JP2005141992A - Negative electrode and battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負極集電体に負極活物質層が設けられた負極、およびそれを用いた電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode in which a negative electrode active material layer is provided on a negative electrode current collector, and a battery using the same.
近年、モバイル機器の高性能化および多機能化に伴い、それらの電源である二次電池の高容量化が切望されている。この要求に応える二次電池としてリチウム二次電池がある。しかし、現在におけるリチウム二次電池の代表的な形態である、正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛を用いた場合の電池容量は飽和状態にあり、大幅な高容量化は極めて困難な状況である。そこで、古くから負極に金属リチウム(Li)を用いることが検討されているが、この負極を実用化するには、リチウムの析出溶解効率の向上およびデンドライト状の析出形態の制御などを図る必要がある。 2. Description of the Related Art In recent years, as mobile devices have higher performance and more functions, there is a strong demand for higher capacities of secondary batteries that are power sources thereof. There is a lithium secondary battery as a secondary battery that meets this requirement. However, when lithium cobaltate is used for the positive electrode and graphite is used for the negative electrode, which is a typical form of the present lithium secondary battery, the battery capacity is in a saturated state, and it is extremely difficult to increase the capacity significantly. . Therefore, the use of metallic lithium (Li) for the negative electrode has been studied for a long time, but in order to put this negative electrode into practical use, it is necessary to improve the precipitation dissolution efficiency of lithium and control the dendrite-like precipitation form. is there.
その一方で、最近、ケイ素(Si),ゲルマニウム(Ge)あるいはスズ(Sn)などを用いた高容量の負極の検討が盛んに行われている。しかし、これらの負極は充放電を繰り返すと、活物質の激しい膨張および収縮により粉砕して微細化し、集電性が低下したり、表面積の増大に起因して電解液の分解反応が促進され、サイクル特性は極めて劣悪であった。そこで、気相法、液相法あるいは焼結法などにより集電体に活物質層を形成した負極も検討されている(例えば、特許文献1,特許文献2,特許文献3参照。)。これによれば、粒子状の活物質およびバインダーなどを含むスラリーを塗布した従来の塗布型負極に比べて微細化を抑制することができると共に、集電体と活物質層とを一体化することができるので負極における電子伝導性が極めて良好となり、容量的にもサイクル寿命的にも高性能化が期待されている。また、従来は負極中に存在した導電材、バインダーおよび空隙などを低減または排除することもできるので、本質的に負極を薄膜化することが可能となる。 On the other hand, recently, a high capacity negative electrode using silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), or the like has been actively studied. However, when these negative electrodes are repeatedly charged and discharged, they are pulverized and refined by vigorous expansion and contraction of the active material, current collection is reduced, or decomposition reaction of the electrolyte is promoted due to an increase in surface area, The cycle characteristics were extremely poor. Therefore, negative electrodes in which an active material layer is formed on a current collector by a vapor phase method, a liquid phase method, a sintering method, or the like have been studied (see, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3). According to this, miniaturization can be suppressed as compared with a conventional coated negative electrode coated with a slurry containing a particulate active material and a binder, and the current collector and the active material layer are integrated. Therefore, the electron conductivity in the negative electrode is extremely good, and high performance is expected in terms of capacity and cycle life. In addition, since it is possible to reduce or eliminate the conductive material, binder, voids, and the like that existed in the conventional negative electrode, the negative electrode can be made essentially thin.
ところが、この負極でも、充放電に伴う活物質の膨張収縮により、集電体と活物質層との剥離や、あるいは集電体にしわが発生してしまうなどの問題があり、十分なサイクル特性を得ることができなかった。 However, even with this negative electrode, there are problems such as separation of the current collector and the active material layer due to expansion and contraction of the active material due to charge and discharge, or wrinkles in the current collector, and sufficient cycle characteristics are obtained. Couldn't get.
これらの問題を解決する方法としては、例えば、集電体と活物質層との間に中間層を形成し、集電体と活物質層との密着性を向上させることが考えられる。これまでも、例えば、集電体を機械的強度の高い金属あるいは合金により構成し、集電体と活物質層との間に活物質と合金化する銅(Cu)などの中間層を形成した負極(例えば、特許文献4参照。)、あるいは集電体と活物質層との間にモリブデン(Mo)あるいはタングステン(W)を含有する中間層を形成した負極(例えば、特許文献5参照。)などが報告されている。
しかしながら、例えば特許文献1に記載されているように、集電体と活物質層との間に活物質と合金化する銅などの中間層を形成した場合、集電体と活物質層との密着性は向上するものの、集電体を銅により構成した従来の負極に比べてその効果は小さいという問題があった。また、例えば特許文献2に記載されているように、モリブデンあるいはタングステンを含有する中間層を設けた場合には、集電体の構成元素が活物質層に過剰に拡散してしまうことを抑制することはできるものの、このような硬度の高い金属層を中間層として形成すると、集電体と活物質層との接合面において柔軟性が失われてしまう場合が多いという問題があった。 However, as described in Patent Document 1, for example, when an intermediate layer such as copper alloyed with the active material is formed between the current collector and the active material layer, the current collector and the active material layer Although the adhesion is improved, there is a problem that the effect is small as compared with the conventional negative electrode in which the current collector is made of copper. Further, as described in Patent Document 2, for example, when an intermediate layer containing molybdenum or tungsten is provided, it is possible to suppress excessive diffusion of the constituent elements of the current collector into the active material layer. However, when such a hard metal layer is formed as an intermediate layer, there is a problem that flexibility is often lost at the bonding surface between the current collector and the active material layer.
更に、特許文献1では、集電体の引っ張り強度についても言及されているが、集電体に要求される機械的特性としては強度の他にも弾性変形能などの柔軟性も重要であり、引っ張り強度を向上させるのみではサイクル特性を向上させることが難しかった。 Furthermore, in Patent Document 1, the tensile strength of the current collector is also mentioned. However, as mechanical properties required for the current collector, flexibility such as elastic deformability is important in addition to strength. It was difficult to improve the cycle characteristics only by improving the tensile strength.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、負極活物質層の充放電に伴う膨張収縮による応力を緩和し、サイクル特性を向上させることができる負極およびそれを用いた電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to relieve stress due to expansion and contraction associated with charge and discharge of the negative electrode active material layer, and to improve cycle characteristics, and a battery using the same. Is to provide.
本発明による第1の負極は、負極集電体に負極活物質層が設けられたものであって、負極集電体は、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含むものである。 A first negative electrode according to the present invention includes a negative electrode current collector provided with a negative electrode active material layer, and the negative electrode current collector includes a material having superelasticity or a shape memory effect.
本発明による第2の負極は、負極集電体に負極活物質層が設けられたものであって、負極集電体は、ニッケル(Ni)とチタン(Ti)とを含むものである。 The second negative electrode according to the present invention has a negative electrode current collector provided with a negative electrode active material layer, and the negative electrode current collector contains nickel (Ni) and titanium (Ti).
本発明による第1の電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極は、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含む負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを備えたものである。 A first battery according to the present invention is provided with an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode. The negative electrode is provided on a negative electrode current collector containing a material having a superelasticity or a shape memory effect, and the negative electrode current collector. And a negative electrode active material layer.
本発明による第2の電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極は、ニッケルとチタンとを含む負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを備えたものである。 A second battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode. The negative electrode includes a negative electrode current collector containing nickel and titanium, and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector. It is equipped with.
本発明の第1の負極および第1の電池によれば、負極集電体が超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含むようにしたので、負極活物質層の膨張・収縮による応力を緩和することができる。よって、負極の破壊を抑制することができ、サイクル特性を向上させることができる。 According to the first negative electrode and the first battery of the present invention, since the negative electrode current collector includes a material having superelasticity or shape memory effect, stress due to expansion / contraction of the negative electrode active material layer is relieved. be able to. Therefore, destruction of the negative electrode can be suppressed and cycle characteristics can be improved.
特に、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料として、リチウムと金属間化合物を形成しないものを含むようにすれば、リチウムと金属間化合物を生成することにより負極集電体が構造破壊されてしまうことを抑制することができ、サイクル特性をより向上させることができる。 In particular, if a material that does not form an intermetallic compound with lithium is included as a material having a superelasticity or a shape memory effect, the negative electrode current collector may be structurally destroyed by generating an intermetallic compound with lithium. Can be suppressed, and the cycle characteristics can be further improved.
本発明の第2の負極および第2の電池によれば、負極集電体がニッケルとチタンとを含むようにしたので、負極活物質層の膨張・収縮による応力を緩和することができると共に、リチウムと金属間化合物を生成することにより負極集電体が構造破壊されてしまうことを抑制することができる。よって、負極の破壊を抑制することができ、サイクル特性を向上させることができる。 According to the second negative electrode and the second battery of the present invention, since the negative electrode current collector contains nickel and titanium, stress due to expansion / contraction of the negative electrode active material layer can be relieved, By generating lithium and the intermetallic compound, it is possible to suppress the structural destruction of the negative electrode current collector. Therefore, destruction of the negative electrode can be suppressed and cycle characteristics can be improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係る負極10の構成を簡略化して表すものである。負極10は、例えば、負極集電体11と、負極集電体11に設けられた負極活物質層12とを有している。負極活物質層12は、負極集電体11の両面に形成されていてもよく、片面に形成されていてもよい。
FIG. 1 shows a simplified configuration of a
負極集電体11は、例えば、超弾性または形状記憶効果を有する材料、例えば合金を少なくとも一部に含んでいる。充放電に伴い負極活物質層12が膨張・収縮しても、その応力を緩和することができ、負極活物質層12の剥離を抑制することができるからである。ここで、超弾性とは、“JIS H7001 番号1011”に定義されているように、負荷時の応力誘起マルテンサイト変態によって生じた変形が除荷時に逆変態によって回復する性質である。また、形状記憶効果とは、“JIS H7001 番号1002”に定義されているように、ある形状の合金を低温相(マルテンサイト)の状態で異なる形状に変形させても高温相(母相)が安定になる温度に加熱すると逆変態が起こり、変形前の形状に戻る現象である。
The negative electrode
また、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料としては、特に、リチウムと金属間化合物を形成しないものが好ましい。リチウムと金属間化合物を形成すると、充放電に伴って負極集電体が膨張・収縮し、構造破壊が起こって集電性が低下する他、負極活物質層12を支える能力が小さくなり、負極活物質層12が負極集電体11から脱落し易いからである。このような材料としては、ニッケルとチタンとを含む合金、例えば、ニッケル−チタン合金、またはニッケルおよびチタンに加えて銅,ニオブ(Nb),ジルコニウム(Zr),クロム(Cr),マンガン(Mn),鉄(Fe)あるいはコバルト(Co)などの他の元素を1種または2種以上含む合金が挙げられる。また、マンガンと銅とを含む合金なども挙げられる。
In addition, as a material having superelasticity or a shape memory effect, a material that does not form an intermetallic compound with lithium is particularly preferable. When lithium and an intermetallic compound are formed, the negative electrode current collector expands and contracts with charge and discharge, structural breakdown occurs and current collecting performance decreases, and the ability to support the negative electrode
中でも、ニッケルとチタンとを含む合金は、良好な超弾性あるいは形状記憶効果を有し、かつリチウムと金属間化合物を形成せず、更に耐食性にも優れ、加えて負極活物質層12との密着性にも優れているので好ましい。特に、ニッケル−チタン合金であれば、ニッケル49原子%〜52原子%に対してチタン51原子%〜48原子%のものが好ましく、ニッケルおよびチタンに加えて他の元素を含む合金であれば、ニッケル35原子%〜45原子%に対してチタン45原子%〜55原子%のものが好ましい。よって、負極集電体11がこれらの合金を含む場合には、負極集電体11におけるニッケルとチタンとの組成比は、原子比で、ニッケル49〜52に対してチタン51〜48、またはニッケル35〜45に対してチタン45〜55であることが好ましい。なお、ニッケルおよびチタンに加えて他の元素を含む合金の場合、他の元素としては銅が好ましく、銅に加えて上述した他の元素を含んでいてもよい。銅はニッケル−チタン合金に30原子%以上も固溶することができ、価格が安価で、特性も良好だからである。
Among them, an alloy containing nickel and titanium has a good superelasticity or shape memory effect, does not form an intermetallic compound with lithium, and further has excellent corrosion resistance, and in addition, adhesion to the negative electrode
なお、負極集電体11は、単層により構成してもよいが、複数層により構成してもよい。その場合、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含有する層と負極活物質層12との間に、負極活物質層12と合金化する材料を含む層を設けるようにしてもよい。
The negative electrode
また、負極集電体11の負極活物質層12が形成されている領域における表面粗さは、JIS B0601付属書1記載の十点平均粗さ(Rz)で、0.8μm以上であることが好ましく、1.2μm以上であればより好ましく、1.2μm以上12.0μm以下の範囲内であれば更に好ましい。負極活物質層12に発生する割れの形状を制御することができ、負極活物質層12の膨張・収縮による応力を分散させることが可能になることにより、サイクル特性を向上させることができるからである。
Moreover, the surface roughness in the area | region in which the negative electrode
この場合、負極集電体11としては、例えば、ラッピング加工により表面を荒らしたものでもよく、また、基体の表面にめっきあるいは蒸着などにより突起部を形成したものでもよが、突起部を形成したものの方がより高い効果を得ることができるので好ましい。突起部の材料は、基体と同一でも異なっていてもよい。例えば、上述した超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料でもよく、そのような特性を有さない銅,ニッケル,チタン,鉄あるいはクロムなどの金属材料、または酸化アルミニウム(Al2 O3 )あるいは二酸化ケイ素(SiO2 )などの酸化物でもよい。但し、リチウムと金属間化合物を形成しないものが好ましい。リチウムと金属間化合物を生成すると、充放電に伴って突起部が膨張・収縮し、負極集電体11の破壊が生じたり、負極活物質層12が剥離し易くなるからである。
In this case, the negative electrode
負極活物質層12は、例えば、負極活物質として、リチウムと合金を形成可能な元素の単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含んで構成されている。中でも、負極活物質としては、ケイ素またはゲルマニウムの単体,合金および化合物からなる群のうちの少なくとも1種を含むことが好ましく、特に、ケイ素の単体,合金あるいは化合物が好ましい。これらはリチウムを吸蔵・離脱する能力が大きく、組み合わせによっては、従来の黒鉛と比較して負極10のエネルギー密度を高くすることができ、特に、ケイ素の単体,合金あるいは化合物は毒性が低く、かつ安価だからである。
The negative electrode
ケイ素の合金あるいは化合物としては、例えば、SiB4 ,SiB6 ,Mg2 Si,Ni2 Si,TiSi2 ,MoSi2 ,CoSi2 ,NiSi2 ,CaSi2 ,CrSi2 ,Cu5 Si,FeSi2 ,MnSi2 ,NbSi2 ,TaSi2 ,VSi2 ,WSi2 ,ZnSi2 ,SiC,Si3 N4 ,Si2 N2 O,SiOv (0<v≦2)あるいはLiSiOが挙げられる。また、ゲルマニウムの化合物としては、例えば、Ge3 N4 ,GeO,GeO2 ,GeS,GeS2 ,GeF4 あるいはGeBr4 が挙げられる。 Examples of silicon alloys or compounds include SiB 4 , SiB 6 , Mg 2 Si, Ni 2 Si, TiSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 , CaSi 2 , CrSi 2 , Cu 5 Si, FeSi 2 , MnSi. 2 , NbSi 2 , TaSi 2 , VSi 2 , WSi 2 , ZnSi 2 , SiC, Si 3 N 4 , Si 2 N 2 O, SiO v (0 <v ≦ 2) or LiSiO. Examples of germanium compounds include Ge 3 N 4 , GeO, GeO 2 , GeS, GeS 2 , GeF 4, and GeBr 4 .
負極活物質層12は、例えば、気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により形成されたものであることが好ましい。充放電に伴う負極活物質層12の膨張・収縮による破壊を抑制することができると共に、負極集電体11の上に密着性よく負極活物質層12を形成することが可能であり、負極活物質層12における電子伝導性を向上させることができるからである。また、バインダーおよび空隙などを低減または排除でき、負極10を薄膜化することもできるからである。なお、本明細書でいう「活物質層を焼結法により形成する」とは、活物質を含む粉末とバインダーとを混合し成形した層を、非酸化性雰囲気下等で熱処理することにより、熱処理前よりも体積密度が高く、より緻密な層を形成することを意味する。
The negative electrode
負極活物質層12は、また、塗布により形成されたもの、具体的には、負極活物質と必要に応じてポリフッ化ビニリデンなどのバインダーを含んだものでもよい。但し、上述したように、気相法,液相法および焼結法からなる群のうちの少なくとも1つの方法により形成されたものの方が好ましい。
The negative electrode
負極活物質層12は、更に、膨張および収縮により負極集電体11から脱落しないように、負極集電体11との界面の少なくとも一部において負極集電体11と合金化していてもよい。具体的には、界面において負極集電体11の構成元素が負極活物質層12に、または負極活物質層12の構成元素が負極集電体11に、またはそれらが互いに拡散していてもよい。この合金化は、負極活物質層12を気相法,液相法あるいは焼結法により形成する際に同時に起こることもあるが、更に熱処理が施されることにより起こったものでもよい。なお、本明細書では、上述した元素の拡散も合金化の一形態に含める。
Further, the negative electrode
この負極10は、例えば、次のようにして製造することができる。
This
まず、例えば、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含む負極集電体11を用意する。その際、必要に応じて、ラッピング加工などにより表面を荒らす処理を行ってもよく、蒸着あるいはめっきなどにより突起部を形成する処理を行ってもよい。
First, for example, the negative electrode
次いで、負極集電体11の上に、例えば気相法,液相法あるいは焼結法により、あるいはそれらの2種以上を組み合わせて負極活物質層12を形成する。その際、負極集電体11と負極活物質層12との界面の少なくとも一部が合金化することもあるが、場合によっては、これらを合金化させるために更に真空雰囲気下または非酸化性雰囲気下で熱処理を行うようにしてもよい。
Next, the negative electrode
なお、気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法が挙げられ、具体的には、真空蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法,レーザーアブレーション法,熱CVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)法あるいはプラズマCVD法等が挙げられる。液相法としては電解鍍金あるいは無電解鍍金等の公知の手法が利用可能である。焼結法に関しても公知の手法が利用可能であり、例えば、雰囲気焼結法,反応焼結法あるいはホットプレス焼結法が利用可能である。 Examples of the vapor phase method include a physical deposition method and a chemical deposition method. Specifically, a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a laser ablation method, a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition; Vapor phase growth method) or plasma CVD method. As the liquid phase method, a known method such as electrolytic plating or electroless plating can be used. As for the sintering method, a known method can be used, for example, an atmosphere sintering method, a reaction sintering method, or a hot press sintering method can be used.
また、負極活物質層12は、塗布により形成してもよい。具体的には、例えば、負極活物質とバインダーとを混合して合剤を調製し、この合剤をN−メチルピロリドンなどの分散媒に分散させて合剤スラリーを作製し、この合剤スラリーを負極集電体11に塗布して乾燥させたのち、圧縮成型することにより形成してもよい。但し、気相法,液相法あるいは焼結法を用いた方が、中間層13と負極活物質層12との密着性を高めることができるので好ましい。これにより図1に示した負極10が得られる。
Moreover, you may form the negative electrode
この負極10は、例えば、次のような二次電池の負極に用いられる。
This
図2は、その二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、いわゆるコイン型といわれるものであり、外装カップ20に収容された負極10と、外装缶30内に収容された正極40とが、セパレータ50を介して積層されたものである。外装カップ20および外装缶30の周縁部は絶縁性のガスケット60を介してかしめることにより密閉されている。外装カップ20および外装缶30は、例えば、ステンレスあるいはアルミニウムなどの金属によりそれぞれ構成されている。
FIG. 2 shows the configuration of the secondary battery. This secondary battery is a so-called coin-type battery, in which the
正極40は、例えば、正極集電体41と、正極集電体41に設けられた正極活物質層42とを有しており、正極活物質層42の側が中間層13と対向するように配置されている。正極集電体41は、例えば、アルミニウム,ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。
The
正極活物質層42は、例えば、正極活物質としてリチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電材およびポリフッ化ビニリデンなどのバインダーを含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料としては、例えば、一般式Lix MIO2 で表されるリチウム含有金属複合酸化物が好ましい。リチウム含有金属複合酸化物は、高電圧を発生可能であると共に、高密度であるため、二次電池の更なる高容量化を図ることができるからである。なお、MIは1種類以上の遷移金属であり、例えばコバルトおよびニッケルのうちの少なくとも一方が好ましい。xは電池の充放電状態によって異なり、通常0.05≦x≦1.10の範囲内の値である。このようなリチウム含有金属複合酸化物の具体例としては、LiCoO2 あるいはLiNiO2 などが挙げられる。
The positive electrode
なお、正極40は、例えば、正極活物質と導電材とバインダーとを混合して合剤を調製し、この合剤をN−メチルピロリドンなどの分散媒に分散させて合剤スラリーを作製し、この合剤スラリーを金属箔よりなる正極集電体41に塗布し乾燥させたのち、圧縮成型し正極正極活物質層42を形成することにより作製することができる。
The
セパレータ50は、負極10と正極40とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ50は、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンにより構成されている。
The
セパレータ50には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、例えば、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩であるリチウム塩と含んでおり、必要に応じて添加剤を含んでいてもよい。溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート,プロピレンカーボネート,ジメチルカーボネート,ジエチルカーボネートあるいはエチルメチルカーボネート等の有機溶媒が挙げられ、これらのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。
The
リチウム塩としては、例えば、LiPF6 ,LiCF3 SO3 あるいはLiClO4 が挙げられ、これらのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiCF 3 SO 3, and LiClO 4 , and any one of these or a mixture of two or more thereof may be used.
この二次電池は、例えば、負極10、電解液が含浸されたセパレータ50および正極40を積層して、外装カップ20と外装缶30との中に入れ、それらをかしめることにより製造することができる。
This secondary battery can be manufactured, for example, by laminating the
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極40からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して負極10に吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極10からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して正極40に吸蔵される。その際、充放電に伴い負極活物質層12が膨張・収縮しても、負極集電体11が超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含んでいるので、その応力が緩和される。よって、サイクル特性が向上する。
In the secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the
本実施の形態に係る負極10は、次のような二次電池の負極に用いてもよい。
You may use the
図3は、その二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、リード111,112が取り付けられた電極巻回体120をフィルム状の外装部材131,132の内部に収容したものであり、小型化,軽量化および薄型化が可能となっている。
FIG. 3 shows the configuration of the secondary battery. In this secondary battery, the
リード111,112は、それぞれ、外装部材131,132の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。リード111,112は、例えば、アルミニウム,銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。
The leads 111 and 112 are led out from the inside of the
外装部材131,132は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材131,132は、例えば、ポリエチレンフィルム側と電極巻回体120とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材131,132とリード111,112との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム133が挿入されている。密着フィルム133は、リード111,112に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。
The
なお、外装部材131,132は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。
The
図6は、図5に示した電極巻回体120のI−I線に沿った断面構造を表すものである。電極巻回体120は、負極10と正極121とをセパレータ122および電解質層123を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ124により保護されている。
FIG. 6 shows a cross-sectional structure taken along line II of the
負極10は、負極集電体11の片面あるいは両面に負極活物質層12が設けられた構造を有している。正極121も、正極集電体121Aの片面あるいは両面に正極活物質層121Bが設けられた構造を有しており、正極活物質層121Bの側が負極活物質層12と対向するように配置されている。正極集電体121A,正極活物質層121Bおよびセパレータ122の構成は、それぞれ上述した正極集電体41,正極活物質層42およびセパレータ50と同様である。
The
電解質層123は、保持体に電解液を保持させたいわゆるゲル状の電解質により構成されている。ゲル状の電解質は高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液あるいは高温における膨れを防止することができるので好ましい。電解液(すなわち溶媒および電解質塩)の構成は、図4に示したコイン型の二次電池と同様である。保持体は、例えば高分子材料により構成されている。高分子材料としては、例えばポリフッ化ビニリデンが挙げられる。
The
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、負極10および正極121のそれぞれに、保持体に電解液を保持させた電解質層123を形成する。そののち、負極集電体11の端部にリード111を溶接により取り付けると共に、正極集電体121Aの端部にリード112を溶接により取り付ける。次いで、電解質層123が形成された負極10と正極121とをセパレータ122を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ124を接着して電極巻回体120を形成する。最後に、例えば、外装部材131,132の間に電極巻回体120を挟み込み、外装部材131,132の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、リード111,112と外装部材131,132との間には密着フィルム133を挿入する。これにより、図3および図4に示した二次電池が完成する。
First, an
この二次電池の作用は、図2に示したコイン型の二次電池と同様である。 The operation of this secondary battery is the same as that of the coin-type secondary battery shown in FIG.
このように本実施の形態では、負極集電体11が超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含むようにしたので、充放電に伴う負極活物質層12の膨張・収縮による応力を緩和することができる。よって、負極10の破壊を抑制することができ、サイクル特性を向上させることができる。
As described above, in the present embodiment, since the negative electrode
特に、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料として、リチウムと金属間化合物を形成しないものを含むようにすれば、充放電に伴って負極集電体11が膨張・収縮し、構造破壊することを抑制することができる。よって、サイクル特性をより向上させることができる。
In particular, if a material that does not form an intermetallic compound with lithium is included as a material having superelasticity or a shape memory effect, the negative electrode
また、負極集電体11がニッケルとチタンとを含むようにすれば、より高い効果を得ることができ、特に、負極集電体11におけるニッケルとチタンとの組成比が、原子比で、ニッケル49〜52に対してチタン51〜48、またはニッケル35〜45に対してチタン45〜55の範囲内とすれば、更に高い効果を得ることができる。
Further, if the negative electrode
更に、本発明の具体的な実施例について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例では、上記実施の形態において用いた符合および記号をそのまま対応させて用いる。 Further, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following examples, the symbols and symbols used in the above embodiment are used in correspondence with each other.
(実施例1−1〜1−5)
まず、厚み50μmのニッケル−チタン合金箔を用意し、ラッピング加工により表面を荒らしたのち、脱脂洗浄を行った。その際、実施例1−1〜1−5で表面粗さを変化させた。表面粗化後のニッケル−チタン合金箔について十点平均粗さRzを測定したところ、実施例1−1は0.8μm、実施例1−2は1.2μm、実施例1−3は2.0μm、実施例1−4は2.5μm、実施例1−5は3.6μmであった。
(Examples 1-1 to 1-5)
First, a nickel-titanium alloy foil having a thickness of 50 μm was prepared, and the surface was roughened by lapping, followed by degreasing and cleaning. At that time, the surface roughness was changed in Examples 1-1 to 1-5. The ten-point average roughness Rz of the nickel-titanium alloy foil after surface roughening was measured. As a result, Example 1-1 was 0.8 μm, Example 1-2 was 1.2 μm, and Example 1-3 was 2. The thickness was 0 μm, Example 1-4 was 2.5 μm, and Example 1-5 was 3.6 μm.
次いで、このニッケル−チタン合金箔を負極集電体11とし、スパッタリング法によりケイ素よりなる厚み5μmの負極活物質層12を形成した。これにより実施例1−1〜1−5の負極10を得た。
Subsequently, this nickel-titanium alloy foil was used as the negative electrode
続いて、作製した実施例1−1〜1−5の負極10を用いて、図2に示した直径20mm、厚み16mmのコイン型の二次電池を作製した。正極40は、正極活物質である平均粒径5μmのコバルト酸リチウム(LiCoO2 )の粉末と、導電材であるカーボンブラックと、バインダーであるポリフッ化ビニリデンとを、コバルト酸リチウム:カーボンブラック:ポリフッ化ビニリデン=92:3:5の質量比で混合し、これを分散媒であるN−メチルピロリドンへ投入して合剤スラリーとし、厚み15μmのアルミニウムよりなる正極集電体41に塗布して乾燥させ、加圧して正極活物質層42を形成することにより作製した。電解液にはエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを1:1の質量比で混合した溶媒に、リチウム塩であるLiPF6 を1.0mol/dm3 となるように溶解させたものを用いた。セパレータ50にはポリプロピレン製フィルムを用いた。
Subsequently, a coin-type secondary battery having a diameter of 20 mm and a thickness of 16 mm shown in FIG. 2 was produced using the produced
作製した実施例1−1〜1−5の二次電池について、25℃の条件下で充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。その際、充電は、1mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が4.2Vに達するまで行ったのち、4.2Vの定電圧で電流密度が0.02mA/cm2 に達するまで行い、放電は、1mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が2.5Vに達するまで行った。なお、充電を行う際には、予め実測および計算により求めた負極10および正極40の充放電容量に基づいて初回の充電での負極利用率を90%と設定し、金属リチウムが析出しないようにした。50サイクル目の容量維持率は、初回放電容量に対する50サイクル目の放電容量の比率、すなわち(50サイクル目の放電容量/初回放電容量)×100として算出した。得られた結果を表1に示す。
About the produced secondary battery of Examples 1-1 to 1-5, the charge / discharge test was done on 25 degreeC conditions, and the capacity | capacitance maintenance factor of the 50th cycle was calculated | required. In that case, charging, after performing a constant current density of 1 mA / cm 2 until the battery voltage reached 4.2V, performed at a constant voltage of 4.2V until the current density reached 0.02 mA / cm 2, discharge Was performed at a constant current density of 1 mA / cm 2 until the battery voltage reached 2.5V. When charging, the negative electrode utilization rate in the first charge is set to 90% based on the charge / discharge capacities of the
実施例1−1〜1−5に対する比較例1−1〜1−4として、負極集電体を変えたことを除き、他は実施例1−1〜1−5と同様にして負極を形成し、二次電池を作製した。その際、比較例1−1,1−2では銅箔を用い、比較例1−3ではニッケル箔を用い、比較例1−4ではチタン箔を用いた。また、負極集電体の十点平均粗さRzは、比較例1−1では0.8μm、比較例1−2〜1−4では2.5μmであった。比較例1−1〜1−4の二次電池についても、実施例1−1〜1−5と同様にして、充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。その結果も表1に合わせて示す。 As Comparative Examples 1-1 to 1-4 with respect to Examples 1-1 to 1-5, except that the negative electrode current collector was changed, the negative electrode was formed in the same manner as in Examples 1-1 to 1-5 Then, a secondary battery was produced. At that time, copper foil was used in Comparative Examples 1-1 and 1-2, nickel foil was used in Comparative Example 1-3, and titanium foil was used in Comparative Example 1-4. Further, the ten-point average roughness Rz of the negative electrode current collector was 0.8 μm in Comparative Example 1-1 and 2.5 μm in Comparative Examples 1-2 to 1-4. For the secondary batteries of Comparative Examples 1-1 to 1-4, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Examples 1-1 to 1-5, and the capacity retention ratio at the 50th cycle was obtained. The results are also shown in Table 1.
表1から分かるように、負極集電体11を超弾性あるいは形状記憶効果を有するニッケル−チタン合金により形成した実施例1−1〜1−5によれば、他の材料を用いた比較例1−1〜1−4よりも高い容量維持率が得られた。これは、比較例1−1〜1−4では、充放電に伴う負極活物質層12の膨張・収縮により負極活物質層12が負極集電体11から剥離してしまったのに対して、実施例1−1〜1−5では、負極集電体11と負極活物質層12との密着性が強く、かつ負極集電体11が高い柔軟性を有しているので、負極活物質層12の膨張・収縮による応力を緩和することができ、負極活物質層12の剥離を抑制することができたためであると考えられる。すなわち、負極集電体11が超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含むように、あるいはニッケルとチタンとを含むようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
As can be seen from Table 1, according to Examples 1-1 to 1-5 in which the negative electrode
また、実施例1−1〜1−5の結果から、負極集電体11の十点平均粗さRzを0.8μm以上、更には1.2μm以上とした方がより高い容量維持率を得られることが分かった。十点平均粗さRzを上記範囲内とすれば、負極活物質層12の膨張・収縮による割れを適切な形状に制御できるためであると考えられる。
Further, from the results of Examples 1-1 to 1-5, a higher capacity retention ratio is obtained when the ten-point average roughness Rz of the negative electrode
(実施例2−1)
厚み50μmのニッケル−チタン合金箔を脱脂洗浄したのち、このニッケル−チタン合金箔の表面に、めっきにより銅の突起部を形成し、負極集電体11としたことを除き、実施例1−1〜1−5と同様にして負極10を形成し、二次電池を作製した。なお、突起部を形成したあとの負極集電体11について十点平均粗さRzを測定したところ、2.4μmであった。
(Example 2-1)
Example 1-1, except that a nickel-titanium alloy foil having a thickness of 50 μm was degreased and washed, and then a copper protrusion was formed on the surface of the nickel-titanium alloy foil by plating to form a negative electrode
実施例2−1に対する比較例2−1として、厚み50μmの銅箔の表面にめっきにより銅の突起部を形成した負極集電体を用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−5と同様にして負極を形成し、二次電池を作製した。比較例2−1についても突起部を形成したあとの負極集電体について十点平均粗さRzを測定したところ、2.4μmであった。 As Comparative Example 2-1 with respect to Example 2-1, except that a negative electrode current collector in which a copper protrusion was formed on the surface of a copper foil having a thickness of 50 μm was used, Examples 1-1 to 1 were otherwise used. A negative electrode was formed in the same manner as in −5 to produce a secondary battery. In Comparative Example 2-1, the ten-point average roughness Rz of the negative electrode current collector after the protrusions were formed was 2.4 μm.
実施例2−1および比較例2−1の二次電池についても、実施例1−1〜1−5と同様にして、充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。その結果を表2に示す。 For the secondary batteries of Example 2-1 and Comparative Example 2-1, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Examples 1-1 to 1-5, and the capacity retention ratio at the 50th cycle was obtained. The results are shown in Table 2.
表2に示したように、実施例2−1についても、実施例1−1〜1−5と同様に、比較例2−1よりも高い容量維持率が得られた。すなわち、基体に突起部を形成した負極集電体11を用いる場合についても、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含むように、あるいはニッケルとチタンとを含むようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
As shown in Table 2, also in Example 2-1, a capacity retention rate higher than that in Comparative Example 2-1 was obtained as in Examples 1-1 to 1-5. That is, even when the negative electrode
(実施例3−1〜3−5)
負極活物質12をゲルマニウムにより形成したことを除き、実施例1−1〜1−5と同様にして負極10を形成し、二次電池を作製した。負極集電体11の十点平均粗さRzは、実施例3−1が0.8μm、実施例3−2が1.2μm、実施例3−3が2.0μm、実施例3−4が2.5μm、実施例3−5が3.6μmである。また、実施例3−1〜3−5に対する比較例3−1〜3−4として、負極集電体を変えたことを除き、他は実施例3−1〜3−5と同様にして負極を形成し、二次電池を作製した。比較例3−1,3−2では銅箔を用い、比較例3−3ではニッケル箔を用い、比較例3−4ではチタン箔を用いた。また、負極集電体の十点平均粗さRzは、比較例1−1が0.8μm、比較例1−2〜1−4が2.5μmである。実施例3−1〜3−5および比較例3−1〜3−4の二次電池についても、実施例1−1〜1−5と同様にして、充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。その結果を表3に示す。
(Examples 3-1 to 3-5)
A
表3から分かるように、実施例1−1〜1−5と同様に、負極集電体11を超弾性あるいは形状記憶効果を有するニッケル−チタン合金により形成した実施例3−1〜3−5によれば、他の材料を用いた比較例3−1〜3−4よりも高い容量維持率が得られた。また、負極集電体11の十点平均粗さRzを0.8μm以上、更には1.2μm以上とした方がより高い容量維持率が得られた。すなわち、負極活物質にゲルマニウムを用いても、ケイ素を用いた場合と同様に、負極集電体11を超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含むように、あるいはニッケルとチタンとを含むようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。また、負極集電体11の十点平均粗さRzを0.8μm以上、更には1.2μm以上とすれば、サイクル特性をより向上させることができることが分かった。
As can be seen from Table 3, Examples 3-1 to 3-5 in which the negative electrode
(実施例4−1)
負極活物質12をゲルマニウムにより形成したことを除き、実施例2−1と同様にして負極10を形成し、二次電池を作製した。すなわち、厚み50μmのニッケル−チタン合金箔の表面に銅の突起部を形成した負極集電体11を用い、ゲルマニウムの負極活物質層12を形成した。実施例4−1の突起部を形成したあとの負極集電体11について十点平均粗さRzを測定したところ、2.4μmであった。
(Example 4-1)
A
実施例4−1に対する比較例4−1として、厚み50μmの銅箔の表面にめっきにより銅の突起部を形成した負極集電体を用いたことを除き、他は実施例4−1と同様にして負極を形成し、二次電池を作製した。比較例4−1の突起部を形成したあとの負極集電体についても十点平均粗さRzを測定したところ、2.4μmであった。 As Comparative Example 4-1 with respect to Example 4-1, except that a negative electrode current collector in which a copper protrusion was formed on the surface of a copper foil having a thickness of 50 μm was used, the others were the same as Example 4-1. Thus, a negative electrode was formed, and a secondary battery was produced. The ten-point average roughness Rz of the negative electrode current collector after the protrusions of Comparative Example 4-1 were formed was 2.4 μm.
実施例4−1および比較例4−1の二次電池についても、実施例1−1〜1−5と同様にして、充放電試験を行い、50サイクル目の容量維持率を求めた。その結果を表4に示す。 For the secondary batteries of Example 4-1 and Comparative Example 4-1, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Examples 1-1 to 1-5, and the capacity retention ratio at the 50th cycle was obtained. The results are shown in Table 4.
表4に示したように、実施例4−1についても、実施例1−1〜1−5と同様に、比較例4−1よりも高い容量維持率が得られた。すなわち、基体に突起部を形成した負極集電体11を用い、負極活物質にゲルマニウムを用いても、負極集電体11が超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含むように、あるいはニッケルとチタンとを含むようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。
As shown in Table 4, also in Example 4-1, a capacity retention rate higher than that in Comparative Example 4-1 was obtained as in Examples 1-1 to 1-5. That is, even if the negative electrode
なお、上記実施例では、負極集電体11がニッケル−チタン合金を含む場合について説明したが、超弾性あるいは形状記憶効果を有する他の材料を含むようにしても同様の結果を得ることができる。また、負極活物質層12をスパッタリング法以外の気相法、または液相法あるいは焼結法により形成しても、同様の結果を得ることができる。
In addition, although the said Example demonstrated the case where the
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、保持体として高分子材料を用いる場合について説明したが、窒化リチウムあるいはリン酸リチウムを含む無機伝導体を保持体として用いてもよく、高分子材料と無機伝導体とを混合して用いてもよい。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the case where a polymer material is used as the holding member has been described. However, an inorganic conductor containing lithium nitride or lithium phosphate may be used as the holding member. You may mix and use a conductor.
また、上記実施の形態および実施例では、負極集電体11に負極活物質層12を有する負極10について説明したが、負極集電体と負極活物質層との間に他の層を有していてもよい。
In the above embodiment and examples, the
更に、上記実施の形態および実施例では、コイン型、または巻回ラミネート型の二次電池について説明したが、本発明は、円筒型、角型、ボタン型、薄型、大型、積層ラミネート型の二次電池についても同様に適用することができる。また、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。 Further, in the above embodiments and examples, a coin type or wound laminate type secondary battery has been described. However, the present invention is not limited to a cylindrical type, a square type, a button type, a thin type, a large size, and a laminated laminate type. The same applies to the secondary battery. Moreover, not only a secondary battery but a primary battery is applicable.
10…負極、11…負極集電体、12…負極活物質層、13…中間層、20…外装カップ、30…外装缶、40…正極、41…正極集電体、42…正極活物質層、50…セパレータ、60…ガスケット、111,112…リード、120…電極巻回体、121…正極、121A…正極集電体、121B…正極活物質層、122…セパレータ、123…電解質層、124…保護テープ
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記負極集電体は、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含むことを特徴とする負極。 A negative electrode in which a negative electrode active material layer is provided on a negative electrode current collector,
The negative electrode current collector includes a material having superelasticity or a shape memory effect.
前記負極集電体は、ニッケル(Ni)とチタン(Ti)とを含む中間層を備えたことを特徴とする負極。 A negative electrode in which a negative electrode active material layer is provided on a negative electrode current collector,
The negative electrode current collector includes an intermediate layer containing nickel (Ni) and titanium (Ti).
前記負極は、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含む負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを備えたことを特徴とする電池。 A battery comprising an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode,
A battery comprising: a negative electrode current collector including a material having a superelasticity or a shape memory effect; and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector.
前記負極は、ニッケル(Ni)およびチタン(Ti)を含む負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを備えたことを特徴とする電池。 A battery comprising an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode,
The battery comprises a negative electrode current collector containing nickel (Ni) and titanium (Ti), and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector.
The battery according to claim 9 or 11, wherein the negative electrode current collector has a protrusion on a surface thereof.
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