レーザーアブレーション法による全固体薄膜二次電池材料の作成と評価

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14350157
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 河村 純一 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (50142683)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 神嶋 修 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (90321984) ; 服部 武志 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (20029234)
• Keywords: 薄膜電池 / 二次電池 / 固体イオニクス / 超イオン導電体 / リチウム電池 / レーザーアブレーション / イオン伝導性ガラス

Research Abstract

本年度は、昨年度に引き続き、銀およびリチウムイオン伝導体ガラスの基礎物性の検討と薄膜化および、それをと組み合わせて全固体薄膜二次電池を構成するための正極・負極材料の探索を行った。これらの材料を組み合わせて、レーザーアブレーション法により、実際に石英基板上に種々の薄膜リチウムイオン二次電池を構成し、その電気化学的特性と二次電池充放電特性の評価を行った。
昨年の結果に基づき、レーザーの光源をXeClエキシマレーザーからNd : YAGの4倍波に変更した結果、固体電解質薄膜の成膜速度が大きく向上した。
正極としてリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)、固体電解質としてリチウム・バナジウム・ケイ酸塩ガラス(LVSO)、負極としてアモルファス・スズ酸化物(a-SnO)を用いることで、安定なリチウムイオン二次電池としての特性が得られた。面積は5mm角、厚さは、正極・固体電解質・負極がそれぞれ200nm,800nm,200nm(合計で1-2μm)程度である。起電力は、2〜3ボルトで充放電量に依存する。充放電電流は1平方センチ当り10~200μA、100回以上の充放電サイクル特性が得られている。一方、ここで用いられた正極と固体電解質の基礎的な薄膜物性を明らかにするために、X線回折、赤外吸収、ラマン散乱、可視紫外吸収、電子・イオン伝導度などを測定した。その結果、成膜直後のLiCoO2は、アモルファス状態でバンドの広がりが大きく電子伝導度も小さいが、熱処理による結晶化後は、バンドギャップが明瞭に現れ、電子(ホール)伝導度も上昇した。これは、熱処理による電池特性の改善、特に起電力の組成や放電電流に対する依存性の減少、の主な要因と考えられる。
これらの成果は、日本物理学会、固体イオニクス学会などで発表され、間も無く、第9回アジア固体イオニクス国際会議でも発表される。また、既に2編の論文として報告されている。また、河北新報(2003.12.12)にも報道された。

Research Products

• [Publications] J.Kawamura他(5名): "Preparation of amorphous lithium ion conductor thin-films by laser deposition"Solid Sate Ionics. (印刷中). (2004)
• [Publications] N.Kuwata他(4名): "Thin-film lithium-ion battery with amorphous solid electrolyte fabricated by pulsed laser deposition"Electrochem.Commun.. 6. 417-421 (2004)
• [Publications] N.Kuwata他(4名): "cation dynamics of stabilized alpha-Agl in Agl-Ag20-Mo03 glasses, studied by Ag-109 NMR"J.Non-Cryst.Solids. 324. 79-91 (2003)
• [Publications] N.Kuwata他(4名): "Non-Arrhenius ionic conductivity in a-Agl stabilized composites and rapid quenched glasses"Solid State Ionics. (印刷中). (2004)
• [Publications] 河村純一: "実験化学講座第5版7電気物性,磁気物性(固体のイオン伝導体)"日本化学会編 丸善. 12 (2004)