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

電極、リチウムイオン二次電池及び電極の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】優れたサイクル特性及びレート特性を得ることができる電極、リチウムイオン二次電池及び電極の製造方法を提供する。
【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、SiO(0≦X≦2)と、を含有する、電極。
【選択図】図6

Description

本発明は、電極、リチウムイオン二次電池及び電極の製造方法に関する。
従来、リチウムイオン二次電池用の負極材料としてシリコン系負極が検討されているが、リチウムイオンの挿入・脱離に伴うシリコンの体積膨張のため、炭素負極と比較して充放電サイクルの経過に伴う容量保持特性(サイクル特性)が劣るとの問題があった。そのため、シリコンと遷移金属との合金化(例えば、特許文献1参照)やシリコンと炭素との複合化をする方法、シリコンを薄膜化する方法(例えば、特許文献2参照)、シリコンと炭素との多層膜を形成する方法(例えば、特許文献3参照)等によって体積膨張を緩和する方法が提案されている。
一方、高容量なリチウムイオン二次電池用の負極材料として、CuO、FeO等の金属酸化物が期待されている。
特許2006−128067号公報 特開2007−194204号公報 特許第3520921号公報
しかしながら、上記の方法により得られるシリコン系負極材料、及び金属酸化物は、リチウムイオン二次電池の構成材料として用いた場合に、サイクル特性及び高速充放電特性(レート特性)について必ずしも十分な特性を得ることができず、更なる改善の余地があった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、優れたサイクル特性及びレート特性を得ることができる電極、リチウムイオン二次電池及び電極の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、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、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、SiO(0≦X≦2)と、を含有する、電極を提供する。
本発明の電極では、金属酸化物粒子及びSiO(0≦X≦2)を混在させることにより、優れたサイクル特性及びレート特性を得ることができる。このような効果が得られる要因はまだ十分に解明されていないものの、本発明者らは要因の一つとして以下のように推察している。すなわち、リチウムイオンの挿入・脱離に伴うSiO(0≦X≦2)の体積膨張により生じる応力が、金属酸化物粒子が含有されていることにより緩和され、金属酸化物含有層の変形や集電体からの剥離が抑制されることとなり、優れたサイクル特性を得ることができる。また、粒子化した金属酸化物を混在させていることで、SiO(0≦X≦2)と共に金属酸化物もリチウムイオンの挿入・脱離に寄与することとなり、電池容量を向上させることができると共に、金属酸化物含有層の電子伝導性が優れたものとなり、優れたレート特性を得ることができる。
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ことが好ましい。この場合、金属酸化物粒子に対するリチウムイオンの挿入・脱離の可逆性に優れ、優れた電池容量が得られる電極とすることができる。
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ことが好ましい。この場合、金属酸化物粒子に対するリチウムイオンの挿入・脱離の可逆性に優れる電極とすることができる。また、金属の酸化物は、FeO及び/又はFeであることがより好ましい。この場合、優れた電池容量が得られる電極とすることができる。
金属酸化物粒子の平均粒径は、1〜50nmであることが好ましい。この範囲の平均粒径を有する金属酸化物粒子をSiO(0≦X≦2)と混在させることにより、より優れたサイクル特性及びレート特性が得られる電極とすることができると共に、金属酸化物粒子に対するリチウムイオンの挿入・脱離がより十分に行われ、優れた電池容量が得られる電極とすることができる。
本発明の電極は、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集電体上に複数積層されていることが好ましい。かかる構成を有する電極は、金属酸化物含有層を単純に厚膜化した場合よりも、優れたサイクル特性及びレート特性を得ることができると共に、優れた電池容量を得ることができる。
本発明の電極は、金属酸化物含有層上に、周期表第4周期に属する金属とSiO(0≦X≦2)とを含む金属間化合物層を有していてもよい。かかる構成を有する電極は、金属酸化物含有層を単純に厚膜化した場合よりも、優れたレート特性を得ることができると共に、優れた電池容量を得ることができる。
本発明の電極は、金属酸化物含有層と金属間化合物層とを含む単位積層体が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単位積層体の間に形成されていることが好ましい。かかる構成を有する電極は、金属酸化物含有層及び金属間化合物層をそれぞれ単純に厚膜化した場合よりも、優れたサイクル特性及びレート特性を得ることができると共に、優れた電池容量を得ることができる。
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ことが好ましい。この場合、集電体と金属酸化物含有層との密着性が優れたものとなる。これにより、金属酸化物含有層の変形や集電体からの剥離を抑制し、更に優れたサイクル特性を得ることができると共に、集電体と金属酸化物含有層との間の電子伝導性が優れたものとなり、更に優れたレート特性を得ることができる。
集電体は、Cuからなるものであることが好ましい。この場合、集電体と金属酸化物含有層との密着性が更に優れたものとなり、電子伝導性が向上し、更に優れたサイクル特性及びレート特性を得ることができる。また、Cuからなる導電体を用いることで、展延性に優れた電極とすることができる。
本発明のリチウムイオン二次電池は、上記本発明の電極を負極として備える。これにより、優れたサイクル特性及びレート特性を有するリチウムイオン二次電池とすることができる。
また、本発明は、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、集電体上に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周期に属する金属の酸化物を含む金属酸化物粒子とSiO(0≦X≦2)とが混在した金属酸化物含有層を集電体上に形成する、電極の製造方法を提供する。
本発明の電極の製造方法では、金属酸化物粒子及びSiO(0≦X≦2)を混在させることにより、優れたサイクル特性及びレート特性が得られる電極を作製することができる。このような電極が得られる要因はまだ十分に解明されていないものの、本発明者らは要因の一つとして以下のように推察している。すなわち、高エネルギーを付与された金属活性種が集電体表面に照射されると、熱伝導性に優れる集電体表面近傍では、金属活性種がエネルギーを熱として失い易く、金属活性種が互いに凝集することなく集電体表面においてアモルファス状の金属酸化物として堆積する。更に金属活性種の照射を続けると、熱伝導性に劣るアモルファス状の金属酸化物上では、金属活性種のマイグレーション(表面移動)が生じ、金属活性種が互いに凝集して金属酸化物の粒子を形成する。また、シリコン活性種の照射を金属活性種の照射と交互に行うことにより、金属酸化物粒子とSiO(0≦X≦2)とが分散した状態で混在した電極を形成させることができる。
本発明の電極の製造方法は、金属活性種を堆積させる工程とシリコン活性種を堆積させる工程とを合わせて10〜1000回繰り返すことが好ましい。かかる電極の製造電極は、更に優れたサイクル特性及びレート特性が得られる電極とすることができると共に、金属活性種にエネルギーが十分に与えられ、金属活性種のマイグレーションが良好に生じ、好適にリチウムイオンの挿入・脱離に寄与する金属酸化物粒子が形成され、優れた電池容量が得られる電極を作製することができる。
本発明の電極の製造方法は、金属活性種を堆積させる工程における電圧は、50〜500Vの範囲内であることが好ましい。かかる電極の製造電極は、更に優れたサイクル特性及びレート特性が得られる電極とすることができると共に、金属活性種にエネルギーが十分に与えられ、金属活性種のマイグレーションが良好に生じ、好適にリチウムイオンの挿入・脱離に寄与する金属酸化物粒子が形成され、優れた電池容量が得られる電極を作製することができる。
優れたサイクル特性及びレート特性を得ることができる電極、リチウムイオン二次電池及び電極の製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
図1は本発明のリチウムイオン二次電池の好適な一実施形態を示す正面図である。図2は、図1に示すリチウムイオン二次電池の内部を負極の表面の法線方向からみた場合の展開図である。図3は、図1に示すリチウムイオン二次電池を図1のX1−X1線に沿って切断した場合の模式断面図である。図4は、図1に示すリチウムイオン二次電池を図1のX2−X2線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。図5は、図1に示すリチウムイオン二次電池を図1のY−Y線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。
図1〜図5に示すように、リチウムイオン二次電池1は、主として、互いに対向する板状の負極10及び板状の正極26と、負極10と正極26との間に隣接して配置される板状のセパレータ40と、リチウムイオンを含む電解液を密閉した状態で収容するケース(外装体)50と、負極10に一方の端部が電気的に接続されると共に、他方の端部がケース50の外部に突出される負極用リード12と、正極26に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケース50の外部に突出される正極用リード28と、から構成されている。上記負極10としては、本発明の電極が用いられている。
なお、本明細書において、「負極」とは、電池の放電時の極性を基準とする電極であって、放電時の酸化反応により電子を放出する電極である。更に、「正極」とは、電池の放電時の極性を基準とする電極であって、放電時の還元反応により電子を受容する電極である。
以下、図1〜図10に基づいて本実施形態の各構成要素の詳細を説明する。
図6は本発明の電極の好適な一実施形態を示す模式断面図である。負極10は、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、を備えている。
金属酸化物含有層18は、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、SiO(0≦X≦2)と、を含有する。
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ことが好ましい。
また、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ことが好ましく、FeO及び/又はFe、CoO及び/又はCo、或いは、NiO及び/又はNiであることがより好ましく、FeO及び/又はFeであることが特に好ましい。
金属酸化物粒子の平均粒径は、1〜50nmであることが好ましく、2〜20nmであることがより好ましく、2〜10nmであることが更に好ましい。平均粒径が1nm未満の場合は、電池容量が低下する傾向にあり、50nmを超える場合は、レート特性が低下する傾向にある。ここで、金属酸化物粒子の平均粒径は、TEM観察により測定することができる。
金属酸化物含有層18における金属酸化物とSiO(0≦X≦2)との質量比(金属酸化物/SiO(0≦X≦2))は、0.1〜10であることが好ましく、0.5〜2であることがより好ましい。金属酸化物のSiO(0≦X≦2)に対する質量比が0.1未満の場合は、サイクル特性が低下する傾向にあり、10を超える場合は、電池容量が低下する傾向にある。ここで、金属酸化物とSiO(0≦X≦2)との質量比は、後述する負極の製造方法における、集電体16への金属活性種及びシリコン活性種の照射回数・照射時間により調整することができ、TEM−EELSにより測定することができる。
金属酸化物含有層18の膜厚は、1〜500nmであることが好ましく、5〜50nmであることがより好ましい。膜厚が1nm未満の場合は、電池容量が低下する傾向にあり、500nmを超える場合は、レート特性が低下する傾向にある。
集電体16は、金属酸化物含有層18への電荷の移動を充分に行うことができる良導体であると共に、熱伝導性に優れた材料であれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている集電体を使用することができる。熱伝導性に優れた材料を用いた場合、金属酸化物含有層18において、集電体16表面近傍における金属活性種のマイグレーションが良好に生じることとなり、好適にリチウムイオンの挿入・脱離に寄与することのできる金属酸化物粒子が形成され、優れた電池容量が得られる電極を作製することができる。
集電体16としては、例えば、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種の金属であることが好ましく、Cuであることがより好ましい。集電体16は、例えば銅又はニッケルからなる負極用リード12の一端に電気的に接続され、負極用リード12の他端はケース50の外部に延びている。
図7は本発明の電極の他の好適な一実施形態を示す模式断面図である。負極100は、図7に示すように、金属酸化物含有層18と、非金属元素の酸化物を含む中間層21とが交互に集電体16上に複数積層されている。
中間層21は、非金属元素の酸化物を含むことが好ましい。非金属元素の酸化物としては、熱伝導性及び電子伝導性の高い酸化物であれば限定されるものではなく、例えばSiO、SnO、GeO、PbOが挙げられ、SiO、SnOが好ましい。この場合、金属間化合物層18上に熱伝導性の良い中間層21を形成することにより、中間層21上において金属活性種のマイグレーションが良好に生じ、集電体16上と同様に、金属酸化物粒子を含有する金属酸化物含有層18が中間層21上に積層されることとなる。これにより、金属酸化物含有層18に金属酸化物粒子及びSiO(0≦X≦2)を混在させ、優れたサイクル特性及びレート特性を得ることができると共に、好適にリチウムイオンの挿入・脱離に寄与する金属酸化物粒子を得ることができるため、優れた電池容量が得られる電極を作製することができる。
中間層21の膜厚は、1〜100nmであることが好ましい。膜厚が1nm未満の場合は、サイクル特性が低下する傾向にあり、100nmを超える場合は、レート特性が低下する傾向にある。
図8は本発明の電極の他の好適な一実施形態を示す模式断面図である。負極110は、図8に示すように、金属酸化物含有層18の上に、金属酸化物含有層18と同様の周期表第4周期に属する金属とSiO(0≦X≦2)とを含む金属間化合物層20を有している。金属間化合物層20において、周期表第4周期に属する金属は、通常は酸化物や粒子にはならずに存在している。一方、SiO(0≦X≦2)も、通常酸化物や粒子にならずに存在している。
金属酸化物含有層20における周期表第4周期に属する金属とSiO(0≦X≦2)との質量比(周期表第4周期に属する金属/SiO(0≦X≦2))は、0.1〜10であることが好ましく、0.5〜2であることがより好ましい。周期表第4周期に属する金属のSiO(0≦X≦2)に対する質量比が0.1未満の場合は、サイクル特性が低下する傾向にあり、10を超える場合は、レート特性が低下する傾向にある。ここで、周期表第4周期に属する金属とSiO(0≦X≦2)との質量比は、後述する負極の製造方法における、金属活性種及びシリコン活性種の照射回数・照射時間により調整することができ、TEM−EELSにより測定することができる。
金属間化合物層20の膜厚は、1〜500nmであることが好ましく、2〜100nmであることがより好ましい。膜厚が1nm未満の場合は、電池容量が低下する傾向にあり、500nmを超える場合は、サイクル特性が低下する傾向にある。
図9は本発明の電極の他の好適な一実施形態を示す模式断面図である。負極120は、図9に示すように、集電体16側から順に、金属酸化物含有層18及び金属間化合物層20を含む単位積層体24と、中間層22とを有していることが好ましい。負極120は、集電体16上に単位積層体24が複数積層され、中間層22が各々の単位積層体24の間に形成されている。なお、図9では、負極120の最表面層が金属間化合物層20である形態を示しているが、負極120は最表面層が金属酸化物含有層18であってもよい。
中間層22は、上述の中間層21と同様に、非金属元素の酸化物を含むことが好ましい。非金属元素の酸化物としては、熱伝導性及び電子伝導性の高い酸化物であれば限定されるものではなく、例えばSiO、SnO、GeO、PbOが挙げられ、SiO、SnOが好ましい。この場合、上述の中間層21と同様に、優れたサイクル特性及びレート特性を得ることができると共に、優れた電池容量が得られる電極を作製することができる。
中間層22の膜厚は、1〜50nmであることが好ましい。膜厚が1nm未満の場合は、サイクル特性が低下する傾向にあり、50nmを超える場合は、レート特性が低下する傾向にある。
次に、負極10,100,110,120の作製方法について説明する。負極10の金属酸化物含有層18は、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16上に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、集電体16上に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周期に属する金属の酸化物を含む金属酸化物粒子とSiO(0≦X≦2)とが混在した金属酸化物含有層18を集電体16上に形成することにより作製することができる。
金属酸化物含有層18は、金属活性種を堆積させる工程とシリコン活性種を堆積させる工程とを合わせて10〜1000回繰り返すことが好ましい。回数が10回未満では、金属酸化物含有層18の形成が十分でないことから電池容量が低下する傾向にあり、1000回を超える場合は、サイクル特性が低下する傾向にある。
金属活性種及びシリコン活性種の発生には、例えばPVD法やパルスレーザー蒸着法(PLD)等の公知の物理的蒸着法を用いることができる。PVD法としては、抵抗加熱蒸着又は電子ビーム加熱蒸着等の真空蒸着法、DCスパッタリング、高周波スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、ECRスパッタリング又はイオンビームスパッタリング等の各種スパッタリング法、高周波イオンプレーティング、活性化蒸着又はアークイオンプレーティング等の各種イオンプレーティング法、分子線エビタキシ一法、レーザアブレーション法、イオン化クラスタビーム蒸着法、並びにイオンビーム蒸着法等が例示される。
金属活性種を発生させるターゲットは、作製する金属酸化物粒子の金属種に応じて選択され、例えば、Fe、Ni、Co、Cu、Ti、Mn又はCaの金属が好ましく用いられる。シリコン活性種を発生させるターゲットとしては、シリコンが好ましく用いられる。
また、金属活性種を堆積させる工程及びシリコン活性種を堆積させる工程において、金属活性種及びシリコン活性種のそれぞれを各ターゲットから発生させる際に印加する加速電圧は、50〜500Vであることが好ましく、60〜150Vであることがより好ましい。加速電圧が50V未満の場合、金属酸化物粒子が効率よく生成しない傾向にあり、500Vを超える場合は、金属酸化物粒子の粒径が大きくなり、リチウムイオンの挿入・脱離が十分に行われなくなる傾向にある。
図7に示す負極100は、金属酸化物含有層18を形成した後、金属間化合物層20上に上記公知の物理的蒸着法を用いて中間層21を形成することを交互に繰り返すことにより、負極100を作製することができる。
図8に示す負極110は、金属酸化物含有層18を形成した後、金属酸化物含有層18の形成と同様の方法により、金属活性種を堆積させる工程とシリコン活性種を堆積させる工程とを繰り返し、金属間化合物層20を形成することにより作製することができる。
また、図9に示す複数の単位積層体24を積層させた負極120は、以下の方法により作製される。まず、上述のように金属酸化物含有層18及び金属間化合物層20を含む1つの単位積層体24を形成した後、金属間化合物層20上に上記公知の物理的蒸着法を用いて中間層22を形成する。そして、中間層22に対し、再び金属活性種を堆積させる工程とシリコン活性種を堆積させる工程とを交互に実施して、単位積層体24を形成する。このように単位積層体24の形成及び中間層22の形成を交互に繰り返すことにより、負極120は作製される。
次に、正極26について説明する。図10は、図1に示すリチウムイオン二次電池の正極の基本構成の一例を示す模式断面図である。図10に示すように、正極26は、集電体32と、該集電体32上に設けられた正極活物質含有層34とからなる。
正極活物質含有層34は、主として、正極活物質と、結着剤とから構成されている。そして、正極活物質含有層34は、更に導電助剤を含有していることが好ましい。
正極26に用いられる正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、ClO )とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、及び、一般式:LiNiCoMn(x+y+z+a=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV)、オリビン型LiMPO(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素またはVOを示す)、チタン酸リチウム(LiTi12)等の複合金属酸化物が挙げられる。
正極26に用いられる結着剤としては、公知の結着剤を特に制限なく使用することができ、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂が挙げられる。この結着剤は、活物質粒子や必要に応じて添加される導電助剤等の構成材料同士を結着するのみならず、それらの構成材料と集電体との結着にも寄与している。
また、上記の他に、結着剤としては、例えば、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴムを用いてもよい。
更に、上記の他に、結着剤としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、芳香族ポリアミド、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム等を用いてもよい。また、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子を用いてもよい。更に、シンジオタクチック1、2−ポリブタジエン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン(炭素数2〜12)共重合体等を用いてもよい。また、導電性高分子を用いてもよい。
必要に応じて用いられる導電助剤としては特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、カーボンブラック類、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属粉、炭素材料及び金属粉の混合物、ITOのような導電性酸化物が挙げられる。
また、正極26の集電体28は、例えばアルミニウムからなる正極用リード28の一端に電気的に接続され、正極用リード28の他端はケース50の外部に延びている。集電体32は、正極活物質含有層34への電荷の移動を充分に行うことができる良導体であれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられている集電体を使用することができる。例えば、集電体32としては、アルミニウム等の金属箔が挙げられる。
負極10と正極26との間に配置されるセパレータ40は、イオン透過性を有し、且つ、電子的絶縁性を有する多孔体から形成されていれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に用いられるセパレータを使用することができる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの積層体や、上記高分子の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも一種の構成材料からなる繊維不織布等が挙げられる。
電解液(図示せず)はケース50の内部空間に充填され、その一部は、負極10、正極26、及びセパレータ40の内部に含有されている。電解液は、リチウム塩を有機溶媒に溶解した非水電解質溶液が使用される。リチウム塩としては、例えば、LiPF、LiClO、LiBF、LiAsF、LiCFSO、LiCFCFSO、LiC(CFSO、LiN(CFSO、LiN(CFCFSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiN(CFCFCO)等の塩が使用される。なお、これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。また、電解液は、高分子等を添加することによりゲル状としてもよい。
また、有機溶媒は、公知の電気化学素子に使用されている溶媒を使用することができる。例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、及び、ジエチルカーボネート等が好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。
ケース50は、互いに対向する一対のフィルム(第1のフィルム51及び第2のフィルム52)を用いて形成されている。ここで、図2に示すように、本実施形態における第1のフィルム51及び第2のフィルム52は連結している。すなわち、本実施形態におけるケース50は、一枚の複合包装フィルムからなる矩形状のフィルムを、図2に示す折り曲げ線X3−X3において折り曲げ、矩形状のフィルムの対向する1組の縁部同士(図中の第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルム52の縁部52B)を重ね合せて接着剤を用いるか又はヒートシールを行うことにより形成されている。なお、図1及び図2中の51A、並びに、図2中の52Aは、それぞれ第1のフィルム51及び第2のフィルム52の接着又はヒートシールされていない部分領域を示す。
そして、第1のフィルム51及び第2のフィルム52は、1枚の矩形状のフィルムを上述のように折り曲げた際にできる互いに対向する面を有する該フィルムの部分をそれぞれ示す。ここで、本明細書において、接合された後の第1のフィルム51及び第2のフィルム52のそれぞれの縁部を「シール部」という。
また、第1のフィルム51及び第2のフィルム52を構成するフィルムは先に述べたように、可とう性を有するフィルムである。このフィルムは、可とう性を有するフィルムであれば特に限定されないが、発電要素60に接触する高分子製の最内部の層と、最内部の層の発電要素と接する側の反対側に配置される金属層とを少なくとも有する「複合包装フィルム」であることが好ましい。
また、図1及び図2に示すように、第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルム52の縁部52Bからなる外装袋のシール部に接触する負極用リード12の部分には、負極用リード12と各フィルムを構成する複合包装フィルム中の金属層との接触を防止するための絶縁体14が被覆されている。更に、第1のフィルム51の縁部51B及び第2のフィルム52の縁部52Bからなる外装袋のシール部に接触する正極用リード28の部分には、正極用リード28と各フィルムを構成する複合包装フィルム中の金属層との接触を防止するための絶縁体30が被覆されている。
これら絶縁体14及び絶縁体30の構成は特に限定されないが、例えば、それぞれ高分子から形成されていてもよい。なお、負極用リード12及び正極用リード28のそれぞれに対する複合包装フィルム中の金属層の接触が充分に防止可能であれば、これら絶縁体14及び絶縁体30は配置しない構成としてもよい。
次に、上述したリチウムイオン二次電池1の製造方法について、負極10を用いた例により説明する。
発電要素60(負極10、セパレータ40及び正極26がこの順で順次積層された積層体)の製造方法は、負極10を除き、リチウムイオン二次電池の製造に採用されている公知の方法を、特に限定されず用いることができる。負極10は、上記の製造方法により作製することができる。
正極26を作製する場合、まず、上述した各構成成分を混合し、結着剤が溶解可能な溶媒に分散させ、電極形成用塗布液(スラリー又はペースト等)を作製する。溶媒としては、結着剤が溶解可能であれば特に限定されるものではないが、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド等を用いることができる。
次に、上記電極形成用塗布液を集電体表面上に塗布し、乾燥させ、圧延することにより集電体上に活物質含有層を形成し、正極26の作製を完了する。ここで、電極形成用塗布液を集電体の表面に塗布する際の手法は特に限定されるものではなく、集電体の材質や形状等に応じて適宜決定すればよい。塗布方法としては、例えば、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が挙げられる。
その後、作製した負極10及び正極26のそれぞれに対して、負極用リード12及び正極用リード28をそれぞれ電気的に接続する。
次に、負極10と正極26との間に、セパレータ40を接触した状態(好ましくは非接着状態)で配置し、発電要素60を完成する。このとき、負極10の金属酸化物含有層18側の面F2、及び、正極26の正極活物質含有層34側の面F2がセパレータ40と接触するように配置する。
次に、ケース50の作製方法の一例について説明する。まず、第1のフィルム及び第2のフィルムを先に述べた複合包装フィルムから構成する場合には、ドライラミネーション法、ウエットラミネーション法、ホットメルトラミネーション法、エクストルージョンラミネーション法等の既知の製法を用いて作製する。
例えば、複合包装フィルムを構成する高分子製の層となるフィルム、アルミニウム等からなる金属箔を用意する。金属箔は、例えば金属材料を圧延加工することにより用意することができる。
次に、好ましくは先に述べた複数の層の構成となるように、高分子製の層となるフィルムの上に接着剤を介して金属箔を貼り合わせる等して複合包装フィルム(多層フィルム)を作製する。そして、複合包装フィルムを所定の大きさに切断し、矩形状のフィルムを1枚用意する。
次に、先に図2を参照して説明したように、1枚のフィルムを折り曲げて、第1のフィルム51のシール部51B(縁部51B)と第2のフィルムのシール部52B(縁部52B)を、例えば、シール機を用いて所定の加熱条件で所望のシール幅だけヒートシールする。このとき、発電要素60をケース50中に導入するための開口部を確保するために、一部にヒートシールを行わない部分を設けておく。これにより開口部を有した状態のケース50が得られる。
そして、開口部を有した状態のケース50の内部に、負極用リード12及び正極用リード28が電気的に接続された発電要素60を挿入する。そして、電解液を注入する。続いて、負極用リード12、正極用リード28の一部をそれぞれケース50内に挿入した状態で、シール機を用いて、ケース50の開口部をシールする。これにより、ケース50及びリチウムイオン二次電池1の作製が完了する。なお、本発明のリチウムイオン二次電池は、図1に示したような形状のものに限定されず、例えば、円筒形等の形状でもよい。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態の説明において、リチウムイオン二次電池1のシール部を折り曲げることにより、よりコンパクトな構成としてもよい。また、上記実施形態の説明においては、負極10及び正極26をそれぞれ1つずつ備えたリチウムイオン二次電池1について説明したが、負極10及び正極26をそれぞれ2以上備え、負極10と正極26との間にセパレータ40が常に1つ配置される構成としてもよい。
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の
実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
(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。
(電極の断面観察)
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。
(構成成分の測定)
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
(平均粒径測定)
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。
(電極評価用セルの作製)
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1MLiPF/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。
(容量保持特性の評価)
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。
(高レート放電特性の評価)
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。
[実施例2]
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例3]
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例4]
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例5]
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例6]
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例7]
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例8]
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例9]
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例10]
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例11]
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Fe等のFe酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例12]
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Co等のCo酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例13]
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Co等のCo酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例14]
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Ni等のNi酸化物及びSiOの存在が確認された。
[実施例15]
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Ni等のNi酸化物及びSiOの存在が確認された。
[比較例1]
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SiOの存在が確認された。
[比較例2]
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Fe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。
本発明のリチウムイオン二次電池の好適な一実施形態を示す正面図である。 図1に示すリチウムイオン二次電池の内部を負極の表面の法線方向からみた場合の展開図である。 図1に示すリチウムイオン二次電池を図1のX1−X1線に沿って切断した場合の模式断面図である。 図1に示すリチウムイオン二次電池を図1のX2−X2線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。 図1に示すリチウムイオン二次電池を図1のY−Y線に沿って切断した場合の要部を示す模式断面図である。 本発明の電極の好適な一実施形態を示す模式断面図である。 本発明の電極の他の好適な一実施形態を示す模式断面図である。 本発明の電極の他の好適な一実施形態を示す模式断面図である。 本発明の電極の他の好適な一実施形態を示す模式断面図である。 図1に示すリチウムイオン二次電池の正極の基本構成の一例を示す模式断面図である。 実施例1で作製した電極の断面を撮影したTEM写真を示す図である。
符号の説明
1…リチウムイオン二次電池、10,100,110,120…負極、12…負極用リード線、14,30…絶縁体、16,32…集電体、18…金属酸化物含有層、20…金属間化合物層、21,22…中間層、24…単位積層体、26…正極、28…正極用リード線、34…正極活物質含有層、40…セパレータ、50…ケース、60…発電要素。

Claims (14)

  1. 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、SiO(0≦X≦2)と、を含有する、電極。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 前記金属の酸化物は、FeO及び/又はFeである、請求項1〜3のいずれか一項記載の電極。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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SiO(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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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SiO(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。
  13. 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。
  14. 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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