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JP2004193112A - Solid electrolyte and all-solid battery using the same - Google Patents

Solid electrolyte and all-solid battery using the same Download PDF

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JP2004193112A JP2003386846A JP2003386846A JP2004193112A JP 2004193112 A JP2004193112 A JP 2004193112A JP 2003386846 A JP2003386846 A JP 2003386846A JP 2003386846 A JP2003386846 A JP 2003386846A JP 2004193112 A JP2004193112 A JP 2004193112A
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Abstract

【課題】 窒化リン酸リチウムからなる固体電解質を用いる二次電池において、リン原子の還元による充放電特性、保存特性および充放電サイクル特性などの低下を抑制する。
【解決手段】 チッ化リン酸リチウムに遷移金属元素を含ませることによって固体電解質を構成する。遷移金属元素は下記の群より選択される少なくとも1種である Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo Ru,Ag,Ta,W,Pt,Auまた遷移金属元素の含有率は,リン原子に対し1〜50原子%である
【選択図】なし
PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration of charge / discharge characteristics, storage characteristics, charge / discharge cycle characteristics, etc. due to reduction of phosphorus atoms in a secondary battery using a solid electrolyte composed of lithium nitride phosphate.
SOLUTION: A solid electrolyte is constituted by incorporating a transition metal element into lithium nitride phosphate. The transition metal element is at least one selected from the following group: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo Ru, Ag, Ta, W, Pt, Au The content of metal element is 1 to 50 atomic% based on phosphorus atom.

Description

本発明は、全固体電池、特に全固体薄膜リチウム二次電池に用いられる固体電解質に関する。   The present invention relates to an all solid state battery, particularly to a solid electrolyte used for an all solid state thin film lithium secondary battery.

近年、パーソナルコンピュータおよび携帯電話などのポータブル機器の開発にともない、その電源として電池の需要は非常に大きくなってきている。特に、リチウム二次電池は、リチウムが小さな原子量を持ちかつ大きいイオン化エネルギーを有することから、高エネルギー密度を得ることができる電池として各方面で盛んに研究が行われている。   In recent years, with the development of portable devices such as personal computers and mobile phones, the demand for batteries as power sources has become extremely large. In particular, lithium secondary batteries have been actively studied in various fields as batteries capable of obtaining a high energy density because lithium has a small atomic weight and a large ionization energy.

これらの用途に用いられる電池においては、電解質に液体を使用しているため、電解質の漏液などの問題を完全に解決することは難しい。さらに、リチウム二次電池に関しては、そのエネルギー密度が高いことから、電池に異常が生じた際には電池が発熱する恐れもある。そのため、電解質が不燃性である必要が出てきている。   In the batteries used for these applications, since a liquid is used for the electrolyte, it is difficult to completely solve problems such as electrolyte leakage. Further, regarding the lithium secondary battery, since the energy density is high, the battery may generate heat when an abnormality occurs in the battery. Therefore, it is necessary that the electrolyte be nonflammable.

こうした問題を解決するものとして、液体の電解質に代えて固体電解質を用いる全固体電池が挙げられる。この電池の構成要素はすべて固体であるため、電池の信頼性が向上するだけでなく、電池をより小型化および薄型化することが可能となる。したがって、リチウム二次電池の場合でも、不燃性の固体材料で構成される固体電解質を用いた全固体電池である全固体リチウム二次電池の開発が望まれている。   One solution to these problems is an all-solid battery that uses a solid electrolyte instead of a liquid electrolyte. Since all components of the battery are solid, not only the reliability of the battery is improved, but also the battery can be made smaller and thinner. Therefore, even in the case of a lithium secondary battery, development of an all-solid lithium secondary battery that is an all-solid battery using a solid electrolyte composed of a non-combustible solid material is desired.

全固体リチウム二次電池に用いられる固体電解質としては、例えばハロゲン化リチウム、窒化リチウム、リチウム酸素酸塩、およびこれらの誘導体などが知られている。特に、特許文献1で報告されているオルトリン酸リチウム(Li3PO4)に窒素Nを導入して得られる窒化リン酸リチウム(LixPOyz:x=2.8、3z+2y=7.8)は、酸化物系の材料にも拘わらず、1〜2×10-6S/cmと非常に高いLiイオン伝導性を有するため、全固体リチウム二次電池のなかでも、特にICカードや電子タグなどの超小型機器用電源である全固体薄膜リチウム二次電池に用いられている。
米国特許第5,597,660号明細書
As a solid electrolyte used in an all-solid lithium secondary battery, for example, lithium halide, lithium nitride, lithium oxyacid salt, and derivatives thereof are known. In particular, lithium nitride phosphate (Li x PO y N z : x = 2.8, 3z + 2y = 7.) Obtained by introducing nitrogen N into lithium orthophosphate (Li 3 PO 4 ) reported in Patent Document 1. 8) has an extremely high Li ion conductivity of 1 to 2 × 10 −6 S / cm irrespective of the oxide-based material. It is used for all-solid-state thin-film lithium secondary batteries, which are power supplies for micro devices such as electronic tags.
U.S. Pat. No. 5,597,660

ところが、上記特許文献1記載の固体電解質である窒化リン酸リチウム(LixPOyz)は、湿潤雰囲気下に放置しておくと、水分と反応して劣化し、イオン伝導性が著しく低下するという問題がある。この劣化は、リン原子(P)が+5価から還元され、窒化リン酸リチウムが分解することに由来していた。 However, lithium nitrate phosphate (Li x PO y N z ), which is a solid electrolyte described in Patent Document 1, reacts with moisture and deteriorates when left in a humid atmosphere, resulting in a significant decrease in ionic conductivity. There is a problem of doing. This deterioration originated from the reduction of the phosphorus atom (P) from +5 and the decomposition of lithium nitride phosphate.

このような劣化が起こると、全固体リチウム二次電池では、電気化学的な特性である充放電特性、保存特性および充放電サイクル特性などが低下してしまう。そこで、本発明は、窒化リン酸リチウムにおけるリン原子の還元をできるだけ抑制し、劣化しにくい固体電解質を提供することを目的とする。   When such deterioration occurs, in the all-solid lithium secondary battery, the electrochemical characteristics such as charge / discharge characteristics, storage characteristics, and charge / discharge cycle characteristics deteriorate. Therefore, an object of the present invention is to provide a solid electrolyte which suppresses the reduction of phosphorus atoms in lithium nitride phosphate as much as possible and is hardly deteriorated.

上述の課題を解決すべく、本発明は、チッ化リン酸リチウムと遷移金属元素(原子)とを含むことを特徴とする固体電解質を提供する。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a solid electrolyte comprising lithium phosphate and a transition metal element (atom).

前記遷移金属元素としては、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、PtおよびAuよりなる群から選択される少なくとも1種であるのが好ましい。
前記遷移金属元素の含有率は、リン原子に対して1〜50原子%であるのが好ましい。
The transition metal element is at least one selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Ag, Ta, W, Pt, and Au. It is preferred that
The content of the transition metal element is preferably 1 to 50 atomic% based on phosphorus atoms.

さらに本発明は、上記の固体電解質を用いた全固体電池にも関する。   Further, the present invention also relates to an all solid state battery using the above solid electrolyte.

以上のような本発明によれば、遷移金属を含有することを特徴とする窒化リン酸リチウムからなる固体電解質を用いることにより、湿潤雰囲気下で電気化学的な特性劣化を抑制することができる。   According to the present invention as described above, by using a solid electrolyte made of lithium nitride phosphate containing a transition metal, it is possible to suppress electrochemical property deterioration in a humid atmosphere.

本発明に係る固体電解質は、窒化リン酸リチウム(LixPOyz)が遷移金属元素Tを含有することによって構成される。したがって、本発明に係る固体電解質は、式(1):
LiaPObc−Td (1)
(式中、a=2.6〜3.0、b=3.0〜4.0、c=0.1〜0.6、d=0.01〜0.50)で表される。
The solid electrolyte according to the present invention is configured such that lithium nitride phosphate (Li x PO y N z ) contains a transition metal element T. Therefore, the solid electrolyte according to the present invention has the formula (1):
Li a PO b N c -T d (1)
(Where a = 2.6 to 3.0, b = 3.0 to 4.0, c = 0.1 to 0.6, d = 0.01 to 0.50).

ここで、式(1)で表される固体電解質において、リチウム原子(Li)、リン原子(P)、酸素原子(O)および窒素原子(N)の価数は、それぞれ+1価、+5価、−2価および−3価となる。遷移金属元素Tは窒化リン酸リチウム中に金属の状態で取り込まれているため、0価とみなすことができる。   Here, in the solid electrolyte represented by the formula (1), the valences of lithium atom (Li), phosphorus atom (P), oxygen atom (O) and nitrogen atom (N) are +1 valence, +5 valence, respectively. They are -2 and -3. Since the transition metal element T is incorporated in the lithium nitride phosphate in a metal state, it can be regarded as having zero valence.

本発明に係る固体電解質においては、窒化リン酸リチウム(LixPOyz)中に、遷移金属元素が遷移金属酸化物または遷移金属窒化物などの化合物の状態で含まれていてもよい。 In the solid electrolyte according to the present invention, the transition metal element may be contained in lithium nitride phosphate (Li x PO y N z ) in a state of a compound such as a transition metal oxide or a transition metal nitride.

遷移金属元素が遷移金属酸化物として存在している場合、本発明に係る固体電解質は、式(2):
LiaPObc−Tde (2)
(式中、a=2.6〜3.0、b=3.0〜4.0、c=0.1〜0.6、d=0.01〜0.50、e=0.005〜0.175)で表すことができる。
When the transition metal element is present as a transition metal oxide, the solid electrolyte according to the present invention has the formula (2):
Li a PO b N c -T d O e (2)
(Where a = 2.6-3.0, b = 3.0-4.0, c = 0.1-0.6, d = 0.01-0.50, e = 0.005- 0.175).

また、遷移金属元素が遷移金属窒化物として存在している場合、本発明に係る固体電解質は、式(3):
LiaPObc−Tde (3)
(式中、a=2.6〜3.0、b=3.0〜4.0、c=0.1〜0.6、d=0.01〜0.50、e=0.003〜0.12)で表すことができる。
When the transition metal element is present as a transition metal nitride, the solid electrolyte according to the present invention has the formula (3):
Li a PO b N c -T d N e (3)
(Where a = 2.6-3.0, b = 3.0-4.0, c = 0.1-0.6, d = 0.01-0.50, e = 0.003- 0.12).

窒化リン酸リチウム単独からなる固体電解質を湿潤雰囲気に放置しておくと、水分と容易に反応して劣化が生じてしまい、イオン伝導性が低下する。これは窒化リン酸リチウムに含まれる一部のリン原子(P)が、窒化リン酸リチウムの薄膜の作製中に+5価から還元されることに起因する。   If the solid electrolyte made of lithium nitride phosphate alone is left in a humid atmosphere, it easily reacts with moisture to cause deterioration, resulting in reduced ionic conductivity. This is because some phosphorus atoms (P) contained in lithium nitride phosphate are reduced from +5 valence during the production of the lithium nitride phosphate thin film.

これに対し、本発明に係る固体電解質においては、遷移金属元素を含有させることで、リン原子(P)よりも高い還元性を有しかつ容易に価数が変化し得る遷移金属元素が優先的に還元される。これにより、窒化リン酸リチウム中のリン原子を+5価の状態に保持させることができる。   On the other hand, in the solid electrolyte according to the present invention, by including the transition metal element, the transition metal element having a higher reducing property than the phosphorus atom (P) and capable of easily changing the valence is preferentially used. Is reduced to Thereby, the phosphorus atoms in the lithium nitride phosphate can be maintained in a +5 valence state.

遷移金属元素を含有する窒化リン酸リチウムからなる本発明に係る固体電解質は、従来の窒化リン酸リチウムと同じように、真空装置を用いた薄膜作製方法によって作製することができる。もちろん、真空装置を用いた作製方法以外の方法を用いても構わない。   The solid electrolyte according to the present invention made of lithium nitride phosphate containing a transition metal element can be manufactured by a thin film manufacturing method using a vacuum device, similarly to conventional lithium nitride phosphate. Of course, a method other than the manufacturing method using a vacuum device may be used.

真空装置を用いる代表的な薄膜作製方法としては、蒸着法と窒素イオンを導入するイオンビーム照射を組み合わせた方法が挙げられる。この蒸着法としては、例えばマグネトロンまたは高周波などの手段によりターゲットを窒素(N2)でスパッタするスパッタリング法、抵抗により蒸着源を加熱して蒸着させる抵抗加熱蒸着法、電子ビームにより蒸着源を加熱して蒸着させる電子ビーム蒸着法、およびレーザーにより蒸着源を加熱して蒸着させるレーザーアブレーション法などが挙げられる。   As a typical method for manufacturing a thin film using a vacuum apparatus, a method in which a vapor deposition method and ion beam irradiation for introducing nitrogen ions are combined is exemplified. Examples of the vapor deposition method include a sputtering method in which a target is sputtered with nitrogen (N2) by means of a magnetron or a high frequency wave, a resistance heating vapor deposition method in which a vapor deposition source is heated and vapor-deposited by a resistor, and a vapor deposition source which is heated by an electron beam. Examples include an electron beam evaporation method for vapor deposition, and a laser ablation method for vapor deposition by heating a vapor deposition source with a laser.

ここで、本発明に係る固体電解質を作製するためには、ターゲットまたは蒸着源として、オルトリン酸リチウム(Li3PO4)以外に、遷移金属元素を導入するためのターゲットまたは蒸着源を用いる必要がある。 Here, in order to produce the solid electrolyte according to the present invention, it is necessary to use a target or a vapor deposition source for introducing a transition metal element other than lithium orthophosphate (Li 3 PO 4 ) as the target or the vapor deposition source. is there.

すなわち、例えばスパッタリング法の場合は、オルトリン酸リチウムターゲットと遷移金属元素ターゲットとを用いる。また、例えば抵抗加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法およびレーザーアブレーション法などの場合は、オルトリン酸リチウム蒸着源と遷移金属蒸着源とを用いる。しかし、オルトリン酸リチウムのターゲットまたは蒸着源に、所定の混合比で遷移金属元素を混ぜ合わせたターゲットまたは蒸着源を用いることも可能である。   That is, for example, in the case of a sputtering method, a lithium orthophosphate target and a transition metal element target are used. In the case of, for example, a resistance heating evaporation method, an electron beam evaporation method, or a laser ablation method, a lithium orthophosphate evaporation source and a transition metal evaporation source are used. However, it is also possible to use a target or an evaporation source in which a transition metal element is mixed at a predetermined mixing ratio with a lithium orthophosphate target or an evaporation source.

さらに、蒸着源にリン酸リチウムを用いる抵抗加熱蒸着法、および蒸着源に遷移金属を用いる電子ビーム蒸着法の2種類の蒸着方法を組み合わせて蒸着を行うことも可能である。   Further, the evaporation can be performed by combining two kinds of evaporation methods, a resistance heating evaporation method using lithium phosphate as an evaporation source and an electron beam evaporation method using a transition metal as an evaporation source.

また、遷移金属元素Tをそのまま蒸着源として用いても構わないが、遷移金属蒸着源として、例えば遷移金属酸化物または遷移金属窒化物を用いて蒸着を行い、薄膜中に遷移金属元素を酸化物または窒化物として導入しても構わない。特に、遷移金属酸化物においては遷移金属元素がすでに酸化された状態であるため、非常に還元され易くなっており都合がよい。   Further, the transition metal element T may be used as an evaporation source as it is, but as the transition metal evaporation source, for example, a transition metal oxide or a transition metal nitride is used for evaporation, and the transition metal element Alternatively, it may be introduced as a nitride. In particular, since the transition metal element is already oxidized in the transition metal oxide, it is very easy to be reduced, which is convenient.

ここでいう遷移金属元素Tとして代表的なものは、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、白金(Pt)、および金(Au)などが挙げられる。もちろん、本発明の効果を損なわない範囲で、これら以外の遷移金属元素を用いることもできる。また、含有する遷移金属元素は1種類ではなく、2種類以上であっても構わない。   Typical examples of the transition metal element T here include titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), and copper. (Cu), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), silver (Ag), tantalum (Ta), tungsten (W), platinum (Pt), gold (Au), etc. Is mentioned. Of course, other transition metal elements can be used as long as the effects of the present invention are not impaired. The transition metal element to be contained is not limited to one kind, but may be two or more kinds.

本発明に係る固体電解質における遷移金属元素Tの含有量としては、前記固体電解質を構成する窒化リン酸リチウム中のリン原子(P)に対して、1〜50原子%であることが望ましい。   The content of the transition metal element T in the solid electrolyte according to the present invention is desirably 1 to 50 atomic% with respect to phosphorus atoms (P) in lithium nitride phosphate constituting the solid electrolyte.

これは、1原子%未満の微少な量の場合は、リン原子の還元を十分に抑制することができず、また、50原子%を超える場合は、逆に窒化リン酸リチウムの骨格構造が壊れ、固体電解質のイオン伝導性が低下して電子伝導性が増加してしまう恐れがあるためである。電子伝導性が増加した固体電解質を薄膜二次電池の固体電解質層に用いた場合、当該固体電解質層が充電状態において自己放電してしまう傾向にあるという問題がある。
また、本発明に係る固体電解質は薄膜状であるのが好ましく、膜厚は適宜制御することができるが、0.1〜10μmであるのが好ましい。
If the amount is less than 1 atomic%, the reduction of phosphorus atoms cannot be sufficiently suppressed, and if it exceeds 50 atomic%, the skeleton structure of lithium nitride phosphate is broken. This is because the ionic conductivity of the solid electrolyte may decrease and the electron conductivity may increase. When a solid electrolyte with increased electron conductivity is used for a solid electrolyte layer of a thin-film secondary battery, there is a problem that the solid electrolyte layer tends to self-discharge in a charged state.
Further, the solid electrolyte according to the present invention is preferably in the form of a thin film, and the film thickness can be appropriately controlled, but is preferably 0.1 to 10 μm.

また、本発明に係る固体電解質を含む全固体電池として、代表的な全固体薄膜リチウム二次電池の構成を図2に示す。この電池は、基板21上に第1集電体22、第1電極23、固体電解質24、第2電極25、第2集電体26を備える。なお、ここでは第1電極が正極層、第2電極は負極層とするが、第1電極が負極層で、第2電極が正極層であっても構わない。   FIG. 2 shows a configuration of a typical all solid-state thin film lithium secondary battery as an all solid state battery including the solid electrolyte according to the present invention. This battery includes a first current collector 22, a first electrode 23, a solid electrolyte 24, a second electrode 25, and a second current collector 26 on a substrate 21. Although the first electrode is a positive electrode layer and the second electrode is a negative electrode layer here, the first electrode may be a negative electrode layer and the second electrode may be a positive electrode layer.

この電池は、真空装置を用いた薄膜作製方法により、基板21上から第1集電体22、第1電極23、固体電解質24、第2電極25、第2集電体26の順序で積層したものである。もちろん、真空装置を用いた薄膜作製方法以外の方法でも構わない。さらに、第2集電体26の上に電池の保護層として樹脂やアルミラミネートフィルムを用いることは有効である。この保護層の厚みは通常10μm以上であるが、水分による劣化が抑制された固体電解質24、第1電極23、第2電極25を用いた場合、前記保護層の厚みを数μmからほとんど保護層がない状態にまで薄くすることが可能になる。   In this battery, a first current collector 22, a first electrode 23, a solid electrolyte 24, a second electrode 25, and a second current collector 26 were stacked in this order from a substrate 21 by a thin film manufacturing method using a vacuum device. Things. Of course, a method other than the method for producing a thin film using a vacuum device may be used. Further, it is effective to use a resin or an aluminum laminate film on the second current collector 26 as a protective layer of the battery. The thickness of the protective layer is usually 10 μm or more. It is possible to reduce the thickness to a state where there is no.

基板21としては、アルミナ、ガラスおよびポリイミドフィルム等の電気絶縁性基板、シリコン等の半導体基板、アルミニウムや銅等の導電性基板などを用いることができる。ここで、基板の表面の表面粗さは小さい方が良いため、鏡面板などを用いることが有用である。シリコン等の半導体基板を用いる場合、表示素子、メモリー素子等の他の電気素子が同時に半導体基板内に形成、配線されていても構わない。   As the substrate 21, an electrically insulating substrate such as alumina, glass, and a polyimide film, a semiconductor substrate such as silicon, and a conductive substrate such as aluminum and copper can be used. Here, since it is better that the surface roughness of the surface of the substrate is small, it is useful to use a mirror surface plate or the like. When a semiconductor substrate such as silicon is used, other electric elements such as a display element and a memory element may be simultaneously formed and wired in the semiconductor substrate.

基板21上に、まず始めに作製する第1集電体22としては、白金、白金/パラジウム、金、銀、アルミニウム、銅、ITO(インジウム−錫酸化膜)など電子伝導性のある材料を用いる。集電体としては電子伝導性があり、なお且つ第1電極と反応しない材料なら前記の材料以外でも構わない。この第1集電体の作製方法としては、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、イオンビーム蒸着法、あるいは電子ビーム蒸着法などが挙げられる。ただし、基板21にアルミニウム、銅、ステンレスなどの導電性を有するものを用いた場合は、第1集電体22はあえて必要としない。   As the first current collector 22 to be first manufactured on the substrate 21, a material having electron conductivity such as platinum, platinum / palladium, gold, silver, aluminum, copper, or ITO (indium-tin oxide film) is used. . As a current collector, a material other than the above materials may be used as long as it has electron conductivity and does not react with the first electrode. Examples of a method for manufacturing the first current collector include a sputtering method, a resistance heating evaporation method, an ion beam evaporation method, and an electron beam evaporation method. However, when a conductive material such as aluminum, copper, or stainless steel is used for the substrate 21, the first current collector 22 is not required.

第1電極23である正極層は、リチウム二次電池の正極活物質材料として用いられる材料であれば限定されない。特に現在、リチウム二次電池の正極に用いられるコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn24)、または遷移金属酸化物である酸化バナジウム(V25)、酸化モリブデン(MoO3)、そして硫化チタン(TiS2)などを用いることが好ましい。この正極の作製方法としては、スパッタリング法や、抵抗加熱蒸着法、イオンビーム蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザーアブレーション法、あるいは化学気相法などを用いることができる。 The positive electrode layer serving as the first electrode 23 is not limited as long as it is a material used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery. In particular, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), or vanadium oxide (V 2 ), which is a transition metal oxide, currently used for a positive electrode of a lithium secondary battery. O 5 ), molybdenum oxide (MoO 3 ), and titanium sulfide (TiS 2 ) are preferably used. As a method for manufacturing the positive electrode, a sputtering method, a resistance heating evaporation method, an ion beam evaporation method, an electron beam evaporation method, a laser ablation method, a chemical vapor deposition method, or the like can be used.

固体電解質24には上述のように窒化リン酸リチウム(LixPOyz)と遷移金属元素Tから構成される固体電解質を用いる。 As described above, a solid electrolyte composed of lithium nitride phosphate (Li x PO y N z ) and the transition metal element T is used as the solid electrolyte 24.

第2電極25である負極層は、リチウム二次電池の負極活物質材料として用いられる材料であれば限定されない。特に現在、リチウム二次電池の負極に用いられるグラファイト、ハードカーボンなどの炭素材料(C)を始め、スズ合金(Sn)、リチウムコバルト窒化物(LiCoN)、リチウム金属(Li)またはリチウム合金(例えば、LiAl)などを用いることが好ましい。この負極の作製方法としては、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、イオンビーム蒸着法、電子ビーム蒸着法あるいはレーザーアブレーション法などを用いることができる。   The negative electrode layer serving as the second electrode 25 is not limited as long as it is a material used as a negative electrode active material of a lithium secondary battery. In particular, carbon materials (C) such as graphite and hard carbon currently used for a negative electrode of a lithium secondary battery, tin alloy (Sn), lithium cobalt nitride (LiCoN), lithium metal (Li) or lithium alloy (for example, , LiAl) or the like. As a method for manufacturing the negative electrode, a sputtering method, a resistance heating evaporation method, an ion beam evaporation method, an electron beam evaporation method, a laser ablation method, or the like can be used.

第2集電体26としては、第1集電体22と同じように白金、白金/パラジウム、金、銀、アルミニウム、銅、ITO、炭素材料など電子伝導性のある材料を用いる。集電体としては電子伝導性があり、なお且つ固体電解質24、あるいは第2電極25と反応しない材料なら前記の材料以外でも構わない。また、この第2集電体26の作製方法としては、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、イオンビーム蒸着法、あるいは電子ビーム蒸着法などを用いることができる。   As the second current collector 26, similarly to the first current collector 22, a material having electron conductivity such as platinum, platinum / palladium, gold, silver, aluminum, copper, ITO, or a carbon material is used. As a current collector, a material other than the above-mentioned materials may be used as long as it has electron conductivity and does not react with the solid electrolyte 24 or the second electrode 25. As a method for manufacturing the second current collector 26, a sputtering method, a resistance heating evaporation method, an ion beam evaporation method, an electron beam evaporation method, or the like can be used.

また、このような全固体電池を複数個積層することも可能である。   It is also possible to stack a plurality of such all solid state batteries.

また、本発明に係る固体電解質を含む全固体電池として、代表的な全固体薄膜リチウム二次電池の構成を示したが、この全固体薄膜リチウム二次電池のみに限定されるものではない。
以下に、実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
Further, the configuration of a typical all solid-state thin film lithium secondary battery has been described as an all solid state battery including the solid electrolyte according to the present invention, but the present invention is not limited to this all solid state thin film lithium secondary battery.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

《実施例1〜16および比較例1》
本発明に係る固体電解質における遷移金属元素の影響を評価するため、以下に説明するように、遷移金属元素を含有した窒化リン酸リチウムからなる固体電解質薄膜(Li2.8PO3.450.3−T0.2)を作製した。また、得られた固体電解質薄膜を固体電解質層として含む実験用セルを作製した。
<< Examples 1 to 16 and Comparative Example 1 >>
In order to evaluate the effect of the transition metal element in the solid electrolyte according to the present invention, as described below, a solid electrolyte thin film (Li 2.8 PO 3.45 N 0.3 -T 0.2 ) made of lithium nitride phosphate containing a transition metal element Was prepared. In addition, an experimental cell including the obtained solid electrolyte thin film as a solid electrolyte layer was manufactured.

図1に、本実施例において作製した実験用セルの概略断面図を示した。図1に示すように、実験セルは、シリコン基板11、白金集電体層12、固体電解質層13、および白金集電体層14で構成した。   FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an experimental cell manufactured in this example. As shown in FIG. 1, the experimental cell was composed of a silicon substrate 11, a platinum current collector layer 12, a solid electrolyte layer 13, and a platinum current collector layer 14.

まず、第1工程として、表面粗さが30nm以下の表面酸化された鏡面のシリコン基板11の所定の位置に、窓(20mm×10mm)を有するメタルマスクを被せ、RFマグネトロンスパッタ法で白金からなる膜を成膜し、膜厚0.5μmの白金集電体層12を形成した。   First, as a first step, a metal mask having a window (20 mm × 10 mm) is put on a predetermined position of a mirror-finished silicon substrate 11 having a surface roughness of 30 nm or less and made of platinum by RF magnetron sputtering. A film was formed, and a platinum current collector layer 12 having a thickness of 0.5 μm was formed.

第2工程として、メタルマスクの寸法を15mm×15mmに変更し、白金集電体層12上に、2時間のRFマグネトロンスパッタ法で窒化リン酸リチウム薄膜を形成し、膜厚1.0μmの固体電解質層13を作製した。   As a second step, the dimensions of the metal mask were changed to 15 mm × 15 mm, and a lithium nitride phosphate thin film was formed on the platinum current collector layer 12 by RF magnetron sputtering for 2 hours to form a solid having a thickness of 1.0 μm. The electrolyte layer 13 was produced.

このとき、ターゲットとしてはオルトリン酸リチウムと表1に示す遷移金属元素Tの2種類を用い、スパッタガスとしては窒素(N2)を使用した。RFマグネトロンスパッタ法の条件は、チャンバー内圧2.7Pa、ガス導入量10sccm、およびオルトリン酸リチウムのターゲットのパワー200wとした。リン原子に対する遷移金属元素の含有量が20原子%となるように、オルトリン酸リチウムのターゲットおよび遷移金属元素TのターゲットのRFパワーを制御した。 At this time, two kinds of lithium orthophosphate and transition metal element T shown in Table 1 were used as targets, and nitrogen (N 2 ) was used as a sputtering gas. The conditions of the RF magnetron sputtering method were set to a chamber internal pressure of 2.7 Pa, a gas introduction amount of 10 sccm, and a power of 200 w of a lithium orthophosphate target. The RF power of the lithium orthophosphate target and the transition metal element T target was controlled such that the content of the transition metal element with respect to the phosphorus atom was 20 atomic%.

その後、第3工程として、固体電解質層13の上に、当該固体電解質層13からはみ出さないように10mm×10mmの窓を有するメタルマスクを配置し、RFマグネトロンスパッタ法で白金からなる膜を成膜し、膜厚0.5μmの白金集電体層14を形成した。   Thereafter, as a third step, a metal mask having a window of 10 mm × 10 mm is arranged on the solid electrolyte layer 13 so as not to protrude from the solid electrolyte layer 13, and a film made of platinum is formed by RF magnetron sputtering. Then, a platinum current collector layer 14 having a thickness of 0.5 μm was formed.

以上の方法で作製した実験用セルに対して、20℃および2週間の条件で保存試験を行った。試験では、実験用セルを、相対湿度が50%である部屋に設置した20℃の恒温槽の中に保存した。   A storage test was performed on the experimental cell manufactured by the above method at 20 ° C. for 2 weeks. In the test, the experimental cell was stored in a thermostat at 20 ° C. installed in a room having a relative humidity of 50%.

イオン伝導度の経時変化を調べるため、実験用セルについて、作製直後、1日保存後、2日保存後、1週間保存後、および2週間保存後に、交流インピーダンス測定を行った。交流インピーダンス測定は、平衡電圧をゼロとし、±10mVの振幅、および105Hzから0.1Hzまでの周波数領域を用いて行った。結果を表1に示した。なお、イオン伝導度は、実験用セル作成直後のインピーダンスを100とし、これに対する指数として示した。 In order to examine the change over time in the ion conductivity, the AC impedance of the experimental cell was measured immediately after preparation, after storage for 1 day, after storage for 2 days, after storage for 1 week, and after storage for 2 weeks. The AC impedance measurement was performed with an equilibrium voltage of zero, an amplitude of ± 10 mV, and a frequency range from 10 5 Hz to 0.1 Hz. The results are shown in Table 1. In addition, the ionic conductivity was shown as an index with respect to the impedance immediately after preparation of the experimental cell as 100.

Figure 2004193112
Figure 2004193112

表1に示す結果より、遷移金属元素を含有した窒化リン酸リチウムからなる本発明に係る固体電解質においては、保存によるイオン伝導度の大きな変化は見られない。しかし、遷移金属元素を含まない従来の固体電解質においては、保存により大きくイオン伝導性が低下している。
以上より、遷移金属元素を含有した窒化リン酸リチウムからなる本発明に係る固体電解質を用いると有効であることがわかる。
From the results shown in Table 1, in the solid electrolyte according to the present invention comprising lithium nitride phosphate containing a transition metal element, no significant change in ionic conductivity due to storage is observed. However, in the conventional solid electrolyte containing no transition metal element, the ionic conductivity is largely reduced by storage.
From the above, it can be seen that it is effective to use the solid electrolyte according to the present invention comprising lithium nitride phosphate containing a transition metal element.

《実施例17〜24》
本実施例においては、遷移金属元素としてタングステン(W)を用い、リン原子(P)に対するタングステンの含有量を表2に示す値に変化させた他は、実施例1と同様にして、実験用セルを作製し、その評価を行った。
インピーダンス測定は、実験用セルの作製直後と2週間保存後に行った他は、実施例1と同様に行った。また、電子伝導度を調べるため、作製直後の実験用セルに、平衡電圧から+1.0Vの電圧を印加し、1時間後に流れる電流を測定した。表2には、イオン伝導度に対する電子伝導度の割合である電子伝導度比率を示した。結果を表2に示した。
<< Examples 17 to 24 >>
In this example, an experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that tungsten (W) was used as a transition metal element and the content of tungsten relative to phosphorus atoms (P) was changed to the value shown in Table 2. A cell was fabricated and evaluated.
The impedance measurement was performed in the same manner as in Example 1 except that the impedance measurement was performed immediately after the production of the experimental cell and after storage for 2 weeks. Further, in order to examine the electron conductivity, a voltage of +1.0 V from the equilibrium voltage was applied to the experimental cell immediately after the fabrication, and the current flowing after one hour was measured. Table 2 shows the electron conductivity ratio, which is the ratio of the electron conductivity to the ionic conductivity. The results are shown in Table 2.

Figure 2004193112
Figure 2004193112

表2に示す結果より、遷移金属元素の含有量が1原子%以上の場合は、保存によるイオン伝導度の大きな変化は見られない。しかし、遷移金属元素の含有量が0.5原子%の場合は、保存により大きくイオン伝導性が低下している。また、遷移金属元素の含有量が50原子%以下の場合、電子伝導度比率が非常に低いが、50原子%より大きくなると電子伝導度比率が大きくなっている。
以上より、遷移金属元素を含有する窒化リン酸リチウムからなる本発明に係る固体電解質において、遷移金属元素のリン原子に対する含有量が1〜50原子%であるとよいことがわかる。
According to the results shown in Table 2, when the content of the transition metal element is 1 atomic% or more, no significant change in ionic conductivity due to storage is observed. However, when the content of the transition metal element is 0.5 atomic%, the ionic conductivity is greatly reduced by storage. When the content of the transition metal element is 50 atomic% or less, the electron conductivity ratio is very low, but when it exceeds 50 atomic%, the electron conductivity ratio becomes large.
From the above, it can be seen that in the solid electrolyte according to the present invention comprising lithium nitride phosphate containing a transition metal element, the content of the transition metal element with respect to phosphorus atoms is preferably 1 to 50 atomic%.

《実施例25》
本実施例においては、遷移金属元素としてジルコニウム(Zr)を用いた他は、実施例1と同様にして、実験用セルを作製し、その評価を行った。結果を表3に示す。
<< Example 25 >>
In this example, an experimental cell was fabricated and evaluated in the same manner as in Example 1, except that zirconium (Zr) was used as the transition metal element. Table 3 shows the results.

Figure 2004193112
Figure 2004193112

表3に示す結果より、遷移金属元素としてジルコニウムを含有した窒化リン酸リチウムからなる本発明に係る固体電解質においては、保存によるイオン伝導度の大きな変化は見られない。
以上より、ジルコニウムを含有した窒化リン酸リチウムからなる本発明に係る固体電解質を用いると有効であることがわかる。
From the results shown in Table 3, in the solid electrolyte according to the present invention comprising lithium nitride phosphate containing zirconium as a transition metal element, no significant change in ionic conductivity due to storage is observed.
From the above, it can be seen that it is effective to use the solid electrolyte according to the present invention made of lithium nitride phosphate containing zirconium.

《実施例26および比較例2》
本実施例においては、窒化リン酸リチウムと遷移金属元素とを含む固体電解質を用いた全固体電池を評価するため、以下に説明する試験電池を作製した。
本実施例では、図2に示す構成の全固体電池を作製した。ここで、基板21はシリコン基板、第1集電体22は集電体層、第1電極23は正極層、固体電解質24は窒化リン酸リチウムと遷移金属を含有した固体電解質層、第2電極25は負極層、第2集電体26は集電体層である。
<< Example 26 and Comparative Example 2 >>
In this example, a test battery described below was manufactured to evaluate an all-solid battery using a solid electrolyte containing lithium nitride phosphate and a transition metal element.
In this example, an all-solid-state battery having the configuration shown in FIG. 2 was manufactured. Here, the substrate 21 is a silicon substrate, the first current collector 22 is a current collector layer, the first electrode 23 is a positive electrode layer, the solid electrolyte 24 is a solid electrolyte layer containing lithium nitride phosphate and a transition metal, and the second electrode Reference numeral 25 denotes a negative electrode layer, and second current collector 26 denotes a current collector layer.

第1工程として、表面粗さが30nm以下である表面酸化された鏡面シリコン基板21上に、必要部に窓(20mm×12mm)の開いたメタルマスクを被せた後、RFマグネトロンスパッタ法で白金薄膜を形成し膜厚0.5μmの第1集電体層22を形成した。   As a first step, a metal mask having windows (20 mm × 12 mm) is placed on necessary portions on a mirror-oxidized mirror-finished silicon substrate 21 having a surface roughness of 30 nm or less, and then a platinum thin film is formed by RF magnetron sputtering. Was formed to form a first current collector layer 22 having a thickness of 0.5 μm.

第2工程として、メタルマスクを10mm×10mmに変更し、第1集電体層22上に2時間のRFマグネトロンスパッタ法でコバルト酸リチウム(LiCoO2)薄膜を形成し、膜厚1μmの正極層23を作製した。このとき、スパッタガスとしてはアルゴンと酸素を使用し、チャンバー内圧2.7Pa、ガス導入量はそれぞれ7.5sccm、2.5sccm、コバルト酸リチウムのターゲットのパワーは200Wとした。 As a second step, a metal mask is changed to 10 mm × 10 mm, a lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) thin film is formed on the first current collector layer 22 by RF magnetron sputtering for 2 hours, and a positive electrode layer having a thickness of 1 μm is formed. No. 23 was produced. At this time, argon and oxygen were used as the sputtering gas, the chamber internal pressure was 2.7 Pa, the gas introduction amounts were 7.5 sccm and 2.5 sccm, respectively, and the power of the lithium cobalt oxide target was 200 W.

次に、第3工程として、メタルマスクを15mm×15mmに変更し、正極層23上に2時間のRFマグネトロンスパッタ法で窒化リン酸リチウム薄膜を形成し、膜厚1μmの固体電解質層24を作製した。   Next, as a third step, a metal mask is changed to 15 mm × 15 mm, a lithium nitride phosphate thin film is formed on the positive electrode layer 23 by RF magnetron sputtering for 2 hours, and a solid electrolyte layer 24 having a thickness of 1 μm is formed. did.

このとき、ターゲットのリン酸リチウムとしてオルトリン酸リチウムと遷移金属元素としてタングステン(W)の2種類を用い、スパッタガスとしては窒素(N2)を使用した。RFマグネトロンスパッタ法の条件は、チャンバー内圧2.7Pa、ガス導入量10sccm、およびオルトリン酸リチウムのターゲットのパワー200Wとした。リン原子に対するタングステンの含有率が20原子%となるように、タングステンのターゲットのRFパワーを制御した。ここで、タングステンを用いない場合を比較例2とした。 At this time, two kinds of lithium phosphate, lithium orthophosphate, and tungsten (W) were used as transition metal elements, and nitrogen (N 2 ) was used as a sputtering gas. The conditions of the RF magnetron sputtering method were set to a chamber internal pressure of 2.7 Pa, a gas introduction amount of 10 sccm, and a power of lithium orthophosphate target of 200 W. The RF power of the tungsten target was controlled such that the tungsten content relative to the phosphorus atoms was 20 atomic%. Here, Comparative Example 2 was performed without using tungsten.

第4工程として、メタルマスクを10mm×10mmに変更し、固体電解質層24上に抵抗加熱蒸着法でリチウム金属薄膜を形成し、膜厚0.5μmの負極層25を作製した。   As a fourth step, the metal mask was changed to 10 mm × 10 mm, and a lithium metal thin film was formed on the solid electrolyte layer 24 by a resistance heating vapor deposition method to produce a negative electrode layer 25 having a thickness of 0.5 μm.

その後、第5工程として、メタルマスクを20mm×12mmに変更し、第1集電体層22と接触せず、負極層25を完全に覆うように負極層上にRFマグネトロンスパッタ法で銅薄膜を形成し、膜厚1.0μmの第2集電体層26を作製した。   Thereafter, as a fifth step, the metal mask was changed to 20 mm × 12 mm, and a copper thin film was formed on the negative electrode layer by RF magnetron sputtering so as to completely cover the negative electrode layer 25 without contacting the first current collector layer 22. The second current collector layer 26 having a thickness of 1.0 μm was formed.

以上の方法で作製した試験電池に対して、2週間の保存試験を行った。試験では、試験電池を、相対湿度が50%である部屋に設置した20℃の恒温槽の中に保存した。   The test battery produced by the above method was subjected to a two-week storage test. In the test, the test batteries were stored in a 20 ° C. constant temperature bath installed in a room where the relative humidity was 50%.

耐水性向上を評価するために、試験電池について、作製直後および2週間保存後に、交流インピーダンス測定を行った。交流インピーダンス測定は、平衡電圧をゼロとし、±10mVの振幅、および105Hzから0.1Hzまでの周波数領域を用いて行い、その結果から試験電池の内部インピーダンスを決定した。結果を表4に示した。なお、内部インピーダンスは、試験電池作製直後のインピーダンスを100とし、これに対する指数として示した。 In order to evaluate the improvement in water resistance, the test battery was subjected to AC impedance measurement immediately after the production and after storage for 2 weeks. The AC impedance measurement was performed using an amplitude of ± 10 mV and a frequency range from 10 5 Hz to 0.1 Hz with the balanced voltage set to zero, and the internal impedance of the test battery was determined from the results. The results are shown in Table 4. The internal impedance was shown as an index with respect to the impedance immediately after the production of the test battery as 100.

Figure 2004193112
Figure 2004193112

表4に示す結果より、窒化リン酸リチウムと遷移金属酸化物とを含む本発明に係る固体電解質を用いた試験電池においては、保存による内部インピーダンスの大きな変化は見られない。しかし、遷移金属元素を含まない従来の固体電解質を用いた試験電池においては、保存により固体電解質が劣化したため、内部インピーダンスが大きくなっている。   From the results shown in Table 4, in the test battery using the solid electrolyte according to the present invention containing lithium nitride phosphate and the transition metal oxide, no significant change in the internal impedance due to storage was observed. However, in a test battery using a conventional solid electrolyte containing no transition metal element, the internal impedance is increased because the solid electrolyte is deteriorated by storage.

以上より、窒化リン酸リチウムと遷移金属元素とを含む本発明に係る固体電解質を用いた全固体電池が湿潤雰囲気下において有効であることがわかる。そのため、本発明の固体電解質を用いることで、通常用いられる保護膜を必要としない全固体電池を得ることが可能となる。さらに、シリコン基板内に他の電機素子を形成、配線することも可能となる。   From the above, it can be seen that the all-solid-state battery using the solid electrolyte according to the present invention containing lithium nitride phosphate and the transition metal element is effective in a humid atmosphere. Therefore, by using the solid electrolyte of the present invention, it becomes possible to obtain an all-solid battery that does not require a commonly used protective film. Further, it is possible to form and wire other electric elements in the silicon substrate.

《実施例27〜44》
本実施例においては、遷移金属元素としてモリブデン(Mo)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)をそれぞれ用い、リン原子(P)に対するモリブデン、チタン、ジルコニウムそれぞれの含有量を表5から7に示す値に変化させた他は、実施例1と同様にして、実験用セルを作製し、その評価を行った。
インピーダンス測定は、実験用セルの作製直後と2週間保存後に行った他は、実施例1と同様に行った。また、電子伝導度を調べるため、作製直後の実験用セルに、平衡電圧から+1.0Vの電圧を印加し、1時間後に流れる電流を測定した。表5から表7には、イオン伝導度に対する電子伝導度の割合である電子伝導度比率を示した。結果を表5から表7にそれぞれ示した。
<< Examples 27-44 >>
In this example, molybdenum (Mo), titanium (Ti), and zirconium (Zr) were used as transition metal elements, respectively, and the contents of molybdenum, titanium, and zirconium with respect to the phosphorus atom (P) are shown in Tables 5 to 7. An experimental cell was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the value was changed.
The impedance measurement was performed in the same manner as in Example 1 except that the impedance measurement was performed immediately after the production of the experimental cell and after storage for 2 weeks. Further, in order to examine the electron conductivity, a voltage of +1.0 V from the equilibrium voltage was applied to the experimental cell immediately after the fabrication, and the current flowing after one hour was measured. Tables 5 to 7 show the electron conductivity ratio, which is the ratio of the electron conductivity to the ionic conductivity. The results are shown in Tables 5 to 7, respectively.

Figure 2004193112
Figure 2004193112

Figure 2004193112
Figure 2004193112

Figure 2004193112
Figure 2004193112

表5〜表7に示す結果より、遷移金属元素の含有量が1原子%以上の場合は、保存によるイオン伝導度の大きな変化は見られない。しかし、遷移金属元素の含有量が0.5原子%の場合は、保存により大きくイオン伝導性が低下している。また、遷移金属元素の含有量が50原子%以下の場合、電子伝導度比率が非常に低いが、50原子%より大きくなると電子伝導度比率が大きくなっている。
以上より、遷移金属元素を含有する窒化リン酸リチウムからなる本発明に係る固体電解質において、遷移金属元素のリン原子に対する含有量が1〜50原子%であるとよいことがわかる。
According to the results shown in Tables 5 to 7, when the content of the transition metal element is 1 atomic% or more, no significant change in ionic conductivity due to storage is observed. However, when the content of the transition metal element is 0.5 atomic%, the ionic conductivity is greatly reduced by storage. When the content of the transition metal element is 50 atomic% or less, the electron conductivity ratio is very low, but when it exceeds 50 atomic%, the electron conductivity ratio becomes large.
From the above, it can be seen that in the solid electrolyte according to the present invention comprising lithium nitride phosphate containing a transition metal element, the content of the transition metal element with respect to phosphorus atoms is preferably 1 to 50 atomic%.

本発明に係る固体電解質を用いれば、パーソナルコンピュータおよび携帯電話などのポータブル機器、ICカードや電子タグなどの超小型機器の電源に相応しい高エネルギー密度を有する全固体電池、特に全固体薄膜リチウム二次電池を得ることができる。   If the solid electrolyte according to the present invention is used, an all-solid-state battery having a high energy density suitable for a power supply of a portable device such as a personal computer and a mobile phone, an ultra-small device such as an IC card or an electronic tag, especially an all-solid-state thin film lithium secondary battery You can get a battery.

本発明の実施例において作製した実験用セルの概略断面図である。FIG. 2 is a schematic sectional view of an experimental cell manufactured in an example of the present invention. 本発明における試験電池の概略断面図である。It is a schematic sectional view of a test battery in the present invention.

符号の説明Explanation of reference numerals

11 シリコン基板
12 白金集電体層
13 固体電解質層
14 白金集電体層
21 基板
22 第1集電体
23 第1電極
24 固体電解質
25 第2電極
26 第2集電体
Reference Signs List 11 silicon substrate 12 platinum current collector layer 13 solid electrolyte layer 14 platinum current collector layer 21 substrate 22 first current collector 23 first electrode 24 solid electrolyte 25 second electrode 26 second current collector

Claims (4)

遷移金属元素を含むチッ化リン酸リチウムからなることを特徴とする固体電解質。   A solid electrolyte comprising lithium nitride phosphate containing a transition metal element. 前記遷移金属元素がTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、PtおよびAuよりなる群から選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の固体電解質。   The transition metal element is at least one selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Ru, Ag, Ta, W, Pt, and Au. The solid electrolyte according to claim 1, wherein: 前記遷移金属元素の含有率が、リン原子に対して1〜50原子%であることを特徴とする請求項1または2記載の固体電解質。   3. The solid electrolyte according to claim 1, wherein the content of the transition metal element is 1 to 50 atomic% based on phosphorus atoms. 請求項1〜3のいずれかに記載の固体電解質を含むことを特徴とする全固体電池。   An all-solid battery comprising the solid electrolyte according to claim 1.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006108026A (en) * 2004-10-08 2006-04-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid electrolyte and all-solid battery including the same
JP2008517435A (en) * 2004-10-21 2008-05-22 エボニック デグサ ゲーエムベーハー Inorganic separator electrode unit for lithium ion battery, its production method and its use in lithium battery
JP2011509502A (en) * 2007-12-21 2011-03-24 インフィニット パワー ソリューションズ, インコーポレイテッド Method of sputtering a target for an electrolyte membrane
CN107425176A (en) * 2017-07-07 2017-12-01 福建猛狮新能源科技有限公司 A kind of all-solid lithium-ion battery and preparation method thereof
US11114690B2 (en) 2018-10-16 2021-09-07 Hyundai Motor Company Method of manufacturing solid electrolyte for all-solid cells, solid electrolyte manufactured using the method, and all-solid cell including the solid electrolyte

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002203593A (en) * 2000-10-23 2002-07-19 Sumitomo Electric Ind Ltd Inorganic solid electrolyte thin film and lithium battery member using the same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002203593A (en) * 2000-10-23 2002-07-19 Sumitomo Electric Ind Ltd Inorganic solid electrolyte thin film and lithium battery member using the same

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006108026A (en) * 2004-10-08 2006-04-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd Solid electrolyte and all-solid battery including the same
JP2008517435A (en) * 2004-10-21 2008-05-22 エボニック デグサ ゲーエムベーハー Inorganic separator electrode unit for lithium ion battery, its production method and its use in lithium battery
JP2011509502A (en) * 2007-12-21 2011-03-24 インフィニット パワー ソリューションズ, インコーポレイテッド Method of sputtering a target for an electrolyte membrane
CN107425176A (en) * 2017-07-07 2017-12-01 福建猛狮新能源科技有限公司 A kind of all-solid lithium-ion battery and preparation method thereof
US11114690B2 (en) 2018-10-16 2021-09-07 Hyundai Motor Company Method of manufacturing solid electrolyte for all-solid cells, solid electrolyte manufactured using the method, and all-solid cell including the solid electrolyte

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