JP5002852B2 - Thin film solid secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、薄膜固体二次電池に係り、特に良好な透過性を有する薄膜固体二次電池に関する。 The present invention relates to a thin film solid secondary battery, and more particularly to a thin film solid secondary battery having good permeability .
現在、携帯機器等の電子機器を中心にリチウムイオン二次電池が広く用いられている。これはリチウムイオン二次電池が、ニッカド電池等と比較して、高い電圧を有し、充放電容量が大きく、メモリ効果等の弊害がないことによる。
そして、電子機器等はさらなる小型化・軽量化が進められており、この電子機器等に搭載されるバッテリーとしてリチウムイオン二次電池も小型化・軽量化の開発が進められている。例えばICカードや医療用小型機器等に搭載可能な薄型・小型のリチウムイオン二次電池の開発が進められている。そして、今後もより一層薄型化・小型化が求められることが予想される。
Currently, lithium ion secondary batteries are widely used mainly in electronic devices such as portable devices. This is because a lithium ion secondary battery has a higher voltage, a larger charge / discharge capacity, and no adverse effects such as a memory effect, compared to a nickel cadmium battery or the like.
Further, electronic devices and the like are being further reduced in size and weight, and lithium ion secondary batteries are also being developed to be reduced in size and weight as batteries mounted on the electronic devices and the like. For example, development of thin and small lithium ion secondary batteries that can be mounted on IC cards, small medical devices, and the like is underway. It is expected that further reduction in thickness and size will be required in the future.
従来のリチウムイオン二次電池は、正電極および負電極に金属片または金属箔を用い、これらを電解液に浸積させて容器で覆って使用していた。このため、薄型化や小型化には限界があった。現実的には、薄さ1mm、体積1cm3程度が限界と考えられる。
しかし、最近ではさらに薄型化、小型化を可能とするために、電解液ではなく、ゲル状の電解質を用いるポリマー電池(例えば、特許文献1参照)や固体電解質を用いる薄膜固体二次電池(例えば、特許文献2,3参照)が開発されている。
A conventional lithium ion secondary battery uses metal pieces or metal foils for the positive electrode and the negative electrode, which are immersed in an electrolytic solution and covered with a container. For this reason, there was a limit to thinning and miniaturization. Actually, it is considered that the limit is about 1 mm in thickness and about 1 cm 3 in volume.
However, recently, in order to enable further reduction in thickness and size, a polymer battery using a gel electrolyte instead of an electrolytic solution (for example, see Patent Document 1) or a thin film solid secondary battery using a solid electrolyte (for example, Patent Documents 2 and 3) have been developed.
特許文献1に記載のポリマー電池は、外装体内部に、正極集電体、内部に高分子固体電解質を含有する複合正極、イオン電導性高分子化合物からなる電解質層、内部に高分子固体電解質を含有する複合負極、負極集電体を順に配置して構成されている。
このようなポリマー電池は、電解液を使う通常のリチウムイオン二次電池よりは薄型化、小型化が可能であるものの、ゲル状の電解質や接合剤、封口部材等を必要とするため、厚さとしては0.1mm程度が限界であり、より一層の薄型化、小型化を進めるには適当ではなかった。
The polymer battery described in
Although such a polymer battery can be made thinner and smaller than a normal lithium ion secondary battery using an electrolytic solution, it requires a gel electrolyte, a bonding agent, a sealing member, etc. Is about 0.1 mm, and is not suitable for further thinning and downsizing.
一方、薄膜固体二次電池の構成は、特許文献2,3に記載のように、基板上に集電体薄膜、負極活物質薄膜、固体電解質薄膜、正極活物質薄膜、集電体薄膜を順に積層した構成、または、基板上に上記層を逆の順で積層した構成である。
このような構成により、薄膜固体二次電池は、基板を除けば1μm程度の薄さにすることが可能である。また、基板の厚さを薄くしたり、薄膜化した固体電解質フィルムを基板の代わりに使用したりすれば、全体としてより薄型化、小型化を図ることが可能である。
On the other hand, as described in Patent Documents 2 and 3, the configuration of the thin-film solid secondary battery is as follows: current collector thin film, negative electrode active material thin film, solid electrolyte thin film, positive electrode active material thin film, current collector thin film on the substrate. It is the structure which laminated | stacked, or the structure which laminated | stacked the said layer on the reverse order on the board | substrate.
With such a configuration, the thin-film solid secondary battery can be made as thin as about 1 μm except for the substrate. Further, if the thickness of the substrate is reduced or a thin solid electrolyte film is used instead of the substrate, the overall thickness can be reduced and the size can be reduced.
以上のように、薄膜固体二次電池は薄型化、小型化が期待されるが、特許文献2,3やこれまでに実施された例では、正極活物質層として光の吸収が大きいリチウムを含む金属酸化物(LiMn2O4やLiCoO2等)を用いたり、負極活物質層として光の反射が大きいリチウム金属用いたり、集電体層として光の反射が大きいアルミニウム等の金属を用いたりしていた。このように従来の薄膜固体二次電池では、すべての層が透明な物質から作成されていなかった。このため、従来の薄膜固体二次電池は光を遮ってしまうため、太陽電池等の光を利用するデバイスと組み合わせて多機能化を図ることが困難であった。 As described above, thin-film solid-state secondary batteries are expected to be thin and small. However, in Patent Documents 2 and 3 and the examples implemented so far, the positive electrode active material layer contains lithium with high light absorption. Metal oxide (LiMn 2 O 4 or LiCoO 2 etc.) is used, lithium metal with high light reflection is used as the negative electrode active material layer, or metal such as aluminum with high light reflection is used as the current collector layer. It was. Thus, in the conventional thin film solid secondary battery, not all layers are made of a transparent material. For this reason, since the conventional thin film solid secondary battery blocks light, it has been difficult to achieve multi-function in combination with a device using light such as a solar battery.
本発明の目的は、電池性能を確保しつつ、全体として透明度が良好な薄膜固体二次電池を提供することにある。 The objective of this invention is providing the thin film solid secondary battery with favorable transparency as a whole, ensuring battery performance .
前記課題は、本発明によれば、基板上に、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体層が積層されてなる薄膜固体二次電池において、いずれの層も透明な薄膜からなることによって解決される。 According to the present invention, there is provided a thin film solid secondary battery in which a positive electrode current collector layer, a positive electrode active material layer, a solid electrolyte layer, a negative electrode active material layer, and a negative electrode current collector layer are laminated on a substrate. Both layers are solved by being made of a transparent thin film.
このように、薄膜固体二次電池を構成する正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体層がすべて透明な薄膜から構成されることによって、全体として透明度が良好な電池を形成し、最外層から各層を透過させて基板にまで光を照射させることが可能となるので、他の光を利用するデバイスと組み合わせて多機能化を図ることができる。例えば、本発明の薄膜固体二次電池を太陽電池と一体に構成した場合には、薄膜固体二次電池を通して光を太陽電池等に照射させることができ、光の照射方向によらずに太陽電池等を作動させることが可能となる。 Thus, the positive electrode current collector layer, the positive electrode active material layer, the solid electrolyte layer, the negative electrode active material layer, and the negative electrode current collector layer constituting the thin film solid secondary battery are all composed of a transparent thin film, As a battery with good transparency can be formed and light can be irradiated to the substrate through each layer from the outermost layer, so that it can be multifunctional in combination with other light-using devices . For example, when the thin film solid secondary battery of the present invention is configured integrally with a solar battery, the solar battery can be irradiated with light through the thin film solid secondary battery, and the solar battery can be used regardless of the light irradiation direction. Etc. can be operated.
具体的には、前記正極集電体層および前記負極集電体層は、スズが添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウムが添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウムが添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモンが添加された酸化スズ(ATO)、フッ素が添加された酸化スズ(FTO)のいずれかからなる透明導電膜とすることができる。 Specifically, the positive electrode current collector layer and the negative electrode current collector layer include indium oxide (ITO) to which tin is added, zinc oxide (AZO) to which aluminum is added, and zinc oxide to which gallium is added ( GZO), tin oxide (ATO) to which antimony is added, and tin oxide (FTO) to which fluorine is added can be used.
また、前記正極活物質層および前記負極活物質層は、リチウム−チタン酸化物、五酸化ニオブ、酸化チタン、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ニッケル、スズが添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウムが添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウムが添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモンが添加された酸化スズ(ATO)、フッ素が添加された酸化スズ(FTO)、リチウムが添加された酸化ニッケル(NiO−Li)のいずれかからなる透明な薄膜とすることができる。 In addition, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer include lithium-titanium oxide, niobium pentoxide, titanium oxide, indium oxide, zinc oxide, tin oxide, nickel oxide, and indium oxide (ITO) to which tin is added. , Zinc oxide with aluminum added (AZO), zinc oxide with gallium added (GZO), tin oxide with antimony added (ATO), tin oxide with fluorine added (FTO), lithium added It can be set as the transparent thin film which consists of either of nickel oxide (NiO-Li).
また、前記固体電解質層は、リン酸リチウム(Li3PO4)、窒素が添加されたリン酸リチウム(LiPON)のいずれかからなる透明な固体電解質薄膜とすることができる。 The solid electrolyte layer may be a transparent solid electrolyte thin film made of either lithium phosphate (Li 3 PO 4 ) or nitrogen phosphate (LiPON) to which nitrogen is added.
本発明の薄膜固体二次電池によれば、基板上に、光透過性が良好な薄膜(正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体層)を積層させることによって二次電池を構成するので、電池性能を確保しつつ、全体として透明度を良好とすることができる。これにより、光を透過させることができる。このため、光を透過させる部材(例えば、窓ガラス等)や光を利用するデバイス(例えば、太陽電池,EL等)に本発明の薄膜固体二次電池を付加することができる。
また、本発明の薄膜固体二次電池は、負極活物質層に毒性があり、水分に弱い酸化バナジウム以外の物質を用いて作成することができるので、取り扱いが容易となる。
According to the thin film solid secondary battery of the present invention, a thin film having good light transmittance (positive electrode current collector layer, positive electrode active material layer, solid electrolyte layer, negative electrode active material layer, negative electrode current collector layer) on the substrate. Since the secondary battery is configured by laminating the layers, the overall transparency can be improved while ensuring the battery performance. Thereby, light can be transmitted. For this reason, the thin film solid secondary battery of this invention can be added to the member (for example, window glass etc.) which permeate | transmits light, and the device (for example, solar cell, EL, etc.) using light.
In addition, the thin film solid secondary battery of the present invention is easy to handle because the negative electrode active material layer is toxic and can be made using a material other than water-resistant vanadium oxide .
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材、配置、構成等は、本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
図1は本発明の一実施形態に係る薄膜固体二次電池の断面図、図2は実施例1の薄膜固体二次電池の分光特性のグラフ、図3は実施例1の薄膜固体二次電池の充放電特性のグラフ、図4は実施例2の薄膜固体二次電池の充放電特性のグラフ、図5は参考例の薄膜固体二次電池の充放電特性のグラフである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The members, arrangements, configurations, and the like described below do not limit the present invention and can be variously modified within the scope of the gist of the present invention.
1 is a cross-sectional view of a thin film solid secondary battery according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph of spectral characteristics of the thin film solid secondary battery of Example 1, and FIG. 3 is a thin film solid secondary battery of Example 1. FIG. 4 is a graph of the charge / discharge characteristics of the thin film solid secondary battery of Example 2, and FIG. 5 is a graph of the charge / discharge characteristics of the thin film solid secondary battery of the reference example .
図1に示すように本例のリチウムイオン薄膜固体二次電池1は、基板10上に、正極側の集電体層20、正極活物質層30、固体電解質層40、負極活物質層50、負極側の集電体層20、水分防止膜60が順に積層されて形成されている。なお、基板10上への積層順序は、負極側の集電体層20、負極活物質層50、固体電解質層40、正極活物質層30、正極側の集電体層20、水分防止膜60の順であってもよい。
As shown in FIG. 1, a lithium ion thin film solid
基板10は、透明なガラス、樹脂基板等の光透過性を有する物質で形成されている。樹脂基板としては、ポリイミドやPET等を用いることができる。また、形が崩れずに取り扱いができるものであれば、基板10に折り曲げが可能な薄い透明なフィルムを用いることができる。
The
集電体層20は、正極(正極活物質層30)および負極(負極活物質層50)との密着性がよく、電気抵抗が低い透明度が良好な透明導電膜を用いることができる。集電体層20が取り出し電極として良好に機能するためには、そのシート抵抗が1kΩ/□以下であることが望ましい。集電体層20の膜厚を0.1μm程度以上に設定すると、集電体層20は抵抗率が1×10−2Ω・cm程度以下の物質によって形成する必要がある。このような物質として、スズが添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウムが添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウムが添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモンが添加された酸化スズ(ATO)、フッ素が添加された酸化スズ(FTO)等を使用することができる。これらの物質によって集電体層20は、できるだけ薄くて電気抵抗も低くなる0.1〜1μm程度の膜厚に形成することができる。
As the
正極活物質層30は、リチウムイオンの離脱、吸着が可能なリチウム−チタン酸化物(
LiTi2O4,Li4Ti5O12等)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化チタン(TiO2)、酸化インジウム(In2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)、酸化ニッケル(NiO)、スズが添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウムが添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウムが添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモンが添加された酸化スズ(ATO)、フッ素が添加された酸化スズ(FTO)、リチウムが添加された酸化ニッケル(NiO−Li)等の透明度が良好な薄膜を用いることができる。正極活物質層30の膜厚は、できるだけ薄いことが望ましいが、充放電容量を確保できる0.1〜1μm程度とするとよい。
The positive electrode
LiTi 2 O 4 , Li 4 Ti 5 O 12, etc.), niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO) 2 ), nickel oxide (NiO), indium oxide added with tin (ITO), zinc oxide added with aluminum (AZO), zinc oxide added with gallium (GZO), tin oxide added with antimony ( Thin films with good transparency, such as ATO), tin oxide to which fluorine is added (FTO), and nickel oxide to which lithium is added (NiO-Li) can be used. The film thickness of the positive electrode
固体電解質層40は、リチウムウオンの伝導性が良いリン酸リチウム(Li3PO4)やこれに窒素を添加した物質(LiPON)等の透明度が良好な薄膜を用いることができる。固体電解質層40の膜厚は、ピンホ−ルの発生が低減され且つできるだけ薄い0.1〜1μm程度が好ましい。
The
負極活物質層50は、リチウムイオンの離脱、吸着が可能なリチウム−チタン酸化物(
LiTi2O4,Li4Ti5O12等)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化チタン(TiO2)、酸化インジウム(In2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)、酸化ニッケル(NiO)、スズが添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウムが添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウムが添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモンが添加された酸化スズ(ATO)、フッ素が添加された酸化スズ(FTO)、リチウムが添加された酸化ニッケル(NiO−Li)等の透明度が良好な薄膜を用いることができる。負極活物質層50の膜厚は、できるだけ薄いことが望ましいが、充放電容量を確保できる0.1〜1μm程度とするとよい。
The negative electrode
LiTi 2 O 4 , Li 4 Ti 5 O 12, etc.), niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), tin oxide (SnO) 2 ), nickel oxide (NiO), indium oxide added with tin (ITO), zinc oxide added with aluminum (AZO), zinc oxide added with gallium (GZO), tin oxide added with antimony ( Thin films with good transparency, such as ATO), tin oxide to which fluorine is added (FTO), and nickel oxide to which lithium is added (NiO-Li) can be used. The film thickness of the negative electrode
本実施形態では、負極活物質層50および正極活物質層30は、同じ物質群の中から異なる物質が選択される。すなわち、薄膜固体二次電池1を電池として機能させるためには、正極と負極の間に電圧差を生じさせる必要があり、このため負極活物質層50に用いる物質は、正極活物質層30に用いる物質より電極電位が低い物質を選択することが望ましい。
In the present embodiment, different materials are selected from the same material group for the negative electrode
また、本例の薄膜固体二次電池1では、正極活物質層30に用いる物質および負極活物質層50に用いる物質がともにリチウムを含まない場合には、負極側にリチウムが注入される。例えば、負極層が形成された後、一旦大気中に取り出してリチウム注入装置を用いてリチウムを注入したり、充放電作用によってリチウムを挿入したりすることができる。
Moreover, in the thin film solid
また、薄膜固体二次電池1の大気に露出する表面は、水分防止効果のある水分防止膜60で被覆すると良い。このようにすると電池性能をより長く保つことができる。水分防止膜としては、酸化珪素(SiO2)や窒化珪素(SiNX)等を使用することができる。水分防止膜の膜厚は、できるだけ薄くて水分防止効果も高い0.4μm程度が好ましい。
Further, the surface of the thin-film solid
上記の各薄膜の形成方法としては、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、加熱蒸着法等の真空成膜法や、塗布法等を用いることができる。好ましくは、より薄く均一に薄膜を形成できる真空成膜法を用いるのが良い。さらに好ましくは、蒸着物質との原子組成のずれが少なく、均一に成膜ができるスパッタリング法を用いるのが良い。 As a method for forming each thin film, a vacuum film forming method such as a sputtering method, an electron beam vapor deposition method, a heat vapor deposition method, or a coating method can be used. It is preferable to use a vacuum film-forming method that can form a thin film more thinly and uniformly. More preferably, it is preferable to use a sputtering method in which there is little deviation in the atomic composition from the vapor deposition material and uniform film formation is possible.
上記の薄膜固体二次電池1は、充電を行うと、正極活物質層30からリチウムがイオンとなって離脱し、固体電解質層40を介して負極活物質層50に吸蔵される。このとき、正極活物質層30から外部へ電子が放出される。
また、放電時には、負極活物質層50からリチウムがイオンとなって離脱し、固体電解質層40を介して正極活物質層30に吸蔵される。このとき、負極活物質層50から外部へ電子が放出される。
When the thin-film solid
Further, at the time of discharging, lithium is separated from the negative electrode
以上のように本例の薄膜固体二次電池1は、各薄膜(正極側の集電体層20、正極活物質層30、固体電解質層40、負極活物質層50、負極側の集電体層20、水分防止膜60)が光透過性の良好な透明な薄膜であるので、最外層から各層を介して光を基板10まで透過させることができるという付加特性を有する。
As described above, the thin film solid
また、本例の薄膜固体二次電池1では、基板10を例えば窓ガラスとしてもよく、このような透明性が必要な部材に二次電池の機能を付加できる。
また、本例の薄膜固体二次電池1を太陽電池やEL等の光を透過させる必要があるデバイスの基板として用いることにより、それらのデバイスに二次電池の機能を付加できることができる。すなわち、基板10側に太陽電池やEL等の光デバイスを一体に形成した場合にでも、光の照射方向によらずに太陽電池等に光を届かせることが可能となるので、光デバイスの多機能化に寄与することができる。
In the thin-film solid
Moreover, the function of a secondary battery can be added to those devices by using the thin film solid
また、本例の薄膜固体二次電池1では、負極活物質層50として毒性があり、水分に弱い酸化バナジウム等の取り扱いの面倒な物質を用いなくてすむ。これにより、安全性の高い二次電池を供給することができる。
Further, in the thin film solid
次に、本発明の実施例、比較例について説明する。
(実施例1)
実施例1では、図1の構成をなすよう基板10上に、集電体層20、正極活物質層30、固体電解質層40、負極活物質層50、集電体層20をこの順にスパッタリング法により形成し、薄膜固体二次電池1を作成した。
基板10は、縦100mm、横100mm、厚さ1mmのソーダライムガラスを用いた。
集電体層20は、ITO焼結体ターゲットを用い、DCマグネトロンスパッタリング法にて形成した。DCパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、集電体層20として0.2μmのITO薄膜を形成した。
Next, examples of the present invention and comparative examples will be described.
Example 1
In Example 1, the
As the
The
正極活物質層30は、リチウム−チタン酸化物Li4Ti5O12の焼結体ターゲットを用い、酸素を導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.4μmのLi4Ti5O12薄膜を形成した。
固体電解質層40は、リン酸リチウム(Li3PO4)の焼結体ターゲットを用い、窒素ガスを導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.4μmの窒素が添加されたリン酸リチウム(LIPON)薄膜を形成した。
The positive electrode
The
負極活物質層50は、酸化インジウムの焼結体ターゲットを用い、酸素を導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.2μmの酸化インジウム(In2O3)薄膜を形成した。
The negative electrode
以上のようにして得られた薄膜固体二次電池1の透明性を評価するために、分光光度計により、測定波長範囲400〜700nmの可視域で、基板10も含めた透過率を測定した。その測定結果を図2に示す。図2に示すように、基板10を含めた透過率は70〜85%の範囲にあり、平均では約78%と透明性は比較的良いことが確認された。
In order to evaluate the transparency of the thin film solid
次に、本例の薄膜固体二次電池1の電池性能を評価するために、充放電測定器を用いて充放電特性を測定した。測定条件は、充電および放電時の電流はいずれも0.2mA、充電および放電の打ち切りの電圧はそれぞれ3.5V、0.3Vとした。その結果、繰り返し充放電動作を示すことが確認できた。図3に、安定して充放電動作を示した10サイクル目の充放電特性のグラフを示す。図3から放電開始電圧は3.0V、充電容量,放電容量はそれぞれ1.03mAh、1.01mAhであることがわかる。また、本例では、100サイクルまで充放電測定を行ったが、安定してほぼ一定の充放電曲線を示すことが確認された。
Next, in order to evaluate the battery performance of the thin film solid
(実施例2)
実施例2では、図1の構成をなすよう基板10上に、集電体層20、正極活物質層30、固体電解質層40、負極活物質層50、集電体層20をこの順にスパッタリング法により形成し、薄膜固体二次電池1を作成した。ここで、正極活物質層30および負極活物質50以外の層は、実施例1と同じ物質、膜厚、成膜条件で形成した。
正極活物質層30は、リチウム−チタン酸化物LiTi2O4の焼結体ターゲットを用い、酸素を導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.4μmのLiTi2O4薄膜を形成した。
(Example 2)
In Example 2, the
The positive electrode
負極活物質層50は、リチウム−チタン酸化物Li4Ti5O12の焼結体ターゲットを用い、酸素を導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.2μmのLi4Ti5O12薄膜を形成した。
The negative electrode
以上のようにして得られた薄膜固体二次電池1の透明性を評価するために、実施例1と同様に、分光光度計により、基板10も含めた透過率を測定した。そして、実施例2においては、基板10を含めた透過率が70〜85%の範囲(平均76%)にあり、透明性は比較的良いことが確認された。
次に、その薄膜固体二次電池1の電池性能を充放電測定により評価した。測定条件は、実施例1と同様に、充電および放電時の電流を0.2mA、充電および放電の打ち切りの電圧をそれぞれ3.5V、0.3Vとした。
その充放電測定の結果、繰り返し充放電動作を示すことが確認できた。また、100サイクルまで充放電測定を行ったが、安定してほぼ一定の充放電曲線を示すことが確認された。図4に、安定して充放電動作をした10サイクル目の充放電特性のグラフを示す。放電開始電圧は3.1V、充電容量、放電容量はそれぞれ1.01mAh、0.99mAhであった。
In order to evaluate the transparency of the thin film solid
Next, the battery performance of the thin film solid
As a result of the charge / discharge measurement, it was confirmed that repeated charge / discharge operations were exhibited. Moreover, although charging / discharging measurement was performed to 100 cycles, it was confirmed that it shows a stable and substantially constant charging / discharging curve. FIG. 4 shows a graph of the charge / discharge characteristics at the 10th cycle in which the charge / discharge operation was stably performed. The discharge start voltage was 3.1 V, the charge capacity and the discharge capacity were 1.01 mAh and 0.99 mAh, respectively.
(実施例3)
実施例3では、負極活物質層50の物質を換えたこと以外は実施例1と同じ物質、膜厚、成膜条件で薄膜固体二次電池1を作成した。正極活物質層30は、リチウム−チタン酸化物Li4Ti5O12薄膜である。負極活物質層50に用いた物質は、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化チタン(TiO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO2)、酸化ニッケル(NiO)、スズが添加された酸化インジウム(ITO)、アルミニウムが添加された酸化亜鉛(AZO)、ガリウムが添加された酸化亜鉛(GZO)、アンチモンが添加された酸化スズ(ATO)、フッ素が添加された酸化スズ(FTO)、リチウムが添加された酸化ニッケル(NiO−Li)の11種類である。
(Example 3)
In Example 3, a thin-film solid
以上のようにして得られた11種類の薄膜固体二次電池1について、実施例1と同様に、分光光度計により基板10も含めた透過率を測定した。基板10を含めた透過率はいずれも70〜85%の範囲にあり、平均では75〜80%の範囲で、いずれの薄膜固体二次電池1も透明性は比較的良いことが確認された。
次に、これらの薄膜固体二次電池1の電池性能を充放電測定により評価した。測定条件は、実施例1と同様に、充電および放電時の電流はいずれも0.2mA、充電および放電の打ち切りの電圧はそれぞれ3.5V、0.3Vとした。その結果、いずれの薄膜固体二次電池1も繰り返し充放電動作を示し、100サイクルまで安定してほぼ一定の充放電曲線を示すことが確認された。また、放電開始電圧は、いずれの薄膜二次電池も約3.0V、充電容量、放電容量はそれぞれ約1.1mAh、1.0mAhであった。
For the 11 types of thin-film solid
Next, the battery performance of these thin film solid
(比較例1)
次に、比較例1として、図1に示すように基板10上に、集電体層20、正極活物質層30、固体電解質層40、負極活物質層50、集電体層20をこの順にスパッタリング法により形成し、薄膜固体二次電池1aを作成した。ここで、正極活物質層30以外の層は、実施例1と同じ物質、膜厚、成膜条件で形成した。正極活物質層30は、LiMn2O4の焼結ターゲットを用い、RFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、正極活物質層30として0.4μmのLiMn2O4薄膜を形成した。
(Comparative Example 1)
Next, as Comparative Example 1, a
以上のようにして得られた薄膜固体二次電池1aについて、実施例1と同様に、分光光度計により基板10も含めた透過率を測定した。また、充放電測定により薄膜固体二次電池1aの電池性能を測定評価した。その結果、電池特性については実施例1とほぼ同等な充放電特性を示すことが確認できた。しかしながら、分光特性については、基板を含めた透過率は5〜20%の範囲にあり、平均では9%であった。このように、薄膜固体二次電池1aの透明性は良好ではないことが確認された。また、LiMn2O4薄膜は、見た目でも光の吸収の多い黒い膜であった。
About the thin film solid secondary battery 1a obtained as described above, the transmittance including the
すなわち、比較例1では正極活物質層30として、従来から正極活物質として使用されることが多い透明性の低いLiMn2O4が使用されている。これに対し、実施例1〜3では正極活物質層30および負極活物質層50として、透明度が高い金属酸化物が使用されている。このように比較例1のような従来の物質構成の薄膜固体二次電池1aでは、全体として透明度が良好ではないが、実施例1〜3の薄膜固体二次電池1では、透明度が高い物質を用いることによって全体として透明度を良好にすることができた。また、実施例1〜3の薄膜固体二次電池1では、電池特性は従来と比して同等の性能を確保することができた。
That is, in Comparative Example 1, LiMn 2 O 4 having low transparency, which has been conventionally used as a positive electrode active material, is used as the positive electrode
以上のように、本例の薄膜固体二次電池1は、比較例の薄膜固体二次電池1aで正極活物質として使用されている透明度の低いマンガン酸リチウムLiMn2O4等と異なり、リチウム−チタン酸化物や透明金属酸化物等を使用することにより、電池特性を落とすことなく透明度が良好な全固体型の薄膜二次電池1を作成することができた。
As described above, the thin film solid
(参考例)
参考例では、図1の構成をなすよう基板10上に、集電体層20、正極活物質層30、固体電解質層40、負極活物質層50、集電体層20をこの順にスパッタリング法により形成し、薄膜固体二次電池1を作成した。ここで、正極活物質層30および負極活物質50以外の層は、実施例1と同じ物質、膜厚、成膜条件で形成した。
正極活物質層30は、リチウム−チタン酸化物Li2Ti7O12の焼結体ターゲットを用い、酸素を導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.3μmのLi2Ti7O12薄膜を形成した。
( Reference example )
In the reference example , the
The positive electrode
負極活物質層50は、リチウム−チタン酸化物Li4Ti5O12の焼結体ターゲットを用い、酸素を導入してRFマグネトロンスパッタリング法にて形成した。RFパワーは1KW、無加熱で成膜した。これにより、0.3μmのLi4Ti5O12薄膜を形成した。
The negative electrode
以上のようにして得られた薄膜固体二次電池1の電池性能を評価するために、充放電測定器を用いて充放電特性を測定した。測定条件は、充電および放電時の電流はいずれも0.01mA、充電および放電の打ち切りの電圧はそれぞれ2.5V、−2.5Vとした。その結果、繰り返し充放電動作を示すことが確認できた。図5に、安定して充放電動作を示した10サイクル目の充放電特性のグラフを示す。
In order to evaluate the battery performance of the thin film solid
図5に示すように参考例の薄膜固体二次電池1は、充放電に伴って正負極間の電位差が−2.5V〜+2.5Vの間で連続的に0Vを横切って変化していることが分かる。すなわち、参考例の薄膜固体二次電池1は、Li2Ti7O12薄膜,Li4Ti5O12薄膜をそれぞれ正極活物質層30,負極活物質層50として形成したが、充放電の状況によってどちらを正極側または負極側とすることも可能となる。また、本例では、100サイクルまで充放電測定を行ったが、安定して図5と略同じ充放電曲線を示すことが確認された。
As shown in FIG. 5, in the thin-film solid
以上のように、参考例の薄膜固体二次電池1では、正極活物質層30をLi2Ti7O12薄膜、負極活物質層50をLi4Ti5O12薄膜とした。すなわち、正極活物質層30,負極活物質層50ともにLi4Ti5O12スピネル系の物質であり、且つ、リチウム濃度が異なる物質である。このように、正極活物質層30,負極活物質層50を形成する物質を選択することにより、0Vを横切って−2.5V〜+2.5Vの間で繰り返し充放電を行うことが可能な全固体型の薄膜二次電池を作成することができた。また、参考例の薄膜固体二次電池1は、実施例1〜3の薄膜固体二次電池1と同様に、いずれの層も透明であり、全体として透明度が良好であった。
As described above, in the thin film solid
1 薄膜固体二次電池
10 基板
20 集電体層
30 正極活物質層
40 固体電解質層
50 負極活物質層
60 水分防止膜
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