JP2010003642A - 電極、リチウムイオン二次電池及び電極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】集電体16と、該集電体16上に設けられた金属酸化物含有層18と、を備え、金属酸化物含有層18は、周期表第4周期に属する金属の酸化物を含む金属酸化物粒子と、SiOX(0≦X≦2)と、を含有する、電極。
【選択図】図6
Description
実施例に限定されるものではない。
(電極の作製)
アークイオンプレーティング装置を用い、真空度5×10−4Paに保持したチャンバー内に、ターゲットとしてFe及びシリコンを配置すると共に、いずれかのターゲットが遮蔽されるようにシャッターを設置した。そして、Feの加速電圧100V、Siの加速電圧400Vの条件で、シャッターをローテーションすることによって、Fe活性種及びシリコン活性種を温度25℃のCu箔(集電体)の一方の表面に交互に照射した。この操作を、それぞれ1回のFe及びシリコンの照射を1サイクルとして、50サイクル繰り返し、電極を作製した。
得られた電極について、積層方向の断面をTEMにより観察した。TEM写真を図11に示す。図11より、集電体16上に積層された金属酸化物含有層18(膜厚10nm)と、金属酸化物含有層18に積層された金属間化合物層20(膜厚12nm)が確認された。また、金属酸化物含有層18には金属酸化物粒子が形成されており、一方で金属間化合物層20には金属酸化物粒子が形成されていないことが確認された。なお、図11において、金属間化合物層20上には断面観察のためタングステン層70が積層されており、タングステン層70上にはカーボン層80が積層されている。図11において、金属間化合物層20上部の白く表示された部分は、タングステン層70を形成した際に金属間化合物層20が酸化したものであると考えられる。
得られた電極について、TEM−EELSにより、金属酸化物含有層の構成成分の測定を行った。測定の結果、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
得られた電極について、TEM観察により、金属酸化物含有層における金属酸化物粒子の平均粒径の測定を行った。金属酸化物粒子20個についてそれぞれ粒径を測定し、これらの平均値を平均粒径とした。測定結果を表1に示す。
次に、得られた電極と、その対極であるLi箔(厚さ100μm)とを、それらの間にポリエチレンからなるセパレータを挟んで積層し、積層体(素体)を得た。この積層体を、アルミラミネーターパックに入れ、このアルミラミネーターパックに電解液である1MLiPF6/EC+DEC(1:1)を注入した後、真空シールし、電極評価用セル(縦48mm、横34mm、厚さ2mm)を作製した。
得られた電極評価用セルについて、サイクリックボルタンメトリーを測定し、測定温度25℃でサイクル特性について評価した。測定装置として北斗電工製、商品名「HZ5000」を使用し、電圧0〜3Vの範囲において5mV/sの掃引速度で、50サイクル充放電を繰り返した。そして、2サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の比率(%)を容量保持特性として算出した。その結果を表1に示す。
得られた電極評価用セルについて、電圧0〜3Vの範囲において、放電温度25℃で定電流放電を行った。そして、1時間で放電終了となる電流値を1C、そのときの放電容量を1C容量とし、1C容量に対する10C容量の比率(%)を高レート放電特性(10C/1C)として算出した。その結果を表1に示す。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程の加速電圧を120Vとしたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程の加速電圧を300Vとしたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程の加速電圧を500Vとしたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程の加速電圧を50Vとしたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程の加速電圧を40Vとしたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程の加速電圧を580Vとしたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程の加速電圧を800Vとしたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
マルチターゲット(Fe及びシリコン)の平行平板型の高周波(RF:13.56Hz)スパッタリング装置を用い、ターゲットグロー放電中に、Fe又はシリコンの一方のターゲットをシャッターで遮蔽し、Fe活性種とシリコン活性種とをCu箔(集電体)上に交互に照射した。このときの反応室内の真空度は0.01Pa、ターゲットへの投入電力は150Wとした。また、Fe及びシリコンのターゲットのセルフバイアス(Vdc)は50Vであった。集電体ステージの温度は、冷却水チラーによって50℃に維持した。なお、予備実験によれば放電中の集電体表面は約80℃まで加熱されていた。この操作を、それぞれ1回のFe及びシリコンの照射を1サイクルとして、50サイクル繰り返した。その結果、集電体の一方の表面に金属酸化物含有層(膜厚15nm)と金属間化合物層(膜厚20nm)とが積層された電極が得られたことを実施例1と同様に断面観察により確認した。そして、実施例1と同様に電極評価用セルを作製し、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、ターゲットへの投入電力を300Wとし、ターゲットのVdcが100Vであること以外は実施例9と同様にして、電極を作製した。そして、実施例1と同様に電極評価用セルを作製し、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、ターゲットへの投入電力を900Wとし、ターゲットのVdcが300Vであること以外は実施例9と同様にして、電極を作製した。そして、実施例1と同様に電極評価用セルを作製し、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFeOやFe2O3等のFe酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程において、ターゲットとしてCoを用い、加速電圧を70Vとしたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にCoOやCo2O3等のCo酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程において、ターゲットとしてCoを用いたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にCoOやCo2O3等のCo酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程において、ターゲットとしてNiを用い、加速電圧を70Vとしたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にNiOやNi2O3等のNi酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、金属活性種を堆積させる工程において、ターゲットとしてNiを用いたこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、平均粒径測定、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にNiOやNi2O3等のNi酸化物及びSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、ターゲットとしてシリコンのみを用いて、加速電圧を400Vの条件でシリコン活性種を集電体の一方の表面に50回照射し、シリコンの単層膜(膜厚50nm)を形成したこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様にして、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行った。また、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にSiO2の存在が確認された。
電極の作製において、ターゲットとしてFeのみを用いて、Fe活性種を集電体の一方の表面に50回照射し、膜厚50nmの膜を形成したこと以外は実施例1と同様にして、電極及びそれを用いた電極評価用セルを作製した。そして、実施例1と同様の構成成分の測定により、金属酸化物含有層にFe金属、及びFeOやFe2O3等のFe酸化物が混在していることが確認された。なお、リチウムイオンの挿入・脱離が十分に行われず、電池容量が測定限界以下であったため、容量保持特性及び高レート放電特性の評価を行うことはできなかった。
Claims (14)
- 集電体と、
該集電体上に設けられた金属酸化物含有層と、を備え、
前記金属酸化物含有層は、周期表第4周期に属する金属の酸化物を含む金属酸化物粒子と、SiOX(0≦X≦2)と、を含有する、電極。 - 前記金属の酸化物は、Fe、Ni、Co、Cu、Ti、Mn及びCaからなる群より選ばれる少なくとも1種の金属の酸化物である、請求項1記載の電極。
- 前記金属の酸化物は、2価及び/又は3価の金属の酸化物である、請求項1又は2記載の電極。
- 前記金属の酸化物は、FeO及び/又はFe2O3である、請求項1〜3のいずれか一項記載の電極。
- 前記金属酸化物粒子の平均粒径は、1〜50nmである、請求項1〜4のいずれか一項記載の電極。
- 前記金属酸化物含有層と、非金属元素の酸化物を含む中間層とが交互に前記集電体上に複数積層されている、請求項1〜5のいずれか一項記載の電極。
- 前記金属酸化物含有層上に、周期表第4周期に属する前記金属とSiOx(0≦X≦2)とを含む金属間化合物層を有する、請求項1〜5のいずれか一項記載の電極。
- 前記金属酸化物含有層と前記金属間化合物層とを含む単位積層体が前記集電体上に複数積層され、
非金属元素の酸化物を含む中間層が各々の前記単位積層体の間に形成されている、請求項7記載の電極。 - 前記集電体は、Cu、Ni、Ti、Co、Ta及びステンレス鋼からなる群より選ばれる少なくとも1種の金属からなるものである、請求項1〜8のいずれか一項記載の電極。
- 前記集電体は、Cuからなるものである、請求項1〜9のいずれか一項記載の電極。
- 請求項1〜10のいずれか一項記載の電極を負極として備える、リチウムイオン二次電池。
- 周期表第4周期に属する金属のターゲットに電圧を印加して金属活性種を発生させ、集電体上に前記金属活性種を堆積させる工程と、
シリコンのターゲットに電圧を印加してシリコン活性種を発生させ、前記集電体上に前記シリコン活性種を堆積させる工程と、を交互に実施し、周期表第4周期に属する前記金属の酸化物を含む金属酸化物粒子とSiOX(0≦X≦2)とが混在した金属酸化物含有層を前記集電体上に形成する、電極の製造方法。 - 前記金属活性種を堆積させる工程と前記シリコン活性種を堆積させる工程とを合わせて10〜1000回繰り返す、請求項12記載の電極の製造方法。
- 前記金属活性種を堆積させる工程における前記電圧は、50〜500Vの範囲内である、請求項12又は13記載の電極の製造方法。
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