JP2005141992A - Negative electrode and battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode capable of reducing stress due to expansion and constriction caused by charge and discharge of a negative electrode active material layer to improve a cycle characteristic; and to provide a battery using it. <P>SOLUTION: The negative electrode active material layer 12 contains at least one kind among a group comprising a single body, an alloy and a compound of an element, for instance, Si or Ge capable of forming an alloy with Li. A negative electrode collector 11 contains a material having superelasticity or a shape-memory effect, for instance, a Ni-Ti alloy or an alloy containing Ni, Ti and other element. Ten-point average roughness Rz of the negative electrode collector 11 is preferably 1.2 μm or more. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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。
特開平8−50922号公報 特許第2948205号公報 特開平11−135115号公報 特開2002−83594号公報 特開2002−373644号公報
As a method for solving these problems, for example, an intermediate layer may be formed between the current collector and the active material layer to improve the adhesion between the current collector and the active material layer. So far, for example, the current collector is made of a metal or alloy having high mechanical strength, and an intermediate layer such as copper (Cu) that is alloyed with the active material is formed between the current collector and the active material layer. A negative electrode (see, for example, Patent Document 4) or a negative electrode in which an intermediate layer containing molybdenum (Mo) or tungsten (W) is formed between a current collector and an active material layer (see, for example, Patent Document 5). Etc. have been reported.
JP-A-8-50922 Japanese Patent No. 2948205 Japanese Patent Laid-Open No. 11-135115 JP 2002-83594 A JP 2002-373644 A

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 negative electrode 10 according to an embodiment of the present invention. The negative electrode 10 includes, for example, a negative electrode current collector 11 and a negative electrode active material layer 12 provided on the negative electrode current collector 11. The negative electrode active material layer 12 may be formed on both surfaces of the negative electrode current collector 11 or may be formed on one surface.

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 current collector 11 includes, for example, a material having superelasticity or a shape memory effect, such as an alloy, at least in part. This is because even if the negative electrode active material layer 12 expands and contracts due to charge and discharge, the stress can be relaxed and peeling of the negative electrode active material layer 12 can be suppressed. Here, the superelasticity is a property that, as defined in “JIS H7001 number 1011”, the deformation caused by the stress-induced martensitic transformation at the time of loading is recovered by the reverse transformation at the time of unloading. The shape memory effect is defined as “JIS H7001 No. 1002”. Even if an alloy having a certain shape is deformed into a different shape in the low temperature phase (martensite) state, the high temperature phase (matrix phase) can be obtained. When heated to a stable temperature, reverse transformation occurs and returns to the shape before deformation.

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 active material layer 12 is reduced. This is because the active material layer 12 easily falls off the negative electrode current collector 11. Examples of such a material include an alloy containing nickel and titanium, for example, a nickel-titanium alloy, or copper, niobium (Nb), zirconium (Zr), chromium (Cr), manganese (Mn) in addition to nickel and titanium. , Alloys containing one or more other elements such as iron (Fe) or cobalt (Co). In addition, an alloy containing manganese and copper is also included.

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 active material layer 12. It is preferable because of its excellent properties. In particular, in the case of a nickel-titanium alloy, titanium having a content of 51 atomic% to 48 atomic% with respect to 49 atomic% to 52 atomic% of nickel is preferable, and an alloy containing other elements in addition to nickel and titanium, A titanium atom of 45 atom% to 55 atom% is preferable to nickel atom of 35 atom% to 45 atom%. Therefore, when the negative electrode current collector 11 includes these alloys, the composition ratio of nickel and titanium in the negative electrode current collector 11 is an atomic ratio of titanium 51 to 48 or nickel with respect to nickel 49 to 52. It is preferable that it is titanium 45-55 with respect to 35-45. In the case of an alloy containing other elements in addition to nickel and titanium, copper is preferable as the other elements, and may contain other elements described above in addition to copper. This is because copper can be dissolved in a nickel-titanium alloy in an amount of 30 atomic% or more, is inexpensive, and has good characteristics.

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 current collector 11 may be composed of a single layer, but may be composed of a plurality of layers. In that case, a layer containing a material alloyed with the negative electrode active material layer 12 may be provided between the layer containing a material having superelasticity or a shape memory effect and the negative electrode active material layer 12.

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 active material layer 12 of the negative electrode collector 11 is formed is 10-point average roughness (Rz) of JIS B0601 appendix 1, and is 0.8 micrometer or more. It is preferably 1.2 μm or more, more preferably 1.2 μm or more and 12.0 μm or less. Since the shape of the crack generated in the negative electrode active material layer 12 can be controlled and the stress due to expansion / contraction of the negative electrode active material layer 12 can be dispersed, cycle characteristics can be improved. is there.

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 3 )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 current collector 11 may have a roughened surface by lapping, for example, or may have a protrusion formed on the surface of the substrate by plating or vapor deposition. The one is preferable because higher effects can be obtained. The material of the protrusion may be the same as or different from that of the base. For example, the material having the above-described superelasticity or shape memory effect may be used, and a metal material such as copper, nickel, titanium, iron, or chromium that does not have such characteristics, or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or silicon dioxide An oxide such as (SiO 2 ) may be used. However, those that do not form an intermetallic compound with lithium are preferred. This is because when lithium and an intermetallic compound are produced, the protrusions expand and contract with charge / discharge, and the negative electrode current collector 11 is broken or the negative electrode active material layer 12 is easily peeled off.

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 active material layer 12 includes, for example, at least one selected from the group consisting of simple elements, alloys, and compounds of elements capable of forming an alloy with lithium as a negative electrode active material. Among these, the negative electrode active material preferably includes at least one member selected from the group consisting of silicon, germanium, a single alloy, an alloy, and a compound. In particular, a silicon simple substance, an alloy, or a compound is preferable. These have a large ability to occlude and desorb lithium, and depending on the combination, the energy density of the negative electrode 10 can be made higher than that of conventional graphite. In particular, a simple substance, alloy or compound of silicon has low toxicity, and Because it is cheap.

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 4 ,Si2 2 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 4 ,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 active material layer 12 is preferably formed by at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method, for example. It is possible to suppress destruction due to expansion / contraction of the negative electrode active material layer 12 due to charge / discharge, and it is possible to form the negative electrode active material layer 12 on the negative electrode current collector 11 with good adhesion. This is because the electron conductivity in the material layer 12 can be improved. Moreover, it is because a binder, a space | gap, etc. can be reduced or eliminated and the negative electrode 10 can also be thinned. As used herein, “forming an active material layer by a sintering method” means that a layer formed by mixing a powder containing an active material and a binder is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere or the like, This means that a denser layer having a higher volume density than before the heat treatment is formed.

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 active material layer 12 may also be formed by coating, specifically including a negative electrode active material and, if necessary, a binder such as polyvinylidene fluoride. However, as described above, those formed by at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method are preferred.

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 active material layer 12 may be alloyed with the negative electrode current collector 11 at least at a part of the interface with the negative electrode current collector 11 so as not to drop off from the negative electrode current collector 11 due to expansion and contraction. Specifically, the constituent elements of the negative electrode current collector 11 may diffuse into the negative electrode active material layer 12, the constituent elements of the negative electrode active material layer 12 may diffuse into the negative electrode current collector 11, or they may mutually diffuse at the interface. . This alloying may occur simultaneously when the negative electrode active material layer 12 is formed by a vapor phase method, a liquid phase method, or a sintering method, but may also be caused by further heat treatment. Note that in this specification, the above-described element diffusion is also included in one form of alloying.

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 negative electrode 10 can be manufactured as follows, for example.

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 current collector 11 including a material having superelasticity or a shape memory effect is prepared. At that time, if necessary, the surface may be roughened by lapping or the like, or the protrusion may be formed by vapor deposition or plating.

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 active material layer 12 is formed on the negative electrode current collector 11 by, for example, a vapor phase method, a liquid phase method, a sintering method, or a combination of two or more thereof. At that time, at least a part of the interface between the negative electrode current collector 11 and the negative electrode active material layer 12 may be alloyed. In some cases, a vacuum atmosphere or a non-oxidizing atmosphere is used in order to alloy them. You may make it heat-process below.

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 active material layer 12 by application | coating. Specifically, for example, a negative electrode active material and a binder are mixed to prepare a mixture, and the mixture is dispersed in a dispersion medium such as N-methylpyrrolidone to prepare a mixture slurry. May be applied to the negative electrode current collector 11 and dried, followed by compression molding. However, it is preferable to use a vapor phase method, a liquid phase method, or a sintering method because adhesion between the intermediate layer 13 and the negative electrode active material layer 12 can be improved. Thereby, the negative electrode 10 shown in FIG. 1 is obtained.

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 negative electrode 10 is used for the negative electrode of the following secondary batteries, for example.

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 negative electrode 10 accommodated in the outer cup 20 and the positive electrode 40 accommodated in the outer can 30 are stacked via the separator 50. . The peripheral portions of the outer cup 20 and the outer can 30 are sealed by caulking through an insulating gasket 60. The exterior cup 20 and the exterior can 30 are made of, for example, a metal such as stainless steel or aluminum.

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 positive electrode 40 includes, for example, a positive electrode current collector 41 and a positive electrode active material layer 42 provided on the positive electrode current collector 41, and is disposed so that the positive electrode active material layer 42 side faces the intermediate layer 13. Has been. The positive electrode current collector 41 is made of, for example, aluminum, nickel, stainless steel, or the like.

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 active material layer 42 includes, for example, any one or more of positive electrode materials capable of inserting and extracting lithium as a positive electrode active material, and a conductive material such as a carbon material and the like as necessary. A binder such as polyvinylidene fluoride may be included. As the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, a lithium-containing metal composite oxide represented by the general formula Li x MIO 2 is preferable. This is because the lithium-containing metal composite oxide can generate a high voltage and has a high density, so that the capacity of the secondary battery can be further increased. MI is one or more kinds of transition metals, and for example, at least one of cobalt and nickel is preferable. x varies depending on the charge / discharge state of the battery and is usually a value in the range of 0.05 ≦ x ≦ 1.10. Specific examples of such a lithium-containing metal composite oxide include LiCoO 2 and LiNiO 2 .

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 positive electrode 40 is prepared, for example, by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder to prepare a mixture, and dispersing the mixture in a dispersion medium such as N-methylpyrrolidone to prepare a mixture slurry. The mixture slurry is applied to a positive electrode current collector 41 made of a metal foil, dried, and then compression molded to form the positive electrode positive electrode active material layer 42.

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 separator 50 separates the negative electrode 10 and the positive electrode 40 and allows lithium ions to pass through while preventing a short circuit of current due to contact between both electrodes. The separator 50 is made of, for example, polyethylene or polypropylene.

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 separator 50 is impregnated with an electrolytic solution that is a liquid electrolyte. This electrolytic solution contains, for example, a solvent and a lithium salt that is an electrolyte salt dissolved in the solvent, and may contain an additive as necessary. Examples of the solvent include organic solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, and any one of these or a mixture of two or more thereof may be used.

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 negative electrode 10, the separator 50 impregnated with the electrolyte, and the positive electrode 40, placing them in the outer cup 20 and the outer can 30, and caulking them. it can.

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 positive electrode 40 and inserted in the negative electrode 10 through the electrolytic solution. When the discharge is performed, for example, lithium ions are released from the negative electrode 10 and inserted into the positive electrode 40 through the electrolytic solution. At that time, even if the negative electrode active material layer 12 expands and contracts due to charge and discharge, the stress is relieved because the negative electrode current collector 11 contains a material having superelasticity or a shape memory effect. Therefore, cycle characteristics are improved.

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 negative electrode 10 which concerns on this Embodiment for the negative electrode of the following secondary batteries.

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 wound electrode body 120 to which the leads 111 and 112 are attached is housed in film-like exterior members 131 and 132, and can be reduced in size, weight, and thickness. Yes.

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 exterior members 131 and 132 to the outside, respectively, for example, in the same direction. The leads 111 and 112 are made of a metal material such as aluminum, copper, nickel, or stainless steel, respectively, and have a thin plate shape or a mesh shape, respectively.

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 exterior members 131 and 132 are made of, for example, a rectangular aluminum laminated film in which a nylon film, an aluminum foil, and a polyethylene film are bonded together in this order. The exterior members 131 and 132 are disposed, for example, so that the polyethylene film side and the electrode winding body 120 face each other, and the outer edge portions are in close contact with each other by fusion or adhesive. An adhesion film 133 is inserted between the exterior members 131 and 132 and the leads 111 and 112 to prevent intrusion of outside air. The adhesion film 133 is made of a material having adhesion to the leads 111 and 112, for example, a polyolefin resin such as polyethylene, polypropylene, modified polyethylene, or modified polypropylene.

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 exterior members 131 and 132 may be made of a laminated film having another structure, a polymer film such as polypropylene, or a metal film instead of the above-described aluminum laminated film.

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 electrode winding body 120 shown in FIG. The electrode winding body 120 is obtained by laminating and winding the negative electrode 10 and the positive electrode 121 via the separator 122 and the electrolyte layer 123, and the outermost peripheral portion is protected by the protective tape 124.

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 negative electrode 10 has a structure in which a negative electrode active material layer 12 is provided on one surface or both surfaces of a negative electrode current collector 11. The positive electrode 121 also has a structure in which a positive electrode active material layer 121B is provided on one or both surfaces of the positive electrode current collector 121A, and the positive electrode active material layer 121B side is arranged so as to face the negative electrode active material layer 12. Yes. The configurations of the positive electrode current collector 121A, the positive electrode active material layer 121B, and the separator 122 are the same as those of the positive electrode current collector 41, the positive electrode active material layer 42, and the separator 50, respectively.

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 electrolyte layer 123 is configured by a so-called gel electrolyte in which an electrolytic solution is held in a holding body. A gel electrolyte is preferable because it can obtain high ionic conductivity and can prevent battery leakage or swelling at high temperatures. The configuration of the electrolytic solution (that is, the solvent and the electrolyte salt) is the same as that of the coin-type secondary battery shown in FIG. The holding body is made of, for example, a polymer material. An example of the polymer material is polyvinylidene fluoride.

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 electrolyte layer 123 in which an electrolytic solution is held in a holding body is formed on each of the negative electrode 10 and the positive electrode 121. After that, the lead 111 is attached to the end of the negative electrode current collector 11 by welding, and the lead 112 is attached to the end of the positive electrode current collector 121A by welding. Next, the negative electrode 10 on which the electrolyte layer 123 is formed and the positive electrode 121 are laminated through a separator 122 to form a laminated body, and then the laminated body is wound in the longitudinal direction to attach the protective tape 124 to the outermost peripheral portion. Thus, the electrode winding body 120 is formed. Finally, for example, the electrode winding body 120 is sandwiched between the exterior members 131 and 132, and the outer edge portions of the exterior members 131 and 132 are brought into close contact by thermal fusion or the like and sealed. At that time, an adhesive film 133 is inserted between the leads 111 and 112 and the exterior members 131 and 132. Thereby, the secondary battery shown in FIGS. 3 and 4 is completed.

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 current collector 11 includes a material having superelasticity or a shape memory effect, stress due to expansion / contraction of the negative electrode active material layer 12 due to charge / discharge can be reduced. Can do. Therefore, destruction of the negative electrode 10 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、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 current collector 11 expands / contracts due to charge / discharge, and the structure is destroyed. Can be suppressed. Therefore, cycle characteristics can be further improved.

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 current collector 11 contains nickel and titanium, a higher effect can be obtained, and in particular, the composition ratio of nickel and titanium in the negative electrode current collector 11 is an atomic ratio of nickel. If it is in the range of titanium 45-55 with respect to titanium 51-48 with respect to 49-52 or titanium 35-45, a still higher effect can be acquired.

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 current collector 11, and a negative electrode active material layer 12 having a thickness of 5 μm made of silicon was formed by a sputtering method. This obtained the negative electrode 10 of Examples 1-1 to 1-5.

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 negative electrodes 10 of Examples 1-1 to 1-5. The positive electrode 40 is composed of lithium cobaltate (LiCoO 2 ) powder having an average particle diameter of 5 μm as a positive electrode active material, carbon black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder, lithium cobaltate: carbon black: polyfluoride. Vinylidene chloride = 92: 3: 5 is mixed at a mass ratio, and this is added to N-methylpyrrolidone as a dispersion medium to form a mixture slurry, which is applied to a positive electrode current collector 41 made of aluminum having a thickness of 15 μm and dried. The positive electrode active material layer 42 was formed by pressurizing and forming. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 as a lithium salt in a solvent obtained by mixing ethylene carbonate and dimethyl carbonate at a mass ratio of 1: 1 so as to be 1.0 mol / dm 3 was used. A polypropylene film was used for the separator 50.

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 negative electrode 10 and the positive electrode 40 obtained in advance by actual measurement and calculation so that metallic lithium does not precipitate. did. The capacity maintenance rate at the 50th cycle was calculated as the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the initial discharge capacity, that is, (discharge capacity at the 50th cycle / initial discharge capacity) × 100. The obtained results are shown in Table 1.

Figure 2005141992
Figure 2005141992

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 current collector 11 was formed of a nickel-titanium alloy having superelasticity or a shape memory effect, Comparative Example 1 using other materials A capacity retention rate higher than -1 to 1-4 was obtained. This is because in Comparative Examples 1-1 to 1-4, the negative electrode active material layer 12 was peeled off from the negative electrode current collector 11 due to expansion / contraction of the negative electrode active material layer 12 due to charge / discharge, In Examples 1-1 to 1-5, since the adhesion between the negative electrode current collector 11 and the negative electrode active material layer 12 is strong and the negative electrode current collector 11 has high flexibility, the negative electrode active material layer This is considered to be because the stress due to the expansion / contraction of 12 was relieved and the peeling of the negative electrode active material layer 12 could be suppressed. That is, it was found that the cycle characteristics can be improved if the negative electrode current collector 11 includes a material having superelasticity or a shape memory effect, or includes nickel and titanium.

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 current collector 11 is 0.8 μm or more, and further 1.2 μm or more. I found out that If the ten-point average roughness Rz is in the above range, it is considered that cracks due to expansion / contraction of the negative electrode active material layer 12 can be controlled to an appropriate shape.

(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 current collector 11. The negative electrode 10 was formed in the same manner as ˜1-5, and a secondary battery was produced. The ten-point average roughness Rz of the negative electrode current collector 11 after the protrusions were formed was 2.4 μm.

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.

Figure 2005141992
Figure 2005141992

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 current collector 11 having a protrusion formed on the substrate is used, the cycle characteristics can be improved by including a material having a superelasticity or shape memory effect, or by including nickel and titanium. I found out that

(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 negative electrode 10 was formed in the same manner as in Examples 1-1 to 1-5, except that the negative electrode active material 12 was formed of germanium, and a secondary battery was produced. The ten-point average roughness Rz of the negative electrode current collector 11 was 0.8 μm in Example 3-1, 1.2 μm in Example 3-2, 2.0 μm in Example 3-3, and Example 3-4. 2.5 micrometers and Example 3-5 are 3.6 micrometers. Further, as Comparative Examples 3-1 to 3-4 with respect to Examples 3-1 to 3-5, except that the negative electrode current collector was changed, other than that of Examples 3-1 to 3-5, the negative electrode To form a secondary battery. In Comparative Examples 3-1 and 3-2, a copper foil was used, in Comparative Example 3-3, a nickel foil was used, and in Comparative Example 3-4, a titanium foil was used. The ten-point average roughness Rz of the negative electrode current collector is 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 Examples 3-1 to 3-5 and Comparative examples 3-1 to 3-4, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Examples 1-1 to 1-5, and the 50th cycle The capacity maintenance rate was obtained. The results are shown in Table 3.

Figure 2005141992
Figure 2005141992

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 current collector 11 was formed of a nickel-titanium alloy having superelasticity or a shape memory effect as in Examples 1-1 to 1-5. According to the above, a capacity retention rate higher than those of Comparative Examples 3-1 to 3-4 using other materials was obtained. Further, a higher capacity retention rate was obtained when the ten-point average roughness Rz of the negative electrode current collector 11 was 0.8 μm or more, and further 1.2 μm or more. That is, even when germanium is used for the negative electrode active material, the negative electrode current collector 11 is made to contain a material having a superelasticity or a shape memory effect, or to contain nickel and titanium, as in the case of using silicon. As a result, it was found that the cycle characteristics can be improved. Further, it was found that the cycle characteristics can be further improved by setting the ten-point average roughness Rz of the negative electrode current collector 11 to 0.8 μm or more, further 1.2 μm or more.

(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 negative electrode 10 was formed in the same manner as in Example 2-1, except that the negative electrode active material 12 was formed of germanium, and a secondary battery was produced. That is, the negative electrode active material layer 12 of germanium was formed using the negative electrode current collector 11 having a copper protrusion formed on the surface of a nickel-titanium alloy foil having a thickness of 50 μm. The ten-point average roughness Rz of the negative electrode current collector 11 after the protrusions of Example 4-1 were formed was 2.4 μm.

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.

Figure 2005141992
Figure 2005141992

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 current collector 11 having the protrusions formed on the base is used and germanium is used as the negative electrode active material, the negative electrode current collector 11 includes a material having superelasticity or a shape memory effect, or nickel and It has been found that the cycle characteristics can be improved by including titanium.

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 negative electrode collector 11 contains a nickel-titanium alloy, the same result can be obtained even if it contains other materials which have a superelasticity or a shape memory effect. Further, the same result can be obtained even when the negative electrode active material layer 12 is formed by a vapor phase method other than the sputtering method, a liquid phase method, or a sintering method.

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 negative electrode 10 having the negative electrode active material layer 12 in the negative electrode current collector 11 has been described. However, another layer is provided between the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer. It may be.

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.

本発明の一実施の形態に係る負極の構成を簡略化して表す断面図である。It is sectional drawing which simplifies and represents the structure of the negative electrode which concerns on one embodiment of this invention. 図1に示した負極を用いた二次電池の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure of the secondary battery using the negative electrode shown in FIG. 図1に示した負極を用いた他の二次電池の構成を表す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view showing the structure of the other secondary battery using the negative electrode shown in FIG. 図3に示した電極巻回体のI−I線に沿った構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure along the II line of the electrode winding body shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 10 ... Negative electrode, 11 ... Negative electrode collector, 12 ... Negative electrode active material layer, 13 ... Intermediate layer, 20 ... Exterior cup, 30 ... Exterior can, 40 ... Positive electrode, 41 ... Positive electrode collector, 42 ... Positive electrode active material layer , 50 ... separator, 60 ... gasket, 111, 112 ... lead, 120 ... electrode winding body, 121 ... positive electrode, 121A ... positive electrode current collector, 121B ... positive electrode active material layer, 122 ... separator, 123 ... electrolyte layer, 124 ... Protective tape

Claims (16)

負極集電体に負極活物質層が設けられた負極であって、
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.
前記超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料は、リチウム(Li)と金属間化合物を形成しないことを特徴とする請求項1記載の負極。   The negative electrode according to claim 1, wherein the material having superelasticity or shape memory effect does not form an intermetallic compound with lithium (Li). 負極集電体に負極活物質層が設けられた負極であって、
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).
前記負極活物質層は、前記負極集電体との界面の少なくとも一部において前記負極集電体と合金化していることを特徴とする請求項1または請求項3記載の負極。   The negative electrode according to claim 1, wherein the negative electrode active material layer is alloyed with the negative electrode current collector at least at a part of an interface with the negative electrode current collector. 前記負極活物質層は、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ことを特徴とする請求項1または請求項3記載の負極。   The negative electrode according to claim 1, wherein the negative electrode active material layer is formed by at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method. 前記負極活物質層は、ケイ素(Si)またはゲルマニウム(Ge)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種を含むことを特徴とする請求項1または請求項3記載の負極。   The negative electrode according to claim 1, wherein the negative electrode active material layer includes at least one selected from the group consisting of a simple substance, an alloy, and a compound of silicon (Si) or germanium (Ge). 前記負極集電体の十点平均粗さは1.2μm以上であることを特徴とする請求項1または請求項3記載の負極。   The negative electrode according to claim 1 or 3, wherein the ten-point average roughness of the negative electrode current collector is 1.2 µm or more. 前記負極集電体は、表面に突起部を有することを特徴とする請求項1または請求項3記載の負極。   The negative electrode current collector according to claim 1, wherein the negative electrode current collector has a protrusion on a surface thereof. 正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
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.
前記超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料は、リチウム(Li)と金属間化合物を形成しないことを特徴とする請求項9記載の電池。   The battery according to claim 9, wherein the material having a superelasticity or a shape memory effect does not form an intermetallic compound with lithium (Li). 正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
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.
前記負極活物質層は、前記負極集電体との界面の少なくとも一部において前記負極集電体と合金化していることを特徴とする請求項9または請求項11記載の電池。   The battery according to claim 9 or 11, wherein the negative electrode active material layer is alloyed with the negative electrode current collector in at least a part of an interface with the negative electrode current collector. 前記負極活物質層は、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ことを特徴とする請求項9または請求項11記載の電池。   The battery according to claim 9 or 11, wherein the negative electrode active material layer is formed by at least one method selected from the group consisting of a vapor phase method, a liquid phase method, and a sintering method. 前記負極活物質層は、ケイ素(Si)またはゲルマニウム(Ge)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種を含むことを特徴とする請求項9または請求項11記載の電池。   The battery according to claim 9 or 11, wherein the negative electrode active material layer includes at least one selected from the group consisting of a simple substance, an alloy, and a compound of silicon (Si) or germanium (Ge). 前記負極集電体の十点平均粗さは1.2μm以上であることを特徴とする請求項9または請求項11記載の電池。   The battery according to claim 9 or 11, wherein the negative electrode current collector has a ten-point average roughness of 1.2 µm or more. 前記負極集電体は、表面に突起部を有することを特徴とする請求項9または請求項11記載の電池。
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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