JPS62108470A - 固体状態電池 - Google Patents

固体状態電池

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JPS62108470A
JPS62108470A JP60247457A JP24745785A JPS62108470A JP S62108470 A JPS62108470 A JP S62108470A JP 60247457 A JP60247457 A JP 60247457A JP 24745785 A JP24745785 A JP 24745785A JP S62108470 A JPS62108470 A JP S62108470A
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JP
Japan
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positive electrode
solid state
battery
solid electrolyte
negative electrode
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JP60247457A
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English (en)
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Tadashi Tonomura
正 外邨
Satoshi Sekido
聰 関戸
Terutoshi Kanbara
神原 輝寿
Yoshiaki Nitta
芳明 新田
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TECH RES ASSOC CONDUCT INORG COMPO
Original Assignee
TECH RES ASSOC CONDUCT INORG COMPO
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562Solid materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、電池の構成要素がすべて固体の物質より成る
固体状態の電池に関する。特に、金属硫化物を主体とす
る正極と、負極と、固体電解質とにより構成される固体
状態の電池の構造に関する。
従来の技術 構成要素がすべて固体である電池は、物理蒸着法(Pv
D)あるいは化学蒸着法(CVD )等の薄膜形成技術
を用いて、極めて小形の電池とすることができる。中で
も、層状の結晶構造を有する二硫化チタン等の金属硫化
物を正極活物質とし、例えば銅を負極とし、例えば常温
で10S/cn1の高イオン伝導性を示すRbCu4工
。−ICt3+8(x==0 、25〜0.75)等の
銅イオン伝導性固体電解質を用いた電池は、くり返し使
用が可能な二次電池であり、半導体メモリー素子や太陽
電池等のバックアップ電源として、これら素子と一体化
して用いることのできる、今後のマイクロエレクトロニ
クス分野の小形二次電源としてきわめて有用である。
発明が解決しようとする問題点 ところが、この電池の正極活物質である金属硫化物は、
一般に熱的に不安定なものが多く、例えば二硫化チタン
は、40〜60℃で加熱すると容易に硫黄を遊離する。
通常の電子部品では、60〜80℃程度の耐熱性が要求
されることから、この電池も、実際の使用に際して60
〜80℃の高温ふん囲気下におかれることは避けがだく
、使用に際して必然的に硫黄の遊離は避は難い。
本発明者らが、第3図に示した構造の電池について行な
った電池高温保存実験によれば、この電池を80℃のふ
ん囲気下においだところ、約48時間後に、負極23側
から成長した黒色物が正極21に達し、内部短絡による
電池電圧の急激な低下が起こった。なお、第3図におい
て、22はRbCu4I 1.6C13,5より成る固
体を解質層、24は導電性カーボンフィルムより成る正
極集電体、25は導電性カーボンフィルムより成る負極
集電体、26はエポキシ樹脂よりなる被覆層である。
X線マイクロアナライザーで分析を行ったところ、この
黒色物は、硫化銅を主体とする物質であることが判明し
た。すなわち、電池高温保存中に、正極21よシ遊離し
た硫黄は、エポキシ樹脂被覆層26と電池側面との間隙
を通って負極23に達し、負極の銅と反応し硫化銅を生
成する。このようにして生成した硫化鋼を主体とする物
質は電気の良導体であり、負極と正極の間を電気的に接
続し、内部短絡による電池電圧の急激な低下をもたらす
このような電池電圧の急激な低下は、先に述べた銅を主
体とする負極を用いた電池に限らず、第3図と同様な構
造を有した銀あるいは銀合金を主体とする負極とRbA
g4I5 等の銀イオン伝導性固体電解質と例えば二硫
化チタン等の金属硫化物を主体とする正極とにより構成
される電池においても同様にみられる。この場合は、先
の硫化銅を主体とする黒色物に代わり硫化銀を主体とす
る黒色物が生成し、これが内部短絡の原因となり電圧の
急激な低下が起こる。まだ、第3図と同様な構造を有し
たり・チウムあるいはリチウム合金を主体とする負極と
、LiI 等のリチウムイオン伝導性固体電解質と例え
ば二硫化チタン等の金属硫化物を主体とする正極とによ
り構成される電池においても同様に電池電圧の急激な低
下が起きる。
この場合は、硫化リチウムの生成が原因となる。
いずれの場合も、硫黄と反応して電気伝導性の金属硫化
物を与える物質が負極成分に含まれているとこのような
内部短絡による電池電圧の急激な低下が生じる。
本発明は、上記問題点を解決し、高温保存中の急激な電
池電圧の低下の起こり難い固体状態電池を提供するもの
である。
問題点を解決するための手段 本発明は、固体電解質と正極集電体あるいは正極集電体
を保持している基体とで金属硫化物を主体とする正極を
包み込むものである。
作  用 本発明によれば、電池高温保存時において金属硫化物を
主体とする正極より遊離する硫黄は、正極近傍に有効に
留めおくことができるため、遊離硫黄が負極に達して反
応し硫化銅とか、硫化銀とか硫化リチウム等を主体とす
る析出物が生じることはない。したがって、正極からの
遊離硫黄が原因で起こる高温保存中の電池電圧の急激な
低下を有効に防止することができる。
正極を包み込む方法としては、基体上にあらかじめ真空
蒸着あるいはスパッタリングで形成した金、クロム、!
TO等よ構成る正極集電体上に正極活物質である金属硫
化物を正極集電体面上に納まるようにマスキングしてプ
ラズマCVD法により形成したのち、固体電解質である
例えば、Rb 、Cu  I   CZ    Rb 
A q 4I sあるいはLiI4 2−x    3
+x1 等の薄膜を真空蒸着により正極活物質薄膜をおおい尽す
ように形成するのが最も有効である。固体電解質薄膜の
真空蒸着のし方は例えば RbCu4I 1−5C13,5を用いる場合は真空容
器内に入れた銅ボート内に約300rn9のRbCu4
I2−、Ct3+。
粉末を加圧成形したベレットを入れ、あらかじめ正極集
電体、正極を形成した基体を所定のパターンのマスクを
配置したのち銅ポート蒸発源より3〜4−の距離に配置
し、真空容器内を10−4〜1O−5Torrの真空 
に排気する。次に蒸発源の温度を徐々に上昇させると、
約110℃でペレットが溶融状態となり、約300〜4
00℃で1〜2分間保持すると蒸発源からRbCu  
I   C1が4 2−x    3+x すべて飛散し、基体側に約6〜8μ厚みの固体電解質膜
があらかじめ定めたパターンに形成される。
その後、基体を真空容器内で、あるいは真空容器から取
り出し、不活性ガスふん囲気中あるいは1Torr程度
の真空中で約17時間130℃で加熱アニールすること
により緻密な固体電解質膜となる。
その他、正極を、固体電解質と正極集電体あるいは/お
よび基体とで包み込む方法として、固体電解質粉末とフ
ッ素樹脂やスチレンブタジェンゴム等とをn−ヘキサン
等の非極性溶媒に分散して作った塗料を正極をおおい尽
すように塗布し、乾燥することにより固体電解質膜を形
成する方法も用いることができる。また、正極粉末成形
ペレットを固体電解質粉末と一体になるようにプレス成
形して、正極を固体電解質層に埋め込む方法も用いるこ
とができる。
実施例 以下、実施例により詳細に説明する。
(実施例1) 第1図は、本発明の1つの実施例であり、単電池を横に
3個直列に接続した固体状態集合電池の断面の構造を示
す図である。1は2ttrm角の大きさの二硫化チタン
より成る厚さ約16μの正極層、  2は2,2叫角の
大きさのRbCu4I 、 、6C13,5より成る厚
さ8μの固体電解質層、3は長さ2.6順、巾1.8■
の金属銅よシなる厚さ2μの負極層、4は厚さ約100
μのポリエステルフィルムより成る基体、6は長さ2.
6ttan、巾2.2簡のインジウム−錫酸化物(IT
O)より成る厚さ0.3μの正極集電体である。正極層
1は、 T I C70とH2S を用いたプラズマC
VD法により形成し、固体電解質層2は、抵抗加熱の真
空蒸着法にょシ形成したものである。正極層1は、本発
明に従い、固体電解質層2と、正極集電体6および基体
4とにより包み込まれている。なお、6はエポキシ樹脂
よ構成る厚さ約200μの被覆層である。
(実施例2) 金属硫化物として、二硫化チタン(T I S 2 )
、二硫化ニオブ(NbS2)、二硫化ジルコニウム(Z
 r 32 )を各々用いて、第2図に示す断面の構造
を有する電池を構成した。正極11は、上記金属硫化物
粉末2重量部とRbCu、* I 1 、26CZ3.
75固体電解質粉末3重量部より成る混合粉末を直径6
瓢、厚さ0.3trrmに約3トンの圧力でプレス成形
したペレットであり、RbCu411 、25Ct3.
75  より成る固体電解質層12に埋め込まれている
。このような正極が固体電解質層に埋め込まれた状態は
、あらかじめペレット状に成形した正極を、固体電解質
粉と一体に成形した後、一体成形ペレットの片面を研摩
することによシ正極の一方の面を露出させることで容易
に作ることができる。13は金属銅粉4重量部、RbC
”411.25Ct3.75固体電解質粉1重量部より
成る負極である。14および16は各々導電性のカーボ
ンフィルムより成る正極および負極集電体、16はエポ
キシ樹脂等の熱硬化性樹脂よりなる被覆層である。正極
11は、本発明に従い、固体電解質層12と、正極集電
体14とにより包み込まれている。
(比較例1) 金属硫化物として、TiS2.NbS2.ZrS2 を
各々用いた第2図の構造の電池を構成した。正極の組成
、負極の組成および電解質は実施例2で用いたものと同
様である。
(実施例3) 金属硫化物としてTiS2を用いて、第2図に示す断面
の構造を有する電池を構成した。なお、負極として、厚
さ0.6型、直径7WrIRのリチウム内層 板を用い、固体電解質′はLiI  粉末をプレス成形
したものより成っている。正極は、T z S 22重
量と同様である。
(比較例2) 第3図に示す断面構造を有するように構成した以外は、
実施例3と同様にして電池を組み立てた。
(実施例4) 負極に、銀粉末4重量部、RbAq4I5粉末1重量部
より成る混合粉末のプレス成形ペレットを用い、固体電
解質にRbCu4I 、を用いた以外は、実施例3と同
様にして電池を組み立てた。
(比較例3) 第3図に示す断面構造を有するように構成した以外は、
実施例4と同様にして電池を組み立て九以上、実施例1
および2.比較例の電池について、ao’cで、無負荷
で放置する高温保存試験を行った。保存中の開路電圧の
測定結果を第4図にまとめて示す。なお開路電圧は、保
存電池を80℃から20℃へ冷やし2時間放置した後測
定した値である。
第4図の結果から明らかなように、本発明に従う実施例
1および2の電池は、保存20日を過ぎても、開路電圧
の低下は小さいが、比較例の電池では、保存2〜10日
後に急激な開路電圧の低下が起こっている。
特に低下が早期に起こっているのは、ZrS2゜T I
 S 2であり、本発明者らが行った熱分析によれば、
いずれも減量開始温度は30〜50℃と低く、金属硫化
物の中でも特に硫黄を遊離しやすい。
Z r S2 、 T I S 2等の低温で硫黄を遊
離しやすい金属硫化物を正極に用いた固体状態電池につ
いては、本発明が特に有効であることを第4図の結果は
示している。
同様に、第5図は、実施例3および4.比較例2および
3の電池を、80℃無負荷で放置する高温保存試験中の
開路電圧の測定結果を示している。
第6図に示した結果から明らかなように、本発明に従う
実施例3および4の電池は、保存2o臼を過ぎても開路
電圧の低下は小さいが、比較例2および3の電池では保
存2〜3日後に急激な開路電圧の低下が起こっている。
発明の効果 以上のように本発明によれば、高温においても内部短絡
の起こり難い信頼性の高い固体状態電池を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す薄膜状に作製した固体
状態電池の縦断面図、第2図は他の実施例の電池の縦断
面図、第3図は比較例の電池の縦断面図、第4図および
第5図は保存中の電池の開路電圧の変化を示す図である
。 1.11・・・・・・正極、2,12・・・・・・固体
電解質層、3.13・・・・・・負極、4・・・・・・
基体、6,14・・・・・・正極集電体。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名第1
図      1−4臘 2−tlvrll 3−=ll琢 4−一一基浴 fけ−L極 第3図 第4図 ン)O’c 4禾蓚期閣 (I32 第2図 δO’c f* gM開(E)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 電気伝導性物質より成る正極集電体を設けた基体上ある
    いは基体を兼ねる電気伝導性物質より成る正極集電体上
    に形成された金属硫黄化合物を主体とする正極と、負極
    と、負極と正極との間に配置される固体電解質とにより
    構成され、かつ、前記固体電解質と前記基体あるいは正
    極集電体とで前記正極を包み込んだことを特徴とする固
    体状態電池。
JP60247457A 1985-11-05 1985-11-05 固体状態電池 Pending JPS62108470A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012023032A (ja) * 2010-06-18 2012-02-02 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 蓄電装置の作製方法

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JPS6072168A (ja) * 1983-09-28 1985-04-24 Hitachi Maxell Ltd 固体電解質電池
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