シリコン基板上へのリチウムイオン積層伝導薄膜の形成と物性評価

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12450016
• 研究機関: 法政大学
• 研究代表者: 栗山 一男 法政大学, 工学部, 教授 (20125082)
• キーワード: リチウムマンガン酸化物 / リチウムインジウム酸化物 / ゾル-ゲル薄膜成長 / シリコン基板 / ポーラスガラス電解質 / 直接遷移型材料 / ワイドギャップ / 全固体型マイクロ・リチウム2次電池

研究概要

平成14年度は下記の4点について研究を実施した。
1.シリコン基板内埋め込みカソード領域への固体イオン伝導層の形成
(1)シリコン基板表面に作成した幅約100μm、深さ約2μmのパターン内にゾル-ゲル・スピンコーティング法を用いてLiMn_2O_4を充填し、カソード領域を形成した。
(2)カソード領域上にスピンコーティング法を用いシリカガラス(SiO_2・P_2O_5)を塗布し、固体イオン伝導層の形成を試み、電気化学実験によりイオン伝導層の最適作成条件を決定した。
(3)原子間力顕微鏡・走査型電子顕微鏡観察により、上記イオン伝導層表面が50〜150nm程度のガラス粒塊を有するポーラス構造体であることを明らかにした。
2.固体イオン伝導層上へのミクロサイズの金属リチウム層の形成
(1)上記積層薄膜上にマスクを介して幅100×200μm^2のアノード層(リチウム)を蒸着した。
(2)上記リチウム層を酸化・水酸化から保護するためにアルミニウムを蒸着し、これをアノード電極とした。
3.Li/LiMn_2O_4/シリカガラス(SiO_2・P_2O_5)/Li/Al積層構造の電池動作の検討
表記構造は起電力2.8〜4.2Vを発生し、34.6μWhcm^<-2>のエネルギーを供給することが可能であり、37時間(100サイクル)におよび安定した充放電動作を示した。本研究で作成したイオン伝導積層薄膜が全固体型リチウム2次電池として有効に機能することを明らかにした。
4.新しいイオン伝導素材LiInO_2薄膜の作成と物性
(1)酢酸リチウムと酢酸コバルトを原材料としてゾル-ゲル・スピンコーティング法を用いてシリコン基板および石英ガラス基板上にLiInO_2膜を作成した。
(2)上記薄膜は、室温で4.20eVのバンドギャップを有する直接遷移型材料であり、カソードおよびフォトルミネッセンス測定により黄色発光を観測した。

研究成果

• [文献書誌] K.Kushida, K.Kuriyama: "Sol-gel growth of LiCoO_2 films on Si substrates by a spin-coating method"Journal of Crystal Growth. 236/239. 612-615 (2002)
• [文献書誌] K.Kuriyama, K.Nagawasa, K.Kushida: "Growth and band gap of the filled tetrahedral semiconductor LiMgN"Journal of Crystal Growth. 237/239. 2019-2022 (2002)
• [文献書誌] K.Kushida, K.Kuriyama: "Narrowing of the Co-3d band related to the order-disorder phase transition in LiCoO_2"Solid State Commun.. 123. 349-352 (2002)
• [文献書誌] K.Kushida, K.Kuriyama, T.Nozaki: "Hundred-micron-sized all-solid-state Li secondary battery arrays embedded in a Si substrate"Applied Physics Letters. 81. 5066-5068 (2002)
• [文献書誌] K.Kushida, T.Koba, K.Kuriyama: "Band gap and cathode-and photo-luminescences from LiInO_2 films"Journal of Appled Physics. 93. 2691-2695 (2003)