JPH1083838A - 全固体リチウム電池 - Google Patents

全固体リチウム電池

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JPH1083838A
JPH1083838A JP8257603A JP25760396A JPH1083838A JP H1083838 A JPH1083838 A JP H1083838A JP 8257603 A JP8257603 A JP 8257603A JP 25760396 A JP25760396 A JP 25760396A JP H1083838 A JPH1083838 A JP H1083838A
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JP
Japan
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lithium
thin film
battery
solid
oxide
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JP8257603A
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English (en)
Inventor
Hideaki Otsuka
秀昭 大塚
Shigeto Okada
重人 岡田
Takahisa Masashiro
尊久 正代
So Arai
創 荒井
Junichi Yamaki
準一 山木
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な充電回路で充電ができ、サイクル性、
安全性の優れたリチウム二次電池を提供する。 【解決手段】 リチウムイオン導電性固体電解質3及
び、遷移金属酸化物を主体とする化合物を正極活物質2
とし、リチウム金属あるいはリチウムイオンを吸蔵、放
出可能な物質を負極活物質4として含む全固体リチウム
電池において、固体電解質3が、酸化リチウム、酸化バ
ナジウム、酸化珪素を含む物質よりなることを特徴とす
る。 【効果】 過充電による劣化の心配のない、良好なサイ
クル性をもつ安全なリチウム電池ができ、充電器の構成
が簡単になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム二次電
池、特に、固体電解質を用いた全固体リチウム電池に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体集積回路技術の進歩によ
り、電子機器の小型化、薄型化、低消費電力化が進んで
いる。それに伴い、各種電子機器の駆動用電源として、
小型、高エネルギー密度、高信頼性の電池が望まれてい
る。高エネルギー密度、高電圧の二次電池として、負極
にリチウム金属、リチウム合金、炭素系材料を用いたリ
チウム電池、リチウムイオン電池が注目されている。特
に、最近実用されているリチウムイオン電池は、正極活
物質として、LiCoO2が使われており、平均電圧
3.6Vという高電圧の放電特性を持つ二次電池であ
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、LiC
oO2あるいはLiNiO2を主とした化合物を正極材料
として用いたリチウム電池あるいはリチウムイオン電池
では、その正極材料及ぴ負極材料に応じた4.1V一
4.2Vの最大充電電圧を越えて充電すると充放電サイ
クル寿命が短くなってしまう。また、電解液の分解が起
こり、安全性の点からも問題を生じる可能性がある。こ
のような過充電状態をさけるため、この系の電池あるい
はその電池パックを使用する場合、充電器には基準電圧
源回路を含む複雑な充電制御回路が必要になっている。
これに対し、LiMn24は分解電圧が高いため、これ
を正極材料として用いた場合、LiCoO2等を用いた
場合に比べて過充電に強く、充電電圧の制御が厳しくな
い。しかし、その一方、LiMn24の場合には、有機
電解液の存在下で腐食溶解する(Extended A
bstracts of 186th Meeting
of the Electrochem. So
c., 94−2,159,(1994))ことが知ら
れている。このように、高電圧正極材料を用いたリチウ
ム電池あるいはリチウムイオン電池は、設定電圧以上の
充電電圧あるいは過充電にすると、正極材料、電解液の
分解が生じ、サイクル寿命や安全性上、問題をひきおこ
す。
【0004】本発明は、上記現状の問題点を改善するた
めに提案されたものであり、その目的は、簡単な充電回
路で充電ができ、サイクル性、安全性の優れたリチウム
二次電池を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明の全固体リチウム電池は、リチウムイオン導
電性固体電解質及び、遷移金属酸化物を主体とする化合
物を正極活物質とし、リチウム金属あるいはリチウムイ
オンを吸蔵、放出可能な物質を負極活物質として含む全
固体リチウム電池において、固体電解質が、酸化リチウ
ム、酸化バナジウム、酸化珪素を含む物質よりなること
を特徴とする。
【0006】すなわち電解質として、有機電解液の代わ
りに、Li2O、V25、SiO2からなる薄膜を用い、
正極材料として、LiwMn24薄膜を用いたものであ
る。
【0007】この全固体リチウム電池を作製するには、
基板として導電性基板を用い、正極材料の薄膜、固体電
解質の薄膜、負極としてリチウム金属あるいはリチウム
イオンを吸蔵、放出可能な物質の薄膜をこの順で形成す
る。導電性基板とは、基板上に正極側の集電極としてA
u、Pt等を形成した石英基板、ITO膜付き基板、あ
るいは、ステンレス基板等である。
【0008】この基板上に、遷移金属酸化物、特に、L
wMn24(ただし、0.1≦w≦2.0)を薄膜形
成する。薄膜の形成法としては、高周波スパッタ法、マ
グネトロンスパッタ法、あるいは真空蒸着法、電子ビー
ム蒸着等の方法が用いられる。この薄膜を熱処理して、
スピネル構造の結晶質薄膜とし、これを正極として用い
る。組成の範囲については、この範囲を逸脱すると、熱
処理による結晶質薄膜のスピネル相のでき具合が悪く、
電池特性が低下するため、上記範囲が望ましい。
【0009】固体電解質薄膜は次のようにして作製す
る。まず、Li2CO3、V25及ぴSiO2を所定の比
率で混合し、650〜800℃で焼成して焼結体を作
る。これをターゲットとして、マグネトロン型高周波ス
パッタ法により、Li2O、V25及ぴSiO2からなる
薄膜が作製できる。この薄膜の組成については、Li2
O、V25及びSiO2のモル比は、それぞれ、x、
y、z(ただし、x+y+z=1)としたとき、0.6
≦x≦0.85、0.05≦y/z≦9の範囲であるこ
とが望ましい。この範囲を逸脱すると導電率が小さくな
り、電池特性を損なうことになるからである。このLi
2O−V25−SiO2固体電解質薄膜は、不燃性の酸化
物であり、また、分解電圧も高く、高電圧のリチウム電
池の電解質として、安全かつ好適な材料である。
【0010】この導電性基板上に、LiwMn24正極
薄膜、Li2O−V25−SiO2固体電解質薄膜を積層
した上に、真空蒸着などの方法により、リチウム金属あ
るいはリチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質の薄膜を
形成することにより、薄膜型の全固体リチウム電池が作
製できる。
【0011】この薄膜電池を大気中に取り出すために集
電極として、Ni、Cu、Ti等のLi負極に対して安
定な金属の薄膜を真空蒸着等の方法で負極上に形成し、
さらに、エポキシ樹脂等で封止する。
【0012】以下、本発明を実施例により具体的に説明
する。
【0013】
【実施例】図1に本発明による全固体リチウム電池の具
体例の略図を示す。図中、1は導電性基板、2はLiM
24正極薄膜、3はLi2O、V25、SiO2からな
る固体電解質薄膜、4は負極Li薄膜を示している。本
実施例では、Li負極の封止を行わず、この状態のま
ま、ドライボックス中で電池特性を測定した。導電性基
板としてステンレス基板を用い、その基板上に、正極薄
膜としてLiMn24薄膜をマグネトロン型の高周波ス
パッタ装置を用いて形成し、酸素雰囲気中、600℃で
6時間熱処理を行い、スピネル相の結晶質薄膜を得た。
この正極薄膜上に、同じマグネトロン型の高周波スパッ
タ装置を用いて、Li2O−V25−SiO2固体電解質
薄膜を形成した。さらにその上に、Li薄膜を真空蒸着
法により形成した。LiMn24薄膜、Li2O−V2
5−SiO2固体電解質薄膜、Li薄膜の膜厚は、それぞ
れ、0.83μm、0.76μm、2.8μmである
【0014】このようにして作製した固体電池のOCV
(開路電圧)は3.9Vであった。この電池を、3.5
−5.0Vの電圧範囲で、10μA/cm2の一定電流
で充放電試験を行った。図2に代表的充放電曲線を示
す。LiMn24スピネル特有の約4Vの電圧平坦部が
見られる。図中、X軸0から右が放電、0から左が放電
を示し、X=−33μAh/cm2のあたりから充電を
開始し、X=0で充電から放電に切り替える。
【0015】図3に、放電容量のサイクル依存性を示
す。初期容量は、33.3μAh/cm2であり、体積
当たりに直すと、40μAh/cm2・μmであり、サ
イクルと共に少しずつ容量が低下するが、非常に良好な
サイクル依存性を示している(図中においては、体積あ
たり(μAh/cm2・μm)で記載してある)。
【0016】電解液を用いた電池では、電解液の分解の
ため、最大充電電圧は4.3Vであるが、この固体電池
では、最大充電電圧を5Vとしても、良好な電池特性を
示している。
【0017】
【比較例】実施例で述べたLiMn24薄膜を正極薄膜
として用い、有機電解液及ぴLi箔を用いたコイン型電
池を作製した。有機電解液として、エチレンカーボネー
トとジメチルカーボネートの混合溶媒にLiPF6を溶
解させた1規定溶液を用いた。この電池を、3.5−
4.3Vの電圧範囲で、10μA/cm2の一定電流で
充放電試験を行った。放電容量のサイクル依存性の結果
を、本発明の固体電池と比較するため、図3に一緒に示
す。図3から明らかなように、本発明の固体電池の方
が、この比較例に比べて、サイクルに伴う劣化が小さ
い。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
過充電による劣化の心配のない、良好なサイクル性をも
つ安全なリチウム電池ができ、充電器の構成が簡単にな
る。
【0019】さらに、本発明の電池は薄膜型であり、非
常に薄い電池として形状の自由度があり、また、通常の
薄膜形成法で作製できるので、半導体素子との複合化が
可能であるなどの利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の全固体リチウム電池の構造の略図。
【図2】本発明の固体電池の充放電曲線を示す図。
【図3】本発明の固体電池及ぴ比較例の有機電解液を用
いた電池の放電容量のサイクル依存性を示す図。
【符号の説明】
1 導電性基板 2 LiMn24正極薄膜 3 Li2O、V25、SiO2からなる固体電解質
薄膜 4 負極薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒井 創 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 山木 準一 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウムイオン導電性固体電解質及び、遷
    移金属酸化物を主体とする化合物を正極活物質とし、リ
    チウム金属あるいはリチウムイオンを吸蔵、放出可能な
    物質を負極活物質として含む全固体リチウム電池におい
    て、固体電解質が、酸化リチウム、酸化バナジウム、酸
    化珪素を含む物質よりなることを特徴とする全固体リチ
    ウム電池。
  2. 【請求項2】固体電解質が、一般式 xLi2O・yV25・zSiO2(ただし、x+y+z
    =1,0.6≦x≦0.85,0.05≦y/z≦9) で表される組成を主体とする、酸化リチウム、酸化バナ
    ジウム、酸化珪素を含む物質よりなる薄膜であることを
    特徴とする請求項1に記載の全固体リチウム電池。
  3. 【請求項3】化合物正極活物質が、一般式 LiwMn24(ただし、0.1≦w≦2.0) で表される組成を主体とする遷移金属酸化物薄膜である
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の全固体リチ
    ウム電池。
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