JP2009032429A - Lithium reaction electrode - Google Patents

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敏行 大迫
Tetsushi Komukai
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium reaction electrode and its manufacturing method capable of obtaining a large surface area, and efficiently obtaining high conductivity without adding an conduction auxiliary material such as carbon black or a binder. <P>SOLUTION: The lithium reaction product is comprised of a metallic porous body and an oxide film formed on the surface of the metallic porous body and electrochemically reacting with a lithium ion, the metallic porous body has a specific surface area to an apparent area of ≥10, and is made of valve metal which is not alloyed with Li, especially made of Ta, and preferably has a porosity of 30-70%, an average particle size of 10 nm to 1 μm, the oxide film has a thickness of ≤100 nm. Preferably, the metallic porous body is manufactured by a vapor deposition process, and the oxide film is formed by anodic oxidation process. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に用いられるリチウム反応電極およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a lithium reaction electrode used for a lithium ion secondary battery and a method for producing the same.

二次電池、特にリチウムイオン二次電池においては、正極材としてコバルト酸リチウム、またはニッケル酸リチウムなどの酸化物が用いられ、負極材としては黒鉛(理論容量:372mAh/g、837mAh/cc)が用いられている。また、一部では、負極材としてチタン酸リチウムなどの酸化物も用いられている。これらはいずれも、リチウムイオンを電気化学的に挿入脱離可能な層状化合物である。   In secondary batteries, particularly lithium ion secondary batteries, an oxide such as lithium cobaltate or lithium nickelate is used as the positive electrode material, and graphite (theoretical capacity: 372 mAh / g, 837 mAh / cc) is used as the negative electrode material. It is used. In some cases, an oxide such as lithium titanate is also used as a negative electrode material. All of these are layered compounds capable of electrochemically inserting and extracting lithium ions.

これらの材料は、いずれも粉末であり、適当な導電補助剤およびバインダと混合して、圧延でシート成形する方法や、集電体に塗布する方法などにより、電極材料として用いられる。これらの粉末は、通常、数μm〜十数μmの大きさで用いられる。その理由は、リチウムイオンの挿入脱離反応が界面反応であり、数十μmのように大きな粒子では表面律速となり、十分な応答速度を得られないことにある。したがって、反応速度すなわち充放電速度の向上を図るために、より微細な粉末を用いることが考えられる。   These materials are all powders, and are used as electrode materials by a method of forming a sheet by rolling, mixing with an appropriate conductive auxiliary agent and binder, or applying to a current collector. These powders are usually used in a size of several μm to tens of μm. The reason is that the insertion / release reaction of lithium ions is an interfacial reaction, and a large particle such as several tens of μm is surface-controlled, and a sufficient response speed cannot be obtained. Therefore, it is conceivable to use a finer powder in order to improve the reaction rate, that is, the charge / discharge rate.

例えば、特開2002−8647号公報には、100nm以下の微粒子を用いたナノ多孔質体を負極材として用いることが記載されている。また、特開平11−7955号公報には、共沈法により得られ、一次粒子の平均粒径が0.01〜1μmで、均一組成を有する複合酸化物を負極材に用いることが記載されている。   For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-8647 describes that a nanoporous material using fine particles of 100 nm or less is used as a negative electrode material. Japanese Patent Laid-Open No. 11-7955 describes that a composite oxide obtained by a coprecipitation method and having an average primary particle size of 0.01 to 1 μm and having a uniform composition is used as a negative electrode material. Yes.

しかし、負極材として酸化物粉末を用いる場合、この粉末が微細であるほど、導電性を確保するために、導電補助剤やバインダもより多く必要となるため、負極材としての体積当りの容量が低下してしまう。また、混合や混練によって得たペースト・スラリーを塗布する場合、負極材の厚さは数十μm以上となる。このような厚さの電極では、電解質の拡散が律速となり、やはり大きな充放電速度の改善は望めない。   However, when an oxide powder is used as the negative electrode material, the finer the powder, the more conductive auxiliary agents and binders are required to ensure conductivity, so the capacity per volume as the negative electrode material is increased. It will decline. Moreover, when apply | coating the paste slurry obtained by mixing and kneading | mixing, the thickness of a negative electrode material will be several tens of micrometers or more. In the electrode having such a thickness, the diffusion of the electrolyte is rate-determining, and it cannot be expected that the charge / discharge rate is greatly improved.

一方、酸化物の薄膜を電極として利用することも提案されている。例えば、特開平8−241707号公報には、V、Nb、W、Moなどと、Li(リチウム)との複合酸化物からなる薄膜を電極として用いることが記載されている。具体的には、RFスパッタリングなどの方法により、これらの複合酸化物からなる薄膜電極を形成している。また、特開2004−349237号公報には、スパッタリングやイオンプレーティングによりSiOxの薄膜からなる負極を形成する方法が記載されている。 On the other hand, it has also been proposed to use an oxide thin film as an electrode. For example, JP-A-8-241707 discloses that a thin film made of a complex oxide of V, Nb, W, Mo and the like and Li (lithium) is used as an electrode. Specifically, thin film electrodes made of these complex oxides are formed by a method such as RF sputtering. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-349237 describes a method of forming a negative electrode composed of a thin film of SiO x by sputtering or ion plating.

これらのような酸化物の薄膜は、物質自身のリチウム吸蔵性も高く、金属箔などの集電体に、直接、形成可能であり、反応速度的にも有利であるが、薄膜であるため十分な活物質量を確保するのが難しいという問題がある。このような問題に対して、活物質量を増やすために膜厚を厚くすると、その反応性が低下してしまうという問題がある。
特開2002−8647号公報 特開平11−7955号公報 特開平8−241707号公報 特開2004−349237号公報
Oxide thin films such as these have a high lithium occlusion property, and can be directly formed on a current collector such as a metal foil, which is advantageous in terms of reaction rate. There is a problem that it is difficult to secure a sufficient amount of active material. In response to such a problem, when the film thickness is increased in order to increase the amount of the active material, there is a problem that the reactivity decreases.
JP 2002-8647 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-7955 JP-A-8-241707 JP 2004-349237 A

本発明は、大きな表面積を得ることができ、かつ、カーボンブラックなどの導電補助剤またはバインダを添加することなく、効率的に高い導電性を得ることのできるリチウム反応電極およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a lithium reaction electrode capable of obtaining a large surface area and efficiently obtaining high conductivity without adding a conductive additive such as carbon black or a binder, and a method for producing the same. For the purpose.

本発明に係るリチウム反応電極は、金属多孔質体と、該金属多孔質体の表面に形成され、リチウムイオンと電気化学的に反応する酸化膜とからなることを特徴とする。   The lithium reaction electrode according to the present invention comprises a metal porous body and an oxide film formed on the surface of the metal porous body and electrochemically reacting with lithium ions.

前記金属多孔質体の比表面積は、見かけ面積に対して10以上であることが好ましい。   The specific surface area of the metal porous body is preferably 10 or more with respect to the apparent area.

前記金属多孔質体が、リチウムと合金化しないバルブ金属からなり、かつ、前記酸化膜が該バルブ金属の酸化膜であることが好ましく、特に、該バルブ金属としてタンタルを用いることが好ましい。   The metal porous body is preferably made of a valve metal that is not alloyed with lithium, and the oxide film is preferably an oxide film of the valve metal, and in particular, tantalum is preferably used as the valve metal.

前記金属多孔質体の空隙率が30〜70%であることが好ましい。   It is preferable that the porosity of the metal porous body is 30 to 70%.

また、前記金属多孔質体を構成する金属の平均粒子径が10nm以上、1μm以下であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the average particle diameter of the metal which comprises the said metal porous body is 10 nm or more and 1 micrometer or less.

さらに、前記酸化膜の膜厚が100nm以下であることが好ましい。   Furthermore, the thickness of the oxide film is preferably 100 nm or less.

本発明に係るリチウム反応電極を製造する際には、気相法により、前記金属多孔質体を作製し、陽極酸化法により、前記酸化膜を形成することが好ましい。   When producing the lithium reaction electrode according to the present invention, it is preferable to produce the metal porous body by a vapor phase method and to form the oxide film by an anodic oxidation method.

本発明のリチウム反応電極は、多孔質で、高い比表面積を有する構造であり、きわめて高い導電性を有する。また、大きな容量と優れたサイクル特性を有し、リチウムが関与するエネルギーデバイスの電極として好適である。   The lithium reaction electrode of the present invention is porous and has a high specific surface area, and has extremely high conductivity. Further, it has a large capacity and excellent cycle characteristics, and is suitable as an electrode of an energy device in which lithium is involved.

本発明のリチウム反応電極は、金属多孔質体と、該金属多孔質体の表面を形成し、リチウムイオンと電気化学的に反応する酸化膜とからなる。   The lithium reaction electrode of the present invention comprises a metal porous body and an oxide film that forms the surface of the metal porous body and electrochemically reacts with lithium ions.

本発明のリチウム反応電極における反応においては、酸化膜MxOとLiが、可逆的に酸化還元反応を起こし、可逆的な電気容量を発現すると考えられる。よって、導電補助剤やバインダを用いずに、リチウム反応電極を形成することができる。 In the reaction at the lithium reaction electrode of the present invention, it is considered that the oxide films M x O and Li undergo a reversible oxidation-reduction reaction and develop a reversible electric capacity. Therefore, a lithium reaction electrode can be formed without using a conductive additive or a binder.

さらに、本発明のリチウム反応電極は、金属コアを通じて導電することにより、カーボンブラックなどの導電補助剤に比べ、材質自身の導電性が高く、また、接触抵抗もないので、高い電導度を得ることができる。   Furthermore, the lithium reaction electrode of the present invention has high conductivity because the material itself has higher conductivity and no contact resistance than the conductive auxiliary agent such as carbon black by conducting through the metal core. Can do.

以上のように、多孔質体の表面の酸化膜が、リチウムイオンと電気化学的に反応することで、リチウムイオン電池の電極として作用する。   As described above, the oxide film on the surface of the porous body acts as an electrode of a lithium ion battery by electrochemically reacting with lithium ions.

本発明のリチウム反応電極では、金属多孔質体の比表面積が見かけ面積に対して10以上であることが望ましい。金属多孔質体の表面の酸化膜が活物質となっており、金属多孔質体の比表面積が大きいほど、体積当たりおよび質量当たりで、電極の容量密度を大きくすることができる。また、表面積が大きくなることにより、微粉末を用いた場合と同様の高い反応性を得ることができる。   In the lithium reaction electrode of the present invention, the specific surface area of the metal porous body is desirably 10 or more with respect to the apparent area. The oxide film on the surface of the metal porous body is an active material, and the larger the specific surface area of the metal porous body, the larger the capacity density of the electrode per volume and per mass. Further, by increasing the surface area, the same high reactivity as when fine powder is used can be obtained.

本発明のリチウム反応電極では、金属多孔質体の空隙率が30〜70%であることが望ましい。空隙率が30%未満では、表面積が小さく、体積当たりおよび質量当たりの容量密度が低下するほか、電解液もうまく浸透しないために、反応性が悪くなる。反応性からは、空隙率は高いほうが好ましいが、空隙率が70%を超えると、表面積が逆に小さくなり、体積当りの容量密度が低下する。また、空隙率が70%を超えると、金属多孔質体を形成する粒子同士の接触面積が小さくなり、金属多孔質体の強度も低下する。   In the lithium reaction electrode of the present invention, the porosity of the metal porous body is desirably 30 to 70%. When the porosity is less than 30%, the surface area is small, the volume density per volume and mass is decreased, and the electrolyte does not penetrate well, resulting in poor reactivity. From the viewpoint of reactivity, it is preferable that the porosity is high. However, if the porosity exceeds 70%, the surface area becomes smaller and the capacity density per volume decreases. When the porosity exceeds 70%, the contact area between the particles forming the metal porous body becomes small, and the strength of the metal porous body also decreases.

本発明のリチウム反応電極では、金属多孔質体が、Liと合金化しないバルブ金属により形成されていることが望ましい。同じ比表面積の場合、金属多孔質体の酸化膜の膜厚が厚いほど、電極容量密度を大きくすることができる。熱酸化などによっても、酸化膜の膜厚を増加させることができるが、酸化膜の均一性や膜厚のコントロールが難しい。   In the lithium reaction electrode of the present invention, it is desirable that the porous metal body be formed of a valve metal that does not alloy with Li. In the case of the same specific surface area, the electrode capacity density can be increased as the thickness of the oxide film of the metal porous body is increased. Although the thickness of the oxide film can be increased by thermal oxidation or the like, it is difficult to control the uniformity and thickness of the oxide film.

よって、金属多孔質体を、陽極酸化により、表面にその金属の酸化物の皮膜を一様に形成するバルブ金属で形成することが好ましい。かかるバルブ金属からなる金属多孔質体では、陽極酸化により、陽極酸化電圧に応じた均一な厚みの酸化膜を、再現性よく容易に得ることができる。Liと反応しないバルブ金属としては、Ti、Nb、Ta、Hf、Zrなどが挙げられる。特に、酸化膜の安定性や耐食性などから、Ta(タンタル)であることが好ましい。   Therefore, it is preferable that the metal porous body is formed of a valve metal that uniformly forms an oxide film of the metal on the surface by anodic oxidation. With a metal porous body made of such a valve metal, an oxide film having a uniform thickness corresponding to the anodic oxidation voltage can be easily obtained with good reproducibility by anodic oxidation. Examples of the valve metal that does not react with Li include Ti, Nb, Ta, Hf, and Zr. In particular, Ta (tantalum) is preferable from the viewpoint of stability of the oxide film and corrosion resistance.

この金属多孔質体の表面に形成される酸化膜が、リチウムイオンと電気化学的に反応する活物質として作用する。そして、コアとなるタンタルなどのバルブ金属は、耐食性が高く、リチウムとも反応しないため、良好な集電体として作用する。   The oxide film formed on the surface of the metal porous body acts as an active material that electrochemically reacts with lithium ions. A valve metal such as tantalum serving as a core has high corrosion resistance and does not react with lithium, and thus acts as a good current collector.

また、Fe、Ni、Crなどの遷移金属もLiと反応せず、これらの酸化物はLiと可逆的に反応するため、これらの多孔質体を電極として用いることもできる。   In addition, since transition metals such as Fe, Ni, and Cr do not react with Li and these oxides react reversibly with Li, these porous bodies can also be used as electrodes.

本発明のリチウム反応電極では、酸化膜の厚みが100nm以下であることが望ましい。本発明のリチウム反応電極においては、金属多孔質体の表面の酸化膜が、活物質となる。よって、表面積が大きく、酸化膜が厚いほど、体積当たりおよび質量当たりの容量密度は増加する。ただし、酸化膜の膜厚が100nmを超えると、反応性が低下するとともに、充放電のサイクル寿命が低下する。これは、充放電に伴う体積変化による。   In the lithium reaction electrode of the present invention, the thickness of the oxide film is desirably 100 nm or less. In the lithium reaction electrode of the present invention, the oxide film on the surface of the metal porous body becomes an active material. Therefore, the larger the surface area and the thicker the oxide film, the greater the capacity density per volume and per mass. However, when the thickness of the oxide film exceeds 100 nm, the reactivity decreases and the cycle life of charge / discharge decreases. This is due to the volume change accompanying charging and discharging.

また、本発明のリチウム反応電極では、金属多孔質体を形成する粒子の平均粒子径が10nm以上、1μm以下であることが望ましい。かかる平均粒子径は、走査顕微鏡写真による断面組織において、切断法により求める。平均粒子径が10nm未満では、表面に酸化物膜を形成した場合に、金属多孔質体の連続性が十分でなく、導電性集電体としての機能が低下する。   In the lithium reaction electrode of the present invention, it is desirable that the average particle diameter of the particles forming the metal porous body is 10 nm or more and 1 μm or less. Such an average particle diameter is obtained by a cutting method in a cross-sectional structure obtained by a scanning micrograph. When the average particle diameter is less than 10 nm, the continuity of the metal porous body is not sufficient when an oxide film is formed on the surface, and the function as a conductive current collector is lowered.

一方、平均粒子径が1μmを超えると、同量の金属多孔質体に比して表面積が低下し、質量当たりおよび体積当たりの容量密度が低下する。この場合、活物質である酸化膜の量を大きくするためには、膜厚を大きくしなければならなくなり、前述のように、反応性およびサイクル寿命が低下する。   On the other hand, when the average particle diameter exceeds 1 μm, the surface area is reduced as compared with the same amount of the metal porous body, and the capacity density per mass and per volume is reduced. In this case, in order to increase the amount of the oxide film as the active material, the film thickness must be increased, and the reactivity and cycle life are reduced as described above.

本発明のリチウム反応電極を製造するには、まず、金属多孔質体を気相法で作製することが望ましい。かかる気相法としては、蒸着、CVD、スパッタリングなど、従来より、膜形成に用いられている種々の方法が挙げられる。このような気相法を用いることにより、平均粒子径が1μm以下であり、反応性に優れた金属多孔質体からなるリチウム反応電極を形成することができる。   In order to produce the lithium reaction electrode of the present invention, it is desirable to first produce a metal porous body by a vapor phase method. Examples of the vapor phase method include various methods conventionally used for film formation, such as vapor deposition, CVD, and sputtering. By using such a gas phase method, it is possible to form a lithium reaction electrode made of a metal porous body having an average particle diameter of 1 μm or less and excellent in reactivity.

金属多孔質体を形成するには、気相法を実施するに際して、電極材質と反応しない物質を介在させ、成膜後にこれを除去することにより、大きな表面積を持つ金属多孔質体とすることができる。たとえば、電極材質として、Ta、Nbを用いる場合には、Cu、Ag、Mgなどの金属、Ta、Nbの酸化物よりも熱力学的に安定な酸化物、例えばMgOやCaOなどを用いることができる。また、電極材質として、Ti、Hf、Zrを用いる場合には、MgやTi、Hf、Zrの酸化物よりも熱力学的に安定な酸化物、例えばMgOやCaOなどを用いることができる。   In order to form a metal porous body, a metal porous body having a large surface area can be obtained by interposing a substance that does not react with the electrode material and removing it after film formation when performing the gas phase method. it can. For example, when Ta or Nb is used as an electrode material, a metal such as Cu, Ag, or Mg, or an oxide that is thermodynamically more stable than an oxide of Ta or Nb, such as MgO or CaO, may be used. it can. When Ti, Hf, or Zr is used as the electrode material, an oxide that is thermodynamically more stable than the oxides of Mg, Ti, Hf, or Zr, such as MgO or CaO, can be used.

また、上述のように、本発明では、酸化膜を、陽極酸化法により形成することが望ましい。同じ表面積の場合、酸化膜を厚くすることにより、容量密度を増加することができる。酸化膜を厚くする処理は、酸化雰囲気中の加熱処理でもよいが、高温では内部へ酸素の拡散が起きる。陽極酸化法は、適用できる金属に制限があるが、均一な膜厚で高品質の酸化膜を再現性よく形成することができる。陽極酸化電圧と酸化物膜厚には、ほぼ比例関係があり、陽極酸化電圧で酸化膜の膜厚および容量を制御することができる。陽極酸化は、リン酸水溶液などを用いた一般的な条件で行うことができる。   Further, as described above, in the present invention, it is desirable to form the oxide film by an anodic oxidation method. In the case of the same surface area, the capacity density can be increased by increasing the thickness of the oxide film. The treatment for thickening the oxide film may be heat treatment in an oxidizing atmosphere, but oxygen diffuses inside at a high temperature. In the anodic oxidation method, applicable metals are limited, but a high-quality oxide film with a uniform film thickness can be formed with good reproducibility. The anodic oxidation voltage and the oxide film thickness are substantially proportional to each other, and the oxide film thickness and capacity can be controlled by the anodic oxidation voltage. Anodization can be performed under general conditions using an aqueous phosphoric acid solution or the like.

前述のような酸化処理を施さなくても、自然酸化膜のみを酸化膜としてもよい。自然酸化膜は、コアとなる金属の種類にもよるが、通常、数〜数十nm程度の非常に薄い膜である。しかしながら、本発明のリチウム反応電極は、その表面積が非常に大きい構造を有するため、酸化膜が薄くても、体積当たりおよび質量当たりの容量密度が大きいリチウム反応電極を得ることができる。   Even if the oxidation treatment as described above is not performed, only the natural oxide film may be used as the oxide film. The natural oxide film is usually a very thin film of about several to several tens of nanometers although it depends on the type of metal as the core. However, since the lithium reaction electrode of the present invention has a structure with a very large surface area, a lithium reaction electrode having a large capacity density per volume and mass can be obtained even if the oxide film is thin.

本発明のリチウム反応電極は、金属多孔質体からなる電極においては、金属多孔質体の膜厚を厚くするほど、表面積が大きくなり、容量密度が大きくなるため、目的とする容量に併せて、金属多孔質体の膜厚を任意に選択することができるが、金属多孔質体の膜厚の目安としては、50μm以下であることが好ましい。これは、薄い電極形状を有することで、電解液の拡散が速くなり、従来のスラリー塗布法よりも高い反応性を得ることができるからである。   In the lithium reaction electrode of the present invention, in the electrode made of a metal porous body, as the thickness of the metal porous body is increased, the surface area is increased and the capacity density is increased. Although the film thickness of a metal porous body can be selected arbitrarily, as a standard of the film thickness of a metal porous body, it is preferable that it is 50 micrometers or less. This is because by having a thin electrode shape, the diffusion of the electrolyte solution is accelerated and a higher reactivity than the conventional slurry coating method can be obtained.

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(実施例1〜8)
先ず、厚さ50μmのタンタル箔からなる基板に、スパッタリング法により、タンタルからなる金属多孔質体を、以下のように形成した。
(Examples 1-8)
First, a porous metal body made of tantalum was formed on a substrate made of tantalum foil having a thickness of 50 μm by sputtering as follows.

直流スパッタリング装置(アルバック株式会社製、SH−450)にタンタル箔からなる基板を取り付け、高純度タンタルおよび高純度銅からなるターゲットを用いて、1.3Paのアルゴン雰囲気中で同時スパッタリングを行い、厚さが0.4μm、1μmおよび10μmのタンタル−銅複合層を形成した。この際、タンタルターゲットと、銅ターゲットへの投入電流比を変えることにより、タンタルと銅の組成が、体積分率にして、35%Ta、50%Taまたは65%Taのように、実施例ごとにそれぞれ制御した。   A substrate made of tantalum foil is attached to a direct current sputtering apparatus (manufactured by ULVAC, Inc., SH-450), and a target made of high-purity tantalum and high-purity copper is used for simultaneous sputtering in an argon atmosphere of 1.3 Pa. A tantalum-copper composite layer having a thickness of 0.4 μm, 1 μm, and 10 μm was formed. At this time, by changing the input current ratio to the tantalum target and the copper target, the composition of tantalum and copper is 35% Ta, 50% Ta or 65% Ta in terms of volume fraction. Respectively controlled.

その後、10-3Paの高真空中、650〜1000℃で2hの熱処理を行うことにより、タンタル相の粒子径を0.1〜0.7μmに変化させた。その後、1Nの硝酸に浸漬することにより、銅を除去して、タンタル箔からなる基板の上に、厚さが0.4μm、1μmおよび10μmで、タンタルからなる金属多孔質体を得た。 Then, the particle diameter of the tantalum phase was changed to 0.1 to 0.7 μm by performing a heat treatment at 650 to 1000 ° C. for 2 hours in a high vacuum of 10 −3 Pa. Thereafter, by immersing in 1N nitric acid, copper was removed, and a porous metal body made of tantalum having a thickness of 0.4 μm, 1 μm and 10 μm was obtained on a substrate made of tantalum foil.

本実施例では、金属多孔質体としてタンタルを用い、異相成分として銅を用いたが、異相成分としてタンタル中に介在させた銅は、いずれの実施例でも、硝酸エッチングにより多孔質体中のタンタルに対して、1質量%以下まで除去されていることを化学分析で確認した。従って、成膜時の銅の体積分率が、タンタルからなる金属多孔質体の空隙率に相当する。   In this example, tantalum was used as the metal porous body, and copper was used as the heterogeneous component. However, copper intervened in the tantalum as the heterophasic component was tantalum in the porous body by nitric acid etching in any of the examples. On the other hand, it was confirmed by chemical analysis that it was removed to 1% by mass or less. Therefore, the volume fraction of copper at the time of film formation corresponds to the porosity of the metal porous body made of tantalum.

次に、得られた金属多孔質体を基板と一体のまま用いて、0.6vol%の燐酸水溶液中でタンタル板を対極とし、35℃において、印加電圧を5Vおよび10Vのそれぞれで、陽極酸化処理を行うことにより、タンタルからなる金属多孔質体の表面に酸化膜を形成した。   Next, the obtained metal porous body was used as an integrated body with the substrate, and a tantalum plate was used as a counter electrode in a 0.6 vol% phosphoric acid aqueous solution. At 35 ° C., the applied voltage was 5 V and 10 V, respectively. By performing the treatment, an oxide film was formed on the surface of the metal porous body made of tantalum.

なお、自然酸化膜のみで、陽極酸化処理を行わない状態と、印加電圧が5Vで陽極酸化処理を行った状態とにおいて、断面のTEM観察から求めた酸化膜の膜厚は、それぞれ、約3nmおよび約9nmであった。従って、前述の陽極酸化条件でのタンタルの化成定数は、1.8nm/Vであり、印可電圧が5V以外では、陽極酸化処理で得られる酸化膜は、膜厚が1.8×(陽極酸化電圧)となることが分かり、実施例ごとに酸化膜の膜厚を算出した。   In addition, the thickness of the oxide film obtained by TEM observation of the cross section in the state where only the natural oxide film is not subjected to anodization and in the state where the anodization is performed at an applied voltage of 5 V is about 3 nm, respectively. And about 9 nm. Therefore, the formation constant of tantalum under the above-described anodic oxidation conditions is 1.8 nm / V, and when the applied voltage is other than 5 V, the oxide film obtained by the anodic oxidation treatment has a film thickness of 1.8 × (anodic oxidation). The oxide film thickness was calculated for each example.

さらに、真空中で、200℃×6hの乾燥を行って、リチウム反応電極を得た。   Further, drying at 200 ° C. × 6 h was performed in vacuum to obtain a lithium reaction electrode.

得られたリチウム反応電極を、10cm2の大きさに切断し、Cuリードをスポット溶接で取り付け、対極を厚さ0.3mmのリチウム箔(本城金属株式会社製)とし、セパレータ(日本高度紙株式会社製、TF4050)を用いて、アルミラミネートセルを作製した。電解液は、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の体積比が1:2である溶媒中に、1mol/Lの濃度でLiPF6が含まれる電解液(キシダ化学株式会社製、LBG−00018)を用いて、ドライボックス中でセルを組み立てて封止した。 The obtained lithium reaction electrode was cut to a size of 10 cm 2 , a Cu lead was attached by spot welding, the counter electrode was made a 0.3 mm thick lithium foil (Honjo Metal Co., Ltd.), and a separator (Nippon Advanced Paper) An aluminum laminate cell was manufactured using TF4050). The electrolytic solution is an electrolytic solution (LBG-, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) containing LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L in a solvent having a volume ratio of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) of 1: 2. 00018) was used to assemble and seal the cell in a dry box.

作製したアルミラミネートセルの評価は、充放電評価装置(株式会社計測器センター製)により、充電電流を0.3mA/cm2とし、カットオフ電圧を対Li/Li+電位0.01〜3Vの電圧範囲で、充放電測定を行なった。得られた放電容量と、電極面積および金属多孔質体の膜厚とから、面積当たりの初回充電容量および初回放電容量、初期クーロン効率、および、金属多孔質体の体積当たりの初回放電容量を算出した。 Evaluation of the produced aluminum laminate cell was performed by a charge / discharge evaluation apparatus (manufactured by Keiki Center Co., Ltd.) with a charging current of 0.3 mA / cm 2 and a cut-off voltage of Li / Li + voltage of 0.01 to 3V. In the range, charge / discharge measurement was performed. Calculate the initial charge capacity and initial discharge capacity per area, the initial coulomb efficiency, and the initial discharge capacity per volume of the metal porous body from the obtained discharge capacity, electrode area, and metal porous body thickness. did.

さらに、サイクル安定性の評価として、充放電50サイクル後の放電容量を測定し、(面積当たりの充放電50サイクル後の放電容量)/(面積当たりの初回放電容量)×100で表される容量保持率を算出した。結果を表1に示す。   Furthermore, as an evaluation of cycle stability, the discharge capacity after 50 cycles of charge / discharge was measured, and the capacity represented by (discharge capacity after 50 cycles of charge / discharge per area) / (initial discharge capacity per area) × 100. Retention was calculated. The results are shown in Table 1.

Figure 2009032429
Figure 2009032429

本発明の実施例1〜8は、いずれも、酸化膜によるリチウムイオンの吸放出に伴う充放電挙動を示し、良好な電極特性を示している。体積当たりの容量は、いずれも数百mAh/ccと大きい。特に、実施例2では、910mAh/ccと、電極化した状態で黒鉛の理論容量(837mAh/cc)をしのぐ容量となっている。また、初期クーロン効率は、約70〜85%であり、一部、不可逆容量が認められるが、2サイクル目以降のクーロン効率は98%以上で、良好である。   Examples 1 to 8 of the present invention all show charge / discharge behavior accompanying the absorption and release of lithium ions by the oxide film, and show good electrode characteristics. The capacity per volume is as large as several hundred mAh / cc. In particular, in Example 2, the capacity is 910 mAh / cc, which exceeds the theoretical capacity of graphite (837 mAh / cc) in an electrode state. The initial coulomb efficiency is about 70 to 85%, and some irreversible capacity is recognized, but the coulomb efficiency after the second cycle is 98% or more, which is good.

また、初回放電容量に対して、充放電50サイクル後の放電容量の割合である容量保持率を見ると、すべて90%以上を保持しており、サイクル特性も良好である。   In addition, looking at the capacity retention ratio, which is the ratio of the discharge capacity after 50 cycles of charge / discharge with respect to the initial discharge capacity, all of them are retained at 90% or more, and the cycle characteristics are also good.

実施例1では、活物質は自然酸化膜のみであるが、表面積が大きい構造のため、金属多孔質体の体積あたりで見ると、510mAh/ccもの可逆的な充放電特性を示している。   In Example 1, the active material is only a natural oxide film, but due to the structure having a large surface area, reversible charge / discharge characteristics of 510 mAh / cc are shown when viewed per volume of the metal porous body.

実施例2および3では、多孔質体の膜厚、陽極酸化電圧は同じで、粒子径を変化させる熱処理温度のみが異なっているが、表面積が大きい実施例2の方が、容量が大きくなっていることが分かる。   In Examples 2 and 3, the thickness of the porous body and the anodic oxidation voltage are the same, and only the heat treatment temperature for changing the particle diameter is different. However, Example 2 with a larger surface area has a larger capacity. I understand that.

実施例3、7、および8では、粒子径を変化させる熱処理温度は同じで、金属多孔質体の膜厚のみが異なっているが、金属多孔質体の膜厚が厚くなるにつれて、表面積が大きくなり、面積当たりの容量が大きくなっていることが分かる。   In Examples 3, 7, and 8, the heat treatment temperature for changing the particle diameter is the same and only the film thickness of the metal porous body is different. However, as the film thickness of the metal porous body increases, the surface area increases. Thus, it can be seen that the capacity per area is increased.

実施例3および6では、金属多孔質体の膜厚および粒子径は同じで、酸化膜の膜厚を変化させる陽極酸化電圧だけが異なっているが、陽極酸化電圧を2倍にした実施例6では、実施例3に比べて、面積当たりおよび体積当たりの容量が、約2倍になっており、酸化膜の膜厚に対応して、容量が得られていることが分かる。   In Examples 3 and 6, the film thickness and particle diameter of the metal porous body are the same, and only the anodization voltage for changing the film thickness of the oxide film is different. Then, compared with Example 3, the capacity | capacitance per area and volume is about 2 times, and it turns out that the capacity | capacitance is obtained according to the film thickness of an oxide film.

このように、表面積が大きく、粒子径が細かく、金属多孔質体の膜厚が厚いほど、また、酸化膜が厚く、陽極酸化電圧が高いほど、面積当たりおよび体積当たりの容量が大きい電極を得られることが分かる。   As described above, an electrode having a larger capacity per area and volume is obtained as the surface area is larger, the particle diameter is smaller, the metal porous body is thicker, the oxide film is thicker, and the anodizing voltage is higher. You can see that

(比較例1)
タンタルターゲットのみを使用して、10μmスパッタリングして、タンタル平滑膜を作製した以外は、表1に示した条件で、実施例と同様にリチウム反応電極を作製し、評価を行った。
(Comparative Example 1)
A lithium reaction electrode was prepared and evaluated in the same manner as in the example under the conditions shown in Table 1 except that a tantalum smooth film was prepared by sputtering using a tantalum target and 10 μm.

(比較例2〜5)
表1に示した条件で、実施例と同様にリチウム反応電極を作製し、評価を行った。
(Comparative Examples 2 to 5)
Under the conditions shown in Table 1, lithium reaction electrodes were prepared and evaluated in the same manner as in the examples.

比較例1は、異相を含まないタンタル100%であり、多孔質化していないので、比表面積が小さい。そのため、容量が著しく小さくなっている。また、比較例2は、成膜Ta密度が80%と高いために、容量が比較例1とほとんど変わらない。これらは、容量が小さいため、サイクル特性の測定は行なわなかった。また、比較例2は異相を含むが、量が少ないため、酸洗でも多孔質化せず、比較例1と同程度の比表面積しかないと考えられる。   Comparative Example 1 is 100% tantalum containing no heterogeneous phase and is not made porous, so that the specific surface area is small. Therefore, the capacity is remarkably reduced. Further, Comparative Example 2 has almost the same capacity as Comparative Example 1 because the film formation Ta density is as high as 80%. Since these had a small capacity, the cycle characteristics were not measured. Moreover, although the comparative example 2 contains a heterogeneous phase, since it is small in quantity, it does not become porous even by pickling and is considered to have only a specific surface area comparable to that of the comparative example 1.

成膜Ta密度の低い比較例3は、実施例2との対比で、成膜Ta密度のみを変えたが、実施例2に比べて初期の容量が小さく、また、サイクル劣化が著しい。これは、成膜Ta密度が低いために、タンタル相の接続点が少なく、安定したコア構造を保持できないためと考えられる。   In Comparative Example 3 with a low film formation Ta density, only the film formation Ta density was changed as compared with Example 2, but the initial capacity was smaller than that of Example 2, and the cycle deterioration was significant. This is presumably because the deposition Ta density is low, so there are few tantalum phase connection points and a stable core structure cannot be maintained.

熱処理温度の低い比較例4は、粒子径が小さく、高比表面積が期待されるにもかかわらず、実際の容量は小さい。これは、粒子が微細すぎて、安定したコア構造を保持できないこと、また、化成処理による酸化膜の形成で、体積が大きくなり、小さな空隙がつぶれてしまったり、金属コアが全部酸化して不連続となることによるものと考えられる。また、サイクル劣化が著しく、50サイクル後にはほとんど放電容量を示さなくなった。   In Comparative Example 4 where the heat treatment temperature is low, the actual capacity is small although the particle diameter is small and a high specific surface area is expected. This is because the particles are too fine to maintain a stable core structure, and the formation of an oxide film by chemical conversion treatment increases the volume, crushes small voids, or oxidizes the metal core completely. This is thought to be due to the continuous. Further, the cycle deterioration was remarkable, and the discharge capacity was hardly exhibited after 50 cycles.

酸化膜を厚くした比較例5は、大きな初期充電容量を示しているが、初回の放電でも放電量は充電量の50%しかない。さらに、サイクルと共に充放電容量は低下し、50サイクル後の容量保持率は25%に過ぎない。これは、酸化膜の膜厚が大きいため、リチウムの吸蔵放出に伴う体積変化も大きくなり、酸化膜の剥離などが生じたのではないかと考えられる。   Comparative Example 5 with a thick oxide film shows a large initial charge capacity, but the discharge amount is only 50% of the charge amount even in the first discharge. Furthermore, the charge / discharge capacity decreases with the cycle, and the capacity retention after 50 cycles is only 25%. This is thought to be because the change in volume associated with the insertion and extraction of lithium is increased due to the large thickness of the oxide film, and the oxide film is peeled off.

Claims (9)

金属多孔質体と、該金属多孔質体の表面に形成され、リチウムイオンと電気化学的に反応する酸化膜とからなるリチウム反応電極。   A lithium reaction electrode comprising a metal porous body and an oxide film formed on the surface of the metal porous body and electrochemically reacting with lithium ions. 前記金属多孔質体の比表面積が見かけ面積に対して10以上である請求項1に記載のリチウム反応電極。   The lithium reaction electrode according to claim 1, wherein a specific surface area of the metal porous body is 10 or more with respect to an apparent area. 前記金属多孔質体が、リチウムと合金化しないバルブ金属からなり、かつ、前記酸化膜が該バルブ金属の酸化膜である請求項1または2に記載のリチウム反応電極。   3. The lithium reaction electrode according to claim 1, wherein the metal porous body is made of a valve metal that is not alloyed with lithium, and the oxide film is an oxide film of the valve metal. 前記バルブ金属がタンタルである請求項3に記載のリチウム反応電極。   The lithium reaction electrode according to claim 3, wherein the valve metal is tantalum. 前記金属多孔質体の空隙率が30〜70%である請求項1〜4のいずれかに記載のリチウム反応電極。   The lithium reaction electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the porosity of the metal porous body is 30 to 70%. 前記金属多孔質体を構成する金属の平均粒子径が10nm以上、1μm以下である請求項1〜5のいずれかに記載のリチウム反応電極。   The lithium reaction electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein an average particle diameter of a metal constituting the metal porous body is 10 nm or more and 1 µm or less. 前記酸化膜の膜厚が100nm以下である請求項1〜6のいずれかに記載のリチウム反応電極。   The lithium reaction electrode according to claim 1, wherein the oxide film has a thickness of 100 nm or less. 前記金属多孔質体を、気相法で作製する請求項1〜7のいずれかに記載のリチウム反応電極を製造する方法。   The method for producing a lithium reaction electrode according to claim 1, wherein the metal porous body is produced by a vapor phase method. 前記酸化膜を、陽極酸化法により形成する請求項1〜8のいずれかに記載のリチウム反応電極を製造する方法。   The method for producing a lithium reaction electrode according to claim 1, wherein the oxide film is formed by an anodic oxidation method.
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