JP7035643B2 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery.
従来より、正極と、イオン伝導性電解質と、負極として金属リチウムを用いるリチウム二次電池において、該金属リチウム表面に絶縁性の多孔質薄膜を設けたことを特徴とするリチウム二次電池がある(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in a lithium secondary battery using a positive electrode, an ionic conductive electrolyte, and metallic lithium as a negative electrode, there is a lithium secondary battery characterized in that an insulating porous thin film is provided on the surface of the metallic lithium (a positive electrode). For example, see Patent Document 1).
リチウム二次電池では、充電に伴って負極にリチウムが析出し、放電すると負極のリチウムがイオン伝導性電解質に戻る現象が繰り返し行われる。ところで、負極に析出したリチウムが均等にイオン伝導性電解質に戻るとは限らず、部分的に負極に残存することがある。部分的に負極に残存すると、負極とイオン伝導性電解質との間に空隙が生じた状態になる。 In a lithium secondary battery, lithium is deposited on the negative electrode as it is charged, and when discharged, the lithium on the negative electrode returns to the ionic conductive electrolyte. By the way, the lithium deposited on the negative electrode does not always return to the ion conductive electrolyte evenly, and may partially remain on the negative electrode. If it partially remains on the negative electrode, a void is formed between the negative electrode and the ion conductive electrolyte.
このようにリチウムが部分的に負極に残存すると、充放電に関与するリチウムイオンが減るため、リチウム二次電池の性能が低下するおそれがある。 When lithium partially remains in the negative electrode in this way, the lithium ions involved in charging and discharging are reduced, so that the performance of the lithium secondary battery may deteriorate.
そこで、性能低下を抑制可能なリチウム二次電池を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a lithium secondary battery capable of suppressing performance deterioration.
本発明の実施の形態のリチウム二次電池は、正極集電体と、前記正極集電体に重ねて設けられる正極と、前記正極に重ねて設けられ、リチウムイオンを含む固体電解質層と、前記固体電解質層の前記正極に面する第1面とは反対の第2面の一部分に設けられ、前記固体電解質層に対して不活性な絶縁材料製で、前記第2面に固着される固着部材と、前記固体電解質層の第2面と、前記固着部材とに重ねて設けられ、前記固着部材に固着され、前記固体電解質層との間に析出するリチウムを前記固体電解質層に向かう方向に付勢する負極集電体とを含み、前記固着部材の表面のうち、前記固体電解質層に接していない領域の全てが前記負極集電体に接している。 The lithium secondary battery of the embodiment of the present invention includes a positive electrode current collector, a positive electrode provided on the positive electrode current collector, a solid electrolyte layer provided on the positive electrode and containing lithium ions, and the above. A fixing member provided on a part of the second surface of the solid electrolyte layer opposite to the first surface facing the positive electrode, made of an insulating material inert to the solid electrolyte layer, and fixed to the second surface. And, lithium that is provided so as to be overlapped with the second surface of the solid electrolyte layer and the fixing member, is fixed to the fixing member, and precipitates between the solid electrolyte layer is attached in the direction toward the solid electrolyte layer. All of the regions of the surface of the fixing member that are not in contact with the solid electrolyte layer, including the negative electrode current collector, are in contact with the negative electrode current collector.
性能低下を抑制可能なリチウム二次電池を提供することができる。 It is possible to provide a lithium secondary battery capable of suppressing performance deterioration.
以下、本発明のリチウム二次電池を適用した実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments to which the lithium secondary battery of the present invention is applied will be described.
<実施の形態>
図1は、実施の形態のリチウム二次電池100を示す平面図である。図2は、図1のA-A矢視断面を示す図である。以下では、説明の便宜上、図2の断面に示す上下関係を用いて説明するが、普遍的な上下関係を表すものではない。
<Embodiment>
FIG. 1 is a plan view showing the lithium
リチウム二次電池100は、基板101の上に設けられており、正極集電体110、正極120、固体電解質層130、固着部材140、及び負極集電体150を含む。リチウム二次電池100は、すべての構成要素が固体である全固体リチウム二次電池の一例である。
The lithium
リチウム二次電池100は、実際には、正極集電体110と負極集電体150にそれぞれ接続される正極端子及び負極端子に加えて、正極集電体110、正極120、固体電解質層130、固着部材140、及び負極集電体150を覆うケース等の構成要素を含むが、ここではリチウム二次電池100の中身を示し、正極端子、負極端子、及びケース等の構成要素を省略する。
In the lithium
基板101は、シリコン層101Aと絶縁層101Bを含む。基板101は、シリコンウェハの上面を酸化することによって、二酸化シリコン(SiO2)製の絶縁層101Bを形成したものである。絶縁層101Bは、リチウム二次電池100とシリコン層101Aとを絶縁するために設けられている。
The
基板101は、リチウム二次電池100を作製するための基台として設けられており、基板101自体は、リチウム二次電池100の構成要素に含まれなくてよいものである。このため、基板101は、シリコンウェハで作製されたものに限られず、リチウム二次電池100との絶縁が確保可能なものであれば、どのようなものであってもよい。
The
正極集電体110は、絶縁層101Bの上に重ねて設けられ、平面視で矩形状である。正極集電体110は、正極120の正極活物質を保持し、電流を正極活物質に供給する機能を有する。正極集電体110は、一例として、チタン(Ti)層111Aと、白金(Pt)層111Bとを有する。
The positive electrode
チタン層111Aは、絶縁層101Bと白金層111Bとの密着層として設けられている。また、白金層111Bには、正極120が面接続される。白金層111Bは、固体電解質層130の外部に表出している部分において、図示しない正極端子に接続される。チタン層111A及び白金層111Bの厚さは、それぞれ、一例として、30nm及び170nmである。
The
正極120は、正極集電体110の上に重ねて設けられ、平面視で矩形状である。正極120は、平面視で正極集電体110の中に収まるように配置される。すなわち、正極120は、平面視で正極集電体110よりも小さい。
The
正極120は、一例として、正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)を用いて作製される。正極120の厚さは、一例として、3.0μmである。
As an example, the
固体電解質層130は、リチウムイオンを含む固体状の電解質層であり、平面視で矩形状である。固体電解質層130のサイズは、一例として、四辺がそれぞれ5mmである。固体電解質層130は、正極120及び正極集電体110を覆い、平面視で最外部の四辺が絶縁層101Bに接するように設けられている。なお、正極集電体110の一部分(図中の左端の部分)は、固体電解質層130に覆われずに表出する。正極端子に接続するためである。
The
固体電解質層130は、一例として、固体電解質としてリン酸三リチウム(Li3PO4)を形成した薄膜層であり、厚さは2.0μmである。なお、固体電解質層130の下面(正極120に面する面)は第1面の一例であり、上面(固着部材140が設けられる面)は第2面の一例である。
The
固着部材140は、固体電解質層130の上面に設けられ、平面視で矩形環状の部材である。固着部材140は、平面視で負極集電体150の内部に収まるように設けられている。すなわち、固着部材140は、固体電解質層130の上面の一部分に設けられており、また、固体電解質層130の上面のうち、負極集電体150が位置する領域のうちの一部分に設けられている。
The
これは、固体電解質層130と負極集電体150とが直接的に接する部分を確保するとともに、固着部材140が固体電解質層130と負極集電体150との間に位置するようにするためである。固着部材140は、固体電解質層130の上面に固着されている。
This is to secure a portion where the
固着部材140は、固体電解質層130に対して不活性な絶縁材料製である。固着部材140は、固体電解質層130の上面と、負極集電体150との両方に固着され、リチウム二次電池100が充電されたときに固体電解質層130と負極集電体150との間にリチウムが析出(溶解析出)しても、固体電解質層130及び負極集電体150に固着した状態を保持可能な強度を有する。換言すれば、固着部材140は、固体電解質層130と負極集電体150とを固着している。固着部材140には、固体電解質層130に対して不活性な絶縁材料の中でも、特に金属酸化物のようなセラミックが適している。
The
固着部材140は、一例として、アルミナ(Al2O3)製であり、厚さは20nmである。なお、固着部材140の材料として、アルミナ(Al2O3)の代わりに、ジルコニア(ZrO2)を用いてもよい。
As an example, the
固着部材140として、固体電解質層130に対して不活性な絶縁材料又は金属酸化物を用いるのは、固体電解質層130の上面と固着部材140との界面における還元反応が生じないようにして、リチウム二次電池100の充電及び放電が繰り返されても、固着部材140と固体電解質層130の上面との固着状態を保持できるようにするためである。
The use of an insulating material or metal oxide that is inert to the
負極集電体150は、固着部材140の全体を覆うように、固体電解質層130の上面に設けられている。また、リチウム二次電池100の充放電が繰り返し行われても、負極集電体150は、固着部材140の上面に固着された状態に保持される。充放電が繰り返し行われても、負極集電体150と固着部材140との間にリチウム又は他の物質が入り込むことはないからである。
The negative electrode
負極集電体150は、リチウム二次電池100が充電されるときに固体電解質層130と負極集電体150との間にリチウムが析出すると、固着部材140によって下方向に固定された状態で、固着部材140に接していない部分が上方へ変形し、固体電解質層130の上面との間に生じる空間に、還元反応によって固体電解質層130から析出するリチウムが収まるようになっている。
When lithium is deposited between the
この状態では、負極集電体150は、固着部材140によって下方向に引っ張られ、平面視で固着部材140に囲まれている部分には張力が掛かるため、析出したリチウムを固体電解質層130側に押し戻す(付勢する)。すなわち、負極集電体150が板バネのように作用し、復元力を発生する。
In this state, the negative electrode
このように、析出したリチウムを負極集電体150が固体電解質層130側に押し戻す(付勢する)力を利用して、リチウム二次電池100が放電されるときに、固体電解質層130と負極集電体150との間に析出しているリチウムを効率的に固体電解質層130に押し戻すことにより、固体電解質層130と負極集電体150との間にリチウムが残存することを抑制している。
As described above, when the lithium
そして、リチウム二次電池100の充電時の還元反応及び放電時の酸化反応に関わるリチウムの量の減少をリチウム二次電池100のライフサイクルにわたって抑制することにより、性能低下を抑制する。
Then, by suppressing the decrease in the amount of lithium involved in the reduction reaction during charging and the oxidation reaction during discharging of the lithium
このような負極集電体150としては、一例として、銅(Cu)薄膜を用いる。厚さは、一例として、200nmである。負極集電体150は、リチウムよりもイオン化傾向が小さく、負極集電体に適した金属製であればよいため、銅以外には、例えばニッケルを用いることができる。
As such a negative electrode
以上のようなリチウム二次電池100は、次のようにして作製することができる。まず、絶縁層101Bを有する基板101の上に、正極集電体110になるチタン層111A及び白金層111Bをスパッタ法で成膜し、白金層111Bの上に、コバルト酸リチウムをスパッタ法で成膜し、600℃で30分間アニール処理を行うことによって正極120を形成する。
The lithium
さらに、正極120の上に、固体電解質層130としてのリン酸三リチウム及び固体電解質層130の上に固着部材140としてのアルミナをスパッタ法で成膜し、最後に固体電解質層130及び固着部材140の上に負極集電体150としての銅薄膜をスパッタ法で成膜することによって、リチウム二次電池100が完成する。
Further, trilithium phosphate as the
なお、ここでは、正極集電体110、コバルト酸リチウム、固着部材140としてのアルミナ、固体電解質層130としてのリン酸三リチウム及び負極集電体150としての銅薄膜をスパッタ法で成膜する形態について説明したが、スパッタ法の代わりに、蒸着法又はPLD(Pulsed Laser Deposition)法で成膜してもよい。
Here, a form in which a positive electrode
図3は、リチウム二次電池100の放電後と充電後の断面の様子を示す図である。図3には、正極120、固体電解質層130、固着部材140、及び負極集電体150の部分を厚さ方向に拡大して示す。
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional view of the lithium
図3(A)には放電後の状態を示し、図3(B)には充電後の状態を示す。リチウム二次電池100の充電状態は、SOC(State of Charge)で表される。放電後とは、リチウム二次電池100の仕様上の完全放電状態であり、SOCが0%の状態をいう。充電後とは、リチウム二次電池100の仕様上の満充電状態であり、SOCが100%の状態をいう。
FIG. 3A shows the state after discharging, and FIG. 3B shows the state after charging. The state of charge of the lithium
放電後は、図3(A)に示すように、固体電解質層130と負極集電体150との間にリチウムは析出しておらず、負極集電体150は、固体電解質層130の上面に密着している。また、上述したように、負極集電体150としての銅薄膜は、固体電解質層130及び固着部材140の上に成膜されるため、図3(A)に示す状態は、負極集電体150に応力が掛かっていない自然な状態である。
After the discharge, as shown in FIG. 3A, no lithium was deposited between the
また、リチウム二次電池100が充電されても、固着部材140と負極集電体150との界面にリチウムは析出しないため、充電及び放電が繰り返されても、負極集電体150は、固着部材140に固着された状態である。
Further, even if the lithium
そして、図3(A)に示す状態から充電を開始すると、負極集電体150との還元反応によって固体電解質層130からリチウムが析出し、満充電になると、図3(B)に示すように固体電解質層130と負極集電体150との間にリチウム130Aが溜まった状態になる。リチウム130Aは、負極として機能する。
Then, when charging is started from the state shown in FIG. 3 (A), lithium is precipitated from the
図3(B)に示す状態では、負極集電体150は、リチウム130Aによって上向きに押されるとともに、固着部材140によって下向きに引っ張られるため、負極集電体150には、図3(A)に示すように平坦な状態に戻ろうとする力が作用し、リチウム130Aを下向き(固体電解質層130に向かう方向)に押す(付勢する)ことになる。
In the state shown in FIG. 3B, the negative electrode
このため、満充電の状態で図3(B)に示すようにリチウム130Aが溜まった状態から放電が始まると、リチウム130Aは、負極集電体150によって固体電解質層130に向かう方向に付勢されるので、固体電解質層130と負極集電体150との間にリチウム130Aが残存することが抑制される。この結果、充電による還元反応と、放電による酸化反応に関与するリチウム(リチウムイオン)の量が減少することが抑制され、経時劣化によるリチウム二次電池100の性能低下を抑制することができる。
Therefore, when the discharge starts from the state where the
図4は、リチウム二次電池100のサイクル数と、充電容量の維持率との関係を表す実験結果である。図4には、実線で実施の形態のリチウム二次電池100の特性を示し、比較用に固着部材140を含まないリチウム二次電池の特性を破線で示す。
FIG. 4 is an experimental result showing the relationship between the number of cycles of the lithium
なお、充電は、定電流定電圧(CC-CV:constant current-constant voltage)方式で0.5mAで行い、4.2Vで完了とした。放電は、定電流(CC:constant current)方式で0.5mAで行い、2Vで完了とした。また、性能評価の実験は、室温で行った。 Charging was performed at 0.5 mA using a constant current-constant voltage (CC-CV) method, and was completed at 4.2 V. Discharge was performed at 0.5 mA by a constant current (CC) method and completed at 2 V. The performance evaluation experiment was conducted at room temperature.
固着部材140を含まないリチウム二次電池とは、リチウム二次電池100から固着部材140を取り除いた構成を有し、リチウム130Aが析出していない状態では、負極集電体150の下面の全体が固体電解質層130の上面と接している。
The lithium secondary battery that does not include the fixing
また、サイクル数とは、充放電の繰り返し回数である。充電容量の維持率は、新品の状態での充電容量に対する、サイクル数分だけ充放電を繰り返し行った状態での充電容量を百分率(%)で表す。 The number of cycles is the number of times charging / discharging is repeated. The maintenance rate of the charge capacity is expressed as a percentage (%) of the charge capacity in a state where charging and discharging are repeated for the number of cycles with respect to the charge capacity in a new state.
図4に示すように、実線で示す実施の形態のリチウム二次電池100の特性と、破線で示す比較用のリチウム二次電池の特性とを比べると、両方ともサイクル数が数回くらいから100%よりも低くなり、回数を経るにつれて、両者の差は開いている。
As shown in FIG. 4, when the characteristics of the lithium
実線で示す実施の形態のリチウム二次電池100の特性は、破線で示す比較用のリチウム二次電池の特性に比べて改善されており、サイクル数が10回くらいまでは約10%の改善であり、その後は約15%程度の改善が見られた。
The characteristics of the lithium
このように、固着部材140を設けることにより、充放電を繰り返し行った場合の充電容量の低下が抑制されることを確認することができた。
In this way, it was confirmed that by providing the fixing
従って、実施の形態によれば、性能低下を抑制可能なリチウム二次電池100を提供することができる。すなわち、サイクル特性を改善したリチウム二次電池100を提供することができる。
Therefore, according to the embodiment, it is possible to provide the lithium
なお、以上では、固着部材140が平面視で矩形環状である形態について説明したが、固着部材140は、平面視で円環状、複数の直線状、又は、複数のドット状等であってもよい。固着部材140は、リチウム130Aが析出した際に、負極集電体150がリチウム130Aを固体電解質層130に向かう方向に付勢できるように、負極集電体150を固着して下向きに引っ張る力を発揮するものであればよい。
In the above, the form in which the fixing
また、以上では、固体電解質層130及び固着部材140の上に負極集電体150を直接的に設ける形態について説明したが、SOCが0%の状態でも、固体電解質層130と負極集電体150との間に負極としてのリチウム層が存在するようにしてもよい。
Further, although the embodiment in which the negative electrode
また、以上では、正極集電体110が白金層111Bを有する形態について説明したが、白金層111Bの代わりに金(Au)層を用いてもよい。
Further, although the form in which the positive electrode
また、以上では、正極120の作製に用いる正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)を用いる形態について説明したが、代わりにリン酸鉄リチウム(LiFePO4)又はマンガン酸リチウム(LiMn2O4)を用いてもよい。
Further, in the above, the embodiment in which lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) is used as the positive electrode active material used for producing the
また、以上では、固体電解質層130がリン酸三リチウム(Li3PO4)である形態について説明したが、代わりにリン酸リチウムオキシナイトライド(LiPON)を用いてもよい。
Further, although the form in which the
以上、本発明の例示的な実施の形態のリチウム二次電池について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。 Although the lithium secondary battery of the exemplary embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiment and deviates from the scope of claims. It is possible to make various modifications and changes.
以上の実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
正極集電体と、
前記正極集電体に重ねて設けられる正極と、
前記正極に重ねて設けられ、リチウムイオンを含む固体電解質層と、
前記固体電解質層の前記正極に面する第1面とは反対の第2面の一部分に設けられ、前記固体電解質層に対して不活性な絶縁材料製で、前記第2面に固着される固着部材と、
前記固体電解質層の第2面と、前記固着部材とに重ねて設けられ、前記前記固着部材に固着され、前記固体電解質層との間に析出するリチウムを前記固体電解質層に向かう方向に付勢する負極集電体と
を含む、リチウム二次電池。
(付記2)
前記固着部材は、平面視で矩形環状、円環状、複数の直線状、又は、複数のドット状である、付記1記載のリチウム二次電池。
(付記3)
前記絶縁材料は、アルミナ又はジルコニアである、付記1又は2記載のリチウム二次電池。
(付記4)
平面視で、前記固着部材が存在していない部分において、前記固体電解質層と前記負極集電体との間に設けられるリチウム製の負極をさらに含む、付記1乃至3のいずれか一項記載のリチウム二次電池。
(付記5)
前記負極集電体は、金属薄膜である、付記1乃至4のいずれか一項記載のリチウム二次電池。
(付記6)
前記負極集電体は、銅製である、付記1乃至5のいずれか一項記載のリチウム二次電池。
(付記7)
前記正極集電体は、前記正極に面接続される白金層を有する、付記1乃至6のいずれか一項記載のリチウム二次電池。
The following additional notes will be further disclosed with respect to the above embodiments.
(Appendix 1)
Positive current collector and
A positive electrode provided on the positive electrode current collector and a positive electrode
A solid electrolyte layer provided on the positive electrode and containing lithium ions,
It is made of an insulating material that is provided on a part of the second surface of the solid electrolyte layer opposite to the first surface facing the positive electrode and is inert to the solid electrolyte layer, and is fixed to the second surface. Members and
Lithium, which is provided so as to overlap the second surface of the solid electrolyte layer and the fixing member, is fixed to the fixing member, and precipitates between the solid electrolyte layer, is urged toward the solid electrolyte layer. Lithium secondary battery, including a negative electrode current collector.
(Appendix 2)
The lithium secondary battery according to
(Appendix 3)
The lithium secondary battery according to
(Appendix 4)
2. Lithium secondary battery.
(Appendix 5)
The lithium secondary battery according to any one of
(Appendix 6)
The lithium secondary battery according to any one of
(Appendix 7)
The lithium secondary battery according to any one of
100 リチウム二次電池
110 正極集電体
111A チタン層
111B 白金層
120 正極
130 固体電解質層
140 固着部材
150 負極集電体
100 Lithium
Claims (6)
前記正極集電体に重ねて設けられる正極と、
前記正極に重ねて設けられ、リチウムイオンを含む固体電解質層と、
前記固体電解質層の前記正極に面する第1面とは反対の第2面の一部分に設けられ、前記固体電解質層に対して不活性な絶縁材料製で、前記第2面に固着される固着部材と、
前記固体電解質層の第2面と、前記固着部材とに重ねて設けられ、前記固着部材に固着され、前記固体電解質層との間に析出するリチウムを前記固体電解質層に向かう方向に付勢する負極集電体と
を含み、
前記固着部材の表面のうち、前記固体電解質層に接していない領域の全てが前記負極集電体に接している、リチウム二次電池。 Positive current collector and
A positive electrode provided on the positive electrode current collector and a positive electrode
A solid electrolyte layer provided on the positive electrode and containing lithium ions,
It is made of an insulating material that is provided on a part of the second surface of the solid electrolyte layer opposite to the first surface facing the positive electrode and is inert to the solid electrolyte layer, and is fixed to the second surface. Members and
Lithium, which is provided so as to be overlapped with the second surface of the solid electrolyte layer and the fixing member, is fixed to the fixing member, and precipitates between the solid electrolyte layer, is urged toward the solid electrolyte layer. Including the negative electrode current collector
A lithium secondary battery in which all of the surface of the fixing member that is not in contact with the solid electrolyte layer is in contact with the negative electrode current collector .
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