JP2007172991A - Negative electrode for lithium secondary battery, method for manufacturing same, and lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium secondary battery negative electrode, a manufacturing method for it, and a lithium secondary battery using the lithium secondary battery negative electrode for preventing deformation of a collector due to repeated charging/discharging and separation of an active material thin film from the collector. <P>SOLUTION: In this lithium secondary battery negative electrode, a thin film 3 formed of an active material storing/releasing lithium is layered on the main surface of the collector 1. In the status before charging/discharging, a low density area, which is ranged in a net shape in the surface direction parallel to the main surface of the collector 1 is formed in the thin film 3 to be extended in the thickness direction of the thin film 3. The low density area 2 is provided with a first curved part 2a, which is curved to swell in one direction of the surface direction in the thin film thickness direction, and a second curved part 2b curved to swell in the direction opposite to one direction continuously from the first curved part 2a. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、リチウム二次電池用負極及びその製造方法並びに該負極を用いたリチウム二次電池に関するものである。   The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery using the negative electrode.

近年、高出力及び高エネルギー密度の新型二次電池の1つとして、非水電解液を用い、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させて充放電を行うリチウム二次電池が利用されている。   In recent years, a lithium secondary battery that uses a non-aqueous electrolyte and charges and discharges by moving lithium ions between a positive electrode and a negative electrode has been used as one of the new secondary batteries with high output and high energy density. Yes.

このようなリチウム二次電池用負極として、リチウムと合金化する材料を負極活物質として用いたものが検討されている。特にシリコンは理論容量が大きく、高い容量を示す電池用負極として有望であり、これを負極とする種々の二次電池が提案されている。   As such a negative electrode for a lithium secondary battery, a material using a material alloyed with lithium as a negative electrode active material has been studied. In particular, silicon has a large theoretical capacity and is promising as a negative electrode for a battery exhibiting a high capacity, and various secondary batteries using this as a negative electrode have been proposed.

本出願人は、シリコン等を活物質とし、良好な充放電サイクル特性を示すリチウム二次電池用負極として、CVD法、スパッタリング法、蒸着法などの薄膜形成方法により集電体上に微結晶または非晶質材料を形成したリチウム二次電池用負極を提案している(例えば、特許文献1など)。   The present applicant uses silicon or the like as an active material, and as a negative electrode for a lithium secondary battery exhibiting good charge / discharge cycle characteristics, a microcrystal or a thin film on a current collector by a thin film formation method such as a CVD method, a sputtering method, or a vapor deposition method. A negative electrode for a lithium secondary battery in which an amorphous material is formed has been proposed (for example, Patent Document 1).

このようなリチウム二次電池用負極においては、活物質薄膜を高速で形成することが、製造コストの低減において有効である。活物質薄膜の形成方法としては、CVD法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法などの気相から薄膜を形成する方法や、めっき法のように液相から薄膜を形成する方法等がある。この中で、蒸着法は、高い薄膜形成速度を実現できるとともに、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池用負極を得ることができる活物質薄膜の形成方法である(例えば、特許文献2など)。   In such a negative electrode for a lithium secondary battery, forming the active material thin film at high speed is effective in reducing the manufacturing cost. As a method for forming an active material thin film, there are a method of forming a thin film from a gas phase such as a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, a thermal spraying method, a method of forming a thin film from a liquid phase such as a plating method, and the like. Among these, the vapor deposition method is a method for forming an active material thin film that can achieve a high thin film formation rate and can obtain a negative electrode for a lithium secondary battery excellent in charge / discharge cycle characteristics (for example, Patent Document 2). ).

しかしながら、シリコン等のリチウムと合金化する材料は、リチウムを吸蔵放出する際に、活物質の体積が膨張収縮するため、充放電に伴い、集電体からの活物質の剥離が生じる可能性や、集電体にしわなどの変形が生じる可能性がある。活物質の剥離や集電体の変形が生じると、充放電サイクル特性の劣化や電池の体積当りのエネルギー密度の低下が生じ問題となる。   However, a material that is alloyed with lithium, such as silicon, expands and contracts the volume of the active material when occluding and releasing lithium. Therefore, there is a possibility that the active material may peel off from the current collector due to charge / discharge. The current collector may be deformed such as wrinkles. When the active material is peeled off or the current collector is deformed, the charge / discharge cycle characteristics are deteriorated and the energy density per unit volume of the battery is lowered.

このような問題を解決するため、集電体の表面に凹凸を設け、その上に活物質薄膜を形成することにより、活物質薄膜の厚み方向において集電体表面の凹凸の谷部に向かうにつれて幅が広くなる空隙を形成した負極が提案されている(例えば、特許文献3など)。   In order to solve such a problem, by forming irregularities on the surface of the current collector and forming an active material thin film thereon, as it goes toward the valleys of the irregularities on the current collector surface in the thickness direction of the active material thin film A negative electrode in which a gap having a wide width is formed has been proposed (for example, Patent Document 3).

この構造の負極では、充放電反応に伴う活物質薄膜の膨張収縮による応力を空隙により緩和することができ、活物質の剥離や集電体の変形を抑制することができる。   In the negative electrode having this structure, the stress due to the expansion and contraction of the active material thin film accompanying the charge / discharge reaction can be relieved by the voids, and the active material peeling and the current collector deformation can be suppressed.

また、上述の問題を解決するため、活物質薄膜を柱状に形成し、柱状部分の長軸方向を負極材料の主面に垂直な面に対して傾斜させた構造の負極が提案されている(例えば、特許文献4など)。この文献においては、充放電反応に伴う活物質薄膜の膨張収縮によって生じる応力が、負極材料の主面に平行な方向と垂直な方向とに分散する効果が働き、活物質の剥離や集電体の変形が抑制できる旨記載されている。しかしながら、このような電極構造によっても、十分に良好な充放電サイクル特性が得られていない。
国際公開第01/029912号パンフレット 特開2002−289181号公報 特開2002−313319号公報 特開2005−196970号公報
Moreover, in order to solve the above-mentioned problem, a negative electrode having a structure in which an active material thin film is formed in a columnar shape and the major axis direction of the columnar part is inclined with respect to a plane perpendicular to the main surface of the negative electrode material has been proposed ( For example, Patent Document 4). In this document, the stress generated by the expansion and contraction of the active material thin film accompanying the charge / discharge reaction works to disperse the stress in the direction parallel to the main surface of the negative electrode material and in the direction perpendicular thereto. It is described that the deformation of can be suppressed. However, even with such an electrode structure, sufficiently good charge / discharge cycle characteristics are not obtained.
International Publication No. 01/029912 Pamphlet JP 2002-289181 A JP 2002-313319 A JP-A-2005-196970

本発明の目的は、充放電の繰り返しによる集電体の変形や、集電体からの活物質の剥離を抑制することができ、良好な充放電サイクル特性を得ることができるリチウム二次電池用負極及びその製造方法並びに該負極を用いたリチウム二次電池を提供することにある。   An object of the present invention is for a lithium secondary battery capable of suppressing deformation of a current collector due to repeated charge / discharge and separation of an active material from the current collector, and obtaining good charge / discharge cycle characteristics. An object of the present invention is to provide a negative electrode, a method for producing the same, and a lithium secondary battery using the negative electrode.

本発明のリチウム二次電池用負極は、リチウムを吸蔵放出する活物質からなる薄膜を集電体の主面上に堆積させたリチウム二次電池用負極であり、充放電前の状態において、すなわち薄膜形成直後において、集電体の主面と平行な面方向に網目状に連なった低密度領域が、薄膜の厚み方向に延びるように薄膜中に形成されており、該低密度領域が、薄膜の厚み方向において、上記面方向の一方向に膨らむように湾曲する第1の湾曲部と、該第1の湾曲部に引き続き上記一方向と逆方向に膨らむように湾曲する第2の湾曲部とを有することを特徴としている。   The negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention is a negative electrode for a lithium secondary battery in which a thin film made of an active material that occludes and releases lithium is deposited on the main surface of the current collector. Immediately after the formation of the thin film, a low density region connected in a network shape in a plane direction parallel to the main surface of the current collector is formed in the thin film so as to extend in the thickness direction of the thin film. A first bending portion that curves so as to swell in one direction of the surface direction, and a second bending portion that curves so as to swell in a direction opposite to the one direction following the first bending portion; It is characterized by having.

本発明のリチウム二次電池用負極の活物質薄膜には、充放電前の状態において、集電体の主面と平行な面方向に網目状に連なった低密度領域が、薄膜の厚み方向に延びるように形成されており、かつこの低密度領域が、薄膜の厚み方向において、面方向の一方向に膨らむように湾曲する第1の湾曲部と、該第1の湾曲部に引き続き上記一方向と逆方向に膨らむように湾曲する第2の湾曲部とを有している。このように一方向に膨らむ第1の湾曲部と逆方向に膨らむ第2の湾曲部とを有する低密度領域が形成されることにより、充放電反応に伴う活物質薄膜の膨張収縮によって生じる応力が、集電体の主面に平行な方向と垂直な方向により効果的に分散し、これによって活物質の剥離や集電体の変形が抑制されるものと考えられる。   In the active material thin film of the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention, in a state before charging / discharging, a low density region connected in a mesh shape in a plane direction parallel to the main surface of the current collector is formed in the thickness direction of the thin film. A first curved portion that is formed so as to extend so that the low density region swells in one direction of the surface in the thickness direction of the thin film, and the one direction following the first curved portion. And a second bending portion that curves so as to swell in the opposite direction. By forming the low density region having the first curved portion that swells in one direction and the second curved portion that swells in the opposite direction as described above, the stress generated by the expansion and contraction of the active material thin film accompanying the charge / discharge reaction is generated. It is considered that the active material is dispersed more effectively in the direction parallel to the direction parallel to the main surface of the current collector, thereby suppressing the peeling of the active material and the deformation of the current collector.

また、本発明のリチウム二次電池用負極においては、低密度領域の第1の湾曲部と第2の湾曲部の境界部分に空洞が形成されていることが好ましい。このような空洞が形成されることにより、充放電反応に伴う活物質薄膜の膨張収縮による応力を緩和することができ、活物質の剥離や集電体の変形をさらに抑制することができる。   Moreover, in the negative electrode for lithium secondary batteries of this invention, it is preferable that the cavity is formed in the boundary part of the 1st curved part of a low density area | region, and a 2nd curved part. By forming such a cavity, stress due to expansion and contraction of the active material thin film accompanying the charge / discharge reaction can be relieved, and active material peeling and current collector deformation can be further suppressed.

本発明の製造方法は、上記本発明のリチウム二次電池用負極を製造することができる方法である。すなわち、本発明の製造方法は、蒸着法により蒸着材料粒子を集電体の主面上に堆積させて薄膜を形成し、上記本発明のリチウム二次電池用負極を製造する方法であり、蒸着材料粒子が集電体の主面に入射する角度を、集電体の主面の法線に対する角度として、一方向における70°以上の角度から該一方向とは逆方向における70°以上の角度まで薄膜形成の進行とともに徐々に変化させることにより、第1の湾曲部を形成させながら薄膜を形成する第1の薄膜形成工程と、蒸着材料粒子が集電体の主面に入射する角度を、集電体の主面の法線に対する角度として、上記逆方向における70°以上の角度から上記一方向における70°以上の角度まで薄膜の形成の進行とともに徐々に変化させることにより、第2の湾曲部を形成させながら薄膜を形成する第2の薄膜形成工程とを備えることを特徴としている。   The manufacturing method of this invention is a method which can manufacture the negative electrode for lithium secondary batteries of the said invention. That is, the production method of the present invention is a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention by depositing vapor deposition material particles on a main surface of a current collector by vapor deposition to form a thin film. The angle at which the material particles are incident on the main surface of the current collector is defined as an angle with respect to the normal of the main surface of the current collector. From an angle of 70 ° or more in one direction, an angle of 70 ° or more in a direction opposite to the one direction. Gradually changing with the progress of thin film formation until the first thin film forming step of forming the thin film while forming the first curved portion, and the angle at which the vapor deposition material particles enter the main surface of the current collector, By gradually changing the angle of the main surface of the current collector from 70 ° or more in the opposite direction to 70 ° or more in the one direction as the thin film is formed, the second curve is obtained. Thin while forming part It is characterized in that it comprises a second thin film forming step of forming a.

本発明によれば、蒸着法により上記本発明のリチウム二次電池用負極を製造することができる。蒸着法により形成することができるので、速い速度で薄膜を堆積させることができる。   According to the present invention, the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention can be manufactured by a vapor deposition method. Since it can be formed by a vapor deposition method, a thin film can be deposited at a high speed.

本発明の製造方法における第1の薄膜形成工程においては、蒸着材料粒子が集電体の主面に対し入射する角度を薄膜形成の進行とともに徐々に変化させることにより低密度領域の第1の湾曲部を形成させながら薄膜を形成する。具体的には、集電体主面の法線に対する角度として、一方向における70°以上の角度から該一方向と逆方向における70°以上の角度まで、蒸着材料粒子が集電体の主面に入射する角度を変化させる。70°以上の角度としては、70°〜90°の範囲内の角度であることが好ましい。   In the first thin film forming step of the manufacturing method of the present invention, the first curvature of the low density region is obtained by gradually changing the angle at which the vapor deposition material particles enter the main surface of the current collector as the thin film is formed. A thin film is formed while forming the part. Specifically, as the angle with respect to the normal line of the current collector main surface, the vapor deposition material particles move from an angle of 70 ° or more in one direction to an angle of 70 ° or more in the opposite direction to the one direction. The incident angle is changed. The angle of 70 ° or more is preferably an angle within a range of 70 ° to 90 °.

第2の薄膜形成工程においては、第1の薄膜形成工程とは逆に、上記逆方向から上記一方向に蒸着材料粒子が入射する角度を変化させる。具体的には、上記逆方向における70°以上の角度から上記一方向における70°以上の角度まで蒸着材料粒子が入射する角度を薄膜形成の進行とともに徐々に変化させ、これによって第2の湾曲部を形成する。70°以上の角度としては、70°〜90°の範囲内の角度が好ましい。   In the second thin film forming step, contrary to the first thin film forming step, the angle at which the vapor deposition material particles enter from the reverse direction to the one direction is changed. Specifically, the angle at which the vapor deposition material particles enter from the angle of 70 ° or more in the reverse direction to the angle of 70 ° or more in the one direction is gradually changed as the thin film is formed, thereby the second curved portion. Form. As an angle of 70 ° or more, an angle within a range of 70 ° to 90 ° is preferable.

本発明の製造方法によれば、上記のようにして低密度領域の第1の湾曲部及び第2の湾曲部を形成しながら薄膜を集電体主面の上に堆積させて形成することができ、上記本発明のリチウム二次電池用負極を、薄膜形成速度が速い蒸着法により効率良く形成することができる。   According to the manufacturing method of the present invention, the thin film is deposited on the main surface of the current collector while forming the first curved portion and the second curved portion in the low density region as described above. In addition, the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention can be efficiently formed by a vapor deposition method having a high thin film formation rate.

本発明の製造方法においては、集電体をローラーの外周面に沿って移動させながら、蒸着材料粒子を蒸発する蒸着源の上を通過させて、集電体の主面上に薄膜を堆積させて形成することが好ましい。このような場合、第1の薄膜形成工程は、集電体を第1の方向に移動させながら薄膜を形成する工程とし、第2の薄膜形成工程を、上記第1の方向と逆方向である第2の方向に集電体を移動させながら薄膜を形成する工程とすることが好ましい。   In the manufacturing method of the present invention, while moving the current collector along the outer peripheral surface of the roller, the thin film is deposited on the main surface of the current collector by passing it over the vapor deposition source for evaporating the vapor deposition material particles. It is preferable to form them. In such a case, the first thin film forming step is a step of forming a thin film while moving the current collector in the first direction, and the second thin film forming step is opposite to the first direction. It is preferable to form the thin film while moving the current collector in the second direction.

このように、集電体をローラーの外周面に沿って往復させて移動させ、蒸着源の上を通過させることにより、第1の薄膜形成工程及び第2の薄膜形成工程を実現することができ、これによって本発明のリチウム二次電池用負極を容易に製造することができる。   In this way, the first thin film forming step and the second thin film forming step can be realized by moving the current collector by reciprocating along the outer peripheral surface of the roller and passing it over the vapor deposition source. Thus, the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention can be easily produced.

本発明において用いられる集電体は、薄膜が堆積される主面に凹凸が形成されていることが好ましい。主面の凹凸の程度としては、算術平均粗さRaが、0.1μm以上であることが好ましい。算術平均粗さRaは、日本工業規格(JIS B 0601−1994)に定められている。算術平均粗さRaは、例えば触針式表面粗さ計により測定することができる。このような大きな凹凸を有する集電体の主面上に薄膜を堆積させることにより、薄膜の表面に、集電体表面の凹凸に対応した凹凸を形成することができる。本発明における低密度領域は、このような集電体の主面の凹凸の谷部から上方に向かって薄膜の堆積とともに形成される。   The current collector used in the present invention preferably has irregularities formed on the main surface on which the thin film is deposited. As the degree of unevenness of the main surface, the arithmetic average roughness Ra is preferably 0.1 μm or more. The arithmetic average roughness Ra is defined in Japanese Industrial Standard (JIS B 0601-1994). The arithmetic average roughness Ra can be measured by, for example, a stylus type surface roughness meter. By depositing a thin film on the main surface of the current collector having such large unevenness, unevenness corresponding to the unevenness of the current collector surface can be formed on the surface of the thin film. The low density region in the present invention is formed together with the deposition of the thin film upward from the concave and convex valleys of the main surface of the current collector.

大きな凹凸を有する主面上に活物質薄膜を堆積させて形成することにより、集電体主面の凸部の周りに空隙を形成させることができる。このような空隙により、充放電反応に伴う活物質薄膜の膨張収縮による応力を緩和することができ、活物質の剥離や集電体の変形をさらに抑制することができる。   By forming the active material thin film on the main surface having large irregularities, voids can be formed around the convex portions of the current collector main surface. Such voids can relieve stress due to expansion and contraction of the active material thin film accompanying the charge / discharge reaction, and can further suppress peeling of the active material and deformation of the current collector.

本発明における蒸着法は、成膜速度の高いものであれば特に限定されるものではなく、電子ビーム蒸着法などの真空蒸着法や、その他の蒸着法を採用することができる。   The vapor deposition method in the present invention is not particularly limited as long as the film formation rate is high, and vacuum vapor deposition methods such as an electron beam vapor deposition method and other vapor deposition methods can be employed.

本発明において負極活物質として用いられる材料は、リチウムを吸蔵放出することができるものであれば特に限定されるものではないが、リチウムと合金化することによりリチウムを吸蔵する材料が好ましく用いられる。このような材料としては、シリコン、ゲルマニウム、錫、鉛、亜鉛、マグネシウム、ナトリウム、アルミニウム、カリウム、インジウムなどが挙げられる。これらの中でも、特にシリコンがその高い理論容量から好ましく用いられる。シリコンは、微粉化しにくいことから、非晶質シリコンまたは微結晶シリコンであることが好ましい。   The material used as the negative electrode active material in the present invention is not particularly limited as long as it can occlude and release lithium, but a material that occludes lithium by alloying with lithium is preferably used. Examples of such materials include silicon, germanium, tin, lead, zinc, magnesium, sodium, aluminum, potassium, and indium. Among these, silicon is particularly preferably used because of its high theoretical capacity. Since silicon is difficult to be pulverized, it is preferably amorphous silicon or microcrystalline silicon.

本発明において用いられる集電体は、リチウムと合金化しない金属から形成されることが好ましく、このような材料として、銅、銅を含む合金、ニッケル、ステンレスなどが挙げられる。集電体は、これらの材料の2種以上を積層したものであってもよい。   The current collector used in the present invention is preferably formed from a metal that is not alloyed with lithium. Examples of such a material include copper, an alloy containing copper, nickel, and stainless steel. The current collector may be a laminate of two or more of these materials.

本発明のリチウム二次電池は、上記本発明のリチウム二次電池用負極と、正極と、非水電解質とを備えることを特徴としている。   A lithium secondary battery according to the present invention includes the above-described negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte.

本発明のリチウム二次電池は、上記本発明のリチウム二次電池用負極を用いるものであるので、良好な充放電サイクル特性を示すことができるものである。   Since the lithium secondary battery of the present invention uses the above-described negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention, it can exhibit good charge / discharge cycle characteristics.

本発明のリチウム二次電池に用いる非水電解質の溶媒は、特に限定されるものではないが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネートと、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートとの混合溶媒が例示される。また、上記環状カーボネートと1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンなどのエーテル系溶媒との混合溶媒も例示される。また、非水電解質の溶質としては、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C25SO2)2、LiN(CF3SO2)(C49SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiC(C25SO2)3、LiAsF6、LiClO4、Li210Cl10、Li212Cl12など及びそれらの混合物が例示される。特に、LiXFy(式中、XはP、As、Sb、B、Bi、Al、Ga、またはInであり、XがP、AsまたはSbのときyは6であり、XがBi、Al、Ga、またはInのときyは4である)、リチウムペルフルオロアルキルスルホン酸イミドLiN(Cm2m+1SO2)(Cn2n+1SO2)(式中、m及びnはそれぞれ独立して1〜4の整数である)またはリチウムペルフルオロアルキルスルホン酸メチドLiN(Cp2p+1SO2)(Cq2q+1SO2)(Cr2r+1SO2)(式中、p、q及びrはそれぞれ独立して1〜4の整数である)などの溶質が好ましく用いられる。これらの中でも、LiPF6が特に好ましく用いられる。さらに電解質として、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質が例示される。本発明のリチウム二次電池の電解質は、イオン伝導性を発現させる溶質としてのリチウム化合物とこれを溶解・保持する溶媒が電池の充電時や放電時あるいは保存時の電圧で分解しない限り、制約なく用いることができる。 The solvent of the nonaqueous electrolyte used in the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl A mixed solvent with a chain carbonate such as carbonate is exemplified. Further, mixed solvents of the above cyclic carbonate and ether solvents such as 1,2-dimethoxyethane and 1,2-diethoxyethane are also exemplified. The solutes of the nonaqueous electrolyte include LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2), LiC (CF 3 SO 2) 3, LiC (C 2 F 5 SO 2) 3, LiAsF 6, LiClO 4, Li 2 B 10 Cl 10, Li 2 B 12 Cl 12 and the like and their Mixtures are exemplified. In particular, LiXF y (wherein X is P, As, Sb, B, Bi, Al, Ga, or In, y is 6 when X is P, As, or Sb, and X is Bi, Al, Ga or y when in is 4), lithium perfluoroalkyl sulfonic acid imide LiN (C m F 2m + 1 SO 2) (C n F 2n + 1 SO 2) ( wherein, m and n are each independently, to an integer of 1 to 4) or lithium perfluoroalkyl sulfonic acid methide LiN (C p F 2p + 1 SO 2) (C q F 2q + 1 SO 2) (C r F 2r + 1 SO 2) ( wherein Among them, solutes such as p, q and r are each independently an integer of 1 to 4 are preferably used. Among these, LiPF 6 is particularly preferably used. Further, as the electrolyte, a gel polymer electrolyte in which a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile is impregnated with an electrolytic solution is exemplified. The electrolyte of the lithium secondary battery of the present invention is not limited as long as the lithium compound as a solute that exhibits ionic conductivity and the solvent that dissolves and retains the lithium compound do not decompose at the time of battery charging, discharging, or storage. Can be used.

本発明のリチウム二次電池の正極材料としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMn24、LiMnO2、LiCo0.5Ni0.52、LiNi0.7Co0.2Mn0.12などのリチウム含有遷移金属酸化物や、MnO2などのリチウムを含有していない金属酸化物が例示される。また、この他にも、リチウムを電気化学的に挿入、脱離する物質であれば、制限なく用いることができる。 Examples of the positive electrode material of the lithium secondary battery of the present invention include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiCo 0.5 Ni 0.5 O 2 , LiNi 0.7 Co 0.2 Mn 0.1 O 2 and other lithium-containing transition metal oxides. Examples thereof include metal oxides that do not contain lithium, such as MnO 2 . In addition, any substance that electrochemically inserts and desorbs lithium can be used without limitation.

本発明によれば、充放電の繰り返しによる集電体の変形や、集電体からの活物質薄膜の剥離を抑制することができ、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the deformation | transformation of the electrical power collector by repetition of charging / discharging and peeling of the active material thin film from an electrical power collector can be suppressed, and favorable charging / discharging cycling characteristics can be acquired.

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and can be implemented with appropriate modifications within a range that does not change the gist thereof. It is.

図1は、本発明に従う一実施例におけるリチウム二次電池用負極を示す模式的断面図である。図1は、後述する実施例1において作製したリチウム二次電池用負極を模式的に示している。図3は、実施例1において作製したリチウム二次電池用負極の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真であり、図4は上方から見たときのリチウム二次電池用負極の表面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode for a lithium secondary battery in one embodiment according to the present invention. FIG. 1 schematically shows a negative electrode for a lithium secondary battery produced in Example 1 described later. FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of the negative electrode for a lithium secondary battery produced in Example 1, and FIG. 4 shows the surface of the negative electrode for a lithium secondary battery when viewed from above. It is a scanning electron microscope (SEM) photograph.

図1に示すように、集電体1の主面上に活物質薄膜3が形成されている。集電体1の主面には凹凸が形成されており、凸部1aが存在している。活物質薄膜3には、薄膜の厚み方向に延びるように低密度領域2が形成されている。   As shown in FIG. 1, an active material thin film 3 is formed on the main surface of the current collector 1. Concavities and convexities are formed on the main surface of the current collector 1, and there are convex portions 1a. In the active material thin film 3, a low density region 2 is formed so as to extend in the thickness direction of the thin film.

図4に示すように、この低密度領域は、集電体1の主面と平行な面方向に網目状に連なっている。このように網目状に連なった低密度領域が、図1及び図3に示すように、薄膜の厚み方向に延びるように薄膜中に形成されている。   As shown in FIG. 4, the low density region is connected in a mesh shape in a plane direction parallel to the main surface of the current collector 1. As shown in FIGS. 1 and 3, the low-density region connected in a mesh shape is formed in the thin film so as to extend in the thickness direction of the thin film.

図1に示すように、低密度領域2は、薄膜3の厚み方向において、面方向の一方向に膨らむように湾曲する第1の湾曲部2aと、該第1の湾曲部2aに引き続き一方向と逆方向に膨らむように湾曲する第2の湾曲部2bとを有している。図3は、図1と反対側(すなわち裏側)から見た状態を示すものであるので、低密度領域2の第1の湾曲部2a及び第2の湾曲部2bの湾曲方向が逆方向になっている。すなわち、図1においては第1の湾曲部2aが図面左側に膨らむように湾曲し、第2の湾曲部2bが図面右側に膨らむように湾曲しているのに対し、図3においては第1の湾曲部2aが図面右側に膨らむように湾曲し、第2の湾曲部2bが図面左側に膨らむように湾曲している。以下に示す実施例及び比較例の模式図及びSEM写真においても、同様に湾曲部の膨らむ方向が逆方向になっている。   As shown in FIG. 1, in the thickness direction of the thin film 3, the low density region 2 has a first curved portion 2a that is curved so as to swell in one direction in the plane direction, and one direction following the first curved portion 2a. And a second curved portion 2b that curves so as to swell in the opposite direction. 3 shows a state viewed from the opposite side (that is, the back side) to FIG. 1, and therefore the bending directions of the first bending portion 2a and the second bending portion 2b in the low density region 2 are opposite to each other. ing. That is, in FIG. 1, the first curved portion 2a is curved so as to swell toward the left side of the drawing, and the second curved portion 2b is curved so as to swell toward the right side of the drawing, whereas in FIG. The curved portion 2a is curved so as to swell toward the right side of the drawing, and the second curved portion 2b is curved so as to swell toward the left side of the drawing. Also in the schematic diagrams and SEM photographs of Examples and Comparative Examples shown below, the bulging direction of the curved portion is similarly reversed.

本発明に従い、薄膜3に形成される低密度領域2が、第1の湾曲部2a及び第2の湾曲部2bを有するように形成されることにより、充放電サイクル特性を高めることができる。これは、充放電反応に伴う活物質薄膜の膨張収縮によって生じる応力が、第1の湾曲部及び第2の湾曲部の存在により薄膜中において薄膜に平行な方向と垂直な方向で効果的に分散するため、活物質の剥離や集電体の変形が抑制され、このため充放電サイクル特性が高められるからであると考えられる。   According to the present invention, the low-density region 2 formed in the thin film 3 is formed so as to have the first curved portion 2a and the second curved portion 2b, whereby charge / discharge cycle characteristics can be improved. This is because the stress generated by the expansion and contraction of the active material thin film accompanying the charge / discharge reaction is effectively dispersed in the direction perpendicular to the direction parallel to the thin film in the thin film due to the presence of the first curved portion and the second curved portion. For this reason, it is considered that peeling of the active material and deformation of the current collector are suppressed, and charge / discharge cycle characteristics are thereby improved.

また、図1及び図3に示す実施例においては、後述するように、活物質薄膜3を2段階で堆積させて形成している。すなわち、第1の薄膜形成工程で集電体1の主面上に薄膜を形成した後、その上に第2の薄膜形成工程で薄膜を堆積して全体の薄膜を形成している。図1において示す参照番号2cは、第1の薄膜形成工程において作製した薄膜の表面を示している。このように第1の薄膜形成工程において形成した薄膜の表面2cの上に、第2の薄膜形成工程において薄膜を堆積している。図1に示すように、第1の薄膜形成工程において作製された薄膜の表面2cは、鉤型状に形成されているので、その上に形成された薄膜との関わり合いが強くなると考えられる。このように複数の薄膜形成工程で薄膜を積層して形成する際、その境界部分で鉤型状に薄膜間を連結させることができるので、薄膜の厚み方向における密着性が向上し、これによっても活物質の剥離や集電体の変形が抑制されるものと考えられる。   In the embodiment shown in FIGS. 1 and 3, the active material thin film 3 is formed by being deposited in two stages, as will be described later. That is, after a thin film is formed on the main surface of the current collector 1 in the first thin film forming process, the thin film is deposited thereon in the second thin film forming process to form the entire thin film. Reference numeral 2c shown in FIG. 1 indicates the surface of the thin film produced in the first thin film forming step. Thus, the thin film is deposited in the second thin film forming step on the surface 2c of the thin film formed in the first thin film forming step. As shown in FIG. 1, since the surface 2c of the thin film produced in the first thin film formation step is formed in a bowl shape, it is considered that the relationship with the thin film formed thereon is strengthened. Thus, when thin films are stacked and formed in a plurality of thin film forming steps, the thin films can be connected in a bowl shape at the boundary portion, thereby improving the adhesion in the thickness direction of the thin film, It is considered that the peeling of the active material and the deformation of the current collector are suppressed.

また、図1に示すように、低密度領域2の第1の湾曲部2aと第2の湾曲部2bの境界には、走査型電子顕微鏡で明白に認識できるような大きな空洞5が形成されている。このような空洞5は、蒸着材料粒子が堆積される際に蒸着材料粒子が堆積されにくい部分ができるため形成されるものと思われる。このような空洞5が薄膜3中において形成されることにより、充放電反応に伴う活物質薄膜3の膨張収縮による応力をこの空洞5によって緩和することができ、これによって活物質の剥離や集電体の変形をさらに抑制することができる。   Further, as shown in FIG. 1, a large cavity 5 that can be clearly recognized by a scanning electron microscope is formed at the boundary between the first curved portion 2a and the second curved portion 2b of the low density region 2. Yes. Such a cavity 5 is considered to be formed because a portion where vapor deposition material particles are difficult to deposit is formed when vapor deposition material particles are deposited. By forming such a cavity 5 in the thin film 3, stress due to expansion and contraction of the active material thin film 3 due to the charge / discharge reaction can be relieved by the cavity 5, thereby separating the active material and collecting current. Deformation of the body can be further suppressed.

また、図1に示すように、集電体1の凸部1aの近傍にも空隙4が形成されている。このような空隙は、凸部1aにより蒸着材料粒子が堆積しにくい部分が生じるため形成されるものと思われる。このような空隙4の存在によっても、充放電反応に伴う活物質薄膜の膨張収縮による応力を緩和することができ、活物質の剥離や集電体の変形をさらに抑制することができる。   Further, as shown in FIG. 1, a gap 4 is also formed in the vicinity of the convex portion 1 a of the current collector 1. Such a void seems to be formed because a portion where vapor deposition material particles are difficult to deposit is generated by the convex portion 1a. The presence of such voids 4 can also relieve stress due to the expansion and contraction of the active material thin film accompanying the charge / discharge reaction, and can further suppress the peeling of the active material and the deformation of the current collector.

図2は、本発明のリチウム二次電池用負極の製造に用いることができる薄膜形成装置を示す模式的断面図である。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a thin film forming apparatus that can be used for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention.

図2に示すように、チャンバー内には、回転可能なローラー27が設けられており、このローラー27の外周面に沿って、集電体である基材24が移動可能なように設置されている。基材24は、ローラー27の一方側に設けられたローラー25及び他方側に設けられたローラー26に巻き取られており、基材24は、矢印A方向、及び矢印A方向と逆方向の矢印B方向に移動可能なように設けられている。ローラー27は冷却可能なローラーであり、薄膜形成の際基材24を冷却させることができる。   As shown in FIG. 2, a rotatable roller 27 is provided in the chamber, and a base material 24 that is a current collector is installed so as to be movable along the outer peripheral surface of the roller 27. Yes. The substrate 24 is wound around a roller 25 provided on one side of the roller 27 and a roller 26 provided on the other side, and the substrate 24 has an arrow A direction and an arrow in the direction opposite to the arrow A direction. It is provided so as to be movable in the B direction. The roller 27 is a coolable roller, and can cool the base material 24 when forming a thin film.

ローラー27の下方には、蒸着源であるるつぼ22が設けられており、るつぼ22に電子ビームを照射するための電子ビーム銃23が設けられている。電子ビーム銃23から出射された電子ビーム29がるつぼ22内の蒸着材料21に照射されることにより、蒸着材料21の粒子が蒸発し、蒸着材料粒子が基材24の上に堆積することにより薄膜が形成される。   Below the roller 27, a crucible 22 as an evaporation source is provided, and an electron beam gun 23 for irradiating the crucible 22 with an electron beam is provided. When the electron beam 29 emitted from the electron beam gun 23 is irradiated onto the vapor deposition material 21 in the crucible 22, the particles of the vapor deposition material 21 evaporate, and the vapor deposition material particles are deposited on the substrate 24. Is formed.

るつぼ22とローラー27が対向する領域には、基材24上に蒸着材料21が蒸着される領域を制限するため、遮蔽板28が設けられている。   A shielding plate 28 is provided in a region where the crucible 22 and the roller 27 face each other in order to limit a region where the vapor deposition material 21 is deposited on the base material 24.

るつぼ22の中心は、図2に示すように、ローラー27の中心から距離X離れた位置に設けられている。また、ローラー27の最下部と、るつぼ22との先端部との間は距離Yとなるようにそれぞれが配置されている。   The center of the crucible 22 is provided at a position away from the center of the roller 27 by a distance X as shown in FIG. Moreover, each is arrange | positioned so that it may become the distance Y between the lowest part of the roller 27, and the front-end | tip part with the crucible 22. FIG.

ローラー27の外周面上のD1〜D5は、基材24上に蒸着材料21が蒸着される際の位置を示している。基材24が矢印A方向に移動する場合、基材24は、D1、D2、D3、D4、及びD5の位置を順次通過する。また、基材24が矢印B方向に移動する場合、基材24は、D5、D4、D3、D2、及びD1の位置を順次通過する。   D <b> 1 to D <b> 5 on the outer peripheral surface of the roller 27 indicate positions when the vapor deposition material 21 is vapor deposited on the base material 24. When the base material 24 moves in the arrow A direction, the base material 24 sequentially passes through the positions of D1, D2, D3, D4, and D5. Moreover, when the base material 24 moves in the arrow B direction, the base material 24 sequentially passes through the positions of D5, D4, D3, D2, and D1.

基材24を矢印A方向に移動させる場合、D2の位置から基材24上に蒸着材料粒子が堆積され、薄膜の形成が開始される。D3の位置を通り、D4の位置まで薄膜の形成が継続される。D2の位置において、蒸着材料粒子が基材すなわち集電体24に入射する角度は、基材の主面の法線に対する角度として90°となっており、D3の位置では0°となり、D4の位置では逆方向における90°の角度となっている。従って、基材24が矢印A方向に移動する場合、蒸着材料粒子が集電体に入射する角度は一方向における90°の角度から逆方向における90°の角度まで徐々に変化する。   When the base material 24 is moved in the direction of arrow A, vapor deposition material particles are deposited on the base material 24 from the position D2, and formation of a thin film is started. The formation of the thin film continues through the position of D3 to the position of D4. At the position of D2, the angle at which the vapor deposition material particles enter the base material, that is, the current collector 24 is 90 ° as the angle with respect to the normal line of the main surface of the base material. The position is an angle of 90 ° in the reverse direction. Accordingly, when the substrate 24 moves in the direction of arrow A, the angle at which the vapor deposition material particles enter the current collector gradually changes from 90 ° in one direction to 90 ° in the reverse direction.

基材24が逆方向である矢印B方向に移動する場合には、D4の位置から薄膜の形成が開始され、D3の位置を通り、D2の位置まで薄膜の形成が継続する。この場合、蒸着材料粒子が集電体24に入射する角度は、逆方向における90°の角度から一方向における90°の角度まで徐々に変化しながら薄膜が堆積される。   When the substrate 24 moves in the direction of arrow B, which is the reverse direction, the formation of the thin film is started from the position D4, and the formation of the thin film continues through the position D3 to the position D2. In this case, the thin film is deposited while the angle at which the vapor deposition material particles enter the current collector 24 gradually changes from the 90 ° angle in the reverse direction to the 90 ° angle in one direction.

例えば、図1に示す活物質薄膜3の下半分の部分の薄膜は、矢印A方向に基材24を移動させながらD1〜D5の位置を基材が通過する間に形成されることができ、このようにして基材24の上に第1の薄膜形成工程により薄膜を形成し、ローラー25からローラー26に基材24を巻き取った後、ローラー25及びローラー26を逆方向に回転させ、基材24を矢印B方向に移動させ、D5〜D1の位置を基材24が通過する間に基材24の上に薄膜を堆積させ、活物質薄膜3の上半分の部分をこの第2の薄膜形成工程で堆積させることができる。   For example, the thin film of the lower half portion of the active material thin film 3 shown in FIG. 1 can be formed while the base material passes through the positions D1 to D5 while moving the base material 24 in the arrow A direction. In this way, a thin film is formed on the base material 24 by the first thin film forming process, and after winding the base material 24 from the roller 25 to the roller 26, the roller 25 and the roller 26 are rotated in the opposite directions, The material 24 is moved in the direction of arrow B, a thin film is deposited on the base material 24 while the base material 24 passes through the positions D5 to D1, and the upper half portion of the active material thin film 3 is placed on the second thin film. It can be deposited in the formation process.

D1〜D5の間の領域内における蒸着材料粒子の入射角度の最大角度は、例えば、X及びYの距離を変えてるつぼ22の位置を調整することにより調整可能である。   The maximum angle of incidence of the vapor deposition material particles in the region between D1 and D5 can be adjusted by adjusting the position of the crucible 22 changing the distance between X and Y, for example.

(実施例1〜2及び比較例1〜3)
〔負極の作製〕
基材(集電体)として、表面に電解法で銅を析出させることにより、表面を粗面化した圧延銅箔(厚み26μm)を用いた。使用した集電体表面の算術平均粗さRaは、0.5μmである。算術平均粗さRaは、日本工業規格(JIS B 0601−1994)に定められており、例えば触針式表面粗さ計により測定することができる。
(Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3)
(Production of negative electrode)
As a base material (current collector), a rolled copper foil (thickness of 26 μm) having a roughened surface by depositing copper on the surface by an electrolytic method was used. The arithmetic average roughness Ra of the used collector surface is 0.5 μm. The arithmetic average roughness Ra is defined in Japanese Industrial Standard (JIS B 0601-1994), and can be measured by, for example, a stylus type surface roughness meter.

図2に示す薄膜形成装置を用いて、上記基材(集電体)の上にシリコン薄膜を形成した。蒸着材料21としては、純度99.99%のシリコンを用い、るつぼ22としては、水冷した銅製るつぼを用いた。   A silicon thin film was formed on the substrate (current collector) using the thin film forming apparatus shown in FIG. As the vapor deposition material 21, silicon having a purity of 99.99% was used, and as the crucible 22, a water-cooled copper crucible was used.

蒸着材料21の中心位置とローラー27の中心位置の間の水平方向の距離Xは80mmとなるように設定した。また、ローラー27の最下部とるつぼ22の先端部との間の距離Yは200mmとなるように設定した。ローラー27としては、直径800mmのものを用いた。   The horizontal distance X between the center position of the vapor deposition material 21 and the center position of the roller 27 was set to be 80 mm. Further, the distance Y between the lower end of the roller 27 and the tip of the crucible 22 was set to be 200 mm. As the roller 27, a roller having a diameter of 800 mm was used.

表1に示す最大入射角、通過数、基材走行速度、及び堆積速度となる条件で基材の上にシリコン薄膜を形成し、実施例1〜2及び比較例1〜3の負極を作製した。表1における「最大入射角」は、図2におけるD1〜D5の領域において、蒸着材料粒子が基材の主面に入射する際の最大の角度であり、主面の法線に対する角度である。実施例1、実施例2及び比較例1においては、D2及びD4の位置における蒸着材料粒子の入射角である。比較例2及び比較例3においては、図2に示す遮蔽板28の位置を調整することにより、表1に示す最大入射角としている。比較例2及び比較例3において、55°はD1側における最大入射角であり、40°はD5側における最大入射角である。   A silicon thin film was formed on the base material under the conditions of the maximum incident angle, the number of passages, the base material traveling speed, and the deposition speed shown in Table 1, and negative electrodes of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3 were prepared. . The “maximum incident angle” in Table 1 is the maximum angle when the vapor deposition material particles are incident on the main surface of the substrate in the region of D1 to D5 in FIG. 2, and is an angle with respect to the normal line of the main surface. In Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, the incident angle of the vapor deposition material particles at the positions D2 and D4. In Comparative Example 2 and Comparative Example 3, the maximum incident angle shown in Table 1 is obtained by adjusting the position of the shielding plate 28 shown in FIG. In Comparative Example 2 and Comparative Example 3, 55 ° is the maximum incident angle on the D1 side, and 40 ° is the maximum incident angle on the D5 side.

また、表1における「通過数」は、基材が蒸着源であるるつぼの上を通過する回数であり、実施例1においては、矢印A方向で基材を移動させて薄膜を堆積した後、矢印B方向に基材を移動させて薄膜を堆積させている。実施例2においては、矢印A方向、矢印B方向、矢印A方向、及び矢印B方向の4回移動方向を変え、通過数を4としている。比較例1においては、矢印A方向に1回のみ通過させて薄膜を形成している。比較例2においても同様に矢印A方向に1回のみ通過させてシリコン薄膜を堆積させている。比較例3においては、実施例1と同様に矢印A方向及び矢印B方向の2回通過させることによりシリコン薄膜を堆積させている。   Further, the “number of passages” in Table 1 is the number of times the base material passes over the crucible which is the vapor deposition source. In Example 1, after depositing a thin film by moving the base material in the direction of arrow A, The substrate is moved in the direction of arrow B to deposit a thin film. In the second embodiment, the number of passages is set to 4 by changing the moving direction of the arrow A, arrow B, arrow A, and arrow B directions four times. In Comparative Example 1, the thin film is formed by passing only once in the arrow A direction. Similarly, in Comparative Example 2, the silicon thin film is deposited only once in the direction of arrow A. In Comparative Example 3, as in Example 1, the silicon thin film is deposited by passing twice in the directions of arrow A and arrow B.

堆積させるシリコン薄膜の厚みはいずれの場合も8μmとした。シリコン薄膜形成時における電子銃のパワーは11kWとし、シリコン薄膜の厚みは、シリコン薄膜を堆積する際の基材の走行速度により調整した。   The thickness of the silicon thin film to be deposited was 8 μm in all cases. The power of the electron gun at the time of forming the silicon thin film was 11 kW, and the thickness of the silicon thin film was adjusted by the traveling speed of the base material when depositing the silicon thin film.

表1に示した「堆積速度(μm・m/min)」は、基材の走行速度を1m/minとしたときのシリコン薄膜の堆積膜厚を示している。最大入射角を90°としたときの堆積速度は、1.6μm・m/minであり、最大入射角を55°及び40°とした場合の約1.7倍であった。   “Deposition rate (μm · m / min)” shown in Table 1 indicates the deposited film thickness of the silicon thin film when the running speed of the substrate is 1 m / min. The deposition rate when the maximum incident angle was 90 ° was 1.6 μm · m / min, which was about 1.7 times that when the maximum incident angle was 55 ° and 40 °.

上記各実施例及び各比較例において形成したシリコン薄膜についてラマン分光分析を行い、その結晶性を同定した。その結果、いずれの実施例及び比較例においても、480cm-1近傍のピークが実質的に認められたが、520cm-1近傍のピークは実質的に認められなかったため、形成したシリコン薄膜は非晶質であることが確認された。 The silicon thin film formed in each of the above examples and comparative examples was subjected to Raman spectroscopic analysis to identify its crystallinity. As a result, in all of the examples and comparative examples, a peak in the vicinity of 480 cm −1 was substantially recognized, but a peak in the vicinity of 520 cm −1 was not substantially recognized. Therefore, the formed silicon thin film was amorphous. The quality was confirmed.

〔負極断面形状の観察〕
実施例1〜2及び比較例1〜3において作製した負極におけるシリコン薄膜堆積後の負極断面を走査型電子顕微鏡(日本電子データム株式会社製JSM−6500F)により観察した。断面の作製には、クロスセクションポリッシャー(日本電子データム株式会社製SM−09010)を用いた。
[Observation of negative electrode cross section]
The cross section of the negative electrode after silicon thin film deposition in the negative electrode produced in Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3 was observed with a scanning electron microscope (JSM-6500F manufactured by JEOL Datum Co., Ltd.). A cross section polisher (SM-09010, manufactured by JEOL Datum Co., Ltd.) was used for producing the cross section.

図3は、実施例1の負極の断面を示すSEM写真であり、図4は上方から見た負極表面を示すSEM写真である。また、図1は実施例1の負極の断面を模式的に示す図である。上述のように、図1は、図3の裏側の方角から観察した図であり、第1の湾曲部及び第2の湾曲部の湾曲方向は図3と逆に表されている。   FIG. 3 is an SEM photograph showing a cross section of the negative electrode of Example 1, and FIG. 4 is an SEM photograph showing the negative electrode surface seen from above. FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of the negative electrode of Example 1. As described above, FIG. 1 is a view observed from the direction of the back side of FIG. 3, and the bending directions of the first bending portion and the second bending portion are shown in the opposite direction to FIG. 3.

図6は、実施例2の負極の断面を示すSEM写真であり、図7は、上方から見た負極の表面を示すSEM写真である。図5は、実施例2の負極の断面を模式的に示す図である。図5においても、湾曲部の湾曲方向は図6と逆方向に表されている。   6 is a SEM photograph showing a cross section of the negative electrode of Example 2, and FIG. 7 is a SEM photograph showing the surface of the negative electrode as viewed from above. FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross section of the negative electrode of Example 2. Also in FIG. 5, the bending direction of the bending portion is shown in the opposite direction to FIG.

図9は、比較例1の負極の断面を示すSEM写真であり、図10は、上方から見た負極の表面を示すSEM写真である。図8は、比較例1の負極の断面を模式的に示す図である。図8においても、湾曲部の膨らむ方向は図9の湾曲部と逆方向に表されている。   FIG. 9 is an SEM photograph showing a cross section of the negative electrode of Comparative Example 1, and FIG. 10 is an SEM photograph showing the surface of the negative electrode viewed from above. FIG. 8 is a diagram schematically showing a cross section of the negative electrode of Comparative Example 1. Also in FIG. 8, the direction in which the bending portion swells is shown in the direction opposite to the bending portion in FIG.

図11は、比較例2の負極の断面を模式的に示す図である。   FIG. 11 is a diagram schematically showing a cross section of the negative electrode of Comparative Example 2.

図12は、比較例3の負極の断面を模式的に示す図である。   FIG. 12 is a diagram schematically showing a cross section of the negative electrode of Comparative Example 3.

図13は、比較例3の負極の断面を示すSEM写真であり、図14は、上方から見た負極の表面を示すSEM写真である。   FIG. 13 is an SEM photograph showing a cross section of the negative electrode of Comparative Example 3, and FIG. 14 is an SEM photograph showing the surface of the negative electrode viewed from above.

図1及び図3に示すように、実施例1の負極においては、薄膜3の厚み方向に形成された低密度領域2において、第1の湾曲部2aと第2の湾曲部2bが形成されており、第1の湾曲部2aと第2の湾曲部2bの間の境界部分に空洞5が形成されている。   As shown in FIGS. 1 and 3, in the negative electrode of Example 1, the first curved portion 2 a and the second curved portion 2 b are formed in the low density region 2 formed in the thickness direction of the thin film 3. A cavity 5 is formed at a boundary portion between the first curved portion 2a and the second curved portion 2b.

図5及び図6に示すように、実施例2の負極においては、薄膜3の厚み方向に形成された低密度領域2において、集電体1側から第1の湾曲部2aが形成され、引き続いて第2の湾曲部2bが形成され、その上に第1の湾曲部2a及び第2の湾曲部2bがさらに形成されている。最初の第1の湾曲部及び第2の湾曲部は最初に矢印A方向及び矢印B方向に集電体を移動させて薄膜を堆積した際に形成されたものであり、その上に形成される第1の湾曲部2a及び第2の湾曲部2bは、2回目の矢印A方向及び矢印B方向の集電体の移動における薄膜形成において形成されたものである。   As shown in FIGS. 5 and 6, in the negative electrode of Example 2, the first curved portion 2a is formed from the current collector 1 side in the low density region 2 formed in the thickness direction of the thin film 3, and subsequently. The second curved portion 2b is formed, and the first curved portion 2a and the second curved portion 2b are further formed thereon. The first first curved portion and the second curved portion are formed when the current collector is first moved in the direction of the arrow A and the direction of the arrow B to deposit a thin film, and are formed thereon. The first bending portion 2a and the second bending portion 2b are formed in the thin film formation in the movement of the current collector in the second arrow A direction and the arrow B direction.

実施例2においては、図5及び図6に示すように、湾曲部の間の境界部分にそれぞれ空洞5が形成されている。また、集電体1の主面上の凸部1aの近傍にも空隙4が形成されている。   In the second embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, the cavities 5 are respectively formed in the boundary portions between the curved portions. A gap 4 is also formed in the vicinity of the convex portion 1 a on the main surface of the current collector 1.

図8及び図9に示すように、比較例1の負極においては、薄膜3の厚み方向に延びる低密度領域2は一方向に膨らむ湾曲部2aのみが形成されている。これは、矢印A方向に集電体を移動させたときにのみ薄膜を形成しているからであると考えられる。集電体1の主面の凸部1aの近傍には空隙4が形成されているが、薄膜3に空洞5は形成されていない。   As shown in FIGS. 8 and 9, in the negative electrode of Comparative Example 1, the low density region 2 extending in the thickness direction of the thin film 3 is formed with only a curved portion 2 a that swells in one direction. This is presumably because the thin film is formed only when the current collector is moved in the direction of arrow A. A gap 4 is formed in the vicinity of the convex portion 1 a on the main surface of the current collector 1, but no cavity 5 is formed in the thin film 3.

図11に示すように、比較例2の負極においては、低密度領域2は薄膜3の厚み方向にまっすぐに延びるように形成されており、湾曲部は形成されていない。   As shown in FIG. 11, in the negative electrode of Comparative Example 2, the low density region 2 is formed to extend straight in the thickness direction of the thin film 3, and no curved portion is formed.

図12及び図13に示すように、比較例3においても、低密度領域2は薄膜3の厚み方向にまっすぐ延びるように形成されており、湾曲部は形成されていない。   As shown in FIGS. 12 and 13, also in Comparative Example 3, the low density region 2 is formed so as to extend straight in the thickness direction of the thin film 3, and no curved portion is formed.

また、図11及び図12に示すように、比較例2及び比較例3において、薄膜3に空洞5は形成されていない。   Further, as shown in FIGS. 11 and 12, in Comparative Example 2 and Comparative Example 3, no cavity 5 is formed in the thin film 3.

実施例1及び2の活物質薄膜に形成されている空洞5は、蒸着材料粒子を堆積させる際、蒸着材料粒子が入射する角度により、蒸着材料粒子が堆積されない箇所がこのような空洞5になるものと思われる。空洞5の大きさは、最大の箇所で2μm程度であった。   The cavity 5 formed in the active material thin film of Examples 1 and 2 is such a cavity 5 where the vapor deposition material particles are not deposited due to the incident angle of the vapor deposition material particles when depositing the vapor deposition material particles. It seems to be. The size of the cavity 5 was about 2 μm at the maximum portion.

<充放電サイクル特性の評価>
実施例1〜2及び比較例1〜3の負極を用いて、三電極式ビーカーセルを作製し、充放電サイクル特性を評価した。
<Evaluation of charge / discharge cycle characteristics>
Using the negative electrodes of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3, a three-electrode beaker cell was prepared and the charge / discharge cycle characteristics were evaluated.

〔電解液の作製〕
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した溶媒に、LiPF6を1モル/リットルとなるように溶解して電解液を作製した。
(Preparation of electrolyte)
LiPF 6 was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3: 7 so as to be 1 mol / liter to prepare an electrolytic solution.

〔ビーカーセルの作製〕
実施例1〜2及び比較例1〜3の負極(大きさ20mm×20mm)を作用極として用い、図15に示すような三電極式のビーカーセルを作製した。
[Preparation of beaker cell]
Using the negative electrodes (size 20 mm × 20 mm) of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3 as working electrodes, a three-electrode beaker cell as shown in FIG. 15 was produced.

図15に示すように、ビーカーセルは、容器41内に入れられた電解液42に、対極43、作用極44、及び参照極45を浸漬することにより構成されている。電解液42としては、上記電解液を用い、対極43及び参照極45としてはリチウム金属を用いた。   As shown in FIG. 15, the beaker cell is configured by immersing a counter electrode 43, a working electrode 44, and a reference electrode 45 in an electrolytic solution 42 placed in a container 41. As the electrolytic solution 42, the above electrolytic solution was used, and as the counter electrode 43 and the reference electrode 45, lithium metal was used.

〔充放電特性の評価〕
作製したビーカーセルを、4mAの定電流で、作用極の電位が0V(vs.Li/Li+)に達するまで充電した後、4mAの定電流で、作用極の電位が2V(vs.Li/Li+)に達するまで放電し、これを1サイクルの充放電とし、1サイクル目と10サイクル目における単位面積当りの放電容量を測定した。なお、ここでは、作用極の還元を充電とし、作用極の酸化を放電としている。1サイクル目の放電容量と10サイクル目の放電容量から、以下の式により容量維持率を算出し、表1に示した。
容量維持率(%)=(10サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
[Evaluation of charge / discharge characteristics]
The prepared beaker cell was charged with a constant current of 4 mA until the potential of the working electrode reached 0 V (vs. Li / Li + ), and then the potential of the working electrode was 2 V (vs. Li / Li at a constant current of 4 mA. Li + ) was discharged, and this was regarded as one cycle of charge / discharge, and the discharge capacity per unit area in the first and tenth cycles was measured. Here, the reduction of the working electrode is charging, and the oxidation of the working electrode is discharging. From the discharge capacity at the first cycle and the discharge capacity at the 10th cycle, the capacity retention rate was calculated by the following formula and shown in Table 1.
Capacity retention rate (%) = (discharge capacity at the 10th cycle / discharge capacity at the first cycle) × 100

<集電体の変形及び集電体に対する活物質薄膜の密着性の評価>
上述の充放電試験を行った後の負極を肉眼で観察し、集電体の変形及び集電体に対する活物質の密着性を観察した。
<Deformation of current collector and evaluation of adhesion of active material thin film to current collector>
The negative electrode after the above charge / discharge test was observed with the naked eye, and the deformation of the current collector and the adhesion of the active material to the current collector were observed.

実施例1〜2及び比較例1〜3の全ての負極において、集電体にしわなどの変形はほとんど観察されなかった。   In all the negative electrodes of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3, almost no deformation such as wrinkles was observed on the current collector.

実施例1〜2及び比較例2〜3の負極においては、集電体からの活物質の剥離は観察されなかったが、比較例1の負極においては、電極内の約半分の領域で、活物質の剥離が観察された。   In the negative electrodes of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 2 and 3, peeling of the active material from the current collector was not observed. However, in the negative electrode of Comparative Example 1, the active material was active in about a half region in the electrode. Material delamination was observed.

表1に示すように、実施例1〜2の負極は、比較例1〜3の負極に比べ良好な容量維持率を示している。これは、上述のように、活物質薄膜の低密度領域において、第1の湾曲部及び第2の湾曲部が形成されているため、充放電反応に伴う活物質薄膜の膨張収縮による応力が、活物質の厚み方向及び面方向に効果的に分散するため、活物質の剥離や集電体の変形が抑制され、良好な充放電サイクル特性が得られるためであると考えられる。また、上述のように、活物質薄膜を複数回に分けて堆積させる際、その境界面において鉤型状に薄膜堆積部分が連結されるため、活物質の厚み方向における密着性が向上し、これによっても活物質の剥離がさらに抑制され、充放電サイクル特性が向上するものと考えられる。   As shown in Table 1, the negative electrodes of Examples 1 and 2 have better capacity retention ratios than the negative electrodes of Comparative Examples 1 to 3. As described above, since the first curved portion and the second curved portion are formed in the low density region of the active material thin film, the stress due to the expansion and contraction of the active material thin film accompanying the charge / discharge reaction is This is considered to be because the active material is effectively dispersed in the thickness direction and the surface direction, so that peeling of the active material and deformation of the current collector are suppressed, and good charge / discharge cycle characteristics are obtained. Further, as described above, when the active material thin film is deposited in a plurality of times, the thin film deposition portion is connected in a saddle shape at the boundary surface, thereby improving the adhesion in the thickness direction of the active material. Is considered to further suppress the peeling of the active material and improve the charge / discharge cycle characteristics.

また、上述のように、低密度領域の湾曲部の境界部分に空洞が形成されるため、この空洞部分により、充放電反応に伴う活物質薄膜の膨張収縮による応力を効果的に緩和することができ、これによっても充放電サイクル特性が高められるものと考えられる。特に、実施例2の負極は、実施例1に比べ空洞の数が多くなっており、実施例1に比べ高い容量維持率を示しているのはこのような理由によるものと考えられる。   Further, as described above, since a cavity is formed at the boundary portion of the curved portion of the low density region, the cavity portion can effectively relieve stress due to expansion and contraction of the active material thin film accompanying the charge / discharge reaction. This is also considered to improve the charge / discharge cycle characteristics. In particular, the negative electrode of Example 2 has a larger number of cavities than that of Example 1, and the reason why the capacity retention rate is higher than that of Example 1 is considered to be due to this reason.

以上のように、本発明に従うリチウム二次電池用負極は、充放電の繰り返しによる集電体の変形や、集電体からの活物質薄膜の剥離を抑制することができるものであり、良好な充放電サイクル特性を示すものである。   As described above, the negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention can suppress deformation of the current collector due to repeated charge and discharge, and peeling of the active material thin film from the current collector, and is favorable. It shows the charge / discharge cycle characteristics.

本発明に従う一実施例のリチウム二次電池用負極の断面を示す模式図。The schematic diagram which shows the cross section of the negative electrode for lithium secondary batteries of one Example according to this invention. 本発明に従う実施例において活物質薄膜を集電体上に堆積させるのに用いた薄膜形成装置を示す模式的断面図。1 is a schematic cross-sectional view showing a thin film forming apparatus used for depositing an active material thin film on a current collector in an embodiment according to the present invention. 本発明に従う一実施例におけるリチウム二次電池用負極の断面を示す走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph which shows the cross section of the negative electrode for lithium secondary batteries in one Example according to this invention. 本発明に従う一実施例におけるリチウム二次電池用負極の表面を示す走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph which shows the surface of the negative electrode for lithium secondary batteries in one Example according to this invention. 本発明に従う他の実施例のリチウム二次電池用負極の断面を示す模式図。The schematic diagram which shows the cross section of the negative electrode for lithium secondary batteries of the other Example according to this invention. 本発明に従う他の実施例のリチウム二次電池用負極の断面を示す走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph which shows the cross section of the negative electrode for lithium secondary batteries of the other Example according to this invention. 本発明に従う他の実施例のリチウム二次電池用負極の表面を示す走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph which shows the surface of the negative electrode for lithium secondary batteries of the other Example according to this invention. 比較例1のリチウム二次電池用負極の断面を示す模式図。The schematic diagram which shows the cross section of the negative electrode for lithium secondary batteries of the comparative example 1. FIG. 比較例1のリチウム二次電池用負極の断面を示す走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph which shows the cross section of the negative electrode for lithium secondary batteries of the comparative example 1. 比較例1のリチウム二次電池用負極の表面を示す走査型電子顕微鏡写真。The scanning electron micrograph which shows the surface of the negative electrode for lithium secondary batteries of the comparative example 1. 比較例2のリチウム二次電池用負極の断面を示す模式図。The schematic diagram which shows the cross section of the negative electrode for lithium secondary batteries of the comparative example 2. FIG. 比較例3のリチウム二次電池用負極の断面を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing a cross section of a negative electrode for a lithium secondary battery of Comparative Example 3. 比較例3のリチウム二次電池用負極の断面を示す走査型電子顕微鏡写真。6 is a scanning electron micrograph showing a cross section of a negative electrode for a lithium secondary battery of Comparative Example 3. 比較例3のリチウム二次電池用負極の表面を示す走査型電子顕微鏡写真。4 is a scanning electron micrograph showing the surface of a negative electrode for a lithium secondary battery of Comparative Example 3. 三電極式ビーカーセルを示す模式的断面図。The typical sectional view showing a three electrode type beaker cell.

符号の説明Explanation of symbols

1…集電体
1a…集電体の主面上の凸部
2…低密度領域
2a…低密度領域の第1の湾曲部
2b…低密度領域の第2の湾曲部
2c…薄膜の境界部分
3…活物質薄膜
4…空隙
5…空洞
21…蒸着材料
22…蒸着源
23…電子ビーム銃
24…基材(集電体)
25,26…ローラー
27…ローラー
28…遮蔽板
29…電子ビーム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Current collector 1a ... Convex part on the main surface of a current collector 2 ... Low density region 2a ... First curved portion 2b in low density region 2b ... Second curved portion in low density region 2c ... Border portion of thin film DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Active material thin film 4 ... Gap 5 ... Cavity 21 ... Evaporation material 22 ... Evaporation source 23 ... Electron beam gun 24 ... Base material (current collector)
25, 26 ... roller 27 ... roller 28 ... shielding plate 29 ... electron beam

Claims (5)

リチウムを吸蔵放出する活物質からなる薄膜を集電体の主面上に堆積させたリチウム二次電池用負極であって、
充放電前の状態において、前記集電体の主面と平行な面方向に網目状に連なった低密度領域が、前記薄膜の厚み方向に延びるように前記薄膜中に形成されており、前記低密度領域が、前記薄膜の厚み方向において、前記面方向の一方向に膨らむように湾曲する第1の湾曲部と、該第1の湾曲部に引き続き前記一方向と逆方向に膨らむように湾曲する第2の湾曲部とを有することを特徴とするリチウム二次電池用負極。
A lithium secondary battery negative electrode in which a thin film made of an active material that occludes and releases lithium is deposited on a main surface of a current collector,
In a state before charge and discharge, a low density region connected in a mesh shape in a plane direction parallel to the main surface of the current collector is formed in the thin film so as to extend in the thickness direction of the thin film, In the thickness direction of the thin film, the density region is curved so as to swell in one direction of the surface direction, and subsequently curved so as to swell in a direction opposite to the one direction following the first curved portion. A negative electrode for a lithium secondary battery, comprising a second curved portion.
前記低密度領域の前記第1の湾曲部と前記第2の湾曲部の境界部分に空洞が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極。   2. The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein a cavity is formed in a boundary portion between the first curved portion and the second curved portion in the low density region. 蒸着法により蒸着材料粒子を前記集電体の主面上に堆積させて前記薄膜を形成し、請求項1または2に記載のリチウム二次電池用負極を製造する方法であって、
前記蒸着材料粒子が前記集電体の主面に入射する角度を、前記主面の法線に対する角度として、一方向における70°以上の角度から該一方向と逆方向における70°以上の角度まで薄膜形成の進行とともに徐々に変化させることにより、前記第1の湾曲部を形成させながら前記薄膜を形成する第1の薄膜形成工程と、
前記蒸着材料粒子が前記集電体の主面に入射する角度を、前記主面の法線に対する角度として、前記逆方向における70°以上の角度から前記一方向における70°以上の角度まで薄膜形成の進行とともに徐々に変化させることにより、前記第2の湾曲部を形成させながら前記薄膜を形成する第2の薄膜形成工程とを備えることを特徴とするリチウム二次電池用負極の製造方法。
A method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1 or 2, wherein vapor deposition material particles are deposited on a main surface of the current collector by a vapor deposition method to form the thin film.
The angle at which the vapor deposition material particles enter the main surface of the current collector is defined as an angle with respect to the normal of the main surface, from an angle of 70 ° or more in one direction to an angle of 70 ° or more in the opposite direction to the one direction. A first thin film forming step of forming the thin film while forming the first curved portion by gradually changing with the progress of thin film formation;
Forming a thin film from an angle of 70 ° or more in the reverse direction to an angle of 70 ° or more in the one direction, where the angle at which the vapor deposition material particles enter the main surface of the current collector is an angle with respect to the normal of the main surface And a second thin film forming step of forming the thin film while forming the second curved portion by gradually changing the process as the process proceeds. A method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery, comprising:
前記集電体をローラーの外周面に沿って移動させながら、前記蒸着材料粒子を蒸発する蒸発源の上を通過させて前記集電体の主面上に前記薄膜を堆積させて形成する製造方法であって、
前記第1の薄膜形成工程が、前記集電体を第1の方向に移動させながら薄膜を形成する工程であり、前記第2の薄膜形成工程が、前記集電体を前記第1の方向と逆方向である第2の方向に移動させながら薄膜を形成する工程であることを特徴とする請求項3に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
A manufacturing method for forming the thin film by depositing the thin film on the main surface of the current collector by passing the current collector along the outer peripheral surface of a roller and passing it over an evaporation source for evaporating the vapor deposition material particles Because
The first thin film forming step is a step of forming a thin film while moving the current collector in a first direction, and the second thin film forming step is a step of moving the current collector into the first direction. 4. The method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 3, wherein the thin film is formed while being moved in a second direction which is the reverse direction.
請求項1または2に記載の負極と、正極と、非水電解質とを備えるリチウム二次電池。   A lithium secondary battery comprising the negative electrode according to claim 1, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte.
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