JP2009146712A - Negative electrode structure, lithium ion secondary battery, and manufacturing method for negative electrode structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に用いる負極構造体、リチウムイオン二次電池、および負極構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a negative electrode structure used for a lithium ion secondary battery, a lithium ion secondary battery, and a method for producing the negative electrode structure.
リチウムイオン二次電池の負極は、充放電時に負極活物質に対してリチウム(Li)が収蔵放出されるため体積変化が起こる。 The negative electrode of the lithium ion secondary battery undergoes volume change because lithium (Li) is stored and released with respect to the negative electrode active material during charge and discharge.
従来、このような負極活物質の体積変化による影響を回避するために、リチウムと合金化しない金属からなる集電体に複数の柱状凸部を設け、この凸部の上にのみ負極活物質を形成した技術がある(特許文献1)。 Conventionally, in order to avoid the influence due to the volume change of such a negative electrode active material, a plurality of columnar convex portions are provided on a current collector made of a metal that does not alloy with lithium, and the negative electrode active material is provided only on the convex portions. There is a technology formed (Patent Document 1).
この技術によれば、柱状に形成した負極活物質が集電体の凸部上にのみが存在するため、負極活物質が体積変化しても、その周囲の空間によって体積変化を吸収することができることとなっている。
しかしながら、従来の技術では負極活物質を空間を隔てて柱状に形成しているため、柱の周りに空間を形成した分、活物質が少なくなって充電容量が減ってしまうという問題がある。 However, in the conventional technique, since the negative electrode active material is formed in a columnar shape with a space between them, there is a problem that the amount of active material is reduced and the charging capacity is reduced by the amount of space formed around the column.
本発明の目的は、構造的な充電容量の減少を伴うことなく、充放電時における負極活物質の体積変化の影響を抑制することのできる負極構造体を提供することである。また、この負極構造体を用いることで、充放電時における体積変化を抑制したリチウムイオン二次電池を提供することである。さらに、充放電時における体積変化を抑制した負極構造体の製造方法を提供することである。 The objective of this invention is providing the negative electrode structure which can suppress the influence of the volume change of the negative electrode active material at the time of charging / discharging, without accompanying the reduction of structural charge capacity. Moreover, it is providing the lithium ion secondary battery which suppressed the volume change at the time of charging / discharging by using this negative electrode structure. Furthermore, it is providing the manufacturing method of the negative electrode structure which suppressed the volume change at the time of charging / discharging.
上記課題を解決するための本発明の負極構造体は、集電体と、この集電体上に設けられていて複数の開口部を有する絶縁層と、その上に形成された負極活物質層とを有する。そして負極活物質層は、この開口部部分で集電体と電気的に接続されていて、絶縁層上まで一体的に設けられている。 In order to solve the above problems, a negative electrode structure of the present invention includes a current collector, an insulating layer provided on the current collector and having a plurality of openings, and a negative electrode active material layer formed thereon And have. The negative electrode active material layer is electrically connected to the current collector at the opening, and is integrally provided up to the insulating layer.
また、上記課題を解決するための本発明のリチウムイオン二次電池は、上記負極構造体を用いた負極を有し、この負極と接するセパレータ、セパレータと接する正極と、を有する。 Moreover, the lithium ion secondary battery of this invention for solving the said subject has a negative electrode using the said negative electrode structure, has a separator which touches this negative electrode, and a positive electrode which touches a separator.
また、上記課題を解決するための本発明の負極構造体の製造方法は、集電体上に、絶縁層を形成し、その絶縁層に集電体が露出する複数の開口部を形成する。その後、開口部内を含み絶縁層上に負極活物質層を形成する。 Moreover, the manufacturing method of the negative electrode structure of this invention for solving the said subject forms an insulating layer on a collector, and forms the several opening part which a collector exposes to the insulating layer. Thereafter, a negative electrode active material layer is formed on the insulating layer including the inside of the opening.
本発明の負極構造体によれば、充放電時におけるリチウムイオンを局在化させて負極活物質の体積変化をその部分のみにすることができる。したがって、負極活物質全体に体積変化が及ぶのを抑制する。 According to the negative electrode structure of the present invention, it is possible to localize lithium ions at the time of charge and discharge and to change the volume of the negative electrode active material only to that portion. Therefore, it is possible to suppress the volume change from affecting the entire negative electrode active material.
本発明のリチウムイオン二次電池によれば、充放電時におけるリチウムイオンを負極内で局在化させて負極活物質の体積変化をその部分のみにすることができる。したがって、電池全体への体積変化を抑制する。 According to the lithium ion secondary battery of the present invention, lithium ions during charge / discharge can be localized in the negative electrode, and the volume change of the negative electrode active material can be limited to that portion. Therefore, the volume change to the whole battery is suppressed.
本発明の負極構造体の製造方法によれば、充放電時におけるリチウムイオンを局在化させるための構造を容易に形成するができる。 According to the method for producing a negative electrode structure of the present invention, a structure for localizing lithium ions during charge / discharge can be easily formed.
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本発明および明細書において、特に断りのない限り、絶縁層上とは、絶縁層に直接接触して設けられている場合、絶縁層から離れてまたは絶縁層に他の部材を介してその上にある場合の両方を含むものである。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present invention and the description, unless otherwise specified, when the insulating layer is provided in direct contact with the insulating layer, the insulating layer is separated from the insulating layer or the insulating layer via another member. Includes both of the above cases.
(実施形態1)
図1は、本発明を適用したリチウムイオン二次電池の構造を示す断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a lithium ion secondary battery to which the present invention is applied.
このリチウムイオン二次電池は、負極1、正極2、負極1と正極2の間に挟まれたセパレータ3よりなる。そして、負極1中の負極活物質層、正極2の中の正極活物質層、およびセパレータ3内に電解液(電解質)(不図示)が含浸されている。ここで負極1については本発明を適用した負極構造体を用いている。この負極構造体については後述する。
The lithium ion secondary battery includes a
正極2は、集電体21、正極活物質層22よりなる。
The
正極の集電体21は、たとえば銅、アルニミニウム、ニッケル、ステンレスなどの金属箔(または薄板) よりなる。
The
正極活物質層22は、放電時にイオンを吸蔵し、充電時にイオンを放出する組成を有する。好ましい一例としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物であるリチウム−遷移金属複合酸化物が挙げられる。具体的には、活物質として、たとえばスピネルマンガン系(LiMn2O4)、三元系層状酸化物系(Li(Mn,Co,Ni)O2)、オリビン系(LiFePO4)、ケイ酸塩系(Li2FeSiO4)、層状酸化物系(Li(Co および/または Ni)O2)などを用いることが好ましい。正極活物質層22は、これら活物質を粉末状にして基材(バインダー)と混ぜてスラリー状にしたのち、これを集電体の金属箔に塗布して乾燥、またはプレス形成したものである。基材としては、たとえばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTEF)などのフッ素樹脂や、あるいはこれらのフッ素樹脂の共重合体を使用することができる。
The positive electrode
セパレータ3は、ポリオレフィン系の材料が用いられる。たとえば、微孔性ポリエチレンフィルム、微孔性ポリプロピレンフィルム、微孔性エチレン−プロピレンコポリマーフィルムなどのポリオレフィン系樹脂、ならびにアラミド、ポリイミド、セルロースなどの多孔膜または不織布、これらの積層体などが挙げられる。セパレータ3中には、電解質液が含浸させられている。
The
電解質液は、たとえば非水電解液が用いられる。非水電解液は、非水溶媒に電解質を溶解することにより調製されている。非水溶媒としては、たとえば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、2種以上混合して使用しても良い。電解質としては、たとえば過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ素リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3SO3)2]等のリチウム塩を挙げることができる。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、通常は0.2mol/L〜2mol/L程度である。 For example, a non-aqueous electrolyte is used as the electrolyte. The nonaqueous electrolytic solution is prepared by dissolving an electrolyte in a nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), γ-butyrolactone (γ -BL), sulfolane, acetonitrile, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dimethoxypropane, dimethyl ether, tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran and the like. Nonaqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. Examples of the electrolyte include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium boron tetrafluoride (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsF 6 ), and lithium trifluoromethanesulfonate. Examples include lithium salts such as (LiCF 3 SO 3 ) and bistrifluoromethylsulfonylimide lithium [LiN (CF 3 SO 3 ) 2 ]. The amount of the electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is usually about 0.2 mol / L to 2 mol / L.
非水電解液を保持するポリマーとしては、たとえば、ポリエチレンオキサイド誘導体、ポリプロピレンオキサイド誘導体、前記誘導体を含むポリマー、ビニリデンフロライド(VdF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体等が挙げられる。 Examples of the polymer that holds the nonaqueous electrolytic solution include a polyethylene oxide derivative, a polypropylene oxide derivative, a polymer containing the derivative, a copolymer of vinylidene fluoride (VdF) and hexafluoropropylene (HFP), and the like.
なお、これら正極2の材料およびセパレータ3は、リチウムイオン二次電池に使用されているものであれば、本発明を実施する上で特に限定されない。したがって、例示した材料以外のものであっても使用することができる。
In addition, if the material of these
一方、負極1は、本発明の負極構造体を適用したものである。
On the other hand, the
図2は本実施形態における負極1の構造を説明するための斜視図であり、図3は同じく断面図である。
FIG. 2 is a perspective view for explaining the structure of the
負極1は、集電体11、絶縁層12、負極活物質層13を有する。集電体11と負極活物質層13とは、絶縁層12に設けられている複数の開口部15部分でのみ電気的に接続されている。開口部15には、集電体11と接合された導電性プラグ16が形成されている。負極活物質層13は、この導電性プラグ16に接合し、集電体11と電気的に接続されている。
The
導電性プラグ16の厚みは、絶縁層12の厚さより薄く形成されている。したがって、負極活物質層13は、この開口部15のある位置で、導電性プラグと接合した面と反対側の面が凹んだ形になる(図示凹部17)。つまり、断面で見るとセパレータ3と接する面側に凹部17が形成されることになる。
The
ただし、負極活物質層13は開口部15内の部分と絶縁層12上の部分が一体的に形成されている。したがって、開口部15への負極活物質層13の落ち込みがあまり深いと、負極活物質層13が開口部15のステップで切れてしまうので好ましくない。このため開口部15の深さ(すなわち絶縁層12の厚さ)と導電性プラグ16の厚さを調整して、負極活物質層13が開口部15のステップで切れないようにする。
However, in the negative electrode
具体的には、開口部15における導電性プラグ16までの深さは、導電性プラグ16形成時の導電膜51を絶縁層12上に残している場合(詳細後述)、(絶縁層12の厚さ+導電膜51の厚さ)−導電膜51の厚さとなる。したがって、絶縁層12の厚さ<負極活物質層13の厚さとすることが好ましい。これにより負極活物質層13の厚さが十分なため、開口部15内の部分と絶縁層12上の部分が一体的になった負極活物質層13を容易に形成することができる。
Specifically, the depth to the
ここでこの負極1(負極構造体)の作用を説明する。図4は、この構造の負極1の作用を説明するための説明図である。
Here, the effect | action of this negative electrode 1 (negative electrode structure) is demonstrated. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the operation of the
本実施形態1では、負極活物質層13と集電体11との電気接続は開口部15の部分のみとなる。このため、図4(a)に示すように、充電時には、集電体11からの電子にひきつけられたリチウムイオンが開口部15の部分に局在化して、その部分のリチウムイオン濃度が高くなる。このためリチウムイオンが局在化した部分でのみ負極活物質層13が膨張し、その他の部分での体積変化はほとんどない。しかも、本実施形態1では、負極活物質層13が開口部15内に落ち込んでいて、セパレータ3と当接している側がくぼんでいる。このため、開口部15にリチウムイオンが局在化して、その部分の体積が膨張した場合、凹部17部分がその膨張を吸収する。このため電池全体としての体積変化はほとんど生じることがない。
In the first embodiment, the electrical connection between the negative electrode
また、負極活物質層13が集電体11(ここでは導電性プラグ16)と接する部分は、その面積が小さいため、ホールペッチ則が働き、負極活物質層13における活物質の微粉化を抑制し、かつ負極活物質層13と集電体11との剥離を抑制する。したがって、このような接続構造をとることによって、リチウムイオン二次電池の充放電サイクル特性も向上させることが可能である。
In addition, since the area where the negative electrode
さらに、このような構造は、負極活物質層13と集電体11(ここでは導電性プラグ16)が接する部分に電流が流れる。このため充放電時やサイクル時に、過電流が流れた場合に破壊されやすくなっている。つまり、過電流が流れた際に、この接続部分(ここでは主に導電性プラグ部分)が破壊されて、一種のヒューズ機能が働き、それ以上電流が流れなくなる。したがって、このような構造をとることによって、リチウムイオン二次電池における過電流の防止もできる。
Further, in such a structure, a current flows through a portion where the negative electrode
このヒューズ機能については、具体的にはたとえば、負極活物質層13が厚さが100(nm)の純粋シリコン(比抵抗ρが1(kΩ・cm)以下)からなり、開口部15の開口直径が100(nm)、集電体11および導電性プラグ16が銅の場合を想定する。この場合、負極活物質層13と導電性プラグ16の接続部1箇所の接続抵抗は約1.3×1012(Ω)となる。したがって、この接続部1箇所の耐電流値は、1.4×10−7/√t(A)(ただし、tは秒)と表すことができる。ここで、tが1(sec)の際の耐電流値は1.4×10−7(A)となる。したがって、これ以上の電流が負極活物質層13と導電性プラグ16との接続部1箇所に流れた場合には、その部分が溶断することになる。
Specifically, for example, the negative electrode
なお、上述したヒューズ機能を説明するための条件はあくまでも一例である。実際のリチウムイオン二次電池製作に当たっては、一つひとつの開口部15の大きさ、および開口部15の数を電池全体として流すのに必要な電流に合わせて適宜決定するとよい。たとえば、大電流が必要な電池を製作する場合は開口部15の大きさを大きくしたり開口部15の数を多くする。逆に、通常時の充放電電流が少ないものについては、それよりわずかに多い程度の過電流が流れても即時溶断するように、開口部15の大きさを小さくし、またはその数を少なくするとよい。
The above-described conditions for explaining the fuse function are merely examples. When actually manufacturing a lithium ion secondary battery, the size of each
一方、図4(b)に示すように、集電体全面に負極活物質層が接触している場合は、充電時に負極活物質層全体に渡りリチウムイオンが入ってくる。このため、負極活物質層全体が膨張することになる。 On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the negative electrode active material layer is in contact with the entire surface of the current collector, lithium ions enter the entire negative electrode active material layer during charging. For this reason, the whole negative electrode active material layer expand | swells.
負極活物質層の体積変化は、その素材により異なる。たとえば、近年、高充電容量を示す活物質として注目されているSi(4000mAh/g)やSn(990mAh/g)の場合、充放電により約400〜600%の体積変化を示す。このため、集電体全面に負極活物質層が接触している場合には、充放電時の体積変化で、活物質粒子の微粉化や集電体からの剥離、電極構造の不安定化などが起こる可能性がある。 The volume change of the negative electrode active material layer varies depending on the material. For example, in recent years, Si (4000 mAh / g) and Sn (990 mAh / g), which have been attracting attention as active materials exhibiting a high charge capacity, exhibit a volume change of about 400 to 600% due to charge and discharge. For this reason, when the negative electrode active material layer is in contact with the entire surface of the current collector, the volume change during charging / discharging causes pulverization of the active material particles, separation from the current collector, destabilization of the electrode structure, etc. Can happen.
しかし、本実施形態1では、上述したように、このような体積変化が起こる部分が局所的であり、しかも、多数存在する開口部15内でのみ起こるようにしているため、電池全体に与える影響が非常に少ないのである。
However, in the first embodiment, as described above, the part in which such volume change occurs is local and only occurs in a large number of
次に、本実施形態で用いられる好ましい負極材料について説明する。 Next, a preferable negative electrode material used in the present embodiment will be described.
まず、集電体11は、リチウムと合金化しない組成の物質である。たとえば、ニッケル(Ni)や銅(Cu)、アルミニウム(Al)など通常リチウムイオン二次電池の負極側集電体として使用され得るものであれば、特に限定されない。また、導電性を付与したシリコン単結晶基板、シリコン多結晶基板なども使用可能である。
First, the
その厚さは、5μm以上500μm以下であることが好ましい。このような厚さの集電体11とすることで、電池の単位セル構造として非常に薄く形成することが可能となる。
The thickness is preferably 5 μm or more and 500 μm or less. By using the
また、機械的、電気的、化学的、あるいはこれらのいずれかを組み合わせた方法によって表面研磨し、表面の粗さRaが100nm以下が好ましい。このように表面粗さを少なくすることで、絶縁層12の密着性がよくなる。
Further, it is preferable that the surface is polished by a mechanical, electrical, chemical, or a combination thereof, and the surface roughness Ra is 100 nm or less. By reducing the surface roughness in this way, the adhesion of the insulating
次に、導電性プラグ16は、集電体同様にリチウムと合金化しない組成の物質を用いる。たとえば、集電体11と同様の組成を有する物質が好ましく、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)などの金属、シリコン単結晶やアモルファスシリコン、シリコン多結晶なども使用可能である。
Next, the
このような導電性プラグ16の形成方法としては、たとえば半導体分野におけるデバイス製造方法全般を用いることが可能である。具体的には、後述する複数の開口部15を有する絶縁層12の形成後、たとえば、金属の導電性プラグ16の場合には、抵抗加熱を用いた蒸着法、電子ビームやイオンビーム等を用いた蒸着法、スパッタ蒸着法、分子線エピタキシー法、パルスレーザ蒸着法、MOCVD法、無電解めっき法、電気めっき法等を用いることができる。
As a method for forming such a
なお、図においては、絶縁層12上にもこの導電性プラグ形成時の薄膜が存在するが(符号51で示す)、これは、開口部15内と絶縁層12上とで電気的接続が切れていれば、電池性能にはまったく影響しないのでそのままでもよい。しかし、導電性プラグ形成後、導電性プラグとして成膜した導電性膜が開口部15内から絶縁層12上まで電気的に接続しているような場合は、絶縁層12上の導電性プラグ形成時の薄膜は除去する。この点、電気めっき法を使用すれば、開口部15から露出した集電体部分がシードとなるため、その部分にのみ導電性プラグ16のための導電性膜が形成され、絶縁層12上には形成されない。
In the figure, there is a thin film when the conductive plug is formed also on the insulating layer 12 (indicated by reference numeral 51). This is because the electrical connection between the
同様に、単結晶やアモルファス、多結晶などのシリコンを用いる場合には、これらの製法に加え、さらにCVD法なども使用可能である。 Similarly, when silicon such as single crystal, amorphous, or polycrystalline is used, in addition to these manufacturing methods, a CVD method or the like can also be used.
これらによって形成される導電性プラグ16の物質状態は、特に限定されず、導電性があればどのような状態であってもよい。
The material state of the
次に、絶縁層12は、高絶縁性、高化学耐性を有する有機物、無機物、あるいはそれらを組み合わせた混合物や複合物を用いることが好ましい、特に感光性ポリイミドや感光性有機レジスト、無機レジストが製法上望ましい。
Next, the insulating
これらの感光性材料であれば、これらの感光材料を塗布後、マスクを用いたフォトリソグラフィーにより感光、硬化(ベーク処理)させることで、任意の大きさで任意の形状の開口部15を成形することが可能である。また、紫外線、レーザ、電子線を用いれば、感光材料を塗布後、マスクを用いることなく、直接描画によって、開口部形状を形成してもよい。絶縁層自体の形成方法は、スピンコートなど塗布法でよい。
In the case of these photosensitive materials, after applying these photosensitive materials, they are exposed and cured (baked) by photolithography using a mask, thereby forming the
絶縁層12の平均厚さは、絶縁層表面から(導電性プラグ系政治の薄膜がそのまま絶縁層12上にある場合には、その表面から)開口部15内の導電性プラグ16上までの深さが負極活物質層13の平均厚さよりも少なくなるようにする。これにより、上述したとおり、負極活物質層13が開口部15内と絶縁層12上で途切れることがなく一体化させることが容易となる。
The average thickness of the insulating
開口部15の平均の大きさとしては、たとえば、10nm〜2μmが好ましい。下限値10nmについては、絶縁層12の開口部15を通して負極活物質層13と集電体11が電気的に接続できる大きさであれば、この値以下であってもよい。しかし、製造方法を考慮した場合、現状では10nm程度とならざるを得ない。なお、ヒューズ機能を効果的に働かせるための観点からは、100nm以上とすることが好ましい。これは、100nm以下であると、自動車用など大型の電池を製作する場合にヒューズ機能が効きすぎてしまい大きな電流を取り出せなくなるおそれがあるためである。しかし、小型の電池であれば100nm未満であってもよく、ヒューズ機能として働かせたい電流により決定すればよい。一方、上限値については、2μm以下であれば、充放電時に負極活物質層13が膨張したとしても、周囲に与える影響が少ない。これは既に説明したように負極活物質層13はリチウムイオンの局在化によって膨張するため、本実施形態の構造では横方向にはほとんど膨張しないためである。これは、たとえば開口部の大きさを直径2μmの円形とし、開口部同士の間隔(隣接する開口部のエッジ間距離)を1μmとした場合に、開口部面積と開口部のない部分の面積との比は、約3.14(μm2):約5.86(μm2)で、約1.87倍違う。このため、後述するように開口部同士の間隔にもよるが、開口部面積と開口部のない部分の面積との比が約2倍近く違うので、負極活物質層13が開口部上で膨張したとしてもそれ以外の部分まで膨張が広がってしまうことはない。
The average size of the
隣接する開口部同士の間隔は、隣接する開口部のエッジ間距離が1μm以上離れていることが好ましい。これは、たとえば負極活物質層としてシリコンを使用した場合、シリコン中のリチウムの拡散係数が10−10〜10−12cm2/sec程度といわれている。たとえば、この値の大きい方である10−10cm2/secから、10時間充電を継続したとしても0.036μm2程度の拡散量となる。したがって、隣接する開口部間が1μm以上離れていれば、負極活物質層13が膨張したとしても隣接する開口部間で負極活物質層13の膨張した部分が押合って負極全体が盛り上がってしまうようなことはない。なお、このような値は、用いる部材などによっても異なるので、適宜調整すればよく、限定されるものではない。
The distance between adjacent openings is preferably such that the distance between the edges of adjacent openings is 1 μm or more. For example, when silicon is used as the negative electrode active material layer, the diffusion coefficient of lithium in silicon is said to be about 10 −10 to 10 −12 cm 2 / sec. For example, from the larger value of 10 −10 cm 2 / sec, even if charging is continued for 10 hours, the diffusion amount is about 0.036 μm 2 . Accordingly, if the adjacent openings are separated by 1 μm or more, even if the negative electrode
隣接する開口部同士の間隔の上限値については特に規定されない。しかし、電池として許容する電流量の関係から開口部の数を設定し(開口部の数が多ければ多くの電流を流すことができる)、その開口部の個数が1μm以上の間隔をあけて配置できるようにすればよい。 There is no particular limitation on the upper limit value of the interval between adjacent openings. However, the number of openings is set based on the amount of current allowed for the battery (if the number of openings is large, a large amount of current can flow), and the number of openings is arranged with an interval of 1 μm or more. You can do it.
また、開口部15の形状(パターン)としては、円形以外にも様々な形状が可能である。図5は開口部形状の例を示す図面である。例示するように、開口部15の形状は、円形のほか、三角形、四角形、五角形、六角形および八角形などの多角形、さらに線分状の溝形態(複数の線分形状)、十字形に交差する溝形態など様々なパターンを使用してもよい。なお、これら様々なパターンとした場合、その大きさは、上記の理由から、最小値については各パターンのもっとも小さく(狭く)なる部分が10nm、もっとも大きく(広く)なる部分が1μm程度となるようにすることが好ましい。
In addition, the shape (pattern) of the
次に、負極活物質層13は、リチウムと合金化する活物質であれば、通常、リチウムイオン二次電池に使用しているものであれば使用可能である。中でも、高い理論充電容量を示す炭素(C)(理論充電容量(以下同様):372(mAh/g))、シリコン(Si)(4000(mAh/g))、スズ(Sn)(990(mAh/g))が好ましい。特にシリコン(Si)はこれらの中でも理論充電容量が大きく、より好ましい材料である。これらの物質を電極材料として用いることで充電容量が高く、また、本実施形態1の接続構造をとることでサイクル特性が良く、安全性の高いリチウムイオン二次電池用電極とすることができる。
Next, as long as the negative electrode
また、これら活物質においては、たとえば、ホウ素(B)、アンチモン(Sb)、リン(P)、砒素(As)などの不純物を加えることで、負極活物質層13の導電性を制御することができる。なお、これら不純物の濃度は、利用形態に合わせて適宜調整すればよい。これにより負極活物質層13の電気伝導性を制御し、様々なヒューズ機能を付与し、かつリチウムとの反応速度も制御することができる。そしてこれにより、リチウムイオン二次電池の安全性および充放電速度を向上させることができる。
In these active materials, for example, the conductivity of the negative electrode
負極活物質層13の形成方法としては、半導体分野におけるデバイス製造方法全般を用いることが可能である。たとえば、抵抗加熱を用いた蒸着法、電子ビームやイオンビーム等を用いた蒸着法、スパッタ蒸着法、分子線エピタキシー法、パルスレーザ蒸着法、無電解めっき法、電気めっき等を使用可能である。
As a method for forming the negative electrode
より具体的には、シリコンの場合は、スパッタ蒸着法、CVD法、真空蒸着法、パルスレーザ蒸着法、分子線エピタキシー法、電子ビーム蒸着法、イオンビーム蒸着法、無電解めっき法などが使用されうる。 More specifically, in the case of silicon, sputtering deposition, CVD, vacuum deposition, pulsed laser deposition, molecular beam epitaxy, electron beam deposition, ion beam deposition, electroless plating, etc. are used. sell.
スズの場合は、真空蒸着法、CVD法、無電解めっき法、スパッタ蒸着法、パルスレーザ蒸着法、分子線エピタキシー法、電子ビーム蒸着法、イオンビーム蒸着法、電気めっき法などが使用されうる。 In the case of tin, a vacuum deposition method, a CVD method, an electroless plating method, a sputter deposition method, a pulse laser deposition method, a molecular beam epitaxy method, an electron beam deposition method, an ion beam deposition method, an electroplating method, or the like can be used.
炭素の場合は、スパッタ蒸着法、CVD法、真空蒸着法(カーボン棒の通電による)、パルスレーザ蒸着法、分子線エピタキシー法などが使用されうる。また、炭素は、開口部の大きさにもよるが、開口部内を十分に充填することができれば黒鉛を微粒子にして基材に混ぜて塗布、乾燥させることによって負極活物質層13として形成してもよい。
In the case of carbon, a sputter deposition method, a CVD method, a vacuum deposition method (by energizing a carbon rod), a pulse laser deposition method, a molecular beam epitaxy method, or the like can be used. In addition, although carbon depends on the size of the opening, if the inside of the opening can be sufficiently filled, the graphite is formed into fine particles, mixed with the base material, applied and dried to form the negative electrode
これら製造方法よる負極活物質層13の物質状態は、アモルファス状態、単結晶状態、多結晶状態となる。これら結晶性の状態とすることで、充放電特性がよくなる。
The material states of the negative electrode
負極活物質層13の平均厚さとしては500nm以下が望ましく、厚さの下限についてはリチウムイオン二次電池として正極2側からのリチウムイオンを全体として十分に保持できるものであればよい。
The average thickness of the negative electrode
次に、この負極1の製造方法の一例を説明する。図6は、負極1の製造方法を説明するために、工程ごとにわけて示した断面図である。
Next, an example of the manufacturing method of this
まず、図6(a)に示すように、集電体11上に、絶縁層12となる感光性材料を塗布する。続いて、感光性材料に所定パターンの開口部15を形成する。なお、絶縁層12および開口部15の形成方法は上述したとおりである。
First, as shown in FIG. 6A, a photosensitive material that becomes the insulating
次に、図6(b)に示すように、絶縁層12上から、導電性プラグ16となる導電性膜を形成する。なお、導電性プラグ16の形成方法は上述したとおりである。また、図においては絶縁層12上にも導電性膜51が成膜されるが、開口部15内に形成される導電性プラグ16とは電気的に接続されないようにそのまま残した場合を図示した。
Next, as shown in FIG. 6B, a conductive film that becomes the
次に、図6(c)に示すように、絶縁層12上(絶縁層12上の導電性薄膜51と導電性プラグ16の上)から、負極活物質層13を形成する。なお、負極活物質層13の形成方法は上述したとおりである。このとき、導電性プラグ16表面から絶縁層12上の導電性薄膜51表面までの段差の深さ分だけ、負極活物質層13がくぼんで形成されることになる。このくぼみが凹部17となる。
Next, as shown in FIG. 6C, the negative electrode
以上説明した本実施形態1によれば、負極1として、集電体11上に設けた絶縁層12の開口部15でのみ負極活物質層13と集電体11が電気的に接続されている。これにより、充放電時にはその部分にリチウムイオンが局在化する。このため、負極活物質層13の体積変化がこの部分でのみ起きるので負極活物質層13全体としての体積変化がないか、ごく少なくてすむ。また、負極活物質層13は、開口部15内に入り込むように形成されるので、開口部15と反対側の負極活物質層13表面(セパレータ3と接する側)がくぼむことになる。このため、充放電時にはこの凹部17部分が膨張して負極活物質層13の膨張を吸収することができる。しかも、負極活物質層13は開口部15内の部分と絶縁層12上の部分で一体的に形成されているので、凹部17があっても、その分負極活物質が減少することはない。したがって、充電容量が減ってしまうことがない。
According to the first embodiment described above, as the
また、本実施形態1の製造方法では、集電体11上に、順次、絶縁層12、導電性プラグ16を形成するだけで、自動的にこのような凹部17のある負極活物質層13を形成することができる。また、導電性プラグ16を用いたことで、開口部15の深さを調整し、負極活物質層13が一体化した状態で、確実に集電体と負極活物質層とを電気的に接続することができる。つまり開口部15が深くなりすぎて段差部分で負極活物質層13が切れてしまうことのないようにできる。
Further, in the manufacturing method of the first embodiment, the negative electrode
また、集電体11と負極活物質層13とは、開口部15においてのみ接続されることになる。このため、過電流が流れた際には、この微少な接続部分が容易に切れて、それ以上の電流が流れないようになる。
Further, the
また、本実施形態1では、負極活物質層13として、炭素、シリコン、スズを用いることで、より大きな充電容量を得ることができる。
In the first embodiment, a larger charge capacity can be obtained by using carbon, silicon, or tin as the negative electrode
また、負極活物質層13は、さらにホウ素、アンチモン、リン、砒素からなる群から選択された少なくとも一つの元素を、電気伝導度を制御するための不純物として添加することで、負極活物質層13の電気伝導性を高めて、急速充電を可能にすることができる。
Further, the negative electrode
そして、この負極1を用いたリチウムイオン二次電池は、全体としての充放電時における体積変化が少なくなる。したがって、内部での電極の剥離などといった不安定要因がなくなるため、耐久性がよく、充放電サイクルも向上する。
And the lithium ion secondary battery using this
(実施形態2)
図7は、実施形態2における負極1(負極構造体)を説明するための断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the negative electrode 1 (negative electrode structure) in the second embodiment.
本実施形態2における負極1は、導電性プラグ16と負極活物質層13との間にオーミックコンタクト層18を設けたものである。その他の構成、およびこの負極1を用いたリチウムイオン二次電池の構成は実施形態1と同様であるので説明を省略する。また、本実施形態2においても実施形態1と同様の作用効果を有するのでそれら同様の点については説明を省略する。
The
負極活物質層13として用いられる炭素、シリコン、およびスズは、半導体としての性質を有する。このため、これらからなる負極活物質層13が直接金属の導電性プラグ16と接するとショットキーバリアが形成されてしまう。バリア高さ(エネルギー障壁の高さ)は、負極活物質層13と導電性プラグ16のそれぞれの素材によって異なる。
Carbon, silicon, and tin used as the negative electrode
そこで、本実施形態2では、このショットキーバリアの影響をなくす(または少なくする)ために、この接続部分にオーミックコンタクト層18を設けたものである。
Therefore, in the second embodiment, in order to eliminate (or reduce) the influence of this Schottky barrier, an
なお、半導体デバイスのプロセスでは、ショットキーバリアはシリコンなどの膜の上に金属膜を成膜後、シンター処理を行うことで解消している。しかし、絶縁層12として樹脂材料を用いた場合は、シンター処理を行えるような高温の熱処理に耐えられないため、、本実施形態2では別途オーミックコンタクト層18を設けたものである。
In the semiconductor device process, the Schottky barrier is eliminated by performing a sintering process after forming a metal film on a film of silicon or the like. However, when a resin material is used as the insulating
オーミックコンタクト層18は、導電性の金属酸化物、導電性の有機物、導電性を付与した炭素(C)、ハフニウム(Hf)、アンチモン(Sb)などを形成する。形成方法は、半導体分野におけるデバイス製造方法全般を用いることが可能である。たとえば、導電性の金属酸化物、導電性の有機物、導電性を付与した炭素(C)については、分子線エピタキシー法が好ましい。ハフニウム(Hf)、アンチモン(Sb)などの金属については、抵抗加熱を用いた蒸着法、電子ビームやイオンビーム等を用いた蒸着法、スパッタ蒸着法、分子線エピタキシー法、パルスレーザ蒸着法、無電解めっき法、電気めっき法等が使用可能である。
The
オーミックコンタクト層18の厚さは、数nm〜1μmもあれば十分である。しかしそれ以上に厚くなっても、開口部15が全部埋まるほどの厚みとならなければ特に問題はない。これは、負極活物質層13が開口部内と絶縁層12上とで一体化させるためである。具体的には、絶縁層12上に、導電性プラグ16形成時の導電膜51とオーミックコンタクト層18形成時の薄膜52を残した状態の場合、開口部深さは(絶縁層12の厚さ+導電膜51の厚さ+薄膜52の厚さ)−(導電膜51+薄膜52の厚さ)となる。したがって、絶縁層12の厚さ<負極活物質層13の厚さとすることが好ましい。これにより負極活物質層13の厚さが十分なため、開口部15内の部分と絶縁層12上の部分が一体的になった負極活物質層13を容易に形成することができる。
It is sufficient that the
このような本実施形態2の製造方法としては、導電性プラグ16の形成後、オーミックコンタクト層18の形成工程を加えるだけで、そのほかの工程は実施形態1と同様でよい。
In such a manufacturing method of the second embodiment, after the formation of the
以上のように本実施形態2は、導電性プラグ16と負極活物質層13との接続部分にオーミックコンタクト層18を設けたものである。これにより導電性プラグ16と負極活物質層13との素材の間で起きるショットキーバリアによるエネルギー障壁をなくし(または少なく)して、電池内における不要な抵抗成分をなくす(または少なくする)ことができる。したがって、急速充電しやすくなる。また、オーミックコンタクト層18により、金属と半導体である負極活物質層13との物性の相違、たとえば組成、電子状態や結晶構造等に起因した不整合性を緩和することができる。
As described above, in the second embodiment, the
(実施形態3)
図8は、実施形態3の負極1(負極構造体)を説明するための断面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining the negative electrode 1 (negative electrode structure) of the third embodiment.
本実施形態3は、実施形態1における、開口部15内において集電体11と負極活物質層13の間の導電性プラグ16を省略したものである。すなわち、開口部15内において集電体11に直接負極活物質層13を接続したものである。
In the third embodiment, the
このように導電性プラグ16を省略しても、負極活物質層13は開口部15内でのみ集電体11と接続されるため、実施形態1と同じ作用、効果を得ることができる。
Even if the
この場合も、負極活物質層13が開口部15内でのみ集電体11と接続され、かつ、絶縁層12上まで一体化させておくために、負極活物質層13の厚さを絶縁層12の厚さより厚くすることが好ましい。
Also in this case, in order for the negative electrode
このように導電性プラグ16を省略することで、製造工程をその分短縮することが可能となる。そのほか本実施形態3においても、実施形態1と同様に、充放電時における体積変化の緩和作用、ヒューズ機能などの作用効果を得ることができる。
By omitting the
(実施形態4)
図9は、実施形態4の負極1(負極構造体)を説明するための断面図である。
(Embodiment 4)
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining the negative electrode 1 (negative electrode structure) of the fourth embodiment.
実施形態4は、導電性プラグ16を省略した場合において、集電体11と負極活物質層13の間にオーミックコンタクト層18を設けたものである。そのほかの部材や機能、作用は実施形態3と同様であるので説明を省略する。
In the fourth embodiment, when the
これは、実施形態2で説明したとおり、集電体11と負極活物質層13の素材によって発生するショットキーバリアをなくする(または少なく)ためである。したがって、本実施形態4のように集電体11と負極活物質層13の間にオーミックコンタクト層18を設けることで、金属の集電体11と半導体よりなる負極活物質層13とのショットキーバリアをなくし(少なくし)て、電池内部の導電性を改善することができる。
This is because the Schottky barrier generated by the material of the
以上本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。 Although the embodiment to which the present invention is applied has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment.
たとえば、上述した実施形態は、いずれも負極活物質層13の表面に凹部17ができるようにしている。この凹部17はその製造方法からおのずとできるものである。上述した実施形態は、この凹部17をうまく利用して充放電時における体積変化を緩和するために利用したものである。しかし、この凹部17はなくてもよい。すなわち、凹部17が非常に浅いかまたは全くない場合である。このような場合でも、集電体11と負極活物質層13との接続部分が開口部15内という微少部分のみとなっているため、体積変化もその微少な部分でのみ起こることにかわりはない。一方、負極活物質層13に接するセパレータは樹脂部材で形成され、さらに電解液によって膨潤している。このため微少部分での体積変化は、それらの柔軟性によって吸収される。したがって、凹部17が浅いかなく場合でも充放電時における電池全体の体積変化は緩和することができるのである。また、ヒューズ機能は、微少部分での接続状態により発揮されるものであるため、凹部17はまったくない場合でも機能するものである。
For example, in the above-described embodiments, the
さらに、集電体11、負極活物質層13、絶縁層12、導電性プラグ16、およびオーミックコンタクト層18などの素材、および正極2およびセパレータ3などの素材は、例示した素材以外であってもそれらの機能に適したものであれば適用可能である。
Furthermore, materials such as the
1 負極、
2 正極、
3 セパレータ、
11 集電体、
12 絶縁層、
13 負極活物質層、
15 開口部、
16 導電性プラグ、
17 凹部、
18 オーミックコンタクト層、
21 正極集電体、
22 正極活物質層。
1 negative electrode,
2 positive electrode,
3 separator,
11 Current collector,
12 Insulating layer,
13 negative electrode active material layer,
15 opening,
16 conductive plug,
17 recess,
18 ohmic contact layer,
21 positive electrode current collector,
22 Positive electrode active material layer.
Claims (15)
前記集電体上に設けられ、複数の開口部を有する絶縁層と、
前記開口部部分で前記集電体と電気的に接続され、前記絶縁層上まで一体的に設けられた負極活物質層と、
を有することを特徴とする負極構造体。 A current collector,
An insulating layer provided on the current collector and having a plurality of openings;
A negative electrode active material layer electrically connected to the current collector at the opening and integrally provided up to the insulating layer;
A negative electrode structure comprising:
前記集電体上に設けられ、充放電時にリチウム濃度が局在化する部分をもつようにした負極活物質層とを有し、
前記負極活物質層のリチウム濃度が局在化する部分に凹部を有することを特徴とする負極構造体。 A current collector,
A negative electrode active material layer provided on the current collector and having a portion where the lithium concentration is localized during charge and discharge;
A negative electrode structure having a recess in a portion where the lithium concentration of the negative electrode active material layer is localized.
前記負極と接するセパレータと、
前記セパレータと接する正極と、を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。 A negative electrode using the negative electrode structure according to any one of claims 1 to 10,
A separator in contact with the negative electrode;
A lithium ion secondary battery comprising: a positive electrode in contact with the separator.
前記絶縁層に、前記集電体が露出する複数の開口部を形成する段階と、
前記開口部内を含み、前記絶縁層上に負極活物質層を形成する段階と、
を有することを特徴とする負極構造体の製造方法。 Forming an insulating layer on the current collector;
Forming a plurality of openings in the insulating layer through which the current collector is exposed;
Forming a negative electrode active material layer on the insulating layer, including within the opening;
The manufacturing method of the negative electrode structure characterized by having.
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