JP2009164011A - Method of manufacturing electrode for lithium secondary battery - Google Patents

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弘雅 八木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a lithium secondary battery having high productivity and excellent cycle characteristics. <P>SOLUTION: A vacuum evaporator 100 includes a chamber 1, a vacuum pump 2, an evaporation source 3 and a vapor deposition region 20. The method includes a step (A), wherein there is arranged a collector 4 having a plurality of protrusions on its surface in the vapor deposition region and a first active material layer is formed by supplying a first evaporation material on the collector from the evaporation source along a direction inclined to a normal line N of the collector, and a step (B), wherein there is arranged a collector, on which the first active material layer is formed, in the vapor deposition region, and a second active material layer is formed by supplying a second evaporation material on the collector from the evaporation source along a direction inclined to a normal line of the collector. In the step (A), a product of a vacuum degree P<SB>1</SB>Pascal of the chamber and the minimum distance L<SB>(1)min</SB>meter of the surface of the collector and the evaporation source is ≥0.01, and in the step (B), a product of a vacuum degree P<SB>2</SB>Pascal of the chamber and the minimum distance L<SB>(2)max</SB>meter of the surface of the collector and the evaporation source is less than 0.01. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、リチウム二次電池用電極の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrode for a lithium secondary battery.

近年、携帯機器の小型化や多機能化が進み、これに伴って携帯機器の電源としての電池の高容量化が切望されている。この要求を満足し得る二次電池としてリチウムイオン二次電池が注目されている。   In recent years, the miniaturization and multi-functionalization of portable devices have progressed, and accordingly, the capacity of a battery as a power source for portable devices has been demanded. Lithium ion secondary batteries are attracting attention as secondary batteries that can satisfy this requirement.

現在市販されているリチウム二次電池では、正極にLiCoO2などのリチウム含有複合酸化物を用い、負極に炭素を用いている。負極活物質として炭素を用いると、リチウムイオンの吸収および放出の体積当たり容量の最大値(理論容量)は372mAh/gである。これに対し、リチウムイオン二次電池の容量をより高めるために、炭素よりも理論容量の高い負極活物質として、理論容量が4200mAh/gであるシリコン(Si)を用いることが提案され、シリコンを含む材料およびそのような材料を用いた負極構造が数多く検討されている。 In lithium secondary batteries currently on the market, a lithium-containing composite oxide such as LiCoO 2 is used for the positive electrode, and carbon is used for the negative electrode. When carbon is used as the negative electrode active material, the maximum value (theoretical capacity) per volume of lithium ion absorption and release is 372 mAh / g. On the other hand, in order to increase the capacity of the lithium ion secondary battery, it has been proposed to use silicon (Si) having a theoretical capacity of 4200 mAh / g as a negative electrode active material having a theoretical capacity higher than that of carbon. Numerous materials and negative electrode structures using such materials have been studied.

しかしながら、シリコンを含む材料は、リチウムイオンを吸蔵および放出する際に大きく膨張・収縮する。従って、金属箔などの集電体上に、シリコンを含む材料を用いた活物質層を形成した構造を有する負極では、体積変化の大きい活物質層に対し、集電体はほとんど伸縮しないので、充放電を繰り返すと、活物質層が集電体から剥離して充放電に寄与しなくなる可能性がある。また、そのような負極を捲回型電池に使用すると、負極活物質の膨張によって集電体が弾性変形領域を超えて伸びてしまい、その結果、負極板が挫屈するなどの電極変形を生じる可能性もある。活物質層の剥離や電極変形は、充放電サイクル特性を低下させる要因となる。   However, a material containing silicon expands and contracts greatly when inserting and extracting lithium ions. Therefore, in the negative electrode having a structure in which an active material layer using a material containing silicon is formed on a current collector such as a metal foil, the current collector hardly expands or contracts with respect to the active material layer having a large volume change. If charging / discharging is repeated, the active material layer may peel from the current collector and may not contribute to charging / discharging. Further, when such a negative electrode is used in a wound battery, the current collector extends beyond the elastic deformation region due to the expansion of the negative electrode active material, and as a result, electrode deformation such as the negative electrode plate being bent can occur. There is also sex. The separation of the active material layer and the electrode deformation are factors that deteriorate the charge / discharge cycle characteristics.

負極活物質の膨張および収縮に起因する活物質層の剥離や電極の変形を抑制するために、シート状の集電体表面に複数の活物質体を間隔を空けて配置することにより、負極活物質の膨張応力を緩和する空間を設ける構成が提案されている。   In order to suppress the peeling of the active material layer and the deformation of the electrode due to the expansion and contraction of the negative electrode active material, a plurality of active material bodies are arranged at intervals on the surface of the sheet-like current collector. A configuration has been proposed in which a space for relaxing the expansion stress of a substance is provided.

例えば特許文献1は、集電体の法線方向に対して斜め方向から負極活物質を蒸着することによって(斜め蒸着)、集電体の表面に複数の柱状の活物質体からなる活物質層を形成することを開示している。特許文献1の方法によると、後述するシャドウイング効果により、隣接する活物質体の間に活物質が膨張するための空隙を確保することができる。特許文献1には、活物質体の形成に使用するロールツーロール方式の蒸着装置の構成も開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses an active material layer composed of a plurality of columnar active material bodies on the surface of a current collector by depositing a negative electrode active material from an oblique direction with respect to the normal direction of the current collector (oblique deposition). Is disclosed. According to the method of Patent Document 1, it is possible to secure a gap for the active material to expand between adjacent active material bodies by a shadowing effect described later. Patent Document 1 also discloses a configuration of a roll-to-roll vapor deposition apparatus used for forming an active material body.

ここで、斜め蒸着によって複数の活物質体が形成される理由を説明する。表面に凹凸を有する集電体に対して蒸着材料を斜めから入射させると、集電体表面の各凸部は、蒸着材料の照射されない影となる領域を形成する。このため、斜め蒸着を行うと、蒸着材料は集電体の各凸部上に堆積しやすく、各凸部上に活物質体が柱状に成長する。活物質体が成長すると、活物質体自体も集電体に影を形成するので、集電体表面には、凸部および柱状に成長していく活物質体の影となり、蒸着材料が堆積しない領域が形成される(シャドウイング効果)。この結果、複数の活物質体が間隔を空けて配置された構造を有する活物質層を得ることができる。なお、活物質体の間隔は、蒸着方向および集電体の表面凹凸の大きさなどによって調整できる。   Here, the reason why a plurality of active material bodies are formed by oblique deposition will be described. When the vapor deposition material is incident obliquely on the current collector having irregularities on the surface, each convex portion on the surface of the current collector forms a shadow area that is not irradiated with the vapor deposition material. For this reason, when oblique vapor deposition is performed, the vapor deposition material is easily deposited on each convex portion of the current collector, and the active material body grows in a columnar shape on each convex portion. When the active material body grows, the active material body itself also forms a shadow on the current collector, so that the surface of the current collector becomes a shadow of the active material body that grows in the form of protrusions and columns, and no vapor deposition material is deposited. A region is formed (shadowing effect). As a result, an active material layer having a structure in which a plurality of active material bodies are arranged at intervals can be obtained. Note that the interval between the active material bodies can be adjusted by the deposition direction and the size of the surface irregularities of the current collector.

しかしながら、特許文献1の負極では、集電体上に複数の活物質体を間隔を空けて形成するために、各活物質体と集電体との接触面積が小さい。その上、集電体と活物質体との材質の違いにより両者の膨張率が異なるので、活物質体からなる活物質層と集電体との間の密着強度を十分に確保できず、集電体表面からの活物質層の剥離を十分に抑制できない可能性がある。   However, in the negative electrode of Patent Document 1, since a plurality of active material bodies are formed on the current collector at intervals, the contact area between each active material body and the current collector is small. In addition, since the expansion coefficient of the current collector and the active material body differs depending on the material, the adhesion strength between the active material layer made of the active material body and the current collector cannot be sufficiently secured, and the current collector is not. There is a possibility that peeling of the active material layer from the surface of the electric conductor cannot be sufficiently suppressed.

この問題を克服する手段として、特許文献2は、複数の活物質体からなる活物質層と集電体との間に、活物質層の材料と同様の材料を含み、かつ、集電体表面に対する被覆率の高い層を設けることを提案している。特許文献2に提案された構成によると、活物質層と集電体との密着性を大幅に改善できるので、活物質層の剥離を抑えて充放電サイクル特性を向上することができる。   As means for overcoming this problem, Patent Document 2 includes a material similar to the material of the active material layer between the active material layer composed of a plurality of active material bodies and the current collector, and the surface of the current collector It is proposed to provide a layer with a high coverage with respect to. According to the configuration proposed in Patent Document 2, since the adhesion between the active material layer and the current collector can be greatly improved, peeling of the active material layer can be suppressed and charge / discharge cycle characteristics can be improved.

なお、特許文献2に記載されているような被覆率の高い層を、その上に形成する活物質層と同様の斜め蒸着を用いて形成することは困難である。斜め蒸着では、蒸着方向および集電体表面の凹凸によってシャドウイング効果が生じ、蒸着材料が集電体の凸部上に選択的に堆積するので、集電体表面に対する被覆率を十分に高めることができないからである。   In addition, it is difficult to form a layer with a high coverage as described in Patent Document 2 using the same oblique deposition as the active material layer formed thereon. In oblique vapor deposition, the shadowing effect is generated by the vapor deposition direction and unevenness of the current collector surface, and the vapor deposition material is selectively deposited on the convex part of the current collector, so that the coverage on the current collector surface is sufficiently increased. It is because it is not possible.

そこで、特許文献2には、上記のような負極を製造する方法として、蒸着方向を変化させて2回の蒸着工程を行うことが提案されている。具体的には、集電体の法線方向から蒸着を行って集電体上に被覆率の高い層を形成した後、得られた層の上に、斜め蒸着によって複数の活物質体を形成する方法が記載されている(以下、「第1の方法」とする)。   Therefore, Patent Document 2 proposes to perform the vapor deposition step twice by changing the vapor deposition direction as a method of manufacturing the negative electrode as described above. Specifically, after vapor deposition is performed from the normal direction of the current collector to form a high coverage layer on the current collector, a plurality of active material bodies are formed on the obtained layer by oblique vapor deposition. (Hereinafter referred to as “first method”).

また、他の方法として、被覆率の高い層と活物質層とを同じ蒸着装置内で形成することも記載されている。この方法では、チャンバー内に、集電体表面に斜め方向から蒸着材料(例えばSi粒子)を入射させる領域(活物質層形成ゾーン)と、Si粒子をガス粒子との衝突などによって間接的に集電体表面に供給する領域(層形成ゾーン)とを設けた蒸着装置を用いる。まず、集電体を層形成ゾーンに配置し、ここで集電体表面に被覆率の高い層を形成する。この後、集電体を活物質層形成ゾーンに移動させ、被覆率の高い層が形成された集電体表面に複数の活物質体を形成する(以下、「第2の方法」とする)。
特開2005−196970号公報 国際公開第2007/094311号パンフレット
As another method, it is also described that a layer with a high coverage and an active material layer are formed in the same vapor deposition apparatus. In this method, a region (active material layer forming zone) where a deposition material (for example, Si particles) is incident on the current collector surface from an oblique direction in the chamber and the Si particles are indirectly collected by collision with gas particles. The vapor deposition apparatus provided with the area | region (layer formation zone) supplied to the electrical-conductor surface is used. First, the current collector is disposed in the layer formation zone, and a layer having a high coverage is formed on the current collector surface. Thereafter, the current collector is moved to the active material layer forming zone, and a plurality of active material bodies are formed on the surface of the current collector on which the layer having a high coverage is formed (hereinafter referred to as “second method”). .
JP-A-2005-196970 International Publication No. 2007/094311 Pamphlet

特許文献2に記載された第1の方法によると、蒸着方向が互いに異なる少なくとも2回の蒸着工程を行うために、それぞれの蒸着工程で用いる装置を別個に準備する必要がある。よって、製造コストが増大し、また、工程が複雑になるので製造効率が低下する可能性もある。   According to the first method described in Patent Document 2, in order to perform at least two vapor deposition steps having different vapor deposition directions, it is necessary to separately prepare an apparatus used in each vapor deposition step. Therefore, the manufacturing cost increases, and the manufacturing process becomes complicated, so that the manufacturing efficiency may be reduced.

また、特許文献2に記載された第2の方法によると、被覆率の高い層の組成や厚さを正確に制御したり、集電体表面の略全体を確実に覆う層を形成することが困難となる場合がある。従って、活物質層と集電体との密着性を効果的に向上させることができない可能性がある。   Further, according to the second method described in Patent Document 2, it is possible to accurately control the composition and thickness of a layer with a high coverage, or to form a layer that reliably covers substantially the entire surface of the current collector. It can be difficult. Therefore, there is a possibility that the adhesion between the active material layer and the current collector cannot be effectively improved.

このように、従来は、活物質の膨張応力を緩和するための空間を確保しつつ、活物質層と集電体との密着性を高めた構造を有するリチウム二次電池用電極を、生産性に優れたプロセスで製造することが困難であった。   Thus, conventionally, an electrode for a lithium secondary battery having a structure in which the adhesion between the active material layer and the current collector is enhanced while securing a space for relaxing the expansion stress of the active material has been achieved. It was difficult to manufacture by an excellent process.

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、高い生産性を確保しつつ、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池用電極を製造することにある。   This invention is made | formed in view of the said situation, The objective is to manufacture the electrode for lithium secondary batteries excellent in charging / discharging cycling characteristics, ensuring high productivity.

本発明のリチウム二次電池用電極の製造方法は、チャンバーと、前記チャンバーを排気するための真空ポンプと、前記チャンバー内に設置され、第1および第2蒸着材料を蒸発させる蒸発源と、前記蒸発した第1および第2蒸着材料が到達する領域内に形成された蒸着領域とを備えた真空蒸着装置を用いたリチウム二次電池用電極の製造方法であって、(A)表面に複数の凸部を有する集電体を前記蒸着領域に配置し、前記蒸発源から、前記集電体の法線方向に対して傾斜した方向に沿って前記集電体上に前記第1蒸着材料を供給して第1活物質層を形成する工程と、(B)前記第1活物質層が形成された集電体を前記蒸着領域(20)に配置し、前記蒸発源から、前記集電体の法線方向に対して傾斜した方向に沿って前記集電体上に前記第2蒸着材料を供給して第2活物質層を形成する工程とを包含する。前記工程(A)では、前記チャンバーの真空度P1パスカルと、前記集電体の表面と前記蒸発源との最小距離L(1)minメートルとの積は0.01以上であり、前記工程(B)では、前記チャンバー(1)の真空度P2パスカルと、前記集電体の表面と前記蒸発源との最大距離L(2)maxメートルとの積は0.01未満である。 The method for producing an electrode for a lithium secondary battery of the present invention includes a chamber, a vacuum pump for exhausting the chamber, an evaporation source installed in the chamber and evaporating the first and second evaporation materials, A method for producing an electrode for a lithium secondary battery using a vacuum vapor deposition apparatus comprising a vapor deposition region formed in a region where evaporated first and second vapor deposition materials reach, wherein (A) a plurality of electrodes are formed on a surface. A current collector having a convex portion is arranged in the vapor deposition region, and the first vapor deposition material is supplied from the evaporation source onto the current collector along a direction inclined with respect to a normal direction of the current collector. Forming a first active material layer, and (B) arranging the current collector on which the first active material layer is formed in the vapor deposition region (20), and from the evaporation source, On the current collector along a direction inclined with respect to the normal direction, the first Comprising a step of forming a second active material layer by supplying the vapor deposition material. In the step (A), the product of the vacuum degree P 1 Pascal of the chamber and the minimum distance L (1) min meter between the surface of the current collector and the evaporation source is 0.01 or more, In (B), the product of the degree of vacuum P 2 Pascal of the chamber (1) and the maximum distance L (2) max meters between the surface of the current collector and the evaporation source is less than 0.01.

本発明によると、同一の真空蒸着装置を用いて、真空蒸着装置のチャンバー内の真空度(Pa)と蒸発源から集電体表面までの距離(m)との積を調整することにより、集電体表面に対する被覆性の高い第1活物質層と、活物質の膨張のための空間をより多く含む第2活物質層とを形成することができる。よって、充放電の繰り返しによる活物質の集電体表面からの剥離や電極の変形が抑制されたリチウム二次電池用電極を効率的に製造できる。   According to the present invention, the same vacuum deposition apparatus is used to adjust the product of the degree of vacuum (Pa) in the chamber of the vacuum deposition apparatus and the distance (m) from the evaporation source to the current collector surface. A first active material layer having a high coverage with respect to the surface of the electric body and a second active material layer including more space for expansion of the active material can be formed. Therefore, it is possible to efficiently manufacture an electrode for a lithium secondary battery in which separation of the active material from the current collector surface and deformation of the electrode due to repeated charge and discharge are suppressed.

また、本発明の方法によると、第1および第2活物質層の形成を同一のチャンバー内で行うので、製造コストや製造工程数を低減できる。さらに、第1活物質層の組成や厚さを第2活物質層とは別個に制御できるので、第1および第2活物質層と集電体との密着強度を効果的に高めることができる。   Further, according to the method of the present invention, the first and second active material layers are formed in the same chamber, so that the manufacturing cost and the number of manufacturing steps can be reduced. Furthermore, since the composition and thickness of the first active material layer can be controlled separately from the second active material layer, the adhesion strength between the first and second active material layers and the current collector can be effectively increased. .

本発明の製造方法によれば、斜め蒸着を行うための蒸着装置を用いて、被覆率の高い第1活物質層と、活物質が膨張するための空間を有する第2活物質層とを連続して形成することができる。従って、充放電の繰り返しによる活物質の集電体からの剥離が抑制されたリチウム二次電池用電極を効率的に製造できる。また、第1および第2活物質層を形成するために別個の蒸着装置を用いる必要がないので、製造工程や製造コストを低減できる。   According to the manufacturing method of the present invention, a first active material layer having a high coverage and a second active material layer having a space for expanding the active material are continuously formed using a vapor deposition apparatus for performing oblique vapor deposition. Can be formed. Therefore, an electrode for a lithium secondary battery in which separation of the active material from the current collector due to repeated charge / discharge can be efficiently produced. Moreover, since it is not necessary to use separate vapor deposition apparatuses to form the first and second active material layers, the manufacturing process and manufacturing cost can be reduced.

本発明を適用すると、充放電の繰り返しによる活物質の剥離を抑えた電極が得られるので、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池を提供できる。   By applying the present invention, an electrode in which separation of the active material due to repeated charge / discharge is suppressed can be obtained, and thus a lithium secondary battery excellent in charge / discharge cycle characteristics can be provided.

はじめに、本発明によるリチウム二次電池用電極(以下、単に「電極」という)の製造方法の概略を説明する。   First, the outline of the manufacturing method of the electrode for lithium secondary batteries (henceforth only an "electrode") by this invention is demonstrated.

本発明による製造方法では、真空蒸着装置を用いて、表面に複数の凸部を有する集電体上に第1活物質層および第2活物質層をこの順に形成する。第1および第2活物質層の形成は、何れも、斜め蒸着によって行う。「斜め蒸着」とは、集電体の法線方向に対して傾斜した方向(蒸着方向)から集電体表面に蒸着材料を供給することによって、集電体上に蒸着膜を形成する方法をいう。また、本発明による製造方法は、第1および第2活物質層を形成する際に、真空蒸着装置のチャンバー内の真空度(Pa)と蒸発源から集電体表面までの距離(m)との積を調整することを特徴としている。これにより、集電体表面に対する蒸着粒子の入射方向を制御することが可能になる。   In the manufacturing method according to the present invention, the first active material layer and the second active material layer are formed in this order on a current collector having a plurality of convex portions on the surface using a vacuum deposition apparatus. The first and second active material layers are both formed by oblique vapor deposition. “Inclined vapor deposition” is a method of forming a vapor deposition film on a current collector by supplying a vapor deposition material to the current collector surface from a direction (vapor deposition direction) inclined with respect to the normal direction of the current collector. Say. In the manufacturing method according to the present invention, when the first and second active material layers are formed, the degree of vacuum (Pa) in the chamber of the vacuum deposition apparatus and the distance (m) from the evaporation source to the current collector surface It is characterized by adjusting the product of. Thereby, it is possible to control the incident direction of the vapor deposition particles with respect to the current collector surface.

本明細書では、上記「真空度(Pa)」はチャンバー内のガス圧力を意味する。また、「蒸発源から集電体表面までの距離」とは、蒸発源に保持された蒸着材料の上面(蒸発面)の中心と集電体表面との距離(以下、「蒸着距離」と呼ぶ)を指す。また、「蒸着粒子の入射方向」は、蒸着源から蒸発した蒸着粒子の、集電体表面に到達する直前の進行方向を指す。従って、蒸着粒子が他の粒子等と衝突することなく集電体表面に到達する場合には、その蒸着粒子の入射方向は、チャンバー内の蒸着領域と蒸発源との配置によって定まる方向(蒸着方向)と等しくなる。   In the present specification, the “vacuum degree (Pa)” means a gas pressure in the chamber. The “distance from the evaporation source to the current collector surface” refers to the distance between the center of the upper surface (evaporation surface) of the vapor deposition material held by the evaporation source and the current collector surface (hereinafter referred to as “evaporation distance”). ). The “incidence direction of vapor deposition particles” refers to the traveling direction of vapor deposition particles evaporated from the vapor deposition source immediately before reaching the current collector surface. Therefore, when the vapor deposition particles reach the current collector surface without colliding with other particles, the incident direction of the vapor deposition particles is determined by the arrangement of the vapor deposition region and the evaporation source in the chamber (deposition direction). ).

第1活物質層を形成する工程では、上述した真空度と蒸着距離との積を0.01以上とする。この積が0.01以上であれば、後述するように、蒸発源から蒸発した蒸着粒子の一部は、集電体表面に到達する前にチャンバー内の他のガス分子と衝突して散乱する。従って、蒸着粒子の入射方向の指向性が低くなり、蒸着粒子は、蒸着方向にかかわらず、より広い角度から集電体表面に入射する。その結果、集電体表面のうち凸部が形成されていない領域にも蒸着粒子が堆積するので、集電体表面に被覆性の高い第1活物質層が形成される。   In the step of forming the first active material layer, the product of the degree of vacuum and the deposition distance described above is set to 0.01 or more. If this product is 0.01 or more, as will be described later, a part of the vapor deposition particles evaporated from the evaporation source collides with other gas molecules in the chamber and scatters before reaching the current collector surface. . Therefore, the directivity in the incident direction of the vapor deposition particles is lowered, and the vapor deposition particles are incident on the current collector surface from a wider angle regardless of the vapor deposition direction. As a result, vapor deposition particles are deposited also in a region of the current collector surface where the convex portions are not formed, so that a first active material layer having high coverage is formed on the current collector surface.

一方、第2活物質層を形成する工程では、真空度と蒸着距離との積を0.01未満とする。この積が0.01未満であれば、蒸着粒子は、チャンバー内の他のガス分子と衝突しにくく、蒸着方向に沿って集電体表面に到達する可能性が高い。すなわち、蒸着粒子の入射方向の指向性の高い状態で蒸着が行われる。従って、蒸着粒子は、集電体表面の各凸部上に選択的に堆積して柱状に成長する。本明細書では、斜め蒸着によって各凸部上に形成された柱状体を「活物質体」と呼ぶ。隣接する活物質体の間には、上述したシャドウイング効果により、活物質体の膨張応力を緩和するための空隙が形成される。このようにして、複数の活物質体と、隣接する活物質体の間に形成された空隙とを含む第2活物質層が得られる。   On the other hand, in the step of forming the second active material layer, the product of the degree of vacuum and the vapor deposition distance is less than 0.01. If this product is less than 0.01, the vapor deposition particles hardly collide with other gas molecules in the chamber, and there is a high possibility of reaching the current collector surface along the vapor deposition direction. That is, vapor deposition is performed with high directivity in the incident direction of the vapor deposition particles. Therefore, the vapor deposition particles are selectively deposited on each convex portion on the surface of the current collector and grow in a columnar shape. In this specification, the columnar body formed on each convex part by diagonal vapor deposition is called an "active material body." Between adjacent active material bodies, voids for relaxing the expansion stress of the active material bodies are formed by the shadowing effect described above. In this way, a second active material layer including a plurality of active material bodies and voids formed between adjacent active material bodies is obtained.

上記積は、チャンバー内の真空度(ガス圧力)を変えることによって調整してもよい。例えば、第1活物質層を形成する際には、チャンバー内に酸素などのガスを導入してチャンバー内のガス圧力を高め、第2活物質層を形成する際には、チャンバー内に導入するガスの量を低減するか、あるいは、チャンバーへのガスの導入を停止してチャンバー内のガス圧力を低くしてもよい。   The product may be adjusted by changing the degree of vacuum (gas pressure) in the chamber. For example, when the first active material layer is formed, a gas such as oxygen is introduced into the chamber to increase the gas pressure in the chamber, and when the second active material layer is formed, the gas is introduced into the chamber. The amount of gas may be reduced or the introduction of gas into the chamber may be stopped to lower the gas pressure in the chamber.

このように、本発明によると、斜め蒸着を行うための真空蒸着装置を用いて、指向性の低い蒸着を行って第1活物質層を形成し、続いて、指向性の高い蒸着を行って第2活物質層を形成することができる。これにより、集電体上に被覆性の高い第1活物質層を形成し、この第1活物質層上に、膨張応力を緩和するための空隙を有する第2活物質層を形成することが可能になる。従って、充放電サイクル特性に優れた構造を有する電極を、製造コストや製造工程を増やすことなく効率的に製造できる。   Thus, according to the present invention, the first active material layer is formed by performing vapor deposition with low directivity using the vacuum vapor deposition apparatus for performing oblique vapor deposition, and subsequently performing vapor deposition with high directivity. A second active material layer can be formed. As a result, a first active material layer with high coverage is formed on the current collector, and a second active material layer having voids for relaxing expansion stress is formed on the first active material layer. It becomes possible. Therefore, an electrode having a structure excellent in charge / discharge cycle characteristics can be efficiently manufactured without increasing manufacturing costs and manufacturing steps.

なお、第1活物質層を形成する際に用いる蒸着材料と第2活物質層を形成する際に用いる蒸着材料とは同一であってもよいし、異なっていてもよい。同一の蒸着材料を用いると、第1および第2活物質層間のリチウムイオン吸蔵時の膨張率の差を抑えることができるので、これらの活物質層間の密着性を高めることができる。また、単一の蒸着源を使用して第1および第2活物質層を形成できるので有利である。   Note that the vapor deposition material used when forming the first active material layer and the vapor deposition material used when forming the second active material layer may be the same or different. When the same vapor deposition material is used, the difference in expansion coefficient between the first and second active material layers during occlusion of lithium ions can be suppressed, so that the adhesion between these active material layers can be enhanced. It is also advantageous because the first and second active material layers can be formed using a single vapor deposition source.

リチウムイオン二次電池の高容量化のためには、第1および第2活物質層を形成する際に用いる蒸着材料のうち少なくとも一方はケイ素(Si)を含むことが好ましい。より好ましくは、これらの蒸着材料が何れもケイ素を含む。これにより、リチウムイオン二次電池の容量をより効果的に高めることができる。   In order to increase the capacity of the lithium ion secondary battery, it is preferable that at least one of the vapor deposition materials used when forming the first and second active material layers contains silicon (Si). More preferably, each of these vapor deposition materials contains silicon. Thereby, the capacity | capacitance of a lithium ion secondary battery can be raised more effectively.

次に、真空蒸着装置のチャンバー内の真空度(Pa)と蒸発源から集電体表面までの距離(m)との積を調整することにより、集電体表面に対する蒸着材料の堆積位置の指向性を制御できる理由を説明する。ここでは、蒸発源としてSi源を用い、チャンバー内の真空度を調整するために、チャンバー内に酸素ガスを導入する場合を例に説明する。   Next, by adjusting the product of the degree of vacuum (Pa) in the chamber of the vacuum vapor deposition apparatus and the distance (m) from the evaporation source to the current collector surface, the deposition position of the vapor deposition material with respect to the current collector surface is directed. The reason why sex can be controlled will be explained. Here, a case where an Si source is used as the evaporation source and oxygen gas is introduced into the chamber in order to adjust the degree of vacuum in the chamber will be described as an example.

蒸発源から蒸発したSi原子の半径rSiを0.21nm(ファンデルワールス半径)、酸素分子の半径rO2を0.148nmとする。なお、酸素分子の半径rO2の値は、気体の粘性等のデータから剛体球モデルを利用して算出した値(W.J.Moore;物理化学第四版、東京化学同人)である。また、蒸発したSi原子同士の衝突が無いと仮定し、かつ、チャンバー内の酸素以外のガス分子の存在を無視すると、Si原子と酸素分子との衝突によって決まるSi原子の平均自由行程λSi(m)は、
λSi=1/[π×(rSi+rO22×(1+vO2 2/vSi 21/2×nO2] (式1)
となる。ここで、vO2は酸素分子の平均速度(m/s)、vSiはSi原子の平均速度(m/s)、nO2は酸素分子の密度(個/m3)である。vO2およびvSiは、酸素分子の温度TO2を300K、Si原子の温度TSiを2300Kとすると、マクスウェル−ボルツマンの分布則から、
O2≒450 (式2)
Si≒1300 (式3)
となる。また、理想気体の状態方程式より、nO2
O2=PO2/(k×TO2) (式4)
によって求められる。ここで、PO2は酸素分圧(Pa)、kはボルツマン定数(1.38×1023J/K)である。
The radius r Si of Si atoms evaporated from the evaporation source is 0.21 nm (Van der Waals radius), and the radius r O2 of oxygen molecules is 0.148 nm. Note that the value of the radius r O2 of the oxygen molecule is a value (WJ Moore; Physical Chemistry 4th Edition, Tokyo Kagaku Dojin) calculated from data such as gas viscosity using a hard sphere model. If it is assumed that there is no collision between evaporated Si atoms and the presence of gas molecules other than oxygen in the chamber is ignored, the mean free path λ Si of Si atoms determined by the collision between Si atoms and oxygen molecules m)
λ Si = 1 / [π × (r Si + r O2 ) 2 × (1 + v O2 2 / v Si 2 ) 1/2 × n O2 ] (Formula 1)
It becomes. Here, v O2 is the average velocity of oxygen molecules (m / s), v Si is the average velocity of Si atoms (m / s), and n O2 is the density of oxygen molecules (number / m 3 ). v O2 and v Si can be calculated from the Maxwell-Boltzmann distribution law, assuming that the temperature T O2 of the oxygen molecule is 300K and the temperature T Si of the Si atom is 2300K.
v O2 ≈ 450 (Formula 2)
v Si ≒ 1300 (Formula 3)
It becomes. From the equation of state of the ideal gas, n O2 is n O2 = P O2 / (k × T O2 ) (Formula 4)
Sought by. Here, P O2 is the oxygen partial pressure (Pa), and k is the Boltzmann constant (1.38 × 10 23 J / K).

上述した(式1)〜(式4)からλSiとPO2との関係を求めると、
λSi×PO2≒0.01 (式5)
となる。この関係を示すグラフを図1に示す。
When the relationship between λ Si and P O2 is obtained from (Equation 1) to (Equation 4) described above,
λ Si × P O2 ≒ 0.01 (Formula 5)
It becomes. A graph showing this relationship is shown in FIG.

蒸着距離L(m)が平均自由行程λSi以上のとき(L≧λSi)、すなわち
L×PO2≧0.01 (式6)
を満足するとき、蒸発源から蒸発したSi原子が集電体表面に到達する前に酸素分子と衝突する確率が1/2以上となる。従って、蒸発したSi原子のうち、集電体に入射する前にSi原子の進行方向が変化するSi原子の割合が高くなる。
When the deposition distance L (m) is equal to or greater than the mean free path λ Si (L ≧ λ Si ), that is, L × P O2 ≧ 0.01 (Formula 6)
Is satisfied, the probability that Si atoms evaporated from the evaporation source collide with oxygen molecules before reaching the current collector surface becomes 1/2 or more. Therefore, among the evaporated Si atoms, the proportion of Si atoms whose traveling direction changes before entering the current collector is increased.

一方、蒸着距離L(m)が平均自由行程λSi未満のとき(L<λSi)、すなわち
L×PO2<0.01 (式7)
を満足するとき、蒸発源から蒸発したSi原子のうち、酸素分子と衝突することなく集電体表面に到達するSi原子の割合が高くなる。従って、蒸発したSi原子の大部分が、所定の蒸着方向(集電体の法線方向に対して傾斜した方向)から集電体表面に入射し、集電体の凸部上に選択的に堆積する。
On the other hand, when the deposition distance L (m) is less than the mean free path λ Si (L <λ Si ), that is, L × P O2 <0.01 (Formula 7)
Is satisfied, the ratio of Si atoms that reach the current collector surface without colliding with oxygen molecules among Si atoms evaporated from the evaporation source increases. Therefore, most of the evaporated Si atoms are incident on the current collector surface from a predetermined deposition direction (a direction inclined with respect to the normal direction of the current collector), and selectively on the convex portions of the current collector. accumulate.

なお、上記(式6)および(式7)で示す関係においては、酸素以外の残留ガス圧が十分に小さければ、それらの残留ガスの分子とSi原子との衝突は無視できるので、蒸発したSi原子の挙動は残留ガスの有無にかかわらず略同じとみなすことができる。従って、チャンバー内の真空度Pを酸素分圧PO2と等しいとみなすことができる(P≒PO2)。この場合、上記(式6)および(式7)は、それぞれ、以下のようになる。
L×P≧0.01 (式6’)
L×P<0.01 (式7’)
本発明では、上記(式6’)を満足する条件で第1活物質層を形成するので、計算の上では、蒸発したSi原子の約1/2以上が散乱して、蒸着方向と異なる方向から集電体表面に入射することになる。その結果、一部のSi原子は、シャドウイング効果が生じない角度から集電体表面に入射し、集電体表面のうち凸部が形成されていない領域にも堆積する。このようにして、集電体表面との接触面積が大きく、密着性に優れた第1活物質層が得られる。なお、散乱せずに集電体表面に到達したSi原子は、シャドウイング効果によって集電体の凸部上に選択的に堆積するので、多くの場合、第1活物質層の厚さは、集電体表面の凸部上で凸部が形成されていない領域上よりも大きくなる。好ましくは、蒸着距離Lとチャンバー内の真空度との積が0.02以上となる条件で第1活物質層の形成を行う。これにより、より多くのSi原子が散乱してその進行方向を変えるので、密着性の高い第1活物質層をより確実に形成できる。また、第1活物質層のうち集電体表面の凸部上に位置する部分と凸部が形成されていない領域上に位置する部分との厚さの差を小さく抑えることができるので、第1活物質層の最大厚さを抑えつつ、集電体との密着性を高めることができる。
In the relationship shown in the above (Expression 6) and (Expression 7), if the residual gas pressure other than oxygen is sufficiently small, collisions between molecules of those residual gases and Si atoms are negligible. The behavior of atoms can be regarded as almost the same regardless of the presence or absence of residual gas. Therefore, the degree of vacuum P in the chamber can be regarded as being equal to the oxygen partial pressure P O2 (P≈P O2 ). In this case, (Equation 6) and (Equation 7) are as follows.
L × P ≧ 0.01 (Formula 6 ′)
L × P <0.01 (Formula 7 ′)
In the present invention, since the first active material layer is formed under the condition that satisfies the above (formula 6 ′), in calculation, about 1/2 or more of the evaporated Si atoms are scattered, and the direction is different from the deposition direction. Will enter the surface of the current collector. As a result, some of the Si atoms are incident on the current collector surface from an angle at which no shadowing effect occurs, and are also deposited in a region of the current collector surface where no protrusion is formed. In this way, a first active material layer having a large contact area with the current collector surface and excellent adhesion can be obtained. In addition, since the Si atoms that have reached the current collector surface without scattering are selectively deposited on the convex portions of the current collector due to the shadowing effect, in many cases, the thickness of the first active material layer is: It becomes larger on the convex portion of the current collector surface than on the region where the convex portion is not formed. Preferably, the first active material layer is formed under the condition that the product of the deposition distance L and the degree of vacuum in the chamber is 0.02 or more. Thereby, more Si atoms are scattered and the traveling direction thereof is changed, so that the first active material layer having high adhesion can be more reliably formed. In addition, since the thickness difference between the portion of the first active material layer located on the convex portion of the current collector surface and the portion located on the region where the convex portion is not formed can be suppressed, Adhesiveness with a current collector can be enhanced while suppressing the maximum thickness of one active material layer.

また、上記(式7’)を満足する条件で第2活物質層を形成するので、計算の上では、蒸発したSi原子の約1/2以上が所定の蒸着方向に沿って第1活物質層の表面に入射する。ここで、第1活物質層は、集電体の表面凹凸に起因した凹凸を有する。前述したように第1活物質層が集電体の凸部上で厚くなっている場合には、集電体の表面凹凸よりも段差の大きな凹凸を有する。そのため、蒸着方向から集電体表面に入射するSi原子は、シャドウイング効果によって、第1活物質層を介して、集電体の凸部上に選択的に堆積する。その結果、第1活物質層上に複数の柱状の活物質体が形成される。好ましくは、蒸着距離Lとチャンバー内の真空度との積が0.005未満となる条件で第2活物質層の形成を行う。これにより、活物質体の膨張空間をより確実に確保できる。   Further, since the second active material layer is formed under the condition satisfying the above (formula 7 ′), in calculation, about 1/2 or more of the evaporated Si atoms are in the first active material along the predetermined deposition direction. Incident on the surface of the layer. Here, the first active material layer has unevenness due to the surface unevenness of the current collector. As described above, when the first active material layer is thick on the convex portion of the current collector, the first active material layer has irregularities having a level difference larger than the surface irregularity of the current collector. Therefore, Si atoms incident on the current collector surface from the vapor deposition direction are selectively deposited on the convex portions of the current collector through the first active material layer due to the shadowing effect. As a result, a plurality of columnar active material bodies are formed on the first active material layer. Preferably, the second active material layer is formed under the condition that the product of the deposition distance L and the degree of vacuum in the chamber is less than 0.005. Thereby, the expansion space of an active material body can be ensured more reliably.

なお、上記では、チャンバー内に酸素ガスを導入した場合を例に説明を行ったが、酸素ガスの代わりに他のガス(例えばアルゴンなどの蒸着材料と反応しないガス)を導入した場合でも略同じ蒸着条件が算出される。従って、第1および第2活物質層を形成する際の真空度(Pa)と蒸着距離(m)との積の範囲は、チャンバー内に導入するガスの種類にかかわらず一定である。同様に、上記積の範囲は、Si以外の蒸着材料を用いた場合でも一定である。   In the above description, the case where oxygen gas is introduced into the chamber has been described as an example, but substantially the same even when another gas (for example, a gas that does not react with a deposition material such as argon) is introduced instead of the oxygen gas. Deposition conditions are calculated. Therefore, the range of the product of the degree of vacuum (Pa) and the deposition distance (m) when forming the first and second active material layers is constant regardless of the type of gas introduced into the chamber. Similarly, the product range is constant even when a vapor deposition material other than Si is used.

(実施形態)
以下、リチウム二次電池用の負極を製造する方法を例に実施形態を説明する。本実施形態では、ロールツーロール方式の真空蒸着装置を用いて、集電体上に被覆性の高い第1活物質層と、複数の活物質体からなる第2活物質層とをこの順で形成する。
(Embodiment)
Hereinafter, embodiments will be described by taking as an example a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery. In this embodiment, using a roll-to-roll vacuum deposition apparatus, a first active material layer having a high covering property on a current collector and a second active material layer composed of a plurality of active material bodies are arranged in this order. Form.

まず、図面を参照しながら、本実施形態で使用する真空蒸着装置の一例を説明する。   First, an example of a vacuum deposition apparatus used in the present embodiment will be described with reference to the drawings.

〈真空蒸着装置の構成〉
図2は、本発明による実施形態の蒸着装置を模式的に示す断面図である。
<Configuration of vacuum evaporation system>
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a vapor deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.

蒸着装置100は、チャンバー1と、チャンバー1の外部に設けられ、チャンバー1を排気するための排気ポンプ2と、図示しないがチャンバー1の外部からチャンバー1に酸素ガスなどのガスを導入するガス導入管とを備える。チャンバー1の内部には、蒸着原料12を蒸発させる蒸発源3と、シート状の基板(集電体)4を搬送するための搬送部と、搬送される集電体4と蒸発源3との間に配置され、蒸発源3から蒸発した蒸着原料12を遮蔽するマスク10a、10bと、ガス導入管に接続され、チャンバー1にガスを供給するためのガスノズル11とが設けられている。   The vapor deposition apparatus 100 is provided outside the chamber 1, the exhaust pump 2 for exhausting the chamber 1, and the gas introduction for introducing a gas such as oxygen gas into the chamber 1 from the outside of the chamber 1 (not shown). A tube. Inside the chamber 1, there are an evaporation source 3 for evaporating the vapor deposition raw material 12, a transport unit for transporting a sheet-like substrate (current collector) 4, and the current collector 4 and the evaporation source 3 to be transported. There are provided masks 10 a and 10 b which are arranged in between and shield the vapor deposition material 12 evaporated from the evaporation source 3, and a gas nozzle 11 which is connected to the gas introduction pipe and supplies gas to the chamber 1.

蒸発源3は、例えば蒸着原料12を収容する坩堝などの容器と、蒸着原料12を蒸発させるための加熱装置(図示せず)とを含み、蒸着材料12および容器は適宜着脱可能に構成されている。加熱装置としては、例えば抵抗加熱装置、誘導加熱装置、電子ビーム加熱装置などを用いることができる。蒸着を行う際には、坩堝内に収容された蒸着原料12が上記加熱装置によって加熱されて、その上面(蒸発源)12sから蒸発し、集電体4の表面に供給される。   The evaporation source 3 includes, for example, a container such as a crucible for storing the vapor deposition material 12 and a heating device (not shown) for evaporating the vapor deposition material 12, and the vapor deposition material 12 and the container are appropriately detachable. Yes. As the heating device, for example, a resistance heating device, an induction heating device, an electron beam heating device, or the like can be used. When performing vapor deposition, the vapor deposition raw material 12 accommodated in the crucible is heated by the heating device, evaporates from the upper surface (evaporation source) 12 s, and is supplied to the surface of the current collector 4.

搬送部は、集電体4を巻き付けて保持し得る第1および第2のロール5、9と、集電体4を案内するガイド部とを含む。ガイド部は、搬送ローラ6a、6bと、第1および第2のキャンロール7、8とを有し、これにより、集電体4の搬送経路が規定される。   The transport unit includes first and second rolls 5 and 9 that can wind and hold the current collector 4 and a guide unit that guides the current collector 4. The guide unit includes transport rollers 6 a and 6 b and first and second can rolls 7 and 8, thereby defining a transport path of the current collector 4.

本実施形態では、第1および第2のロール5、9の何れか一方が集電体4を繰り出し、上記ガイド部は繰り出された集電体4を搬送経路に沿って案内し、第1および第2のロール5、9の他方が集電体4を巻き取る。巻き取られた集電体4は、必要に応じて、上記他方のロールによってさらに繰り出され、搬送経路を逆方向に搬送される。このように、本実施形態における第1および第2のロール5、9は、搬送方向によって巻き出しロールとしても巻き取りロールとしても機能することができる。また、搬送方向の反転を繰り返すことによって、集電体4が蒸着領域20を通過する回数を調整できるので、所望の回数の蒸着工程を連続して実施できる。   In the present embodiment, any one of the first and second rolls 5 and 9 feeds out the current collector 4, and the guide unit guides the fed current collector 4 along the transport path, The other of the second rolls 5 and 9 winds up the current collector 4. The wound current collector 4 is further fed out by the other roll as necessary, and is transported in the reverse direction along the transport path. Thus, the 1st and 2nd rolls 5 and 9 in this embodiment can function as a winding roll and a winding roll depending on a conveyance direction. Moreover, since the frequency | count that the electrical power collector 4 passes the vapor deposition area | region 20 can be adjusted by repeating inversion of a conveyance direction, the vapor deposition process of a desired frequency | count can be implemented continuously.

第1スキャンロール7および第2スキャンロール8は、これらのロール7、8の間を搬送される集電体4の表面が蒸発面12sと対向するように配置されている。従って、集電体4の搬送経路のうち第1スキャンロール7および第2スキャンロール8との間に位置し、かつ、マスク10a、10bによって遮蔽された領域を除いた領域20が「蒸着領域」となる。ガスノズル11は、蒸着領域20を走行する集電体4の表面にガスを供給するように配置されている。   The first scan roll 7 and the second scan roll 8 are arranged so that the surface of the current collector 4 conveyed between these rolls 7 and 8 faces the evaporation surface 12s. Therefore, the area 20 excluding the area located between the first scan roll 7 and the second scan roll 8 in the transport path of the current collector 4 and shielded by the masks 10a and 10b is an “evaporation area”. It becomes. The gas nozzle 11 is disposed so as to supply gas to the surface of the current collector 4 that travels in the vapor deposition region 20.

本実施形態では、蒸発面12sから蒸発した蒸着材料が、蒸着領域20を走行する集電体4の法線方向に対して傾斜した方向(蒸着方向)から集電体4に入射するように、第1および第2スキャンロール7、8およびマスク10a、10bが配置されている。本明細書において、蒸着領域20を走行する集電体4と蒸発面12sとを結んだ直線と、そのときの集電体4の法線方向Nとのなす角度を「蒸着角度」とする。従って、図示する例では、蒸着領域20の第1スキャンロール側の端部20xで蒸着角度が最小になり、第2スキャンロール側の端部20yで蒸着角度が最大となる。本明細書では、蒸着領域20における蒸着角度の最小値を最小蒸着角度θmin、蒸着角度の最大値を最大蒸着角度θmaxという。ここでは、蒸着領域20における最小蒸着角度θminを20°以上、最大蒸着角度θmaxを85°以下とする。なお、最小蒸着角度θminは45°以上であることが好ましく、より好ましくは60°以上である。これにより、蒸着した活物質の膨張応力緩和に必要な空隙を確保できる。 In the present embodiment, the vapor deposition material evaporated from the evaporation surface 12s is incident on the current collector 4 from a direction (vapor deposition direction) inclined with respect to the normal direction of the current collector 4 traveling in the vapor deposition region 20. First and second scan rolls 7 and 8 and masks 10a and 10b are arranged. In this specification, an angle formed by a straight line connecting the current collector 4 traveling in the vapor deposition region 20 and the evaporation surface 12 s and the normal direction N of the current collector 4 at that time is referred to as a “vapor deposition angle”. Therefore, in the illustrated example, the vapor deposition angle is minimized at the end 20x on the first scan roll side of the vapor deposition region 20, and the vapor deposition angle is maximized at the end 20y on the second scan roll side. In this specification, the minimum value of the vapor deposition angle in the vapor deposition region 20 is referred to as the minimum vapor deposition angle θ min , and the maximum value of the vapor deposition angle is referred to as the maximum vapor deposition angle θ max . Here, the minimum deposition angle θ min in the deposition region 20 is set to 20 ° or more, and the maximum deposition angle θ max is set to 85 ° or less. In addition, it is preferable that minimum vapor deposition angle (theta) min is 45 degrees or more, More preferably, it is 60 degrees or more. Thereby, the space | gap required for expansion stress relaxation of the deposited active material is securable.

第1および第2のロール5、9、搬送ローラ6a、6bおよび第1および第2スキャンロール7、8は、例えば長さが600mmの円筒形を有しており、その長さ方向(すなわち搬送する集電体4の幅方向)が互いに平行になるようにチャンバー内に配置されている。図2では、これらの円筒形の底面に平行な断面のみが示されている。蒸発源3は、例えば蒸着原料12の蒸発面12sが、上記搬送部によって搬送される集電体4の幅方向に平行に十分な長さ(例えば600mm以上)を有するように構成されていてもよい。これによって、集電体4の幅方向に略均一な蒸着を行うことができる。なお、蒸発源3は、搬送される集電体4の幅方向に沿って配列された複数の坩堝から構成されていてもよい。さらに、ガスノズル11も、例えば搬送される集電体4の幅方向(図2に示す断面に垂直な方向)に沿って延びた管であり、その側面に、蒸着領域20にガスを噴出するための複数の出射口を有していてもよい。   The first and second rolls 5 and 9, the transport rollers 6a and 6b, and the first and second scan rolls 7 and 8 have, for example, a cylindrical shape having a length of 600 mm, and the length direction thereof (that is, transport) (The width direction of the current collector 4) is arranged in the chamber so as to be parallel to each other. In FIG. 2, only a cross section parallel to these cylindrical bottom surfaces is shown. The evaporation source 3 may be configured such that, for example, the evaporation surface 12s of the vapor deposition raw material 12 has a sufficient length (for example, 600 mm or more) parallel to the width direction of the current collector 4 conveyed by the conveyance unit. Good. Thereby, substantially uniform vapor deposition can be performed in the width direction of the current collector 4. The evaporation source 3 may be composed of a plurality of crucibles arranged along the width direction of the current collector 4 to be conveyed. Further, the gas nozzle 11 is also a pipe extending along the width direction (direction perpendicular to the cross section shown in FIG. 2) of the current collector 4 to be conveyed, for jetting gas to the vapor deposition region 20 on the side surface thereof. A plurality of exit ports may be provided.

<電極の作製方法>
以下、図3(a)〜(e)および前述した図2を参照しながら、本実施形態の電極の作製方法の一例を説明する。図3(a)〜(e)は、本実施形態の電極の作製方法を説明するための模式的な工程断面図である。
<Method for producing electrode>
Hereinafter, an example of a method for producing the electrode of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3A to 3E and FIG. 2 described above. 3A to 3E are schematic process cross-sectional views for explaining a method for manufacturing an electrode according to this embodiment.

まず、以下の方法で図3(a)に示すように、金属箔の表面に規則的な凹凸パターンを形成することにより、表面に複数の凸部42を有する集電体4を形成する。厚さが18μmの圧延銅箔(日本製箔製)上にネガ型フォトレジストを塗布し、対角線の長さが10μm×20μmのひし形のパターンが配置されたネガ型マスクを用いて、銅箔上のレジストフィルムを露光し、現像した。形成された溝に、電解法により銅粒子を析出させた。その後、レジストを除去して、凹部および凹部で区画された突出領域(10×20μmのひし形)を有する集電体を得た。金属箔として、例えば表面が粗化された銅箔であってもよく、市販されている表面粗さの大きい金属箔(凹凸箔)を用いることもできる。   First, as shown in FIG. 3A, the current collector 4 having a plurality of convex portions 42 on the surface is formed by forming a regular uneven pattern on the surface of the metal foil by the following method. On a copper foil using a negative mask on which a negative photoresist is applied on a rolled copper foil (made of Japanese foil) having a thickness of 18 μm and a rhombus pattern having a diagonal length of 10 μm × 20 μm is arranged. The resist film was exposed and developed. Copper particles were deposited in the formed grooves by an electrolytic method. Thereafter, the resist was removed to obtain a current collector having a recess and a protruding region (10 × 20 μm rhombus) partitioned by the recess. As the metal foil, for example, a copper foil having a roughened surface may be used, and a commercially available metal foil (uneven foil) having a large surface roughness can also be used.

次いで、図2に示す真空蒸着装置100の第1のロール5に集電体4を巻き付けて設置する。また、蒸発源3にSi源を用いる。さらに、ガスノズル11を、マスフローメータを介してチャンバー1の外部に配置した酸素ボンベ(図示せず)と接続する。   Next, the current collector 4 is wound around the first roll 5 of the vacuum vapor deposition apparatus 100 shown in FIG. Further, a Si source is used as the evaporation source 3. Further, the gas nozzle 11 is connected to an oxygen cylinder (not shown) disposed outside the chamber 1 through a mass flow meter.

この後、第1活物質層の形成を行う。まず、真空ポンプ2によってチャンバー1を排気する。蒸発源に電子ビームを照射し、電子ビーム電力を所定の値にする。チャンバー1に酸素ガスを導入して、チャンバー1内を所定の真空度P1に調整する。真空度P1は、蒸着領域20に配置される集電体4の表面と蒸発面12sとの距離(蒸着距離)をL1とすると、P1×L1≧0.01を満足する範囲で選択される。 Thereafter, the first active material layer is formed. First, the chamber 1 is evacuated by the vacuum pump 2. The evaporation source is irradiated with an electron beam, and the electron beam power is set to a predetermined value. Oxygen gas is introduced into the chamber 1 to adjust the inside of the chamber 1 to a predetermined degree of vacuum P 1 . Vacuum P 1, the distance between the arranged the collector 4 of the surface deposition region 20 and the evaporation surface 12s (the deposition distance) When L 1, with a range satisfying P 1 × L 1 ≧ 0.01 Selected.

チャンバー1の真空度P1は、チャンバー1の内部に設置された真空計(図示せず)を用いて測定される。なお、上記の関係はSi原子の平均自由行程を考慮して得られることから、上記関係の「真空度P1」は、正確には、チャンバー1内の蒸発面12sと蒸着領域20との間に真空計を配置して測定した真空度(ガス圧力)である。しかしながら、チャンバー1のガス圧力が十分に低い場合(例えば10-1Pa以下)、チャンバー1の内部のガス圧力は略均一となるので、チャンバー1内の真空計の位置によって測定値はほとんど変わらないと考えられる。よって、真空計の位置は特に限定されず、例えばチャンバー1の側壁に真空計を設置してチャンバー1内の真空度P1を測定してもよい。 The degree of vacuum P 1 of the chamber 1 is measured using a vacuum gauge (not shown) installed inside the chamber 1. In addition, since the above relationship is obtained in consideration of the mean free path of Si atoms, the “vacuum degree P 1 ” in the above relationship is precisely between the evaporation surface 12 s in the chamber 1 and the vapor deposition region 20. It is the degree of vacuum (gas pressure) measured by arranging a vacuum gauge. However, when the gas pressure in the chamber 1 is sufficiently low (for example, 10 −1 Pa or less), the gas pressure inside the chamber 1 becomes substantially uniform, so that the measurement value hardly changes depending on the position of the vacuum gauge in the chamber 1. it is conceivable that. Therefore, the position of the vacuum gauge is not particularly limited. For example, the vacuum gauge P 1 in the chamber 1 may be measured by installing a vacuum gauge on the side wall of the chamber 1.

本実施形態では、蒸着距離L1は、集電体4の幅方向に垂直な断面において、蒸着領域20に配置された集電体4の表面上の点と、蒸発面12sの中心とを結ぶ線分の長さを指す。従って、蒸着距離L1は、蒸着領域20における位置によって変化する。蒸着領域20における位置にかかわらず上述した関係を満足させるためには、蒸着距離L1の最小値(最小蒸着距離)L(1)minと真空度P1との積が0.01以上であればよい(P1×L(1)min≧0.01)。図示する例では、蒸着領域20のうち蒸発面12sに最も近い部分20xと蒸発面12sとの距離Lminが最小蒸着距離L(1)minとなる。 In the present embodiment, the vapor deposition distance L 1 connects a point on the surface of the current collector 4 disposed in the vapor deposition region 20 and the center of the evaporation surface 12 s in a cross section perpendicular to the width direction of the current collector 4. Refers to the length of the line segment. Therefore, the deposition distance L 1 varies depending on the position in the deposition region 20. It is in order to satisfy the relationship described above regardless of the position in the deposition region 20, the minimum value of the deposition distance L 1 at (minimum evaporation distance) L (1) min and the product of the degree of vacuum P 1 is 0.01 or more (P 1 × L (1) min ≧ 0.01). In the illustrated example, the distance L min between the portion 20x of the vapor deposition region 20 closest to the evaporation surface 12s and the evaporation surface 12s is the minimum vapor deposition distance L (1) min .

続いて、集電体4を第1のロール5から繰り出し、搬送ローラ6aおよび第1スキャンロール10aによって蒸着領域20に導く。蒸着領域20を走行する集電体4には、蒸発源3から蒸発したSi原子が供給される。   Subsequently, the current collector 4 is unwound from the first roll 5 and guided to the vapor deposition region 20 by the transport roller 6a and the first scan roll 10a. The Si atoms evaporated from the evaporation source 3 are supplied to the current collector 4 traveling in the vapor deposition region 20.

このとき、図3(b)に示すように、集電体4の法線方向に対して傾斜した方向Dから供給されるSi原子の一部は、集電体4の表面に到達する前に酸素ガスや他のSi原子と衝突し、その進行方向が変化する。従って、Si原子の一部は、蒸着方向Dと異なる方向から集電体4に入射する。   At this time, as shown in FIG. 3B, a part of Si atoms supplied from the direction D inclined with respect to the normal direction of the current collector 4 reaches the surface of the current collector 4. It collides with oxygen gas and other Si atoms, and its traveling direction changes. Accordingly, some of the Si atoms enter the current collector 4 from a direction different from the vapor deposition direction D.

その結果、図3(c)に示すように、進行方向が変化した一部のSi原子は、集電体4の凸部42のみでなく、凸部42が形成されていない領域にも入射し、酸素と反応してケイ素酸化物となる(反応性蒸着)。一方、蒸着方向Dに沿って集電体4まで到達したSi原子は、シャドウイング効果により、集電体4の凸部42上のみに入射し、酸素と反応してケイ素酸化物となる。このようにして、ケイ素酸化物からなる第1活物質層45を得る。図示する例では、得られた第1活物質層45のうち集電体4の凸部42上に位置する部分45aは、凸部42が形成されていない領域上に位置する部分45bよりも厚くなる。   As a result, as shown in FIG. 3C, some Si atoms whose traveling direction has changed are incident not only on the convex portions 42 of the current collector 4 but also on the regions where the convex portions 42 are not formed. Reacts with oxygen to form silicon oxide (reactive vapor deposition). On the other hand, Si atoms that have reached the current collector 4 along the vapor deposition direction D are incident only on the convex portions 42 of the current collector 4 due to the shadowing effect, and react with oxygen to form silicon oxide. In this way, the first active material layer 45 made of silicon oxide is obtained. In the illustrated example, the portion 45a located on the convex portion 42 of the current collector 4 in the obtained first active material layer 45 is thicker than the portion 45b located on the region where the convex portion 42 is not formed. Become.

第1活物質層45が形成された後の集電体4は、第2スキャンロール8および搬送ローラ6bによって第2のロール9まで搬送され、第2のロール9によって巻き取られる。   The current collector 4 after the first active material layer 45 is formed is transported to the second roll 9 by the second scan roll 8 and the transport roller 6 b and is taken up by the second roll 9.

次に、第2活物質層の形成を行う。まず、チャンバー1に導入する酸素ガスの流量を抑えるか、あるいは、酸素ガスの導入を停止して、チャンバー1内を所定の真空度P2に調整する。真空度P2は、蒸着領域20に配置される集電体4の表面と蒸発面12sとの距離(蒸着距離)をL2とすると、P1×L2<0.01を満足する範囲で選択される。なお、本実施形態では、第2活物質層を形成する際の蒸着距離L2は第1活物質層を形成する際の蒸着距離L1と同じである。蒸着領域20における位置にかかわらず上述した関係を満足させるためには、蒸着距離L2の最大値(最大蒸着距離)L(2)maxと真空度P2との積が0.01未満であればよい(P2×L(2)max<0.01)。図示する例では、蒸着領域20のうち蒸発面12sから最も離れた部分20yと蒸発面12sとの距離Lmaxが最小蒸着距離L(2)maxとなる。 Next, a second active material layer is formed. First, it suppresses the flow rate of oxygen gas to be introduced into the chamber 1, or by stopping the introduction of oxygen gas, to adjust the chamber 1 to a predetermined vacuum level P 2. Vacuum P 2, the distance between the arranged the collector 4 of the surface deposition region 20 and the evaporation surface 12s (the deposition distance) When L 2, in a range satisfying P 1 × L 2 <0.01 Selected. In this embodiment, the vapor deposition distance L 2 when forming the second active material layer is the same as the vapor deposition distance L 1 when forming the first active material layer. To satisfy the relationships described above regardless of the position in the deposition region 20, the maximum value (maximum deposition distance) of the deposition distance L 2 L (2) the product of the max and the degree of vacuum P 2 is any smaller than 0.01 (P 2 × L (2) max <0.01). In the illustrated example, the distance L max between the evaporation surface 12s and the portion 20y farthest from the evaporation surface 12s in the evaporation region 20 is the minimum evaporation distance L (2) max .

次いで、集電体4を第2のロール9から繰り出し、搬送ローラ6bおよび第2スキャンロール10bによって蒸着領域20に導く。蒸着領域20を走行する集電体4には、蒸発源3から蒸発したSi原子が供給される。   Next, the current collector 4 is unwound from the second roll 9 and guided to the vapor deposition region 20 by the transport roller 6b and the second scan roll 10b. The Si atoms evaporated from the evaporation source 3 are supplied to the current collector 4 traveling in the vapor deposition region 20.

このとき、図3(d)に示すように、集電体4の法線方向に対して傾斜した方向DからSi原子が供給される。前述したように、P1×L2<0.01の条件下では、Si原子が集電体4の表面に到達する前に酸素ガスと衝突する確率は低いので、大部分のSi原子は、蒸着方向Dに沿って、第1活物質層45のうち集電体4の凸部42上に位置する部分45aに選択的に入射する。 At this time, as shown in FIG. 3D, Si atoms are supplied from the direction D inclined with respect to the normal direction of the current collector 4. As described above, under the condition of P 1 × L 2 <0.01, the probability that the Si atoms collide with the oxygen gas before reaching the surface of the current collector 4 is low. Along the deposition direction D, the first active material layer 45 selectively enters the portion 45 a located on the convex portion 42 of the current collector 4.

その結果、図3(e)に示すように、集電体4の各凸部42上に、第1活物質層45を介して、ケイ素またはケイ素酸化物からなる活物質体47が形成される。各活物質体47は、蒸着方向Dに起因して、集電体4の法線方向に対して傾斜した方向に成長し、これにより、複数の活物質体47からなる第2活物質層48が得られる。隣接する活物質体47の間には、活物質体47が膨張するための空間47’が形成される。   As a result, as shown in FIG. 3E, an active material body 47 made of silicon or silicon oxide is formed on each convex portion 42 of the current collector 4 via the first active material layer 45. . Each active material body 47 grows in a direction inclined with respect to the normal line direction of the current collector 4 due to the vapor deposition direction D, whereby the second active material layer 48 composed of a plurality of active material bodies 47. Is obtained. A space 47 ′ for expanding the active material body 47 is formed between the adjacent active material bodies 47.

第2活物質層48が形成された後の集電体4は、第1スキャンロール10aおよび搬送ローラ6aによって搬送され、第1のロール5で巻き取られる。このようにして、集電体4の上に第1および第2活物質層45、48を有する電極200を得る。   The current collector 4 after the second active material layer 48 is formed is transported by the first scan roll 10 a and the transport roller 6 a and wound up by the first roll 5. In this way, the electrode 200 having the first and second active material layers 45 and 48 on the current collector 4 is obtained.

上記方法によると、同一の蒸着領域20を利用して第1活物質層45および第2活物質層48を形成できる。従って、より簡便で小型の蒸着装置を用いて効率的に電極200を作製できるので有利である。   According to the above method, the first active material layer 45 and the second active material layer 48 can be formed using the same vapor deposition region 20. Therefore, the electrode 200 can be efficiently produced using a simpler and smaller vapor deposition apparatus, which is advantageous.

第1活物質層45は、集電体4の表面の略全体を覆う連続膜(いわゆるベタ膜)であることが好ましい。集電体4の表面に対する被覆率が高くなり、集電体4と第1活物質層45との密着性をより高めることができるからである。   The first active material layer 45 is preferably a continuous film (so-called solid film) that covers substantially the entire surface of the current collector 4. This is because the coverage of the surface of the current collector 4 is increased, and the adhesion between the current collector 4 and the first active material layer 45 can be further increased.

第1活物質層45の厚さH1は、例えば0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。0.1μm以上であれば、活物質の集電体4からの剥離を効果的に抑制できる。一方、10μmを超えると、第1活物質層45の膨張によって集電体4が変形する可能性がある。ここでいう「第1活物質層45の厚さH1」は、図3(c)に示すように、集電体4の凸部42の上面または頂点から第1活物質層45の上面までの、集電体4の法線方向Nに沿った距離を指す。 The thickness H 1 of the first active material layer 45 is preferably not less than 0.1 μm and not more than 10 μm, for example. If it is 0.1 micrometer or more, peeling from the electrical power collector 4 of an active material can be suppressed effectively. On the other hand, if the thickness exceeds 10 μm, the current collector 4 may be deformed by the expansion of the first active material layer 45. The “thickness H 1 of the first active material layer 45” here is from the upper surface or vertex of the convex portion 42 of the current collector 4 to the upper surface of the first active material layer 45 as shown in FIG. Of the current collector 4 along the normal direction N.

第2活物質層48の厚さH2は、例えば5μm以上20μm以下であることが好ましい。5μm以上であれば十分な容量を確保できる。一方、厚さH2が20μmを超えると、活物質体47のアスペクト比が大きくなるために、活物質体47の折れ等の破損が起こりやすくなるため、特性劣化の要因となる可能性がある。ここでいう「第2活物質層47の厚さH2」は、図3(e)に示すように、第1活物質層45の上面から活物質体47の上面までの、集電体4の法線方向Nに沿った距離を指す。 The thickness H 2 of the second active material layer 48 is preferably not less than 5 μm and not more than 20 μm, for example. If it is 5 μm or more, a sufficient capacity can be secured. On the other hand, if the thickness H 2 exceeds 20 μm, the aspect ratio of the active material body 47 becomes large, and the active material body 47 is likely to be broken or the like, which may cause deterioration of characteristics. . The “thickness H 2 of the second active material layer 47” here is the current collector 4 from the upper surface of the first active material layer 45 to the upper surface of the active material body 47 as shown in FIG. The distance along the normal direction N of

なお、上記方法では、集電体4が蒸着領域20を2回通過するが、集電体4の搬送方向を反転させることによって蒸着領域20を3回以上通過してもよい。例えば、第2活物質層形成工程において、集電体4が蒸着領域20を2回以上通過するように真空蒸着装置100を動作させて、積層構造を有する第2活物質層を形成してもよい。あるいは、チャンバー1内に蒸着方向の異なる複数の蒸着領域を設けてもよい。この場合、蒸着方向を切り換えながら複数段の斜め蒸着を行うことにより、ジグザグ状に成長させた複数の活物質体からなる第2活物質層を形成することもできる。このような活物質体を形成するための具体的な蒸着条件は、例えば本出願人による国際公開第2007/086411号パンフレットに記載されている。   In the above method, the current collector 4 passes through the vapor deposition region 20 twice, but may pass through the vapor deposition region 20 three times or more by reversing the transport direction of the current collector 4. For example, in the second active material layer forming step, the vacuum evaporation apparatus 100 is operated so that the current collector 4 passes through the vapor deposition region 20 twice or more to form a second active material layer having a laminated structure. Good. Alternatively, a plurality of vapor deposition regions having different vapor deposition directions may be provided in the chamber 1. In this case, the second active material layer composed of a plurality of active material bodies grown in a zigzag shape can be formed by performing a plurality of stages of oblique vapor deposition while switching the vapor deposition direction. Specific vapor deposition conditions for forming such an active material body are described in, for example, pamphlet of International Publication No. 2007/086411 by the present applicant.

また、チャンバー1内に導入する酸素ガスの流量を調整することによって真空度P1、P2を制御しているが、代わりに、蒸着材料(例えばSi)と反応しないアルゴンガスを導入してもよい。あるいは、酸素ガスおよびアルゴンガスの両方を導入してもよい。蒸着材料12もSiに限定されず、代わりにGe、Sn等リチウムを吸蔵放出する元素を用いてもよい。上記方法では、第1および第2活物質層45、48の形成には、同一の蒸着材料(Si)12を用いているが、異なる蒸着材料を用いてもよい。 Further, the degree of vacuum P 1 and P 2 is controlled by adjusting the flow rate of oxygen gas introduced into the chamber 1, but instead of introducing argon gas that does not react with the vapor deposition material (for example, Si). Good. Alternatively, both oxygen gas and argon gas may be introduced. The vapor deposition material 12 is not limited to Si, and instead, elements such as Ge and Sn that occlude and release lithium may be used. In the above method, the same vapor deposition material (Si) 12 is used to form the first and second active material layers 45 and 48, but different vapor deposition materials may be used.

さらに、上記方法では、同一の蒸着領域20を利用して第1活物質層45および第2活物質層48を形成しているので、第1および第2活物質層45、48を形成する際の蒸着距離L1、L2は同じであるが、これらは互いに異なっていてもよい。例えば、蒸着源3の位置を変えることによって蒸着距離L1、L2を調整してもよい。 Further, in the above method, since the first active material layer 45 and the second active material layer 48 are formed using the same vapor deposition region 20, when the first and second active material layers 45, 48 are formed. The vapor deposition distances L 1 and L 2 are the same, but they may be different from each other. For example, the deposition distances L 1 and L 2 may be adjusted by changing the position of the deposition source 3.

本実施形態で使用する真空蒸着装置の構成は、上述した真空蒸着装置100の構成に限定されないが、量産性の観点からロールツーロール方式などの連続処理が可能な蒸着装置であることが好ましい。   The configuration of the vacuum deposition apparatus used in the present embodiment is not limited to the configuration of the vacuum deposition apparatus 100 described above, but is preferably a deposition apparatus capable of continuous processing such as a roll-to-roll system from the viewpoint of mass productivity.

また、第1活物質層45および第2活物質層48の断面形状は、図3(e)に例示する形状に限定されない。第1活物質層45は、少なくとも第2活物質層48よりも高い被覆率を有し、第2活物質層48は、少なくとも第1活物質層45よりも多く膨張応力を緩和するための空隙を有していれば、本発明による効果を得ることができる。   Further, the cross-sectional shapes of the first active material layer 45 and the second active material layer 48 are not limited to the shapes illustrated in FIG. The first active material layer 45 has a higher coverage than at least the second active material layer 48, and the second active material layer 48 has at least more voids than the first active material layer 45 to relieve expansion stress. If it has, the effect by this invention can be acquired.

本実施形態の方法で作製された電極は、リチウム二次電池の負極および正極のいずれにも適用できるが、好ましくはリチウム二次電池用の負極として用いられる。この場合、正極活物質として、例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn24)などのリチウム含有遷移金属酸化物を用いることができる。 The electrode produced by the method of the present embodiment can be applied to both a negative electrode and a positive electrode of a lithium secondary battery, but is preferably used as a negative electrode for a lithium secondary battery. In this case, lithium-containing transition metal oxides such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), and lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) can be used as the positive electrode active material.

(実施例および比較例)
実施例および比較例の電極およびそれを用いた電極を作製し、特性の評価を行ったので、その方法および結果を説明する。
(Examples and Comparative Examples)
Since the electrodes of the examples and comparative examples and the electrodes using the electrodes were manufactured and the characteristics were evaluated, the methods and results will be described.

<電極の作製方法>
(i)実施例
まず、厚さが18μmの圧延銅箔(日本製箔製)上に、ひし形のパターンが配置されるように銅めっきを行い、実施例で使用する集電体を得た。図4(a)および(b)は、それぞれ、実施例における集電体の模式的な断面図および上面図である。図示するように、各凸部42は、上面が菱形(対角線の長さ:10μm×20μm)の四角柱状(高さ:10μm)とした。また、菱形の短い方の対角線に沿った方向を「X方向」、長い方の対角線に沿った方向を「Y方向」とすると、X方向に22μmのピッチPXで凸部42を配列した列と、この列をピッチPXの1/2だけX方向に平行移動させた例とを、Y方向に沿って55μmのピッチPYで交互に配列した。
<Method for producing electrode>
(I) Example First, copper plating was performed so that a rhombus pattern was placed on a rolled copper foil (manufactured by Japanese foil) having a thickness of 18 μm, thereby obtaining a current collector used in the example. 4A and 4B are a schematic cross-sectional view and a top view, respectively, of the current collector in the example. As shown in the drawing, each convex portion 42 has a rectangular column shape (height: 10 μm) whose upper surface is a rhombus (diagonal length: 10 μm × 20 μm). Further, assuming that the direction along the shorter diagonal of the rhombus is the “X direction” and the direction along the longer diagonal is the “Y direction”, the rows in which the convex portions 42 are arranged at a pitch P X of 22 μm in the X direction. And an example in which this row was translated in the X direction by 1/2 of the pitch P X were alternately arranged at a pitch P Y of 55 μm along the Y direction.

次いで、図2に示す真空蒸着装置100を用いて、図2および図3を参照しながら上述した方法と同様の方法で第1および第2活物質層を形成した。蒸発源には、純度99.9999%のケイ素単体((株)高純度化学研究所製)を用いた。また、蒸着角度θが70°となり、かつ、蒸発面と蒸着領域に配置された集電体との距離(蒸着距離)の最小値Lminが0.7m、最大値Lmaxが0.9mとなるように、蒸着領域および蒸発源を配置した。 Next, using the vacuum vapor deposition apparatus 100 shown in FIG. 2, the first and second active material layers were formed by the same method as described above with reference to FIGS. As an evaporation source, simple silicon having a purity of 99.9999% (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) was used. Further, the vapor deposition angle θ is 70 °, the minimum value L min of the distance between the evaporation surface and the current collector disposed in the vapor deposition region (vapor deposition distance) is 0.7 m, and the maximum value L max is 0.9 m. The vapor deposition region and the evaporation source were arranged so as to be.

続いて、チャンバー内に215sccmの流量で酸素ガスを導入し、チャンバー内の真空度P1を3×10-2とした。この状態で、蒸発源によって蒸発させたSi粒子を、蒸着領域を走行する集電体の表面に供給することにより、集電体上に、ケイ素と酸素とを含む化合物(ケイ素酸化物)からなる第1活物質層を形成した(第1活物質層形成工程)。蒸発源に照射する電子ビーム電力を11kW、蒸着時間を8分とした。 Subsequently, oxygen gas was introduced into the chamber at a flow rate of 215 sccm, and the degree of vacuum P 1 in the chamber was set to 3 × 10 −2 . In this state, the Si particles evaporated by the evaporation source are supplied to the surface of the current collector that runs in the vapor deposition region, thereby forming a compound (silicon oxide) containing silicon and oxygen on the current collector. A first active material layer was formed (first active material layer forming step). The electron beam power applied to the evaporation source was 11 kW, and the deposition time was 8 minutes.

この後、チャンバー内への酸素ガスの導入を停止し、チャンバー内の真空度P2を3×10-3とした。この状態で、蒸発源によって蒸発させたSi粒子を、蒸着領域を走行する集電体の表面に供給することにより、第1活物質層上に、ケイ素からなる第2活物質層を形成した(第2活物質層形成工程)。蒸発源に照射する電子ビーム電力を11kW、蒸着時間を16分とした。 Thereafter, the introduction of oxygen gas into the chamber was stopped, and the degree of vacuum P 2 in the chamber was set to 3 × 10 −3 . In this state, the second active material layer made of silicon was formed on the first active material layer by supplying Si particles evaporated by the evaporation source to the surface of the current collector running in the vapor deposition region ( Second active material layer forming step). The electron beam power applied to the evaporation source was 11 kW, and the deposition time was 16 minutes.

このようにして、実施例の電極を得た。得られた電極をエポキシ系樹脂に包埋および研磨し、その断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。   Thus, the electrode of the example was obtained. The obtained electrode was embedded and polished in an epoxy resin, and the cross section was observed with a scanning electron microscope (SEM).

図5は、実施例の電極の断面SEM像を示す図である。図5から、第1活物質層45は、集電体4の表面全体を覆う連続膜であり、第2活物質層48は、第1活物質層45上に間隔を空けて配置された複数の活物質体47から構成されていることがわかる。また、第1活物質層45の厚さは6μm、第2活物質層48の厚さは11μmであった。   FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional SEM image of the electrode of the example. From FIG. 5, the first active material layer 45 is a continuous film that covers the entire surface of the current collector 4, and the second active material layer 48 is a plurality of layers arranged on the first active material layer 45 at intervals. It can be seen that it is composed of the active material body 47. The thickness of the first active material layer 45 was 6 μm, and the thickness of the second active material layer 48 was 11 μm.

(ii)比較例1
第1活物質層を形成しない点以外は、実施例と同様の方法および条件で比較例1の電極を作製した。得られた電極の断面を、実施例と同様の方法で観察した。
(Ii) Comparative Example 1
An electrode of Comparative Example 1 was produced by the same method and conditions as in the Examples, except that the first active material layer was not formed. The cross section of the obtained electrode was observed by the same method as in the example.

図6は、比較例1の電極の断面SEM像を示す図である。図6に示すように、比較例1の電極は、集電体4と、集電体4の各凸部42上に配置された複数の活物質体52とを有していた。また、集電体4の表面のうち隣接する凸部42の間にはSi原子が堆積されていないことが確認された。複数の活物質体52からなる第2活物質層53の厚さは12μmであった。   6 is a cross-sectional SEM image of the electrode of Comparative Example 1. FIG. As shown in FIG. 6, the electrode of Comparative Example 1 had the current collector 4 and a plurality of active material bodies 52 arranged on each convex portion 42 of the current collector 4. Moreover, it was confirmed that Si atoms were not deposited between the adjacent convex parts 42 among the surfaces of the current collector 4. The thickness of the second active material layer 53 composed of the plurality of active material bodies 52 was 12 μm.

(iii)比較例2
実施例と同様の集電体を用い、実施例と同様の方法で集電体上に第1および第2活物質層を形成することによって比較例2の電極を作製した。ただし、比較例2では、第1活物質層を形成する際の酸素流量を43sccm、真空度P1を7×10-3Paとした。そのため、第1活物質層を形成する際の真空度と蒸着距離との積は0.01未満となった。第1活物質層を形成する際の他の条件および第2活物質層を形成する際の条件は、実施例の条件と同様とした。得られた電極の断面を、実施例と同様の方法で観察した。
(Iii) Comparative Example 2
The electrode of Comparative Example 2 was produced by forming the first and second active material layers on the current collector in the same manner as in the example using the same current collector as in the example. However, in Comparative Example 2, the oxygen flow rate when forming the first active material layer was 43 sccm, and the degree of vacuum P 1 was 7 × 10 −3 Pa. Therefore, the product of the degree of vacuum and the deposition distance when forming the first active material layer was less than 0.01. The other conditions for forming the first active material layer and the conditions for forming the second active material layer were the same as those in the example. The cross section of the obtained electrode was observed by the same method as in the example.

図7は、比較例2の電極の模式的な断面図である。図7に示すように、第1活物質層56は、集電体4の各凸部42上に配置された活物質体55から構成され、第2活物質層58は、各活物質体55上に配置された活物質体57から構成されることがわかった。第1活物質層56の形成工程では、上記積が0.01未満であるためにSi原子と酸素との衝突が起こりにくく、その結果、シャドウイング効果によって集電体4の表面のうち凸部42が形成されていない領域上にはSi原子が堆積されなかったからと考えられる。比較例2の第1活物質層56の厚さは5μm、第2活物質層58の厚さは10μmであった。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the electrode of Comparative Example 2. As shown in FIG. 7, the first active material layer 56 is composed of active material bodies 55 disposed on the respective convex portions 42 of the current collector 4, and the second active material layer 58 is composed of each active material body 55. It was found to be composed of the active material member 57 arranged on the top. In the step of forming the first active material layer 56, since the product is less than 0.01, collision between Si atoms and oxygen hardly occurs, and as a result, a convex portion of the surface of the current collector 4 is caused by the shadowing effect. It is considered that Si atoms were not deposited on the region where 42 was not formed. The thickness of the first active material layer 56 of Comparative Example 2 was 5 μm, and the thickness of the second active material layer 58 was 10 μm.

上述した実施例および比較例の電極の作製条件および各活物質層の厚さの測定結果を表1にまとめて示す。   Table 1 summarizes the manufacturing conditions of the electrodes of the examples and comparative examples described above and the measurement results of the thickness of each active material layer.

Figure 2009164011
Figure 2009164011

<サンプル電池の作製>
上記方法で得られた実施例および比較例1、2の電極を直径が12.5mmの円形に打ち抜いて、サンプル電池用の電極を形成した。次いで、得られたサンプル電池用の電極を用いて、それぞれ、サンプル電池を作製した。
<Production of sample battery>
The electrodes of Examples and Comparative Examples 1 and 2 obtained by the above method were punched into a circle having a diameter of 12.5 mm to form an electrode for a sample battery. Next, each of the obtained sample battery electrodes was used to produce a sample battery.

図8は、実施例および比較例1、2の電極を用いて作製したサンプル電池を模式的に示す断面図である。サンプル電池は、上述したサンプル電池用の電極31と、電極31に対向する対極(金属リチウム)33と、対極33と電極31との間に介在し、リチウムイオンを伝導する電解質を含むセパレータ32とを有する。電極31の対極33と対向していない側の表面には、電極31から集電するための金属円板34が設けられており、金属円板34とコイン型電池ケース36の底面との間には、電極31を加圧するための皿ばね35が配置されている。電極31および対極33は、セパレータ33および電解質とともにコイン型電池ケース36内に収納され、ガスケット38を有する封口板37によって封止されている。また、電池ケース36および封口板35は、それぞれ、電極31および対極33と電気的に接続されており、正負の端子としても機能する。   FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a sample battery manufactured using the electrodes of Examples and Comparative Examples 1 and 2. The sample battery includes an electrode 31 for the sample battery described above, a counter electrode (metal lithium) 33 facing the electrode 31, and a separator 32 that is interposed between the counter electrode 33 and the electrode 31 and contains an electrolyte that conducts lithium ions. Have A metal disc 34 for collecting current from the electrode 31 is provided on the surface of the electrode 31 that is not opposed to the counter electrode 33, and between the metal disc 34 and the bottom surface of the coin-type battery case 36. Is provided with a disc spring 35 for pressurizing the electrode 31. The electrode 31 and the counter electrode 33 are housed in a coin-type battery case 36 together with the separator 33 and the electrolyte, and are sealed by a sealing plate 37 having a gasket 38. Further, the battery case 36 and the sealing plate 35 are electrically connected to the electrode 31 and the counter electrode 33, respectively, and also function as positive and negative terminals.

本実施例および比較例では、対極33として、厚さが300μmのリチウム金属箔(本荘ケミカル製)、セパレータ32として、厚さが20μmのポリエチレン微多孔膜(旭化成製)を用いて、2016サイズのコイン型のサンプル電池(直径:20mm、厚さ1.6mm)を作製した。電解液としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの1:1(体積比)混合溶媒に、6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/L溶解して得られた溶液を用いた。なお、電解液の含浸は、電解液中にセパレータ32および電極31を10秒間浸漬することにより行った。 In this example and comparative example, a lithium metal foil having a thickness of 300 μm (made by Honjo Chemical) was used as the counter electrode 33, and a polyethylene microporous film (made by Asahi Kasei) having a thickness of 20 μm was used as the separator 32. A coin-type sample battery (diameter: 20 mm, thickness 1.6 mm) was produced. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving 1 mol / L of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in a 1: 1 (volume ratio) mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate was used. The impregnation with the electrolytic solution was performed by immersing the separator 32 and the electrode 31 in the electrolytic solution for 10 seconds.

<サンプル電池の評価方法および結果>
続いて、実施例、比較例1および比較例2のサンプル電池の充放電サイクル試験を行った。
<Evaluation method and result of sample battery>
Then, the charge / discharge cycle test of the sample battery of an Example, the comparative example 1, and the comparative example 2 was done.

充放電サイクル試験では、各サンプル電池を20℃の恒温槽に収納し、電池電圧が1.5Vになるまで1mA/cm2の定電流で充電し、次いで、0.0Vになるまで1mA/cm2の定電流で放電するサイクルを10回繰り返した。1サイクル目の放電容量に対する10サイクル目の放電容量の割合を求めて「容量維持率(%)」とした。充放電サイクル試験後、各サンプル電池を分解し、電極の活物質の状態を観察した。 In the charge / discharge cycle test, each sample battery is stored in a constant temperature bath at 20 ° C., charged at a constant current of 1 mA / cm 2 until the battery voltage reaches 1.5 V, and then 1 mA / cm until 0.0 V. The cycle of discharging at a constant current of 2 was repeated 10 times. The ratio of the discharge capacity at the 10th cycle with respect to the discharge capacity at the 1st cycle was determined and used as “capacity maintenance ratio (%)”. After the charge / discharge cycle test, each sample battery was disassembled and the state of the active material of the electrode was observed.

容量維持率の測定結果および充放電サイクル試験後の活物質の状態を表2に示す。   Table 2 shows the measurement results of the capacity retention ratio and the state of the active material after the charge / discharge cycle test.

Figure 2009164011
Figure 2009164011

表2に示す結果から、実施例の電池サンプルは、10サイクル後も90%以上の容量を維持しており、優れた充放電サイクル特性を有することがわかった。実施例の電極では、第1活物質層によって第2活物質層と集電体との密着性が高められ、その結果、活物質の集電体からの脱落が効果的に防止されたからと考えられる。より詳しく説明すると、第1活物質層は集電体に対して高い被覆性を有し、集電体との接触面積が大きいので、第1活物質層と集電体との密着強度は大きい。また、第1および第2活物質層は同じ蒸着材料(Si)を用いて形成されているので、これらの活物質層のリチウムイオンの吸蔵に伴う膨張率の差は小さく抑えられている。よって、充放電を繰り返しても、第2活物質層を構成する各活物質体が第1活物質層から脱落しにくい。   From the results shown in Table 2, it was found that the battery sample of the example maintained a capacity of 90% or more even after 10 cycles and had excellent charge / discharge cycle characteristics. In the electrode of the example, it is considered that the adhesion between the second active material layer and the current collector is enhanced by the first active material layer, and as a result, the active material is effectively prevented from falling off the current collector. It is done. More specifically, since the first active material layer has a high coverage with respect to the current collector and the contact area with the current collector is large, the adhesion strength between the first active material layer and the current collector is large. . In addition, since the first and second active material layers are formed using the same vapor deposition material (Si), the difference in the expansion coefficient associated with the occlusion of lithium ions in these active material layers is kept small. Therefore, even if charging / discharging is repeated, each active material body which comprises a 2nd active material layer does not fall easily from a 1st active material layer.

一方、比較例1および比較例2の電池サンプルの容量は、充放電サイクルによって大幅に低下することがわかった。比較例1では、第2活物質層を構成する各活物質体と集電体との接触面積が小さく、かつ、活物質体および集電体の膨張率が大きく異なっているために、充放電の繰り返しによって活物質体が集電体から脱落しやすいからと考えられる。また、比較例2では、十分な被覆性を有する第1活物質層が形成されなかった結果、活物質の脱落を抑制する効果がほとんど得られなかったからと考えられる。   On the other hand, it turned out that the capacity | capacitance of the battery sample of the comparative example 1 and the comparative example 2 falls significantly by a charging / discharging cycle. In Comparative Example 1, since the contact area between each active material body constituting the second active material layer and the current collector is small and the expansion rates of the active material body and the current collector are greatly different, charging / discharging It is considered that the active material body is easily detached from the current collector by repeating the above. Further, in Comparative Example 2, it is considered that the first active material layer having sufficient coverage was not formed, and as a result, the effect of suppressing the falling off of the active material was hardly obtained.

なお、サイクル特性の評価に使用した電池サンプルでは、実施例および比較例の各電極が正極となり、金属リチウムが負極となるが、実施例および比較例の各電極を負極とする電池サンプルを作製して充電試験を行っても、上記と同様の結果が得られる。   In addition, in the battery sample used for the evaluation of the cycle characteristics, each electrode of the example and the comparative example is a positive electrode, and metallic lithium is a negative electrode, but a battery sample having each electrode of the example and the comparative example as a negative electrode is prepared. Even if the charge test is performed, the same result as above can be obtained.

本発明によるリチウム二次電池用電極の製造方法は、リチウムイオンの吸蔵・放出による体積変化の大きい活物質を用いた電極、例えばケイ素やケイ素酸化物を活物質とするリチウム二次電池用負極に適用すると、高い容量を確保しつつ、充放電サイクル特性を大幅に改善できるので有利である。   The method for producing an electrode for a lithium secondary battery according to the present invention is applied to an electrode using an active material having a large volume change due to insertion and extraction of lithium ions, for example, a negative electrode for a lithium secondary battery using silicon or silicon oxide as an active material. When applied, it is advantageous because the charge / discharge cycle characteristics can be greatly improved while securing a high capacity.

本発明は、コイン型、円筒型、扁平型、角型などの様々なリチウム二次電池に適用できる。これらのリチウム二次電池は、優れた充放電サイクル特性を有するので、PC、携帯電話、PDA等の携帯情報端末や、ビデオレコーダー、メモリーオーディオプレーヤー等のオーディオビジュアル機器などに広く使用され得る。   The present invention can be applied to various lithium secondary batteries such as a coin type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Since these lithium secondary batteries have excellent charge / discharge cycle characteristics, they can be widely used in portable information terminals such as PCs, mobile phones, and PDAs, and audiovisual equipment such as video recorders and memory audio players.

チャンバー内の酸素分圧とケイ素原子の平均自由行程との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the oxygen partial pressure in a chamber, and the mean free path of a silicon atom. 本発明の実施形態で用いる真空蒸着装置の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the vacuum evaporation system used by embodiment of this invention. (a)から(e)は、本発明の実施形態の電極の製造方法を説明するための工程断面図である。(A) to (e) are process cross-sectional views for explaining an electrode manufacturing method according to an embodiment of the present invention. (a)および(b)は、それぞれ、実施例で使用する集電体の断面図および平面図である。(A) And (b) is sectional drawing and a top view of a current collector used in an example, respectively. 実施例の電極断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。It is a figure which shows the scanning electron microscope image of the electrode cross section of an Example. 比較例1の電極断面の走査型電子顕微鏡像を示す図である。6 is a view showing a scanning electron microscope image of an electrode cross section of Comparative Example 1. FIG. 比較例2の電極を模式的に示す断面図である。6 is a cross-sectional view schematically showing an electrode of Comparative Example 2. FIG. 実施例および比較例の電極を用いて作製したサンプル電池の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the sample battery produced using the electrode of an Example and a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1 チャンバー
2 真空ポンプ
3 蒸発源
4 集電体
5 第1のロール
6a、6b 搬送ロール
7 第1キャンロール
8 第2キャンロール
9 第2のロール
10a、10b マスク
11 ガスノズル
12 蒸着材料
12s 蒸発面
31 サンプル電池用の電極
32 セパレータ
33 対極(リチウム金属箔)
34 金属円板
35 皿ばね
36 コイン型電池ケース
37 封口板
38 ガスケット
42 凸部
45 第1活物質層
47 活物質体
48 第2活物質層
100 真空蒸着装置
200 電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Chamber 2 Vacuum pump 3 Evaporation source 4 Current collector 5 1st roll 6a, 6b Conveyance roll 7 1st can roll 8 2nd can roll 9 2nd roll 10a, 10b Mask 11 Gas nozzle 12 Vapor deposition material 12s Evaporation surface 31 Sample battery electrode 32 Separator 33 Counter electrode (lithium metal foil)
34 Metal Disc 35 Disc Spring 36 Coin Type Battery Case 37 Sealing Plate 38 Gasket 42 Protrusion 45 First Active Material Layer 47 Active Material Body 48 Second Active Material Layer 100 Vacuum Deposition Device 200 Electrode

Claims (9)

チャンバーと、前記チャンバーを排気するための真空ポンプと、前記チャンバー内に設置され、第1および第2蒸着材料を蒸発させる蒸発源と、前記蒸発した第1および第2蒸着材料が到達する領域内に形成された蒸着領域とを備えた真空蒸着装置を用いたリチウム二次電池用電極の製造方法であって、
(A)表面に複数の凸部を有する集電体を前記蒸着領域に配置し、前記蒸発源から、前記集電体の法線方向に対して傾斜した方向に沿って前記集電体上に前記第1蒸着材料を供給して第1活物質層を形成する工程と、
(B)前記第1活物質層が形成された集電体を前記蒸着領域に配置し、前記蒸発源から、前記集電体の法線方向に対して傾斜した方向に沿って前記集電体上に前記第2蒸着材料を供給して第2活物質層を形成する工程と
を包含し、
前記工程(A)では、前記チャンバーの真空度P1パスカルと、前記集電体の表面と前記蒸発源との最小距離L(1)minメートルとの積は0.01以上であり、
前記工程(B)では、前記チャンバーの真空度P2パスカルと、前記集電体の表面と前記蒸発源との最大距離L(2)maxメートルとの積は0.01未満であるリチウム二次電池用電極の製造方法。
A chamber, a vacuum pump for evacuating the chamber, an evaporation source installed in the chamber for evaporating the first and second evaporation materials, and an area where the evaporated first and second evaporation materials reach A method for producing an electrode for a lithium secondary battery using a vacuum vapor deposition device comprising a vapor deposition region formed on
(A) A current collector having a plurality of convex portions on the surface is disposed in the vapor deposition region, and is disposed on the current collector along a direction inclined with respect to a normal direction of the current collector from the evaporation source. Supplying the first vapor deposition material to form a first active material layer;
(B) A current collector on which the first active material layer is formed is disposed in the vapor deposition region, and the current collector is along a direction inclined from the evaporation source with respect to a normal direction of the current collector. Supplying the second vapor deposition material thereon to form a second active material layer,
In the step (A), the product of the vacuum degree P 1 Pascal of the chamber and the minimum distance L (1) min meter between the surface of the current collector and the evaporation source is 0.01 or more,
In the step (B), the product of the vacuum degree P 2 Pascal of the chamber and the maximum distance L (2) max meter between the current collector surface and the evaporation source is less than 0.01 lithium secondary Manufacturing method of battery electrode.
前記工程(B)は、前記第1活物質層を介して、前記集電体の各凸部上に前記第2蒸着材料を堆積させることにより、前記第1活物質層上に間隔を空けて配置された複数の活物質体を形成し、これによって、複数の活物質体からなる第2活物質層を形成する工程である請求項1に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。   In the step (B), the second vapor deposition material is deposited on the respective convex portions of the current collector through the first active material layer, so that an interval is formed on the first active material layer. 2. The method for producing an electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, which is a step of forming a plurality of arranged active material bodies and thereby forming a second active material layer composed of the plurality of active material bodies. 前記P1は前記P2よりも大きい請求項1に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。 The method for manufacturing an electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein P 1 is larger than P 2 . 前記第1活物質層および前記第2活物質層のうち少なくとも一方はシリコンを含む請求項1に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。   The method for manufacturing an electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein at least one of the first active material layer and the second active material layer contains silicon. 前記第1蒸着材料および前記第2蒸着材料はシリコンを含む請求項1に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。   The method for manufacturing an electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the first vapor deposition material and the second vapor deposition material contain silicon. 前記第1蒸着材料と前記第2蒸着材料とは同一である請求項1に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。   The method for manufacturing an electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the first vapor deposition material and the second vapor deposition material are the same. 前記工程(A)は、前記チャンバー内に酸素を導入する工程を含む請求項1に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。   The method for producing an electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the step (A) includes a step of introducing oxygen into the chamber. 前記工程(A)は、前記真空チャンバー内に、前記第1蒸着材料と反応しないガスを導入する工程を含む請求項1に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。   2. The method of manufacturing an electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the step (A) includes a step of introducing a gas that does not react with the first vapor deposition material into the vacuum chamber. 前記ガスはアルゴンを含む請求項8に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。   The method for producing an electrode for a lithium secondary battery according to claim 8, wherein the gas contains argon.
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