(57)【要約】【課題】厚さの薄い蓄電デバイスを作製することを課題とする。【解決手段】第１の基板上に、第１の層及び第２の層を形成し、第２の層上に第１の絶縁層、正極集電体及び負極集電体を形成し、正極集電体上に正極活物質層、負極集電体上に負極活物質層を形成し、正極集電体及び正極活物質層を正極とし、負極集電体及び負極活物質層を負極とし、第１の絶縁層、正極、負極上に、固体電解質層を形成し、固体電解質層を覆って、封止層を形成し、封止層上に、平坦化膜及び支持体を形成し、第１の層と第２の層を分離することにより、第１の基板から、第２の層、正極、負極、固体電解質層、封止層、平坦化膜、支持体を分離し、分離された第２の層、正極、負極、固体電解質層、封止層、平坦化膜、支持体を、第２のフレキシブル基板に貼り合わせ、支持体を平坦化膜上から除去する蓄電デバイス及びその作製方法に関する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレキシブル基板上に、
正極集電層と、前記正極集電層上に形成された正極活物質層を有する正極と、
負極集電層と、前記負極集電層上に形成された負極活物質層を有する負極と、
前記基板、正極活物質層、負極活物質層上に、固体電解質層と、
前記正極活物質層、負極活物質層、固体電解質層を覆って、封止層と、
を有することを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項２】
第１の基板上に、互いに密着性の弱い第１の層及び第２の層を形成し、
前記第２の層上に第１の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層上に、正極集電層及び負極集電層を形成し、
前記正極集電層上に正極活物質層、前記負極集電層上に負極活物質層を形成し、
前記正極集電層及び前記正極活物質層を正極とし、前記負極集電層及び前記負極活物質層を負極とし、
前記第１の絶縁層、前記正極、前記負極上に、固体電解質層を形成し、
前記固体電解質層を覆って、封止層を形成し、
前記封止層上に、平坦化膜及び支持体を形成し、
前記第１の層と第２の層を分離することにより、前記第１の基板から、前記第２の層、前記正極、前記負極、前記固体電解質層、前記封止層、前記平坦化膜、前記支持体を分離し、
前記分離された第２の層、正極、負極、固体電解質層、封止層、平坦化膜、支持体を、第２のフレキシブル基板に貼り合わせ、
前記支持体を前記平坦化膜上から除去することを特徴とする蓄電デバイスの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される発明は、蓄電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電池材料に炭素やリチウム金属酸化物を用い、キャリアイオンであるリチウムイオンが正極と負極の間を移動することによって充放電を行う方式の蓄電デバイスである、リチウムイオン二次電池、及び、電気化学キャパシタ等の蓄電デバイスの開発が盛んに進められている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００３】
また前述のリチウムイオン二次電池において、液体の電解液を用いず固体の電解質を用いる、全固体リチウムイオン二次電池の開発も進められている（特許文献４、特許文献５、特許文献６、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９４３１４号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９１７４号公報
【特許文献３】特開２００７−２９９５８０号公報
【特許文献４】特開２００４−１５８２２２号公報
【特許文献５】特開２００６−１８５９１３号公報
【特許文献６】特開２００７−１３４３０５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】畑陽一郎、”厚さ５０μｍの全固体Ｌｉイオン電池、一貫製造装置を開発”［ｏｎｌｉｎｅ］、２００９年１月２１日、ＥＥ  Ｔｉｍｅｓ  Ｊａｐａｎ、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｅｅｔｉｍｅｓ．ｊｐ／ａｒｔｉｃｌｅ／２２６９３＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
全固体蓄電デバイスを作製する場合、ガラス基板やシリコン基板等厚みのある基板上に作製しなければならない。そのような基板は、基板自体の厚みがあるため、基板上に作製した蓄電デバイスの厚さも厚くなってしまう。そのため、開示される発明の一様態では、蓄電デバイスの薄型化を課題の１つとする。
【０００７】
また開示される発明の一様態では、該蓄電デバイスを組み込んだ電気装置を、小型化、薄型化、軽量化することを課題の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ガラス基板やシリコン基板等の厚みのある基板上に蓄電デバイスを作製した後、基板から蓄電デバイスを分離し、分離した蓄電デバイスをフレキシブル基板に貼り合わせることにより、厚さの薄い蓄電デバイスを作製する。
【０００９】
フレキシブル基板上に、正極集電層、及び、前記正極集電層上に形成された正極活物質層を有する正極、並びに、負極集電層、及び、前記負極集電層上に形成された負極活物質層を有する負極とを有する蓄電デバイスにおいて、前記基板、正極活物質層、負極活物質層上に、固体電解質層と、前記正極活物質層、負極活物質層、固体電解質層を覆って、封止層とを有することを特徴とする。
【００１０】
第１の基板上に、互いに密着性の弱い第１の層及び第２の層を形成し、前記第２の層上に第１の絶縁層を形成し、前記第１の絶縁層上に、正極集電層及び負極集電層を形成し、前記正極集電層上に正極活物質層、前記負極集電層上に負極活物質層を形成し、前記正極集電層及び前記正極活物質層を正極とし、前記負極集電層及び前記負極活物質層を負極とする。前記第１の絶縁層、前記正極、前記負極上に、固体電解質層を形成し、前記固体電解質層を覆って、封止層を形成し、前記封止層上に、平坦化膜及び支持体を形成し、前記第１の層と第２の層を分離することにより、前記第１の基板から、前記第２の層、前記正極、前記負極、前記固体電解質層、前記封止層、前記平坦化膜、前記支持体を分離する。前記分離された第２の層、正極、負極、固体電解質層、封止層、平坦化膜、支持体を、第２のフレキシブル基板に貼り合わせ、前記支持体を前記平坦化膜上から除去することを特徴とする蓄電デバイスの作製方法に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書に開示された発明により、厚さの薄い蓄電デバイスを作製することができる。また、このような厚さの薄い蓄電デバイスを組み込んだ電気装置を小型化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】蓄電デバイスの作製工程を示す断面図。
【図２】蓄電デバイスの作製工程を示す断面図。
【図３】蓄電デバイスの作製工程を示す上面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１４】
［実施の形態１］
本実施の形態を、図１（Ａ）〜図１（Ｅ）、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）、図３を用いて説明する。
【００１５】
まず基板１０１上に、互いに密着性の弱い第１の層１０２及び第２の層１０３を形成する（図１（Ａ）参照）。
【００１６】
基板１０１には、絶縁表面を有するガラス基板、石英基板、プラスチック基板等を用いることができる。その他、金属等の導電性基板や、シリコン等の半導体性基板上に絶縁膜を形成した基板を用いることもできる。
【００１７】
互いに密着性の弱い第１の層１０２及び第２の層１０３の界面が分離できることで、基板１０１及び第１の層１０２、並びに、第２の層１０３より上に設けられている積層構造を分離させることができる。
【００１８】
互いに密着性の弱い第１の層１０２及び第２の層１０３として、例えば金属膜とシリコン酸化膜などが挙げられる。具体的には、第１の層１０２としてタングステン膜を形成し、第１の層１０２上に、スパッタリング法により酸化珪素膜等の第２の層１０３を形成すればよい。
【００１９】
また第１の層１０２及び第２の層１０３として、成膜時にはそれぞれ密着性が低くなくても、成膜後に処理を加えることにより密着性が低下する膜の組み合わせを用いてもよい。例えば、第１の層１０２として非晶質珪素膜、及び、第２の層１０３として酸化珪素膜を積層し、成膜後に加熱または基板１０１の裏面からレーザビームを照射すると、非晶質珪素膜が結晶化され、第１の層１０２と第２の層１０３との密着性が低下する。
【００２０】
第２の層１０３上に、絶縁層１１４を形成する。絶縁層１１４上に、正極集電層１０４及び負極集電層１０６を形成する（図１（Ｂ）参照）。
【００２１】
本実施の形態では、正極集電層１０４及び負極集電層１０６として、それぞれ、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）などの金属膜を、スパッタ法により形成する。
【００２２】
正極集電層１０４上に正極活物質層１０５、負極集電層１０６上に負極活物質層１０７を形成する（図１（Ｃ）参照）。正極集電層１０４及び正極活物質層１０５を正極１２１、負極集電層１０６及び負極活物質層１０７を負極１２２と呼ぶこととする。本実施の形態では、正極活物質層１０５及び負極活物質層１０７として、それぞれ、炭素（Ｃ）をスパッタ法により形成する。このような炭素（Ｃ）として、例えば黒鉛が挙げられる。
【００２３】
なお、正極活物質層１０５としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２等の化学式ＬｉｘＭｙＯ２（ただし、ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｆｅ、またはＴｉを示し、ｘは０．２以上２．５以下、ｙは０．８以上１．２５以下の範囲である）で示されるリチウム含有複合酸化物を用いてもよい。ただし、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質層１０５として上記の化学式ＬｉｘＭｙＯ２で示されるリチウム含有複合酸化物を用いる場合、Ｍは１つの元素でなく、２つ以上の元素を含んでいていても良い。すなわち、リチウムイオン二次電池の場合、正極活物質層１０５として、多元系のリチウム含有複合酸化物を用いてもよい。
【００２４】
また、正極活物質層１０５として、層状構造をとる金属化合物（酸化物、硫化物、窒化物）を用いることが可能である。
【００２５】
正極活物質層１０５として、ＬｉｘＭｙＯ２で示されるリチウム含有複合酸化物、あるいは、層状構造をとる金属化合物を用いる場合は、本実施の形態の蓄電装置は、二次電池として機能する。
【００２６】
次いで、蓄電装置としてキャパシタを作製する場合は、正極活物質層１０５として形成した炭素を、水蒸気賦活、または、アルカリ賦活し、炭素を活性炭にする。
【００２７】
また、蓄電装置としてキャパシタを作製する場合は、負極活物質層１０７上にリチウム膜１１５を形成し、リチウム膜１１５のリチウムイオンを負極活物質層１０７中にドープする。リチウムイオンを負極活物質層１０７中にドープすることにより、あらかじめキャリアとなるイオンとなるリチウムイオンを導入しておくことができ、より多くのキャリアとなるイオンを利用することができる。
【００２８】
また、キャリアとなるイオンとしては、リチウムイオンに限定されず、他のアルカリ金属イオン、あるいはアルカリ土類金属イオンを用いることが可能である。前記他のアルカリ金属イオンは、ナトリウム（Ｎａ）イオンを用いることができ、前記アルカリ金属イオンは、マグネシウム（Ｍｇ）イオン、または、カルシウム（Ｃａ）イオンを用いることができる。
【００２９】
このようにキャリアとなるイオンとして、他のアルカリ金属イオン、あるいはアルカリ土類金属イオンを、負極活物質層１０７中に導入するには、リチウムイオンと同様に、それぞれのキャリアとなるイオンに対応する膜を負極活物質層１０７上に形成し、形成した膜中のイオンを負極活物質層１０７中にドープすればよい。
【００３０】
次いで、正極１２１及び負極１２２の間に固体電解質層１０８を形成する（図１（Ｄ）参照）。
【００３１】
本実施の形態では、固体電解質層１０８として、リン酸リチウム（Ｌｉ３ＰＯ４）を窒素雰囲気中でスパッタリングすることで、厚さ１．０μｍ程度のリン酸リチウムオキシナイトライド（ＬｉＰＯＮ）を形成する。また、リン酸リチウム以外にも六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）などを用いてもよい。
【００３２】
固体電解質層１０８では、固体電解質層１０８はスパッタリングによる成膜時のプラズマによって損傷されないようにする必要がある。
【００３３】
固体電解質層１０８は非晶質であっても、結晶性であってもよい。また、固体電解質層として、ポリマー電解質やゲル電解質を用いてもよい。
【００３４】
正極１２１、負極１２２、固体電解質層１０８を覆って、封止層１０９を形成する（図１（Ｅ）参照）。封止層１０９は、酸素を含まない材料で形成することが好ましい。また封止層１０９は、内部に水分や酸素が混入することを防ぐ必要がある。封止層１０９として、例えばポリ尿素樹脂膜を用いればよい。
【００３５】
次いで、封止層１０９上に平坦化膜１１１、平坦化膜１１１上に支持体１１２を設ける（図２（Ａ）参照）。本実施の形態では、平坦化膜１１１として、エポキシ樹脂等の有機樹脂、あるいは、繊維体に有機樹脂を含浸させた構造体（「プリプレグ」ともいう）を用いる。
【００３６】
支持体１１２は、熱可塑性樹脂や光可塑性樹脂を粘着剤として塗布した基板を用いることができる。また、この支持体１１２自体も柔軟性のあるフレキシブルな基板であったほうが、基板から蓄電デバイス等を分離するときに蓄電デバイス等を傷つけることがない。
【００３７】
次いで、正極１２１、負極１２２、固体電解質層１０８、封止層１０９、平坦化膜１１１、支持体１１２を、基板１０１から分離させる（図２（Ａ）参照）。なおこの分離工程は、互いに密着性の弱い第１の層１０２と第２の層１０３の界面を分離することにより行われる。
【００３８】
分離した正極１２１、負極１２２、固体電解質層１０８、封止層１０９、平坦化膜１１１、支持体１１２を、フレキシブル基板１１３に貼り合わせる。次いで、支持体１１２を平坦化膜１１１から除去する（図２（Ｃ）参照）。以上の作製工程により、フレキシブル基板１１３上に蓄電デバイスを作製する。
【００３９】
図３に、フレキシブル基板１１３上の蓄電デバイスの上面図を示す。正極集電層１０４及び負極集電層１０６は、封止層１０９の外に延在している。正極集電層１０４及び負極集電層１０６の延在した領域をそれぞれ、外部の端子と電気的に接続すればよい。なお図３において、Ａ−Ａ’の断面図が図２（Ｃ）である。
【００４０】
以上説明したように、開示された発明の一様態では、厚みのある基板上に蓄電デバイスを作製した後、該基板から蓄電デバイスを分離する。分離した蓄電デバイスを厚さの薄い基板に貼り合わせることにより、厚さの薄い蓄電デバイスを作製することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０１    基板
１０２    層
１０３    層
１０４    正極集電層
１０５    正極活物質層
１０６    負極集電層
１０７    負極活物質層
１０８    固体電解質層
１０９    封止層
１１１    平坦化膜
１１２    支持体
１１３    フレキシブル基板
１１４    絶縁層
１１５    リチウム膜
１２１    正極
１２２    負極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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