JP2008258139A - Negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, its manufacturing method, and nonaqueous electrolyte secondary battery using it - Google Patents

Negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, its manufacturing method, and nonaqueous electrolyte secondary battery using it Download PDF

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薫 井上
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隆行 白根
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery excelling in high capacity and a charge-discharge cycle characteristic; its manufacturing method; and a nonaqueous electrolyte secondary battery using it. <P>SOLUTION: This negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery reversibly storing and releasing lithium ions includes: a collector 11 having a rough surface having a surface roughness Ra at least on one surface; and a columnar body 15 formed on the rough surface of the collector 11, having content ratios of elements sequentially-changed in the longitudinal direction of the collector 11, and composed by stacking columnar body parts 151-155 in (n) tiers (n≥2), and has a structure where the changing direction of the content ratios of elements in the odd-numbered tiers of the columnar body parts 151-155 is different from that of the content ratios of the elements in the even-numbered tiers thereof. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、充放電特性に優れた非水電解質二次電池に関し、より詳しくは高容量で、充放電サイクル特性に優れ、かつ、捲回型電池に適した充放電での変形の少ない非水電解質二次電池用負極とその製造方法およびそれを用いた非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent charge / discharge characteristics, and more specifically, a non-aqueous electrolyte having high capacity, excellent charge / discharge cycle characteristics, and low deformation during charge / discharge suitable for a wound battery. The present invention relates to a negative electrode for an electrolyte secondary battery, a manufacturing method thereof, and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same.

非水電解質二次電池を代表するリチウムイオン二次電池は、軽量でありながら、起電力が高く、高エネルギー密度であるという特徴を有している。そのため、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラ、ノート型パソコンなどの様々な種類の携帯型電子機器や移動体通信機器の駆動用電源としてリチウムイオン二次電池の需要が拡大している。   A lithium ion secondary battery, which represents a nonaqueous electrolyte secondary battery, is characterized by high electromotive force and high energy density while being lightweight. Therefore, the demand for lithium ion secondary batteries as driving power sources for various types of portable electronic devices such as mobile phones, digital cameras, video cameras, and notebook computers and mobile communication devices is increasing.

リチウムイオン二次電池は、リチウム含有複合酸化物よりなる正極と、リチウム金属やリチウム合金またはリチウムイオンを吸蔵および放出する負極活物質を含む負極と、電解質とから構成されている。   The lithium ion secondary battery includes a positive electrode made of a lithium-containing composite oxide, a negative electrode including a negative electrode active material that occludes and releases lithium metal, a lithium alloy, or lithium ions, and an electrolyte.

そして、近年では、従来から負極材料として用いられてきた黒鉛などの炭素材料に代えて、リチウムイオンの吸蔵性を有し、理論容量密度が833mAh/cmを超える元素に関する研究が報告されている。例えば、理論容量密度が833mAh/cmを超える負極活物質の元素として、リチウムと合金化するケイ素(Si)、スズ(Sn)、ゲルマニウム(Ge)やこれらの酸化物および合金などがある。それらの中でも、Si粒子や酸化ケイ素粒子などの含ケイ素粒子は安価なため、幅広く検討されている。 In recent years, instead of carbon materials such as graphite that have been conventionally used as negative electrode materials, research has been reported on elements that have occlusion of lithium ions and whose theoretical capacity density exceeds 833 mAh / cm 3 . . For example, as an element of the negative electrode active material having a theoretical capacity density exceeding 833 mAh / cm 3 , there are silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge) alloyed with lithium, and oxides and alloys thereof. Among them, silicon-containing particles such as Si particles and silicon oxide particles are widely studied because they are inexpensive.

しかし、これらの元素は、充電時において、リチウムイオンを吸蔵する際に、その体積が増加する。例えば、負極活物質がSiの場合、リチウムイオンが最大量吸蔵された状態ではLi4.4Siで表され、SiからLi4.4Siへ変化することにより、その体積は、放電時の4.12倍に増加する。 However, these elements increase in volume when lithium ions are occluded during charging. For example, if the negative electrode active material is Si, in a state in which lithium ions are maximum amount storage is represented by Li 4.4 Si, by changing from Si to Li 4.4 Si, the volume is 4 at the time of discharging Increased 12 times.

そのため、特にCVD法やスパッタリング法などによって上記元素の薄膜を集電体上に堆積させて負極活物質を形成した場合、リチウムイオンの吸蔵および放出により負極活物質は膨張および収縮し、充放電サイクルを繰り返す間に負極活物質と負極集電体との密着性の低下による剥離などが発生する可能性があった。   Therefore, in particular, when a negative electrode active material is formed by depositing a thin film of the above elements on a current collector by CVD or sputtering, the negative electrode active material expands and contracts due to insertion and extraction of lithium ions, and a charge / discharge cycle There was a possibility that peeling due to a decrease in adhesion between the negative electrode active material and the negative electrode current collector occurred during the repetition of the above.

上記課題を解決するために、集電体上に堆積された負極活物質薄膜が、その厚み方向に形成された切れ目により柱状に分離された構成(例えば、特許文献1参照)が開示されている。また、集電体の表面に凹凸を設け、その上に負極活物質薄膜を堆積して、エッチングにより厚み方向に空隙を形成する方法(例えば、特許文献2参照)が開示されている。さらに、集電体の上方にメッシュを配置し、メッシュを通して負極活物質薄膜を堆積させることにより、メッシュの枠に相当する領域への負極活物質の堆積を抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。   In order to solve the above-described problem, a configuration in which a negative electrode active material thin film deposited on a current collector is separated into a columnar shape by a cut formed in the thickness direction (see, for example, Patent Document 1) is disclosed. . In addition, a method is disclosed in which irregularities are provided on the surface of the current collector, a negative electrode active material thin film is deposited thereon, and voids are formed in the thickness direction by etching (see, for example, Patent Document 2). Furthermore, a method has been proposed in which a mesh is disposed above the current collector, and a negative electrode active material thin film is deposited through the mesh, thereby suppressing deposition of the negative electrode active material in a region corresponding to the mesh frame (for example, And Patent Document 3).

さらに、図7に示すように、集電体251の表面に凹凸を設けて、その上に薄膜状の負極材料を、負極材料の主面(AA−AA)に対して傾斜(θ)して形成する方法が開示されている(例えば、特許文献4参照)。これにより、充放電の膨張および収縮によって発生する応力を負極材料の主面に平行な方向と垂直な方向とに分散させ、皺や剥離の発生を抑制できることを示した。
特開2002−83594号公報 特開2003−17040号公報 特開2002−279974号公報 特開2005−196970号公報
Further, as shown in FIG. 7, the surface of the current collector 251 is provided with irregularities, and a thin-film negative electrode material is inclined (θ) with respect to the main surface (AA-AA) of the negative electrode material thereon. A forming method is disclosed (for example, see Patent Document 4). As a result, it was shown that the stress generated by the expansion and contraction of charge / discharge can be dispersed in the direction parallel to the main surface of the negative electrode material and in the direction perpendicular thereto, thereby suppressing the occurrence of wrinkles and peeling.
JP 2002-83594 A JP 2003-17040 A JP 2002-279974 A JP-A-2005-196970

しかしながら、特許文献1に示す二次電池では、柱状体間の空間が小さいため、その空間で柱状体の膨張を十分に吸収することができない。そのため、柱状体が高さ方向へ膨張したり、または集電体が伸びる場合がある。このような集電体で形成された捲回型の円筒型電池や角型電池の場合、充放電により電極群が変形し、結果的にサイクル特性が低下するといった課題がある。   However, in the secondary battery shown in Patent Document 1, since the space between the columnar bodies is small, the expansion of the columnar bodies cannot be sufficiently absorbed in the space. Therefore, the columnar body may expand in the height direction or the current collector may extend. In the case of a wound cylindrical battery or prismatic battery formed of such a current collector, there is a problem that the electrode group is deformed by charge and discharge, resulting in a decrease in cycle characteristics.

また、特許文献2に示す負極の製造方法は、エッチングにより柱状体を形成するが、柱状体間の空間に十分な隙間を設けるにはエッチングで除去する部分が多く(およそ50%)、材料ロスが多いという課題がある。また、柱状体間の空間を小さくすると材料ロスは低減できるが、特許文献1の電池が有する課題と同様に、柱状体間の空間が小さくなるため、その空間で柱状体の膨張を十分に吸収することができない。そのため、特許文献1と同様の課題を有することになる。   In addition, the negative electrode manufacturing method shown in Patent Document 2 forms columnar bodies by etching. However, in order to provide a sufficient gap in the space between the columnar bodies, there are many portions to be removed by etching (approximately 50%), and material loss is caused. There is a problem that there are many. Moreover, although material loss can be reduced by reducing the space between the columnar bodies, the space between the columnar bodies is reduced similarly to the problem of the battery of Patent Document 1, so that the expansion of the columnar bodies is sufficiently absorbed in the space. Can not do it. Therefore, it has the same problem as Patent Document 1.

また、特許文献3に示す負極の製造方法は、メッシュでマスクすることにより柱状体を形成する。この製造方法はメッシュを用いない方法と比較して製造コストが高いという課題を有する。   Moreover, the manufacturing method of the negative electrode shown in patent document 3 forms a columnar body by masking with a mesh. This manufacturing method has a problem that the manufacturing cost is high as compared with a method not using a mesh.

また、特許文献4に示す二次電池では、図7(a)に示すように、集電体251上に形成した柱状体253間の空間が小さいため、リチウムイオンの吸蔵により図7(b)に示すように、その空間で柱状体253の膨張を十分に吸収や緩和することができない。そのため、特許文献1や特許文献2と同様の課題を有する。   Further, in the secondary battery shown in Patent Document 4, as shown in FIG. 7A, since the space between the columnar bodies 253 formed on the current collector 251 is small, the lithium ions are occluded. As shown in FIG. 3, the expansion of the columnar body 253 cannot be sufficiently absorbed or relaxed in the space. Therefore, it has the same problem as Patent Document 1 and Patent Document 2.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、捲回型の円筒型および角型電池において、高容量化とともに、電極群の変形を抑制し、サイクル特性に優れた非水電解質二次電池用負極とその製造方法およびそれを用いた非水電解質二次電池を実現することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. In a wound cylindrical and prismatic battery, the non-aqueous electrolyte is excellent in cycle characteristics by suppressing the deformation of the electrode group with an increase in capacity. It aims at realizing the negative electrode for secondary batteries, its manufacturing method, and a nonaqueous electrolyte secondary battery using the same.

上述したような目的を達成するために、本発明は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する非水電解質二次電池用負極であって、少なくとも片面に表面粗さRaの粗面を有する集電体と、集電体の粗面上に形成された元素の含有比率が集電体の長手方向に順次変化する柱状体部をn(n≧2)段に積層して構成された柱状体と、を備え、柱状体部の奇数段と偶数段の元素の含有比率の変化方向が異なる。   In order to achieve the above-described object, the present invention provides a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that reversibly occludes and releases lithium ions, and has a rough surface having a surface roughness Ra on at least one surface. A columnar body formed by laminating a columnar body portion in which the content ratio of elements formed on the rough surface of the current collector and the current collector sequentially changes in the longitudinal direction of the current collector in n (n ≧ 2) stages And the change direction of the content ratio of the odd-numbered and even-numbered elements of the columnar body portion is different.

これにより、表面粗さRaに略対応した大きさで形成される柱状体を有し、柱状体の膨張を吸収する空間を維持することができる。その結果、高容量で、かつ膨張や伸びが小さい集電体を有する負極を実現できる。また、表面粗さRaに対応した種々の大きさの柱状体がランダムに形成されることにより、柱状体同士が適度に接触し、集電性の改善とともに、サイクル特性に優れた非水電解質二次電池用負極を実現することができる。   Thereby, it has a columnar body formed in a size substantially corresponding to the surface roughness Ra, and a space for absorbing the expansion of the columnar body can be maintained. As a result, a negative electrode having a current collector with high capacity and low expansion and elongation can be realized. In addition, since columnar bodies of various sizes corresponding to the surface roughness Ra are randomly formed, the columnar bodies are appropriately brought into contact with each other, improving the current collecting property, and improving the cycle characteristics. A negative electrode for a secondary battery can be realized.

また、本発明の非水電解質二次電池用負極の製造方法は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する非水電解質二次電池用負極の製造方法であって、少なくとも集電体の片面に表面粗さRaを有する粗面を形成する第1ステップと、粗面に1段目の柱状体部を斜立させて形成する第2ステップと、柱状体部の上に1段目の柱状体部と異なる方向に斜立する2段目の柱状体を形成する第3ステップと、第2ステップと第3ステップを繰り返して奇数段目と偶数段目の柱状体部の斜立方向を異ならせて、n(n≧2)段からなる柱状体を形成する第4ステップと、を含む。   The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a method for manufacturing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that reversibly occludes and releases lithium ions, at least on one side of the current collector. A first step for forming a rough surface having a surface roughness Ra, a second step for forming the first-stage columnar body on the rough surface obliquely, and a first-stage columnar body on the columnar body part. The third step of forming a second-stage columnar body that is obliquely inclined in a direction different from the portion, and the second and third steps are repeated to change the oblique-direction of the odd-numbered and even-numbered columnar body portions. And a fourth step of forming a columnar body having n (n ≧ 2) stages.

これにより、柱状体間の空隙を維持しながら、集電体に皺などが発生しない信頼性に優れた非水電解質二次電池用負極を高い材料歩留まりで、かつ低コストで容易に作製することができる。   This makes it possible to easily produce a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that has excellent reliability and does not generate wrinkles in the current collector while maintaining the gaps between the columnar bodies with high material yield and low cost. Can do.

また、本発明の非水電解質二次電池は、上述の非水電解質二次電池用負極と、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出できる正極と、非水電解質とを備えている。これにより、安全性が高く信頼性に優れた非水電解質二次電池が作製される。   The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes the above-described negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery, a positive electrode capable of reversibly occluding and releasing lithium ions, and a nonaqueous electrolyte. As a result, a non-aqueous electrolyte secondary battery having high safety and excellent reliability is produced.

本発明の非水電解質二次電池用負極とその製造方法およびそれを用いた非水電解質二次電池によれば、膨張および収縮の大きな活物質を用いて、高容量を維持しながら集電体の膨張や伸びを抑制し、サイクル特性に優れた非水電解質二次電池を実現することができる。さらに、このような負極を効率的に容易に製造することができる。   According to the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, a method for producing the same, and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same, a current collector is maintained while maintaining a high capacity using an active material having large expansion and contraction. Thus, a non-aqueous electrolyte secondary battery excellent in cycle characteristics can be realized. Furthermore, such a negative electrode can be manufactured efficiently and easily.

本発明の第1の発明は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する非水電解質二次電池用負極であって、少なくとも片面に表面粗さRaの粗面を有する集電体と、集電体の粗面上に形成された元素の含有比率が集電体の長手方向に順次変化する柱状体部をn(n≧2)段に積層して構成された柱状体と、を備え、柱状体部の奇数段と偶数段の元素の含有比率の変化方向が異なる。   A first invention of the present invention is a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that reversibly occludes and releases lithium ions, a current collector having a rough surface with a surface roughness Ra on at least one surface, a current collector A columnar body configured by stacking n (n ≧ 2) columnar body portions in which the content ratio of elements formed on the rough surface of the body sequentially changes in the longitudinal direction of the current collector, The change direction of the content ratio of the odd-numbered and even-numbered elements of the body part is different.

これにより、表面粗さRaに略対応した大きさで形成される柱状体を有し、柱状体の膨張を吸収する空間を維持することができる。その結果、高容量でかつ膨張や伸びが小さい負極を実現できる。また、表面粗さRaに対応した種々の大きさの柱状体がランダムに形成されることにより、柱状体同士が適度に接触して集電性を改善するとともに、柱状体間に電解液を効率的に保液し、サイクル特性に優れた非水電解質二次電池用負極を実現できる。   Thereby, it has a columnar body formed in a size substantially corresponding to the surface roughness Ra, and a space for absorbing the expansion of the columnar body can be maintained. As a result, a negative electrode with high capacity and small expansion and elongation can be realized. In addition, columnar bodies of various sizes corresponding to the surface roughness Ra are randomly formed, so that the columnar bodies are in proper contact with each other to improve current collection, and an electrolyte is efficiently used between the columnar bodies. Therefore, a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent cycle characteristics can be realized.

本発明の第2の発明は、第1の発明において、集電体の表面粗さRaが、0.5μm〜8μmである。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the current collector has a surface roughness Ra of 0.5 μm to 8 μm.

これにより、表面粗さRaに略対応した特定の範囲の大きさで柱状体を形成し、応力の緩和や空隙を効果的に形成できる。   Thereby, a columnar body can be formed with a size in a specific range substantially corresponding to the surface roughness Ra, and stress relaxation and voids can be effectively formed.

本発明の第3の発明は、第1の発明または第2の発明において、集電体の長手方向および上面から見た柱状体が、集電体の表面粗さRaに略対応した異なる形状で形成されている。   According to a third aspect of the present invention, in the first aspect or the second aspect, the columnar body viewed from the longitudinal direction and the upper surface of the current collector has a different shape substantially corresponding to the surface roughness Ra of the current collector. Is formed.

これにより、表面粗さRaに対応した特定の範囲の大きさを有する柱状体をランダム配置し、柱状体の膨張および収縮時の応力の緩和や空隙を効率的に維持しつつ、電子伝導性を改善することができる。また、柱状体間に電解液が効率的に保液される。その結果、サイクル特性を向上できる。   Thereby, columnar bodies having a size in a specific range corresponding to the surface roughness Ra are randomly arranged, and the electron conductivity is maintained while efficiently relaxing the stress and voids during expansion and contraction of the columnar bodies. Can be improved. Further, the electrolytic solution is efficiently retained between the columnar bodies. As a result, cycle characteristics can be improved.

本発明の第4の発明は、第1の発明から第4の発明において、少なくとも放電状態において、柱状体のn段の柱状体部は、集電体の粗面上に斜立して形成されるとともに、その奇数段と偶数段が厚み方向につづら折り状に積層されている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects, at least in a discharge state, the n-stage columnar body portion of the columnar body is formed obliquely on the rough surface of the current collector. At the same time, the odd-numbered steps and the even-numbered steps are stacked in a folded manner in the thickness direction.

これにより、柱状体の高さを高くしても、柱状体間の空間を適度に確保することができる。   Thereby, even if it raises the height of a columnar body, the space between columnar bodies can be ensured moderately.

本発明の第5の発明は、第1の発明から第4の発明において、放電状態で、柱状体と柱状体間を占める空間に対して、空間が占める空隙率が25%以上、45%以下としたものである。   According to a fifth invention of the present invention, in the first to fourth inventions, the void ratio occupied by the space is 25% or more and 45% or less with respect to the space between the columnar bodies in the discharged state. It is what.

これにより、柱状体の膨張および収縮時の応力の緩和や空隙を効率的に維持しつつ、電子伝導性を改善し、さらに柱状体間に電解液を効率的に保液できる。その結果、サイクル特性を向上できる。   Accordingly, the electron conductivity can be improved while the stress relaxation and voids during the expansion and contraction of the columnar bodies are efficiently maintained, and the electrolytic solution can be efficiently retained between the columnar bodies. As a result, cycle characteristics can be improved.

本発明の第6の発明は、第1の発明から第5の発明において、柱状体部として、少なくともリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する理論容量密度が833mAh/cmを超える活物質を用いたものである。これにより、高容量の活物質を用いた非水電解質二次電池用負極が作製される。 According to a sixth invention of the present invention, in the first to fifth inventions, an active material having a theoretical capacity density exceeding 833 mAh / cm 3 at least reversibly occluding and releasing lithium ions is used as the columnar body portion. It was. Thereby, the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries using a high capacity | capacitance active material is produced.

本発明の第7の発明は、第6の発明において、活物質として、少なくともケイ素を含むSiOxで表される材料を用いたものである。これにより、電極反応効率が高く、高容量で比較的安価な非水電解質二次電池用負極が作製される。   According to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, a material represented by SiOx containing at least silicon is used as the active material. Thereby, the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries with high electrode reaction efficiency, high capacity | capacitance, and comparatively cheap is produced.

本発明の第8の発明は、第7の発明において、ケイ素を含む材料のxの値を、柱状体部の斜立方向の中心線と集電体の厚み方向の中心線との交差角度に対して、鋭角を形成する側から鈍角を形成する側へ向かって増加させたものである。   According to an eighth aspect of the present invention, in the seventh aspect, the value x of the silicon-containing material is set to an intersection angle between the center line in the oblique direction of the columnar body portion and the center line in the thickness direction of the current collector. On the other hand, it is increased from the side forming the acute angle toward the side forming the obtuse angle.

これにより、充放電時における膨張に伴う応力歪による柱状体の割れなどを抑制することができる。   Thereby, the crack of the columnar body by the stress distortion accompanying the expansion | swelling at the time of charging / discharging can be suppressed.

本発明の第9の発明は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する非水電解質二次電池用負極の製造方法であって、少なくとも集電体の片面に表面粗さRaを有する粗面を形成する第1ステップと、粗面に1段目の柱状体部を斜立させて形成する第2ステップと、柱状体部の上に1段目の柱状体部と異なる方向に斜立する2段目の柱状体を形成する第3ステップと、第2ステップと第3ステップを繰り返して奇数段目と偶数段目の柱状体部の斜立方向を異ならせて、n(n≧2)段からなる柱状体を形成する第4ステップと、を含む。   A ninth invention of the present invention is a method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that reversibly occludes and releases lithium ions, and has a rough surface having a surface roughness Ra on at least one surface of a current collector. A first step of forming, a second step of forming the first columnar body portion obliquely on the rough surface, and an inclination of 2 on the columnar body portion in a direction different from that of the first columnar body portion. The third step of forming the columnar body of the step, the second step, and the third step are repeated to change the oblique direction of the odd-numbered and even-numbered columnar bodies to n (n ≧ 2) steps A fourth step of forming a columnar body made of

これにより、柱状体間の空隙を維持しながら、集電体に皺などが発生しない信頼性に優れた非水電解質二次電池用負極を容易に作製できる。   Thereby, it is possible to easily produce a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that is excellent in reliability and does not generate wrinkles in the current collector while maintaining the gaps between the columnar bodies.

本発明の第10の発明は、集電体の長手方向および上面から見た柱状体が、集電体の表面粗さRaに略対応した異なる形状で形成されている。   In the tenth aspect of the present invention, the columnar bodies viewed from the longitudinal direction and the upper surface of the current collector are formed in different shapes substantially corresponding to the surface roughness Ra of the current collector.

これにより、表面粗さRaに対応した特定の範囲の大きさを有する柱状体をランダム配置して、柱状体の膨張および収縮時の応力の緩和や空隙を効率的に維持できる。さらに、電子伝導性の改善や柱状体間に電解液を効率的に保液することで、サイクル特性を向上できる。   Thereby, columnar bodies having a size in a specific range corresponding to the surface roughness Ra can be randomly arranged, and stress relaxation and voids during expansion and contraction of the columnar bodies can be efficiently maintained. Furthermore, cycle characteristics can be improved by improving the electronic conductivity and efficiently retaining the electrolyte between the columnar bodies.

本発明の第11の発明は、第1から第8のいずれかの発明における非水電解質二次電池用負極と、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する正極と、非水電解質とを備えた非水電解質二次電池である。これにより、高容量でサイクル特性に優れた非水電解質二次電池が作製される。   An eleventh aspect of the present invention includes the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of the first to eighth aspects, a positive electrode that reversibly occludes and releases lithium ions, and a nonaqueous electrolyte. It is a non-aqueous electrolyte secondary battery. Thereby, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high capacity and excellent cycle characteristics is produced.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、同一部分には同一符号を付して説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with the same reference numerals given to the same portions with reference to the drawings. The present invention is not limited to the contents described below as long as it is based on the basic characteristics described in this specification.

(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態における非水電解質二次電池の断面図である。
(Embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a nonaqueous electrolyte secondary battery in an embodiment of the present invention.

図1に示すように、積層型の非水電解質二次電池(以下、「電池」と記す場合がある)は、以下で詳述する負極1と、負極1に対向し放電時にリチウムイオンを還元する正極2と、これらの間に介在し負極1と正極2との直接接触を防ぐ多孔質のセパレータ3とで構成される電極群4を具備する。電極群4とリチウムイオン伝導性を有する電解質(図示せず)は、外装ケース5の内部に収容されている。リチウムイオン伝導性を有する電解質は、セパレータ3に含浸されている。また、正極集電体2aおよび負極集電体1aには、それぞれ正極リード(図示せず)および負極リード(図示せず)の一端が接続されており、その他端は外装ケース5の外部に導出されている。さらに、外装ケース5の開口部は、樹脂材料により封止されている。そして、正極2は、正極集電体2aと、正極集電体2aに担持された正極合剤層2bとから構成されている。   As shown in FIG. 1, a laminated nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter sometimes referred to as a “battery”) has a negative electrode 1 described in detail below and a negative electrode 1 that reduces lithium ions during discharge. The electrode group 4 is composed of a positive electrode 2 and a porous separator 3 interposed between them to prevent direct contact between the negative electrode 1 and the positive electrode 2. The electrode group 4 and an electrolyte (not shown) having lithium ion conductivity are accommodated in the exterior case 5. The separator 3 is impregnated with an electrolyte having lithium ion conductivity. Further, one end of a positive electrode lead (not shown) and a negative electrode lead (not shown) is connected to the positive electrode current collector 2 a and the negative electrode current collector 1 a, respectively, and the other end is led out of the exterior case 5. Has been. Further, the opening of the outer case 5 is sealed with a resin material. The positive electrode 2 includes a positive electrode current collector 2a and a positive electrode mixture layer 2b supported on the positive electrode current collector 2a.

さらに、以下で詳細に説明するように、負極1は、表面粗さRaが0.5μm〜8μmの凹部と凸部からなる粗面を有する集電体と、少なくとも凸部上に斜立して離散的に設けられたn(n≧2)段に柱状体部を積層して、例えばつづら折り状の柱状体1bとで構成され、それらがランダムに配置されている。そして、柱状体部は、集電体の凸部上に形成された元素の含有比率が集電体の長手方向に順次変化させて形成されている。さらに、n(n≧2)段に積層して構成された柱状体部は、その奇数段目と偶数段目の元素の含有比率の変化方向が異なるように形成されている。なお、上記では、便宜的に粗面として、凹部と凸部を例に説明したが、任意の形状を意味している。例えば、波型で山部や谷部を有する場合や、ギザギザの形状でもよい。また、上述の長手方向とは、以下の製造方法で説明する柱状体部が斜立して形成される斜立方向を意味している。一般的には、円筒型の電池の場合には電極群の捲回方向を示すが、積層型の電池の場合には特定できない。そこで、以下では、長手方向を含めて、柱状体部の斜立する方向を幅方向と記載して説明する。   Further, as will be described in detail below, the negative electrode 1 has a current collector having a rough surface composed of a concave portion and a convex portion having a surface roughness Ra of 0.5 μm to 8 μm, and at least obliquely on the convex portion. The columnar body portions are stacked in discretely provided n (n ≧ 2) stages, and are configured with, for example, zigzag columnar bodies 1b, which are randomly arranged. The columnar body portion is formed by sequentially changing the content ratio of elements formed on the convex portion of the current collector in the longitudinal direction of the current collector. Furthermore, the columnar body portion formed by stacking in n (n ≧ 2) stages is formed so that the changing direction of the content ratio of the odd-numbered and even-numbered elements is different. In the above description, the concave portion and the convex portion are described as rough surfaces for convenience, but an arbitrary shape is meant. For example, it may be a corrugated shape having peaks and valleys, or may have a jagged shape. Moreover, the above-mentioned longitudinal direction means the oblique direction in which the columnar body part demonstrated by the following manufacturing methods is formed obliquely. In general, the winding direction of the electrode group is shown in the case of a cylindrical battery, but cannot be specified in the case of a stacked battery. Therefore, in the following description, the direction in which the columnar body portion obliquely includes the longitudinal direction is described as the width direction.

ここで、正極合剤層2bは、LiCoOやLiNiO、LiMn、またはこれらの混合あるいは複合化合物などの含リチウム複合酸化物を正極活物質として含む。正極活物質としては上記以外に、LiMPO(M=V、Fe、Ni、Mn)の一般式で表されるオリビン型リン酸リチウム、LiMPOF(M=V、Fe、Ni、Mn)の一般式で表されるフルオロリン酸リチウムなども利用可能である。さらにこれら含リチウム化合物の一部を異種元素で置換してもよい。金属酸化物、リチウム酸化物、導電剤などで表面処理してもよく、表面を疎水化処理してもよい。 Here, the positive electrode mixture layer 2b includes LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , or a lithium-containing composite oxide such as a mixture or composite compound thereof as a positive electrode active material. In addition to the above, as the positive electrode active material, olivine type lithium phosphate represented by the general formula of LiMPO 4 (M = V, Fe, Ni, Mn), Li 2 MPO 4 F (M = V, Fe, Ni, Mn) ) Lithium fluorophosphate represented by the general formula can also be used. Further, a part of these lithium-containing compounds may be substituted with a different element. Surface treatment may be performed with a metal oxide, lithium oxide, a conductive agent, or the like, or the surface may be subjected to a hydrophobic treatment.

正極合剤層2bは、さらに導電剤と結着剤とを含む。導電剤としては、天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウムなどの金属粉末類、酸化亜鉛やチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、フェニレン誘導体などの有機導電性材料を用いることができる。   Positive electrode mixture layer 2b further includes a conductive agent and a binder. As the conductive agent, natural graphite and artificial graphite graphite, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black and other carbon black, conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber, Metal powders such as carbon fluoride and aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and organic conductive materials such as phenylene derivatives can be used.

また結着剤としては、例えばPVDF、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースなどが使用可能である。また、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエンより選択された2種以上の材料の共重合体を用いてもよい。またこれらのうちから選択された2種以上を混合して用いてもよい。   Examples of the binder include PVDF, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, aramid resin, polyamide, polyimide, polyamideimide, polyacrylonitrile, polyacrylic acid, polyacrylic acid methyl ester, polyacrylic acid ethyl ester, polyacrylic acid. Acrylic hexyl ester, polymethacrylic acid, polymethacrylic acid methyl ester, polymethacrylic acid ethyl ester, polymethacrylic acid hexyl ester, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polyether, polyethersulfone, hexafluoropolypropylene, styrene butadiene rubber, Carboxymethyl cellulose and the like can be used. Two types selected from tetrafluoroethylene, hexafluoroethylene, hexafluoropropylene, perfluoroalkyl vinyl ether, vinylidene fluoride, chlorotrifluoroethylene, ethylene, propylene, pentafluoropropylene, fluoromethyl vinyl ether, acrylic acid, and hexadiene A copolymer of the above materials may be used. Two or more selected from these may be mixed and used.

正極2に用いる正極集電体2aとしては、アルミニウム(Al)、炭素、導電性樹脂などが使用可能である。また、このいずれかの材料に、カーボンなどで表面処理してもよい。   As the positive electrode current collector 2 a used for the positive electrode 2, aluminum (Al), carbon, conductive resin, or the like can be used. Further, any of these materials may be surface-treated with carbon or the like.

非水電解質には有機溶媒に溶質を溶解した電解質溶液や、これらを含み高分子で非流動化されたいわゆるポリマー電解質層が適用可能である。少なくとも電解質溶液を用いる場合には正極2と負極1との間にポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、アミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミドなどからなる不織布や微多孔膜などの単層、もしくは複数層からなるセパレータ3を用い、これに電解質溶液を含浸させるのが好ましい。またセパレータ3の内部あるいは表面には、アルミナ、マグネシア、シリカ、チタニアなどの耐熱性フィラーを含んでもよい。セパレータ3とは別に、これらの耐熱性フィラーと、正極2および負極1に用いるのと同様の結着剤とから構成される耐熱層を設けてもよい。   As the non-aqueous electrolyte, an electrolyte solution in which a solute is dissolved in an organic solvent, or a so-called polymer electrolyte layer containing these and non-fluidized with a polymer can be applied. At least in the case of using an electrolyte solution, a separator 3 consisting of a single layer or a plurality of layers such as a nonwoven fabric or a microporous membrane made of polyethylene, polypropylene, aramid resin, amideimide, polyphenylene sulfide, polyimide, etc. between the positive electrode 2 and the negative electrode 1 It is preferable to impregnate this with an electrolyte solution. Further, the inside or the surface of the separator 3 may contain a heat-resistant filler such as alumina, magnesia, silica, and titania. Apart from the separator 3, a heat-resistant layer composed of these heat-resistant fillers and a binder similar to that used for the positive electrode 2 and the negative electrode 1 may be provided.

非水電解質材料としては、各活物質の酸化還元電位などを基に選択される。非水電解質に用いるのが好ましい溶質としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAlCl、LiSbF、LiSCN、LiCFSO、LiNCFCO、LiAsF、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiF、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、ビス(1,2−ベンゼンジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,3−ナフタレンジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(2,2’−ビフェニルジオレート(2−)−O,O’)ホウ酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2−オレート−1−ベンゼンスルホン酸−O,O’)ホウ酸リチウムなどのホウ酸塩類、(CFSONLi、LiN(CFSO)(CSO)、(CSONLi、テトラフェニルホウ酸リチウムなど、一般にリチウム電池で使用されている塩類を適用できる。 The nonaqueous electrolyte material is selected based on the redox potential of each active material. Solutes preferably used for non-aqueous electrolytes include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiNCF 3 CO 2 , LiAsF 6 , LiB 10 Cl 10 , lower aliphatic. Lithium carboxylate, LiF, LiCl, LiBr, LiI, lithium chloroborane, bis (1,2-benzenediolate (2-)-O, O ′) lithium borate, bis (2,3-naphthalenedioleate (2 -)-O, O ') lithium borate, bis (2,2'-biphenyldiolate (2-)-O, O') lithium borate, bis (5-fluoro-2-olate-1-benzenesulfone) acid -O, O ') borate salts such as lithium borate, (CF 3 SO 2) 2 NLi, LiN (CF 3 SO 2) (C 4 9 SO 2), applicable salts used in (C 2 F 5 SO 2) 2 NLi, etc. tetraphenyl lithium borate, typically a lithium battery.

さらに上記塩を溶解させる有機溶媒には、エチレンカーボネート(EC)、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、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジメトキシメタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、トリメトキシメタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのテトラヒドロフラン誘導体、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソランなどのジオキソラン誘導体、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、酢酸エステル、プロピオン酸エステル、スルホラン、3−メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、エチルエーテル、ジエチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、フルオロベンゼンなどの1種またはそれ以上の混合物など、一般にリチウム電池で使用されているような溶媒を適用できる。   Further, the organic solvent for dissolving the salt includes ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), dipropyl carbonate, methyl formate, acetic acid. Methyl, methyl propionate, ethyl propionate, dimethoxymethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, trimethoxymethane, tetrahydrofuran, 2-methyl Tetrahydrofuran derivatives such as tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, dioxolane derivatives such as 4-methyl-1,3-dioxolane, formamide, aceto Toamide, dimethylformamide, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, acetate ester, propionate ester, sulfolane, 3-methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl 2-Oxazolidinone, propylene carbonate derivatives, ethyl ether, diethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, mixtures of one or more such as fluorobenzene, and the like solvents commonly used in lithium batteries Applicable.

さらに、ビニレンカーボネート、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、ジアリルカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、カテコールカーボネート、酢酸ビニル、エチレンサルファイト、プロパンサルトン、トリフルオロプロピレンカーボネート、ジベンゾフラン、2,4−ジフルオロアニソール、o−ターフェニル、m−ターフェニルなどの添加剤を含んでいてもよい。   Furthermore, vinylene carbonate, cyclohexyl benzene, biphenyl, diphenyl ether, vinyl ethylene carbonate, divinyl ethylene carbonate, phenyl ethylene carbonate, diallyl carbonate, fluoroethylene carbonate, catechol carbonate, vinyl acetate, ethylene sulfite, propane sultone, trifluoropropylene carbonate, Additives such as dibenzofuran, 2,4-difluoroanisole, o-terphenyl, m-terphenyl and the like may be contained.

なお、非水電解質は、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリホスファゼン、ポリアジリジン、ポリエチレンスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンなどの高分子材料の1種またはそれ以上の混合物などに上記溶質を混合して、固体電解質として用いてもよい。また、上記有機溶媒と混合してゲル状で用いてもよい。さらに、リチウム窒化物、リチウムハロゲン化物、リチウム酸素酸塩、LiSiO、LiSiO−LiI−LiOH、LiPO−LiSiO、LiSiS、LiPO−LiS−SiS、硫化リン化合物などの無機材料を固体電解質として用いてもよい。ゲル状の非水電解質を用いる場合、ゲル状の非水電解質をセパレータの代わりに正極2と負極1との間に配置してもよい。または、ゲル状の非水電解質は、セパレータ3に隣接するように配置してもよい。 The non-aqueous electrolyte is composed of one or more kinds of polymer materials such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, polyaziridine, polyethylene sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, and the like. May be used as a solid electrolyte. Moreover, you may mix with the said organic solvent and use it in a gel form. Further, lithium nitride, lithium halide, lithium oxyacid salt, Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 3 PO 4 -Li 4 SiO 4, Li 2 SiS 3, Li 3 PO 4 -Li Inorganic materials such as 2 S—SiS 2 and phosphorus sulfide compounds may be used as the solid electrolyte. When a gel-like nonaqueous electrolyte is used, the gel-like nonaqueous electrolyte may be disposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 1 instead of the separator. Alternatively, the gel-like nonaqueous electrolyte may be disposed adjacent to the separator 3.

そして、負極1の集電体は、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンなどの金属箔、炭素や導電性樹脂の薄膜などが用いられる。さらに、カーボン、ニッケル、チタンなどで表面処理を施してもよい。なお、集電体の厚みとしては、5μm〜50μmである。好ましくは8μm以上、40μm以下であり、特に10μm〜35μmが望ましい。さらに、集電体の引張強度として、1%伸び時において、3N/mm以上が好ましいが、特に6N/mm以上の引張強度を有する集電体を用いることが望ましい。これにより、柱状体の膨張応力などによる集電体の皺や変形の発生を低減できる。   The current collector of the negative electrode 1 is made of a metal foil such as stainless steel, nickel, copper, or titanium, or a thin film of carbon or conductive resin. Further, surface treatment may be performed with carbon, nickel, titanium or the like. The thickness of the current collector is 5 μm to 50 μm. Preferably they are 8 micrometers or more and 40 micrometers or less, and 10 micrometers-35 micrometers are especially desirable. Further, the tensile strength of the current collector is preferably 3 N / mm or more at 1% elongation, but it is particularly desirable to use a current collector having a tensile strength of 6 N / mm or more. As a result, the occurrence of wrinkles and deformation of the current collector due to the expansion stress of the columnar body can be reduced.

また、負極1の柱状体1bを構成する柱状体部としては、ケイ素(Si)やスズ(Sn)などのようにリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する理論容量密度が833mAh/cmを超える負極活物質を用いることができる。このような負極活物質であれば、単体、合金、化合物、固溶体および含ケイ素材料や含スズ材料を含む複合負極活物質のいずれであっても、本発明の効果を発揮させることは可能である。すなわち、含ケイ素材料として、Si、SiOx(0<x<2)、またはこれらのいずれかにAl、In、Cd、Bi、Sb、B、Mg、Ni、Ti、Mo、Co、Ca、Cr、Cu、Fe、Mn、Nb、Ta、V、W、Zn、C、N、Snからなる群から選択される少なくとも1つ以上の元素でSiの一部を置換した合金や化合物、または固溶体などを用いることができる。含スズ材料としてはNiSn、MgSn、SnOx(0<x<2)、SnO、SnSiO、LiSnOなどを適用できる。 The columnar body portion constituting the columnar body 1b of the negative electrode 1 has a theoretical capacity density that reversibly occludes and releases lithium ions, such as silicon (Si) and tin (Sn), exceeding 833 mAh / cm 3 . A negative electrode active material can be used. With such a negative electrode active material, the effect of the present invention can be exerted with any of a single negative electrode, an alloy, a compound, a solid solution, and a composite negative electrode active material containing a silicon-containing material or a tin-containing material. . That is, as a silicon-containing material, Si, SiOx (0 <x <2), or any one of them, Al, In, Cd, Bi, Sb, B, Mg, Ni, Ti, Mo, Co, Ca, Cr, An alloy, compound or solid solution in which a part of Si is substituted with at least one element selected from the group consisting of Cu, Fe, Mn, Nb, Ta, V, W, Zn, C, N, and Sn. Can be used. As the tin-containing material, Ni 2 Sn 4 , Mg 2 Sn, SnOx (0 <x <2), SnO 2 , SnSiO 3 , LiSnO, or the like can be applied.

これらの負極活物質は単独で構成してもよく、また複数種の負極活物質により構成してもよい。上記複数種の負極活物質により構成する例として、Siと酸素と窒素とを含む化合物やSiと酸素とを含み、Siと酸素との構成比率が異なる複数の化合物の複合物などが挙げられる。   These negative electrode active materials may be comprised independently, and may be comprised by multiple types of negative electrode active materials. Examples of the plurality of types of negative electrode active materials include a compound containing Si, oxygen, and nitrogen, and a composite of a plurality of compounds containing Si and oxygen and having different constituent ratios of Si and oxygen.

以下、本発明の実施の形態における非水電解質二次電池用負極(以下、「負極」と記す場合がある)について、図2から図4を用いて詳細に説明する。なお、以下では、例えば少なくともケイ素を含むSiOx(0<x≦1.3)で表される負極活物質(以下、「活物質」と記す)を例に説明する。   Hereinafter, a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery (hereinafter sometimes referred to as “negative electrode”) in an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4. Hereinafter, a negative electrode active material (hereinafter referred to as “active material”) represented by SiOx (0 <x ≦ 1.3) containing at least silicon will be described as an example.

図2(a)は、本発明の実施の形態における負極の構造を示す部分断面模式図で、図2(b)は、同実施の形態の活物質の幅方向のxの値の変化を説明する模式図である。図3(a)は本発明の実施の形態における負極を用いた二次電池の充電前の状態を示す部分断面模式図で、図3(b)は図3(a)の柱状体側から見た負極の部分平面図である。また、図4(a)は本発明の実施の形態における負極を用いた二次電池の充電後の状態を示す部分断面模式図で、図4(b)は図4(a)の柱状体側から見た負極の部分平面図である。なお、図面上では、正極と集電体が直接対向するように描かれているが、これは説明を容易とするためのものであり、基本的にはほとんどの集電体の表面は、柱状体で被覆されるものである。   2A is a partial schematic cross-sectional view showing the structure of the negative electrode in the embodiment of the present invention, and FIG. 2B illustrates the change in the value of x in the width direction of the active material of the embodiment. It is a schematic diagram to do. FIG. 3A is a partial cross-sectional schematic view showing a state before charging of the secondary battery using the negative electrode in the embodiment of the present invention, and FIG. 3B is viewed from the columnar body side of FIG. It is a partial top view of a negative electrode. 4A is a partial cross-sectional schematic view showing a state after charging of the secondary battery using the negative electrode in the embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a view from the columnar body side of FIG. It is the partial top view of the negative electrode seen. In the drawings, the positive electrode and the current collector are drawn so as to face each other directly, but this is for ease of explanation, and basically the surface of most current collectors is columnar. It is covered with the body.

すなわち、図2(a)に示すように、例えば厚み30μmの銅(Cu)箔などの導電性金属材料からなる集電体11の少なくとも上面には、表面粗さRaが0.5μm〜8μmを有する凹部と小さな凸部12や大きな凸部13がランダムに設けられ、粗面を形成している。なお、表面粗さRaが0.5μm未満の場合、離散的な柱状体構造が形成されにくいため、リチウムイオンの吸蔵および放出による膨張および収縮により、集電体11に皺や変形を生じ、好ましくない。また、表面粗さRaが8μmを超える場合、柱状体で被覆される集電体表面が直接正極と対向する面積が広くなるため、リチウムの析出を生じやすく、リチウムの析出による容量低下の点で好ましくない。   That is, as shown in FIG. 2A, the surface roughness Ra is 0.5 μm to 8 μm on at least the upper surface of the current collector 11 made of a conductive metal material such as a 30 μm thick copper (Cu) foil. The concave portions and the small convex portions 12 and the large convex portions 13 are provided at random to form a rough surface. When the surface roughness Ra is less than 0.5 μm, it is difficult to form a discrete columnar structure. Therefore, the current collector 11 is wrinkled or deformed due to expansion and contraction due to insertion and extraction of lithium ions. Absent. In addition, when the surface roughness Ra exceeds 8 μm, the surface of the current collector covered with the columnar body has a large area directly facing the positive electrode, so that lithium is liable to be precipitated, and the capacity is reduced due to lithium precipitation. It is not preferable.

そして、例えば表面粗さ8μmの大きな凸部13および表面粗さ1μmの小さな凸部12の上部には、負極1を構成する、SiOxで表される活物質が、例えばスパッタリング法または真空蒸着法などを用いた斜方蒸着法により斜立してn(n≧2)段の柱状体部からなる柱状体15の形状で形成されている。このとき、柱状体は、例えば複数の柱状体部からなり、それらがつづら折り状で形成されている。さらに、図4(b)に示すように、柱状体15は、集電体11の表面粗さRaに対応して、任意の大きさで、かつランダムな配置で形成されている。   For example, on the upper portions of the large convex portion 13 having a surface roughness of 8 μm and the small convex portion 12 having a surface roughness of 1 μm, the active material represented by SiOx constituting the negative electrode 1 is, for example, a sputtering method or a vacuum deposition method. It is formed in the shape of a columnar body 15 made up of n (n ≧ 2) stages of columnar body portions that are tilted by an oblique vapor deposition method. At this time, the columnar body is composed of, for example, a plurality of columnar body portions, which are formed in a zigzag folded shape. Further, as shown in FIG. 4B, the columnar bodies 15 are formed in an arbitrary size and a random arrangement corresponding to the surface roughness Ra of the current collector 11.

以下で、n=5段からなる柱状体部151、152、153、154、155が大きな凸部13上に積層して構成された柱状体15を例に、具体的に説明するが、n≧2段であれば、これに限られない。なお、以下では特に説明しないが、集電体11の小さな凸部12上に形成される柱状体も同様に同時に形成される。そのため、小さい凸部12と大きな凸部13を、単に凸部と表現する場合がある。   Hereinafter, the columnar body 15 formed by laminating the columnar body portions 151, 152, 153, 154, and 155 having five stages on the large convex portion 13 will be described in detail, but n ≧ If it is two steps, it is not limited to this. Although not specifically described below, the columnar body formed on the small convex portion 12 of the current collector 11 is also formed at the same time. Therefore, the small convex portion 12 and the large convex portion 13 may be simply expressed as a convex portion.

まず、柱状体15の柱状体部151は、少なくとも集電体11の凸部12、13の上で柱状体部151の斜立方向の中心線(A)と集電体11の厚み方向の中心線(AA−AA)とが交差角度(以下、「斜立角度」と記す場合がある)θを成すように形成されている。つぎに、柱状体15の柱状体部152は、柱状体部151の上に、その斜立方向の中心線(B)と集電体11の厚み方向の中心線(AA−AA)とが斜立角度θを成すように形成されている。つぎに、柱状体15の柱状体部153は、柱状体部152の上に、その斜立方向の中心線(C)と集電体11の厚み方向の中心線(AA−AA)とが斜立角度θを成すように形成されている。つぎに、柱状体15の柱状体部154は、柱状体部153の上に、その斜立方向の中心線(D)と集電体11の厚み方向の中心線(AA−AA)とが斜立角度θを成すように形成されている。つぎに、柱状体15の柱状体部155は、柱状体部154の上に、その斜立方向の中心線(E)と集電体11の厚み方向の中心線(AA−AA)とが斜立角度θを成すように形成されている。なお、斜立角度θ、θ、θ、θ、θは、隣接する柱状体15が、リチウムイオンの吸蔵および放出時の膨張および収縮により接触しなければ、同じ角度でも異なる角度であってもよい。 First, the columnar body portion 151 of the columnar body 15 includes at least the center line (A) in the oblique direction of the columnar body portion 151 on the convex portions 12 and 13 of the current collector 11 and the center of the current collector 11 in the thickness direction. line (AA-AA) and the intersecting angle is formed so as to form (hereinafter, may be referred to as "obliquely erected angle") theta 1. Next, the columnar body part 152 of the columnar body 15 has an oblique center line (B) and a center line (AA-AA) in the thickness direction of the current collector 11 on the columnar body part 151. The vertical angle θ 2 is formed. Next, the columnar body portion 153 of the columnar body 15 has an oblique center line (C) and a center line (AA-AA) in the thickness direction of the current collector 11 on the columnar body portion 152. It is formed so as to form an upright angle theta 3. Next, the columnar body part 154 of the columnar body 15 has an oblique center line (D) and a center line (AA-AA) in the thickness direction of the current collector 11 on the columnar body part 153. The vertical angle θ 4 is formed. Next, the columnar body portion 155 of the columnar body 15 has an oblique center line (E) and a center line (AA-AA) in the thickness direction of the current collector 11 on the columnar body portion 154. The vertical angle θ 5 is formed. Note that the oblique angles θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 , and θ 5 may be the same angle or different angles if the adjacent columnar bodies 15 do not come into contact with each other due to expansion and contraction during insertion and extraction of lithium ions. It may be.

また、柱状体15を構成する柱状体部151〜155は、図2(b)に示すように、例えば奇数段目の柱状体部151、153、155と偶数段目の柱状体部152、154の幅方向の元素の含有比率、例えばxの値の変化する方向が異なるように設けられる。つまり、柱状体部151〜155の鋭角を成す斜立角度側から、鈍角を成す側に向かって、xの値を順次大きくするものである。なお、図2(b)では、xの値が直線的に変化するように示しているが、これに限られない。   Further, as shown in FIG. 2B, the columnar body portions 151 to 155 constituting the columnar body 15 are, for example, odd-numbered columnar body portions 151, 153, and 155 and even-numbered columnar body portions 152 and 154. The content ratio of elements in the width direction of, for example, the direction in which the value of x changes is different. That is, the value of x is sequentially increased from the oblique angle side forming the acute angle of the columnar body parts 151 to 155 toward the obtuse angle side. In addition, in FIG.2 (b), although the value of x is shown changing linearly, it is not restricted to this.

さらに、図4に示すように、完全充電された二次電池を放電する場合、充電により膨張した5段の柱状体部からなる柱状体15は、集電体11に対して直立した状態となる。そのため、隣接する柱状体15間の電解液18は、図面中の矢印で示すように、柱状体15を介して容易に移動することができる。そして、柱状体15間にある電解液18は、柱状体15間の空隙を介して容易に対流できるので、リチウムイオンの移動などが妨げられない。その結果、充放電での柱状体の膨張および収縮に電解液の移動が追随でき、サイクル特性を改善できる。このとき、形成時の柱状体間の空隙率は45%以上が好ましい。さらに、充放電における放電状態の空隙率としては25%以上、45%以下が、特に好ましい。ここで、空隙率は集電体の面積と柱状体の高さ(厚み)との積に対する集電体上に形成された柱状体間の全空間の比率である。なお、放電時の空隙率が45%を超える場合、リチウムが集電体表面に析出しやすい。また、放電時の空隙率が25%未満の場合、充電時にリチウムイオンの吸蔵による膨張で柱状体が接触しやすく集電体の皺や変形を生じるため好ましくない。   Furthermore, as shown in FIG. 4, when discharging a fully charged secondary battery, the columnar body 15 composed of the five-stage columnar body portions expanded by charging is in an upright state with respect to the current collector 11. . Therefore, the electrolytic solution 18 between adjacent columnar bodies 15 can easily move through the columnar bodies 15 as indicated by arrows in the drawing. And since the electrolyte solution 18 between the columnar bodies 15 can be easily convected through the gaps between the columnar bodies 15, the movement of lithium ions and the like are not hindered. As a result, the movement of the electrolytic solution can follow the expansion and contraction of the columnar body during charge and discharge, and cycle characteristics can be improved. At this time, the porosity between the columnar bodies at the time of formation is preferably 45% or more. Furthermore, the porosity of the discharge state in charge / discharge is particularly preferably 25% or more and 45% or less. Here, the porosity is the ratio of the total space between the columnar bodies formed on the current collector to the product of the area of the current collector and the height (thickness) of the columnar bodies. In addition, when the porosity at the time of discharge exceeds 45%, lithium tends to precipitate on the collector surface. Moreover, when the porosity at the time of discharge is less than 25%, the columnar body is liable to come into contact with the expansion due to occlusion of lithium ions at the time of charging, which causes the current collector to be wrinkled or deformed.

また、図3(b)および図4(b)に示すように、集電体11の表面に柱状体15が、異なる大きさ・形状でランダムに配置される。そのため、リチウムイオンの吸蔵により大きな柱状体が膨張しても、その間に存在する小さな柱状体が、例えば変形することにより、大きな柱状体の接触による応力を緩和できる。そして、大きな柱状体間の隙間を小さな柱状体が埋めるため、大きな柱状体と小さな柱状体同士が適度に接触して電子伝導性が改善され、サイクル特性が向上する。さらに、正極17に対向する集電体の露出面積を小さくできる。また、小さな柱状体により、電解液が移動する隙間を確保できるため、充放電での柱状体の膨張および収縮に電解液の移動が容易に追随し、サイクル特性がより向上する。   Further, as shown in FIGS. 3B and 4B, the columnar bodies 15 are randomly arranged on the surface of the current collector 11 with different sizes and shapes. Therefore, even if a large columnar body expands due to occlusion of lithium ions, a small columnar body existing between them can be deformed, for example, to relieve stress due to contact of the large columnar body. And since a small columnar body fills the clearance gap between large columnar bodies, a large columnar body and a small columnar body contact moderately, electronic conductivity is improved, and cycling characteristics improve. Furthermore, the exposed area of the current collector facing the positive electrode 17 can be reduced. In addition, since the gap in which the electrolytic solution moves can be secured by the small columnar body, the movement of the electrolytic solution easily follows the expansion and contraction of the columnar body during charging and discharging, and the cycle characteristics are further improved.

本発明の、斜立方向の異なる柱状体部をn段に積層して柱状体を構成したものは、リチウムイオンの吸蔵および放出できる活物質の量を等しくした場合には、各段の柱状体部の高さ(厚み)を小さくできるものである。その結果、1つの柱状体で構成した場合と比較すると、各段の柱状体部の先端での膨張量が小さくなる。つまり、隣接する柱状体の間隔による空隙は、柱状体の膨張により狭くなりにくいため、柱状体間の押し合いが発生しにくい。そのため、柱状体の膨張に対する許容量を大幅に大きくできるため、より多くのリチウムイオンを吸蔵することを可能とし、電池容量を向上させることができるものである。   In the present invention, the columnar body is formed by stacking n-stage columnar body parts having different oblique directions. When the amount of active material capable of occluding and releasing lithium ions is made equal, the columnar body at each stage The height (thickness) of the part can be reduced. As a result, the amount of expansion at the tip of the columnar body portion at each stage is reduced as compared with the case where it is configured by one columnar body. That is, the gap due to the interval between adjacent columnar bodies is less likely to be narrowed due to the expansion of the columnar bodies, and therefore, pressing between the columnar bodies is less likely to occur. Therefore, since the tolerance for expansion of the columnar body can be greatly increased, more lithium ions can be occluded and the battery capacity can be improved.

また、n段の柱状体部からなる柱状体により、柱状体が膨張しても隣接する柱状体間の空隙を大きく維持できる。そして、隣接する柱状体が接触しにくいため、集電体の接触による応力の発生が防がれ、それによる皺や剥離を未然に防止できる。一方、たとえ、柱状体が接触する場合においても、大きな柱状体と小さな柱状体がランダムに配置されているため、小さな柱状体の介在により、大きな柱状体同士の接触に防止し、その応力を緩和することができる。その結果、充放電サイクル特性に優れた非水電解質二次電池を実現できる。   Moreover, even if the columnar body expands, the gap between the adjacent columnar bodies can be largely maintained by the columnar body including the n-stage columnar body portions. And since adjacent columnar bodies are hard to contact, generation | occurrence | production of the stress by the contact of a collector is prevented and the wrinkles and peeling by it can be prevented beforehand. On the other hand, even when the columnar bodies are in contact, the large columnar bodies and the small columnar bodies are randomly arranged, so the small columnar bodies prevent contact between the large columnar bodies and relieve the stress. can do. As a result, a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in charge / discharge cycle characteristics can be realized.

本実施の形態によれば、高容量化を可能としながら、電極の膨張や皺、伸びなどの変形を抑制し、サイクル寿命特性に優れた非水電解質二次電池を作製できる。   According to the present embodiment, it is possible to manufacture a non-aqueous electrolyte secondary battery excellent in cycle life characteristics while suppressing deformation of electrodes such as expansion, wrinkling, and elongation while enabling high capacity.

以下、本発明の実施の形態における非水電解質二次電池用負極の柱状体の製造方法について、図5と図6を用いて説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the columnar body of the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図5は、本発明の実施の形態における非水電解質二次電池用負極のn=5段の柱状体部からなる柱状体の形成方法を説明する部分断面模式図であり、図6はその製造装置を説明する模式図である。   FIG. 5 is a partial cross-sectional schematic diagram for explaining a method of forming a columnar body composed of n = 5 columnar body portions of the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery in the embodiment of the present invention. FIG. It is a schematic diagram explaining an apparatus.

ここで、図6に示す柱状体を形成する製造装置40は、真空容器46中に、巻出し・巻取りロール41、成膜ロール44a、44b、巻取り・巻出しロール45、蒸着ソース43a、43b、マスク42と酸素ノズル48a、48bを備え、真空ポンプ47で減圧される構成を有している。なお、製造装置40は、集電体の片面にn段の柱状体部を形成して柱状体を作製する一例を示したものであるが、実際には、集電体の両面に柱状体を作製する装置構成が一般的である。   Here, the manufacturing apparatus 40 for forming the columnar body shown in FIG. 6 includes the unwinding / winding roll 41, the film forming rolls 44a and 44b, the winding / unwinding roll 45, the vapor deposition source 43a, in the vacuum vessel 46. 43 b, a mask 42 and oxygen nozzles 48 a and 48 b, and the pressure is reduced by a vacuum pump 47. The manufacturing apparatus 40 shows an example in which the columnar body is formed by forming n-stage columnar body portions on one side of the current collector, but in practice, the columnar bodies are disposed on both sides of the current collector. The device configuration to be manufactured is common.

まず、図5(a)と図6に示すように、厚さ30μmの帯状電解銅箔を用いて、その表面に、例えばエッチング法などを用いて、表面粗さRaが0.5μm〜8μmの凹部と凸部をランダムに形成した集電体11を作製する。そして、図6に示す巻出し・巻取りロール41と巻取り・巻出しロール45間に集電体11が設置される。   First, as shown in FIG. 5A and FIG. 6, a strip-shaped electrolytic copper foil having a thickness of 30 μm is used, and the surface roughness Ra is 0.5 μm to 8 μm using, for example, an etching method. A current collector 11 in which concave and convex portions are randomly formed is produced. And the collector 11 is installed between the winding / unwinding roll 41 and the winding / unwinding roll 45 shown in FIG.

つぎに、図5(b)と図6に示すように、蒸着ユニット(蒸着ソース、るつぼ、電子ビーム発生装置をユニット化したもの)を用いて、集電体11の法線方向に対して角度ω(例えば55°)の位置に設けられた蒸着ソース43aから、例えばSi(スクラップシリコン:純度99.999%)などの活物質を蒸発させ、集電体11の凸部上に、図面中の矢印方向から入射させる。同時に、酸素(O)が酸素ノズル48aから集電体11に向けて供給される。このとき、例えば真空容器46の内部は、圧力3.5Paの酸素雰囲気とした。そして、酸素ノズル48aは、図6に示すように蒸着ソース43aとは異なる位置に設置されている。また、成膜ロール44aに送り出された集電体11は、マスク42で成膜範囲が制限された領域で、Siと酸素の結合したSiOxの活物質が凸部12、13上に角度θで、所定の高さ(厚さ)、例えば1μm〜5μmに1段目の柱状体部151が形成される。このとき、蒸着ソース43aおよび酸素ノズル48aと集電体11の凸部との位置関係により、成膜されるSiOxのxの値が集電体11の移動方向に対して順次変化した状態で柱状体15が形成される。例えば、図5(b)においては、図面中の右側のxの値は小さく、図面中の左側のxの値は大きくなる。 Next, as shown in FIG. 5B and FIG. 6, an angle with respect to the normal direction of the current collector 11 using a vapor deposition unit (a unit obtained by vapor deposition source, crucible, and electron beam generator). An active material such as Si (scrap silicon: purity 99.999%) is evaporated from a vapor deposition source 43a provided at a position of ω (for example, 55 °), and on the convex portion of the current collector 11 in the drawing Incident from the direction of the arrow. At the same time, oxygen (O 2 ) is supplied from the oxygen nozzle 48 a toward the current collector 11. At this time, for example, the inside of the vacuum vessel 46 was set to an oxygen atmosphere having a pressure of 3.5 Pa. And the oxygen nozzle 48a is installed in the position different from the vapor deposition source 43a, as shown in FIG. The current collector 11 sent to the film forming roll 44a is a region where the film forming range is limited by the mask 42, and an active material of SiOx in which Si and oxygen are combined is formed on the convex portions 12 and 13 at an angle θ 1. Thus, the first columnar body portion 151 is formed at a predetermined height (thickness), for example, 1 μm to 5 μm. At this time, depending on the positional relationship between the vapor deposition source 43 a and the oxygen nozzle 48 a and the convex portion of the current collector 11, the value of x of SiOx to be deposited is columnar in a state where it sequentially changes with respect to the moving direction of the current collector 11. A body 15 is formed. For example, in FIG. 5B, the value of x on the right side in the drawing is small, and the value of x on the left side in the drawing is large.

つぎに、図5(c)と図6に示すように、凸部上に1段目の柱状体部151が形成された集電体11を成膜ロール44bに順次送り出す。そして、成膜ロール44bと対向して設けられた蒸着ユニット(蒸着ソース、るつぼ、電子ビーム発生装置をユニット化したもの)を用いて、集電体11の法線方向に対して角度ω(例えば55°)の位置に設けられた蒸着ソース43bから、例えばSi(スクラップシリコン:純度99.999%)などの活物質を蒸発させ、集電体11の1段目の柱状体部151に、図面中の矢印方向から入射させる。同時に、酸素(O)が酸素ノズル48bから集電体11の1段目の柱状体部151に向けて供給される。このとき、酸素ノズル48bは、図6に示すように蒸着ソース43bとは異なる位置に設置されている。そして、成膜ロール44bに送り出された集電体11は、マスク42で成膜範囲が制限された領域で、Siと酸素の結合したSiOxの活物質が1段目の柱状体部151上に角度θで、所定の高さ(厚さ)、例えば1μm〜5μmに2段目の柱状体部152が形成される。このとき、1段目の柱状体部151と同様に、蒸着ソース43bおよび酸素ノズル48bと集電体11の1段目の柱状体部151との位置関係により、成膜されるSiOxのxの値が集電体11の移動方向に対して順次変化した状態で形成される。そして、例えば図5(c)の2段目の柱状体部152においては、図面中の左側のxの値は小さく、図面中の右側のxの値は大きくなる。これにより、1段目の柱状体部151と2段目の柱状体部152とは、xの値の変化方向が集電体の移動方向に対して、反対に形成されるとともに、斜立する角度と斜立方向が異なって作製される。 Next, as shown in FIGS. 5C and 6, the current collector 11 having the first-stage columnar body portion 151 formed on the convex portion is sequentially sent to the film forming roll 44 b. Then, an angle ω (for example, with respect to the normal direction of the current collector 11) is used by using a vapor deposition unit (a vaporization source, a crucible, and an electron beam generator unitized) provided to face the film forming roll 44b. The active material such as Si (scrap silicon: purity 99.999%) is evaporated from the vapor deposition source 43b provided at a position of 55 °), and the first columnar body portion 151 of the current collector 11 has a drawing. Incident from the direction of the arrow inside. At the same time, oxygen (O 2 ) is supplied from the oxygen nozzle 48 b toward the first-stage columnar portion 151 of the current collector 11. At this time, the oxygen nozzle 48b is installed at a position different from the vapor deposition source 43b as shown in FIG. The current collector 11 sent to the film forming roll 44b is a region where the film forming range is limited by the mask 42, and the SiOx active material in which Si and oxygen are combined is placed on the first columnar body 151. The second-stage columnar body portion 152 is formed at a predetermined height (thickness), for example, 1 μm to 5 μm at an angle θ 2 . At this time, similarly to the first columnar body portion 151, x of SiOx to be formed depends on the positional relationship between the vapor deposition source 43 b and the oxygen nozzle 48 b and the first columnar body portion 151 of the current collector 11. It is formed in a state where the values are sequentially changed with respect to the moving direction of the current collector 11. For example, in the second columnar body portion 152 of FIG. 5C, the value of x on the left side in the drawing is small and the value of x on the right side in the drawing is large. As a result, the first-stage columnar body portion 151 and the second-stage columnar body portion 152 are formed so that the change direction of the value of x is opposite to the moving direction of the current collector and is inclined. It is manufactured with different angles and oblique directions.

つぎに、図5(d)と図6に示すように、巻出し・巻取りロール41と巻取り・巻出しロール45を逆に駆動して、2段目の柱状体部152が形成された集電体11を成膜ロール44aに戻し、図5(b)の工程と同様にして、2段目の柱状体部152の上に、3段目の柱状体部153を所定の高さ(厚み)、例えば4μm〜6μmで形成する。このとき、図5(d)に示す3段目の柱状体部153は、図面中の右側のxの値は小さく、図面中の左側のxの値は大きくなる。これにより、2段目の柱状体部152と3段目の柱状体部153とは、xの値の変化方向が集電体の移動方向に対して、反対に形成されるとともに、斜立する角度と斜立方向が異なって作製される。上記の場合、1段目の柱状体部151と3段目の柱状体部153とは同じ方向に形成されることになる。   Next, as shown in FIGS. 5D and 6, the unwinding / winding roll 41 and the winding / unwinding roll 45 are driven in reverse to form the second columnar body portion 152. The current collector 11 is returned to the film forming roll 44a, and the third-stage columnar body portion 153 is placed on the second-stage columnar body portion 152 at a predetermined height (see FIG. 5B). (Thickness), for example, 4 μm to 6 μm. At this time, in the third columnar body portion 153 shown in FIG. 5D, the value of x on the right side in the drawing is small, and the value of x on the left side in the drawing is large. As a result, the second-stage columnar body portion 152 and the third-stage columnar body portion 153 are inclined while the change direction of the value of x is opposite to the moving direction of the current collector. It is manufactured with different angles and oblique directions. In the above case, the first-stage columnar body 151 and the third-stage columnar body 153 are formed in the same direction.

つぎに、図5(e)と図6に示すように、上記図5(b)と図5(c)の工程を繰り返すことにより、柱状体部153の上に柱状体部154、155を所定の高さ(厚み)、例えば4μm〜6μmで形成する。これにより、5段の柱状体部からなる柱状体15を有する負極が作製される。   Next, as shown in FIGS. 5E and 6, the columnar body portions 154 and 155 are predetermined on the columnar body portion 153 by repeating the steps of FIGS. 5B and 5C. Are formed at a height (thickness) of 4 μm to 6 μm, for example. Thereby, the negative electrode which has the columnar body 15 which consists of a 5-stage columnar body part is produced.

なお、上記ではn=5段の柱状体部からなる柱状体を例に説明したが、これに限られない。例えば、上記図5(b)と図5(c)の工程を繰り返すことにより、任意のn(n≧2)段の柱状体部からなる柱状体を形成できる。   In addition, although the column-shaped body which consists of a columnar body part of n = 5 steps was demonstrated to the example above, it is not restricted to this. For example, by repeating the steps of FIG. 5B and FIG. 5C, a columnar body composed of arbitrary n (n ≧ 2) columnar body portions can be formed.

また、上記製造装置40では、巻出し・巻取りロール41と巻取り・巻出しロール45を反転して、柱状体を作製する例で説明したが、これに限られず各種装置構成が可能である。例えば、図6に示した成膜ロールをシリーズに複数個配置して、集電体を一方方向に移動しながらn段の柱状体を作製してもよい。さらに、集電体の片面に柱状体を形成した後、集電体を反転させて集電体の他方の面に柱状体を形成してもよい。これにより、生産性よく負極を作製できる。   Further, in the manufacturing apparatus 40 described above, the columnar body is produced by reversing the unwinding / winding roll 41 and the winding / unwinding roll 45, but the present invention is not limited to this, and various apparatus configurations are possible. . For example, a plurality of film forming rolls shown in FIG. 6 may be arranged in series, and an n-stage columnar body may be manufactured while moving the current collector in one direction. Furthermore, after forming a columnar body on one surface of the current collector, the current collector may be inverted to form a columnar body on the other surface of the current collector. Thereby, a negative electrode can be produced with high productivity.

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない限りにおいて、用いる材料などを変更して実施することが可能である。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. In addition, this invention is not limited to a following example, Unless it changes the summary of this invention, it can change and use the material etc. to be used.

(実施例1)
(1)負極の作製
負極の柱状体は、図6に示す製造装置を用いて作製した。
Example 1
(1) Production of negative electrode The columnar body of the negative electrode was produced using the production apparatus shown in FIG.

まず、集電体として、表面粗さRaが0.5μm、1μm、2μm、4μm、6μmおよび8μmの凹部と凸部を形成した厚さ30μmの帯状電解銅箔を用いた。   First, as a current collector, a strip-like electrolytic copper foil having a thickness of 30 μm in which concave and convex portions having surface roughness Ra of 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, 4 μm, 6 μm, and 8 μm were formed was used.

そして、負極の活物質材料としてSiを用い、蒸着ユニット(蒸着ソース、るつぼ、電子ビーム発生装置をユニット化したもの)を用いて、純度99.7%の酸素ガスを蒸着ソースと直交する方向で集電体近傍に配置した酸素ノズル48aから製造装置の真空容器内に導入して、SiOxからなる幅方向にxの値を変化させた柱状体を作製した。このとき、真空容器46の内部は、圧力3.5Paの酸素雰囲気とした。また、蒸着時には、電子ビーム発生装置により発生させた電子ビームを偏向ヨークにより偏向させ、蒸着ソースに照射した。なお、蒸着ソースには半導体ウェハを形成する際に生じる端材(スクラップシリコン:純度99.999%)を用いた。   Then, Si is used as an active material for the negative electrode, and an oxygen gas having a purity of 99.7% is orthogonal to the vapor deposition source by using a vapor deposition unit (a vaporization source, a crucible, and an electron beam generator unitized). A columnar body having a value of x changed in the width direction made of SiOx was produced by introducing the oxygen nozzle 48a disposed in the vicinity of the current collector into the vacuum vessel of the manufacturing apparatus. At this time, the inside of the vacuum vessel 46 was an oxygen atmosphere with a pressure of 3.5 Pa. Further, at the time of vapor deposition, the electron beam generated by the electron beam generator was deflected by the deflection yoke and irradiated to the vapor deposition source. In addition, the end material (scrap silicon: purity 99.999%) produced when forming a semiconductor wafer was used for the vapor deposition source.

また、柱状体は、マスク42の開口部の形状を調整し、角度ωが55°となるようにし、約8nm/sの成膜速度で形成した。これにより、1段目の柱状体部、(高さ4μm)を形成した。同様に、実施の形態で説明した形成方法で、2段目から5段目の柱状体部を形成し、5段からなる柱状体(例えば高さ20μm)を形成した。このとき、柱状体は、1μm〜70μmの断面積(正極から投影したときの面積)でランダムに配置されて形成されていた。 The columnar body was formed at a film formation rate of about 8 nm / s by adjusting the shape of the opening of the mask 42 so that the angle ω was 55 °. As a result, a first-stage columnar body (height 4 μm) was formed. Similarly, by the formation method described in the embodiment, the second to fifth columnar body portions were formed, and a five-stage columnar body (for example, a height of 20 μm) was formed. At this time, columnar body has been formed are disposed at random by the cross-sectional area of 1μm 2 ~70μm 2 (area when projected from the positive electrode).

なお、負極中の柱状体の集電体の中心線に対する角度を走査型電子顕微鏡(日立製S−4700)を用い、断面観察により評価したところ各段の柱状体部の斜立角度は約41°であった。このとき、形成した柱状体の厚み(高さ)は、法線方向に対して、20μmで形成されていた。   When the angle of the columnar body in the negative electrode with respect to the center line of the current collector was evaluated by cross-sectional observation using a scanning electron microscope (S-4700 manufactured by Hitachi), the oblique angle of the columnar body portion of each step was about 41. °. At this time, the thickness (height) of the formed columnar body was 20 μm with respect to the normal direction.

また、電子線プローブマイクロアナライザー(以下、「EPMA」と記す)を用い負極の柱状体を構成する各段の柱状体部の断面方向の線分布測定で酸素分布を調べたところ、奇数段目の柱状体部および偶数段目の柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、奇数段目の柱状体部および偶数段目の柱状体部では、反対方向であった。このときのxの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。   Further, when the oxygen distribution was examined by measuring the line distribution in the cross-sectional direction of each columnar body part constituting the negative columnar body using an electron beam probe microanalyzer (hereinafter referred to as “EPMA”), In the width direction of the columnar body part and the even-numbered columnar body part, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (value of x) was opposite in the odd-numbered columnar body portions and the even-numbered columnar body portions. The range of x at this time was 0.1 to 2, and the average was 0.6.

上記により、集電体の凸部に大きさの異なる5段の柱状体部からなる柱状体を備えた負極を作製した。   As described above, a negative electrode including a columnar body including five columnar body portions having different sizes on the convex portion of the current collector was produced.

その後、負極表面に真空蒸着法によって15μmのLi金属を蒸着した。   Thereafter, 15 μm of Li metal was deposited on the negative electrode surface by vacuum deposition.

その後、負極の正極と対向しないCu箔上に集電体の露出部を設け、Cu製の負極リードを溶接した。   Thereafter, an exposed portion of the current collector was provided on the Cu foil not facing the positive electrode of the negative electrode, and a Cu negative electrode lead was welded.

(2)正極の作製
リチウムイオンを吸蔵および放出可能な正極活物質を有する正極を、以下の方法で作製した。
(2) Production of positive electrode A positive electrode having a positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions was produced by the following method.

まず、正極活物質であるLiCoO粉末を93重量部と、導電剤であるアセチレンブラックを4重量部とを混合した。この粉末に結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液(呉羽化学工業(株)製の品番♯1320)を、PVDFの重量が3重量部となるように混合した。この混合物に適量のNMPを加えて、正極合剤用ペーストを調製した。この正極合剤用ペーストをアルミニウム(Al)箔からなる正極集電体(厚さ15μm)上にドクターブレード法を用いて集電体の両面に塗布して、正極合剤層の密度が3.5g/cc、厚さ170μmとなるように圧延し、85℃で十分に乾燥させ、これを裁断して正極を形成した。正極の内周側に負極と対向しないAl箔に露出部を設け、Al製の正極リードを溶接した。 First, 93 parts by weight of LiCoO 2 powder as a positive electrode active material and 4 parts by weight of acetylene black as a conductive agent were mixed. To this powder, an N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder (product number # 1320 manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd.) is added, and the weight of PVDF becomes 3 parts by weight. Mixed. An appropriate amount of NMP was added to this mixture to prepare a positive electrode mixture paste. This positive electrode mixture paste was applied onto both surfaces of a current collector using a doctor blade method on a positive electrode current collector (thickness 15 μm) made of aluminum (Al) foil, and the density of the positive electrode mixture layer was 3. It was rolled to 5 g / cc and a thickness of 170 μm, dried sufficiently at 85 ° C., and cut to form a positive electrode. An exposed portion was provided on an Al foil not facing the negative electrode on the inner peripheral side of the positive electrode, and an Al positive electrode lead was welded.

(3)電池の作製
上記のようにして作製した負極と正極を、厚さが25μmの多孔質ポリプロピレンからなるセパレータを介して、積層して、40mm×30mm角の電極群を構成した。そして、電極群に、電解液としてLiPFのエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート混合溶液を含浸して外装ケース(材質:アルミニウム)に収容し、外装ケースの開口部を封止して、積層型電池を作製した。なお、電池の設計容量は90mAhとした。これを、サンプル1、2、3、4、5、6とする。
(3) Production of Battery The negative electrode and the positive electrode produced as described above were laminated via a separator made of porous polypropylene having a thickness of 25 μm to constitute a 40 mm × 30 mm square electrode group. Then, an electrode group is impregnated with an ethylene carbonate / diethyl carbonate mixed solution of LiPF 6 as an electrolytic solution and accommodated in an outer case (material: aluminum), and an opening of the outer case is sealed to produce a stacked battery. did. The design capacity of the battery was 90 mAh. This is designated as Samples 1, 2, 3, 4, 5, 6.

(実施例2)
真空容器の内部の圧力を1.7Paの酸素雰囲気で形成した以外は、実施例1と同様にして、表面粗さRaの異なる6個の負極を作製した。
(Example 2)
Six negative electrodes having different surface roughness Ra were produced in the same manner as in Example 1 except that the pressure inside the vacuum vessel was formed in an oxygen atmosphere of 1.7 Pa.

なお、各段の柱状体部の斜立角度は約41°であり、形成した柱状体の厚み(高さ)は20μmであった。   The oblique angle of the columnar body portion of each step was about 41 °, and the thickness (height) of the formed columnar body was 20 μm.

また、EPMAより、各柱状体部の幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。そして、酸素濃度(xの値)の増加方向は、奇数段目の柱状体部と偶数段目の柱状体部では、反対方向であった。このときのxの範囲は、0.1〜2で、平均0.3であった。   Further, from EPMA, in the width direction of each columnar body portion, the oxygen concentration (value of x) continuously increased in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side. The increasing direction of the oxygen concentration (value of x) was in the opposite direction between the odd-numbered columnar body portions and the even-numbered columnar body portions. At this time, the range of x was 0.1 to 2, and the average was 0.3.

その後、負極表面に真空蒸着法によって10μmのLi金属を蒸着した。   Thereafter, 10 μm of Li metal was deposited on the negative electrode surface by vacuum deposition.

上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプル7、8、9、10、11、12とした。   Samples 7, 8, 9, 10, 11, and 12 were non-aqueous electrolyte secondary batteries produced by the same method as in Example 1 except that the negative electrode was used.

(実施例3)
柱状体は、各柱状体部の厚みを2μmとし、n=10段で形成した以外は、実施例1と同様の方法で表面粗さRaの異なる負極およびそれを用いた電池を作製した。これをサンプル13、14、15、16、17、18とする。
(Example 3)
The columnar body was made of a negative electrode having a different surface roughness Ra and a battery using the same by the same method as in Example 1 except that the thickness of each columnar body portion was 2 μm and n = 10 steps. This is designated as Samples 13, 14, 15, 16, 17, and 18.

(実施例4)
集電体として、表面粗さRaが2μmの凹部と凸部を形成した厚さ30μmの帯状電解銅箔を用い、角度ωを30°、40°、50°、60°、70°となるようにした以外は、実施例1と同様の方法で負極およびそれを用いた電池を作製した。これにより、空隙率が40%〜65%の異なる負極が作製された。これを、サンプル19、20、21、22、23とする。
Example 4
As the current collector, a strip-like electrolytic copper foil with a thickness of 30 μm having a concave portion and a convex portion with a surface roughness Ra of 2 μm is used, and the angle ω is 30 °, 40 °, 50 °, 60 °, and 70 °. A negative electrode and a battery using the negative electrode were produced in the same manner as in Example 1 except for using the negative electrode. Thereby, different negative electrodes having a porosity of 40% to 65% were produced. This is designated as Samples 19, 20, 21, 22, and 23.

(実施例5)
柱状体は、各柱状体部の厚みを1μmとし、n=20段で形成した以外は、実施例1と同様の方法で表面粗さRaの異なる負極およびそれを用いた電池を作製した。これをサンプル24、25、26、27、28とする。
(Example 5)
The columnar body was made of a negative electrode having a different surface roughness Ra and a battery using the same in the same manner as in Example 1 except that the thickness of each columnar body portion was 1 μm and n = 20 steps was formed. This is designated as Samples 24, 25, 26, 27, and 28.

(実施例6)
柱状体は、各柱状体部の厚みを0.7μmとし、n=30段で形成した以外は、実施例1と同様の方法で表面粗さRaの異なる負極およびそれを用いた電池を作製した。これをサンプル29、30、31、32、33とする。
(Example 6)
The columnar body was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of each columnar body portion was 0.7 μm and n = 30 steps, and a negative electrode having a different surface roughness Ra and a battery using the same were produced. . This is designated as Samples 29, 30, 31, 32, and 33.

(実施例7)
柱状体は、各柱状体部の厚みを0.5μmとし、n=40段で形成した以外は、実施例1と同様の方法で表面粗さRaの異なる負極およびそれを用いた電池を作製した。これをサンプル34、35、36、37、38とする。
(Example 7)
Except for the columnar body, the thickness of each columnar body part was 0.5 μm, and n = 40 steps, and a negative electrode having a different surface roughness Ra and a battery using the same were produced in the same manner as in Example 1. . This is designated as Samples 34, 35, 36, 37, and 38.

(実施例8)
柱状体は、各柱状体部の厚みを0.4μmとし、n=50段で形成した以外は、実施例1と同様の方法で表面粗さRaの異なる負極およびそれを用いた電池を作製した。これをサンプル39、40、41、42、43とする。
(Example 8)
Except for the columnar body having a thickness of each columnar body portion of 0.4 μm and n = 50 steps, a negative electrode having a different surface roughness Ra and a battery using the same were produced in the same manner as in Example 1. . This is designated as Samples 39, 40, 41, 42, 43.

(実施例9)
柱状体は、各柱状体部の厚みを0.2μmとし、n=100段で形成した以外は、実施例1と同様の方法で表面粗さRaの異なる負極およびそれを用いた電池を作製した。これをサンプル44、45、46、47、48とする。
Example 9
The columnar body was prepared with a negative electrode having a different surface roughness Ra and a battery using the same in the same manner as in Example 1 except that the thickness of each columnar body portion was 0.2 μm and n = 100 steps was formed. . This is designated as Samples 44, 45, 46, 47, and 48.

(比較例1)
高さ(厚み)20μmで1段に斜立して柱状体を構成した以外は、実施例1と同様の方法で表面粗さRaの異なる負極を作製した。
(Comparative Example 1)
Negative electrodes having different surface roughness Ra were prepared in the same manner as in Example 1 except that a columnar body was formed by tilting in one step at a height (thickness) of 20 μm.

なお、負極中の柱状体の集電体の中心線に対する角度を走査型電子顕微鏡(日立製S−4700)を用い、断面観察により評価したところ柱状体の斜立角度は約41°であった。このとき、形成した柱状体の厚み(高さ)は20μmで形成されていた。   The angle of the columnar body in the negative electrode with respect to the center line of the current collector was evaluated by cross-sectional observation using a scanning electron microscope (Hitachi S-4700). The oblique angle of the columnar body was about 41 °. . At this time, the formed columnar body had a thickness (height) of 20 μm.

また、EPMAを用い負極の柱状体を構成する断面方向の線分布測定で酸素分布を調べたところ、幅方向において、斜立角度θ側から(180−θ)方向において酸素濃度(xの値)が連続的に増加していた。xの範囲は、0.1〜2で、平均0.6であった。   Further, when the oxygen distribution was examined by measuring the line distribution in the cross-sectional direction forming the columnar body of the negative electrode using EPMA, the oxygen concentration (value of x) in the (180-θ) direction from the oblique angle θ side in the width direction. Increased continuously. The range of x was 0.1 to 2, and the average was 0.6.

上記負極を用いた以外は、実施例1と同様の方法により作製した非水電解質二次電池をサンプルC1、C2、C3、C4、C5、C6とする。   Samples C1, C2, C3, C4, C5, and C6 are non-aqueous electrolyte secondary batteries manufactured by the same method as in Example 1 except that the negative electrode is used.

(比較例2)
集電体として、表面粗さRaが0.5μm未満の圧延銅箔を用いた以外は実施例1と同様の方法で負極およびそれを用いた電池を作製した。これを、サンプルC7とする。
(Comparative Example 2)
A negative electrode and a battery using the same were produced in the same manner as in Example 1 except that a rolled copper foil having a surface roughness Ra of less than 0.5 μm was used as the current collector. This is designated as Sample C7.

(比較例3)
集電体として、表面粗さRaが20μmの帯状電解銅箔を用いた以外は実施例1と同様の方法で負極およびそれを用いた電池を作製した。これを、サンプルC8とする。
(Comparative Example 3)
A negative electrode and a battery using the same were produced in the same manner as in Example 1 except that a strip-like electrolytic copper foil having a surface roughness Ra of 20 μm was used as a current collector. This is designated as Sample C8.

以上のように作製した各非水電解質二次電池に対し、以下に示す評価を行った。   The following evaluation was performed on each non-aqueous electrolyte secondary battery produced as described above.

(負極の空隙率の測定)
成膜後の負極の空隙率は、成膜した活物質の重量と厚みと活物質の真比重より算出した。活物質の真比重として2.2g/cc(SiOx)を用いた。
(Measurement of porosity of negative electrode)
The porosity of the negative electrode after film formation was calculated from the weight and thickness of the formed active material and the true specific gravity of the active material. 2.2 g / cc (SiOx) was used as the true specific gravity of the active material.

充放電後の負極の空隙率は、充放電後の活物質の厚みを測定して、上記と同様の方法で算出した。特に放電状態の空隙率を上記により算出した。   The porosity of the negative electrode after charge / discharge was calculated by the same method as described above by measuring the thickness of the active material after charge / discharge. In particular, the porosity in the discharged state was calculated as described above.

(電池容量の測定)
各非水電解質二次電池を、25℃環境温度において以下の条件で充放電した。
(Measurement of battery capacity)
Each nonaqueous electrolyte secondary battery was charged / discharged under the following conditions at 25 ° C. environmental temperature.

まず、設計容量(90mAh)に対し、時間率1.0C(90mA)の定電流で電池電圧が4.2Vになるまで充電し、4.2Vの定電圧で時間率0.05C(4.5mA)の電流値に減衰させる定電圧充電を行った。その後、30分間休止した。   First, with respect to the design capacity (90 mAh), the battery is charged at a constant current of 1.0 C (90 mA) at a time rate of 4.2 V until the battery voltage reaches 4.2 V, and a time rate of 0.05 C (4.5 mA at a constant voltage of 4.2 V). ) Was performed at a constant voltage to attenuate the current value. Then, it rested for 30 minutes.

その後、時間率0.2C(18mA)の電流値で、電池電圧が2.5Vに低下するまで定電流で放電した。   Then, it discharged with the constant current until the battery voltage fell to 2.5V with the current value of the time rate 0.2C (18mA).

そして、上記を1サイクルとして、3サイクル目の放電容量を電池容量とした。   And the above was made into 1 cycle and the discharge capacity of the 3rd cycle was made into the battery capacity.

(充放電サイクル特性)
各非水電解質二次電池を、25℃環境温度において、以下の条件で充放電を繰り返した。
(Charge / discharge cycle characteristics)
Each nonaqueous electrolyte secondary battery was repeatedly charged and discharged under the following conditions at an ambient temperature of 25 ° C.

まず、設計容量(90mAh)に対し、時間率1.0C(90mA)の定電流で電池電圧が4.2Vになるまで充電し、4.2Vの定電圧で充電電流が時間率0.05C(4.5mA)の電流値に低下するまで充電した。そして、充電後30分間休止した。   First, with respect to the design capacity (90 mAh), charging is performed at a constant current of 1.0 C (90 mA) until the battery voltage reaches 4.2 V, and at a constant voltage of 4.2 V, the charging current is 0.05 C (time rate). The battery was charged until the current value decreased to 4.5 mA). And it stopped for 30 minutes after charge.

その後、時間率0.2C(18mA)の電流値で電池電圧が2.5Vに低下するまで定電流で放電した。そして、放電後30分間休止した。   Thereafter, the battery was discharged at a constant current until the battery voltage dropped to 2.5 V at a current value of 0.2C (18 mA). And it stopped for 30 minutes after discharge.

上記充放電サイクルを1サイクルとして、それを500回繰り返した。そして、1サイクル目の放電容量に対する500サイクル目の放電容量の割合を、百分率で表した値を容量維持率(%)とした。すなわち、容量維持率が100に近いほど充放電サイクル特性が優れていることを示す。   The charge / discharge cycle was defined as one cycle, which was repeated 500 times. And the value which expressed the ratio of the discharge capacity of the 500th cycle with respect to the discharge capacity of the 1st cycle in percentage was made into the capacity maintenance rate (%). That is, the closer the capacity retention rate is to 100, the better the charge / discharge cycle characteristics.

さらに、3サイクル目の電極群の厚みと500サイクル目の電極群の厚みをCT写真により測定し、500サイクル目の電極群の厚みから、3サイクル目の電極群の厚みを差し引きしたものをサイクルによる電極群の変形量とした。   Furthermore, the thickness of the electrode group at the third cycle and the thickness of the electrode group at the 500th cycle are measured by CT photographs, and the thickness obtained by subtracting the thickness of the electrode group at the third cycle from the thickness of the electrode group at the 500th cycle is cycled. It was set as the deformation amount of the electrode group by.

以下に、サンプル1〜サンプル28の諸元と評価結果を(表1)に、サンプル29〜サンプル48とサンプルC1〜サンプルC8の諸元と評価結果を(表2)に示す。   The specifications and evaluation results of Sample 1 to Sample 28 are shown in (Table 1), and the specifications and evaluation results of Sample 29 to Sample 48 and Sample C1 to Sample C8 are shown in (Table 2).

Figure 2008258139
Figure 2008258139

Figure 2008258139
Figure 2008258139

(表1)、(表2)に示すように、サンプル1〜サンプル6とサンプルC1〜サンプルC6を比較すると、500サイクル時点における電極群の変形が抑制されるとともに容量維持率が改善されていることが明確である。これは、負極の空隙率が向上したことと、柱状体間に膨張を吸収する空間が最適に配置された効果であると考えられる。さらに、サンプルC1〜サンプルC6は、充放電に伴い柱状体の傾きが変化し凸部との接合界面に応力が集中しやすいのに対して、サンプル1〜サンプル6では各柱状体部で応力が分散されることが分かった。これらの現象もサイクル特性の改善に寄与していると考えられる。   As shown in (Table 1) and (Table 2), when Sample 1 to Sample 6 and Sample C1 to Sample C6 are compared, deformation of the electrode group at the time of 500 cycles is suppressed and the capacity retention rate is improved. It is clear. This is considered to be due to the improvement in the porosity of the negative electrode and the optimal arrangement of the space for absorbing expansion between the columnar bodies. Furthermore, in Samples C1 to C6, the inclination of the columnar body changes with charge and discharge, and stress tends to concentrate on the joint interface with the convex part, whereas in Samples 1 to 6, stress is applied to each columnar body part. It was found to be dispersed. These phenomena are also thought to contribute to the improvement of cycle characteristics.

また、酸素比率を変えたサンプル7〜サンプル12と、柱状体部の段数を10段、20段、30段、40段、50段および100段と変えたサンプル13〜サンプル18およびサンプル24〜サンプル48においても、サンプル1〜サンプル6と同様の効果が得られた。さらに、柱状体部の段数の増加に伴って、空隙率の若干の増加と500サイクル目の容量維持率が向上する傾向を示した。これは、段数が多くなると、柱状体が細くかつ柱状体の形状の対称性が高くなったことによる効果であると考えている。   Samples 7 to 12 with different oxygen ratios and Samples 13 to 18 and Samples 24 to 24 with the number of columnar body portions changed to 10, 20, 30, 40, 50, and 100. In 48, the same effect as Sample 1 to Sample 6 was obtained. Furthermore, with the increase in the number of steps of the columnar body portion, there was a tendency that the porosity increased slightly and the capacity maintenance rate at the 500th cycle improved. This is considered to be due to the fact that as the number of steps increases, the columnar body becomes thinner and the symmetry of the shape of the columnar body becomes higher.

また、角度ωを30°〜70°に変えて作製した負極の空隙率を変えたサンプル19〜サンプル23の結果を見ると、形成時の負極の空隙率は45%以上で、放電後の負極の空隙率が25%〜45%の負極において、サイクルによる電極群の変形の抑制とサイクル特性の改善が見られた。   Further, when the results of Sample 19 to Sample 23 in which the porosity of the negative electrode produced by changing the angle ω from 30 ° to 70 ° was changed, the porosity of the negative electrode at the time of formation was 45% or more, and the negative electrode after discharge In the negative electrode having a porosity of 25% to 45%, the deformation of the electrode group due to the cycle and the improvement of the cycle characteristics were observed.

また、集電体の表面粗さRaを0.5μm未満にしたサンプルC7および表面粗さRaを20μmにしたサンプルC8では著しくサイクル特性が低下した。この原因は、柱状体と集電体との密着性の低下や、空隙率の低下による柱状体間の緩和効果が得られない結果と考えられる。   Further, in the sample C7 in which the surface roughness Ra of the current collector was less than 0.5 μm and the sample C8 in which the surface roughness Ra was 20 μm, the cycle characteristics were remarkably deteriorated. The cause of this is considered to be the result that the relaxation effect between the columnar bodies due to the decrease in the adhesion between the columnar bodies and the current collector and the decrease in the porosity cannot be obtained.

以上の結果により、本発明の製造方法で作製した負極を用いることで、サイクルに伴う電極群の変形を抑制し、サイクル特性に優れた非水電解質二次電池を提供することが可能である。   From the above results, it is possible to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in cycle characteristics by suppressing the deformation of the electrode group accompanying the cycle by using the negative electrode produced by the production method of the present invention.

なお、上記実施例では、柱状体の活物質として、SiOxを用いた例について説明したが、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出できる元素である限り、特に限定されず、例えばAl、In、Zn、Cd、Bi、Sb、Ge、PbおよびSnなどからなる少なくとも1種の元素が好ましい。さらに、活物質としては、上記各元素以外の材料が含まれていてもよい。例えば遷移金属や2A族元素が含まれていてもよい。   In the above embodiment, the example using SiOx as the active material of the columnar body has been described, but it is not particularly limited as long as it is an element capable of reversibly occluding and releasing lithium ions. For example, Al, In, Zn At least one element composed of Cd, Bi, Sb, Ge, Pb and Sn is preferable. Furthermore, as the active material, materials other than the above-described elements may be included. For example, a transition metal or a 2A group element may be contained.

なお、本発明において、集電体上に形成された凸部の形状および形成間隔は、上記各実施の形態に記載した内容に制限されるものでなく、斜立する柱状体を形成し得るものであればいかなる形状でもよい。   In the present invention, the shape and interval of the protrusions formed on the current collector are not limited to the contents described in the above embodiments, and can form an oblique columnar body. Any shape is acceptable.

また、柱状体の中心線と集電体の中心線とが形成する斜立角度および柱状体の形状、寸法は、上記実施の形態に限定されるものでなく、負極の製造方法や用いられる非水電解質二次電池の必要な特性に応じて適宜変更されるものである。   Further, the oblique angle formed by the center line of the columnar body and the centerline of the current collector, and the shape and dimensions of the columnar body are not limited to the above-described embodiment, and the manufacturing method of the negative electrode and the non-use It is appropriately changed according to the required characteristics of the water electrolyte secondary battery.

本発明によれば、高容量を可能としながら、充放電サイクル特性に優れた非水電解質二次電池を提供することができる。そのため、今後大きな需要が期待される携帯電話、ノートPC、PDAなどの携帯型電子機器から大型の電子機器までの二次電池として有用である。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in charging / discharging cycling characteristics can be provided, enabling high capacity | capacitance. Therefore, it is useful as a secondary battery from a portable electronic device such as a mobile phone, a notebook PC, and a PDA to which a large demand is expected in the future to a large electronic device.

本発明の実施の形態における非水電解質二次電池の断面図Sectional drawing of the nonaqueous electrolyte secondary battery in embodiment of this invention (a)本発明の実施の形態における負極の構造を示す部分断面模式図(b)同実施の形態の活物質の幅方向のxの値の変化を説明する模式図(A) Schematic diagram of a partial cross section showing the structure of the negative electrode in the embodiment of the present invention (b) Schematic diagram explaining the change in the value of x in the width direction of the active material of the embodiment (a)本発明の実施の形態における負極を用いた二次電池の充電前の状態を示す部分断面模式図(b)図3(a)の柱状体側から見た負極の部分平面図(A) Partial cross-sectional schematic diagram showing the state before charging of the secondary battery using the negative electrode in the embodiment of the present invention (b) Partial plan view of the negative electrode seen from the columnar body side of FIG. (a)本発明の実施の形態における負極を用いた二次電池の充電後の状態を示す部分断面模式図(b)図4(a)の柱状体側から見た負極の部分平面図(A) Partial cross-sectional schematic diagram showing a state after charging of the secondary battery using the negative electrode in the embodiment of the present invention (b) Partial plan view of the negative electrode seen from the columnar body side of FIG. 本発明の実施の形態における非水電解質二次電池用負極のn=5段の柱状体部からなる柱状体の形成方法を説明する部分断面模式図The partial cross section schematic diagram explaining the formation method of the columnar body which consists of the columnar body part of n = 5 step | paragraph of the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries in embodiment of this invention 本発明の実施の形態における非水電解質二次電池用負極のn段の柱状体部からなる柱状体を作製する製造装置を説明する模式図The schematic diagram explaining the manufacturing apparatus which produces the columnar body which consists of an n-stage columnar body part of the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries in embodiment of this invention (a)従来の負極の充電前の状態の構造を示す部分断面模式図(b)従来の負極の充電後の状態の構造を示す部分断面模式図(A) Partial cross-sectional schematic diagram showing the structure of a conventional negative electrode before charging (b) Partial cross-sectional schematic diagram showing the structure of a conventional negative electrode after charging

符号の説明Explanation of symbols

1 負極
1a,11 集電体(負極集電体)
1b,15 柱状体
2,17 正極
2a 正極集電体
2b 正極合剤層
3 セパレータ
4 電極群
5 外装ケース
12 小さな凸部(凸部)
13 大きな凸部(凸部)
18 電解液
40 製造装置
41 巻出し・巻取りロール
42 マスク
43a,43b 蒸着ソース
44a,44b 成膜ロール
45 巻取り・巻出しロール
46 真空容器
47 真空ポンプ
48a,48b 酸素ノズル
151,152,153,154,155 柱状体部
1 Negative electrode 1a, 11 Current collector (Negative electrode current collector)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1b, 15 Columnar body 2,17 Positive electrode 2a Positive electrode collector 2b Positive electrode mixture layer 3 Separator 4 Electrode group 5 Exterior case 12 Small convex part (convex part)
13 Large convex part (convex part)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 Electrolyte 40 Production apparatus 41 Unwinding / winding roll 42 Mask 43a, 43b Deposition source 44a, 44b Film forming roll 45 Winding / unwinding roll 46 Vacuum container 47 Vacuum pump 48a, 48b Oxygen nozzle 151, 152, 153 154,155 Columnar body

Claims (11)

リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する非水電解質二次電池用負極であって、少なくとも片面に表面粗さRaの粗面を有する集電体と、前記集電体の前記粗面上に形成された元素の含有比率が前記集電体の長手方向に順次変化する柱状体部をn(n≧2)段に積層して構成された柱状体と、を備え、前記柱状体部の奇数段と偶数段の元素の含有比率の変化方向が異なることを特徴とする非水電解質二次電池用負極。 A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that reversibly occludes and releases lithium ions, the current collector having a rough surface with a surface roughness Ra on at least one surface, and formed on the rough surface of the current collector A columnar body formed by stacking n (n ≧ 2) columnar body portions in which the content ratio of the generated elements sequentially changes in the longitudinal direction of the current collector, and the odd-numbered stages of the columnar body portions And a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, characterized in that the change direction of the content ratio of the even-numbered elements is different. 前記集電体の表面粗さRaが、0.5μm〜8μmであることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極。 2. The negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the current collector has a surface roughness Ra of 0.5 μm to 8 μm. 前記集電体の長手方向および上面から見た前記柱状体が、前記集電体の表面粗さRaに略対応した異なる形状で形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の非水電解質二次電池用負極。 The columnar body as viewed from the longitudinal direction and the upper surface of the current collector is formed in a different shape substantially corresponding to the surface roughness Ra of the current collector. The negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries as described. 少なくとも放電状態において、前記柱状体のn段の前記柱状体部は、前記集電体の前記粗面上に斜立して形成されるとともに、その奇数段と偶数段が厚み方向につづら折り状に積層されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。 At least in the discharged state, the n-stage columnar body portion of the columnar body is formed obliquely on the rough surface of the current collector, and the odd-numbered stages and even-numbered stages are folded in the thickness direction. The negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the negative electrode is laminated. 放電状態で、前記柱状体と前記柱状体間を占める空間に対して、前記空間が占める空隙率が25%以上、45%以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。 The void ratio occupied by the space is 25% or more and 45% or less with respect to the space occupying between the columnar body and the columnar body in a discharged state. 2. A negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to item 1. 前記柱状体部として、少なくともリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する理論容量密度が833mAh/cmを超える活物質を用いたことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。 The active material having a theoretical capacity density of at least 833 mAh / cm 3 capable of reversibly occluding and releasing at least lithium ions is used as the columnar body portion, according to any one of claims 1 to 5. The negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries as described. 前記活物質として、少なくともケイ素を含むSiOxで表される材料を用いたことを特徴とする請求項6に記載の非水電解質二次電池用負極。 The negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 6, wherein a material represented by SiOx containing at least silicon is used as the active material. 前記ケイ素を含む材料のxの値を、前記柱状体部の斜立方向の中心線と前記集電体の厚み方向の中心線との交差角度に対して、鋭角を形成する側から鈍角を形成する側へ向かって増加させたことを特徴とする請求項7に記載の非水電解質二次電池用負極。 The obtuse angle is formed from the side forming the acute angle with respect to the intersection angle between the center line in the oblique direction of the columnar body portion and the center line in the thickness direction of the current collector. The negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 7, wherein the negative electrode is increased toward the side of the nonaqueous electrolyte secondary battery. リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する非水電解質二次電池用負極の製造方法であって、
少なくとも集電体の片面に表面粗さRaを有する粗面を形成する第1ステップと、
前記粗面に1段目の柱状体部を斜立させて形成する第2ステップと、
前記柱状体部の上に1段目の前記柱状体部と異なる方向に斜立する2段目の柱状体を形成する第3ステップと、
前記第2ステップと前記第3ステップを繰り返して奇数段目と偶数段目の前記柱状体部の斜立方向を異ならせて、n(n≧2)段からなる柱状体を形成する第4ステップと、
を含むことを特徴とする非水電解質二次電池用負極の製造方法。
A method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that reversibly occludes and releases lithium ions,
A first step of forming a rough surface having a surface roughness Ra on at least one surface of the current collector;
A second step of forming the first-stage columnar body portion obliquely on the rough surface;
A third step of forming a second-stage columnar body obliquely inclined in a different direction from the first-stage columnar body part on the columnar body part;
The second step and the third step are repeated to form the columnar body having n (n ≧ 2) stages by changing the oblique direction of the odd-numbered and even-numbered columnar body portions. When,
The manufacturing method of the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries characterized by including.
前記集電体の長手方向および上面から見た前記柱状体が、前記集電体の表面粗さRaに略対応した異なる形状で形成されていることを特徴とする請求項9に記載の非水電解質二次電池用負極の製造方法。 The non-aqueous solution according to claim 9, wherein the columnar body viewed from the longitudinal direction and the upper surface of the current collector is formed in a different shape substantially corresponding to a surface roughness Ra of the current collector. A method for producing a negative electrode for an electrolyte secondary battery. 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極と、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する正極と、非水電解質とを備えたことを特徴とする非水電解質二次電池。 A negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 8, a positive electrode capable of reversibly occluding and releasing lithium ions, and a nonaqueous electrolyte. Non-aqueous electrolyte secondary battery.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013047021A1 (en) * 2011-09-29 2013-04-04 三洋電機株式会社 Lithium secondary cell
JP2019033053A (en) * 2017-08-10 2019-02-28 トヨタ自動車株式会社 Lithium solid battery and manufacturing method thereof

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