristics can be obtained.

しかしながら、この方法では、各層の膜厚が小さくなるので、単位面積当たりの活物質層の総厚が小さくなり、容量の大きな二次電池を提供することができなかった。   However, in this method, since the film thickness of each layer is small, the total thickness of the active material layer per unit area is small, and a secondary battery having a large capacity cannot be provided.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、高出力で大容量な固体二次電池を提供することを目的とする。 The present invention was made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a large capacity solid state secondary batteries with high output.

上記の課題を解決するため、本発明は、第1の面に複数の第1の縦穴及び複数の第2の縦穴を有する固体電解質層と、前記複数の第1の縦穴の各々の内部を埋めた第1活物質と、前記複数の第2の縦穴の各々の内部を埋めた第2活物質と、複数の前記第1活物質を接続した第1電極と、複数の前記第2活物質を接続した第2電極と、を含み、
前記複数の第1の縦穴は、前記固体電解質層が露出した底面及び内壁面で囲まれ、
前記複数の第2の縦穴は、前記固体電解質層が露出した底面及び内壁面で囲まれる
ことを特徴とする固体二次電池である。
前記複数の第1の縦穴の各々と前記複数の第2の縦穴の各々とが交互に配置されていることとしてもよい。
前記第1活物質及び前記第2活物質のいずれか一方が正極側の活物質として機能し、いずれか他方が負極側の活物質として機能することとしてもよい。
本発明の第1の形態の固体二次電池は、一面上に複数の縦穴が形成された第1活物質層と、前記第1活物質層に形成された複数の前記縦穴の底面及び内壁面に接して形成された固体電解質層と、前記固体電解質層に接して形成された第2活物質層と、を備え、前記第1活物質層及び前記第2活物質層のいずれか一方は前記固体二次電池の正極側の活物質として機能し、いずれか他方は負極側の活物質として機能し、前記第1活物質層と前記第2活物質層とは接することなく、前記1活物質層と前記第2活物質層との間に前記固体電解質層を有することを特徴とする。
In order to solve the above problem, the present invention fills the interior of each of the plurality of first vertical holes with a solid electrolyte layer having a plurality of first vertical holes and a plurality of second vertical holes on a first surface. A first active material, a second active material filling the interior of each of the plurality of second vertical holes, a first electrode connecting the plurality of first active materials, and a plurality of the second active materials. a second electrode connected, only including,
The plurality of first vertical holes are surrounded by a bottom surface and an inner wall surface where the solid electrolyte layer is exposed,
The plurality of second vertical holes may be surrounded by a bottom surface and an inner wall surface where the solid electrolyte layer is exposed .
Each of the plurality of first vertical holes and each of the plurality of second vertical holes may be alternately arranged.
Either one of the first active material and the second active material may function as an active material on the positive electrode side, and either one may function as an active material on the negative electrode side.
The solid secondary battery according to the first aspect of the present invention includes a first active material layer having a plurality of vertical holes formed on one surface, and bottom surfaces and inner wall surfaces of the plurality of vertical holes formed in the first active material layer. A solid electrolyte layer formed in contact with the solid electrolyte layer, and a second active material layer formed in contact with the solid electrolyte layer, wherein one of the first active material layer and the second active material layer is the The first active material functions as an active material on the positive electrode side of the solid secondary battery, and either one functions as an active material on the negative electrode side, and the first active material layer and the second active material layer are not in contact with each other. The solid electrolyte layer is provided between the layer and the second active material layer.

この構成によれば、縦穴の底面及び内壁面に活物質と固体電解質の界面が形成されるため、特許文献2のように、単に平面上に正極薄膜、固体電解質薄膜、負極薄膜を積層していく場合に比べて、単位面積当たりの電池容量を飛躍的に向上させることができる。また、固体電解質は縦穴の底面及び内壁面に沿って薄膜状に形成されるため、活物質と固体電解質との界面接触が良好であり、且つ、固体電解質層の厚さを小さくすることができるので、高い電池出力と良好なサイクル寿命特性が得られる。   According to this configuration, since the interface between the active material and the solid electrolyte is formed on the bottom surface and the inner wall surface of the vertical hole, a positive electrode thin film, a solid electrolyte thin film, and a negative electrode thin film are simply laminated on a flat surface as in Patent Document 2. Compared with the case where it goes, the battery capacity per unit area can be improved dramatically. In addition, since the solid electrolyte is formed in a thin film shape along the bottom surface and inner wall surface of the vertical hole, the interface contact between the active material and the solid electrolyte is good, and the thickness of the solid electrolyte layer can be reduced. Therefore, high battery output and good cycle life characteristics can be obtained.

本発明の第1の形態の固体二次電池において、前記第2活物質層は、前記固体電解質層を介して、前記複数の縦穴の各々の内部を埋めるように充填されていることが望ましい。   In the solid secondary battery according to the first aspect of the present invention, it is desirable that the second active material layer is filled so as to fill the interior of each of the plurality of vertical holes via the solid electrolyte layer.

この構成によれば、第2活物質層が、縦穴を埋めるように縦穴の内部全体に形成されるので、高い電池出力が得られる。   According to this configuration, since the second active material layer is formed in the entire interior of the vertical hole so as to fill the vertical hole, a high battery output can be obtained.

本発明の第2の形態の固体二次電池は、一面上に複数の第1の縦穴と複数の第2の縦穴を有する固体電解質層と、前記複数の第1の縦穴の内部表面に接して形成された第1活物質層と、前記複数の第2の縦穴の内部表面に接して形成された第2活物質層と、を備え、前記第1活物質層及び前記第2活物質層のうちのいずれか一方は前記固体二次電池の正極側の活物質として機能し、いずれか他方は負極側の活物質として機能し、前記複数の第1の縦穴と前記複数の第2の縦穴とは、隣接して配置されていることを特徴とする。   The solid secondary battery according to the second aspect of the present invention is in contact with a solid electrolyte layer having a plurality of first vertical holes and a plurality of second vertical holes on one surface, and an inner surface of the plurality of first vertical holes. A first active material layer formed; and a second active material layer formed in contact with an inner surface of the plurality of second vertical holes, wherein the first active material layer and the second active material layer Any one of them functions as an active material on the positive electrode side of the solid secondary battery, and either one functions as an active material on the negative electrode side, and the plurality of first vertical holes and the plurality of second vertical holes Are arranged adjacent to each other.

この構成によれば、縦穴の底面及び内壁面に活物質と固体電解質の界面が形成されるため、特許文献2のように、単に平面上に正極薄膜、固体電解質薄膜、負極薄膜を積層していく場合に比べて、単位面積当たりの電池容量を飛躍的に向上させることができる。また、電池として機能する部分の固体電解質の厚みは、隣接する活物質層間の距離によって決まるため、この距離を短くすることで、高い電池出力と良好なサイクル寿命特性が得られる。   According to this configuration, since the interface between the active material and the solid electrolyte is formed on the bottom surface and the inner wall surface of the vertical hole, a positive electrode thin film, a solid electrolyte thin film, and a negative electrode thin film are simply laminated on a flat surface as in Patent Document 2. Compared with the case where it goes, the battery capacity per unit area can be improved dramatically. Further, since the thickness of the solid electrolyte in the part functioning as a battery is determined by the distance between adjacent active material layers, a high battery output and good cycle life characteristics can be obtained by shortening this distance.

本発明の第2の形態の固体二次電池において、前記第1活物質層は、前記複数の第1の縦穴の各々の内部全体に充填され、前記第2活物質層は、前記複数の第2の縦穴の各々の内部全体に充填されていることが望ましい。   In the solid state secondary battery according to the second aspect of the present invention, the first active material layer is filled in the entire interior of each of the plurality of first vertical holes, and the second active material layer includes the plurality of first active material layers. It is desirable to fill the entire inside of each of the two vertical holes.

この構成によれば、第1活物質層と第2活物質層が、それぞれ縦穴を埋めるように縦穴の内部全体に形成されるため、高い電池出力が得られる。   According to this configuration, since the first active material layer and the second active material layer are formed in the entire inside of the vertical hole so as to fill the vertical hole, high battery output can be obtained.

本発明の第2の形態の固体二次電池において、前記一面上の第1方向と、前記一面上の前記第1方向と交差する第2の方向において、前記複数の第1の縦穴の各々と前記複数の第2の縦穴の各々とが交互に、かつ、周期的に配置されていることが望ましい。   In the solid state secondary battery of the second aspect of the present invention, each of the plurality of first vertical holes in the first direction on the one surface and the second direction intersecting the first direction on the one surface It is desirable that each of the plurality of second vertical holes is alternately and periodically disposed.

この構成によれば、1つの第1活物質層(又は第2活物質層)の周囲に多くの第2活物質僧(又は第1活物質層)を配置することができる。そのため、単位面積当たりの電池容量を向上することができ、高出力な固体二次電池が提供できる。   According to this configuration, many second active material monks (or first active material layers) can be arranged around one first active material layer (or second active material layer). Therefore, the battery capacity per unit area can be improved, and a high-power solid secondary battery can be provided.

本発明の第1の形態の固体二次電池の製造方法は、第1活物質層と第2活物質層とを有し、前記第1活物質層及び前記第2活物質層のうちいずれか一方は正極側の活物質として機能し、いずれか他方は負極側の活物質として機能する固体二次電池の製造方法であって、一面上に複数の縦穴を有する前記第1活物質層を形成する第1の工程と、前記複数の縦穴の各々の内側の表面及び前記一面の表面に固体電解質層を形成する第2の工程と、前記固体電解質層の表面に前記第2活物質層を形成する第3の工程と、を備え、前記第1の工程は、表面に複数の突起が形成された成形型に、前記第1活物質層を形成するための第1の液体材料を塗布する第1の副工程と、前記第1の液体材料を固化し、前記第1活物質層とする第2の副工程と、前記第1活物質層と前記成形型とを分離する第3の副工程と、を含むことを特徴とする。   The manufacturing method of the solid secondary battery of the 1st form of this invention has a 1st active material layer and a 2nd active material layer, and either one of the said 1st active material layer and the said 2nd active material layer One is a method for producing a solid secondary battery that functions as an active material on the positive electrode side, and the other functions as an active material on the negative electrode side, and forms the first active material layer having a plurality of vertical holes on one surface. A first step, a second step of forming a solid electrolyte layer on the inner surface of each of the plurality of vertical holes and the one surface, and forming the second active material layer on the surface of the solid electrolyte layer A first step of applying a first liquid material for forming the first active material layer to a mold having a plurality of protrusions formed on the surface thereof. A first sub-process, a second sub-process that solidifies the first liquid material to form the first active material layer, and the first sub-process, A third sub-step of separating the active material layer and said mold, characterized in that it comprises a.

この方法によれば、縦穴の底面及び内壁面に活物質と固体電解質の界面が形成されるため、特許文献2のように、単に平面上に正極薄膜、固体電解質薄膜、負極薄膜を積層していく場合に比べて、単位面積当たりの電池容量を飛躍的に向上させることができる。また、固体電解質は縦穴の底面及び内壁面に沿って薄膜状に形成されるため、活物質と固体電解質との界面接触が良好であり、且つ、固体電解質薄膜の厚さを小さくすることができるので、高い電池出力と良好なサイクル寿命特性が得られる。   According to this method, since the interface between the active material and the solid electrolyte is formed on the bottom surface and the inner wall surface of the vertical hole, a positive electrode thin film, a solid electrolyte thin film, and a negative electrode thin film are simply laminated on a flat surface as in Patent Document 2. Compared with the case where it goes, the battery capacity per unit area can be improved dramatically. Further, since the solid electrolyte is formed in a thin film shape along the bottom surface and inner wall surface of the vertical hole, the interface contact between the active material and the solid electrolyte is good, and the thickness of the solid electrolyte thin film can be reduced. Therefore, high battery output and good cycle life characteristics can be obtained.

本発明の第1の形態の固体二次電池の製造方法において、前記成形型は、LIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung)法を用いて形成されたものであることが望ましい。   In the method for manufacturing a solid secondary battery according to the first aspect of the present invention, the mold is preferably formed using a LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) method.

この方法によれば、高いアスペクト比の縦穴を形成することができるため、単位面積当たりの電池容量を飛躍的に向上させることができる。また、成形型を用いて縦穴を形成するため、同一の性能を持った固体二次電池を再現性良く作製することができる。   According to this method, since a vertical hole having a high aspect ratio can be formed, the battery capacity per unit area can be dramatically improved. Further, since the vertical holes are formed using the mold, a solid secondary battery having the same performance can be manufactured with good reproducibility.

本発明の第1の形態の固体二次電池の製造方法において、前記第2の副工程を熱処理で行う場合、前記成形型を樹脂で形成し、前記熱処理で前記成形型を焼散させることで、前記第2の副工程と前記第3の副工程とを1つの工程として行うことが望ましい。   In the method for manufacturing a solid secondary battery according to the first aspect of the present invention, when the second sub-step is performed by heat treatment, the mold is formed of a resin, and the mold is burned by the heat treatment. It is desirable that the second sub-process and the third sub-process are performed as one process.

この方法によれば、第1の液体材料の固化と成形型の除去を同時に行うことができるので、製造プロセスが簡略化される。   According to this method, the first liquid material can be solidified and the mold can be removed at the same time, so that the manufacturing process is simplified.

本発明の第1の形態の固体二次電池の製造方法において、前記第2の工程において、前記固体電解質層は、気相堆積法又はゾルゲル法によって形成されることが望ましい。   In the method for manufacturing a solid secondary battery according to the first aspect of the present invention, in the second step, the solid electrolyte layer is preferably formed by a vapor deposition method or a sol-gel method.

この方法によれば、固体電解質層と第1活物質層との界面接触を良好なものとすることができる。また、固体電解質層をサブミクロンレベルまで薄くすることができるので、固体電解質層におけるイオン伝導による抵抗を大幅に減少させることができ、高出力化が図られる。   According to this method, the interface contact between the solid electrolyte layer and the first active material layer can be improved. In addition, since the solid electrolyte layer can be thinned to a submicron level, resistance due to ion conduction in the solid electrolyte layer can be greatly reduced, and high output can be achieved.

本発明の第1の形態の固体二次電池の製造方法において、前記第3の工程は、前記第2活物質層を形成するための第2の液体材料を、前記固体電解質薄層の表面に塗布する第4の副工程を含むことが望ましい。   In the method for manufacturing a solid secondary battery according to the first aspect of the present invention, the third step is to apply a second liquid material for forming the second active material layer on the surface of the solid electrolyte thin layer. It is desirable to include the 4th subprocess to apply.

この方法によれば、第2活物質層を、縦穴を埋めるように縦穴の内部全体に形成することができるため、高い電池出力が得られる。   According to this method, since the second active material layer can be formed in the entire interior of the vertical hole so as to fill the vertical hole, a high battery output can be obtained.

本発明の第2の形態の固体二次電池の製造方法は、第1活物質層と第2活物質層とを有し、前記第1活物質層及び前記第2活物質層のうちいずれか一方は正極側の活物質として機能し、いずれか他方は負極側の活物質として機能する固体二次電池の製造方法であって、一面上に複数の縦穴が形成された固体電解質層を形成する第1の工程と、前記複数の縦穴の各々を第1の縦穴又は第2の縦穴のいずれかに分別し、複数の前記第1の縦穴の各々において内部表面に接するように第1活物質層を形成する第2の工程と、複数の前記第2の縦穴の各々において内部表面に接するように第2活物質層を形成する第3の工程と、を備え、前記第1の工程は、表面に複数の突起が形成された成形型に前記固体電解質層の第1の液体材料を塗布する第1の副工程と、前記第1の液体材料を固化し、前記固体電解質層とする第2の副工程と、前記固体電解質層と前記成形型とを分離する第3の副工程と、を含み、前記第2の工程における前記複数の縦穴の各々の分別は、前記第1の縦穴と前記第2の縦穴とが隣接するようになされることを特徴とする。   The manufacturing method of the solid secondary battery of the 2nd form of this invention has a 1st active material layer and a 2nd active material layer, and either one of the said 1st active material layer and the said 2nd active material layer One is a method for manufacturing a solid secondary battery that functions as an active material on the positive electrode side, and the other functions as an active material on the negative electrode side, and forms a solid electrolyte layer having a plurality of vertical holes formed on one surface. A first active material layer that separates each of the plurality of vertical holes into either a first vertical hole or a second vertical hole and is in contact with the inner surface of each of the plurality of first vertical holes; And a third step of forming a second active material layer so as to be in contact with the inner surface in each of the plurality of second vertical holes, wherein the first step comprises a surface Applying a first liquid material of the solid electrolyte layer to a mold having a plurality of protrusions formed thereon A second substep for solidifying the first liquid material to form the solid electrolyte layer, and a third substep for separating the solid electrolyte layer and the mold. The separation of each of the plurality of vertical holes in the step 2 is characterized in that the first vertical hole and the second vertical hole are adjacent to each other.

この方法によれば、縦穴の底面及び内壁面に活物質と固体電解質の界面が形成されるため、特許文献2のように、単に平面上に正極薄膜、固体電解質薄膜、負極薄膜を積層していく場合に比べて、単位面積当たりの電池容量を飛躍的に向上させることができる。また、電池として機能する部分の固体電解質の厚みは、隣接する活物質層間の距離によって決まるため、この距離を短くすることで、高い電池出力と良好なサイクル寿命特性が得られる。   According to this method, since the interface between the active material and the solid electrolyte is formed on the bottom surface and the inner wall surface of the vertical hole, a positive electrode thin film, a solid electrolyte thin film, and a negative electrode thin film are simply laminated on a flat surface as in Patent Document 2. Compared with the case where it goes, the battery capacity per unit area can be improved dramatically. Further, since the thickness of the solid electrolyte in the part functioning as a battery is determined by the distance between adjacent active material layers, a high battery output and good cycle life characteristics can be obtained by shortening this distance.

本発明の第2の形態の固体二次電池の製造方法において、前記成形型は、LIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung)法を用いて形成されたものであることが望ましい。   In the method for manufacturing a solid secondary battery according to the second aspect of the present invention, the mold is preferably formed using a LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) method.

この方法によれば、高いアスペクト比の縦穴を形成することができるため、単位面積当たりの電池容量を飛躍的に向上させることができる。また、成形型を用いて縦穴を形成するため、同一の性能を持った固体二次電池を再現性良く作製することができる。   According to this method, since a vertical hole having a high aspect ratio can be formed, the battery capacity per unit area can be dramatically improved. Further, since the vertical holes are formed using the mold, a solid secondary battery having the same performance can be manufactured with good reproducibility.

本発明の第2の形態の固体二次電池の製造方法において、前記第2の副工程を熱処理で行う場合、前記成形型を樹脂で形成し、前記熱処理で前記成形型を焼散させることで、前記第2の副工程と前記第3の副工程を1つの工程として行うことが望ましい。   In the method for manufacturing a solid secondary battery according to the second aspect of the present invention, when the second sub-step is performed by heat treatment, the mold is formed of a resin, and the mold is burned by the heat treatment. It is desirable that the second sub-process and the third sub-process are performed as one process.

この方法によれば、第1の液体材料の固化と成形型の除去を同時に行うことができるので、製造プロセスが簡略化される。   According to this method, the first liquid material can be solidified and the mold can be removed at the same time, so that the manufacturing process is simplified.

本発明の第2の形態の固体二次電池の製造方法において、前記第2の工程は、前記第1活物質層を形成する液体材料を前記第1の縦穴の内部に充填する第4の副工程を含み、前記第3の工程は、前記第2活物質層を形成する液体材料を前記第2の縦穴の内部に充填する第5の副工程を含むことが望ましい。   In the method for manufacturing a solid secondary battery according to the second aspect of the present invention, the second step includes a fourth sub-filling of the liquid material forming the first active material layer into the first vertical hole. Preferably, the third step includes a fifth sub-step of filling the second vertical hole with a liquid material forming the second active material layer.

この方法によれば、第1活物質層と第2活物質層を、それぞれ縦穴を埋めるように縦穴の内部全体に形成することができるため、高い電池出力が得られる。   According to this method, since the first active material layer and the second active material layer can be formed in the entire interior of the vertical hole so as to fill the vertical hole, high battery output can be obtained.

本発明の第2の形態の固体二次電池の製造方法において、前記第4の副工程及び前記第5の副工程において、インクジェット法を用いることが望ましい。   In the method for manufacturing a solid secondary battery according to the second aspect of the present invention, it is desirable to use an inkjet method in the fourth sub-step and the fifth sub-step.

この方法によれば、縦穴の直径が数十μm程度のものでも選択的に且つ効率的に液体材料を充填することができる。   According to this method, even when the diameter of the vertical hole is about several tens of μm, the liquid material can be selectively and efficiently filled.

第1実施形態の固体二次電池の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the solid secondary battery of 1st Embodiment. 図1に続く製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process following FIG. 図2に続く製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process following FIG. 図3に続く製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process following FIG. 図4に続く製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process following FIG. 図5に続く製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process following FIG. 第2実施形態の固体二次電池の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the solid secondary battery of 2nd Embodiment. 図7に続く製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process following FIG. 図8に続く製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process following FIG. 図9に続く製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process following FIG. 図10に続く製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process following FIG. 図11に続く製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process following FIG.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の説明においては、XYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係を説明する。水平面内の所定方向をX軸方向、水平面内においてX軸方向と直交する方向をY軸方向、X軸方向及びY軸方向のそれぞれに直交する方向(すなわち鉛直方向)をZ軸方向とする。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, an XYZ orthogonal coordinate system is set, and the positional relationship of each member will be described with reference to this XYZ orthogonal coordinate system. A predetermined direction in the horizontal plane is defined as the X-axis direction, a direction orthogonal to the X-axis direction in the horizontal plane is defined as the Y-axis direction, and a direction orthogonal to the X-axis direction and the Y-axis direction (that is, the vertical direction) is defined as the Z-axis direction.

図1〜図6は、本発明の第1実施形態の固体二次電池の製造方法の説明図である。本実施形態では、まず、図1に示すように、基材10の表面に複数の柱状の突起11が形成された成形型Aを用意する。成形型Aは、例えば、板状の基材10上に板面と垂直な複数の円柱状の突起11を備えたものである。突起11は、X方向及びY方向にそれぞれ一定の間隔で周期的に配置されている。本実施形態の場合、突起11の高さは1200μmであり、突起11の直径は120μmであり、突起11の間隔(円柱の中心同士の間隔)は180μmである。   1-6 is explanatory drawing of the manufacturing method of the solid secondary battery of 1st Embodiment of this invention. In the present embodiment, first, as shown in FIG. 1, a mold A in which a plurality of columnar protrusions 11 are formed on the surface of a base material 10 is prepared. The mold A includes, for example, a plurality of columnar protrusions 11 perpendicular to the plate surface on a plate-like base material 10. The protrusions 11 are periodically arranged at regular intervals in the X direction and the Y direction. In the present embodiment, the height of the protrusion 11 is 1200 μm, the diameter of the protrusion 11 is 120 μm, and the distance between the protrusions 11 (the distance between the centers of the cylinders) is 180 μm.

成形型Aは、例えばLIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung)法を用いて形成される。LIGA法は、X線リソグラフィと電鋳およびモールディングを組み合わせ、アスペクト比の大きな微細な形状を作製する方法である。具体的には、厚さ100μm以上のレジストに直進性の良いシンクロトロン放射光装置から発生するX線を照射し、X線マスクを介してパターンを転写することにより、100μm以上の深さ(高さ)で横方向に任意の形状を持った超精密部品を製造するものである。シンクロトロン放射光の代わりに、紫外光でレジストパターンを形成するUV−LIGA法も知られており、LIGA法やUV−LIGA法で作製された形状を原型として複製型を作製し、電鋳物を形成する方法も知られている。   The mold A is formed using, for example, a LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) method. The LIGA method is a method for producing a fine shape having a large aspect ratio by combining X-ray lithography, electroforming, and molding. Specifically, a resist having a thickness of 100 μm or more is irradiated with X-rays generated from a synchrotron radiation apparatus having good straightness, and a pattern is transferred through an X-ray mask to obtain a depth (higher than 100 μm). In this way, ultra-precision parts having an arbitrary shape in the lateral direction are manufactured. A UV-LIGA method is also known in which a resist pattern is formed with ultraviolet light instead of synchrotron radiation. Methods of forming are also known.

LIGA法で成形型Aを作成する場合、例えば、金属基板上に厚さ1200μmのレジスト層(ポリメチルメタクリレート(PMMA))を形成し、シンクロトロン放射光(X線)を照射し、マスク上のX線吸収体のパターンをレジスト層に転写する。レジスト層のX線露光部分は、高分子の連鎖が切れて分子量が減少し現像液に溶解する。未露光部分は変化せずにそのまま残る。この結果、X線吸収体のパターンと同一形状のレジストの微細構造体が形成される。   When forming the mold A by the LIGA method, for example, a resist layer (polymethyl methacrylate (PMMA)) having a thickness of 1200 μm is formed on a metal substrate, irradiated with synchrotron radiation (X-rays), and then on the mask. The pattern of the X-ray absorber is transferred to the resist layer. In the X-ray exposed portion of the resist layer, the polymer chain is broken, the molecular weight is reduced, and the resist layer is dissolved in the developer. The unexposed part remains unchanged. As a result, a resist fine structure having the same shape as the pattern of the X-ray absorber is formed.

次に、めっきによって、レジスト層の溶解した部分に金属(例えば、ニッケル)を堆積させ金属構造体を作製する(電鋳)。そして、未露光部分のレジスト層を除去し、前記金属構造体からなる金型(モールド)を作製する。この金型は、成形型Aの突起11に対応した高アスペクト比の縦穴を有する板状体である。この金型に樹脂を鋳込み、成形型Aを作製する。   Next, metal (for example, nickel) is deposited on the dissolved portion of the resist layer by plating to produce a metal structure (electroforming). Then, the unexposed portion of the resist layer is removed to produce a mold (mold) made of the metal structure. This mold is a plate-like body having a high aspect ratio vertical hole corresponding to the projection 11 of the mold A. Resin is cast into the mold to form a mold A.

成形型Aを作製したら、図2に示すように、成形型Aの突起11が形成された面に正極活物質のゾルを塗布し、該ゾルを固化して成形型Aを除去する(ゾルゲル法)。これにより、正極活物質からなる板状の正極活物質層(第1活物質層)12が得られる。   After forming the mold A, as shown in FIG. 2, a positive electrode active material sol is applied to the surface of the mold A on which the protrusions 11 are formed, and the sol is solidified to remove the mold A (sol-gel method). ). Thereby, a plate-like positive electrode active material layer (first active material layer) 12 made of the positive electrode active material is obtained.

なお、成形型Aとして、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等の樹脂を用いた場合、ゾルを固化するための高温の熱処理によって成形型Aは焼散するので、成形型Aを除去するための新たな工程は不要である。   When a resin such as polymethyl methacrylate (PMMA) is used as the mold A, the mold A is burned out by a high-temperature heat treatment for solidifying the sol, so that a new mold for removing the mold A can be obtained. No process is required.

正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMn)、チタン酸リチウム(LiTi12)等を用いることができる。例えば、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いた場合には、ゾル原料として、水酸化リチウム(または酢酸リチウム)、酢酸コバルト、酢酸をイソプロピルアルコール(またはメタノール、エタノール)に溶解させた溶液を用いることができる。正極活物質としてニッケル酸リチウムを用いた場合には、ゾル原料として、水酸化リチウム(または酢酸リチウム)、酢酸ニッケル、酢酸をイソプロピルアルコール(またはメタノール、エタノール)に溶解させた溶液を用いることができる。正極活物質としてマンガン酸リチウムを用いた場合には、ゾル原料として、水酸化リチウム(または酢酸リチウム)、酢酸マンガン、酢酸、クエン酸をイソプロピルアルコール(またはメタノール、エタノール)に溶解させた溶液を用いることができる。正極活物質としてチタン酸リチウムを用いた場合には、ゾル原料として、水酸化リチウム(または酢酸リチウム)、チタン酸イソプロピル、酢酸をイソプロピルアルコール(またはメタノール、エタノール)に溶解させた溶液を用いることができる。 As the positive electrode active material, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), or the like can be used. For example, when lithium cobaltate is used as the positive electrode active material, a solution in which lithium hydroxide (or lithium acetate), cobalt acetate, and acetic acid are dissolved in isopropyl alcohol (or methanol, ethanol) is used as the sol raw material. Can do. When lithium nickelate is used as the positive electrode active material, a solution in which lithium hydroxide (or lithium acetate), nickel acetate, and acetic acid are dissolved in isopropyl alcohol (or methanol, ethanol) can be used as the sol raw material. . When lithium manganate is used as the positive electrode active material, a solution in which lithium hydroxide (or lithium acetate), manganese acetate, acetic acid, and citric acid are dissolved in isopropyl alcohol (or methanol, ethanol) is used as the sol raw material. be able to. When lithium titanate is used as the positive electrode active material, a solution in which lithium hydroxide (or lithium acetate), isopropyl titanate, and acetic acid are dissolved in isopropyl alcohol (or methanol or ethanol) is used as the sol raw material. it can.

図3は、成形型Aを除去した後の正極活物質層12の断面図である。正極活物質層12は、表面に成形型Aの複数の突起11に対応した複数の縦穴12Hを有する。縦穴12Hは、X方向及びY方向に一定の間隔で周期的に配置されている。   FIG. 3 is a cross-sectional view of the positive electrode active material layer 12 after the mold A is removed. The positive electrode active material layer 12 has a plurality of vertical holes 12H corresponding to the plurality of protrusions 11 of the mold A on the surface. The vertical holes 12H are periodically arranged at regular intervals in the X direction and the Y direction.

正極活物質層12を作製したら、図4に示すように、正極活物質層12の縦穴12Hが形成された面に接して固体電解質を配置し、正極活物質層12の上面12a、縦穴12Hの底面12b及び内壁面12cを覆う薄膜状の固体電解質層13を形成する。   When the positive electrode active material layer 12 is produced, as shown in FIG. 4, a solid electrolyte is disposed in contact with the surface of the positive electrode active material layer 12 where the vertical holes 12H are formed, and the upper surface 12a of the positive electrode active material layer 12 and the vertical holes 12H A thin-film solid electrolyte layer 13 covering the bottom surface 12b and the inner wall surface 12c is formed.

固体電解質層13の形成方法としては高アスペクト比の縦穴12Hの底面及び内壁面に均一な厚みの薄膜を形成できるものであれば、どのようなものでも良い。例えば、CVD法等の気相堆積法やゾルゲル法などを用いることができる。ゾルゲル法で形成する場合には固体電解質としてLi0.35La0.55TiOを用いることができる。ゾル原料としては、水酸化リチウム(または酢酸リチウム)、酢酸ランタン、チタン酸イソプロピル、酢酸をイソプロピルアルコール(またはメタノール、エタノール)に溶解させた溶液を用いることができる。 The solid electrolyte layer 13 may be formed by any method as long as a thin film having a uniform thickness can be formed on the bottom surface and inner wall surface of the high aspect ratio vertical hole 12H. For example, a vapor deposition method such as a CVD method or a sol-gel method can be used. When formed by the sol-gel method, Li 0.35 La 0.55 TiO 3 can be used as the solid electrolyte. As a sol raw material, a solution in which lithium hydroxide (or lithium acetate), lanthanum acetate, isopropyl titanate, and acetic acid are dissolved in isopropyl alcohol (or methanol, ethanol) can be used.

固体電解質層13は、厚みが例えば100nm〜1μmの薄膜状に形成される。そのため、固体電解質層13によって縦穴12Hが埋没することはない。   The solid electrolyte layer 13 is formed in a thin film shape with a thickness of, for example, 100 nm to 1 μm. Therefore, the vertical hole 12H is not buried by the solid electrolyte layer 13.

固体電解質層13を形成したら、図5に示すように、固体電解質層13の正極活物質層12上で露出する部位をと接して負極活物質層(第2活物質層)14を形成する。負極活物質層14は、縦穴12Hの底面及び内壁面に形成された固体電解質層13を覆って、正極活物質層12の上面全体を覆うように形成される。負極活物質層14と正極活物質層12とは互いに接することなく、負極活物質層14と正極活物質層12との間に固体電解質層13を挟持する。   After the solid electrolyte layer 13 is formed, a negative electrode active material layer (second active material layer) 14 is formed in contact with the exposed portion of the solid electrolyte layer 13 on the positive electrode active material layer 12 as shown in FIG. The negative electrode active material layer 14 is formed so as to cover the entire upper surface of the positive electrode active material layer 12 while covering the solid electrolyte layer 13 formed on the bottom surface and inner wall surface of the vertical hole 12H. The negative electrode active material layer 14 and the positive electrode active material layer 12 are not in contact with each other, and the solid electrolyte layer 13 is sandwiched between the negative electrode active material layer 14 and the positive electrode active material layer 12.

負極活物質層14の形成方法としては、高アスペクト比の縦穴12Hの底面及び内壁面に負極活物質を配置できるものであれば、どのようなものでも良い。例えば、CVD法等の気相堆積法や、ゾルゲル法或いはインクジェット法等の液体プロセスを用いることができる。液体プロセスを用いた場合には、縦穴12Hの内部を埋めるように厚い負極活物質層を形成できるので、望ましい。   The negative electrode active material layer 14 may be formed by any method as long as the negative electrode active material can be disposed on the bottom surface and inner wall surface of the high aspect ratio vertical hole 12H. For example, a vapor deposition method such as a CVD method, or a liquid process such as a sol-gel method or an inkjet method can be used. When a liquid process is used, it is desirable because a thick negative electrode active material layer can be formed so as to fill the inside of the vertical hole 12H.

液体プロセスで負極活物質層14を形成する場合には、負極活物質として、リチウムや、リチウムを固溶しかつ低融点の金属(インジウム、スズ、ウッドメタルなど)を用いることができる。これらの材料は融点が低いので、溶融して液体材料としてから固体電解質層13上に塗布することができる。   When the negative electrode active material layer 14 is formed by a liquid process, lithium or a metal having a low melting point (such as indium, tin, or wood metal) that dissolves lithium can be used as the negative electrode active material. Since these materials have a low melting point, they can be applied to the solid electrolyte layer 13 after being melted to form a liquid material.

負極活物質としては、チタン酸リチウム(LiTi12)を用いることもできる。この場合、ゾルゲル法で形成することになるが、ゾル原料としては、水酸化リチウム(または酢酸リチウム)、チタン酸イソプロピル、酢酸をイソプロピルアルコール(またはメタノール、エタノール)に溶解させた溶液を用いることができる。この材料は標準電極電位が低いので、負極としても使えるというメリットがある。 As the negative electrode active material, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) can also be used. In this case, it is formed by a sol-gel method. As the sol raw material, a solution in which lithium hydroxide (or lithium acetate), isopropyl titanate, and acetic acid are dissolved in isopropyl alcohol (or methanol, ethanol) is used. it can. Since this material has a low standard electrode potential, it can be used as a negative electrode.

液体プロセスで負極活物質層14を形成した場合、負極活物質層14は縦穴12Hの内部を埋めるように形成される。そのため、負極活物質層14は、固体電解質を介して縦穴12Hの内部に埋め込まれた柱状の構造体を有するものとなる。   When the negative electrode active material layer 14 is formed by a liquid process, the negative electrode active material layer 14 is formed so as to fill the inside of the vertical hole 12H. Therefore, the negative electrode active material layer 14 has a columnar structure embedded in the vertical hole 12H via a solid electrolyte.

負極活物質層14を形成したら、図6に示すように、必要に応じて、正極活物質層12の裏面(縦穴12Hが形成された面とは反対側の面)に正極集電層15と正極配線層(図示略)を形成し、負極活物質層14の表面(固体電解質層13と接する面とは反対側の面)に負極集電層16と負極配線層(図示略)を形成する。これにより、固体二次電池1が完成する。   When the negative electrode active material layer 14 is formed, as shown in FIG. 6, a positive electrode current collecting layer 15 and a positive electrode active material layer 12 are formed on the back surface of the positive electrode active material layer 12 (the surface opposite to the surface on which the vertical holes 12H are formed) as necessary. A positive electrode wiring layer (not shown) is formed, and a negative electrode current collecting layer 16 and a negative electrode wiring layer (not shown) are formed on the surface of the negative electrode active material layer 14 (the surface opposite to the surface in contact with the solid electrolyte layer 13). . Thereby, the solid secondary battery 1 is completed.

本実施形態の固体二次電池1によれば、縦穴12Hの底面12b及び内壁面12cに活物質と固体電解質の界面が形成されるため、特許文献2のように、単に平面上に正極薄膜、固体電解質薄膜、負極薄膜を積層していく場合に比べて、単位面積当たりの電池容量を飛躍的に向上させることができる。また、固体電解質は縦穴の底面及び内壁面に沿って薄膜状に形成されるため、活物質と固体電解質との界面接触が良好であり、且つ、固体電解質の厚さを小さくすることができるので、高い電池出力と良好なサイクル寿命特性が得られる。   According to the solid secondary battery 1 of the present embodiment, since the interface between the active material and the solid electrolyte is formed on the bottom surface 12b and the inner wall surface 12c of the vertical hole 12H, as in Patent Document 2, the positive electrode thin film is simply formed on the plane, The battery capacity per unit area can be dramatically improved as compared with the case where the solid electrolyte thin film and the negative electrode thin film are laminated. Further, since the solid electrolyte is formed in a thin film shape along the bottom surface and inner wall surface of the vertical hole, the interface contact between the active material and the solid electrolyte is good, and the thickness of the solid electrolyte can be reduced. High battery output and good cycle life characteristics can be obtained.

なお、本実施形態の固体二次電池1では、縦穴12HのZ方向から見た平面形状を円形とし、縦穴12HをX方向とY方向に周期的に配置したが、縦穴12Hの平面形状はこれに限らず、種々の形状をとることができる。例えば、縦穴12Hの平面形状を正方形とし、隣接する縦穴同士の間隔を可能な範囲で短くすることで、縦穴の内壁面の面積を最大限広げることもできる。この場合、固体電解質と活物質との接触界面が大きくなるので、大容量の固体二次電池が提供できる。また、縦穴12Hの平面形状を正六角形とし、六角柱状の縦穴12Hが正極活物質層12の表面に最密充填されるようにしても良い。この場合も、同じような効果が得られる。   In the solid secondary battery 1 of the present embodiment, the planar shape of the vertical hole 12H viewed from the Z direction is circular, and the vertical holes 12H are periodically arranged in the X direction and the Y direction. Not limited to this, it can take various shapes. For example, the area of the inner wall surface of the vertical hole can be maximized by making the planar shape of the vertical hole 12H square and shortening the interval between adjacent vertical holes as much as possible. In this case, since the contact interface between the solid electrolyte and the active material becomes large, a large-capacity solid secondary battery can be provided. Alternatively, the planar shape of the vertical hole 12H may be a regular hexagon, and the vertical hole 12H having a hexagonal column shape may be packed closest to the surface of the positive electrode active material layer 12. In this case, the same effect can be obtained.

また、本実施形態の固体二次電池1では、正極活物質を活物質層12の材料として用いたが、負極活物質を活物質層12の材料として用いることもできる。この場合、負極活物質のゾルを成形型Aに塗布し、該ゾルを固化して負極活物質層を形成する。そして、負極活物質層に形成された縦穴の底面及び内壁面を覆って薄膜状の固体電解質層を形成し、固体電解質層の負極活物質層上で露出する部位を覆って正極活物質層を形成する。正極活物質層は、薄膜状に形成しても良いし、縦穴の内部を埋めるように、固体電解質層を介して縦穴の内部全体に充填されても良い。この構成によっても、固体電解質と活物質との接触界面を大きくすることができるので、大容量且つ高出力の固体二次電池がえられる。   Further, in the solid secondary battery 1 of the present embodiment, the positive electrode active material is used as the material of the active material layer 12, but the negative electrode active material can also be used as the material of the active material layer 12. In this case, a negative electrode active material sol is applied to the mold A, and the sol is solidified to form a negative electrode active material layer. Then, a thin-film solid electrolyte layer is formed covering the bottom surface and inner wall surface of the vertical hole formed in the negative electrode active material layer, and a portion exposed on the negative electrode active material layer of the solid electrolyte layer is covered with the positive electrode active material layer. Form. The positive electrode active material layer may be formed in a thin film shape, or may be filled in the entire inside of the vertical hole through the solid electrolyte layer so as to fill the inside of the vertical hole. Also with this configuration, since the contact interface between the solid electrolyte and the active material can be increased, a large capacity and high output solid secondary battery can be obtained.

図7〜図12は、本発明の第2実施形態の固体二次電池の製造方法の説明図である。本実施形態では、まず、図7に示すように、基材20の表面に複数の柱状の突起21が形成された成形型Bを用意する。成形型Bは、例えば、板状の基材20上に板面と垂直な複数の円柱状の突起21を備えたものである。突起21は、X方向及びY方向にそれぞれ一定の間隔で周期的に配置されている。本実施形態の場合、突起21の高さは1200μmであり、突起21の直径は60μmであり、突起21の間隔(円柱の中心同士の間隔)は120μmである。成形型Bは、例えばLIGA法を用いて形成される。   7-12 is explanatory drawing of the manufacturing method of the solid secondary battery of 2nd Embodiment of this invention. In the present embodiment, first, as shown in FIG. 7, a forming die B in which a plurality of columnar protrusions 21 are formed on the surface of the base material 20 is prepared. The molding die B includes, for example, a plurality of columnar protrusions 21 perpendicular to the plate surface on a plate-like base material 20. The protrusions 21 are periodically arranged at regular intervals in the X direction and the Y direction. In the present embodiment, the height of the protrusion 21 is 1200 μm, the diameter of the protrusion 21 is 60 μm, and the distance between the protrusions 21 (the distance between the centers of the cylinders) is 120 μm. The mold B is formed using, for example, the LIGA method.

そして、図8に示すように、成形型Bの突起21が形成された面に固体電解質のゾルを塗布し、該ゾルを固化して成形型Bを除去する(ゾルゲル法)。これにより、固体電解質からなる板状の固体電解質層22が得られる。固体電解質としては、前述したLi0.35La0.55TiO等を用いることができる。 Then, as shown in FIG. 8, a solid electrolyte sol is applied to the surface of the mold B on which the projections 21 are formed, and the sol is solidified to remove the mold B (sol-gel method). Thereby, a plate-like solid electrolyte layer 22 made of a solid electrolyte is obtained. As the solid electrolyte, the aforementioned Li 0.35 La 0.55 TiO 3 or the like can be used.

なお、成形型Bとして、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等の樹脂を用いた場合、ゾルを固化するための高温の熱処理によって成形型Bは焼散するので、成形型Bを除去するための新たな工程は不要である。   When a resin such as polymethyl methacrylate (PMMA) is used as the mold B, the mold B is burned out by a high-temperature heat treatment for solidifying the sol, so that a new mold for removing the mold B can be obtained. No process is required.

図9は、成形型Bを除去した後の固体電解質層22の断面図である。固体電解質層22は、表面に成形型Bの複数の突起21に対応して形成された複数の縦穴22Hを有する。
縦穴22Hは、X方向及びY方向に一定の間隔で周期的に配置されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the solid electrolyte layer 22 after the mold B is removed. The solid electrolyte layer 22 has a plurality of vertical holes 22H formed on the surface corresponding to the plurality of protrusions 21 of the mold B.
The vertical holes 22H are periodically arranged at regular intervals in the X direction and the Y direction.

固体電解質層22を作製したら、図10に示すように、複数の縦穴22Hのうちの一部の縦穴に正極活物質を配置し、該縦穴22Hの底面及び内壁面に接して正極活物質層(第1活物質層)23を形成する。また、図11に示すように、負極活物質層23が形成された縦穴以外の縦穴22Hに負極活物質を配置し、該縦穴22Hの底面及び内壁面に接して負極活物質層(第2活物質層)24を形成する。   When the solid electrolyte layer 22 is produced, as shown in FIG. 10, a positive electrode active material is disposed in a part of the plurality of vertical holes 22H, and the positive electrode active material layer ( First active material layer) 23 is formed. In addition, as shown in FIG. 11, a negative electrode active material is disposed in a vertical hole 22H other than the vertical hole in which the negative electrode active material layer 23 is formed, and is in contact with the bottom surface and inner wall surface of the vertical hole 22H. Material layer) 24 is formed.

活物質層23,24の形成方法としては、高アスペクト比の縦穴22Hの底面及び内壁面に活物質を配置できるものであれば、どのようなものでも良い。例えば、CVD法等の気相堆積法や、ゾルゲル法或いはインクジェット法等の液体プロセスを用いることができる。液体プロセスを用いた場合には、縦穴22Hの内部を埋めるように厚い活物質層を形成できるので、望ましい。特にインクジェット法を用いた場合には、吐出する液体材料の位置や量を精密に制御することができるため、正極活物質と負極活物質の塗りわけを確実に行うことができる。   The active material layers 23 and 24 may be formed by any method as long as the active material can be disposed on the bottom surface and the inner wall surface of the high aspect ratio vertical hole 22H. For example, a vapor deposition method such as a CVD method, or a liquid process such as a sol-gel method or an inkjet method can be used. When a liquid process is used, a thick active material layer can be formed so as to fill the inside of the vertical hole 22H, which is desirable. In particular, when the inkjet method is used, the position and amount of the liquid material to be discharged can be precisely controlled, so that the positive electrode active material and the negative electrode active material can be reliably applied.

ゾルゲル法で活物質層23を形成する場合には、正極活物質及び負極活物質として、前述のものを用いることができる。すなわち、正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMn)、チタン酸リチウム(LiTi12)等を用いることができ、負極活物質としては、チタン酸リチウム(LiTi12)等を用いることができる。 When the active material layer 23 is formed by the sol-gel method, the above-described materials can be used as the positive electrode active material and the negative electrode active material. That is, as the positive electrode active material, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), or the like is used. In addition, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) or the like can be used as the negative electrode active material.

正極活物質層23と負極活物質層24は、どちらを先に形成してもよく、両方同時に形成することもできる。正極活物質層23と負極活物質層34は、X方向とY方向の双方において交互に且つ周期的に配置される。   Either the positive electrode active material layer 23 or the negative electrode active material layer 24 may be formed first, or both may be formed simultaneously. The positive electrode active material layer 23 and the negative electrode active material layer 34 are alternately and periodically disposed in both the X direction and the Y direction.

正極活物質層23と負極活物質層24を形成したら、図12に示すように、必要に応じて、正極活物層23の縦穴22Hから露出する部分に正極集電層25と正極配線層(図示略)を形成し、負極活物質層14の縦穴22Hから露出する部分に負極集電層26と負極配線層(図示略)を形成する。これにより、固体二次電池2が完成する。   When the positive electrode active material layer 23 and the negative electrode active material layer 24 are formed, as shown in FIG. 12, the positive electrode current collecting layer 25 and the positive electrode wiring layer ( A negative current collecting layer 26 and a negative electrode wiring layer (not shown) are formed in a portion exposed from the vertical hole 22H of the negative electrode active material layer 14. Thereby, the solid secondary battery 2 is completed.

本実施形態の固体二次電池2によれば、縦穴22Hの底面及び内壁面に活物質と固体電解質の界面が形成されるため、特許文献2のように、単に平面上に正極薄膜、固体電解質薄膜、負極薄膜を積層していく場合に比べて、単位面積当たりの電池容量を飛躍的に向上させることができる。また、電池として機能する部分の固体電解質の厚みは、隣接する活物質層間の距離によって決まるため、この距離を短くすることで、高い電池出力と良好なサイクル寿命特性が得られる。   According to the solid secondary battery 2 of the present embodiment, since the interface between the active material and the solid electrolyte is formed on the bottom surface and the inner wall surface of the vertical hole 22H, as in Patent Document 2, the positive electrode thin film and the solid electrolyte are simply formed on a flat surface. Compared with the case where a thin film and a negative electrode thin film are laminated, the battery capacity per unit area can be dramatically improved. Further, since the thickness of the solid electrolyte in the part functioning as a battery is determined by the distance between adjacent active material layers, a high battery output and good cycle life characteristics can be obtained by shortening this distance.

なお、本実施形態の固体二次電池2では、縦穴22HのZ方向から見た平面形状を円形とし、縦穴22HをX方向とY方向に周期的に配置したが、縦穴22Hの平面形状はこれに限らず、種々の形状をとることができる。例えば、縦穴22Hの平面形状を正方形とし、隣接する縦穴同士の間隔を可能な範囲で短くすることで、縦穴の内壁面の面積を最大限広げることもできる。この場合、固体電解質と活物質との接触界面が大きくなるので、大容量の固体二次電池が提供できる。また、縦穴22Hの平面形状を正六角形とし、六角柱状の縦穴22Hが固体電解質層22の表面に最密充填されるようにしても良い。この場合も、同じような効果が得られる。   In the solid secondary battery 2 of the present embodiment, the planar shape of the vertical hole 22H viewed from the Z direction is circular, and the vertical holes 22H are periodically arranged in the X direction and the Y direction. Not limited to this, it can take various shapes. For example, the area of the inner wall surface of the vertical hole can be maximized by making the planar shape of the vertical hole 22H square and shortening the interval between adjacent vertical holes as much as possible. In this case, since the contact interface between the solid electrolyte and the active material becomes large, a large-capacity solid secondary battery can be provided. Alternatively, the planar shape of the vertical hole 22H may be a regular hexagon, and the hexagonal columnar vertical hole 22H may be packed closest to the surface of the solid electrolyte layer 22. In this case, the same effect can be obtained.

1,2…固体二次電池、11…突起、12…正極活物質層(第1活物質層)、12H…縦穴、13…固体電解質層、14…負極活物質層(第2活物質層)、21…突起、22…固体電解質層、22H…縦穴、23…正極活物質層(第1活物質層)、24…負極活物質層(第2活物質層)、A,B…成形型 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Solid secondary battery, 11 ... Protrusion, 12 ... Positive electrode active material layer (1st active material layer), 12H ... Vertical hole, 13 ... Solid electrolyte layer, 14 ... Negative electrode active material layer (2nd active material layer) , 21 ... projection, 22 ... solid electrolyte layer, 22H ... vertical hole, 23 ... positive electrode active material layer (first active material layer), 24 ... negative electrode active material layer (second active material layer), A, B ... mold

Claims (3)

第1の面に複数の第1の縦穴及び複数の第2の縦穴を有する固体電解質層と、
前記複数の第1の縦穴の各々の内部を埋めた第1活物質と、
前記複数の第2の縦穴の各々の内部を埋めた第2活物質と、
複数の前記第1活物質を接続した第1電極と、
複数の前記第2活物質を接続した第2電極と、を含み、
前記複数の第1の縦穴は、前記固体電解質層が露出した底面及び内壁面で囲まれ、
前記複数の第2の縦穴は、前記固体電解質層が露出した底面及び内壁面で囲まれる
ことを特徴とする固体二次電池。
A solid electrolyte layer having a plurality of first vertical holes and a plurality of second vertical holes on a first surface;
A first active material filling the interior of each of the plurality of first vertical holes;
A second active material filling the inside of each of the plurality of second vertical holes;
A first electrode connecting a plurality of the first active materials;
A second electrode connected a plurality of the second active material, only including,
The plurality of first vertical holes are surrounded by a bottom surface and an inner wall surface where the solid electrolyte layer is exposed,
The solid secondary battery, wherein the plurality of second vertical holes are surrounded by a bottom surface and an inner wall surface where the solid electrolyte layer is exposed .
前記複数の第1の縦穴の各々と前記複数の第2の縦穴の各々とが交互に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の固体二次電池。   2. The solid secondary battery according to claim 1, wherein each of the plurality of first vertical holes and each of the plurality of second vertical holes are alternately arranged. 前記第1活物質及び前記第2活物質のいずれか一方が正極側の活物質として機能し、いずれか他方が負極側の活物質として機能することを特徴とする請求項1又は2に記載の固体二次電池。   3. The device according to claim 1, wherein one of the first active material and the second active material functions as an active material on the positive electrode side, and the other functions as an active material on the negative electrode side. Solid secondary battery.
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