WO2019181314A1 - 二次電池、及びその製造方法 - Google Patents

二次電池、及びその製造方法 Download PDF

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WO2019181314A1
WO2019181314A1 PCT/JP2019/005678 JP2019005678W WO2019181314A1 WO 2019181314 A1 WO2019181314 A1 WO 2019181314A1 JP 2019005678 W JP2019005678 W JP 2019005678W WO 2019181314 A1 WO2019181314 A1 WO 2019181314A1
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WO
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layer
secondary battery
electrode
oxide semiconductor
oxide
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PCT/JP2019/005678
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English (en)
French (fr)
Inventor
拓 樋口
孝司 殿川
和之 津國
大輔 長谷川
Original Assignee
株式会社日本マイクロニクス
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • 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
    • 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
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a technique for improving the performance of a secondary battery.
  • Patent Document 1 discloses a power storage element including a power storage layer including a mixture of an insulating material and n-type semiconductor particles between a first electrode and a second electrode.
  • a p-type semiconductor layer is disposed between the power storage layer and the second electrode.
  • a leak suppression layer is disposed between the p-type semiconductor layer and the electricity storage layer.
  • the leak suppression layer is composed of at least one selected from silicon dioxide, aluminum oxide, and magnesium oxide.
  • Patent Document 2 discloses a power storage element including a power storage layer including a mixture of an insulating material and n-type semiconductor particles between a first electrode and a second electrode.
  • a p-type semiconductor layer is disposed between the power storage layer and the second electrode.
  • a diffusion suppression layer having a resistivity of 1000 ⁇ ⁇ cm or less is disposed between the first electrode and the electricity storage layer.
  • the diffusion suppression layer is made of nitride, carbide, or boride.
  • This invention aims at providing the technique for improving the performance of a secondary battery.
  • a secondary battery includes a first electrode, a second electrode, and the first electrode and the second electrode, and includes a first n-type oxide semiconductor material.
  • the fifth layer containing a second insulating material is between the second layer and the third layer, or between the third layer and the fourth layer. It is preferable that they are arranged.
  • a fifth layer containing a second insulating material is disposed between the second layer and the third layer, and a sixth layer containing an aluminum compound is It is preferable to arrange between the second layer and the fifth layer.
  • the aluminum compound includes Al2O3 (aluminum oxide), AlN (aluminum nitride), AlON (aluminum oxynitride), Al (OH) 3 (aluminum hydroxide), and SiAlON (silicon-alumina nitride). It is preferable that at least one is included.
  • the thickness of the third layer is preferably 1 nm to 40 nm.
  • the thickness of the sixth layer is preferably 1 nm to 40 nm.
  • the fifth layer is a layer mainly composed of SiOx that is the second insulating material, and a metal oxide is added to the fifth layer. .
  • the metal oxide is preferably SnOx.
  • the third layer contains Si.
  • the sixth layer preferably contains Si.
  • the first insulating material is SiOx and the second n-type oxide semiconductor material is TiO 2 or TiOx.
  • the first n-type oxide semiconductor material is preferably TiO 2 or TiOx.
  • a method for manufacturing a secondary battery includes a step of forming a first layer containing a first n-type oxide semiconductor material on a first electrode, Forming a second layer including a second n-type oxide semiconductor material and a first insulating material; and forming a third layer including an aluminum compound on the second layer.
  • the step of forming the fifth layer including the second insulating material between the second layer and the third layer, or the third layer and the first layer It is preferable to provide the process of forming between 4 layers.
  • a step of forming a fifth layer containing a second insulating material between the second layer and the third layer, and a sixth layer containing an aluminum compound It is preferable to provide a step of forming the layer between the second layer and the fifth layer.
  • the third layer and the sixth layer are formed by sputtering, coating, or CVD.
  • a technique for improving the performance of the secondary battery can be provided.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a stacked configuration of the secondary battery according to the first embodiment.
  • 3 is a graph showing discharge characteristics of the secondary battery according to the first embodiment.
  • 3 is a flowchart showing a method for manufacturing the secondary battery according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a stacked configuration of a secondary battery according to a second embodiment.
  • 6 is a diagram schematically showing a stacked configuration of a secondary battery according to Modification 1.
  • FIG. 1 (Laminated structure of secondary battery) The basic configuration of the secondary battery according to the present embodiment will be described below with reference to FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a laminated structure of a secondary battery.
  • the secondary battery 100 includes a base material 20, a first electrode 21, a first layer 11, a second layer 12, a third layer 13, a fourth layer 14, and a second electrode 22. It has a laminated structure laminated in order.
  • the base material 20 is an insulating sheet or a substrate.
  • a resin sheet or a glass substrate can be used as the base material 20.
  • the base material 20 may be a semiconductor wafer or the like.
  • the base material 20 may be a conductive substrate or a metal foil sheet.
  • a SUS sheet or an aluminum sheet can also be used as the substrate 20.
  • the substrate 20 is a sheet having a thickness of 5 to 10 ⁇ m.
  • a first electrode 21 A first electrode 21 is disposed on the substrate 20.
  • the first electrode 21 is a negative electrode of the secondary battery 100.
  • a metal material such as tungsten (W), chromium (Cr), or titanium (Ti) can be used as the material of the first electrode 21.
  • an alloy film containing aluminum (Al), silver (Ag), or the like may be used.
  • the first electrode 21 is a film having a thickness of 300 nm.
  • Examples of the method for forming the first electrode 21 include vapor deposition methods such as sputtering, ion plating, electron beam vapor deposition, vacuum vapor deposition, and chemical vapor deposition.
  • the metal electrode can be formed by an electrolytic plating method, an electroless plating method, or the like.
  • copper, copper alloy, nickel, aluminum, silver, gold, zinc, tin or the like can be used as a metal used for plating.
  • the base material 20 can be used as the first electrode 21. Thereby, the process of forming the first electrode 21 on the substrate 20 can be omitted.
  • the base material 20 is the first electrode 21, for example, a metal foil sheet such as a SUS sheet or an aluminum sheet can be used as the base material 20.
  • the first layer 11 is disposed on the first electrode 21.
  • the first layer 11 is disposed on the second electrode 22 side of the first electrode 21.
  • the first layer 11 is formed in contact with the first electrode 21.
  • the film thickness of the first layer 11 is, for example, about 50 nm to 300 nm.
  • the first layer 11 includes an n-type oxide semiconductor material (first n-type oxide semiconductor material).
  • the first layer 11 is an n-type oxide semiconductor layer formed with a predetermined thickness.
  • titanium dioxide (TiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), or zinc oxide (ZnO) can be used as the first layer 11.
  • the first layer 11 is an n-type oxide semiconductor layer formed on the first electrode 21 by sputtering or vapor deposition. It is particularly preferable to use titanium dioxide (TiO 2 ) as the material of the first layer 11.
  • the 2nd layer 12 which functions as a 1st charge layer is arrange
  • the second layer 12 is disposed on the second electrode 22 side of the first layer 11.
  • the second layer 12 is formed so as to be in contact with the first layer 11.
  • the thickness of the second layer 12 is, for example, 200 nm to 1500 nm.
  • the second layer 12 includes an insulating material (first insulating material).
  • a silicone resin can be used as the first insulating material.
  • the first insulating material it is preferable to use a silicon compound (silicone) having a main skeleton with a siloxane bond such as silicon oxide. Therefore, the second layer 12 includes silicon oxide (SiO x ) as the first insulating material.
  • the second layer 12 includes an n-type oxide semiconductor material (second n-type oxide semiconductor material) in addition to the insulating material (first insulating material). That is, the second layer 12 is formed of a mixture obtained by mixing the first insulating material and the second n-type oxide semiconductor material.
  • a fine-particle n-type oxide semiconductor can be used as the second n-type oxide semiconductor material.
  • the second n-type oxide semiconductor becomes a layer having a charging function by ultraviolet irradiation.
  • the second layer 12 is formed of silicon oxide and titanium dioxide using the second n-type oxide semiconductor material as titanium dioxide.
  • the n-type oxide semiconductor material usable in the second layer 12 tin oxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), and magnesium oxide (MgO) are suitable. It is also possible to use materials that combine two, three or all of titanium dioxide, tin oxide, zinc oxide, magnesium oxide.
  • the second n-type oxide semiconductor material included in the second layer 12 and the first n-type oxide semiconductor material included in the first layer 11 may be the same or different. Good.
  • the first n-type oxide semiconductor material included in the first layer 11 is titanium oxide
  • the second n-type oxide semiconductor material of the second layer 12 may be titanium oxide.
  • An n-type oxide semiconductor material other than titanium oxide may be used.
  • the 3rd layer 13 which functions also as an ion conductive film is arrange
  • the third layer 13 is disposed on the second electrode 22 side of the second layer 12.
  • the third layer 13 is formed so as to be in contact with the second layer 12.
  • the thickness of the third layer 13 is 1 nm to 40 nm.
  • the third layer 13 is formed of an aluminum compound.
  • the aluminum compound is Al 2 O 3 (alumina), AlN (aluminum nitride), AlON (aluminum oxynitride), Al (OH) 3 (aluminum hydroxide), and SiAlON (silicon-alumina nitride). At least one of them is shown.
  • the third layer 13 is formed by sputtering using these aluminum compounds as targets.
  • an alumina layer formed by a sputtering method or the like becomes the third layer 13.
  • a film forming method reactive sputtering using pure Al or an Al alloy containing Al as a main component as a target can be used.
  • the Al alloy an Al—Si alloy obtained by adding Si to Al can be used.
  • the third layer 13 contains Si. That is, the third layer 13 is an aluminum oxide layer containing Si.
  • the aluminum oxide layer can be formed by an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a coating method, or the like.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • a fourth layer 14 is disposed on the third layer 13.
  • the fourth layer 14 is disposed on the second electrode 22 side of the third layer 13.
  • the fourth layer 14 is formed in contact with the third layer 13.
  • the fourth layer 14 can be formed with a thickness in the range of 200 nm to 1500 nm.
  • the fourth layer 14 includes a p-type oxide semiconductor material.
  • the fourth layer 14 is a p-type oxide semiconductor layer formed with a predetermined thickness.
  • nickel oxide (NiO), copper aluminum oxide (CuAlO2), or the like can be used as the p-type semiconductor material constituting the fourth layer 14.
  • the fourth layer 14 is a nickel oxide layer having a thickness of 400 nm. For example, a nickel oxide layer formed by sputtering or the like becomes the fourth layer 14.
  • a second electrode 22 is disposed on the fourth layer 14.
  • the second electrode 22 is formed so as to be in contact with the fourth layer 14.
  • the second electrode 22 only needs to be formed of a conductive film.
  • metal materials such as chromium (Cr) or copper (Cu) can be used.
  • As another metal material there is a silver (Ag) alloy containing aluminum (Al).
  • the forming method include vapor phase film forming methods such as sputtering, ion plating, electron beam evaporation, vacuum evaporation, and chemical vapor deposition.
  • the metal electrode can be formed by an electrolytic plating method, an electroless plating method, or the like.
  • copper, copper alloy, nickel, aluminum, silver, gold, zinc, tin or the like can be used as a metal used for plating.
  • the second electrode 22 is an Al film having a thickness of 300 nm.
  • the third layer 13 including an aluminum compound layer such as aluminum oxide is interposed between the second layer 12 and the fourth layer 14.
  • the performance of the secondary battery 100 can be improved.
  • the interface between the second layer 12 and the fourth layer 14 (specifically, between the second layer 12 and the third layer 13).
  • the leakage current can be reduced and the self-discharge level can be reduced. Further, the leakage current can be further reduced by setting the thickness of the third layer 13 to 1 nm to 40 nm.
  • the thickness of the aluminum compound layer (here, the aluminum oxide layer) is preferably 1 to 40 nm. Thereby, an increase in internal resistance can be suppressed and self-discharge can be suppressed. For example, if the aluminum oxide layer is made too thick, the internal resistance increases and the voltage drop when the discharge current is increased is increased. If the aluminum oxide layer is made too thin, the internal resistance can be lowered, but self-discharge tends to increase. Therefore, the thickness of the aluminum oxide layer is preferably 1 to 40 nm.
  • FIG. 2 shows the charge / discharge characteristics of two samples I and II.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents voltage.
  • the third layer 13 is an aluminum oxide film having a thickness of about 20 nm
  • the third layer 13 is an aluminum oxide film having a thickness of about 40 nm.
  • FIG. 2 shows a change in voltage with time when samples I and II are charged and discharged under the same charge and discharge conditions.
  • the sputtering conditions for the third layer 13 in Sample I are as follows: DC power 1 kW, deposition time 30 minutes, argon gas flow rate 10 SCCM, oxygen gas flow rate 3 SCCM.
  • the sputter deposition conditions of the third layer 13 in Sample II are DC power 1 kW, deposition time 30 minutes, argon gas flow rate 100 SCCM, oxygen gas flow rate 5 SCCM.
  • Sample I is compared with a comparative example in which the third layer 13 is an insulating film of silicon oxide (SiO x ).
  • the discharge time is almost the same as that of the comparative example, but the leak increases.
  • Sample II compared with the comparative example, the leak is small but the internal resistance is large and the output density is lowered, but the energy density is increased.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing the secondary battery 100.
  • First electrode 21 is formed on substrate 20 (S10).
  • the first electrode 21 is formed by, for example, a sputtering method.
  • the first electrode 21 is, for example, a tungsten electrode or a titanium electrode.
  • the first layer 11 is formed on the first electrode 21 (S11).
  • the first layer 11 contains the first n-type oxide semiconductor material as described above.
  • a TiO 2 film can be formed as the first layer 11 by sputtering using Ti or TiO as a target.
  • the first layer 11 can be a TiO 2 film having a thickness of 50 nm to 200 nm.
  • the second layer 12 is formed on the first layer 11 (S12).
  • the second layer 12 can be formed using a coating pyrolysis method.
  • a coating solution is prepared by mixing a solvent in a mixture of titanium oxide, tin oxide, or a precursor of zinc oxide, and silicone oil.
  • the second layer 12 is made of silicon oxide as the first insulating material and titanium oxide as the second n-type oxide insulating material.
  • fatty acid titanium as a precursor of titanium oxide can be used.
  • a coating liquid is prepared by stirring fatty acid titanium and silicone oil together with a solvent.
  • the coating solution is applied onto the first layer 11 by spin coating, slit coating, or the like. Specifically, the coating liquid is applied at a rotational speed of 500 to 3000 rpm by a spin coating apparatus.
  • the second layer 12 can be formed on the first layer 11 by performing drying, baking, and UV irradiation on the coating film. For example, after application, it is dried on a hot plate.
  • the drying temperature on the hot plate is about 30 to 200 ° C., and the drying time is about 5 to 30 minutes.
  • the firing temperature is, for example, about 300 ° C. to 600 ° C., and the firing time is about 10 minutes to 60 minutes.
  • the aliphatic acid salt is decomposed to form a layer in which silicone fine particles and titanium dioxide fine particles are mixed.
  • the coating film after baking is irradiated with UV light by a low-pressure mercury lamp.
  • the UV irradiation time is 10 to 60 minutes.
  • the second n-type oxide semiconductor is titanium oxide
  • titanium stearate can be used as another example of the precursor.
  • Titanium oxide, tin oxide, and zinc oxide are formed by decomposition from an aliphatic acid salt that is a precursor of a metal oxide.
  • fine particles of an oxide semiconductor can be used without using a precursor.
  • a liquid mixture is produced by mixing nanoparticles of titanium oxide or zinc oxide with silicone oil.
  • a coating liquid is produced
  • the third layer 13 is formed on the second layer 12 (S13).
  • the third layer 13 is an aluminum compound film such as an alumina film.
  • An alumina film can be formed by reactive sputtering using pure Al or an Al alloy as a target.
  • the third layer 13 is formed by reactive sputtering using an Al—Si alloy as a target.
  • an Al—Si alloy added with 1.0 at% of Si is used.
  • the DC power is 0.5 kW
  • the film formation time is 10 minutes
  • the argon gas flow rate is 100 SCCM
  • the oxygen gas flow rate is 5 SCCM.
  • the fourth layer 14 is formed on the third layer 13 (S14).
  • the fourth layer 14 is a nickel oxide (NiO) layer.
  • a fourth layer 14 is formed on the third layer 13 by sputtering using Ni or NiO as a target.
  • the second electrode 22 is formed on the fourth layer 14 (S15).
  • Examples of the method for forming the second electrode 22 include vapor phase film forming methods such as sputtering, ion plating, electron beam evaporation, vacuum evaporation, and chemical vapor deposition. Note that the second electrode 22 may be partially formed using a mask.
  • the second electrode 22 can be formed by an electrolytic plating method, an electroless plating method, or the like. In general, copper, copper alloy, nickel, aluminum, silver, gold, zinc, tin or the like can be used as a metal used for plating.
  • the second electrode 22 is an Al film having a thickness of 300 nm.
  • the high-performance secondary battery 100 can be manufactured by the above manufacturing method.
  • the secondary battery 100 with a small leakage current can be manufactured.
  • Leakage current can be further reduced by setting the thickness of the third layer 13 to 1 nm to 40 nm.
  • FIG. A secondary battery 100A according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a stacked configuration of the secondary battery 100A.
  • the secondary battery 100 ⁇ / b> A includes a base material 20, a first electrode 21, a first layer 11, a second layer 12, a third layer 13, a fifth layer 15, a fourth layer 14, and
  • the second electrode 22 has a stacked structure in which the second electrodes 22 are stacked in this order.
  • the fifth layer 15 is disposed on the second electrode 22 side of the third layer 13.
  • the fourth layer 14 is disposed on the second electrode side of the fifth layer 15. That is, the fifth layer 15 is disposed between the third layer 13 and the fourth layer 14.
  • the fifth layer 15 is formed in contact with the third layer 13.
  • the fourth layer 14 is formed so as to be in contact with the fifth layer 15.
  • the thickness of the fifth layer 15 is 100 nm to 150 nm.
  • the fifth layer 15 can be formed with a thickness in the range of 50 nm to 250 nm. More desirably, the fifth layer 15 may be formed with a thickness in the range of 150 nm to 200 nm.
  • the fifth layer 15 has at least one of water (H 2 O) and a hydroxyl group (—OH), and functions as a solid electrolyte layer that moves H + .
  • the fifth layer 15 is a layer containing an insulating material (second insulating material).
  • the fifth layer 15 includes silicon oxide (SiO x ) as the second insulating material.
  • the fifth layer 15 includes, for example, at least one of hydroxide ions (OH ⁇ ) such as tantalum oxide, tungsten oxide, tin oxide, phosphorus oxide, and aluminum oxide, and hydronium ions (H 3 O + ). Silicon oxide (second insulating material) to which a movable hydratable metal oxide is added may be provided.
  • the hydrated oxide may be any of tin (II) oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, and aluminum oxide.
  • the fifth layer 15 may contain phosphorus or phosphorus oxide.
  • a conductivity adjusting material may be added to the second insulating material in the fifth layer 15.
  • the conductivity adjusting material may include an n-type oxide semiconductor material (third n-type oxide semiconductor material) or a metal oxide.
  • the fifth layer 15 may include at least one selected from the group consisting of oxides of Ti, Sn, Zn, Nb, or Mg as a conductivity adjusting material. By using an oxide of Sn, Zn, Ti, Nb, or Mg as the conductivity adjusting material, the fifth layer 15 can be formed thick and electrically with a high breakdown voltage.
  • tin oxide can be used as the third n-type oxide semiconductor material included in the fifth layer 15.
  • the fifth layer 15 includes a mixture in which silicon oxide and tin oxide are mixed.
  • the third n-type oxide semiconductor material is added to silicon oxide, silicon nitride, or silicone oil.
  • the n-type oxide semiconductor is dispersed in silicon dioxide that is the second insulating material.
  • the third n-type oxide semiconductor material in the fifth layer 15 is an oxide selected from tin oxide (SnOx), zinc oxide (ZnO), titanium oxide (TiOx), and niobium oxide (NbOx). Two or more may be included.
  • the second n-type oxide semiconductor material included in the second layer 12 and the third n-type oxide semiconductor material included in the fifth layer 15 may be the same material or different materials. There may be.
  • the third n-type oxide semiconductor material in the fifth layer 15 is tin oxide
  • the second n-type oxide semiconductor material in the second layer 12 may be tin oxide
  • An n-type oxide semiconductor material other than tin oxide may be used.
  • the fifth layer 15 can be manufactured by the same method as the third layer 13. Specifically, fatty acid tin and silicone oil are stirred together with a solvent to prepare a chemical solution. This chemical solution is applied onto the second layer 12 using a spin coater. The rotational speed is, for example, about 500 to 3000 rpm. After application, it is dried on a hot plate. The drying temperature on the hot plate is, for example, about 30 to 200 ° C., and the drying time is, for example, about 5 to 30 minutes.
  • the firing temperature is, for example, about 300 ° C. to 600 ° C.
  • the firing time is, for example, about 10 minutes to 60 minutes.
  • UV irradiation with a low-pressure mercury lamp is performed.
  • the UV irradiation time is, for example, about 10 to 100 minutes.
  • the film thickness of the fifth layer 15 after UV irradiation is, for example, about 100 nm to 300 nm.
  • tin oxide fine particles of an oxide semiconductor can be used without using a precursor.
  • silicone oil By mixing the tin oxide nanoparticles with silicone oil, a mixture is produced. Furthermore, a coating liquid is produced
  • the fifth layer 15 Another example of the formation process of the fifth layer 15 will be described.
  • a layer made of only the second insulating material is used as the fifth layer 15. That is, a method for forming the fifth layer 15 that does not include the third n-type oxide semiconductor material will be described below.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ Stir silicone oil with a solvent to prepare a chemical solution.
  • the chemical solution is applied onto the second layer 12 using a spin coater.
  • a spin coater is used.
  • the rotation speed of the spin coater is, for example, about 500 to 3000 rpm.
  • After application, it is dried on a hot plate.
  • the drying temperature on the hot plate is, for example, about 50 to 200 ° C., and the drying time is, for example, about 5 to 30 minutes.
  • the firing temperature is, for example, about 300 ° C. to 600 ° C.
  • the firing time is, for example, about 10 to 60 minutes.
  • UV irradiation with a low-pressure mercury lamp is performed.
  • the UV irradiation time is, for example, about 10 to 60 minutes.
  • the film thickness of the fifth layer 15 after UV irradiation is, for example, about 10 nm to 100 nm.
  • a third layer 13 that is an aluminum oxide layer, a fifth layer 15 as a solid electrolyte layer, and a fourth layer 14 are disposed on the second layer 12. According to this configuration, the performance of the secondary battery 100A can be improved.
  • the interface between the second layer 12 and the fifth layer 15 (specifically, the interface between the second layer 12 and the third layer 13, and the The interface between the third layer 13 and the fifth layer 15) can be controlled to reduce the leakage current and lower the self-discharge level.
  • the thickness of the third layer 13 is 1 to 40 nm. Thereby, better charge / discharge characteristics can be obtained.
  • the sputtering conditions for the third layer 13 are as follows: DC power 0.5 kW, deposition time 10 minutes, argon gas flow rate 100 SCCM, oxygen gas flow rate 5 SCCM.
  • the film thickness of the third layer 13 under this film forming condition is 5 nm.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a stacked configuration of the secondary battery 100B.
  • the secondary battery 100 ⁇ / b> B includes a base material 20, a first electrode 21, a first layer 11, a second layer 12, a fifth layer 15, a third layer 13, a fourth layer 14, and a second electrode 22. Have a stacked structure in which the layers are stacked in this order.
  • the fifth layer 15 is disposed on the second electrode 22 side of the second layer 12.
  • the third layer 13 is arranged on the second electrode 22 side of the fifth layer 15. That is, the fifth layer 15 is disposed between the third layer 13 and the second layer 12.
  • the fifth layer 15 is formed in contact with the third layer 13.
  • the fifth layer 15 is formed so as to be in contact with the second layer 12. Therefore, the arrangement of the fifth layer 15 and the third layer 13 is changed with respect to the configuration of FIG. In other words, in the configuration of FIG. 4, the fifth layer 15 is disposed between the third layer 13 and the fourth layer 14, whereas in the first modification, the fifth layer 15 is It is arranged between the third layer 13 and the second layer 12. Note that. Since the order other than the stacking order of the fifth layer 15 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted as appropriate.
  • the fifth layer 15 is a layer containing silicon oxide (SiOx) as in the second embodiment and the fifth layer 15.
  • the fifth layer 15 is a layer mainly composed of silicon oxide (SiOx) which is a third insulating material.
  • the fifth layer 15 can be formed by applying silicone oil on the second layer 12. That is, the step of forming the fifth layer 15 may be performed between S12 and S13 in FIG. Since the formation process of the 5th layer 15 is the same as that of the 5th layer 15 of Embodiment 2, detailed description is abbreviate
  • a fifth layer 15 as a solid electrolyte layer, a third layer 13 that is an aluminum compound layer such as an aluminum oxide layer, and a fourth layer 14 are disposed on the second layer 12. ing.
  • the performance of the secondary battery 100B can be improved.
  • the interface between the fifth layer 15 and the fourth layer specifically, the interface between the fifth layer 15 and the third layer 13.
  • the leakage current can be reduced and the self-discharge level can be lowered by controlling the interface between the third layer 13 and the fourth layer 14.
  • the thickness of the third layer 13 is 1 to 40 nm. Thereby, better charge / discharge characteristics can be obtained.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a stacked configuration of the secondary battery 100C.
  • the secondary battery 100 ⁇ / b> C includes a base material 20, a first electrode 21, a first layer 11, a second layer 12, a third layer 13, a fifth layer 15, a sixth layer 16, and a fourth layer 14.
  • the second electrode 22 has a stacked structure in which they are stacked in this order.
  • the sixth layer 16 is added to the stacked configuration of FIG.
  • the sixth layer 16 is disposed on the second electrode 22 side of the fifth layer 15.
  • the fourth layer 14 is disposed on the second electrode 22 side of the sixth layer 16. That is, the sixth layer 16 is disposed between the fifth layer 15 and the fourth layer 14.
  • the sixth layer 16 is formed so as to be in contact with the fifth layer 15.
  • the fourth layer 14 is formed so as to be in contact with the sixth layer 16.
  • the sixth layer 16 is formed of an aluminum compound.
  • the aluminum compound is Al 2 O 3 (alumina), AlN (aluminum nitride), AlON (aluminum oxynitride), Al (OH) 3 (aluminum hydroxide), and SiAlON (silicon-alumina nitride). At least one of them is shown.
  • the sixth layer 16 is formed by sputtering using these aluminum compounds as targets. Therefore, two aluminum compound layers are formed between the second layer 12 and the fourth layer 14. And the 5th layer 15 is arrange
  • the film thickness and the formation method of the sixth layer 16 can be the same as those of the third layer 13.
  • the sixth layer 16 and the third layer 13 are aluminum oxide layers.
  • a third layer 13 (aluminum oxide layer), a fifth layer 15 as a solid electrolyte layer, a sixth layer 16 (aluminum oxide layer), and a fourth layer are formed on the second layer 12.
  • Layer 14 is disposed.
  • the performance of the secondary battery 100C can be improved.
  • the third layer 13 an aluminum compound layer such as an aluminum oxide layer
  • the interface between the second layer 12 and the fifth layer 15 (specifically, between the second layer 12 and the third layer 13).
  • the leakage current can be reduced by controlling the interface and the interface between the third layer 13 and the fifth layer 15.
  • the interface between the fifth layer 15 and the fourth layer 14 (specifically, the fifth layer 15 and the sixth layer 16 and And the interface between the sixth layer 16 and the fourth layer 14) can be controlled to reduce the leakage current. By reducing these leakage currents, the self-discharge level can be lowered.
  • the thickness of the third layer 13 is more preferably 1 nm to 40 nm. Furthermore, the total film thickness of the third layer 13 and the sixth layer 16 may be 1 nm to 40 nm. Thereby, better charge / discharge characteristics can be obtained. Further, the third layer 13 may be thicker than the sixth layer 16. Alternatively, the third layer 13 may be thinner than the sixth layer 16. The third layer 13 may have the same thickness as the sixth layer 16.
  • sample A The sample of the laminated structure shown in FIG. 4 is referred to as sample A
  • sample D a sample having a stacked structure shown in FIG.
  • the third layer 13 and the sixth layer 16 are not formed. That is, Sample D has a stacked configuration in which only the fifth layer 15 is disposed between the second layer 12 and the fourth layer 14.
  • the sputtering conditions for the aluminum oxide layer are as follows: DC power 0.5 kW, deposition time 10 minutes, argon gas flow rate 100 SCCM, oxygen gas flow rate 5 SCCM.
  • the film thickness of the third layer 13 under this film forming condition is 5 nm.
  • the remaining capacity and the maintenance voltage are measured when left for a predetermined time.
  • the measurement results are shown in FIG.
  • the remaining capacity is indicated by the ratio of the capacity after self-discharge to the charge capacity.
  • the remaining capacity and the sustain voltage are normalized so that the value of the sample D is 1.
  • the performance of the secondary battery can be improved by disposing the third layer 13 between the second layer 12 and the fourth layer 14.
  • this invention includes the appropriate deformation

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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

二次電池の性能を向上するための技術を提供すること 本実施の形態にかかる二次電池(100)は、第1電極(21)と、第2の電極(22)と、第1電極(21)と第2電極(22)との間に配置され、第1のn型酸化物半導体材料を含んだ第1の層(11)と、第1の層(11)の上に配置され、第2のn型酸化物半導体材料と第1の絶縁材料とを含んだ第2の層(12)と、第2の層(12)の上に配置され、アルミニウム化合物を含んだ第3の層(13)と、第3の層(13)の上に配置され、p型酸化物半導体材料を含んだ第4の層(14)と、を備えている。

Description

二次電池、及びその製造方法
 本発明は、二次電池の性能を向上するための技術に関する。
 特許文献1には、第1電極と第2電極との間に、絶縁材料とn型半導体粒子との混合物を含む蓄電層と備えた蓄電素子が開示されている。また、蓄電層と第2電極との間にp型半導体層が配置されている。更に、p型半導体層と蓄電層との間には、リーク抑制層が配置されている。リーク抑制層は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウムより選ばれる少なくとも一つで構成されている。
 特許文献2には、第1電極と第2電極との間に、絶縁材料とn型半導体粒子との混合物を含む蓄電層と備えた蓄電素子が開示されている。また、蓄電層と第2電極との間にp型半導体層が配置されている。更に、第1電極と蓄電層との間には、抵抗率が1000μΩ・cm以下の拡散抑制層が配置されている。拡散抑制層は、窒化物、炭化物、硼化物により形成されている。
特開2016-82125号公報 特開2016-91931号公報
 このような二次電池では、さらなる性能の向上が望まれている。
 本発明は、二次電池の性能を向上するための技術を提供することを目的とする。
 本実施形態の一態様に係る二次電池は、第1電極と、第2電極と、前記第1電極と第2電極との間に配置され、第1のn型酸化物半導体材料を含んだ第1の層と、前記第1の層の上に配置され、第2のn型酸化物半導体材料と第1の絶縁材料とを含んだ第2の層と、前記第2の層の上に配置され、アルミニウム化合物を含んだ第3の層と、前記第3の層の上に配置され、p型酸化物半導体材料を含んだ第4の層と、を備えている。これにより、二次電池の性能を向上することができる。
 上記の二次電池において、第2の絶縁材料を含む第5の層が、前記第2の層と前記第3の層との間、又は第3の層と前記第4の層との間に配置されていることが好ましい。
 上記の二次電池において、第2の絶縁材料を含む第5の層が、前記第2の層と前記第3の層との間に配置され、アルミニウム化合物を含んだ第6の層が、前記第2の層と前記第5の層との間に配置されていることが好ましい。
 上記の二次電池において、前記アルミニウム化合物は、Al2O3(酸化アルミニウム)、AlN(アルミナイトライド)、AlON(酸窒化アルミニウム)、Al(OH)(水酸化アルミニウム)、及びSiAlON(シリコン―アルミナ窒化物)のうち少なくとも1つを含むことが好ましい。
 上記の二次電池において、前記第3の層の厚さが、1nm~40nmであることが好ましい。
 上記の二次電池において、前記第6の層の厚さが、1nm~40nmであることが好ましい。
 上記の二次電池において、前記第5の層が前記第2の絶縁材料であるSiOxを主成分とする層であり、前記第5の層には、金属酸化物が添加されていることが好ましい。
 上記の二次電池において、前記金属酸化物がSnOxであることが好ましい。
 上記の二次電池において、前記第3の層には、Siが含まれていることが好ましい。
 上記の二次電池において、前記第6の層には、Siが含まれていることが好ましい。
 上記の二次電池において、前記第1の絶縁材料がSiOxであり、前記第2のn型酸化物半導体材料がTiO、又はTiOxであることが好ましい。
 上記の二次電池において、前記第1のn型酸化物半導体材料がTiO、又はTiOxであることが好ましい。
  本実施形態の一態様に係る二次電池の製造方法は、第1電極の上に、第1のn型酸化物半導体材料を含む第1の層を形成する工程と、前記第1の層の上に、第2のn型酸化物半導体材料と第1の絶縁材料とを含む第2の層を形成する工程と、前記第2の層の上に、アルミニウム化合物を含む第3の層を形成する工程と、前記第3の層の上に、p型酸化物半導体材料を含む第4の層を形成する工程と、前記第4の層の上に、第2電極を形成する工程と、を備えている。
 上記の二次電池の製造方法において、第2の絶縁材料を含む第5の層を、前記第2の層と前記第3の層との間に形成する工程、又は第3の層と前記第4の層との間に形成する工程を備えることが好ましい。
 上記の二次電池の製造方法において、第2の絶縁材料を含む第5の層を、前記第2の層と前記第3の層との間に形成する工程と、アルミニウム化合物を含んだ第6の層を、前記第2の層と前記第5の層との間に形成する工程と、備えることが好ましい。
 上記の二次電池の製造方法において、前記第3の層、及び第6の層が、スパッタ法、塗布、又はCVD法により形成されていることが好ましい。
 本発明によれば、二次電池の性能を向上するための技術を提供することができる。
実施の形態1にかかる二次電池の積層構成を模式的に示す図である。 実施の形態1にかかる二次電池の放電特性を示すグラフである。 実施の形態1にかかる二次電池の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態2にかかる二次電池の積層構成を模式的に示す図である。 変形例1にかかる二次電池の積層構成を模式的に示す図である。 変形例2にかかる二次電池の積層構成を模式的に示す図である。 比較例にかかる二次電池の積層構成を模式的に示す図である。 サンプルA~Dの自己放電の測定結果を示す表である。
 以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施形態を示しており、本発明の技術的範囲が以下の実施形態に限定されない。
実施の形態1.
(二次電池の積層構造)
 以下、本実施の形態にかかる二次電池の基本的な構成について、図1を用いて説明する。図1は、二次電池の積層構成を模式的に示す断面図である。
 図1において、二次電池100は、基材20、第1電極21,第1の層11,第2の層12,第3の層13、第4の層14,及び第2電極22がこの順序で積層された積層構造を有している。
[基材20]
 基材20は、絶縁性のシート又は基板等である。例えば、基材20として、樹脂シートやガラス基板などを用いることができる。また、基材20は、半導体ウェハなどであってもよい。あるいは、基材20は、導電性の基板や金属箔シートであってもよい。基材20としてSUSシートやアルミニウムシートを用いることもできる。例えば、基材20は、厚さ5~10μmのシートとなっている。
[第1電極21]
 基材20の上には、第1電極21が配置されている。第1電極21は、二次電池100の負極となる。第1電極21の材料として、タングステン(W)、クロム(Cr)又はチタン(Ti)等の金属材料を用いることができる。第1電極21の材料として、アルミニウム(Al)、銀(Ag)等を含む合金膜を用いてもよい。例えば、第1電極21は、厚さ300nmの膜となっている。
 第1電極21の形成方法としては、スパッタリング、イオンプレーティング、電子ビーム蒸着、真空蒸着、化学蒸着等の気相成膜法を挙げることができる。また、金属電極は電解メッキ法、無電解メッキ法等により形成することができる。メッキに使用される金属としては、一般に銅、銅合金、ニッケル、アルミ、銀、金、亜鉛又はスズ等を使用することが可能である。
 また、基材20として導電性材料を用いる場合、基材20を第1電極21とすることもできる。これにより、基材20の上に、第1電極21を形成する工程を省略することができる。基材20を第1電極21とする場合、基材20として、例えば、SUSシートやアルミニウムシート等の金属箔シートを用いることができる。
[第1の層11]
 第1電極21の上には、第1の層11が配置されている。第1の層11は、第1電極21の第2電極22側に配置されている。第1の層11は、第1電極21と接するように形成されている。第1の層11の膜厚は、例えば、約50nm~300nm程度である。
 第1の層11はn型酸化物半導体材料(第1のn型酸化物半導体材料)を含んでいる。第1の層11は、所定の厚さで形成されたn型酸化物半導体層である。第1の層11としては、例えば、二酸化チタン(TiO)、酸化スズ(SnO)又は酸化亜鉛(ZnO)等を使用することが可能である。例えば、第1の層11は、スパッタリング又は蒸着等により、第1電極21上に成膜されたn型酸化物半導体層である。第1の層11の材料として、二酸化チタン(TiO)を用いることが特に好ましい。
[第2の層12]
 第1の層11の上には、第1の充電層として機能する第2の層12が配置されている。第2の層12は、第1の層11の第2電極22側に配置されている。第2の層12は、第1の層11と接するように形成されている。第2の層12の厚さは、例えば200nm~1500nmとなっている。
 第2の層12は、絶縁材料(第1の絶縁材料)を含んでいる。第1の絶縁材料としては、シリコーン樹脂を用いることができる。例えば、第1の絶縁材料としては、シリコン酸化物等のシロキサン結合による主骨格を持つシリコン化合物(シリコーン)を使用することが好ましい。よって、第2の層12は、第1の絶縁材料として酸化ケイ素(SiO)を含んでいる。
 また、第2の層12は、絶縁材料(第1の絶縁材料)に加えて、n型酸化物半導体材料(第2のn型酸化物半導体材料)を含んでいる。すなわち、第2の層12は、第1の絶縁材料と第2のn型酸化物半導体材料とを混合した混合物により形成されている。例えば、第2のn型酸化物半導体材料として、微粒子のn型酸化物半導体を使用することが可能である。第2のn型酸化物半導体は、紫外線照射により、充電機能を備えた層となる。
 この場合、例えば、第2の層12は、第2のn型酸化物半導体材料を二酸化チタンとして、酸化シリコンと二酸化チタンとによって形成される。この他に、第2の層12で使用可能なn型酸化物半導体材料としては、酸化スズ(SnO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)が好適である。二酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化マグネシウムの2つ、3つ、又は全てを組み合わせた材料を使用することも可能である。
 第2の層12に含まれる第2のn型酸化物半導体材料と、第1の層11に含まれる第1のn型酸化物半導体材料とは、同じであってもよく、異なっていてもよい。例えば、第1の層11に含まれる第1のn型酸化物半導体材料が酸化チタンである場合、第2の層12の第2のn型酸化物半導体材料は酸化チタンであってもよいし、酸化チタン以外のn型酸化物半導体材料であってもよい。
[第3の層13]
 第2の層12の上には、イオン伝導性膜としても機能する第3の層13が配置されている。第3の層13は、第2の層12の第2電極22側に配置されている。第3の層13は、第2の層12と接するように形成されている。第3の層13の厚さは、1nm~40nmとなっている。
 第3の層13は、アルミニウム化合物で形成される。ここでアルミニウム化合物とは、Al(アルミナ)、AlN(アルミナイトライド)、AlON(酸窒化アルミニウム)、Al(OH)(水酸化アルミニウム)、及びSiAlON(シリコン―アルミナ窒化物)のうち少なくとも1つを示す。第3の層13は、例えば、これらのアルミニウム化合物をターゲットとして、スパッタ法により形成される。
 例えば、スパッタ法等により形成されたアルミナ層が、第3の層13となる。成膜法として、純Al、又はAlを主成分とするAl合金をターゲットとして用いた反応性スパッタを用いることが可能である。あるいは、Al合金としては、AlにSiを添加したAl-Si合金を用いることが可能である。この場合、第3の層13にはSiが含まれる。すなわち、第3の層13は、Siを含有する酸化アルミニウム層となる。
 あるいは、ALD(Atomic Layer Deposition)法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、塗布法などにより、酸化アルミニウム層を形成することもできる。
[第4の層14]
 第3の層13の上には、第4の層14が配置されている。第4の層14は、第3の層13の第2電極22側に配置されている。第4の層14は、第3の層13と接するように形成されている。第4の層14は、200nm~1500nmの範囲の厚さで形成することができる。
 第4の層14は、p型酸化物半導体材料を含んでいる。第4の層14は、所定の厚さで形成されたp型酸化物半導体層である。第4の層14を構成するp型半導体材料としては、酸化ニッケル(NiO)、又は銅アルミ酸化物(CuAlO2)等を使用することが可能である。第4の層14は、厚さ400nmの酸化ニッケル層となっている。例えば、スパッタ法等により形成された酸化ニッケル層が第4の層14となる。
[第2電極22]
 第4の層14の上には、第2電極22が配置されている。第2電極22は、第4の層14と接するように形成されている。第2電極22は、導電膜によって形成されていればよい。また、第2電極22の材料としては、クロム(Cr)又は銅(Cu)等の金属材料を用いることができる。他の金属材料として、アルミニウム(Al)を含む銀(Ag)合金等がある。その形成方法としては、スパッタリング、イオンプレーティング、電子ビーム蒸着、真空蒸着、化学蒸着等の気相成膜法を挙げることができる。また、金属電極は電解メッキ法、無電解メッキ法等により形成することができる。メッキに使用される金属としては、一般に銅、銅合金、ニッケル、アルミ、銀、金、亜鉛又はスズ等を使用することが可能である。例えば、第2電極22は、厚さ300nmのAl膜となっている。
 このように、第2の層12と第4の層14との間に、酸化アルミニウム等のアルミニウム化合物層を含む第3の層13が介在している。この構成によれば、二次電池100の性能を向上することができる。酸化アルミニウム等のアルミニウム化合物層を含む第3の層13を設けることで、第2の層12と第4の層14との界面(詳細には第2の層12と第3の層13との界面、並びに、第3の層13と第4の層14との界面)をコントロールして、リーク電流を低減し、自己放電レベルを低下することができる。さらに、第3の層13の厚さを1nm~40nmとすることで、よりリーク電流を低減することができる。
 アルミニウム化合物の層(ここでは酸化アルミニウム層)の厚さを1~40nmとすることが好ましい。これにより、内部抵抗の上昇を抑制することができるとともに、自己放電を抑制することができる。例えば、酸化アルミニウム層を厚くしすぎてしまうと、内部抵抗が高くなり、放電電流を大きくした時の電圧降下が大きくなってしまう。酸化アルミニウム層を薄くしすぎてしまうと、内部抵抗を下げることができるが、自己放電が多くなる傾向がある。よって、酸化アルミニウム層の厚さを1~40nmとすることが好ましい。
 図2では、2つのサンプルI、IIの充放電特性が示されている。図2において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。サンプルIでは、第3の層13が厚さ約20nmの酸化アルミニウム膜となっており、サンプルIIでは、第3の層13が厚さ約40nmの酸化アルミニウム膜となっている。図2は、サンプルI、IIを同じ充放電条件で充放電を行った時に電圧の時間変化を示している。
 サンプルIでの第3の層13のスパッタ成膜条件は、DCパワー1kW,成膜時間30分、アルゴンガス流量10SCCM、酸素ガス流量3SCCMである。サンプルIIでの第3の層13のスパッタ成膜条件は、DCパワー1kW、成膜時間30分、アルゴンガス流量100SCCM、酸素ガス流量5SCCMである。
 サンプルIを第3の層13を酸化ケイ素(SiO)の絶縁膜とした比較例と比較する。サンプルIの場合、放電時間については比較例とほぼ同等の結果となるが、リークが多くなる。一方、サンプルIIの場合、比較例と比較して、リークが小さいが内部抵抗が大きく、出力密度が下がるが、エネルギー密度は増加する。
(製造方法)
 次に、本実施の形態にかかる二次電池100の製造方法について、図3を用いて説明する。図3は、二次電池100の製造方法を示すフローチャートである。
 基材20の上に、第1電極21を形成する(S10)。第1電極21は、例えば、スパッタ法により形成される。第1電極21は、例えば、タングステン電極又はチタン電極等である。
 第1電極21の上に、第1の層11を形成する(S11)。第1の層11は、上記のように第1のn型酸化物半導体材料を含んでいる。例えば、第1の層11は、Ti又はTiOをターゲットとするスパッタ法によって、TiO膜を第1の層11として成膜することができる。第1の層11は、厚さ50nm~200nmのTiO膜とすることができる。
 次に、第1の層11の上に、第2の層12を形成する(S12)。第2の層12は、塗布熱分解法を用いて形成することができる。まず、酸化チタン、又は酸化スズ、又は、酸化亜鉛の前駆体と、シリコーンオイルとの混合物に溶媒を混合した塗布液を用意する。ここでは、第2の層12は、第1の絶縁材料として酸化シリコンを、第2のn型酸化物絶縁材料として酸化チタンとする例について説明する。この場合、酸化チタンの前駆体としての脂肪酸チタンを用いることができる。脂肪酸チタンとシリコーンオイルとを溶媒とともに攪拌して、塗布液を用意する。
 スピン塗布法、スリットコート法などにより、塗布液が第1の層11上に塗布される。具体的には、スピン塗布装置により、回転数500~3000rpmで、塗布液を塗布する。
 次に、塗布膜に対して、乾燥、焼成、及びUV照射を行うことで、第1の層11上に第2の層12を形成することができる。例えば、塗布後、ホットプレート上で乾燥させる。ホットプレート上での乾燥温度は、30℃~200℃程度であり、乾燥時間は、5分~30分程度である。乾燥後、焼成炉を用いて大気中で焼成する。焼成温度は、例えば、300℃~600℃程度であり、焼成時間は、10分~60分程度である。
 これにより、脂肪族酸塩が分解してシリコーン微粒子と、二酸化チタンの微粒子が混在している層が形成される。焼成後の塗布膜に対して、低圧水銀ランプにより、UV光を照射する。UV照射時間は10分~60分である。
 なお、第2のn型酸化物半導体が酸化チタンである場合、前駆体の他の一例として、例えばチタニウムステアレートが使用できる。酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛は、金属酸化物の前駆体である脂肪族酸塩から分解して形成される。酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛などについては、前駆体を用いずに、酸化物半導体の微細な粒子を用いることも可能である。酸化チタン、又は酸化亜鉛のナノ粒子をシリコーンオイルと混合することで、混合液が生成される。さらに、混合液に溶媒を混合することで、塗布液が生成される。
 第2の層12の上に、第3の層13を形成する(S13)。第3の層13は、アルミナ膜等のアルミニウム化合物膜である。純Al又はAl合金をターゲットとする反応性スパッタにより、アルミナ膜を形成することができる。ここでは、Al-Si合金をターゲットとする反応性スパッタにより、第3の層13を形成している。ここでは、Siを1.0at%添加したAl-Si合金を用いている。DCパワー0.5kW、成膜時間10分、アルゴンガス流量100SCCM、酸素ガス流量5SCCMである。
 次に、第3の層13の上に、第4の層14を形成する(S14)。第4の層14は、酸化ニッケル(NiO)層である。Ni、又はNiOをターゲットとしたスパッタ法により、第3の層13の上に、第4の層14が形成される。
 第4の層14の上に、第2電極22を形成する(S15)。第2電極22の形成方法としては、スパッタリング、イオンプレーティング、電子ビーム蒸着、真空蒸着、化学蒸着等の気相成膜法を挙げることができる。なお、マスクを用いて、第2電極22を部分的に成膜してもよい。また、第2電極22は電解メッキ法、無電解メッキ法等により形成することができる。メッキに使用される金属としては、一般に銅、銅合金、ニッケル、アルミ、銀、金、亜鉛又はスズ等を使用することが可能である。例えば、第2電極22は、厚さ300nmのAl膜となっている。
 上記の製造方法により、高性能の二次電池100を製造することができる。特にリーク電流の小さい二次電池100を製造することができる。第3の層13の厚さを1nm~40nmとすることで、リーク電流をより低減することができる。
実施の形態2.
 実施の形態2にかかる二次電池100Aについて、図4を用いて説明する。図4は、二次電池100Aの積層構成を示す断面図である。図4において、二次電池100Aは、基材20、第1電極21、第1の層11、第2の層12,第3の層13、第5の層15、第4の層14、及び第2電極22がこの順序で積層された積層構造を有している。
 第3の層13の第2電極22側には、第5の層15が配置されている。第5の層15の第2電極側に、第4の層14が配置されている。すなわち、第5の層15が、第3の層13と第4の層14との間に配置されている。第5の層15は、第3の層13と接するように形成されている。第4の層14は、第5の層15と接するように形成されている。
 第5の層15の厚さは、100nm~150nmとなっている。また、第5の層15は、50nm~250nmの範囲の厚さで形成することができる。より望ましくは、第5の層15は、150nm~200nmの範囲の厚さで形成されていてもよい。
 第5の層15は、水(HO)及び水酸基(-OH)のうち少なくとも1つを有し、Hを移動させる固体電解質層として機能する。第5の層15は、絶縁材料(第2の絶縁材料)を含む層である。第5の層15は、第2の絶縁材料として、酸化ケイ素(SiO)を含んでいる。
 また、第5の層15は、例えば、酸化タンタル、酸化タングステン、酸化スズ、酸化リン、酸化アルミニウムなど水酸化物イオン(OH)、及びヒドロニウムイオン(H)のうち少なくとも1つが移動可能な水和性の金属酸化物を添加した酸化ケイ素(第2の絶縁材料)を備えていても良い。水和酸化物としては、酸化スズ(II)、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、及び酸化アルミニウムのうちのいずれかで良い。更に、第5の層15は、リン又は酸化リンを有していても良い。
 また、第5の層15に、第2の絶縁材料に導電率調整材が添加されていてもよい。導電率調整材は、n型酸化物半導体材料(第3のn型酸化物半導体材料)、又は金属の酸化物を備えていてもよい。例えば、第5の層15は、導電率調整材として、Ti、Sn、Zn、Nb、又はMgの酸化物からなる群から選択された少なくとも1つを備えていてもよい。導電率調整材をSn、Zn、Ti、Nb、又はMgの酸化物とすることで、第5の層15を厚く、かつ電気的に高耐圧に形成可能である。
 具体的には、第5の層15に含まれる第3のn型酸化物半導体材料としては、酸化スズ(SnO)を使用することが可能である。この場合、第5の層15は、酸化ケイ素と酸化スズとを混合した混合物を含んでいる。第5の層15では、シリコン酸化物、シリコン窒化物又はシリコーンオイルに、第3のn型酸化物半導体材料が添加されている。n型酸化物半導体は、第2の絶縁材料である二酸化ケイ素中に分散される。
 第5の層15中の第3のn型酸化物半導体材料は、酸化スズ(SnOx)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(TiOx)、及び酸化ニオブ(NbOx)から選択される酸化物を1つ以上含んでいてもよい。
 第2の層12に含まれる第2のn型酸化物半導体材料と、第5の層15に含まれる第3のn型酸化物半導体材料とは、同じ材料であってもよく、異なる材料であってもよい。例えば、第5の層15中の第3のn型酸化物半導体材料が酸化スズである場合、第2の層12の第2のn型酸化物半導体材料は酸化スズであってもよいし、酸化スズ以外のn型酸化物半導体材料であってもよい。
 次に、製造方法について説明する。第5の層15を除いた各層の形成方法は、実施の形態1と同様であるため説明を省略する。すなわち、以下に示す第5の層15の形成工程が、図3のS13とS14との間に実施されている。
 第5の層15は、第3の層13と同様の方法により製造することができる。具体的には、脂肪酸スズとシリコーンオイルを溶媒と共に攪拌して、薬液を用意する。この薬液を、スピン塗布装置を用いて、第2の層12上に塗布する。回転数は例えば、約500~3000rpmである。塗布後、ホットプレート上で乾燥させる。ホットプレート上の乾燥温度は例えば、約30℃~200℃程度、乾燥時間は例えば、約5分~30分程度である。
 さらに、乾燥後焼成する。乾燥後焼成には、焼成炉を用い、大気中で焼成する。焼成温度は例えば、約300℃~600℃程度、焼成時間は例えば、約10分~60分程度である。焼成後、低圧水銀ランプによるUV照射を実施する。UV照射時間は例えば、約10分~100分程度である。UV照射後の第5の層15の膜厚は、例えば、約100nm~300nm程度である。
 酸化スズについては、前駆体を用いずに、酸化物半導体の微細な粒子を用いることも可能である。酸化スズのナノ粒子をシリコーンオイルと混合することで、混合液が生成される。さらに、混合液に溶媒を混合することで、塗布液が生成される。
 第5の層15の形成工程の別の例について、説明する。ここでは、第5の層15として、第2の絶縁材料のみからなる層を用いている。すなわち、第3のn型酸化物半導体材料を含んでいない第5の層15を形成する方法を以下に説明する。
 シリコーンオイルを溶媒と共に攪拌して、薬液を用意する。薬液を、スピン塗布装置を用いて、第2の層12上に塗布する。ここでは、スピン塗布装置を用いている。スピン塗布装置の回転数は例えば、500~3000rpm程度である。塗布後、ホットプレート上で乾燥させる。ホットプレート上の乾燥温度は例えば、50℃~200℃程度、乾燥時間は例えば、5分~30分程度である。
 さらに、乾燥後焼成する。乾燥後焼成には、焼成炉を用い、大気中で焼成する。焼成温度は例えば、約300℃-600℃程度、焼成時間は例えば、約10分~60分程度である。焼成後、低圧水銀ランプによるUV照射を実施する。UV照射時間は例えば、約10分~60分程度である。UV照射後の第5の層15の膜厚は、例えば、約10nm~100nm程度である。
 この構成では、第2の層12の上に、酸化アルミニウム層である第3の層13、固体電解質層としての第5の層15、及び第4の層14が配置されている。この構成によれば、二次電池100Aの性能を向上することができる。第3の層13を酸化アルミニウム層とすることで、第2の層12と第5の層15との界面(詳細には第2の層12と第3の層13との界面、並びに、第3の層13と第5の層15との界面)をコントロールして、リーク電流を低減し、自己放電レベルを低下することができる。
 実施の形態1と同様に、第3の層13の膜厚を1~40nmとすることがより好ましい。これにより、より良好な充放電特性を得ることができる。また、本実施の形態2では、第3の層13のスパッタ成膜条件として、DCパワー0.5kW、成膜時間10分、アルゴンガス流量100SCCM、酸素ガス流量5SCCMとなっている。この成膜条件での、第3の層13の膜厚は、5nmである。
変形例1.
 変形例1にかかる二次電池100Bについて、図5を用いて説明する。図5は、二次電池100Bの積層構成を示す断面図である。二次電池100Bは、基材20、第1電極21、第1の層11、第2の層12、第5の層15、第3の層13、第4の層14、及び第2電極22がこの順序で積層された積層構造を有している。
 したがって、第2の層12の第2電極22側に、第5の層15が配置されている。第5の層15の第2電極22側に、第3の層13が配置されている。すなわち、第5の層15が、第3の層13と第2の層12との間に配置されている。第5の層15は、第3の層13と接するように形成されている。第5の層15は、第2の層12と接するように形成されている。
 したがって、図4の構成に対して、第5の層15と第3の層13との配置が入れ替わった構成となっている。換言すると、図4の構成では、第5の層15が第3の層13と第4の層14との間に配置されていたのに対して、変形例1では、第5の層15が第3の層13と第2の層12との間に配置されていている。なお。第5の層15の積層順以外については、実施の形態1と同様であるため、適宜説明を省略する。
 第5の層15は、実施の形態2と第5の層15と同様に、酸化ケイ素(SiOx)を含む層である。具体的には、第5の層15は、第3の絶縁材料である酸化ケイ素(SiOx)を主成分とする層である。例えば、第2の層12の上に、シリコーンオイルを塗布することで、第5の層15は、を形成することができる。すなわち、図3のS12とS13との間に第5の層15の形成工程を実施すればよい。第5の層15の形成工程については、実施の形態2の第5の層15と同様であるため、詳細な説明を省略する。
 この構成においては、第2の層12の上に、固体電解質層としての第5の層15、酸化アルミニウム層等のアルミニウム化合物層である第3の層13、及び第4の層14が配置されている。この構成によれば、二次電池100Bの性能を向上することができる。第3の層13を酸化アルミニウム層等のアルミニウム化合物層とすることで、第5の層15と第4の層との界面(詳細には第5の層15と第3の層13との界面、並びに、第3の層13と第4の層14との界面)をコントロールして、リーク電流を低減し、自己放電レベルを低下することができる。
 実施の形態1と同様に、第3の層13の膜厚を1~40nmとすることがより好ましい。これにより、より良好な充放電特性を得ることができる。
変形例2.
 変形例2にかかる二次電池100Cについて、図6を用いて説明する。図5は、二次電池100Cの積層構成を示す断面図である。二次電池100Cは、基材20、第1電極21、第1の層11、第2の層12、第3の層13、第5の層15、第6の層16,第4の層14、及び第2電極22がこの順序で積層された積層構造を有している。
 したがって、図4の積層構成に対して、第6の層16が追加された積層構成となっている。第5の層15の第2電極22側に、第6の層16が配置されている。第6の層16の第2電極22側に第4の層14が配置されている。すなわち、第6の層16は、第5の層15と第4の層14との間に配置されている。第6の層16は、第5の層15と接するように形成されている。第4の層14は、第6の層16と接するように形成されている。
 第6の層16は、第3の層13と同様にアルミニウム化合物で形成される。ここでアルミニウム化合物とは、Al(アルミナ)、AlN(アルミナイトライド)、AlON(酸窒化アルミニウム)、Al(OH)(水酸化アルミニウム)、及びSiAlON(シリコン―アルミナ窒化物)のうち少なくとも1つを示す。第6の層16は、例えば、これらのアルミニウム化合物をターゲットとして、スパッタ法により形成される。従って、第2の層12と第4の層14との間には、2層のアルミニウム化合物層が形成されている。そして、2層のアルミニウム化合物層の間に、第5の層15が配置されている。第6の層16の膜厚、及び形成方法は、第3の層13と同様とすることができる。本実施の形態では、第6の層16、及び第3の層13が酸化アルミニウム層となっている。
 この構成においては、第2の層12の上に、第3の層13(酸化アルミニウム層)、固体電解質層としての第5の層15、第6の層16(酸化アルミニウム層)、及び第4の層14が配置されている。この構成によれば、二次電池100Cの性能を向上することができる。第3の層13を酸化アルミニウム層等のアルミニウム化合物層とすることで、第2の層12と第5の層15との界面(詳細には第2の層12と第3の層13との界面、並びに第3の層13と第5の層15との界面)をコントロールして、リーク電流を低減させることができる。また、第6の層16をアルミニウム層等のアルミニウム化合物層とすることで、第5の層15と第4の層14との界面(詳細には第5の層15と第6の層16との界面、並びに第6の層16と第4の層14との界面)をコントロールして、リーク電流を低減させることができる。これらのリーク電流を低減させることにより、自己放電レベルを低下することができる。
 実施の形態1と同様に、第3の層13の膜厚を1nm~40nmとすることがより好ましい。さらに、第3の層13と第6の層16との合計膜厚を1nm~40nmとするようにしてもよい。これにより、より良好な充放電特性を得ることができる。また、第3の層13は、第6の層16よりも厚くなっていてもよい。あるいは、第3の層13は、第6の層16よりも薄くなっていてもよい。第3の層13は、第6の層16と同じ厚さであってもよい。
(充放電試験)
 以下、図4~図6に示す積層構成のサンプルの自己放電後の測定結果について、説明する。図4に示す積層構成のサンプルをサンプルAとし、図5に示す積層構成のサンプルをサンプルBとし、図6に示す積層構成のサンプルをサンプルCとする。さらに、図7に示す積層構成のサンプルをサンプルDとする。サンプルDでは、第3の層13、及び第6の層16が形成されていない。すなわち、サンプルDでは、第2の層12と第4の層14との間に、第5の層15のみが配置された積層構成となっている。
 サンプルA~Cにおいて、酸化アルミニウム層のスパッタ成膜条件は、DCパワー0.5kW、成膜時間10分、アルゴンガス流量100SCCM、酸素ガス流量5SCCMとなっている。この成膜条件での、第3の層13の膜厚は、5nmである。
 ここでは、サンプルA~Dを同じ充電条件で充電した後、所定時間放置した時の残容量と維持電圧を測定している。この測定結果を図8に示す。なお、残容量は、充電容量に対する自己放電後の容量の割合で示される。ここでは、残容量、及び維持電圧について、サンプルDの値が1となるように規格化している。
 自己放電後のサンプルDの残容量を1とすると、サンプルAの残容量は0.76であり、サンプルBの残容量は1.22であり、サンプルCの残容量は1.32である。よって、サンプルDと比べて、サンプルBでは、自己放電比が22%向上し、サンプルCでは自己放電比が32%向上する。
 また、自己放電後のサンプルDの維持電圧を1とすると、サンプルAの維持電圧は0.94であり、サンプルBの維持電圧は0.99であり、サンプルCの残容量は0.99である。よって、サンプルB,Cでは、電圧低下が小さくなる。
 このように、第2の層12と第4の層14との間に第3の層13を配置することで、二次電池の性能を向上することができる。
 以上、本発明の実施形態の一例を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。
 この出願は、2018年3月20日に出願された日本出願特願2018-52028を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
 100 二次電池
 11 第1の層(n型酸化物半導体層)
 12 第2の層(SiOx+TiOx)
 13 第3の層(アルミニウム化合物層)
 14 第4の層(p型酸化物半導体層)
 15 第5の層
 16 第6の層(アルミニウム化合物層)
 20 基材
 21 第1電極
 22 第2電極

Claims (16)

  1.  第1電極と、
     第2電極と、
     前記第1電極と第2電極との間に配置され、第1のn型酸化物半導体材料を含んだ第1の層と、
     前記第1の層の上に配置され、第2のn型酸化物半導体材料と第1の絶縁材料とを含んだ第2の層と、
     前記第2の層の上に配置され、アルミニウム化合物を含んだ第3の層と、
     前記第3の層の上に配置され、p型酸化物半導体材料を含んだ第4の層と、を備えた二次電池。
  2.  第2の絶縁材料を含む第5の層が、前記第2の層と前記第3の層との間、又は第3の層と前記第4の層との間に配置されている請求項1に記載の二次電池。
  3.  第2の絶縁材料を含む第5の層が、前記第2の層と前記第3の層との間に配置され、
     アルミニウム化合物を含んだ第6の層が、前記第2の層と前記第5の層との間に配置されている請求項1に記載の二次電池。
  4.  前記アルミニウム化合物は、Al2O3(酸化アルミニウム)、AlN(アルミナイトライド)、AlON(酸窒化アルミニウム)、Al(OH)(水酸化アルミニウム)、及びSiAlON(シリコン―アルミナ窒化物)のうち少なくとも1つを含む請求項1~3のいずれか1項に記載の二次電池。
  5.  前記第3の層の厚さが、1nm~40nmである請求項1~4のいずれか1項に記載の二次電池。
  6.  前記第6の層の厚さが、1nm~40nmである請求項3に記載の二次電池。
  7.  前記第5の層が前記第2の絶縁材料であるSiOxを主成分とする層であり、
     前記第5の層には、金属酸化物が添加されている請求項2、又は3に記載の二次電池。
  8.  前記金属酸化物がSnOxである請求項7に記載の二次電池。
  9.  前記第3の層には、Siが含まれている請求項1~8のいずれか1項に記載の二次電池。
  10.  前記第6の層には、Siが含まれている請求項3、又は6に記載の二次電池。
  11.  前記第1の絶縁材料がSiOxであり、
     前記第2のn型酸化物半導体材料がTiO、又はTiOxである請求項1~9のいずれか1項に記載の二次電池。
  12.  前記第1のn型酸化物半導体材料がTiO、又はTiOxである請求項1~10のいずれか1項に記載の二次電池。
  13.  第1電極の上に、第1のn型酸化物半導体材料を含む第1の層を形成する工程と、
     前記第1の層の上に、第2のn型酸化物半導体材料と第1の絶縁材料とを含む第2の層を形成する工程と、
     前記第2の層の上に、アルミニウム化合物を含む第3の層を形成する工程と、
     前記第3の層の上に、p型酸化物半導体材料を含む第4の層を形成する工程と、
     前記第4の層の上に、第2電極を形成する工程と、を備えた二次電池の製造方法。
  14.  第2の絶縁材料を含む第5の層を、前記第2の層と前記第3の層との間に形成する工程、又は第3の層と前記第4の層との間に形成する工程を備える請求項13に記載に二次電池の製造方法。
  15.  第2の絶縁材料を含む第5の層を、前記第2の層と前記第3の層との間に形成する工程と、
     アルミニウム化合物を含んだ第6の層を、前記第2の層と前記第5の層との間に形成する工程と、
    を備える請求項13に記載の二次電池の製造方法。
  16.  前記第3の層、及び第6の層が、スパッタ法、塗布、又はCVD法により形成されている請求項15に記載の二次電池の製造方法。
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