蓄電装置用正極活物質の作製方法、蓄電装置用正極の作製方法、及び蓄電装置の作製方法
【課題】簡便な方法で、正極活物質、正極、又は蓄電装置を得られる作製方法を提供する。
【解決手段】出発材料として、３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用いる。３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用い、希ガス（例えばアルゴン）等のイオンでターゲットをスパッタリングすることにより、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜を得る。得られる薄膜を正極活物質として用いる。
【解決手段】出発材料として、３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用いる。３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用い、希ガス（例えばアルゴン）等のイオンでターゲットをスパッタリングすることにより、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜を得る。得られる薄膜を正極活物質として用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
蓄電装置用正極活物質の作製方法、蓄電装置用正極の作製方法、及び蓄電装置の作製方法に関する。特に、蓄電装置として、リチウムイオン電池（リチウムイオン二次電池）又はリチウムイオンキャパシタ用の正極活物質の作製方法、及び正極の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題への関心が高まるなか、ハイブリッド自動車用電源に使用する二次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電装置の開発が盛んである。その候補として、エネルギー性能の高いリチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタが注目されている。リチウムイオン電池は、小型でも大容量の電気を蓄えられるため、既に携帯電話やノート型パーソナルコンピュータなどの携帯情報端末に搭載され、製品の小型化などに一役買っている。
【０００３】
二次電池及び電気二重層キャパシタは、正極と負極との間に電解質を介在させた構成を有する。正極及び負極は、それぞれ、集電体と、集電体上に設けられた活物質と、を有する構成が知られている。例えば、リチウムイオン電池は、リチウムイオンを吸蔵及び放出することのできる材料を活物質として正極に用い、電解質を間に介在させて構成する。
【０００４】
リチウムイオン電池用の優れた特性を示す正極活物質として、オリビン型のリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）が注目されている（特許文献１、非特許文献１参照）。また、特許文献１にＮＡＳＩＣＯＮ化合物の例として、ナシコン型のリン酸鉄リチウム（Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３）の充放電挙動についても記されている。
【０００５】
オリビン型のリン酸鉄リチウムを正極活物質とする場合、活物質に含まれる鉄は２価であるため、酸化されやすく、安定な材料であるとは言い難い。また、２価の鉄を含むリン酸鉄リチウムは高価である。
【０００６】
また、活物質としては、結晶化されたオリビン型のリン酸鉄リチウムがよく用いられている。しかし、結晶性の高いリン酸鉄リチウムを得るためには、長時間の焼成等が必要とされている。そのため、製造工程が長く、複雑になりやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第１９９７／０４０５４１号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】小久見善八 編著、「リチウム二次電池」、オーム社、平成２０年３月２０日第１版第１刷発光、第９６頁乃至第９７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の一態様は、簡便な方法で、正極活物質、正極、又は蓄電装置を得られる作製方法を提供することを課題の一とする。
【００１０】
または、本発明の一態様は、良好な電池特性を有する正極活物質、正極、又は蓄電装置を得られる作製方法を提供することを課題の一とする。
【００１１】
または、本発明の一態様は、新規の正極活物質、正極、又は蓄電装置を得られる作製方法を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、スパッタリング法を用いることで、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムを、良好な電池特性を示す正極活物質として提供できることを見出した。
【００１３】
出発材料として、３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用いる。このようなターゲットとして、具体的にはナシコン型のリン酸鉄リチウムが挙げられ、その組成は一般式ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）で表すことができる。また、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットでもよい。
【００１４】
３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用い、希ガス（例えばアルゴン）等のイオンでターゲットをスパッタリングすることにより、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜を得る。本発明の一態様では、得られる薄膜を正極活物質として用いる。ここで、スパッタリング法により得られた薄膜（活物質）は、敢えて結晶化させないことが好ましい。すなわち、スパッタリング法により得られた薄膜（活物質）は、アモルファス構造のままとすることが好ましい。
【００１５】
本発明の一態様は、３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を組成に含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成する正極活物質の作製方法である。
【００１６】
本発明の一態様は、一般式ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚで表され、３価のＦｅを組成に含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成する正極活物質の作製方法である。
【００１７】
本発明の一態様は、ナシコン型リン酸鉄リチウムを含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成する正極活物質の作製方法である。
【００１８】
本発明の一態様は、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成する正極活物質の作製方法である。
【００１９】
上記構成において、アモルファス構造を有する活物質は３価のＦｅを含む。
【００２０】
また、上記構成において、正極活物質を集電体上に形成することで正極を作製することができる。さらに、正極に対向する負極と、正極及び負極の間に介在する電解質と、を形成することで蓄電装置を作製することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様によれば、簡便な方法で、正極活物質、正極、または蓄電装置を提供することが可能となる。または、本発明の一態様によれば、良好な電池特性を有する正極活物質、正極、または蓄電装置を提供することが可能となる。または、本発明の一態様によれば、新規の正極活物質、正極、または蓄電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】蓄電装置用正極の作製方法の一例を示す図。
【図２】蓄電装置の構造の一例を示す図。
【図３】蓄電装置の特性の一例を示す図。
【図４】蓄電装置の特性の一例を示す図。
【図５】蓄電装置の特性の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下の実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、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、以下に示す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、実施の形態を説明するための全図において、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。
【００２４】
（実施の形態１）
本実施の形態では、蓄電装置用正極活物質について説明する。
【００２５】
正極活物質は、スパッタリング法を利用して得られる、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜により作製される。スパッタリング法を利用することで、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムであっても、良好な電池特性を示す又は新規の電池特性を示す正極活物質として提供することができる。
【００２６】
スパッタリング用のターゲットとして、３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用いる。このようなターゲットを構成する材料としてリン酸鉄リチウムが挙げられ、好ましくはナシコン型のリン酸鉄リチウムが挙げられ、その組成は一般式ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）で表すものを適用することができる。また、リン酸鉄リチウムとその他の材料との混合物材料（例えばＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３の混合材料等）を用いることができる。
【００２７】
３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用い、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜をスパッタリング法で形成する。３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜は、正極活物質として機能させる。ここで、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜（正極活物質）は、スパッタリング法により形成した後、敢えて結晶化させないことが好ましい。すなわち、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムのアモルファス状態である薄膜を、そのまま正極活物質とすることが好ましい。
【００２８】
上述のようにスパッタリング法で形成した３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜は、基本的にはターゲットに用いた材料の組成を保存することができる。なお、スパッタリング法の条件等により、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜の組成等を調整することも可能である。３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの組成は、例えば一般式ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）で表すことができる。具体的には、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３が挙げられる。
【００２９】
上述のようにスパッタリング法で形成した正極活物質は、活物質の薄膜となる。そのため、従来の湿式法により得られる正極活物質よりも、活物質の密度を高めることができ、単位体積当たりに多くの活物質を詰め込むことが可能となる。正極活物質の高密度化は、正極におけるリチウムの吸蔵量及び放出量の増大につながり、正極及び蓄電装置を高容量化させることにつながる。したがって、本形態のように、スパッタリング法で正極活物質を形成することにより、正極及び蓄電装置の高容量化を図ることができ、電池特性の向上を図ることができる。
【００３０】
また、ターゲットとして３価のＦｅを組成に含む材料を用いる。３価のＦｅは酸化されにくく、安定であるため、成膜時のチャンバー雰囲気等を複雑に制御する必要がなく、原料として容易に用いることができるため好ましい。また、２価のＦｅよりも３価のＦｅの方が原料として安価であり、コストの面でも有利である。さらに、３価のＦｅを含む原料（ターゲット）を用い、スパッタリング法で形成した薄膜をそのまま正極活物質として機能させることができるため、熱処理による結晶化工程などを省くことができ、作製工程が簡便になる。
【００３１】
また、本形態に係る正極活物質を適用した蓄電装置は、充放電曲線がプラトー（電位平坦部）を有さず、充放電に伴い電位がなだらかに連続的に変化する特性を有する場合がある。スパッタリング法を利用して、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムを作製することで、このような特性を有する新規の正極活物質として提供することができる。もちろん、本形態に係る正極活物質を適用した蓄電装置は、上記以外の特性もとりうる。
【００３２】
なお、本明細書におけるプラトー（電位平坦部）とは、横軸を容量、縦軸を電位とした充放電曲線において、容量の変化に対し、電位が平坦性を維持して変化する部分を指す。
【００３３】
以下、本形態に係る正極活物質及び正極の作製方法について、図１を用いて説明する。
【００３４】
３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲット１０４を用いて、希ガス等のイオンでターゲット１０４をスパッタリングすることにより（図１（Ａ）参照）、集電体１０３上に正極活物質１０５を形成する（図１（Ｂ）参照）。
【００３５】
集電体１０３としては、チタン等の導電性の高い材料を用いる。
【００３６】
前記ターゲット１０４を構成する材料の組成としては、一般式としてＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）が挙げられ、具体的にはＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３が挙げられる。また、前記ターゲット１０４を構成する材料は混合材料としてもよく、例えばＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３の混合が挙げられる。好ましくは、ターゲット１０４にナシコン型のリン酸鉄リチウムを用いることで、安価で安定なターゲットとすることができ、正極活物質を簡便な方法で、安価に作製することが可能となる。
【００３７】
スパッタリング法としては、高周波電源を用いるＲＦスパッタリング法、直流電源を用いるＤＣスパッタリング法、又はパルス的に直流バイアスを加えるパルスＤＣスパッタリング法などを用いることができる。
【００３８】
スパッタリング用のガスとしては、希ガス、酸素、又は希ガス及び酸素の混合ガス等を用いることができる。希ガスとしては、アルゴン等が挙げられる。
【００３９】
スパッタリング法により、集電体１０３上に形成される正極活物質１０５の組成は、基本的にはターゲット材料の組成が保存される。正極活物質１０５としては３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜が形成され、その一般式としてはＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）が挙げられ、具体的にはＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３が挙げられる。ここで、正極活物質１０５である３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜は、アモルファス構造を有する。
【００４０】
以上により、正極活物質１０５として、スパッタリング法で３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜が形成される。そして、集電体１０３と正極活物質１０５との積層構造が、正極１０１を構成する。
【００４１】
スパッタリング法を利用することで、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムを正極活物質として用いても、良好な電池特性を示す蓄電装置を提供することができる。また、スパッタリング法を利用することで、正極活物質の高密度化、正極の高容量化を実現でき、良好な電池特性を示す蓄電装置を提供することができる。また、スパッタリング法を利用することで、簡便な方法で正極を作製することができ、良好な電池特性を示す蓄電装置を提供することができる。
【００４２】
また、スパッタリング用のターゲットとして、３価のＦｅを含む材料を用いるため、安価で安定な原料を用いることができる。原料が安価で安定であるため、簡便な方法及び低コストな製造プロセスを提供することができる。
【００４３】
本実施の形態は、他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態１に示した正極活物質を用いた蓄電装置の一例について説明する。
【００４５】
図２（Ａ）に、蓄電装置２００の構造の一部を示す。蓄電装置２００は、正極２０１と、正極２０１と電解質２０７を間に介して対向して設けられた負極２１１とを有している。
【００４６】
正極２０１は、集電体２０３と、集電体２０３上に設けられた正極活物質２０５と、で構成される。正極活物質２０５の作製方法は、上記実施の形態１に準じればよい。集電体２０３としては上記集電体１０３を適用できる。正極活物質２０５としては上記実施の形態１で示した３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜を適用できる。また、正極２０１は上記正極１０１を適用できる。
【００４７】
負極２１１は、集電体２１３と、集電体２１３上に設けられた負極活物質２１５と、で構成される。集電体２１３の材料は、例えば、白金、銅、又はチタン等の導電性の高い材料を用いることができる。負極活物質２１５の材料は、黒鉛等の炭素材料、リチウム金属、シリコン等を用いることができる。
【００４８】
電解質２０７は、リチウムイオンを伝導する機能を有する。電解質２０７の材料としては、固体又は液体を用いることができる。
【００４９】
電解質２０７の材料が固体の場合、例えば、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ３ＰＯ４に窒素を混ぜたＬｉｘＰＯｙＮｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｂ２Ｓ３等を用いることができる。また、これらにＬｉＩなどをドープしたものを用いることができる。
【００５０】
電解質２０７の材料が液体の場合、溶媒と、溶媒に溶解される溶質（塩）とを含んでいる。溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート若しくはエチレンカーボネート等の環状カーボネート、又はジメチルカーボネート若しくはジエチルカーボネート等の鎖状カーボネートを用いることができる。溶質（塩）としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、又はＬｉＴＦＳＡ等、軽金属塩（リチウム塩等）を１種又は２種以上含んでいるものを用いることができる。
【００５１】
なお、電解質２０７が液体の場合は、セパレータ２０９を設ける。セパレータ２０９は、正極２０１と負極２１１との接触を防止するとともに、リチウムイオンを通過させる機能を有する。セパレータ２０９の材料としては、例えば、紙、不織布、ガラス繊維、あるいは、ナイロン（ポリアミド）、ビニロン（ポリビニルアルコール系繊維であり、ビナロンとも呼ぶ）、ポリプロピレン、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンといった合成繊維等を用いることもできる。ただし、電解質２０７に溶解しない材料を選ぶ必要がある。また、電解質２０７に固体電解質を適用した場合でも、セパレータ２０９を設ける構成とすることも可能である。
【００５２】
次に、蓄電装置としてリチウムイオン二次電池を用いた場合の充放電の一例を説明する。
【００５３】
充電は、図２（Ｂ）に示すように、正極２０１と負極２１１との間に電源２２１を接続することで行われる。電源２２１から電圧が印加されると、正極２０１のリチウムがイオン化し、リチウムイオン２１７として正極２０１から放出されるとともに、電子２１９が発生する。リチウムイオン２１７は、電解質２０７を介して負極２１１に移動する。電子２１９は、電源２２１を介して負極２１１に移動する。そして、リチウムイオン２１７は、負極２１１で電子２１９を受け取り、リチウムとして負極２１１に吸蔵される。
【００５４】
一方、放電は、図２（Ｃ）に示すように、正極２０１と負極２１１の間に負荷２２３を接続することで行われる。負極２１１のリチウムがイオン化し、リチウムイオン２１７として負極２１１から放出されるとともに、電子２１９が発生する。リチウムイオン２１７は、電解質２０７を介して正極２０１に移動する。電子２１９は、負荷２２３を介して正極２０１に移動する。そして、リチウムイオン２１７は、正極２０１で電子２１９を受け取り、リチウムとして正極２０１に吸蔵される。
【００５５】
このように、リチウムイオンが正極２０１及び負極２１１を移動することで、充放電が行われる。蓄電装置２００の正極２０１において、正極活物質２０５に上記実施の形態１の正極活物質１０５を適用することで、活物質の高密度化によりリチウムの吸蔵量及び放出量を増加させることが可能となり、高容量な蓄電装置とすることができる。また、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムを正極活物質として適用しても、充放電を良好に行うことができ、良好な電池特性を示す蓄電装置として提供できる。
【００５６】
本実施の形態は、他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
【実施例１】
【００５７】
本実施例では、本発明の一態様に係る正極活物質を適用した試料の電池特性について示す。
【００５８】
まず、測定した試料について説明する。試料としては、正極と、負極と、正極及び負極の間に電解液を含むセパレータと、を有する２０３２型コイン形状電池を形成した。負極はリチウムを用いて形成した。セパレータは、ポリプロピレン（ＰＰ）を用いた。電解液は、ＬｉＰＦ６を溶解させたエチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合液を用いた。
【００５９】
正極は、集電体（チタン）上に活物質を形成した構造とした。条件Ａにおける試料は、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、スパッタリング法で成膜した厚さ約１００ｎｍの膜を活物質として形成した。条件Ｂにおける試料は、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、スパッタリング法で成膜した厚さ約５０ｎｍの膜を活物質として形成した。
【００６０】
なお、条件Ａ、Ｂともに、活物質は、ＲＦ電源の電力７００Ｗ、圧力０．１Ｐａ、ガス組成Ｏ２：Ａｒ＝２．５：５０（ｓｃｃｍ）として、スパッタリング法により形成した。
【００６１】
本実施例における活物質（Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した膜）について、考察した結果を示す。まず、活物質密度は、約３．３ｇ／ｃｍ３であった。
【００６２】
また、本実施例における活物質について、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の測定及び誘導結合プラズマ質量分析（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＩＣＰ−ＭＳ）の測定を行った。ＸＰＳ及びＩＣＰ−ＭＳの結果から、上記活物質の組成比は、Ｌｉ：Ｆｅ：Ｐ：Ｏ：Ｎａ：Ｆ：Ｓ＝９．８：１１：１２：６５：１．２：０．６：１．３（Ｎａ、Ｆ、Ｓは不純物）と求められた。ここで、上記活物質に含まれるＦｅの価数は、３価のＦｅを含む原料から作製され、且つＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用いてスパッタリング法により形成されるため、３価であると推察された。
【００６３】
上記条件Ａと同様の条件で成膜した活物質に、さらに熱処理（５５０℃、６時間）を行ったサンプルのＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）の測定を行ったところ、ナシコン型のＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３のピークが観察された。ＸＰＳ、ＩＣＰ−ＭＳ、及びＸＲＤ分析の結果から、上記活物質（Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した膜）は、少なくとも３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムを有すると推察された。
【００６４】
条件Ａの試料及び条件Ｂの試料それぞれについて、充放電試験（（株）東洋システム 充放電試験装置 ＴＯＳＣＡＴ−３１００を使用）を行った。測定電圧は２．５Ｖ〜４．２Ｖの範囲に設定し、測定電流は０．００１ｍＡの定電流とし、定電流充電→休止２時間→定電流放電→休止２時間の２５℃一定温度下における充放電試験を行った。
【００６５】
図３に、条件Ａの試料について充放電試験を行って得られた充放電曲線を示す。なお、図３には、１サイクル目及び８サイクル目の充放電曲線を示すが、２サイクル目〜７サイクル目もほぼ同様の充放電曲線が得られた。条件Ａの試料における放電容量は、７６ｍＡｈ／ｇであった。図３に示すように、条件Ａにおける試料は、サイクル数が増えても充放電曲線がほとんど変化せず、良好なサイクル特性を有することがわかった。また、図３に示すように、条件Ａにおける試料は、充放電曲線がプラトー（電位平坦部）を有さず、充放電に伴い電位がなだらかに連続的に変化する特性を有することがわかった。
【００６６】
なお、条件Ａに対する比較例として、条件Ａの活物質と同様の条件で成膜した厚さ約１００ｎｍの膜に、５５０℃で６時間の熱処理を行ったものを活物質として形成した（比較例（Ａ−１）とする）。また、条件Ａに対する別の比較例として、条件Ａの活物質と同様の条件で成膜した厚さ約１００ｎｍの膜に、６５０℃で６時間の熱処理を行ったものを活物質として形成した（比較例（Ａ−２）とする）。
【００６７】
比較例（Ａ−１）の試料及び比較例（Ａ−２）の試料それぞれについて、上記条件Ａの試料と同条件で充放電試験を行った。結果は、比較例（Ａ−１）における放電容量が３７ｍＡｈ／ｇ、比較例（Ａ−２）における放電容量が７．８ｍＡｈ／ｇであった。充放電試験の結果から、条件Ａにおける試料は、熱処理を行った比較例（Ａ−１）及び比較例（Ａ−２）の試料と比較して、高い放電容量を有することがわかった。条件Ａの試料は活物質がアモルファス状態であり、熱処理を行った比較例（Ａ−１）及び比較例（Ａ−２）の活物質は結晶状態であると推察される。また、熱処理条件から、比較例（Ａ−２）の試料は比較例（Ａ−１）の試料よりも結晶性が高いと推察される。これらのことから、本実施例における活物質は、アモルファス状態の方が結晶状態よりも良好な電池特性を有すると推察される。
【００６８】
また、図４に、条件Ｂの試料について充放電試験を行って得られた充放電曲線を示す。図４には、１サイクル目及び２サイクル目の充放電曲線を示す。条件Ｂの試料における放電容量は、６０ｍＡｈ／ｇであった。図４に示すように、条件Ｂにおける試料は、充放電曲線がプラトーを有さず、充放電に伴い電位がなだらかに連続的に変化する特性を有することがわかった。
【００６９】
なお、条件Ａ及び条件Ｂの試料について、放電レート特性を測定した。
【００７０】
ここで、放電速度は「Ｃレート」で表すことができる。１時間で電池の全容量を放電させるだけの電流値のことを１Ｃレートとし、１Ｃレートの何倍の電流値で放電しているかを「Ｃレート」で表す。したがって、ｎＣレート（ｎは正の実数）は、１Ｃレートのｎ倍の電流値で放電することを表す。例えば、全容量が２．２［Ａ／ｈ］の電池では、１Ｃ＝２．２［Ａ］であり、ｎＣ（ｎは正の整数）＝２．２ｎ［Ａ］である。本実施例では、放電レート特性を測定しているため、「Ｃレート」は放電速度を表すことになり、ｎが大きくなるほど、放電速度が速いことを意味する。ここで、Ｃレートは、充放電の際の電流値を表すものである。
【００７１】
条件Ａの試料及び条件Ｂの試料は、図５の示すようなレート特性を有することがわかった。
【００７２】
本実施例は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０１ 正極
１０３ 集電体
１０４ ターゲット
１０５ 正極活物質
２００ 蓄電装置
２０１ 正極
２０３ 集電体
２０５ 正極活物質
２０７ 電解質
２０９ セパレータ
２１１ 負極
２１３ 集電体
２１５ 負極活物質
２１７ リチウムイオン
２１９ 電子
２２３ 負荷
２２１ 電源
【技術分野】
【０００１】
蓄電装置用正極活物質の作製方法、蓄電装置用正極の作製方法、及び蓄電装置の作製方法に関する。特に、蓄電装置として、リチウムイオン電池（リチウムイオン二次電池）又はリチウムイオンキャパシタ用の正極活物質の作製方法、及び正極の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題への関心が高まるなか、ハイブリッド自動車用電源に使用する二次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電装置の開発が盛んである。その候補として、エネルギー性能の高いリチウムイオン電池やリチウムイオンキャパシタが注目されている。リチウムイオン電池は、小型でも大容量の電気を蓄えられるため、既に携帯電話やノート型パーソナルコンピュータなどの携帯情報端末に搭載され、製品の小型化などに一役買っている。
【０００３】
二次電池及び電気二重層キャパシタは、正極と負極との間に電解質を介在させた構成を有する。正極及び負極は、それぞれ、集電体と、集電体上に設けられた活物質と、を有する構成が知られている。例えば、リチウムイオン電池は、リチウムイオンを吸蔵及び放出することのできる材料を活物質として正極に用い、電解質を間に介在させて構成する。
【０００４】
リチウムイオン電池用の優れた特性を示す正極活物質として、オリビン型のリン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）が注目されている（特許文献１、非特許文献１参照）。また、特許文献１にＮＡＳＩＣＯＮ化合物の例として、ナシコン型のリン酸鉄リチウム（Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３）の充放電挙動についても記されている。
【０００５】
オリビン型のリン酸鉄リチウムを正極活物質とする場合、活物質に含まれる鉄は２価であるため、酸化されやすく、安定な材料であるとは言い難い。また、２価の鉄を含むリン酸鉄リチウムは高価である。
【０００６】
また、活物質としては、結晶化されたオリビン型のリン酸鉄リチウムがよく用いられている。しかし、結晶性の高いリン酸鉄リチウムを得るためには、長時間の焼成等が必要とされている。そのため、製造工程が長く、複雑になりやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第１９９７／０４０５４１号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】小久見善八 編著、「リチウム二次電池」、オーム社、平成２０年３月２０日第１版第１刷発光、第９６頁乃至第９７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の一態様は、簡便な方法で、正極活物質、正極、又は蓄電装置を得られる作製方法を提供することを課題の一とする。
【００１０】
または、本発明の一態様は、良好な電池特性を有する正極活物質、正極、又は蓄電装置を得られる作製方法を提供することを課題の一とする。
【００１１】
または、本発明の一態様は、新規の正極活物質、正極、又は蓄電装置を得られる作製方法を提供することを課題の一とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者は、スパッタリング法を用いることで、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムを、良好な電池特性を示す正極活物質として提供できることを見出した。
【００１３】
出発材料として、３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用いる。このようなターゲットとして、具体的にはナシコン型のリン酸鉄リチウムが挙げられ、その組成は一般式ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）で表すことができる。また、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットでもよい。
【００１４】
３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用い、希ガス（例えばアルゴン）等のイオンでターゲットをスパッタリングすることにより、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜を得る。本発明の一態様では、得られる薄膜を正極活物質として用いる。ここで、スパッタリング法により得られた薄膜（活物質）は、敢えて結晶化させないことが好ましい。すなわち、スパッタリング法により得られた薄膜（活物質）は、アモルファス構造のままとすることが好ましい。
【００１５】
本発明の一態様は、３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を組成に含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成する正極活物質の作製方法である。
【００１６】
本発明の一態様は、一般式ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚで表され、３価のＦｅを組成に含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成する正極活物質の作製方法である。
【００１７】
本発明の一態様は、ナシコン型リン酸鉄リチウムを含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成する正極活物質の作製方法である。
【００１８】
本発明の一態様は、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成する正極活物質の作製方法である。
【００１９】
上記構成において、アモルファス構造を有する活物質は３価のＦｅを含む。
【００２０】
また、上記構成において、正極活物質を集電体上に形成することで正極を作製することができる。さらに、正極に対向する負極と、正極及び負極の間に介在する電解質と、を形成することで蓄電装置を作製することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の一態様によれば、簡便な方法で、正極活物質、正極、または蓄電装置を提供することが可能となる。または、本発明の一態様によれば、良好な電池特性を有する正極活物質、正極、または蓄電装置を提供することが可能となる。または、本発明の一態様によれば、新規の正極活物質、正極、または蓄電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】蓄電装置用正極の作製方法の一例を示す図。
【図２】蓄電装置の構造の一例を示す図。
【図３】蓄電装置の特性の一例を示す図。
【図４】蓄電装置の特性の一例を示す図。
【図５】蓄電装置の特性の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下の実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、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、以下に示す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、実施の形態を説明するための全図において、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。
【００２４】
（実施の形態１）
本実施の形態では、蓄電装置用正極活物質について説明する。
【００２５】
正極活物質は、スパッタリング法を利用して得られる、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜により作製される。スパッタリング法を利用することで、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムであっても、良好な電池特性を示す又は新規の電池特性を示す正極活物質として提供することができる。
【００２６】
スパッタリング用のターゲットとして、３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用いる。このようなターゲットを構成する材料としてリン酸鉄リチウムが挙げられ、好ましくはナシコン型のリン酸鉄リチウムが挙げられ、その組成は一般式ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）で表すものを適用することができる。また、リン酸鉄リチウムとその他の材料との混合物材料（例えばＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３の混合材料等）を用いることができる。
【００２７】
３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲットを用い、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜をスパッタリング法で形成する。３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜は、正極活物質として機能させる。ここで、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜（正極活物質）は、スパッタリング法により形成した後、敢えて結晶化させないことが好ましい。すなわち、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムのアモルファス状態である薄膜を、そのまま正極活物質とすることが好ましい。
【００２８】
上述のようにスパッタリング法で形成した３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜は、基本的にはターゲットに用いた材料の組成を保存することができる。なお、スパッタリング法の条件等により、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜の組成等を調整することも可能である。３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの組成は、例えば一般式ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）で表すことができる。具体的には、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３が挙げられる。
【００２９】
上述のようにスパッタリング法で形成した正極活物質は、活物質の薄膜となる。そのため、従来の湿式法により得られる正極活物質よりも、活物質の密度を高めることができ、単位体積当たりに多くの活物質を詰め込むことが可能となる。正極活物質の高密度化は、正極におけるリチウムの吸蔵量及び放出量の増大につながり、正極及び蓄電装置を高容量化させることにつながる。したがって、本形態のように、スパッタリング法で正極活物質を形成することにより、正極及び蓄電装置の高容量化を図ることができ、電池特性の向上を図ることができる。
【００３０】
また、ターゲットとして３価のＦｅを組成に含む材料を用いる。３価のＦｅは酸化されにくく、安定であるため、成膜時のチャンバー雰囲気等を複雑に制御する必要がなく、原料として容易に用いることができるため好ましい。また、２価のＦｅよりも３価のＦｅの方が原料として安価であり、コストの面でも有利である。さらに、３価のＦｅを含む原料（ターゲット）を用い、スパッタリング法で形成した薄膜をそのまま正極活物質として機能させることができるため、熱処理による結晶化工程などを省くことができ、作製工程が簡便になる。
【００３１】
また、本形態に係る正極活物質を適用した蓄電装置は、充放電曲線がプラトー（電位平坦部）を有さず、充放電に伴い電位がなだらかに連続的に変化する特性を有する場合がある。スパッタリング法を利用して、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムを作製することで、このような特性を有する新規の正極活物質として提供することができる。もちろん、本形態に係る正極活物質を適用した蓄電装置は、上記以外の特性もとりうる。
【００３２】
なお、本明細書におけるプラトー（電位平坦部）とは、横軸を容量、縦軸を電位とした充放電曲線において、容量の変化に対し、電位が平坦性を維持して変化する部分を指す。
【００３３】
以下、本形態に係る正極活物質及び正極の作製方法について、図１を用いて説明する。
【００３４】
３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を少なくとも含む組成のターゲット１０４を用いて、希ガス等のイオンでターゲット１０４をスパッタリングすることにより（図１（Ａ）参照）、集電体１０３上に正極活物質１０５を形成する（図１（Ｂ）参照）。
【００３５】
集電体１０３としては、チタン等の導電性の高い材料を用いる。
【００３６】
前記ターゲット１０４を構成する材料の組成としては、一般式としてＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）が挙げられ、具体的にはＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３が挙げられる。また、前記ターゲット１０４を構成する材料は混合材料としてもよく、例えばＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３の混合が挙げられる。好ましくは、ターゲット１０４にナシコン型のリン酸鉄リチウムを用いることで、安価で安定なターゲットとすることができ、正極活物質を簡便な方法で、安価に作製することが可能となる。
【００３７】
スパッタリング法としては、高周波電源を用いるＲＦスパッタリング法、直流電源を用いるＤＣスパッタリング法、又はパルス的に直流バイアスを加えるパルスＤＣスパッタリング法などを用いることができる。
【００３８】
スパッタリング用のガスとしては、希ガス、酸素、又は希ガス及び酸素の混合ガス等を用いることができる。希ガスとしては、アルゴン等が挙げられる。
【００３９】
スパッタリング法により、集電体１０３上に形成される正極活物質１０５の組成は、基本的にはターゲット材料の組成が保存される。正極活物質１０５としては３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜が形成され、その一般式としてはＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）が挙げられ、具体的にはＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３が挙げられる。ここで、正極活物質１０５である３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜は、アモルファス構造を有する。
【００４０】
以上により、正極活物質１０５として、スパッタリング法で３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜が形成される。そして、集電体１０３と正極活物質１０５との積層構造が、正極１０１を構成する。
【００４１】
スパッタリング法を利用することで、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムを正極活物質として用いても、良好な電池特性を示す蓄電装置を提供することができる。また、スパッタリング法を利用することで、正極活物質の高密度化、正極の高容量化を実現でき、良好な電池特性を示す蓄電装置を提供することができる。また、スパッタリング法を利用することで、簡便な方法で正極を作製することができ、良好な電池特性を示す蓄電装置を提供することができる。
【００４２】
また、スパッタリング用のターゲットとして、３価のＦｅを含む材料を用いるため、安価で安定な原料を用いることができる。原料が安価で安定であるため、簡便な方法及び低コストな製造プロセスを提供することができる。
【００４３】
本実施の形態は、他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
【００４４】
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態１に示した正極活物質を用いた蓄電装置の一例について説明する。
【００４５】
図２（Ａ）に、蓄電装置２００の構造の一部を示す。蓄電装置２００は、正極２０１と、正極２０１と電解質２０７を間に介して対向して設けられた負極２１１とを有している。
【００４６】
正極２０１は、集電体２０３と、集電体２０３上に設けられた正極活物質２０５と、で構成される。正極活物質２０５の作製方法は、上記実施の形態１に準じればよい。集電体２０３としては上記集電体１０３を適用できる。正極活物質２０５としては上記実施の形態１で示した３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムの薄膜を適用できる。また、正極２０１は上記正極１０１を適用できる。
【００４７】
負極２１１は、集電体２１３と、集電体２１３上に設けられた負極活物質２１５と、で構成される。集電体２１３の材料は、例えば、白金、銅、又はチタン等の導電性の高い材料を用いることができる。負極活物質２１５の材料は、黒鉛等の炭素材料、リチウム金属、シリコン等を用いることができる。
【００４８】
電解質２０７は、リチウムイオンを伝導する機能を有する。電解質２０７の材料としては、固体又は液体を用いることができる。
【００４９】
電解質２０７の材料が固体の場合、例えば、Ｌｉ３ＰＯ４、Ｌｉ３ＰＯ４に窒素を混ぜたＬｉｘＰＯｙＮｚ（ｘ、ｙ、ｚは正の実数）、Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２、Ｌｉ２Ｓ−Ｐ２Ｓ５、Ｌｉ２Ｓ−Ｂ２Ｓ３等を用いることができる。また、これらにＬｉＩなどをドープしたものを用いることができる。
【００５０】
電解質２０７の材料が液体の場合、溶媒と、溶媒に溶解される溶質（塩）とを含んでいる。溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート若しくはエチレンカーボネート等の環状カーボネート、又はジメチルカーボネート若しくはジエチルカーボネート等の鎖状カーボネートを用いることができる。溶質（塩）としては、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、又はＬｉＴＦＳＡ等、軽金属塩（リチウム塩等）を１種又は２種以上含んでいるものを用いることができる。
【００５１】
なお、電解質２０７が液体の場合は、セパレータ２０９を設ける。セパレータ２０９は、正極２０１と負極２１１との接触を防止するとともに、リチウムイオンを通過させる機能を有する。セパレータ２０９の材料としては、例えば、紙、不織布、ガラス繊維、あるいは、ナイロン（ポリアミド）、ビニロン（ポリビニルアルコール系繊維であり、ビナロンとも呼ぶ）、ポリプロピレン、ポリエステル、アクリル、ポリオレフィン、ポリウレタンといった合成繊維等を用いることもできる。ただし、電解質２０７に溶解しない材料を選ぶ必要がある。また、電解質２０７に固体電解質を適用した場合でも、セパレータ２０９を設ける構成とすることも可能である。
【００５２】
次に、蓄電装置としてリチウムイオン二次電池を用いた場合の充放電の一例を説明する。
【００５３】
充電は、図２（Ｂ）に示すように、正極２０１と負極２１１との間に電源２２１を接続することで行われる。電源２２１から電圧が印加されると、正極２０１のリチウムがイオン化し、リチウムイオン２１７として正極２０１から放出されるとともに、電子２１９が発生する。リチウムイオン２１７は、電解質２０７を介して負極２１１に移動する。電子２１９は、電源２２１を介して負極２１１に移動する。そして、リチウムイオン２１７は、負極２１１で電子２１９を受け取り、リチウムとして負極２１１に吸蔵される。
【００５４】
一方、放電は、図２（Ｃ）に示すように、正極２０１と負極２１１の間に負荷２２３を接続することで行われる。負極２１１のリチウムがイオン化し、リチウムイオン２１７として負極２１１から放出されるとともに、電子２１９が発生する。リチウムイオン２１７は、電解質２０７を介して正極２０１に移動する。電子２１９は、負荷２２３を介して正極２０１に移動する。そして、リチウムイオン２１７は、正極２０１で電子２１９を受け取り、リチウムとして正極２０１に吸蔵される。
【００５５】
このように、リチウムイオンが正極２０１及び負極２１１を移動することで、充放電が行われる。蓄電装置２００の正極２０１において、正極活物質２０５に上記実施の形態１の正極活物質１０５を適用することで、活物質の高密度化によりリチウムの吸蔵量及び放出量を増加させることが可能となり、高容量な蓄電装置とすることができる。また、３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムを正極活物質として適用しても、充放電を良好に行うことができ、良好な電池特性を示す蓄電装置として提供できる。
【００５６】
本実施の形態は、他の実施の形態及び実施例と適宜組み合わせて実施することができる。
【実施例１】
【００５７】
本実施例では、本発明の一態様に係る正極活物質を適用した試料の電池特性について示す。
【００５８】
まず、測定した試料について説明する。試料としては、正極と、負極と、正極及び負極の間に電解液を含むセパレータと、を有する２０３２型コイン形状電池を形成した。負極はリチウムを用いて形成した。セパレータは、ポリプロピレン（ＰＰ）を用いた。電解液は、ＬｉＰＦ６を溶解させたエチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合液を用いた。
【００５９】
正極は、集電体（チタン）上に活物質を形成した構造とした。条件Ａにおける試料は、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、スパッタリング法で成膜した厚さ約１００ｎｍの膜を活物質として形成した。条件Ｂにおける試料は、Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、スパッタリング法で成膜した厚さ約５０ｎｍの膜を活物質として形成した。
【００６０】
なお、条件Ａ、Ｂともに、活物質は、ＲＦ電源の電力７００Ｗ、圧力０．１Ｐａ、ガス組成Ｏ２：Ａｒ＝２．５：５０（ｓｃｃｍ）として、スパッタリング法により形成した。
【００６１】
本実施例における活物質（Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した膜）について、考察した結果を示す。まず、活物質密度は、約３．３ｇ／ｃｍ３であった。
【００６２】
また、本実施例における活物質について、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の測定及び誘導結合プラズマ質量分析（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＩＣＰ−ＭＳ）の測定を行った。ＸＰＳ及びＩＣＰ−ＭＳの結果から、上記活物質の組成比は、Ｌｉ：Ｆｅ：Ｐ：Ｏ：Ｎａ：Ｆ：Ｓ＝９．８：１１：１２：６５：１．２：０．６：１．３（Ｎａ、Ｆ、Ｓは不純物）と求められた。ここで、上記活物質に含まれるＦｅの価数は、３価のＦｅを含む原料から作製され、且つＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用いてスパッタリング法により形成されるため、３価であると推察された。
【００６３】
上記条件Ａと同様の条件で成膜した活物質に、さらに熱処理（５５０℃、６時間）を行ったサンプルのＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ−ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）の測定を行ったところ、ナシコン型のＬｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３のピークが観察された。ＸＰＳ、ＩＣＰ−ＭＳ、及びＸＲＤ分析の結果から、上記活物質（Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、スパッタリング法により成膜した膜）は、少なくとも３価のＦｅを含むリン酸鉄リチウムを有すると推察された。
【００６４】
条件Ａの試料及び条件Ｂの試料それぞれについて、充放電試験（（株）東洋システム 充放電試験装置 ＴＯＳＣＡＴ−３１００を使用）を行った。測定電圧は２．５Ｖ〜４．２Ｖの範囲に設定し、測定電流は０．００１ｍＡの定電流とし、定電流充電→休止２時間→定電流放電→休止２時間の２５℃一定温度下における充放電試験を行った。
【００６５】
図３に、条件Ａの試料について充放電試験を行って得られた充放電曲線を示す。なお、図３には、１サイクル目及び８サイクル目の充放電曲線を示すが、２サイクル目〜７サイクル目もほぼ同様の充放電曲線が得られた。条件Ａの試料における放電容量は、７６ｍＡｈ／ｇであった。図３に示すように、条件Ａにおける試料は、サイクル数が増えても充放電曲線がほとんど変化せず、良好なサイクル特性を有することがわかった。また、図３に示すように、条件Ａにおける試料は、充放電曲線がプラトー（電位平坦部）を有さず、充放電に伴い電位がなだらかに連続的に変化する特性を有することがわかった。
【００６６】
なお、条件Ａに対する比較例として、条件Ａの活物質と同様の条件で成膜した厚さ約１００ｎｍの膜に、５５０℃で６時間の熱処理を行ったものを活物質として形成した（比較例（Ａ−１）とする）。また、条件Ａに対する別の比較例として、条件Ａの活物質と同様の条件で成膜した厚さ約１００ｎｍの膜に、６５０℃で６時間の熱処理を行ったものを活物質として形成した（比較例（Ａ−２）とする）。
【００６７】
比較例（Ａ−１）の試料及び比較例（Ａ−２）の試料それぞれについて、上記条件Ａの試料と同条件で充放電試験を行った。結果は、比較例（Ａ−１）における放電容量が３７ｍＡｈ／ｇ、比較例（Ａ−２）における放電容量が７．８ｍＡｈ／ｇであった。充放電試験の結果から、条件Ａにおける試料は、熱処理を行った比較例（Ａ−１）及び比較例（Ａ−２）の試料と比較して、高い放電容量を有することがわかった。条件Ａの試料は活物質がアモルファス状態であり、熱処理を行った比較例（Ａ−１）及び比較例（Ａ−２）の活物質は結晶状態であると推察される。また、熱処理条件から、比較例（Ａ−２）の試料は比較例（Ａ−１）の試料よりも結晶性が高いと推察される。これらのことから、本実施例における活物質は、アモルファス状態の方が結晶状態よりも良好な電池特性を有すると推察される。
【００６８】
また、図４に、条件Ｂの試料について充放電試験を行って得られた充放電曲線を示す。図４には、１サイクル目及び２サイクル目の充放電曲線を示す。条件Ｂの試料における放電容量は、６０ｍＡｈ／ｇであった。図４に示すように、条件Ｂにおける試料は、充放電曲線がプラトーを有さず、充放電に伴い電位がなだらかに連続的に変化する特性を有することがわかった。
【００６９】
なお、条件Ａ及び条件Ｂの試料について、放電レート特性を測定した。
【００７０】
ここで、放電速度は「Ｃレート」で表すことができる。１時間で電池の全容量を放電させるだけの電流値のことを１Ｃレートとし、１Ｃレートの何倍の電流値で放電しているかを「Ｃレート」で表す。したがって、ｎＣレート（ｎは正の実数）は、１Ｃレートのｎ倍の電流値で放電することを表す。例えば、全容量が２．２［Ａ／ｈ］の電池では、１Ｃ＝２．２［Ａ］であり、ｎＣ（ｎは正の整数）＝２．２ｎ［Ａ］である。本実施例では、放電レート特性を測定しているため、「Ｃレート」は放電速度を表すことになり、ｎが大きくなるほど、放電速度が速いことを意味する。ここで、Ｃレートは、充放電の際の電流値を表すものである。
【００７１】
条件Ａの試料及び条件Ｂの試料は、図５の示すようなレート特性を有することがわかった。
【００７２】
本実施例は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０１ 正極
１０３ 集電体
１０４ ターゲット
１０５ 正極活物質
２００ 蓄電装置
２０１ 正極
２０３ 集電体
２０５ 正極活物質
２０７ 電解質
２０９ セパレータ
２１１ 負極
２１３ 集電体
２１５ 負極活物質
２１７ リチウムイオン
２１９ 電子
２２３ 負荷
２２１ 電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を組成に含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成することを特徴とする蓄電装置用正極活物質の作製方法。
【請求項２】
一般式ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚで表され、３価のＦｅを組成に含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成することを特徴とする蓄電装置用正極活物質の作製方法。
【請求項３】
ナシコン型リン酸鉄リチウムを含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成することを特徴とする蓄電装置用正極活物質の作製方法。
【請求項４】
Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成することを特徴とする蓄電装置用正極活物質の作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記アモルファス構造を有する活物質は３価のＦｅを含むことを特徴とする蓄電装置用正極活物質の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の前記蓄電装置用正極活物質を集電体上に形成することを特徴とする正極の作製方法。
【請求項７】
請求項６に記載の前記正極に対向する負極と、前記正極及び前記負極の間に介在する電解質と、を形成することを特徴とする蓄電装置の作製方法。
【請求項１】
３価のＦｅと、Ｌｉと、ＰＯ４と、を組成に含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成することを特徴とする蓄電装置用正極活物質の作製方法。
【請求項２】
一般式ＬｉｘＦｅｙ（ＰＯ４）ｚで表され、３価のＦｅを組成に含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成することを特徴とする蓄電装置用正極活物質の作製方法。
【請求項３】
ナシコン型リン酸鉄リチウムを含むターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成することを特徴とする蓄電装置用正極活物質の作製方法。
【請求項４】
Ｌｉ３Ｆｅ２（ＰＯ４）３及びＦｅ２Ｏ３が混合されたターゲットを用い、アモルファス構造を有する活物質をスパッタリング法で形成することを特徴とする蓄電装置用正極活物質の作製方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記アモルファス構造を有する活物質は３価のＦｅを含むことを特徴とする蓄電装置用正極活物質の作製方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の前記蓄電装置用正極活物質を集電体上に形成することを特徴とする正極の作製方法。
【請求項７】
請求項６に記載の前記正極に対向する負極と、前記正極及び前記負極の間に介在する電解質と、を形成することを特徴とする蓄電装置の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２２２４９６（Ｐ２０１１−２２２４９６Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６１９４０（Ｐ２０１１−６１９４０）
【出願日】平成２３年３月２２日（２０１１．３．２２）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２２日（２０１１．３．２２）
【出願人】（０００１５３８７８）株式会社半導体エネルギー研究所 (5,264)
【Ｆターム（参考）】
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