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JP2024108327A - All-solid-state battery and method for manufacturing the all-solid-state battery - Google Patents

All-solid-state battery and method for manufacturing the all-solid-state battery Download PDF

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JP2024108327A
JP2024108327A JP2023012636A JP2023012636A JP2024108327A JP 2024108327 A JP2024108327 A JP 2024108327A JP 2023012636 A JP2023012636 A JP 2023012636A JP 2023012636 A JP2023012636 A JP 2023012636A JP 2024108327 A JP2024108327 A JP 2024108327A
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Japan
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solid
active material
negative electrode
state battery
positive electrode
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Application number
JP2023012636A
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Japanese (ja)
Inventor
正寛 藤井
Masahiro Fujii
真一 四谷
Shinichi Yotsuya
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

Figure 2024108327000001

【課題】信頼性を向上させることが可能な全固体電池、及び全固体電池の製造方法を提供する。
【解決手段】正極集電体100と、負極電極200と、正極集電体100と負極電極200との間に配置された活物質複合体310と、を備え、負極電極200は、シリコンナノワイヤと、シリコンナノワイヤの表面に被覆されたリチウム膜と、を有し、活物質複合体310は、コバルト酸リチウムで構成された活物質形成体320と、活物質形成体320の周囲を覆う第1固体電解質330と、を有する。
【選択図】図2

Figure 2024108327000001

An all-solid-state battery capable of improving reliability and a method for manufacturing the all-solid-state battery are provided.
[Solution] The battery comprises a positive electrode collector 100, a negative electrode 200, and an active material composite 310 arranged between the positive electrode collector 100 and the negative electrode 200, wherein the negative electrode 200 has silicon nanowires and a lithium film covering the surface of the silicon nanowires, and the active material composite 310 has an active material forming body 320 made of lithium cobalt oxide, and a first solid electrolyte 330 covering the periphery of the active material forming body 320.
[Selected figure] Figure 2

Description

本発明は、全固体電池、及び全固体電池の製造方法に関する。 The present invention relates to an all-solid-state battery and a method for manufacturing an all-solid-state battery.

特許文献1には、ケイ素ナノワイヤの構成と、エッチング液を用いたケイ素ナノワイヤの製造方法と、が開示されている。ケイ素ナノワイヤは、固体リチウム二次電池などのエネルギー蓄積デバイスに適用される。 Patent Document 1 discloses the structure of silicon nanowires and a method for producing silicon nanowires using an etching solution. Silicon nanowires are applied to energy storage devices such as solid-state lithium secondary batteries.

特許文献2には、リチウム二次電池を構成する電極複合体の構成と、電極複合体の製造方法と、が開示されている。リチウム二次電池は、電解質をガラス状態から晶化して製造することにより、高効率かつ高容量にすることができる。 Patent Document 2 discloses the configuration of an electrode composite that constitutes a lithium secondary battery and a manufacturing method of the electrode composite. A lithium secondary battery can be made highly efficient and have a high capacity by manufacturing the battery by crystallizing the electrolyte from a glassy state.

特許第6383412号公報Patent No. 6383412 特許第6624892号公報Patent No. 6624892

しかしながら、特許文献1に記載の構成では、ケイ素合金の微細構造内に、ケイ素のナノ構造を形成する必要があったり、ナノワイヤの方向や大きさなどが結晶粒界ごとに不均一となったりするため、電池容量の最大化と耐久性との両立が難しいという課題がある。また、特許文献2に記載の構成では、電池の充放電を繰り返すことに伴い、電池容量が低下したり内部抵抗が増加したりするという課題がある。つまり、特許文献1に記載のナノワイヤを、特許文献2に記載の電極複合体に適用しても、充放電に対する耐久性を向上させることは難しいという課題がある。 However, the configuration described in Patent Document 1 has the problem that it is difficult to maximize the battery capacity and durability at the same time, because it is necessary to form a silicon nanostructure within the microstructure of the silicon alloy, and the direction and size of the nanowires are nonuniform at each crystal grain boundary. In addition, the configuration described in Patent Document 2 has the problem that the battery capacity decreases and the internal resistance increases as the battery is repeatedly charged and discharged. In other words, even if the nanowires described in Patent Document 1 are applied to the electrode composite described in Patent Document 2, it is difficult to improve durability against charging and discharging.

全固体電池は、正極集電体と、負極電極と、前記正極集電体と前記負極電極との間に配置された活物質複合体と、を備え、前記負極電極は、シリコンナノワイヤと、前記シリコンナノワイヤの表面に被覆されたリチウム膜と、を有し、前記活物質複合体は、コバルト酸リチウムで構成された活物質形成体と、前記活物質形成体の周囲を覆う第1固体電解質と、を有する。 The all-solid-state battery comprises a positive electrode collector, a negative electrode, and an active material composite disposed between the positive electrode collector and the negative electrode, the negative electrode having a silicon nanowire and a lithium film coated on the surface of the silicon nanowire, and the active material composite having an active material forming body made of lithium cobalt oxide and a first solid electrolyte surrounding the active material forming body.

全固体電池の製造方法は、活物質複合体を形成する工程と、シリコン基板の表面にMACE法を用いてシリコンナノワイヤを形成する工程と、前記シリコンナノワイヤの表面にリチウム膜を成膜して負極電極を形成する工程と、正極集電体を準備する工程と、前記正極集電体と前記活物質複合体と前記負極電極とを接合する工程と、を有する。 The method for manufacturing an all-solid-state battery includes the steps of forming an active material composite, forming silicon nanowires on the surface of a silicon substrate using the MACE method, forming a lithium film on the surface of the silicon nanowires to form a negative electrode, preparing a positive electrode collector, and joining the positive electrode collector, the active material composite, and the negative electrode.

全固体電池の構成を示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an all-solid-state battery. 全固体電池の構成を示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an all-solid-state battery. 負極電極を構成するシリコン基板の構成を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of a silicon substrate that constitutes a negative electrode. シリコンナノワイヤの構成を示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a silicon nanowire. 電極複合体の構成を示す断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of an electrode composite. 全固体電池の製造方法を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の製造方法を示す断面図。1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の製造方法を示す断面図。1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の製造方法を示す断面図。1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の製造方法を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の製造方法を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の製造方法を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の製造方法を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の製造方法を示す断面図。1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の製造方法を示す断面図。1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の製造方法を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a method for manufacturing an all-solid-state battery. 全固体電池の他の例の構成を示す斜視図。FIG. 13 is a perspective view showing the configuration of another example of an all-solid-state battery. 全固体電池の他の例の構成を示す斜視図。FIG. 13 is a perspective view showing the configuration of another example of an all-solid-state battery.

まず、図1を参照しながら、全固体電池1000の構成を説明する。 First, the configuration of the all-solid-state battery 1000 will be described with reference to FIG.

図1に示すように、全固体電池1000は、例えば、ウエアラブル機器などに用いられ、円盤状に形成された、リチウムイオン電池などの全固体二次電池である。なお、全固体電池1000は、円盤状であることに限定されず、多角形の盤状であってもよい。 As shown in FIG. 1, the all-solid-state battery 1000 is an all-solid-state secondary battery, such as a lithium-ion battery, formed in a disk shape and used in, for example, wearable devices. Note that the all-solid-state battery 1000 is not limited to being disk-shaped, and may be a polygonal disk shape.

全固体電池1000は、例えば、固体電解質300を挟んで正極集電体100と負極電極200とが配置されている。なお、正極集電体100、負極電極200、固体電解質300の積層体を、電池セル1000aと称する。図1に示す全固体電池1000は、3つの電池セル1000aが接続されて構成されている。なお、電池セル1000a単体でも、電池として機能する。 The all-solid-state battery 1000 has, for example, a positive electrode collector 100 and a negative electrode 200 arranged with a solid electrolyte 300 sandwiched between them. The stack of the positive electrode collector 100, the negative electrode 200, and the solid electrolyte 300 is referred to as a battery cell 1000a. The all-solid-state battery 1000 shown in FIG. 1 is configured by connecting three battery cells 1000a. The battery cell 1000a alone also functions as a battery.

全固体電池1000は、積層された3つの電池セル1000aが、アルミラミネート外装材であるアルミラミネートフィルム400で覆われて構成されている。アルミラミネートフィルム400は、ポリアミド系樹脂などの絶縁性を有する基材に、表面(包装時に外面となる面)側にアルミ箔、内面(包装時に内面となる面)側に接合層などが形成されている。 The solid-state battery 1000 is constructed by covering three stacked battery cells 1000a with an aluminum laminate film 400, which is an aluminum laminate exterior material. The aluminum laminate film 400 is made of an insulating base material such as polyamide resin, with aluminum foil on the front side (the surface that will become the outer surface when packaged) and a bonding layer on the inner side (the surface that will become the inner surface when packaged).

次に、図2~図5を参照しながら、全固体電池1000、即ち、電池セル1000aの構成を具体的に説明する。 Next, the configuration of the all-solid-state battery 1000, i.e., the battery cell 1000a, will be described in detail with reference to Figures 2 to 5.

図2に示すように、電池セル1000aは、正極集電体100と、負極電極200と、正極集電体100と負極電極200との間に配置された固体電解質300と、を備えている。 As shown in FIG. 2, the battery cell 1000a includes a positive electrode collector 100, a negative electrode 200, and a solid electrolyte 300 disposed between the positive electrode collector 100 and the negative electrode 200.

負極電極200は、シリコン基板210を備えている。図3に示すように、シリコン基板210は、シリコンからなる基材211と、基材211の一面側に配置されたシリコンナノワイヤ212と、を有する。図4に示すように、シリコンナノワイヤ212は、シリコンナノワイヤ212aと、シリコンナノワイヤ212aの表面に被覆されたリチウム膜212bと、を有する。 The negative electrode 200 includes a silicon substrate 210. As shown in FIG. 3, the silicon substrate 210 includes a base material 211 made of silicon and silicon nanowires 212 arranged on one side of the base material 211. As shown in FIG. 4, the silicon nanowires 212 include silicon nanowires 212a and a lithium film 212b coated on the surface of the silicon nanowires 212a.

固体電解質300は、活物質複合体310を備える。活物質複合体310は、コバルト酸リチウムで構成された活物質形成体320と、活物質形成体320の周囲を覆う第1固体電解質330と、を有する。第1固体電解質330は、例えば、ニオブ酸リチウムランタンジルコニウムである。言い換えれば、活物質形成体320は、第1固体電解質330に接して形成されている。また、固体電解質300は、活物質複合体310に加え、第2固体電解質340を有する。 The solid electrolyte 300 includes an active material composite 310. The active material composite 310 includes an active material forming body 320 made of lithium cobalt oxide, and a first solid electrolyte 330 that surrounds the active material forming body 320. The first solid electrolyte 330 is, for example, lithium lanthanum zirconium niobate. In other words, the active material forming body 320 is formed in contact with the first solid electrolyte 330. The solid electrolyte 300 includes a second solid electrolyte 340 in addition to the active material composite 310.

正極集電体100は、活物質複合体310の一面(一方の面)310aに接して設けられている。つまり、正極集電体100は、一面310aで露出する活物質形成体320に接している。正極集電体100は、活物質形成体320が正極活物質で構成されており、正極として機能する。 The positive electrode current collector 100 is provided in contact with one surface (one side) 310a of the active material composite 310. In other words, the positive electrode current collector 100 is in contact with the active material forming body 320 exposed on the one surface 310a. The positive electrode current collector 100 functions as a positive electrode, with the active material forming body 320 being composed of a positive electrode active material.

正極集電体100の材料としては、例えば、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)およびパラジウム(Pd)からなる群から選ばれる1種の金属(金属単体)や、この群から選ばれる2種以上の金属元素を含む合金等が挙げられる。正極集電体100と、活物質複合体310とを含めて、電極複合体301と称する(図5参照)。 The material of the positive electrode current collector 100 may be, for example, one metal (single metal) selected from the group consisting of copper (Cu), magnesium (Mg), titanium (Ti), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), zinc (Zn), aluminum (Al), germanium (Ge), indium (In), gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), and palladium (Pd), or an alloy containing two or more metal elements selected from this group. The positive electrode current collector 100 and the active material complex 310 are collectively referred to as the electrode complex 301 (see FIG. 5).

図5に示すように、活物質形成体320は、単結晶で構成された活物質粒子321が複数個、三次元的に連結して形成された形成体である。活物質粒子321は、遷移金属酸化物としてのリチウム複酸化物で構成される活物質を含む。 As shown in FIG. 5, the active material forming body 320 is a forming body formed by three-dimensionally connecting multiple active material particles 321 made of single crystals. The active material particles 321 contain an active material made of a lithium composite oxide as a transition metal oxide.

リチウム複酸化物としては、例えば、LiCoO2(コバルト酸リチウム)、LiNiO2、LiMn24、LiNi0.5Mn1.5O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、Li2Mn23、LiNi0.8Co0.16Al0.04O2、LiFePO4、Li2FeP27、LiMnPO4、LiFeBO3、Li32(PO4)3、Li2CuO2、LiFeF3、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4等が挙げられる。 Examples of lithium double oxides include LiCoO2 (lithium cobalt oxide), LiNiO2 , LiMn2O4 , LiNi0.5Mn1.5O4 , LiNi1/3Co1/3Mn1/ 3O2 , Li2Mn2O3, LiNi0.8Co0.16Al0.04O2 , LiFePO4 , Li2FeP2O7 , LiMnPO4 , LiFeBO3 , Li3V2 ( PO4 ) 3 , Li2CuO2 , LiFeF3 , Li2FeSiO4 , Li2MnSiO4 , and the like.

これらの中でも、リチウムと、コバルト、マンガンおよびニッケルのうちの少なくとも1種とを含む化合物を主材料として含有することが好ましく、具体的には、コバルト酸リチウム、ニッケル・マンガン・コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、およびニッケル・コバルト・アルミニウム酸リチウムからなる群から選択される化合物を主成分として含むことが好ましい。 Among these, it is preferable to contain a compound containing lithium and at least one of cobalt, manganese, and nickel as the main material, and specifically, it is preferable to contain a compound selected from the group consisting of lithium cobalt oxide, lithium nickel manganese cobalt oxide, lithium nickel oxide, and lithium nickel cobalt aluminum oxide as the main component.

このようなリチウム複酸化物を含むことで、活物質粒子321は、複数の活物質粒子321同士で電子の受け渡しを行い、活物質粒子321と第1固体電解質330との間でリチウムイオンの受け渡しを行い、活物質としての機能を発揮する。 By containing such a lithium composite oxide, the active material particles 321 transfer electrons between the active material particles 321 and transfer lithium ions between the active material particles 321 and the first solid electrolyte 330, thereby functioning as an active material.

第1固体電解質330は、リチウムイオン伝導性を有し、室温でガラス化している固体電解質で構成される。第1固体電解質330は、活物質形成体320と接している。活物質複合体310は、他面310b側において、第2固体電解質340を介して、負極電極200に接する。他面310b側では、活物質形成体320が露出することなく、第1固体電解質330が単独で露出するように設けられている。これにより、活物質形成体320と負極電極200との短絡を防止することができる。 The first solid electrolyte 330 is composed of a solid electrolyte that has lithium ion conductivity and is vitrified at room temperature. The first solid electrolyte 330 is in contact with the active material forming body 320. The active material composite 310 is in contact with the negative electrode 200 on the other surface 310b side via the second solid electrolyte 340. On the other surface 310b side, the active material forming body 320 is not exposed, and the first solid electrolyte 330 is exposed alone. This makes it possible to prevent a short circuit between the active material forming body 320 and the negative electrode 200.

第2固体電解質340は、活物質複合体310と負極電極200との間に配置されている。このように、第2固体電解質340を介して活物質複合体310と負極電極200とが接合されているので、活物質複合体310と負極電極200との密着性が向上し、電池の内部抵抗を下げることができる。 The second solid electrolyte 340 is disposed between the active material complex 310 and the negative electrode 200. In this manner, the active material complex 310 and the negative electrode 200 are joined via the second solid electrolyte 340, improving the adhesion between the active material complex 310 and the negative electrode 200, thereby reducing the internal resistance of the battery.

負極電極200の界面、即ち、シリコンナノワイヤ212と固体電解質300との間には、金(Au)とリチウム(Li)との合金膜220が配置されている。このように合金膜220を配置することにより、シリコンナノワイヤ212を形成する際、触媒金属として機能させる膜を金とした場合、リチウムイオンの部分的な析出を抑えることが可能となり、リチウムイオンの析出を均一化させることができる。 An alloy film 220 of gold (Au) and lithium (Li) is disposed at the interface of the negative electrode 200, i.e., between the silicon nanowires 212 and the solid electrolyte 300. By disposing the alloy film 220 in this manner, if gold is used as the film that functions as a catalytic metal when forming the silicon nanowires 212, it is possible to suppress partial precipitation of lithium ions and to make the precipitation of lithium ions uniform.

次に、図6~図16を参照しながら、全固体電池1000の製造方法を具体的に説明する。 Next, a method for manufacturing the all-solid-state battery 1000 will be described in detail with reference to Figures 6 to 16.

図6に示す工程では、正極多孔体で構成されたグリーンシート320Aを形成し、グリーンシート320Aから、活物質形成体320となる前の多孔性正極320aの形状に、例えば、プレス加工により打ち抜く。 In the process shown in FIG. 6, a green sheet 320A composed of a positive electrode porous body is formed, and the green sheet 320A is punched out, for example by press processing, into the shape of the porous positive electrode 320a before it becomes the active material forming body 320.

図7及び図8に示す工程では、グローブボックス内のドライエア中において、多孔性正極320aの空隙に、第1固体電解質330の前駆体溶液330aを含侵して、これを焼成して結晶化する。以上により、活物質複合体310が形成される。 In the process shown in Figures 7 and 8, the voids in the porous positive electrode 320a are impregnated with a precursor solution 330a of the first solid electrolyte 330 in dry air in a glove box, and then the precursor solution 330a is fired and crystallized. In this way, the active material composite 310 is formed.

第1固体電解質330の材料は、例えば、前述した、リチウムイオン伝導性を備える、C、SiまたはBを含むリチウム酸化物が挙げられ、Bを含むリチウム酸化物(Li-B-OまたはLi-B-Oの構成元素を含む材料)が好ましく用いられる。これにより、得られる第1固体電解質330のイオン伝導性を優れたものとすることができるとともに、第1固体電解質330の前駆体溶液330aに、多孔性正極320aを確実に溶解させることができる。 The material of the first solid electrolyte 330 may be, for example, the aforementioned lithium oxide containing C, Si or B, which has lithium ion conductivity, and preferably uses lithium oxide containing B (Li-B-O or a material containing the constituent elements of Li-B-O). This makes it possible to obtain a first solid electrolyte 330 with excellent ion conductivity, and also ensures that the porous positive electrode 320a is dissolved in the precursor solution 330a of the first solid electrolyte 330.

図9に示す工程では、真空中において、活物質複合体310の表面に、スパッタ法を用いて第2固体電解質340を成膜する。 In the process shown in FIG. 9, a second solid electrolyte 340 is formed on the surface of the active material composite 310 in a vacuum using a sputtering method.

次に、負極電極200側の製造方法を説明する。 Next, we will explain the manufacturing method for the negative electrode 200.

図10に示す工程では、シリコン基板210の上に、金(Au)膜230aを成膜する。具体的には、金膜230aは、スパッタ法、蒸着法や置換めっき法等によりシリコン基板210の上に成膜する。金膜230aは、シリコン基板210に、シリコンナノワイヤ212aを形成するMACE(メタルアシステッドケミカルエッチング)の触媒膜として機能する。また、この金膜230aは、MACE後もシリコンナノワイヤ212a表面や基材211のシリコンナノワイヤ212a側の面に残留し、リチウム(Li)のシリコンナノワイヤ212aへの蒸着によりリチウムとの合金膜220を形成して、全固体電池1000の充放電時のリチウムイオンの析出を均一化する膜として機能する合金膜220の材料となる。 In the process shown in FIG. 10, a gold (Au) film 230a is formed on the silicon substrate 210. Specifically, the gold film 230a is formed on the silicon substrate 210 by sputtering, vapor deposition, displacement plating, or the like. The gold film 230a functions as a catalyst film for MACE (metal-assisted chemical etching) that forms silicon nanowires 212a on the silicon substrate 210. In addition, this gold film 230a remains on the surface of the silicon nanowires 212a and the surface of the substrate 211 on the silicon nanowire 212a side even after MACE, and forms an alloy film 220 with lithium by vapor deposition of lithium (Li) on the silicon nanowires 212a, becoming the material of the alloy film 220 that functions as a film that uniforms the deposition of lithium ions during charging and discharging of the all-solid-state battery 1000.

次に、図示はしないが、金膜230aの上にアルミニウム膜を成膜し、アルミニウム膜に陽極酸化法を用いて細孔を形成する。 Next, although not shown, an aluminum film is formed on the gold film 230a, and pores are formed in the aluminum film using an anodization method.

図11に示す工程では、細孔230cを有する金膜パターン230bを形成する。具体的には、上記した細孔を有するアルミ陽極酸化膜をマスクとし、アルゴン(Ar)を用いたスパッタ法を用いて、金膜230aをエッチングする。これにより、金膜230aには、細孔230cの形状が反映された金膜パターン230bが形成される。 In the process shown in FIG. 11, a gold film pattern 230b having pores 230c is formed. Specifically, the gold film 230a is etched using a sputtering method using argon (Ar) with the aluminum anodized film having the pores described above as a mask. As a result, a gold film pattern 230b is formed in the gold film 230a, which reflects the shape of the pores 230c.

図12に示す工程では、MACE加工を行って、シリコンナノワイヤ212aを形成する。MACE加工は、フッ酸と過酸化水素水を適量に混合した液を、室温で浸漬するだけで行える簡単なエッチング方法である。シリコンナノワイヤ212aの長さは、浸漬時間を調整することにより、容易に制御することができる。 In the process shown in FIG. 12, MACE processing is performed to form silicon nanowires 212a. MACE processing is a simple etching method that can be performed by simply immersing the substrate in a mixture of appropriate amounts of hydrofluoric acid and hydrogen peroxide at room temperature. The length of the silicon nanowires 212a can be easily controlled by adjusting the immersion time.

MACE法を用いることにより、直径数nm~100nmで、長さ5μm程度の高いアスペクト比のシリコンナノワイヤ212aを形成することができる。 By using the MACE method, it is possible to form silicon nanowires 212a with a diameter of several nm to 100 nm and a high aspect ratio of approximately 5 μm in length.

図13に示す工程では、アルゴン(Ar)雰囲気の真空中において、シリコンナノワイヤ212aの表面に、リチウム(Li)膜を、蒸着法を用いて形成する。以上により、シリコン基板210が完成する。 In the process shown in FIG. 13, a lithium (Li) film is formed on the surface of the silicon nanowires 212a by deposition in a vacuum of an argon (Ar) atmosphere. This completes the silicon substrate 210.

図14に示す工程では、固体電解質300の一面310a側に、正極集電体100を形成する。更に、固体電解質300の他面310c側に、負極電極200を接合する。 In the process shown in FIG. 14, a positive electrode current collector 100 is formed on one surface 310a of the solid electrolyte 300. Furthermore, a negative electrode 200 is joined to the other surface 310c of the solid electrolyte 300.

具体的には、別体として準備した正極集電体100を、固体電解質300の一面310a側に接合してもよく、固体電解質300の一面310a側に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などを用いて正極集電体100を成膜してもよい。 Specifically, the positive electrode current collector 100 prepared separately may be joined to one surface 310a of the solid electrolyte 300, or the positive electrode current collector 100 may be formed on one surface 310a of the solid electrolyte 300 using a chemical vapor deposition (CVD) method or the like.

また、固体電解質300の他面310c側に、金とリチウムとの合金膜220を介して、シリコン基板210、即ち、負極電極200を圧接して接合する。以上により、電池セル1000aが完成する。 The silicon substrate 210, i.e., the negative electrode 200, is pressure-welded to the other surface 310c of the solid electrolyte 300 via a gold-lithium alloy film 220. This completes the battery cell 1000a.

図15に示す工程では、電池セル1000aを積層し、引き出し電極501,502を介して、電池セルを並列接続させる。具体的には、上下に重なる電池セル1000aは、表裏逆となって積層されている。全固体電池1000は、およそ14層以上の電池セル1000aを用いることにより、1.5V程度の電圧を得ることができる。 In the process shown in FIG. 15, the battery cells 1000a are stacked and connected in parallel via the lead electrodes 501, 502. Specifically, the battery cells 1000a that are stacked vertically are stacked upside down. The all-solid-state battery 1000 can obtain a voltage of about 1.5 V by using approximately 14 or more layers of battery cells 1000a.

図16に示す工程では、積層された複数の電池セル1000aを、アルミラミネートフィルム400によって包装する。以上により、全固体電池1000が完成する。 In the process shown in FIG. 16, the stacked battery cells 1000a are packaged in an aluminum laminate film 400. This completes the all-solid-state battery 1000.

図17及び図18は、実施形態の一例である、全固体電池1001において、電池セル1110の電極取り出し方法、電池セル1110の固定方法、電池セル1110の包装方法を示している。 Figures 17 and 18 show a method for extracting electrodes from a battery cell 1110, a method for fixing the battery cell 1110, and a method for packaging the battery cell 1110 in an all-solid-state battery 1001, which is an example of an embodiment.

図17に示すように、ケース1130に重畳して収容された、電池セル1110、正極基板(図示せず)、負極基板1124は、ケース1130の側壁1131,1132,1133、凸部1140、底部(図示せず)によって保持される。側壁1131,1132,1133は、切欠き1150を有し、この切欠き1150によって、側壁1131,1132に分割されている。 As shown in FIG. 17, the battery cells 1110, positive electrode substrate (not shown), and negative electrode substrate 1124, which are stacked and housed in the case 1130, are held by the side walls 1131, 1132, and 1133, the protrusion 1140, and the bottom (not shown) of the case 1130. The side walls 1131, 1132, and 1133 have a notch 1150, which divides the side walls 1131 and 1132.

図18に示すように、全固体電池1001は、2枚のアルミラミネートフィルム1161,1162を用いて、上方と下方とが覆われている。 As shown in FIG. 18, the solid-state battery 1001 is covered from above and below with two aluminum laminate films 1161 and 1162.

アルミラミネートフィルム1161,1162は伸縮性を有している。そのため、アルミラミネートフィルム1161は、全固体電池1001の側面(ケース1130の側壁)、全固体電池1001の上方の面などの全固体電池1001の外形に沿って、全固体電池1001の上方を覆っている。アルミラミネートフィルム1162は、全固体電池1001の下方の面を覆っている。アルミラミネートフィルム1161,1162は、全固体電池1001の下方の面から庇状にせり出した領域で、内面同士が接合されて一体に形成されている。 The aluminum laminate films 1161 and 1162 are stretchable. Therefore, the aluminum laminate film 1161 covers the upper side of the all-solid-state battery 1001 along the outer shape of the all-solid-state battery 1001, such as the side of the all-solid-state battery 1001 (the side wall of the case 1130) and the upper surface of the all-solid-state battery 1001. The aluminum laminate film 1162 covers the lower surface of the all-solid-state battery 1001. The aluminum laminate films 1161 and 1162 are integrally formed by bonding the inner surfaces of the films together in a region that protrudes in an eave-like manner from the lower surface of the all-solid-state battery 1001.

引き出し電極として機能する、正極タブ1122aおよび負極タブ1124aは、上記の庇状にせり出した領域で、アルミラミネートフィルム1161,1162の間から外側に引き出されている。アルミラミネートフィルム1161,1162は、正極タブ1122aおよび負極タブ1124aに密着し、上記の庇状にせり出した領域で一体となっている。そのため、全固体電池1001は、正極タブ1122aおよび負極タブ1124aを除いて、アルミラミネートフィルム1161,1162によって密封されている。全固体電池1001は、アルミラミネートフィルム1161,1162で包装されることにより、水分やガスなどの影響を低減することができる。 The positive electrode tab 1122a and the negative electrode tab 1124a, which function as extraction electrodes, are pulled out from between the aluminum laminate films 1161 and 1162 in the above-mentioned overhanging area. The aluminum laminate films 1161 and 1162 are in close contact with the positive electrode tab 1122a and the negative electrode tab 1124a, and are integrated in the above-mentioned overhanging area. Therefore, the all-solid-state battery 1001 is sealed by the aluminum laminate films 1161 and 1162, except for the positive electrode tab 1122a and the negative electrode tab 1124a. By packaging the all-solid-state battery 1001 with the aluminum laminate films 1161 and 1162, the effects of moisture, gas, and the like can be reduced.

以上述べたように、本実施形態の全固体電池1000は、正極集電体100と、負極電極200と、正極集電体100と負極電極200との間に配置された活物質複合体310と、を備え、負極電極200は、シリコンナノワイヤ212aと、シリコンナノワイヤ212aの表面に被覆されたリチウム膜212bと、を有し、活物質複合体310は、コバルト酸リチウムで構成された活物質形成体320と、活物質形成体320の周囲を覆う第1固体電解質330と、を有する。 As described above, the all-solid-state battery 1000 of this embodiment includes a positive electrode collector 100, a negative electrode 200, and an active material composite 310 disposed between the positive electrode collector 100 and the negative electrode 200. The negative electrode 200 includes a silicon nanowire 212a and a lithium film 212b coated on the surface of the silicon nanowire 212a. The active material composite 310 includes an active material forming body 320 made of lithium cobalt oxide and a first solid electrolyte 330 that surrounds the active material forming body 320.

この構成によれば、負極電極200が、リチウム膜212bで被覆されたシリコンナノワイヤ212で構成されているので、充放電を繰り返すことによって発生する膨張収縮による応力を、シリコンナノワイヤ212で吸収することが可能となり、充放電時における負極電極200が破損することを抑えることができる。よって、全固体電池1000の耐久性を向上させることができる。加えて、負極電極200がシリコンナノワイヤ212で構成されているため、負極電極200の表面積を増やすことが可能となり、充放電の容量を大きくすることができる。よって、全固体電池1000の寿命を延ばすことができる。また、電池セル1000aを小型にできるので、電池セル1000aを積層した場合でも、全固体電池1000が大型化することを抑えることができる。 According to this configuration, since the negative electrode 200 is composed of silicon nanowires 212 coated with a lithium film 212b, the stress caused by expansion and contraction generated by repeated charging and discharging can be absorbed by the silicon nanowires 212, and damage to the negative electrode 200 during charging and discharging can be suppressed. Therefore, the durability of the all-solid-state battery 1000 can be improved. In addition, since the negative electrode 200 is composed of silicon nanowires 212, it is possible to increase the surface area of the negative electrode 200, and the charging and discharging capacity can be increased. Therefore, the life of the all-solid-state battery 1000 can be extended. In addition, since the battery cell 1000a can be made small, even if the battery cells 1000a are stacked, the all-solid-state battery 1000 can be prevented from becoming large.

また、本実施形態の全固体電池1000において、活物質複合体310は、第2固体電解質340を介して、負極電極200と接合されていることが好ましい。この構成によれば、第2固体電解質340を介して活物質複合体310と負極電極200とが接合されているので、活物質複合体310と負極電極200との密着性が向上し、全固体電池1000の内部抵抗を下げることができる。 In addition, in the all-solid-state battery 1000 of this embodiment, the active material composite 310 is preferably joined to the negative electrode 200 via the second solid electrolyte 340. With this configuration, the active material composite 310 and the negative electrode 200 are joined via the second solid electrolyte 340, so that the adhesion between the active material composite 310 and the negative electrode 200 is improved, and the internal resistance of the all-solid-state battery 1000 can be reduced.

また、本実施形態の全固体電池1000において、負極電極200の界面には、金とリチウムとの合金膜220が配置されていることが好ましい。この構成によれば、金とリチウムとの合金膜220が配置されているので、MACEに用いる触媒金属として機能させる膜を金とした場合、シリコンナノワイヤ212表面に残留する微量の金を利用してリチウムの蒸着によりAu/Li合金を負極界面となるシリコンナノワイヤ表面に形成して、全固体電池1000の繰り返し充放電時のリチウムイオンの部分的な析出を抑えることが可能となり、リチウムイオンの析出を均一化させ更に応力を緩和し、充放電の繰り返しによる電池容量の低下を防止することができる。 In addition, in the all-solid-state battery 1000 of this embodiment, it is preferable that a gold-lithium alloy film 220 is disposed at the interface of the negative electrode 200. According to this configuration, since the gold-lithium alloy film 220 is disposed, when the film that functions as the catalytic metal used in MACE is gold, it is possible to form an Au/Li alloy by vapor deposition of lithium on the silicon nanowire surface that serves as the negative electrode interface by utilizing the trace amount of gold remaining on the surface of the silicon nanowire 212, and to suppress partial precipitation of lithium ions during repeated charging and discharging of the all-solid-state battery 1000, and to uniformize the precipitation of lithium ions and further relieve stress, thereby preventing a decrease in battery capacity due to repeated charging and discharging.

また、本実施形態の全固体電池1000において、正極集電体100と負極電極200と活物質複合体310とが、順に複数積層された積層体、即ち、電池セル1000aを備え、積層体は、アルミラミネートフィルム400で覆われていることが好ましい。この構成によれば、上記構成の積層体がアルミラミネートフィルム400で覆われているので、所定の電池容量を有する全固体電池1000として、取り扱いやすくすることができる。 In addition, the all-solid-state battery 1000 of this embodiment preferably includes a laminate in which the positive electrode collector 100, the negative electrode 200, and the active material composite 310 are stacked in order, i.e., the battery cell 1000a, and the laminate is covered with an aluminum laminate film 400. According to this configuration, since the laminate of the above configuration is covered with an aluminum laminate film 400, it can be easily handled as an all-solid-state battery 1000 having a predetermined battery capacity.

また、本実施形態の全固体電池1000の製造方法は、活物質複合体310を形成する工程と、シリコン基板210の表面にMACE法を用いてシリコンナノワイヤ212aを形成する工程と、シリコンナノワイヤ212aの表面にリチウム膜212bを成膜して負極電極200を形成する工程と、正極集電体100を準備する工程と、正極集電体100と活物質複合体310と負極電極200とを接合する工程と、を有する。 The manufacturing method of the all-solid-state battery 1000 of this embodiment includes the steps of forming an active material composite 310, forming silicon nanowires 212a on the surface of a silicon substrate 210 using the MACE method, forming a lithium film 212b on the surface of the silicon nanowires 212a to form a negative electrode 200, preparing a positive electrode collector 100, and joining the positive electrode collector 100, the active material composite 310, and the negative electrode 200.

この方法によれば、負極電極200を、リチウム膜212bで被覆されたシリコンナノワイヤ212で形成するので、充放電によって発生する膨張収縮による応力を、シリコンナノワイヤ212で吸収することが可能となり、充放電時における負極電極200が破損することを抑えることができる。よって、全固体電池1000の耐久性を向上させることができる。加えて、負極電極200がシリコンナノワイヤ212で構成されているため、負極電極200の表面積を増やすことが可能となり、充放電の容量を大きくすることができる。よって、全固体電池1000の寿命を延ばすことができる。 According to this method, the negative electrode 200 is formed of silicon nanowires 212 coated with a lithium film 212b, so that the stress caused by expansion and contraction generated by charging and discharging can be absorbed by the silicon nanowires 212, and damage to the negative electrode 200 during charging and discharging can be suppressed. This improves the durability of the all-solid-state battery 1000. In addition, because the negative electrode 200 is composed of silicon nanowires 212, it is possible to increase the surface area of the negative electrode 200, and the charging and discharging capacity can be increased. This allows the life of the all-solid-state battery 1000 to be extended.

100…正極集電体、200…負極電極、210…シリコン基板、211…基材、212…シリコンナノワイヤ、212a…シリコンナノワイヤ、212b…リチウム膜、220…合金膜、230a…金膜、230b…金膜パターン、230c…細孔、300…固体電解質、301…電極複合体、310…活物質複合体、310a…一面、310b…他面、310c…他面、320…活物質形成体、320a…多孔性正極、320A…グリーンシート、321…活物質粒子、330…第1固体電解質、330a…前駆体溶液、340…第2固体電解質、400…アルミラミネートフィルム、501,502…引き出し電極、1000…全固体電池、1000a…電池セル、1001…全固体電池、1110…電池セル、1122a…正極タブ、1124…負極基板、1124a…負極タブ、1130…ケース、1140…凸部、1161,1162…アルミラミネートフィルム。 100...positive electrode current collector, 200...negative electrode, 210...silicon substrate, 211...substrate, 212...silicon nanowire, 212a...silicon nanowire, 212b...lithium film, 220...alloy film, 230a...gold film, 230b...gold film pattern, 230c...pore, 300...solid electrolyte, 301...electrode composite, 310...active material composite, 310a...one side, 310b...other side, 310c...other side, 320...active material forming body, 320a...porous positive electrode, 320A...green 321...active material particles, 330...first solid electrolyte, 330a...precursor solution, 340...second solid electrolyte, 400...aluminum laminate film, 501, 502...drawing electrode, 1000...all-solid-state battery, 1000a...battery cell, 1001...all-solid-state battery, 1110...battery cell, 1122a...positive electrode tab, 1124...negative electrode substrate, 1124a...negative electrode tab, 1130...case, 1140...projection, 1161, 1162...aluminum laminate film.

Claims (5)

正極集電体と、
負極電極と、
前記正極集電体と前記負極電極との間に配置された活物質複合体と、
を備え、
前記負極電極は、シリコンナノワイヤと、前記シリコンナノワイヤの表面に被覆されたリチウム膜と、を有し、
前記活物質複合体は、コバルト酸リチウムで構成された活物質形成体と、前記活物質形成体の周囲を覆う第1固体電解質と、を有する、全固体電池。
A positive electrode current collector;
A negative electrode;
an active material composite disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode;
Equipped with
The negative electrode includes a silicon nanowire and a lithium film coated on a surface of the silicon nanowire,
The active material composite includes an active material forming body made of lithium cobalt oxide, and a first solid electrolyte that surrounds the active material forming body.
請求項1に記載の全固体電池であって、
前記活物質複合体は、第2固体電解質を介して、前記負極電極と接合されている、全固体電池。
The all-solid-state battery according to claim 1 ,
the active material composite is joined to the negative electrode via a second solid electrolyte.
請求項1に記載の全固体電池であって、
前記負極電極の界面には、金とリチウムとの合金膜が配置されている、全固体電池。
The all-solid-state battery according to claim 1 ,
The all-solid-state battery further comprises a gold-lithium alloy film disposed on an interface of the negative electrode.
請求項1に記載の全固体電池であって、
前記正極集電体と前記負極電極と前記活物質複合体とが、順に複数積層された積層体を備え、
前記積層体は、アルミラミネート外装材で覆われている、全固体電池。
The all-solid-state battery according to claim 1 ,
a laminate in which the positive electrode current collector, the negative electrode, and the active material composite are laminated in this order;
The laminate is covered with an aluminum laminate exterior material.
活物質複合体を形成する工程と、
シリコン基板の表面にMACE法を用いてシリコンナノワイヤを形成する工程と、
前記シリコンナノワイヤの表面にリチウム膜を成膜して負極電極を形成する工程と、
正極集電体を準備する工程と、
前記正極集電体と前記活物質複合体と前記負極電極とを接合する工程と、
を有する、全固体電池の製造方法。
forming an active material composite;
forming silicon nanowires on a surface of a silicon substrate using a MACE method;
forming a lithium film on a surface of the silicon nanowire to form a negative electrode;
preparing a positive electrode current collector;
a step of joining the positive electrode current collector, the active material composite, and the negative electrode;
The present invention relates to a method for producing an all-solid-state battery.
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