JP5825883B2 - 薄膜リチウム二次電池形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜リチウム二次電池を一貫装置によりドライな環境で生産する技術に関するものである。

リチウム二次電池は、携帯電話やノートパソコンの充電池として広く用いられているが、電解液の液漏れが起こらない固体電解質を用いたリチウム二次電池が注目されている。
リチウム二次電池を構成するリチウムは、水分と反応し易いので、露点温度が−５０℃程度のドライルームの中に製造装置を配置し、作業員は防護服を着て製造している。

基板が移動する移動室を同一雰囲気のボックスで繋いで構成すると、ドライルーム等は不要になるが、処理装置毎に区切られていない。生産中に一つの処理装置にトラブルが発生した場合に、トラブルが発生した処理装置をメンテナンスするために大気に曝すと、他の処理装置で処理した基板も大気に曝されるという問題点があった。

特開２００８−２８２７３１号公報

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、リチウム二次電池の生産において、移動室内部に希ガスを導入してドライな環境でリチウム二次電池を形成する技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、リチウムを含む金属から成る正電極膜と、前記正電極膜と接触する正極集電体膜と、前記正電極膜の上に配置されリチウムを含む固体電解質から成る固体電解質膜と、前記固体電解質膜の上に配置された負電極膜と、前記負電極膜と接触する負極集電体膜と、を有する薄膜リチウム二次電池を製造する薄膜リチウム二次電池形成装置であって、長手方向を有する形状に形成された移動室と、前記移動室の前記長手方向の一端と他端に、それぞれ設けられ、大気と前記移動室との間に接続と遮断が可能な搬入室と搬出室と、前記移動室内に配置され、前記搬入室側を上流とし、前記搬出室側を下流として、前記移動室に搬入された基板を前記上流から前記下流へ移動させる移動機構と、を有し、前記移動室には、前記搬入室側から、前記搬出室側に向けて、固体電解質膜を形成する固体電解質膜形成装置と、前記負電極膜を形成する負電極膜形成装置とがこの順序で接続され、前記固体電解質膜形成装置と前記負電極膜形成装置とが接続された部分の前記移動室の部分は、開閉可能な仕切装置によって気密にされるように構成され、前記固体電解質膜形成装置及び前記負電極膜形成装置と前記移動室の間には仕込取出室が設けられ、前記移動室の内部に希ガスを導入し、前記移動室の内部を希ガス雰囲気にするガス導入装置が接続された薄膜リチウム二次電池形成装置である。
また、本発明は、前記搬入室と、前記搬出室と、前記仕込取出室とには、前記ガス導入装置が導入する希ガスと同じ希ガスを導入するガス導入系が接続された薄膜リチウム二次電池形成装置である。
また、本発明は、前記移動室には、前記ガス導入装置が導入した希ガスを前記移動室から排出するガス排出装置が接続された薄膜リチウム二次電池形成装置である。
また、本発明は、前記ガス排出装置と前記ガス導入装置との間に、前記ガス排出装置から排出された希ガスを前記ガス導入装置に戻す循環装置が設けられた薄膜リチウム二次電池形成装置である。
また、本発明は、前記希ガスは露点温度−５０℃以下のアルゴンである薄膜リチウム二次電池形成装置である。
また、本発明は、前記移動室の前記搬入室と前記搬出室の間の位置には、前記移動室内の前記基板を搬出する搬出入室が設けられた薄膜リチウム二次電池形成装置である。

本発明により、リチウム二次電池を製造するときに、リチウムを大気に曝さずに済み、ドライな雰囲気内でリチウム二次電池を一貫して生産できる。

リチウム二次電池一貫装置の構成図 リチウム二次電池量産装置の構成図 （ａ）：薄膜リチウム二次電池の平面図（ｂ）：薄膜リチウム二次電池のＡ−Ａ’裁断断面図

図１の符号１は、薄膜リチウム二次電池が製造できるリチウム二次電池一貫装置であり、細長の移動室２を有している。
移動室２の側面には、正極集電体膜形成装置７と、正電極膜形成装置８と、電解質膜形成装置９と、負極集電体膜形成装置１０と、負電極膜形成装置１１と、保護膜形成装置１２とが、第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆を介して、接続されており、移動室２の各装置９〜１２の接続部分と、移動室２の両端の部分には、それぞれ、仕切装置８３が設けられ、区切られている。
移動室２の長手方向の一端には、仕切装置８３を介して搬入室３１が接続されており、他端には、同様に、仕切装置８３を介して搬出室３２が接続されている。
搬入室３１と大気の間には入口扉８１が設けられ、搬出室３２と大気の間には出口扉８２が設けられている。

移動室２内には、不図示の移動機構が配置されており、移動室２の内部で基板を移動させることができる。
仕切装置８３は、移動室２内の上流側から下流側に沿って複数設けられているから、移動室２内を入口扉８１と出口扉８２の間で複数の領域に直列に区分けされている。

仕切装置８３は、真空バルブであり、開閉可能に構成されおり、当該仕切装置８３の上流側の領域と下流側の領域とを接続し、又は遮断するように構成されている。仕切装置８３のうち、最上流に位置する仕切装置８３と、入口扉８１に挟まれた部分が搬入室３１であり、また、基板の搬送方向の最下流に位置する仕切装置８３と出口扉８２の間が搬出室３２である。

搬入室３１と搬出室３２との間の移動室２の部分には、移動室２の内部雰囲気をガス雰囲気にできるガス導入装置５５が接続されている。ここでは、ガスは、露点温度が−６０℃以上−５０℃以下の希ガスであり、アルゴンガスが用いられている。
移動室２内で基板を処理する際には、移動室２の内部は、ガス導入装置５５が導入するアルゴンガスの雰囲気にされている。移動室２の内部に導入されたガスは、ガス排出装置５６によって移動室２から外部へ排出される。また、ガス排出装置５６とガス導入装置５５との間に循環装置（不図示）を設け、ガス排出装置５６から排出された希ガスをガス導入装置５５に戻し、移動室２の内部に導入するようにしても良い。

移動室２の両端の仕切装置８３を閉じ、搬入室３１の内部雰囲気と搬出室３２の内部雰囲気とを、移動室２の内部雰囲気から遮断し、その状態で、入口扉８１と、出口扉８２を開けると、移動室２の内部を所望のガスの雰囲気に維持しながら、搬入室３１の内部雰囲気と搬出室３２の内部雰囲気とを、大気に接続することができる。このとき、大気側から搬入室３１内に基板を搬入し、また、搬出室３１内の基板を大気に搬出することができる。符号７０は搬入した基板であり、符号７１は搬出する基板である。

次いで、入口扉８１と出口扉８２を閉じ、搬入室３１と搬出室３２の内部雰囲気を大気雰囲気と遮断する。
搬入室３１と、搬出室３２には、それぞれ真空排気系５４₁、５４₂と、ガス導入系５１₁、５１₂が接続されており、移動室２の内部雰囲気から遮断した後、真空排気系５４₁、５４₂を動作させて搬入室３１と、搬出室３２との内部雰囲気を真空雰囲気にし、ガス導入系５１₁、５１₂によって搬入室３１と、搬出室３２との内部にガス導入装置５５が導入するガスと同じガスを導入すると、搬入室３１と搬出室３２の内部雰囲気を、移動室２の内部雰囲気と同じガスの雰囲気にすることができる。

搬入室３１と搬出室３２を移動室２と同じガスの雰囲気にすると、搬入室３１から移動室２への基板７０の搬入と、移動室２から搬出室３２への基板の搬出を行うことができる。

移動室２の仕切装置８３で区切られた部分である前室８８〜９２のうち、搬入室３１に最も近い第一前室８８には、正極集電体膜形成装置７と正電極膜形成装置８とが接続されており、第一の前室８８に順番に隣接する第二〜五の前室８９〜９２には、電解質膜形成装置９と、負極集電体膜形成装置１０と、負電極膜形成装置１１と、保護膜形成装置１２とが、この順序でそれぞれ一装置ずつ接続されている。

第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆には、それぞれ真空排気系６１₁〜６１₆と、ガス導入装置５５と同じガスを導入するガス導入系５２₁〜５２₆とがそれぞれ接続されている。

第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆の内部雰囲気をそれぞれ移動室２の内部雰囲気と遮断して、真空排気系６１₁〜６１₆を動作させて第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆の内部雰囲気を真空雰囲気にした後、ガス導入系５２₁〜５２₆を動作させ、第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆の内部雰囲気を移動室２の内部雰囲気と同じ雰囲気にすると、第一〜第五の前室８８〜９２内と第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆内との間で基板を移動させることができる。

各膜形成装置７〜１２には、それぞれ真空排気系５３₁〜５３₆がそれぞれ接続されている。各膜形成装置７〜１２内で基板を処理している間は、移動室２は常圧程度のガス雰囲気に置かれているのに対し、第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆の内部と各膜形成装置７〜１２の内部は真空雰囲気に置かれている。

第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆が移動室２と同じガス雰囲気にするときには、第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆の内部雰囲気は、膜形成装置７〜１２の内部雰囲気から遮断されている。
第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆の、それぞれの内部雰囲気を移動室２の内部雰囲気と遮断し、真空排気系６１₁〜６１₆を動作させると、第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆のそれぞれの内部雰囲気を真空雰囲気にできる。第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆の内部が真空雰囲気になると、それぞれの各膜形成装置７〜１２の内部雰囲気と接続でき、その間で基板を搬送することができる。

その際、各膜形成装置７〜１２では、内部で基板を真空処理して第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆に戻すことができる。
上記リチウム二次電池一貫装置１で基板７０を真空処理する際、移動室２を希ガス雰囲気にし、第一〜第六の仕込取出室２３₁〜２３₆の内部を真空雰囲気にしておく。

次いで、大気が混入せずにそれらの雰囲気を維持するように、搬入室３１の仕切装置８３を開け、搬入室３１内の基板７０を、搬入室３１から移動室２の第一の前室８８に搬入し、開けた仕切装置８３を閉じる。仕切装置８３は基板７０を移動させるときに開閉する。

第一の前室８８内に搬入された基板は、第一の前室８８から、第一の仕込取出室２３₁を介して正極集電体膜形成装置７に移動させ、正極集電体膜形成装置７内で、基板表面に薄膜(正極集電体膜)を形成した後、第一の仕込取出室２３₁を介して、第一の前室８８に戻し、第一の前室８８内を下流側に移動させ、第二の仕込取出室２３₂を介して正電極膜形成装置８に搬入する。
正電極膜形成装置８内では、正極集電体膜形成装置７内で形成された薄膜(正極集電体膜)の表面に、その薄膜と接触させて薄膜(正電極膜)を形成する。

次いで、第二の仕込取出室２３₂を介して第一の前室８８に戻し、第一の前室８８内の下流に移動させる。
第一の前室８８には、アニール室６が接続されており、アニール室６内に基板を搬入し、加熱処理を行う。
加熱処理後基板をアニール室６から第一の前室８８内に戻し、仕切装置８３を開け、基板を第一の前室８８から第二の前室８９に移動させ、第二〜第五の前室に接続された、電解質膜形成装置９と、負極集電体膜形成装置１０と、負電極膜形成装置１１と、保護膜形成装置１２との内部に、この順序で搬入・搬出させ、各室９〜１２内で、電解質膜と、負極集電体膜と、電解質膜と負極集電体膜とに接触する負電極膜と、保護膜をこの順序で形成する。負極集電体膜と正極集電体膜の一部以外の部分は保護膜で覆う。

基板に各薄膜を形成した後、基板を搬出室３２に移動させる。符号７１は、搬出室３２内に移動された基板を示している。次いで、搬出室３２と移動室２(第五の前室９２)との間の仕切装置８３を閉じた後、出口扉８２を開けて基板７１を大気に取り出す。
以上により、正極集電体膜から保護膜を形成するまで、大気に曝さずにリチウム二次電池を製造することができる。

図３(ａ)、(ｂ)に、本発明のリチウム二次電池一貫装置１によって製造されたリチウム二次電池７３を示す。
上記手順により、ガラス、シリコン、又はマイカのいずれかから成る基板４０の表面に正極集電体膜形成装置７によって、ＰｔとＴｉ、又はＣｒいずれかの金属から成る正極集電体膜４１を形成し、正電極膜形成装置８により正極集電体膜４１表面上に、正電極膜４２を形成した。正電極膜４２は、ＬｉＣｏＯ₂膜、ＬｉＮｉＯ₂膜、ＬｉＭｎＯ₂膜、又はＬｉＦｅＰＯ₄膜のうち、いずれか一層から成る薄膜である。

次いで、アニール室６内で表面に正電極膜４２が形成された基板４０をアニールした後、電解質膜形成装置９により、正電極膜４２の表面を覆うようにＬｉＰＯＮから成る電解質膜４３を成膜した。
次に、負極集電体膜形成装置１０により、電解質膜４３の上に、Ｃｕ、又はＮｉのいずれかの金属から成る負極集電体膜４４を、一部が電解質膜４３上に乗るようにして形成し、次いで、負電極膜形成装置１１により、電解質膜４３の上に、Ｌｉを含有する負電極膜４５を、負極集電体膜４４に一部接触させて形成する。ここでは、蒸着法によって形成した。ここでは、負電極膜４５は、リチウムから成る。

次に、保護膜形成装置１２により、負電極膜４５の表面上に保護膜４６を形成し、正極集電体膜４１の一部と、負極集電体膜４４の一部を露出させ、他の部分を保護膜４６によって覆い、薄膜リチウム二次電池７３を形成した。
保護膜４６は、ここでは、Ａｌ₂Ｏ₃膜、Ａｌ膜、Ａｌ₂Ｏ₃膜を、下層からこの順序で積層させた積層膜であるが、ポリ尿素膜を保護膜４６として形成してもよい。
なお、保護膜４６は、金属、又は金属酸化物に限定されず、リチウムから水分を保護すれば有機、又は無機材料でもよい。

また、本発明のリチウム二次電池一貫装置１は、正極集電体膜形成装置７、又は負極集電体膜形成装置１０のいずれか一台を減らしても上述した薄膜リチウム二次電池を形成することができる。

図２の、リチウム二次電池量産装置５０は、図１のリチウム二次電池一貫装置１から正極集電体膜形成装置７を減らした場合の装置であり、このリチウム二次電池量産装置５０は、負極集電体膜形成装置１０が接続された第三の前室９０に、搬出入室３６が接続されている。
この搬出入室３６は、第三の前室９０内部のガス雰囲気を維持しながら、第三の前室９０内と搬出入室３６との間で基板を移動させることができ、更に、第三の前室９０内部のガス雰囲気を維持しながら、搬出入室３６と大気の間で基板を移動させることができるようにされている。

負極集電体膜形成装置１０の内部には、正極集電体膜４１を形成するターゲットと、負極集電体膜４４を形成するターゲットが別々に配置されている。
搬入室３１から搬入した基板は、先ず、正電極膜形成装置８で正電極膜４２を形成する。次いで、基板を負極集電体膜形成装置１０に移動させ、この負極集電体膜形成装置１０によって正極集電体膜４１を形成し、第４の仕込取出室２３₄に移動させる。

搬出入室３６は、負極集電体膜形成装置１０の第４の仕込取出室２３₄と対面する位置に配置されており、移動室２内を上流側に戻すことなく、第４の仕込取出室２３₄から搬出入室３６に移動させ、移動室２内のガス雰囲気を維持しながら、大気に取り出す。
大気に取り出した基板は、搬入室３１から移動室２内に搬入し、アニール室６でアニールした後、電解質膜形成装置９内に移動させ、電解質膜４３を形成する。
電解質膜４３を形成した基板は、負極集電体膜形成装置１０に移動させ、負極集電体膜４４を形成し、次いで、負電極膜形成装置１１と、保護膜形成装置１２とによって、負電極膜４５と保護膜４６とを形成し、リチウム二次電池を構成させて、搬出室３２から大気に取り出す。

このように、上記リチウム二次電池量産装置５０によれば、基板表面に薄膜を形成する際に、搬入室３１から移動室２内に搬入した基板を、搬出入室３６から大気に取り出した後、搬入室３１内に戻し、再度移動室２内を移動させて薄膜を形成することが出来る。
なお、搬出入室３６から、薄膜を形成した基板を搬入するようにすれば、他の薄膜形成室を省略することもできる。要するに、本発明では、移動室２のどの位置にも搬出室(搬出入室３６も含まれる)を設けても、いずれかの膜形成装置７〜１２を省略することができるが、その搬出室は、基板を移動室内で逆流させないように、いずれかの膜形成装置７〜１２と対面した位置がよい。

なお、正極集電体膜４１と負極集電体膜４４が交叉しない形状の場合は、リチウム二次電池一貫装置１から負極集電体膜形成装置１０を減らすことが可能である。図１の配置のリチウム二次電池一貫装置１において、負極集電体膜形成装置１０を設けない場合は、正極集電体膜形成装置７の内部に正極集電体膜４１を形成するターゲットと、負極集電体膜４４を形成するターゲットを配置し、正極集電体膜４１と正電極膜４２とを形成した基板を搬出入室から大気に取り出し、アニールした後、正極集電体膜形成装置７によって、負極集電体膜４４を形成し、電解質膜形成装置９により電解質膜４３を形成した後、負電極膜形成装置１１によってリチウム金属から成る負電極膜４４を形成し、保護膜形成装置１２によって保護膜４６を形成すればよい。

上述したプロセスでは、搬送機構として多数のローラーやベルトが近接して配置されて構成され、搬送機構上を基板が移動するためには、基板をトレイに載せるとよい。

２……移動室
７……正極集電体膜形成装置
８……正電極膜形成装置
９……電解質膜形成装置
１０……負極集電体膜形成装置
１１……負電極膜形成装置
１２……保護膜形成装置
２３₁〜２３₆……第一〜第六の仕込取出室

Claims (6)

1. リチウムを含む金属から成る正電極膜と、
   前記正電極膜と接触する正極集電体膜と、
   前記正電極膜の上に配置されリチウムを含む固体電解質から成る固体電解質膜と、
   前記固体電解質膜の上に配置された負電極膜と、
   前記負電極膜と接触する負極集電体膜と、
   を有する薄膜リチウム二次電池を製造する薄膜リチウム二次電池形成装置であって、
   長手方向を有する形状に形成された移動室と、
   前記移動室の前記長手方向の一端と他端に、それぞれ設けられ、大気と前記移動室との間に接続と遮断が可能な搬入室と搬出室と、
   前記移動室内に配置され、前記搬入室側を上流とし、前記搬出室側を下流として、前記移動室に搬入された基板を前記上流から前記下流へ移動させる移動機構と、を有し、
   前記移動室には、前記搬入室側から、前記搬出室側に向けて、固体電解質膜を形成する固体電解質膜形成装置と、前記負電極膜を形成する負電極膜形成装置とがこの順序で接続され、前記固体電解質膜形成装置と前記負電極膜形成装置とが接続された部分の前記移動室の部分は、開閉可能な仕切装置によって気密にされるように構成され、
   前記固体電解質膜形成装置及び前記負電極膜形成装置と前記移動室の間には仕込取出室が設けられ、
   前記移動室の内部に希ガスを導入し、前記移動室の内部を希ガス雰囲気にするガス導入装置が接続された薄膜リチウム二次電池形成装置。
2. 前記搬入室と、前記搬出室と、前記仕込取出室とには、前記ガス導入装置が導入する希ガスと同じ希ガスを導入するガス導入系が接続された請求項１記載の薄膜リチウム二次電池形成装置。
3. 前記移動室には、前記ガス導入装置が導入した希ガスを前記移動室から排出するガス排出装置が接続された請求項１又は２のいずれか１項記載の薄膜リチウム二次電池形成装置。
4. 前記ガス排出装置と前記ガス導入装置との間に、前記ガス排出装置から排出された希ガスを前記ガス導入装置に戻す循環装置が設けられた請求項３記載の薄膜リチウム二次電池形成装置。
5. 前記希ガスは露点温度−５０℃以下のアルゴンである請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の薄膜リチウム二次電池形成装置。
6. 前記移動室の前記搬入室と前記搬出室の間の位置には、前記移動室内の前記基板を搬出する搬出入室が設けられた請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の薄膜リチウム二次電池形成装置。

Images