JP6362883B2 - Solid ion capacitor and method of manufacturing solid ion capacitor - Google Patents

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Description

本願は固体イオンキャパシタおよび固体イオンキャパシタの製造方法に関する。   The present application relates to a solid ion capacitor and a method of manufacturing the solid ion capacitor.

キャパシタの分野では、従来、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサ、マイカコンデンサ、電解コンデンサ等が開発され使用されている。このうち、電解液を用いた電解コンデンサは容量が大きいという特性等を備え、電源回路の平滑用等に広く用いられている。   In the field of capacitors, film capacitors, ceramic capacitors, mica capacitors, electrolytic capacitors and the like have been developed and used. Among these, electrolytic capacitors using an electrolytic solution have characteristics such as a large capacity, and are widely used for smoothing power supply circuits.

電解コンデンサには、上述したように電解液が使用されているため、使用条件によっては、電解液を長期にわたって確実に容器に保持しておくことが難しい場合がある。電解液の漏洩が生じると、電解コンデンサの容量が低下する等の特性の変化が生じてしまう。   Since the electrolytic solution is used for the electrolytic capacitor as described above, it may be difficult to reliably hold the electrolytic solution in the container for a long period of time depending on the use conditions. When leakage of the electrolytic solution occurs, a change in characteristics such as a decrease in the capacity of the electrolytic capacitor occurs.

このため、電解コンデンサの容量と同じかそれより大きく、固体材料であるキャパシタとして、電解液の代わりにイオン伝導体を用いてコンデンサを実現することが提案され、近年、盛んに研究されている。このような固体材料はイオン伝導体あるいは固体電解質と呼ばれており、特に、水素イオン、リチウムイオン、ナトリウムイオン、酸素イオンなどを伝導させることのできるイオン伝導体が注目されている。これらのイオンを伝導させることのできる固体材料は、燃料電池、二次電池、キャパシタ、水素の生成等、エネルギーの蓄積や変換を行うデバイスに利用可能なためである。例えば、特許文献1は、Li1+X1 XTi2-X(PO43(ただし、M1は、Al、Y、Ga、InおよびLaよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属であり、0≦X≦0.6である)、Na1+γZr2-ββ3-γSiγ12(ただし、0≦γ≦3、0≦β≦2である)、Na1+α4 α5 2-α(PO43(ただし、M4は、AlおよびInより選ばれる少なくとも1種の金属であって、M5は、Ge、Sn、Ti、Zr、およびHfよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属であり、0≦α≦2である)で示される組成を有するイオン伝導体と、スパッタにより形成された金やニッケルなどの電極とを含む電気二重層コンデンサを開示している。 For this reason, it has been proposed to realize a capacitor using an ionic conductor instead of an electrolytic solution as a solid material capacitor that is equal to or larger than the capacity of the electrolytic capacitor, and has been actively studied in recent years. Such a solid material is called an ionic conductor or a solid electrolyte, and in particular, an ionic conductor capable of conducting hydrogen ions, lithium ions, sodium ions, oxygen ions, and the like has attracted attention. This is because a solid material capable of conducting these ions can be used for a device that stores and converts energy, such as a fuel cell, a secondary battery, a capacitor, and hydrogen generation. For example, Patent Document 1 discloses Li 1 + X M 1 X Ti 2-X (PO 4 ) 3 (where M 1 is at least one metal selected from the group consisting of Al, Y, Ga, In, and La). And 0 ≦ X ≦ 0.6), Na 1 + γ Zr 2-β Y β P 3-γ Si γ O 12 (where 0 ≦ γ ≦ 3, 0 ≦ β ≦ 2), Na 1 + α M 4 α M 5 2-α (PO 4 ) 3 (where M 4 is at least one metal selected from Al and In, and M 5 is Ge, Sn, Ti, Zr) , And at least one metal selected from the group consisting of Hf, and 0 ≦ α ≦ 2), and an electrode such as gold or nickel formed by sputtering. An electric double layer capacitor is disclosed.

特開2008−130844号公報JP 2008-130844 A

電解液の代わりにイオン伝導体を用いた電気二重層コンデンサでは、イオン伝導体の誘電率が電気二重層コンデンサの容量に影響する。特許文献1に開示された電気二重層コンデンサでは、従来の電解コンデンサに比べて、十分に大きな容量を備えた電気二重層コンデンサを実現することが難しい。本発明は、大きな容量を備えることが可能な固体イオンキャパシタおよびその製造方法を提供することを目的とする。   In an electric double layer capacitor using an ionic conductor instead of an electrolytic solution, the dielectric constant of the ionic conductor affects the capacitance of the electric double layer capacitor. In the electric double layer capacitor disclosed in Patent Document 1, it is difficult to realize an electric double layer capacitor having a sufficiently large capacity as compared with a conventional electrolytic capacitor. An object of this invention is to provide the solid ion capacitor which can be provided with a big capacity | capacitance, and its manufacturing method.

本発明の固体イオンキャパシタは、Agを含む第1の電極層および第2の電極層と、Naを含むセラミックスからなる固体電解質材料からなり、前記第1および第2の電極層の間に位置する電解質層と、互いに入り組んで分布している前記金属材料および前記固体電解質材料からなり、前記第1の電極層と前記電解質層との間、および、前記第2の電極層と前記電解質層との間の少なくとも一方に設けられた界面複合層とを備え、前記第1または第2の電極層と前記界面複合層の前記金属材料とは電気的に接続されている。   The solid ion capacitor of the present invention is composed of a first electrode layer containing Ag and a second electrode layer, and a solid electrolyte material made of ceramics containing Na, and is located between the first electrode layer and the second electrode layer. An electrolyte layer, the metal material and the solid electrolyte material distributed intricately, and between the first electrode layer and the electrolyte layer, and between the second electrode layer and the electrolyte layer An interfacial composite layer provided on at least one of them, and the first or second electrode layer and the metal material of the interfacial composite layer are electrically connected.

前記電解質層と、前記第1および第2の電極層と、前記界面複合層とは共焼結体を構成していることが好ましい。   The electrolyte layer, the first and second electrode layers, and the interface composite layer preferably constitute a co-sintered body.

前記界面複合層は、前記金属材料を、前記金属材料および前記固体電解質材料の合計の体積に対して、30%以上70%以下の割合で含んでいることが好ましい。   The interface composite layer preferably contains the metal material in a proportion of 30% to 70% with respect to the total volume of the metal material and the solid electrolyte material.

前記セラミックスは、Na1+x+y(AlyZr2-y)(Six3-x)O12、0≦x≦2、0<y≦0.4で表される組成を有することが好ましい。 The ceramics having a composition represented by Na 1 + x + y (Al y Zr 2-y) (Si x P 3-x) O 12, 0 ≦ x ≦ 2,0 <y ≦ 0.4 Is preferred.

固体イオンキャパシタは、前記電解質層と、前記界面複合層と、前記第1の電極層と、前記第2の電極層とをそれぞれ複数備え、複数の前記電解質層、前記界面複合層、前記第1の電極層および前記第2の電極層は積層されており、前記第1の電極層と前記第2の電極層とは、積層方向において交互に位置しており、前記電解質層は前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に位置し、前記界面複合層は、前記第1の電極層と前記電解質層との間、および、前記第2の電極層と前記電解質層との間にそれぞれ設けられていてもよい。   The solid ion capacitor includes a plurality of each of the electrolyte layer, the interface composite layer, the first electrode layer, and the second electrode layer, and includes a plurality of the electrolyte layer, the interface composite layer, and the first electrode layer. The electrode layer and the second electrode layer are laminated, the first electrode layer and the second electrode layer are alternately positioned in the lamination direction, and the electrolyte layer is the first electrode layer. Located between the electrode layer and the second electrode layer, the interface composite layer is formed between the first electrode layer and the electrolyte layer, and between the second electrode layer and the electrolyte layer. Each may be provided between them.

本発明の固体イオンキャパシタの製造方法は、一対の金属ペースト層と、前記一対の金属ペースト層の間に位置する電解質層用グリーンシートと、前記一対の金属ペースト層の一方および前記電解質層用グリーンシートの間と前記一対の金属ペースト層の他方および前記電解質層用グリーンシートの間との少なくとも一方に位置する界面複合層用グリーンシートとを含むグリーンシート積層体を形成する工程と、前記グリーンシート積層体を850℃以上1000℃以下の温度で保持することにより、前記一対の金属ペースト層、前記電解質層用グリーンシートおよび前記界面複合層用グリーンシートを共焼結させる工程とを包含し、前記金属ペーストは、Agを含み、前記セラミックス用グリーンシートは、セラミックスの主成分の原料として、Naを含む。   The solid ion capacitor manufacturing method of the present invention includes a pair of metal paste layers, a green sheet for an electrolyte layer positioned between the pair of metal paste layers, one of the pair of metal paste layers, and the green for the electrolyte layer. Forming a green sheet laminate including a green sheet for an interfacial composite layer positioned between at least one of the sheet and the other of the pair of metal paste layers and the green sheet for the electrolyte layer; and the green sheet Including the step of co-sintering the pair of metal paste layers, the electrolyte layer green sheet and the interfacial composite layer green sheet by holding the laminate at a temperature of 850 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, The metal paste contains Ag, and the green sheet for ceramics includes a raw material of a main component of ceramics. Te, including the Na.

前記セラミックス用グリーンシートは、セラミックスの主成分の原料として、Na、Al、Zr、P、Siを、焼結後に、Na1+x+y(AlyZr2-y)(Six3-x)O12
0≦x≦2、0<y≦0.4で表される組成比で含むことが好ましい。
The ceramic green sheet, as a material of the main component of the ceramics, Na, Al, Zr, P, and Si, after sintering, Na 1 + x + y ( Al y Zr 2-y) (Si x P 3- x ) O 12 ,
It is preferable to include the composition ratio represented by 0 ≦ x ≦ 2 and 0 <y ≦ 0.4.

本発明によれば、界面複合層を含むことによって、固体電解質材料と接する電極の面積を大きくすることができ、大きな容量を有する固体イオンキャパシタを実現することができる。   According to the present invention, by including the interface composite layer, the area of the electrode in contact with the solid electrolyte material can be increased, and a solid ion capacitor having a large capacity can be realized.

(a)は、本発明の固体イオンキャパシタの一実施形態であって、単板キャパシタの形態を示す模式的な断面図であり、(b)は、固体イオンキャパシタの界面複合層を拡大して示す模式図である。(A) is one Embodiment of the solid ion capacitor of this invention, Comprising: It is typical sectional drawing which shows the form of a single plate capacitor, (b) expands the interface composite layer of a solid ion capacitor. It is a schematic diagram shown. (a)から(e)は図1に示す固体イオンキャパシタの製造方法を示す工程断面図である。(A) to (e) are process cross-sectional views showing a method of manufacturing the solid ion capacitor shown in FIG. 本発明の固体イオンキャパシタの一実施形態であって、積層キャパシタの形態を示す模式的な断面図である。It is one Embodiment of the solid ion capacitor of this invention, Comprising: It is typical sectional drawing which shows the form of a multilayer capacitor. (a)から(d)は図3に示す固体イオンキャパシタの製造方法を示す工程断面図である。FIGS. 4A to 4D are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the solid ion capacitor shown in FIG. 実施例および比較例の固体イオンキャパシタにおける、比誘電率の周波数特性を示す。The frequency characteristic of a dielectric constant in the solid ion capacitor of an Example and a comparative example is shown. (a)から(d)は、実施例の固体イオンキャパシタの鏡面研磨した断面のSEM像を示す。(A)-(d) shows the SEM image of the cross section which carried out the mirror surface polishing of the solid ion capacitor of an Example.

以下、図面を参照しながら本実施形態の固体イオンキャパシタの実施の形態を説明する。本発明の固体イオンキャパシタは、単板キャパシタおよび積層キャパシタのいずれの形態でも実施可能である。   Hereinafter, embodiments of the solid ion capacitor of the present embodiment will be described with reference to the drawings. The solid ion capacitor of the present invention can be implemented in any form of a single plate capacitor and a multilayer capacitor.

(単板キャパシタ)
図1(a)は、本実施形態の固体イオンキャパシタ11の断面構造を模式的に示している。固体イオンキャパシタ11は、電解質層1と、第1および第2の電極層2、3と、第1および第2の界面複合層32、33とを備える。電解質層1と、第1および第2の電極層2、3と、第1および第2の界面複合層32、33とは、全体で共焼結体7を構成している。本実施形態では、固体イオンキャパシタ11は、第1および第2の界面複合層32、33を備えているが、いずれか一方のみを備えていてもよい。
(Single plate capacitor)
FIG. 1A schematically shows a cross-sectional structure of the solid ion capacitor 11 of the present embodiment. The solid ion capacitor 11 includes an electrolyte layer 1, first and second electrode layers 2 and 3, and first and second interface composite layers 32 and 33. The electrolyte layer 1, the first and second electrode layers 2 and 3, and the first and second interface composite layers 32 and 33 constitute a co-sintered body 7 as a whole. In the present embodiment, the solid ion capacitor 11 includes the first and second interface composite layers 32 and 33, but may include only one of them.

電解質層1は、Naを含むセラミックスの固体電解質層からなる。また、電極層2、3の間に位置している。   The electrolyte layer 1 is made of a ceramic solid electrolyte layer containing Na. Further, it is located between the electrode layers 2 and 3.

電解質層1に用いられるNaを含むイオン伝導体のセラミックスは、A・M2(XO43で示される組成を有する。A・M2(XO43の組成式で示される酸化物はNASICON型結晶構造を有する。ここで、Aはアルカリ金属、Mは遷移金属であり、XはS、P、As、Mo、W等である。NASICON型結晶構造は、MO6の組成で示される頂点に酸素が位置する八面体と、XO4の組成で示される頂点に酸素が位置する四面体とが、頂点の酸素を共有して3次元的に配列されることによって構成される。 The ceramic of the ion conductor containing Na used for the electrolyte layer 1 has a composition represented by A · M 2 (XO 4 ) 3 . The oxide represented by the composition formula of A · M 2 (XO 4 ) 3 has a NASICON type crystal structure. Here, A is an alkali metal, M is a transition metal, and X is S, P, As, Mo, W, or the like. The NASICON crystal structure is a three-dimensional structure in which an octahedron in which oxygen is located at the vertex indicated by the composition of MO 6 and a tetrahedron in which oxygen is located at the vertex indicated by the composition of XO 4 share the oxygen at the vertex. It is constituted by arranging in order.

例えば、Na、Al、Zr、P、Siの元素により構成した場合には、AlおよびZrは、NASICON型結晶構造のMサイトに位置し、PおよびSiはXサイトに位置している。Zrは4価の元素であり、Alは3価の元素であるから、セラミックスはZrをAlで置換した量に相当する量のNaをさらに含む。また、Pは5価の元素であり、Siは4価の元素であるから、セラミックスはPをSiで置換した量に相当する量のNaをさらに含む。この結晶構造は、上述した八面体や四面体間に大きな空隙を有し、空隙にNa+イオンなどが挿入され得る。また、挿入されたNa+イオンは、電解を印加することによって移動可能である。好ましい形態として、例えば以下の組成式(1)で表される。 For example, when it is composed of elements of Na, Al, Zr, P, and Si, Al and Zr are located at the M site of the NASICON type crystal structure, and P and Si are located at the X site. Since Zr is a tetravalent element and Al is a trivalent element, the ceramic further contains an amount of Na corresponding to the amount obtained by replacing Zr with Al. In addition, since P is a pentavalent element and Si is a tetravalent element, the ceramic further includes an amount of Na corresponding to the amount of P substituted with Si. This crystal structure has large gaps between the octahedrons and tetrahedrons described above, and Na + ions or the like can be inserted into the gaps. Also, the inserted Na + ions can be moved by applying electrolysis. As a preferable form, for example, it is represented by the following composition formula (1).

Na1+x+y(AlyZr2-y)(Six3-x)O12
ここで、0≦x≦2、0<y≦0.4 式(1)
Na 1 + x + y (Al y Zr 2-y) (Si x P 3-x) O 12
Here, 0 ≦ x ≦ 2, 0 <y ≦ 0.4 Formula (1)

第1および第2の電極層2、3はAgを含む。本願発明者の詳細な検討によれば、Liを含むNASICON型結晶構造を有するセラミックスの材料とAgを含む金属材料とを共焼結させた場合、LiとAgとの置換が生じ、電極を構成するAgが消失してしまう。これに対し、Naを含み、Liを含まないNASICON型結晶構造を有するセラミックスの材料とAgを含む金属材料とを共焼結させてもAgは消失せず、共焼結が可能であることが分かった。また、セラミックスを構成する他の元素もAgと反応せず、電極層に大きな影響を与えることがないことが分かった。   The first and second electrode layers 2 and 3 contain Ag. According to a detailed examination by the inventors of the present application, when a ceramic material having a NASICON crystal structure containing Li and a metal material containing Ag are co-sintered, substitution of Li and Ag occurs, and an electrode is formed. Ag disappears. On the other hand, Ag does not disappear even if a ceramic material having a NASICON crystal structure containing Na and not containing Li and a metal material containing Ag are co-sintered. I understood. Further, it was found that other elements constituting the ceramic do not react with Ag and do not greatly affect the electrode layer.

したがって、上記組成式(1)を満たすように、Na、Al、Zr、P、Siを含むセラミックス用グリーンシートを、一対の金属材料の層の間に配置し積層し、共焼結させることによって、第1および第2の電極層2、3およびこれらの間に位置する電解質層1を含む共焼結体7を得ることができる。本実施形態によれば、電極層を後から形成する場合に比べて製造工程を短縮し、製造時間の短縮および製造コストを低減できる。また、電解液を含まない固体イオンキャパシタは、長期信頼性に優れる。   Therefore, a ceramic green sheet containing Na, Al, Zr, P, and Si is disposed between a pair of metal material layers and co-sintered so as to satisfy the composition formula (1). The co-sintered body 7 including the first and second electrode layers 2 and 3 and the electrolyte layer 1 positioned therebetween can be obtained. According to this embodiment, a manufacturing process can be shortened compared with the case where an electrode layer is formed later, manufacturing time and manufacturing cost can be reduced. Moreover, the solid ion capacitor which does not contain electrolyte solution is excellent in long-term reliability.

第1および第2の電極層2、3の金属材料は、導電性が高く、電解質層1と共焼結が可能な温度で十分に収縮し、共焼結後に電解質層1などへ拡散・消失せず電極層として構成する材料であることが好ましい。また、第1および第2の電極層2、3の金属材料は、焼結温度の制御や焼結後の第1および第2の電極層2、3の緻密性や第1および第2の界面複合層32、33との密着性を制御するために、ガラス等の添加剤を含んでいてもよい。例えば、第1および第2の電極層2、3は、Agの単体金属が好ましく、Agを含む金属材料は、不可避的不純物を含んでいても良い。また収縮量調整のためのガラスなどを含んでいてもよい。キャパシタとして利用するためには第1の電極層と第2の電極層は同じ金属材料を含むことが好ましい。   The metal material of the first and second electrode layers 2 and 3 is highly conductive and sufficiently contracts at a temperature at which it can be co-sintered with the electrolyte layer 1, and diffuses and disappears into the electrolyte layer 1 and the like after co-sintering It is preferable that the material does not constitute the electrode layer. In addition, the metal material of the first and second electrode layers 2 and 3 includes the control of the sintering temperature, the denseness of the first and second electrode layers 2 and 3 after the sintering, and the first and second interfaces. In order to control the adhesion with the composite layers 32 and 33, an additive such as glass may be included. For example, the first and second electrode layers 2 and 3 are preferably made of Ag single metal, and the metal material containing Ag may contain unavoidable impurities. Moreover, the glass for shrinkage | contraction amount adjustment etc. may be included. In order to use as a capacitor, the first electrode layer and the second electrode layer preferably include the same metal material.

本実施形態のセラミックスは、上記組成式(1)を満たす組成を有することによって、共焼結体7を850℃以上の温度で焼結することが可能となる。特に、第1および第2の電極層2、3の金属材料がAgの場合、共焼結体7は、Agの融点である962℃よりも少し低い温度である850℃以上950℃の温度で共焼結することが可能であり、緻密な共焼結体7を得ることができる。特に、上記組成式(1)の組成比x、yが、0.1≦x≦0.67および0.1≦y≦0.4を満たす場合、共焼結体7を850℃以上1000以下の温度で焼結することが可能となり、得られる固体イオンキャパシタ11における電解質層1の誘電率は3000以上となり、高い誘電率による高容量キャパシタを実現可能であることが分かった。   The ceramic according to the present embodiment has a composition satisfying the composition formula (1), whereby the co-sintered body 7 can be sintered at a temperature of 850 ° C. or higher. In particular, when the metal material of the first and second electrode layers 2 and 3 is Ag, the co-sintered body 7 is at a temperature of 850 ° C. or higher and 950 ° C., which is slightly lower than 962 ° C. which is the melting point of Ag. Co-sintering is possible, and a dense co-sintered body 7 can be obtained. In particular, when the composition ratio x, y in the composition formula (1) satisfies 0.1 ≦ x ≦ 0.67 and 0.1 ≦ y ≦ 0.4, the co-sintered body 7 is 850 ° C. or higher and 1000 or lower. It was found that the dielectric constant of the electrolyte layer 1 in the obtained solid ion capacitor 11 was 3000 or more, and it was possible to realize a high-capacitance capacitor with a high dielectric constant.

第1および第2の界面複合層32、33は、それぞれ、第1および第2の電極層2、3の金属材料と、電解質層1の固体電解質材料を含む。第1の界面複合層32は、第1の電極層2と電解質層1との間に位置し、第2の界面複合層33は、第2の電極層3と電解質層1との間に位置している。   The first and second interface composite layers 32 and 33 include the metal material of the first and second electrode layers 2 and 3 and the solid electrolyte material of the electrolyte layer 1, respectively. The first interface composite layer 32 is located between the first electrode layer 2 and the electrolyte layer 1, and the second interface composite layer 33 is located between the second electrode layer 3 and the electrolyte layer 1. doing.

金属材料および固体電解質材料は、それぞれ、第1および第2の電極層2、3および電解質層1に用いられる上述した複数の材料から選択される1つであってよい。上述した材料から選択される限り、第1および第2の電極層2、3ならびに電解質層1に用いる材料と、第1および第2の界面複合層32、33に用いる材料とが異なっていてもよい。しかし、以下において説明するように、応力の緩和および第1および第2の電極層2、3と電解質層1との密着性向上の観点では、第1および第2の電極層2、3ならびに電解質層1に用いる材料と、第1および第2の界面複合層32、33に用いる材料とは同じであることが好ましい。固体電解質材料は、上述したようにイオン伝導性を有するNASICON型結晶構造のセラミックスである。   The metal material and the solid electrolyte material may be one selected from the above-described plurality of materials used for the first and second electrode layers 2, 3 and the electrolyte layer 1, respectively. As long as it is selected from the materials described above, the material used for the first and second electrode layers 2 and 3 and the electrolyte layer 1 may be different from the material used for the first and second interface composite layers 32 and 33. Good. However, as will be described below, the first and second electrode layers 2 and 3 and the electrolyte can be used in terms of stress relaxation and improvement in adhesion between the first and second electrode layers 2 and 3 and the electrolyte layer 1. The material used for the layer 1 and the material used for the first and second interface composite layers 32 and 33 are preferably the same. As described above, the solid electrolyte material is a ceramic having a NASICON type crystal structure having ion conductivity.

図1(b)は、第1の界面複合層32の近傍を拡大して示す模式図である。図1(b)に示すように、第1の界面複合層32において、金属材料34と固体電解質材料35とは、互いに入り組んで分布している。   FIG. 1B is a schematic view showing the vicinity of the first interface composite layer 32 in an enlarged manner. As shown in FIG. 1B, in the first interface composite layer 32, the metal material 34 and the solid electrolyte material 35 are intricately distributed.

第1の界面複合層32の金属材料34は第1の電極層2と接しており、電気的に接続されている。また、第1の界面複合層32の固体電解質材料35は電解質層1と接触しており、Na+イオンが電解質層1と第1の界面複合層32の固体電解質材料35との間で移動可能である。 The metal material 34 of the first interface composite layer 32 is in contact with and electrically connected to the first electrode layer 2. The solid electrolyte material 35 of the first interface composite layer 32 is in contact with the electrolyte layer 1, and Na + ions can move between the electrolyte layer 1 and the solid electrolyte material 35 of the first interface composite layer 32. It is.

図示しないが、第2の界面複合層33は、電解質層1を挟んで第1の界面複合層32と対称に位置しており、第1の界面複合層32と同様の構造を備える。このため、金属材料34と固体電解質材料35との接触面積は、第1及び第2の金属層2、3と電解質層1とが直接接触する場合の接触面積に比べて大きくなる。これにより、固体イオンキャパシタ11において、第1の界面複合層32および第2の界面複合層33の金属材料34は、第1の電極層2および第2の電極層3の拡大された表面として機能する。よってキャパシタの電極面積が大きくなることにより、固体イオンキャパシタ11の容量が増大する。   Although not shown, the second interface composite layer 33 is positioned symmetrically with the first interface composite layer 32 with the electrolyte layer 1 interposed therebetween, and has the same structure as the first interface composite layer 32. For this reason, the contact area between the metal material 34 and the solid electrolyte material 35 is larger than the contact area when the first and second metal layers 2 and 3 and the electrolyte layer 1 are in direct contact. Thereby, in the solid ion capacitor 11, the metal material 34 of the first interface composite layer 32 and the second interface composite layer 33 functions as an enlarged surface of the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3. To do. Therefore, the capacity of the solid ion capacitor 11 is increased by increasing the electrode area of the capacitor.

ただし、第1の界面複合層32において、金属材料34のうち第1の電極層2と電気的に接続されていない部分および固体電解質材料35のうち電解質層1とつながっていない部分は、第1の電極層2から電子が伝導したり、電解質層1との間でNa+イオンが移動することができないため、キャパシタの容量増大には寄与しない。第2の界面複合層33においても同様である。 However, in the first interface composite layer 32, the portion of the metal material 34 that is not electrically connected to the first electrode layer 2 and the portion of the solid electrolyte material 35 that is not connected to the electrolyte layer 1 are the first Electrons cannot be conducted from the electrode layer 2 and Na + ions cannot move between the electrode layer 2 and the electrode layer 2. The same applies to the second interface composite layer 33.

このため、第1の界面複合層32および第2の界面複合層33において、金属材料34はできるだけ互いに接続されており、孤立した部分が少ないことが好ましい。同様に、第1の界面複合層32および第2の界面複合層33において、固体電解質材料35はできるだけ互いに接続されており、孤立した部分が少ないことが好ましい。   For this reason, in the 1st interface composite layer 32 and the 2nd interface composite layer 33, it is preferable that the metal material 34 is mutually connected as much as possible and there are few isolated parts. Similarly, in the first interface composite layer 32 and the second interface composite layer 33, it is preferable that the solid electrolyte materials 35 are connected to each other as much as possible, and there are few isolated portions.

本願発明者による詳細な研究によれば、第1の界面複合層32および第2の界面複合層33はそれぞれ、金属材料34を、金属材料34および固体電解質材料35の合計の体積に対して、30%以上70%以下の割合で含んでいれば、金属材料34および固体電解質材料35が、それぞれほぼ全体的につながった構造をとることが分かった。金属材料34の割合が体積比で30%未満である場合、第1の界面複合層32および第2の界面複合層33に含まれる金属材料34のうち一部が孤立しやすくなる。また、金属材料の割合が70%を超える場合、電解質材料35の一部が孤立しやすくなる。   According to a detailed study by the inventor of the present application, the first interface composite layer 32 and the second interface composite layer 33 each have the metal material 34 to the total volume of the metal material 34 and the solid electrolyte material 35. It was found that the metal material 34 and the solid electrolyte material 35 have a substantially connected structure as long as it is contained in a proportion of 30% to 70%. When the ratio of the metal material 34 is less than 30% by volume, a part of the metal material 34 included in the first interface composite layer 32 and the second interface composite layer 33 is easily isolated. Further, when the proportion of the metal material exceeds 70%, a part of the electrolyte material 35 is easily isolated.

このような界面を複合体にした場合、複合体がない場合に比べて、金属粒子と固体電界質材料粒子の入り組んだ構造のために接触面が増大する。これは電極面積が増大したことになり、キャパシタとして有利になることが考えられる。   When such an interface is made into a composite, the contact surface increases due to the complicated structure of metal particles and solid electrolyte material particles, compared to the case where there is no composite. This means that the electrode area has been increased, which is advantageous as a capacitor.

また、第1および第2の界面複合層32、33は、共焼結体7において、電解質層1と第1および第2の電極層2、3との応力差を緩和し、密着性を向上させる。電解質層1と第1および第2の電極層2、3とは上述したように異なる材料によって構成される。このため、これらの焼結時の収縮率も互いに異なり、電解質層1と第1および第2の電極層2、3との界面で応力が発生し得る。また、電解質層1と第1および第2の電極層2、3とは互いに異なる材料を含むため、電解質層1と第1および第2の電極層2、3とが接している場合、異種材料であることにより密着性がよくない場合がある。   The first and second interface composite layers 32 and 33 alleviate the stress difference between the electrolyte layer 1 and the first and second electrode layers 2 and 3 in the co-sintered body 7 and improve the adhesion. Let As described above, the electrolyte layer 1 and the first and second electrode layers 2 and 3 are made of different materials. For this reason, the shrinkage rates during the sintering are also different from each other, and stress can be generated at the interface between the electrolyte layer 1 and the first and second electrode layers 2 and 3. In addition, since the electrolyte layer 1 and the first and second electrode layers 2 and 3 include different materials, when the electrolyte layer 1 and the first and second electrode layers 2 and 3 are in contact with each other, different materials are used. Therefore, the adhesion may not be good.

これに対し、第1および第2の界面複合層32、33は、第1および第2の電極層2、3の金属材料と、電解質層1の固体電解質材料とを含み、かつこれらの材料が入り組んで分布しているため、第1および第2の界面複合層32、33において、焼結した2つの材料の収縮による応力が緩和されるとともに、密着性も向上する。   On the other hand, the first and second interface composite layers 32 and 33 include the metal material of the first and second electrode layers 2 and 3 and the solid electrolyte material of the electrolyte layer 1, and these materials are Since they are intricately distributed, in the first and second interface composite layers 32 and 33, stress due to shrinkage of the two sintered materials is relieved and adhesion is improved.

固体イオンキャパシタ11は、電解質層1と、第1および第2の電極層2、3と、第1および第2の界面複合層32、33とを含む共焼結体7のまま種々の用途に用いてもよいし、共焼結体7を樹脂によって覆ってもよい。例えば、固体イオンキャパシタ11は、一対の引き出し電極5と、一対の引き出し電極5を第1および第2の電極層2、3にそれぞれ電気的に接続する半田4と、半田4および引き出し電極5が設けられた共焼結体7全体を覆う樹脂モールド6とをさらに備えていてもよい。好ましくは、抵抗体やコイルなど他の素子と同時焼成して回路を形成することで、回路の製造工程数を少なくすることができる。   The solid ion capacitor 11 can be used in various applications with the co-sintered body 7 including the electrolyte layer 1, the first and second electrode layers 2 and 3, and the first and second interface composite layers 32 and 33. It may be used, or the co-sintered body 7 may be covered with a resin. For example, the solid ion capacitor 11 includes a pair of extraction electrodes 5, solder 4 that electrically connects the pair of extraction electrodes 5 to the first and second electrode layers 2 and 3, and the solder 4 and the extraction electrode 5. You may further provide the resin mold 6 which covers the provided co-sintered body 7 whole. Preferably, by forming the circuit by simultaneous firing with other elements such as a resistor and a coil, the number of circuit manufacturing steps can be reduced.

本実施形態の固体イオンキャパシタ11において、例えば、第1の電極層2を高電位に接続し、第2の電極層3を低電位に接続すると電解質層1内のNa+イオンは、第2の電極層3側へ移動する。Na+イオンは、イオン伝導体ではない第2の電極層3へは移動しないため、電解質層1内の第2の電極層3側にNa+イオンによる正の電荷が蓄積され、Na+イオンが移動したことによる負の電荷が第1の電極層2側に蓄積される。このため、固体イオンキャパシタ11は、キャパシタとして機能する。さらに第1および第2の電極層2、3、と固体電解質層1との界面に、両者の複合した第1および第2の界面複合層32、33を設けることにより、実効的な電極面積を大きくできる為、大きな静電容量のキャパシタを得ることができる。 In the solid ion capacitor 11 of this embodiment, for example, when the first electrode layer 2 is connected to a high potential and the second electrode layer 3 is connected to a low potential, Na + ions in the electrolyte layer 1 are It moves to the electrode layer 3 side. Since Na + ions do not move to the second electrode layer 3 that is not an ion conductor, positive charges due to Na + ions are accumulated on the second electrode layer 3 side in the electrolyte layer 1, and Na + ions are Negative charges resulting from the movement are accumulated on the first electrode layer 2 side. For this reason, the solid ion capacitor 11 functions as a capacitor. Further, by providing the first and second interface composite layers 32 and 33, which are a composite of both, at the interface between the first and second electrode layers 2 and 3 and the solid electrolyte layer 1, the effective electrode area can be reduced. Since it can be increased, a capacitor having a large capacitance can be obtained.

次に図2を参照しながら、固体イオンキャパシタ11の製造方法を説明する。固体イオンキャパシタ11は、従来のLTCCの製造方法と同様の方法によって製造することができる。   Next, a method for manufacturing the solid ion capacitor 11 will be described with reference to FIG. The solid ion capacitor 11 can be manufactured by the same method as the conventional LTCC manufacturing method.

まず、セラミックスの原料として、Na、Al、Zr、P、Siを含む原料を用意する。例えば、Na、Al、Zr、PおよびSiをそれぞれ含む酸化物、炭酸塩、シュウ酸塩、アンモニウム塩などを、上記組成式(1)に示す含有比率となるように見込んで秤量する。   First, raw materials containing Na, Al, Zr, P, and Si are prepared as ceramic raw materials. For example, oxides, carbonates, oxalates, ammonium salts, and the like each containing Na, Al, Zr, P, and Si are weighed with the content ratio shown in the above composition formula (1).

Na、Al、Zr、PおよびSiを含む原料の例としては、Na2CO3、Al23、ZrO2、(NH4)H2(PO43、SiO2等を挙げることができる。焼結によってセラミックスを製造する一般的な手順に従い、ボールミルなどを用いて、原料をよく混合、粉砕する。 Examples of raw materials containing Na, Al, Zr, P and Si include Na 2 CO 3 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , (NH 4 ) H 2 (PO 4 ) 3 , SiO 2 and the like. . In accordance with a general procedure for producing ceramics by sintering, the raw materials are thoroughly mixed and pulverized using a ball mill or the like.

次に混合した原料を例えば、大気中で仮焼きする。仮焼きは1段階で行ってもよいし、温度を異ならせ、2段階以上で行ってもよい。例えば、2段階で仮焼きする場合には、300℃2時間および700℃2時間で仮焼きを行う。   Next, the mixed raw materials are calcined in the atmosphere, for example. The calcination may be performed in one stage, or may be performed in two or more stages at different temperatures. For example, when calcining in two stages, calcining is performed at 300 ° C. for 2 hours and 700 ° C. for 2 hours.

その後、得られた仮焼体をボールミルなどで粉砕する。得られた紛体に、有機バインダーおよび必要に応じて溶媒や可塑剤を添加し、電解質層の原料スラリーを得る。   Then, the obtained calcined body is pulverized with a ball mill or the like. An organic binder and, if necessary, a solvent and a plasticizer are added to the obtained powder to obtain a raw material slurry for the electrolyte layer.

また、金属ペーストを用意する。例えば、市販の金属ペーストを用いてもよいし、Ag粉末に有機バインダー、溶媒、可塑剤等を添加し金属ペーストを作製してもよい。   Also, a metal paste is prepared. For example, a commercially available metal paste may be used, and an organic binder, a solvent, a plasticizer, etc. may be added to Ag powder and a metal paste may be produced.

電解質層用の仮焼後の粉末と、金属材料の粉末とを所定の割合で秤量し、溶媒を加えた後、ボールミルなどを用いて混合する。得られた紛体に、有機バインダーおよび必要に応じて溶媒や可塑剤を添加し、界面複合層の原料スラリーを得る。   The powder after calcining for the electrolyte layer and the powder of the metal material are weighed at a predetermined ratio, added with a solvent, and then mixed using a ball mill or the like. An organic binder and, if necessary, a solvent and a plasticizer are added to the obtained powder to obtain a raw material slurry for the interface composite layer.

次に、図2(a)に示すように、例えば、PETフィルムなどの樹脂フィルム20を用意する。ドクターブレード法等によって、樹脂フィルム20上にまず、第1の金属ペースト層2’を形成する。同様にして、樹脂フィルム20上に、第2の金属ペースト層3’を形成する。図2(b)に示すように、スクリーン印刷法やドクターブレード法等によって、樹脂フィルム20上に、第1の界面複合層成型体32’、および、第2の界面複合層成型体33’を形成する。また、図2(c)に示すように、樹脂フィルム30上に電解質層のグリーンシート1’を形成する。   Next, as shown in FIG. 2A, for example, a resin film 20 such as a PET film is prepared. First, a first metal paste layer 2 ′ is formed on the resin film 20 by a doctor blade method or the like. Similarly, a second metal paste layer 3 ′ is formed on the resin film 20. As shown in FIG. 2 (b), the first interface composite layer molded body 32 ′ and the second interface composite layer molded body 33 ′ are formed on the resin film 20 by a screen printing method, a doctor blade method, or the like. Form. Further, as shown in FIG. 2C, an electrolyte layer green sheet 1 ′ is formed on the resin film 30.

第1の金属ペースト層2’、第2の金属ペースト層3’、第1の界面複合層成型体32’、第2の界面複合層成型体33’、および電解質層のグリーンシート1’を乾燥させた後、これらを樹脂フィルムから剥離し、図2(d)に示すように、第2の金属ペースト層3’、第2の界面複合層成型体33’、電解質層のグリーンシート1’、第1の界面複合層成型体32’および第1の金属ペースト層2’の順でこれらを積層し、グリーンシート積層体21を得る。これを85℃、200kg/cm2で加圧して圧着する。 The first metal paste layer 2 ', the second metal paste layer 3', the first interface composite layer molded body 32 ', the second interface composite layer molded body 33', and the electrolyte layer green sheet 1 'are dried. Then, these are peeled off from the resin film, and as shown in FIG. 2 (d), the second metal paste layer 3 ′, the second interface composite layer molded body 33 ′, the electrolyte layer green sheet 1 ′, These are laminated | stacked in order of 1st interface composite-layer molded object 32 'and 1st metal paste layer 2', and the green sheet laminated body 21 is obtained. This is pressurized and pressure-bonded at 85 ° C. and 200 kg / cm 2 .

第1の金属ペースト層2’、第2の金属ペースト層3’、第1の界面複合層成型体32’、第2の界面複合層成型体33’および電解質層のグリーンシート1’の大きさや厚さは、焼結後の電解質層1、第1の電極層2および第2の電極層3の厚さや大きさに基づき、焼結による収縮を考慮して決定される。   The size of the first metal paste layer 2 ′, the second metal paste layer 3 ′, the first interface composite layer molded body 32 ′, the second interface composite layer molded body 33 ′ and the electrolyte layer green sheet 1 ′ The thickness is determined in consideration of shrinkage due to sintering based on the thickness and size of the electrolyte layer 1, the first electrode layer 2, and the second electrode layer 3 after sintering.

その後、図2(d)に示すように、樹脂フィルム20をグリーンシート積層体21から剥離し、グリーンシート積層体21を焼結する。焼結温度は、850℃以上1200℃以下である。焼結時間は、例えば、1分以上24時間以下である。また、焼結は、例えば、Agの場合、大気中で行うことができる。   Thereafter, as shown in FIG. 2 (d), the resin film 20 is peeled from the green sheet laminate 21, and the green sheet laminate 21 is sintered. The sintering temperature is 850 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. The sintering time is, for example, 1 minute or more and 24 hours or less. Moreover, sintering can be performed in air | atmosphere, for example in the case of Ag.

焼結によって、第1の金属ペースト層2’、第2の金属ペースト層3’、第1の界面複合層成型体32’、第2の界面複合層成型体33’および電解質層のグリーンシート1’から有機バインダーや溶媒などの揮発成分が除去される。また、それぞれの層が焼結し、図2(e)に示すように、第1の金属ペースト層2’および第2の金属ペースト層3’に含まれる金属材料からなる第1および第2の電極層2、3と、上記組成式(1)で示される組成を有し、NASICON型結晶構造を有するセラミックスからなる固体電解質材料を含む電解質層1と、固体電解質および金属材料を含む第1および第2の界面複合層32、33とを含む共焼結体7が得られる。   By sintering, the first metal paste layer 2 ′, the second metal paste layer 3 ′, the first interface composite layer molded body 32 ′, the second interface composite layer molded body 33 ′, and the electrolyte layer green sheet 1 'From which volatile components such as organic binders and solvents are removed. Further, the respective layers are sintered, and as shown in FIG. 2 (e), the first and second layers made of the metal material contained in the first metal paste layer 2 ′ and the second metal paste layer 3 ′. Electrode layers 2 and 3, electrolyte layer 1 having a composition represented by the above composition formula (1) and including a solid electrolyte material made of ceramics having a NASICON type crystal structure, and a first and a second including a solid electrolyte and a metal material A co-sintered body 7 including the second interface composite layers 32 and 33 is obtained.

その後、半田4を用いて、第1および第2の電極層2、3に引き出し電極5をそれぞれ接続し、共焼結体7全体を樹脂モールド6で覆うことによって、固体イオンキャパシタ11が完成する。   Thereafter, the lead electrode 5 is connected to the first and second electrode layers 2 and 3 using the solder 4 and the entire co-sintered body 7 is covered with the resin mold 6 to complete the solid ion capacitor 11. .

(積層キャパシタ)
積層キャパシタの実施形態を説明する。図3は、本実施形態の固体イオンキャパシタ12の断面構造を模式的に示している。固体イオンキャパシタ12は、複数の電解質層1、複数の第1の電極層2、複数の第2の電極層3、複数の第1の界面複合層32および複数の第2の界面複合層33を備える。これらの層は積層されており、積層方向において、各第1の電極層2と各第2の電極層3とは、交互に位置している。また、第1の電極層2と第2の電極層3の間に各電解質層1が位置している。第1の電極層2と電解質層1との間に、各第1の界面複合層32が位置しており、第2の電極層3と電解質層1との間に、各第2の界面複合層33が位置している。複数の電解質層1、複数の第1の電極層2、複数の第2の電極層3、複数の第1の界面複合層32および複数の第2の界面複合層33は、共焼結体7を構成している。本実施形態では、固体イオンキャパシタ12は第1の界面複合層32および第2の界面複合層33を備えているが、いずれか一方のみを備えていてもよい。
(Multilayer capacitor)
An embodiment of a multilayer capacitor will be described. FIG. 3 schematically shows a cross-sectional structure of the solid ion capacitor 12 of the present embodiment. The solid ion capacitor 12 includes a plurality of electrolyte layers 1, a plurality of first electrode layers 2, a plurality of second electrode layers 3, a plurality of first interface composite layers 32, and a plurality of second interface composite layers 33. Prepare. These layers are stacked, and the first electrode layers 2 and the second electrode layers 3 are alternately positioned in the stacking direction. Further, each electrolyte layer 1 is located between the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3. Each first interface composite layer 32 is located between the first electrode layer 2 and the electrolyte layer 1, and each second interface composite layer is provided between the second electrode layer 3 and the electrolyte layer 1. Layer 33 is located. The plurality of electrolyte layers 1, the plurality of first electrode layers 2, the plurality of second electrode layers 3, the plurality of first interface composite layers 32, and the plurality of second interface composite layers 33 are co-sintered bodies 7. Is configured. In the present embodiment, the solid ion capacitor 12 includes the first interface composite layer 32 and the second interface composite layer 33, but may include only one of them.

各第1の界面複合層32および各第2の界面複合層33は、図1を参照して説明したように、金属材料34と固体電解質材料35とを含み、固体イオンキャパシタ11の第1の界面複合層32および第2の界面複合層33と同じ構造を備えている。   As described with reference to FIG. 1, each first interface composite layer 32 and each second interface composite layer 33 include a metal material 34 and a solid electrolyte material 35, and each of the first interface composite layers 32 and 33. The interface composite layer 32 and the second interface composite layer 33 have the same structure.

共焼結体7は、互いに反対側に位置する側面7aおよび7bを有しており、側面7aにおいて、複数の第1の電極層2の端面が露出している。同様に、側面7bにおいて、複数の第2の電極層3の端面が露出している。   The co-sintered body 7 has side surfaces 7a and 7b positioned on opposite sides, and the end surfaces of the plurality of first electrode layers 2 are exposed on the side surface 7a. Similarly, the end surfaces of the plurality of second electrode layers 3 are exposed on the side surface 7b.

固体イオンキャパシタ12は、さらに第1の外部電極8および第2の外部電極9を備える、第1の外部電極8は、側面7aに設けられており、複数の第1の電極層2と電気的に接続されている。同様に、第2の外部電極9は、側面7bに設けられており、複数の第2の電極層3と電気的に接続されている。   The solid ion capacitor 12 further includes a first external electrode 8 and a second external electrode 9. The first external electrode 8 is provided on the side surface 7 a and is electrically connected to the plurality of first electrode layers 2. It is connected to the. Similarly, the second external electrode 9 is provided on the side surface 7 b and is electrically connected to the plurality of second electrode layers 3.

固体イオンキャパシタ12において、複数の電解質層1、複数の第1の電極層2、複数の第2の電極層3、複数の第1の界面複合層32および第2の界面複合層33は、固体イオンキャパシタ11の電解質層1、第1および第2の電極層2、3および第1および第2の界面複合層32、33とそれぞれ同じ材料によって構成されている。このように、内部に形成される複数の第1の電極層2および複数の第2の電極層3が複数の電解質層1と共焼結可能であるため、積層キャパシタを従来のLTCCと同様のプロセスを用いて製造することができる。また、固体イオンキャパシタ12は、複数の第1の界面複合層32および複数の第2の界面複合層33を備えているため、第1の界面複合層32および第2の界面複合層33を備えない場合に比べて、大きな容量を有する。   In the solid ion capacitor 12, the plurality of electrolyte layers 1, the plurality of first electrode layers 2, the plurality of second electrode layers 3, the plurality of first interface composite layers 32, and the second interface composite layers 33 are solid. The electrolyte layer 1, the first and second electrode layers 2 and 3, and the first and second interface composite layers 32 and 33 of the ion capacitor 11 are made of the same material. As described above, since the plurality of first electrode layers 2 and the plurality of second electrode layers 3 formed therein can be co-sintered with the plurality of electrolyte layers 1, the multilayer capacitor is similar to the conventional LTCC. It can be manufactured using a process. In addition, since the solid ion capacitor 12 includes the plurality of first interface composite layers 32 and the plurality of second interface composite layers 33, the solid ion capacitor 12 includes the first interface composite layer 32 and the second interface composite layer 33. It has a large capacity compared to the case without it.

次に図4を参照しながら、固体イオンキャパシタ12の製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the solid ion capacitor 12 will be described with reference to FIG.

まず、固体イオンキャパシタ11と同様、電解質層の原料スラリー、金属ペーストおよび界面複合層の原料スラリーを用意する。   First, as in the case of the solid ion capacitor 11, a raw material slurry for the electrolyte layer, a metal paste, and a raw material slurry for the interface composite layer are prepared.

図4(a)に示すように、例えば、PETフィルムなどの樹脂フィルム20を用意する。ドクターブレード法等によって、樹脂フィルム20上にまず、電解質層のグリーンシート1’を形成する。電解質層のグリーンシート1’の大きさや厚さは、焼結後の電解質層1の厚さや大きさに基づき、焼結による収縮を考慮して決定される。 図4(b)に示すように、別途、樹脂フィルム20上に、ドクターブレード法等によって、電解質層のグリーンシート1’を形成し、スクリーン印刷法によって、電解質層のグリーンシート1’上に、第2の界面複合層成型体33’、第2の金属ペースト層3’および第2の界面複合層成型体33’を形成する。   As shown in FIG. 4A, for example, a resin film 20 such as a PET film is prepared. First, a green sheet 1 ′ of an electrolyte layer is formed on the resin film 20 by a doctor blade method or the like. The size and thickness of the green sheet 1 ′ of the electrolyte layer are determined in consideration of shrinkage due to sintering based on the thickness and size of the electrolyte layer 1 after sintering. As shown in FIG. 4B, separately, a green sheet 1 ′ of the electrolyte layer is formed on the resin film 20 by a doctor blade method or the like, and on the green sheet 1 ′ of the electrolyte layer by a screen printing method. A second interface composite layer molded body 33 ′, a second metal paste layer 3 ′, and a second interface composite layer molded body 33 ′ are formed.

図4(a)でつくられた電解質層のグリーンシート1’上に、図4(b)で作成した積層体を、第2の界面複合層33’が電解質層のグリーンシート1’に接するように、位置合わせをしながら電解質層のグリーンシート1’に重ね合わせ、樹脂フィルム20を剥がす。このときズレや剥がれを防ぐために、弱く加圧しても良い。   On the green sheet 1 ′ of the electrolyte layer formed in FIG. 4 (a), the laminate prepared in FIG. 4 (b) is placed so that the second interface composite layer 33 ′ is in contact with the green sheet 1 ′ of the electrolyte layer. In addition, the resin film 20 is peeled off while being superimposed on the green sheet 1 ′ of the electrolyte layer while aligning. At this time, in order to prevent displacement and peeling, the pressure may be weakly applied.

その後、図4(b)に示す積層体を同様の手順で作製し、作製した積層体を所定の回数繰り返して重ね合わせる。これにより、図4(c)に示すグリーンシート積層体21を得る。これを例えば、85℃、200kg/cm2で加圧して圧着する。 Thereafter, the laminate shown in FIG. 4B is produced in the same procedure, and the produced laminate is repeated a predetermined number of times. Thereby, the green sheet laminated body 21 shown in FIG.4 (c) is obtained. This is pressed and pressure-bonded at 85 ° C. and 200 kg / cm 2 , for example.

その後、図4(d)に示すように、樹脂フィルム20をグリーンシート積層体21から剥離し、グリーンシート積層体を焼結する。焼結温度は、850℃以上950℃以下である。焼結時間は、例えば、1分以上24時間以下である。また、焼結は、例えば、Agでは大気中で行うことができる。   Thereafter, as shown in FIG. 4 (d), the resin film 20 is peeled from the green sheet laminate 21, and the green sheet laminate is sintered. The sintering temperature is 850 ° C. or higher and 950 ° C. or lower. The sintering time is, for example, 1 minute or more and 24 hours or less. Moreover, sintering can be performed in air | atmosphere, for example in Ag.

焼結によって、複数の第1の金属ペースト層2’、複数の第2の金属ペースト層3’ 複数の第1の界面複合層成型体32’、複数の第2の界面複合層成型体33’および複数の電解質層のグリーンシート1’から有機バインダーや溶媒などの揮発成分が除去される。また、それぞれの層が焼結し、図4(d)に示すように、第1の金属ペースト層2’および第2の金属ペースト層3’に含まれる金属材料からなる複数の第1の電極層2および複数の第2の電極層3と、上記組成式(1)で示される組成を有し、NASICON型結晶構造を有するセラミックスからなる固体電解質材料を含む複数の電解質層1と、固体電解質および金属材料を含む第1および第2の界面複合層32,33とを含む共焼結体7が得られる。   By sintering, a plurality of first metal paste layers 2 ′, a plurality of second metal paste layers 3 ′, a plurality of first interface composite layer molded bodies 32 ′, and a plurality of second interface composite layer molded bodies 33 ′. And volatile components, such as an organic binder and a solvent, are removed from the green sheet 1 'of a plurality of electrolyte layers. Each layer is sintered, and as shown in FIG. 4 (d), a plurality of first electrodes made of a metal material contained in the first metal paste layer 2 ′ and the second metal paste layer 3 ′. A plurality of electrolyte layers 1 including a layer 2 and a plurality of second electrode layers 3, a solid electrolyte material having a composition represented by the above composition formula (1) and made of ceramics having a NASICON crystal structure, and a solid electrolyte And the co-sintered body 7 containing the 1st and 2nd interface composite layers 32 and 33 containing a metal material is obtained.

その後、共焼結体7の側面7a、7bに第1および第2の外部電極8、9をそれぞれ形成することにより、固体イオンキャパシタ12が完成する。   Thereafter, the first and second external electrodes 8 and 9 are respectively formed on the side surfaces 7a and 7b of the co-sintered body 7, thereby completing the solid ion capacitor 12.

(実施例)
(1)固体イオンキャパシタの作製、電気的特性の測定および断面構造の確認
以下、本実施形態の固体イオンキャパシタで用いるセラミックスを作製し、種々の特性を調べた結果を説明する。
(Example)
(1) Production of Solid Ion Capacitor, Measurement of Electrical Characteristics, and Confirmation of Cross Section Structure Hereinafter, ceramics used in the solid ion capacitor of this embodiment will be produced, and the results of examining various characteristics will be described.

原料としてNa2CO3、Al23、ZrO2、SiO2、リン酸アンモニウム(NH42H(PO43の粉末を用意し、Na3.2(Al0.1Zr0.92(P1-xSix43、x=0.1の組成比となるように秤量した。 As raw materials, Na 2 CO 3 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 , ammonium phosphate (NH 4 ) 2 H (PO 4 ) 3 powder was prepared, and Na 3.2 (A 0.1 Zr 0.9 ) 2 ( P 1-x Si x O 4 ) 3 , and weighed so that the composition ratio was x = 0.1.

ボールミル容器中にエタノール、ジルコニアボールと秤量した原料を投入し、100rpmで20時間ボールミルによる混合を行った。混合した原料を取り出し、乾燥後、テフロン(登録商標)容器に入れ、大気中、300℃で2時間加熱し一次仮焼きを行った。一次仮焼きした原料をテフロン(登録商標)容器から取り出し、乾燥後、アルミナ容器に入れて、大気中、700℃で2時間加熱し、二次仮焼きを行った。   Raw materials weighed with ethanol and zirconia balls were put into a ball mill container, and mixed by ball mill at 100 rpm for 20 hours. The mixed raw material was taken out, dried, put into a Teflon (registered trademark) container, and heated in air at 300 ° C. for 2 hours to perform primary calcining. The primary calcined raw material was taken out from the Teflon (registered trademark) container, dried, put into an alumina container, and heated in the atmosphere at 700 ° C. for 2 hours to perform secondary calcining.

次に、二次仮焼きした原料を乳鉢で解砕した後、ボールミルで粉砕及び混合を行った。ボールミルから粉砕した仮焼き後の原料を取り出し、乾燥後、500μmメッシュを通した。これを電解質層粉末とする。   Next, after the secondary calcined raw material was crushed with a mortar, it was pulverized and mixed with a ball mill. The calcined raw material pulverized from the ball mill was taken out, dried and passed through a 500 μm mesh. This is the electrolyte layer powder.

電解質層粉末および粒径2μmの純Ag粉末を体積比1:1(電解質層粉末および純Ag粉末の合計の体積に対して、Ag粉末が50%)となるように秤量し、エタノール媒体を加えて20時間、ボールミルにより混合した。ボールミルから混合物を取り出し、乾燥後、500μmメッシュを通した。この粉末を界面複合層粉末とした。   The electrolyte layer powder and the pure Ag powder having a particle diameter of 2 μm are weighed so that the volume ratio is 1: 1 (Ag powder is 50% with respect to the total volume of the electrolyte layer powder and the pure Ag powder), and the ethanol medium is added. For 20 hours. The mixture was taken out from the ball mill, dried, and passed through a 500 μm mesh. This powder was used as an interface composite layer powder.

電解質層粉末、界面複合層粉末および純Ag粉末をそれぞれ、エタノール、PVB、可塑剤と混合し、それぞれ、電解質層用スラリー、界面複合層用スラリーおよび電極層用スラリーを作製した。このときの粉末および有機材を5:4の重量比で秤量した。   The electrolyte layer powder, the interface composite layer powder, and the pure Ag powder were mixed with ethanol, PVB, and a plasticizer, respectively, to prepare an electrolyte layer slurry, an interface composite layer slurry, and an electrode layer slurry, respectively. The powder and organic material at this time were weighed at a weight ratio of 5: 4.

次に、これらのスラリーをPETフィルム上へ塗布し、厚さ0.1mmの電解質のグリーンシート、厚さ0.03mmの界面複合層のグリーンシートおよび厚さ0.04mmの電極層のグリーンシートを作製した。その後これらのグリーンシートを乾燥させた。   Next, these slurries were applied onto a PET film, and an electrolyte green sheet having a thickness of 0.1 mm, a green sheet having an interface composite layer having a thickness of 0.03 mm, and a green sheet having an electrode layer having a thickness of 0.04 mm were formed. Produced. Thereafter, these green sheets were dried.

電解質層のグリーンシートを直径14mmの円形に打ち抜き、3枚重ねた。界面複合層のグリーンシートおよび電極層のグリーンシートのそれぞれを直径14mmおよび直径6mmの円形に打ち抜いた。電解質層のグリーンシートの一面に直径14mmの界面複合層のグリーンシートおよび電極層のグリーンシートを配置し、他の面に、直径6mmの界面複合層のグリーンシートおよび電極層のグリーンシートを配置し、グリーンシートの積層体を得た。積層体を85℃でプレス圧接し、その後。200℃/Hrの昇温速度で加熱し、大気中、900℃で2時間焼結した。得られた試料を実施例の固体イオンキャパシタと呼ぶ。   Three green sheets of the electrolyte layer were punched into a circle having a diameter of 14 mm, and three sheets were stacked. Each of the green sheet of the interface composite layer and the green sheet of the electrode layer was punched into a circle having a diameter of 14 mm and a diameter of 6 mm. The green sheet of the interface composite layer and the electrode layer having a diameter of 14 mm are arranged on one side of the green sheet of the electrolyte layer, and the green sheet of the interface composite layer and the electrode layer of 6 mm in diameter are arranged on the other side. A green sheet laminate was obtained. The laminated body is press-welded at 85 ° C., and thereafter. It heated at the temperature increase rate of 200 degreeC / Hr, and sintered at 900 degreeC in air | atmosphere for 2 hours. The obtained sample is called the solid ion capacitor of the example.

実施例の固体イオンキャパシタの特性を測定した。インピーダンスメータで周波数掃引して、実施例の固体イオンキャパシタのZ−θ計測を行い、容量を求めた。さらに断面をCP加工しSEM観察した。   The characteristics of the solid ion capacitor of the example were measured. The frequency was swept with an impedance meter, Z-θ measurement of the solid ion capacitor of the example was performed, and the capacity was obtained. Further, the cross section was CP processed and observed by SEM.

比較のために、界面複合層を有しないキャパシタも作製した。得られた試料を比較例の固体イオンキャパシタと呼ぶ。比較例の固体イオンキャパシタについても、同様にZ−θ計測を行い、容量を求めた。   For comparison, a capacitor having no interface composite layer was also produced. The obtained sample is called a comparative solid ion capacitor. For the solid ion capacitor of the comparative example, the Z-θ measurement was performed in the same manner to obtain the capacity.

図5に容量の周波数特性を示す。図5に示すように、容量の周波数特性は、ほぼ同等であるが、実施例の方がより大きな容量が得られている。これは、界面複合層によって、電極面積が拡大し、容量が増大しているからと考えられる。   FIG. 5 shows the frequency characteristics of the capacitance. As shown in FIG. 5, the frequency characteristics of the capacitance are almost the same, but a larger capacitance is obtained in the embodiment. This is presumably because the interfacial composite layer expands the electrode area and increases the capacity.

図6(a)は、実施例の固体イオンキャパシタのうち、共焼結体部分全体の断面を示し、(b)は、電解質層(電解質層1)部分の拡大断面を示している。(c)は電極層(第1の電極層2、第2の電極層3)および界面複合層部分の断面を示し、(d)は界面複合層(第1の界面複合層32、第2の界面複合層33)部分をさらに拡大した断面を示している。   6A shows a cross section of the entire co-sintered body portion of the solid ion capacitor of the example, and FIG. 6B shows an enlarged cross section of the electrolyte layer (electrolyte layer 1) portion. (C) shows a cross section of the electrode layer (first electrode layer 2, second electrode layer 3) and interface composite layer portion, and (d) shows the interface composite layer (first interface composite layer 32, second interface layer). The cross section which expanded further the interface composite layer 33 part part is shown.

図6(a)から、電極層、電解質層および界面複合層が一体的な共焼結体を構成しており、金属材料が固体電解質材料と反応したり、反応により、消失したりしていないことが分かった。図6(b)から、電解質層は緻密な焼結体によって構成されていることが分かった。また、図6(a)および(c)から、電極層と界面複合層との界面および電解質層と界面複合層との界面には空洞等が見られずこれらの界面における密着性が良好であることが分かった。さらに図6(d)から、界面複合層において、金属材料と固体電解質材料とは入り組んで分布していることが分かった。   From FIG. 6A, the electrode layer, the electrolyte layer, and the interface composite layer constitute an integral co-sintered body, and the metal material does not react with the solid electrolyte material or disappear due to the reaction. I understood that. FIG. 6B shows that the electrolyte layer is composed of a dense sintered body. Also, from FIGS. 6A and 6C, there is no cavity at the interface between the electrode layer and the interface composite layer and the interface between the electrolyte layer and the interface composite layer, and the adhesion at these interfaces is good. I understood that. Further, from FIG. 6 (d), it was found that the metal material and the solid electrolyte material are intricately distributed in the interface composite layer.

(2)界面複合層の検討
界面複合層における混合比を検討するため、電解質層粉末および粒径2μmの純Ag粉末を体積比で8:2、7:3、5:5(電解質層粉末および純Ag粉末の合計の体積に対して、Ag粉末が20%、30%、50%)の割合で秤量し、混合後、プレス成型し、900℃で焼結した。得られた焼結体の電気抵抗を測定したところ、混合比が8:2である焼結体は、電子絶縁性を有していたが、他の焼結体は導体であった。このことから、界面複合層における金属材料の割合は、金属材料および固体電解質材料の合計の体積にして30%以上であれば、界面複合層において、金属材料がつながり、電子伝導性を有することが分かった。また、この結果から、電解質材料に対する金属材料の混合比が7:3よりも大きい場合、つまり、金属材料の割合が、金属材料および固体電解質材料の合計の体積にして70%を超える場合、固体電解質材料がつながらず、界面複合層内において、固体電解質材料が孤立してしまう可能性があることが分かった。このことから、界面複合層における金属材料の割合は、金属材料および固体電解質材料の合計の体積にして30%以上70%以下であることが好ましいことが分かった。
(2) Examination of interfacial composite layer In order to examine the mixing ratio in the interfacial composite layer, the electrolyte layer powder and pure Ag powder having a particle size of 2 μm were mixed at a volume ratio of 8: 2, 7: 3, 5: 5 (electrolyte layer powder and The Ag powder was weighed at a ratio of 20%, 30%, and 50%) with respect to the total volume of the pure Ag powder, mixed, press-molded, and sintered at 900 ° C. When the electrical resistance of the obtained sintered body was measured, the sintered body having a mixing ratio of 8: 2 had electronic insulation, but the other sintered bodies were conductors. Therefore, if the ratio of the metal material in the interface composite layer is 30% or more in terms of the total volume of the metal material and the solid electrolyte material, the metal material may be connected in the interface composite layer and have electronic conductivity. I understood. Further, from this result, when the mixing ratio of the metal material to the electrolyte material is larger than 7: 3, that is, when the ratio of the metal material exceeds 70% in the total volume of the metal material and the solid electrolyte material, the solid It has been found that there is a possibility that the electrolyte material is not connected and the solid electrolyte material is isolated in the interface composite layer. From this, it was found that the ratio of the metal material in the interface composite layer is preferably 30% or more and 70% or less in terms of the total volume of the metal material and the solid electrolyte material.

(3) まとめ
本実施例から、界面複合層を設けることにより固体イオンキャパシタの容量を増大させることができることが分かった。また、界面複合層を設けることで電極層と電解質層との密着性を向上させることできることが分かった。
(3) Summary From this example, it was found that the capacity of the solid ion capacitor can be increased by providing the interface composite layer. It was also found that the adhesion between the electrode layer and the electrolyte layer can be improved by providing the interface composite layer.

さらに、電極層、電解質層および界面複合層が一体的な共焼結体を構成しており、金属材料が固体電解質材料と反応したり、反応により、消失したりしていないことが分かった。   Furthermore, it was found that the electrode layer, the electrolyte layer, and the interface composite layer constitute an integral co-sintered body, and the metal material did not react with the solid electrolyte material or disappear due to the reaction.

よって本実施例から、Naを含み、NASICON型結晶構造を有するセラミックスを電解質材料とする固体イオンキャパシタを実現可能であることが確認できた。   Therefore, from this example, it was confirmed that a solid ion capacitor using Na as a ceramic material having a NASICON crystal structure as an electrolyte material could be realized.

本発明は、種々の用途に使用可能な容量の大きなキャパシタに好適に用いることが可能である。   The present invention can be suitably used for a capacitor having a large capacity that can be used in various applications.

1’ 電解質層のグリーンシート
1 電解質層
2’ 第1の金属ペースト層
2 第1の電極層
3’ 第2の金属ペースト層
3 第2の電極層
4 半田
5 引き出し電極
6 樹脂モールド
7 共焼結体
7a、7b 側面
8 第1の外部電極
9 第2の外部電極
11、12 固体イオンキャパシタ
13 電解質層
20 樹脂フィルム
21 グリーンシート積層体
32 第1の界面複合層
33 第2の界面複合層
32’ 第1の界面複合層成型体
33’ 第2の界面複合層成型体
34 金属材料
35 固体電解質材料
1 'green sheet of electrolyte layer 1 electrolyte layer 2' first metal paste layer 2 first electrode layer 3 'second metal paste layer 3 second electrode layer 4 solder 5 lead electrode 6 resin mold 7 co-sintering Body 7a, 7b Side surface 8 First external electrode 9 Second external electrode 11, 12 Solid ion capacitor 13 Electrolyte layer 20 Resin film 21 Green sheet laminate 32 First interface composite layer 33 Second interface composite layer 32 ′ First interface composite layer molded body 33 ′ Second interface composite layer molded body 34 Metal material 35 Solid electrolyte material

Claims (7)

Agを含む金属材料からなる第1の電極層および第2の電極層と、
Naを含むセラミックスからなる固体電解質材料からなり、前記第1および第2の電極層の間に位置する電解質層と、
互いに入り組んで分布している前記金属材料および前記固体電解質材料からなり、前記第1の電極層と前記電解質層との間、および、前記第2の電極層と前記電解質層との間の少なくとも一方に設けられた界面複合層と
を備え、
前記第1または第2の電極層と前記界面複合層の前記金属材料とは電気的に接続されている固体イオンキャパシタ。
A first electrode layer and a second electrode layer made of a metal material containing Ag;
An electrolyte layer made of a solid electrolyte material made of ceramic containing Na, and located between the first and second electrode layers;
The metal material and the solid electrolyte material that are intricately distributed to each other, and at least one of the first electrode layer and the electrolyte layer, and the second electrode layer and the electrolyte layer An interfacial composite layer provided in
A solid ion capacitor in which the first or second electrode layer and the metal material of the interface composite layer are electrically connected.
前記電解質層と、前記第1および第2の電極層と、前記界面複合層とは共焼結体を構成している請求項1に記載の固体イオンキャパシタ。   2. The solid ion capacitor according to claim 1, wherein the electrolyte layer, the first and second electrode layers, and the interface composite layer constitute a co-sintered body. 前記界面複合層は、前記金属材料を、前記金属材料および前記固体電解質材料の合計の体積に対して、30%以上70%以下の割合で含んでいる請求項1または2に記載の固体イオンキャパシタ。   3. The solid ion capacitor according to claim 1, wherein the interface composite layer includes the metal material in a ratio of 30% to 70% with respect to a total volume of the metal material and the solid electrolyte material. . 前記セラミックスは、
Na1+x+y(AlZr2−y)(Si3−x)O12
0≦x≦2、0<y≦0.4
で表される組成を有する請求項1から3のいずれかに記載の固体イオンキャパシタ。
The ceramics are
Na 1 + x + y (Al y Zr 2-y) (Si x P 3-x) O 12,
0 ≦ x ≦ 2, 0 <y ≦ 0.4
The solid ion capacitor according to claim 1, having a composition represented by:
前記電解質層と、前記界面複合層と、前記第1の電極層と、前記第2の電極層とをそれぞれ複数備え、複数の前記電解質層、前記界面複合層、前記第1の電極層および前記第2の電極層は積層されており、
前記第1の電極層と前記第2の電極層とは、積層方向において交互に位置しており、
前記電解質層は前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に位置し、
前記界面複合層は、前記第1の電極層と前記電解質層との間、および、前記第2の電極層と前記電解質層との間にそれぞれ設けられている請求項1から4のいずれかに記載の固体イオンキャパシタ。
Each of the electrolyte layer, the interface composite layer, the first electrode layer, and the second electrode layer includes a plurality of the electrolyte layer, the interface composite layer, the first electrode layer, and the second electrode layer. The second electrode layer is laminated,
The first electrode layer and the second electrode layer are alternately positioned in the stacking direction,
The electrolyte layer is located between the first electrode layer and the second electrode layer;
The interfacial composite layer is provided between the first electrode layer and the electrolyte layer and between the second electrode layer and the electrolyte layer, respectively. The solid ion capacitor described.
一対の金属ペースト層と、前記一対の金属ペースト層の間に位置する電解質層用グリーンシートと、前記一対の金属ペースト層の一方および前記電解質層用グリーンシートの間と前記一対の金属ペースト層の他方および前記電解質層用グリーンシートの間との少なくとも一方に位置する界面複合層用グリーンシートとを含むグリーンシート積層体を形成する工程と、
前記グリーンシート積層体を850℃以上1000℃以下の温度で保持することにより、前記一対の金属ペースト層、前記電解質層用グリーンシートおよび前記界面複合層用グリーンシートを共焼結させる工程と
を包含し、
前記金属ペーストは、Agを含み、
前記電解質用グリーンシートは、セラミックスの主成分の原料として、Naを含む、固体イオンキャパシタの製造方法。
A pair of metal paste layers; an electrolyte layer green sheet positioned between the pair of metal paste layers; one of the pair of metal paste layers and between the electrolyte layer green sheets and the pair of metal paste layers. Forming a green sheet laminate including an interfacial composite layer green sheet positioned between at least one of the other and the electrolyte layer green sheet;
Including co-sintering the pair of metal paste layers, the electrolyte layer green sheet, and the interfacial composite layer green sheet by holding the green sheet laminate at a temperature of 850 ° C. to 1000 ° C. And
The metal paste includes Ag,
The method for producing a solid ion capacitor, wherein the green sheet for electrolyte includes Na as a main component material of ceramics.
前記電解質層用グリーンシートは、前記セラミックスの主成分の原料として、Na、Al、Zr、P、Siを、焼結後に、
Na1+x+y(AlZr2−y)(Si3−x)O12
0≦x≦2、0<y≦0.4
で表される組成比で含む、請求項6に記載の固体イオンキャパシタの製造方法。
The green sheet electrolyte layer, as materials of the main component of the ceramic, Na, Al, Zr, P, and Si, after sintering,
Na 1 + x + y (Al y Zr 2-y) (Si x P 3-x) O 12,
0 ≦ x ≦ 2, 0 <y ≦ 0.4
The manufacturing method of the solid ion capacitor of Claim 6 included by the composition ratio represented by these.
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