JP2011154786A - Apparatus for manufacturing electrode plate of electrochemical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用極板の製造装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for manufacturing an electrode plate for a lithium ion secondary battery.
近年、リチウムイオン二次電池の高容量化のため、負極活物質(以下、活物質ともいう)としてSi(ケイ素)やSn(スズ)などの元素を含む合金系負極活物質が注目されている。例えば、Siの理論放電容量は約4199mAh/gであり、黒鉛の理論放電容量の約11倍である。 In recent years, in order to increase the capacity of lithium ion secondary batteries, alloy-based negative electrode active materials containing elements such as Si (silicon) and Sn (tin) have attracted attention as negative electrode active materials (hereinafter also referred to as active materials). . For example, the theoretical discharge capacity of Si is about 4199 mAh / g, which is about 11 times the theoretical discharge capacity of graphite.
しかしながら、これら合金系負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵する際に結晶構造が大きく変化し、膨張する。その結果、極板の変形が発生し、それに伴って活物質粒子が割れたり、集電体から活物質層が剥がれたりすることによって、活物質と集電体との間の電子伝導性が低下し、結果としてサイクル特性といった電池特性が低下する。 However, when these alloy-based negative electrode active materials occlude lithium ions, the crystal structure greatly changes and expands. As a result, the electrode plate is deformed, and accordingly, the active material particles are cracked or the active material layer is peeled off from the current collector, thereby lowering the electronic conductivity between the active material and the current collector. As a result, battery characteristics such as cycle characteristics deteriorate.
そのため、活物質層に、リチウムイオン吸蔵時の膨張空間をあらかじめ設けておくことが提案されている。 For this reason, it has been proposed to provide an expansion space in advance in the active material layer during occlusion of lithium ions.
特許文献1にはLiとは合金化しない材料からなる集電体上に、Liと合金化する金属またはこの金属を含有する合金からなる薄膜が形成されたリチウム二次電池用負極(以下、負極ともいう)が開示されている。この従来例においては、集電体上に所定のパターンで選択的に柱状負極活物質を形成し、その柱状負活物質の間に形成された空隙によって活物質の体積膨張を吸収することで活物質の破壊を回避する内容を開示している。
また、特許文献2には集電体箔の表面に突起を設けることにより充放電サイクル特性が向上することが提案されている。この従来例においては表面粗さRaが0.01ミクロン以上である集電体の上に活物質薄膜を形成することにより、活物質薄膜と集電体との界面における接触面積を大きくすることができ、活物質薄膜と集電体の密着性を高めることができることが示されている。このため、集電体からの活物質薄膜の剥離を防止することができ、良好な充放電サイクル特性を得ることができることが開示されている。
リチウム吸蔵放出に伴う活物質の膨張対策の別アプローチとして、放電容量が若干低下するがSiやSnの酸化物、窒化物または酸窒化物を用いることによって膨張収縮を軽減することが試みられている(特許文献3)。SiやSnの酸化物、窒化物または酸窒化物を活物質として用いる場合には、不可逆容量が発生する。すなわち、充電時に負極活物質中に吸蔵されたリチウムの一部は、放電に寄与することなく負極中にとどまる。これによって、充放電効率が低下するので、不可逆容量は電池容量を大幅に低下させる。 As another approach for countermeasures against expansion of the active material accompanying lithium occlusion / release, it is attempted to reduce expansion and contraction by using Si, Sn oxide, nitride or oxynitride although the discharge capacity is slightly reduced. (Patent Document 3). When an oxide, nitride or oxynitride of Si or Sn is used as an active material, irreversible capacity is generated. That is, a part of lithium occluded in the negative electrode active material during charging stays in the negative electrode without contributing to discharge. As a result, the charge / discharge efficiency is lowered, and the irreversible capacity greatly reduces the battery capacity.
この問題を解決するために、予め不可逆容量に相当するリチウムを負極に付与しておくことが有効である。リチウムの付与方法としては、一旦電池を形成して不可逆容量相当の充電を行った後に、負極を取り出して、再度別の正極と組み合わせて電池を構成する方法(以下この方法を電気化学法とよぶ)がある。また、薄膜プロセスで負極板にリチウムを付与する方法(以下この方法を直接付与法とよぶ)も提案されている。 In order to solve this problem, it is effective to previously apply lithium corresponding to the irreversible capacity to the negative electrode. As a method for applying lithium, after forming a battery and charging it corresponding to an irreversible capacity, a negative electrode is taken out and combined with another positive electrode to form a battery (hereinafter this method is referred to as an electrochemical method). ) In addition, a method of applying lithium to the negative electrode plate by a thin film process (hereinafter, this method is referred to as a direct application method) has been proposed.
活物質の膨張に対応するため、活物質層に空間を設けておくことが有効である。すなわち、図15に示すように、活物質層103には、活物質の厚い部分105と薄い部分107が形成されている場合に、活物質層103の表面に対して、均一にリチウムが付与すると、活物質の薄い部分107では、活物質に対してリチウムの比率が高くなり、活物質の
厚い部分105では、リチウムの比率が低くなる。その結果、活物質の厚い部分105でリチウムが不足し、活物質の薄い部分107ではリチウムが過剰となる。
In order to cope with the expansion of the active material, it is effective to provide a space in the active material layer. That is, as shown in FIG. 15, when the
特に、活物質の薄い部分107では、余剰のリチウムが析出し、良好な充放電サイクルが得られない可能性がある。この問題を解決するために、特許文献4では、集電体の表面から外側へ向かって突出する複数の柱状体と、集電体表面の少なくとも一部を覆う薄膜体とを備える負極活物質層を形成し、次いで、各柱状体に対し、乾式成膜法によってリチウムを供給する際に、リチウム供給方向を柱状体の軸方向に対し傾斜させる事が開示されている。また柱状体の二側面からリチウムを付与することが開示されている。これらによれば活物質の厚い部分に主にリチウムが付与されるため、活物質の薄い部分で、余剰のリチウムが析出する事を防止することが出来る。
In particular, in the
活物質の厚い部分に選択的に、且つ均一にリチウムを付与する方法として、リチウム付与の方向を複数方向とすることは有効であるが、特許文献4の図4に例示されているように、活物質に2方向からリチウム付与を行うためには設備が大掛かりとなるため、簡便な方法でこれを実現する方法が求められていた。
As a method for selectively and uniformly applying lithium to a thick portion of the active material, it is effective to set the direction of lithium application to a plurality of directions, but as illustrated in FIG. 4 of
上記課題を解決するために、本発明の電気化学素子の極板製造装置は、排気ポンプで減圧されている真空槽内に配置され基板を搬送する搬送系と、基板近接に配置され前記基板に材料蒸気を付与するための開口面を有する半密閉構造の材料付与源と、前記付与源を加熱する加熱源と、前記付与源の開口面近傍に配置され材料蒸気に指向性を付与するスリット構造とを有し、前記スリット構造は、成膜領域における前記基板の搬送に伴って、前記基板に向かう前記材料蒸気の入射方向が前記基板法線を挟んで逆転する構造であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an electrochemical element electrode plate manufacturing apparatus according to the present invention is arranged in a vacuum chamber that is depressurized by an exhaust pump, and a transport system that transports a substrate, and a substrate that is disposed in the vicinity of the substrate. A material application source having a semi-enclosed structure having an opening surface for applying a material vapor, a heating source for heating the application source, and a slit structure arranged near the opening surface of the application source to impart directivity to the material vapor The slit structure is a structure in which the incident direction of the material vapor toward the substrate is reversed across the substrate normal as the substrate is transported in the film formation region. .
本発明の電気化学素子の極板製造装置によれば、活物質厚みに応じたリチウム付与を、薄膜プロセスで効率的に行うことができる。その結果、サイクル充放電等における電池特性の低下を防止することが出来る。 According to the electrode plate manufacturing apparatus for an electrochemical element of the present invention, lithium application according to the thickness of the active material can be efficiently performed by a thin film process. As a result, it is possible to prevent the battery characteristics from being deteriorated during cycle charge and discharge.
本発明の電気化学素子の極板製造装置は、図14に示すように、以下の(a)〜(c)の工程を有するリチウム二次電池用負極の製造方法に関連して用いられるのが一般的である。
(a)集電体101を準備する工程。
(b)前記集電体101上に、リチウムの吸蔵放出が可能な活物質を含み、厚い部分105と薄い部分107とを有する活物質層103を形成する工程。
(c)前記集電体101の法線に対して傾斜した複数の方向から、前記活物質上にリチウム蒸気111を入射させて、リチウム113を付与する工程。
As shown in FIG. 14, the electrochemical device electrode plate manufacturing apparatus of the present invention is used in connection with a method for manufacturing a negative electrode for a lithium secondary battery having the following steps (a) to (c). It is common.
(A) A step of preparing the
(B) A step of forming, on the
(C) A step of applying
ここで、活物質層103は、膜厚の厚い部分105と薄い部分107とを有する。すなわち、厚い部分105と隣の厚い部分105との間には、空隙109が形成されている。このような構成をとることによって、負極が充電時にリチウムを吸蔵して膨張しても、体積変化を緩和して、活物質層103が集電体101から剥離することを防止することができる。なお、薄い部分は膜厚が0であっても良い。すなわち活物質層103は連続膜でなくても良い。
Here, the
本発明の電気化学素子の極板製造装置は、工程(c)において用いられる。工程(c)において、リチウム蒸気111は、集電体101の法線方向115より傾斜した、複数の方向から、活物質薄膜103に入射する。法線方向から傾斜した方向から入射することによって、活物質薄膜の薄い部分107にリチウムが付着しにくくなる。これは、いわゆる自己陰影効果と呼ばれているものである。したがって、活物質薄膜103の厚い部分105には、より多くのリチウムが付着し、活物質薄膜の薄い部分には、比較的少量のリチウムしか付着しない。これによって、活物質薄膜の厚い部分では、リチウムが不足することがしにくい。逆に、薄い部分では、リチウムが余剰になってデンドライト析出するなどの問題が発生しにくい。また、複数の方向から入射することによって、活物質の厚い部分に、より均一にリチウムを付与することが出来る。したがって、本発明の負極は、サイクル特性に優れている。
The electrochemical element plate manufacturing apparatus of the present invention is used in step (c). In the step (c), the
工程(c)において、活物質に付着させたリチウムは、直ちに、活物質と反応する。したがって、工程(c)の後、負極を調べると、リチウムと活物質が分離した状態(図14(c)に図示した状態)にはとどまらず、リチウムは、活物質中に拡散している。 In the step (c), lithium attached to the active material immediately reacts with the active material. Therefore, when the negative electrode is examined after the step (c), the lithium and the active material are not separated from each other (the state illustrated in FIG. 14C), and lithium is diffused in the active material.
工程(c)において、活物質上にリチウムを付与する装置は、リチウム蒸気を半密閉構造としているのが良い。半密閉構造とは、真空層の内部に、リチウム蒸発源(成膜材料)を囲い込む容器を置き、この容器に成膜ノズル(開口部)をつけて、開口部から、リチウム蒸気を引き出して、活物質層に付着させる構成を意味する。さらに、このノズルは、指向性を有している。この指向性によって、リチウム蒸気の入射方向が集電体の法線に対して傾斜した方向に制御される。この指向性制御は、ノズルの整流板で制御するのが容易である。ノズルに複数方向の指向性を持たせることによって、活物質上にリチウム蒸気の入射す
る方向を、複数の方向とすることが出来る。
In the step (c), the apparatus for applying lithium on the active material preferably has a semi-enclosed structure of lithium vapor. The semi-enclosed structure is a container that encloses a lithium evaporation source (film forming material) inside the vacuum layer, and a film forming nozzle (opening) is attached to this container, and lithium vapor is drawn from the opening. Means a structure attached to the active material layer. Furthermore, this nozzle has directivity. By this directivity, the incident direction of lithium vapor is controlled in a direction inclined with respect to the normal line of the current collector. This directivity control is easy to control with the current plate of the nozzle. By giving the nozzle directivity in a plurality of directions, the direction in which lithium vapor is incident on the active material can be a plurality of directions.
工程(a)の集電体には銅、ニッケルなどを含むシート状の金属箔を用いることが出来る。集電体上に突起形状を有するものを用いることで、活物質層の選択的形成の起点とすることが出来る。また、集電体上に突起形状があることは付着強度の向上に有利である。シート部分と突起部分の材料組成は同じであっても異なっても良い。強度、電池としての体積効率、取り扱いの容易性などの観点から集電体の全厚は10〜50ミクロンが好ましく、より好ましくは15〜40ミクロンである。 A sheet-like metal foil containing copper, nickel, or the like can be used for the current collector in step (a). By using a current collector having a protrusion shape, the active material layer can be selectively formed as a starting point. Further, the presence of the protrusion shape on the current collector is advantageous in improving the adhesion strength. The material composition of the sheet portion and the protruding portion may be the same or different. The total thickness of the current collector is preferably 10 to 50 microns, more preferably 15 to 40 microns, from the viewpoints of strength, volumetric efficiency as a battery, and ease of handling.
工程(b)において、集電体の片面または両面には活物質層が形成される。活物質層に含まれる活物質としては、リチウムと電気化学的に反応するものであれば特に制限はないが、リチウムとの反応性が比較的高く、高容量が期待できるケイ素単体、ケイ素合金、ケイ素と酸素とを含む化合物、ケイ素と窒素とを含む化合物、スズ単体、スズ合金、スズと酸素とを含む化合物、およびスズと窒素とを含む化合物よりなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。本発明による改善度合いが顕著となるからである。 In the step (b), an active material layer is formed on one side or both sides of the current collector. The active material contained in the active material layer is not particularly limited as long as it is electrochemically reactive with lithium, but is relatively high in reactivity with lithium and can be expected to have a high capacity. Including at least one selected from the group consisting of a compound containing silicon and oxygen, a compound containing silicon and nitrogen, a simple substance of tin, a tin alloy, a compound containing tin and oxygen, and a compound containing tin and nitrogen It is preferable. It is because the improvement degree by this invention becomes remarkable.
活物質層の平均の厚みは作製する電池の性能によって異なるが、概ね3〜40ミクロンの範囲である。活物質層が3ミクロン未満になると、電池全体に占める活物質の割合が小さくなり、電池のエネルギー密度が低下する。また、活物質層が40ミクロンを超えると集電体と活物質層との界面における応力が大きくなり、集電体の変形などが発生しやすい。 The average thickness of the active material layer varies depending on the performance of the battery to be manufactured, but is generally in the range of 3 to 40 microns. When the active material layer is less than 3 microns, the proportion of the active material in the entire battery decreases, and the energy density of the battery decreases. On the other hand, when the active material layer exceeds 40 microns, the stress at the interface between the current collector and the active material layer increases, and the current collector tends to be deformed.
リチウムとの反応性の観点からは、活物質層は非晶質または低結晶性であることが好ましい。ここでいう低結晶性とは、結晶粒の粒径が50nm以下の領域を言う。なお結晶粒の粒径は、X線回折分析で得られる回折像の中で最も強度の大きなピークの半価幅から、Scherrerの式によって算出される。また非晶質とは、X線回折分析で得られる回折像において、2θ=15〜40°の範囲にブロードなピークを有することを言う。
工程(b)の活物質層の形成について、以下により詳しく説明する。
From the viewpoint of reactivity with lithium, the active material layer is preferably amorphous or low crystalline. The term “low crystallinity” as used herein refers to a region where the crystal grain size is 50 nm or less. Note that the grain size of the crystal grains is calculated by the Scherrer equation from the half-value width of the peak with the highest intensity in the diffraction image obtained by X-ray diffraction analysis. Amorphous means having a broad peak in the range of 2θ = 15 to 40 ° in a diffraction image obtained by X-ray diffraction analysis.
The formation of the active material layer in the step (b) will be described in more detail below.
図7は、活物質層を形成するための製造装置の一部の例を示す概略図である。図7において、真空槽2は排気ポンプ4で排気されている。真空槽2中で巻き出しロール8から巻き出された長尺の集電体材料である基板21は、搬送ローラ5に導かれて、遮蔽板10の第1開口部および第2開口部を通過走行後、さらに遮蔽板の第3開口部および第4開口部を通過走行し、巻き取りロール3に巻き取られる。ここで使用する基板21は銅、ニッケルなどからなるシート状の箔である。活物質付与源19には、ケイ素またはスズが坩堝などに入れられている。活物質付与源19は電子ビームなどの加熱装置(図示せず)により加熱され、ケイ素またはスズが蒸発する。
FIG. 7 is a schematic view illustrating an example of a part of a manufacturing apparatus for forming an active material layer. In FIG. 7, the
基板(集電体)21が遮蔽板10の第1開口部及び第2開口部において、活物質付与源19から飛来するケイ素やスズなどにさらされることにより、基板21の片方の面上にケイ素やスズなどからなる第1の活物質層(図示せず)が形成される。次に遮蔽板10の第3開口部及び第4開口部において、基板21活物質付与源19から飛来するケイ素やスズなどにさらされることにより、もう一方の面にもケイ素やスズなどからなる第2の活物質層(図示せず)が形成される。このように、突起形状を有する基板上に活物質層を斜方蒸着法で形成することによって、図10に模式的に示すように、自己陰影効果によって、集電体である基板21上の突起25上に選択的に活物質が柱状に成長し、柱状活物質22間に空間を有する活物質層を形成することが出来る。ただし、柱状粒子間部にも若干の成膜が行われ、下部活物質23が形成されている方が集電体の露出がないので良い。基板21上の活物質層の成長は、第1開口部と第2開口部の両方と、第3開口部と第4開口部の両方とを成膜に用いた場合には、基板21の突起形状に対して2方向から蒸発原子が入射す
るために、図10(a)に模式的に示すような柱状活物質22を有する活物質層24が得られる。また、第1開口部と第2開口部の片方と、第3開口部と第4開口部の片方とを成膜に用いた場合には、基板21の突起形状に対して1方向から蒸発原子が入射するために、例えば図10(b)に模式的に示すような柱状活物質22を有する活物質層24が得られる。本発明は図10のどちらの活物質層に対しても有効である。
When the substrate (current collector) 21 is exposed to silicon, tin, or the like flying from the active
なお、以上のように形成された活物質層24の柱状活物質22は、活物質層の厚い部分に相当し、下部活物質23は、薄い部分に相当する。
また、活物質層の形成は基板が円筒状キャンの周面に沿って走行している部分に遮蔽板の開口部を設けることによっても可能であるが、遮蔽板の開口部を、図7のように基板が直線状に走行している部分に設けることによって、基板上への蒸発原子の斜め入射成分を効率良く用いることが出来るので、柱状活物質間に空間を有する活物質層の生産性向上に有効である。
In addition, the columnar
The active material layer can also be formed by providing an opening portion of the shielding plate in a portion where the substrate travels along the peripheral surface of the cylindrical can. By providing the substrate in a portion where the substrate travels in a straight line, it is possible to efficiently use the obliquely incident component of the evaporated atoms on the substrate, so that the productivity of the active material layer having a space between the columnar active materials It is effective for improvement.
ケイ素と酸素とを含む化合物、ケイ素と窒素とを含む化合物、スズと酸素とを含む化合物、またはスズと窒素とを含む化合物の活物質層を形成するためには、酸素ガスや窒素ガスをガス導入管(図示せず)から導入し、これらのガス雰囲気下で活物質付与源19からケイ素やスズを蒸発させることによりリチウム付与前の仕掛かり負極が得られる。窒素を含む活物質を形成する場合には、導入ガスをプラズマ化することが反応効率の確保に特に有効である。
In order to form an active material layer of a compound containing silicon and oxygen, a compound containing silicon and nitrogen, a compound containing tin and oxygen, or a compound containing tin and nitrogen, oxygen gas or nitrogen gas is used. Introducing from an introduction pipe (not shown) and evaporating silicon or tin from the active
本発明の工程(b)は、図14に示すように、集電体101上に、厚い部分105と薄い部分107を有する活物質層103が形成できる方法であれば良い。工程(b)の具体的プロセスとしては、特に限定されないが、蒸着法、スパッタ法、CVD法などのドライプロセスを用いることが好ましい。
Step (b) of the present invention may be any method that can form an
活物質層を形成(工程(b))後、工程(c)として、不可逆容量対策としてリチウムを付与し、負極を完成する。
本発明のリチウムイオン電池では、薄膜プロセスで負極板にリチウム付与を行った後に、電池を構成している。
After the formation of the active material layer (step (b)), as step (c), lithium is applied as a countermeasure for irreversible capacity, and the negative electrode is completed.
In the lithium ion battery of the present invention, the battery is constituted after lithium is applied to the negative electrode plate by a thin film process.
我々は鋭意検討を重ねた結果、負極の膨張は放電の可否に関わらず、充電時にリチウムを吸蔵することによって起こることを見いだした。従って不可逆容量対策を行った負極板は、例えば20%の厚み増加があり、充電時には更にリチウムを吸蔵することで膨張が進む。 As a result of intensive studies, we have found that the expansion of the negative electrode is caused by occlusion of lithium during charging, regardless of whether discharge is possible or not. Therefore, the negative electrode plate with the irreversible capacity countermeasure has an increase in thickness of 20%, for example, and further expands by storing more lithium during charging.
負極板の劣化反応やリチウムデンドライド発生における主原因のひとつにリチウム過多があり、リチウム付与の際に過剰な付与を避け、活物質層の各部分における膜厚に応じたリチウム付与を行うことが有効である。従って柱状粒子部分(厚い部分)に選択的にリチウムの付与を行うことが望ましい。薄膜プロセスによる従来のリチウム付与では、活物質層全体にほぼ均一にリチウムが飛来するため、活物質層の柱状粒子(厚い部分)と柱状粒子の間(薄い部分)では、薄い部分に過剰なリチウム付与となり、充放電の繰り返しに伴って負極板の劣化や、最悪の場合にはデンドライドが成長する場合があった。
活物質層の薄い部分へのリチウム付与が過剰となるのを防止するために、図4に一例を模式的に示す装置を工程(c)で用いることが出来る。図4でリチウム付与源18は、リチウム材料16を保持している。リチウム付与源18は、近接して走行する活物質層形成済の基板21に面して開口部を有する、半密閉構造を有している。ここでいう半密閉構造とは、真空槽2とは別個に真空槽の内部で、リチウム材料を囲い込む構成を有していることを意味する。リチウム付与源18をこのように半密閉構造とすることによって、不要な飛散を防止して、リチウム蒸気を利用効率良く、リチウム付与に用いることが出来る。リチ
ウム付与源18は図示しない加熱機構によって加熱されている。加熱方法には誘導加熱、抵抗加熱、その他各種方法を用いることが出来る。加熱機構によって加熱されたリチウム付与源18はリチウム材料16を溶解保持した後に、所定のリチウム成膜速度に対応するリチウム蒸発をするために、更に加熱される。リチウム材料16の加熱によって発生したリチウム蒸気は、第一キャン6及び第二キャン7の周面に沿って走行する、基板21の活物質層の表面に向かう。
One of the main causes of the deterioration reaction of the negative electrode plate and the generation of lithium dendride is excessive lithium, avoiding excessive application when applying lithium, and applying lithium according to the film thickness in each part of the active material layer It is valid. Accordingly, it is desirable to selectively apply lithium to the columnar particle portion (thick portion). In conventional lithium application by a thin film process, lithium is almost uniformly distributed over the entire active material layer. Therefore, excess lithium is present in the thin portion between the columnar particles (thick portion) and the columnar particles (thin portion) of the active material layer. In some cases, the negative electrode plate deteriorates or the dendride grows in the worst case with repeated charging and discharging.
In order to prevent excessive lithium from being applied to the thin portion of the active material layer, an apparatus schematically shown in FIG. 4 can be used in step (c). In FIG. 4, the
その際、図4に示すように、リチウム付与源に保持されたリチウム材料開口部を結んだ方向である指向方向に対して、基板の法線方向を斜め方向にすることでリチウムは活物質層表面に斜め方向から入射する。活物質層が、先に示した図10(b)のように基板面から斜め方向に成長する柱状活物質からなる場合には、リチウムの入射方向を活物質の柱状粒子の成長方向とずらしておく必要がある。これによって、リチウム付与の際に過剰な付与を避け、活物質層の各部分における膜厚に応じたリチウム付与を行うことが可能となる。しかしながら、柱状活物質の一方向からのみリチウムが付与されるので、成膜と同時にリチウムが吸蔵反応するためには成膜レートが制限される
そこで、図5に一例を模式的に示す装置を工程(c)で用いることが出来る。図5でリチウム付与源18は、リチウム材料16を保持している。リチウム付与源18は、近接して走行する活物質層形成済の基板21の法線に対して傾斜した軸方向に開口部を有する、半密閉構造を有している。
At that time, as shown in FIG. 4, lithium is an active material layer by setting the normal direction of the substrate to an oblique direction with respect to a directivity direction that is a direction connecting lithium material openings held in a lithium application source. Incident on the surface from an oblique direction. When the active material layer is made of a columnar active material that grows obliquely from the substrate surface as shown in FIG. 10B, the incident direction of lithium is shifted from the growth direction of the columnar particles of the active material. It is necessary to keep. Thus, it is possible to avoid excessive application during the application of lithium and to apply lithium according to the film thickness in each part of the active material layer. However, since lithium is applied only from one direction of the columnar active material, the film formation rate is limited in order for lithium to occlude at the same time as film formation. Therefore, an apparatus schematically shown in FIG. It can be used in (c). In FIG. 5, the
成膜ノズルは図示しない加熱機構によって加熱されている。リチウム材料16の加熱によって発生したリチウム蒸気は、第一キャンの二箇所、および第二キャンの二箇所において、それぞれ基板表裏面に形成された活物質層の表面に向かう。それぞれのキャンにおいて、リチウムは活物質層表面に斜めの二方向から入射する。二方向からのリチウム付与を断続的に行うことによって、基板温度の上昇を抑えることが出来る。
The film forming nozzle is heated by a heating mechanism (not shown). Lithium vapor generated by heating the
複数の方向からリチウムを付与する方法の、別の一例を、図6に模式的に示す。図6に示すように、指向性制御の方向の異なる複数の成膜ノズルを用いることで、複数の入射方向から活物質に同時にリチウムを付与することが出来る。二方向から同時にリチウムを付与することによって活物質とリチウムの反応をより均一に進めることが出来る。
図5、及び図6に模式的に示した製造装置では、二方向からリチウムを付与するために、二つの成膜源を用いるため、表裏面の活物質に対するリチウム付与には合計四基の成膜源が必要である。従って装置構成が複雑であり、設備コストが増加するほか、リチウム付与源同士の熱的干渉を排除して二方向からのリチウム付与を均等にするための断熱構造及び制御が複雑となる。
Another example of the method for applying lithium from a plurality of directions is schematically shown in FIG. As shown in FIG. 6, by using a plurality of film formation nozzles having different directivity control directions, lithium can be simultaneously applied to the active material from a plurality of incident directions. By applying lithium simultaneously from two directions, the reaction between the active material and lithium can be promoted more uniformly.
In the manufacturing apparatus schematically shown in FIGS. 5 and 6, since two film forming sources are used to apply lithium from two directions, a total of four components are used for applying lithium to the active material on the front and back surfaces. A membrane source is needed. Therefore, the apparatus configuration is complicated, the equipment cost is increased, and the heat insulation structure and control for equalizing the lithium application from two directions by eliminating the thermal interference between the lithium application sources are complicated.
したがって、より簡便な方法で複数方向から活物質層にリチウムを付与できる装置が望ましい。 Therefore, an apparatus that can apply lithium to the active material layer from a plurality of directions by a simpler method is desirable.
これに対して極板の製造方法の一部を構成する工程(c)で用いる本発明のリチウム付与装置の一例を、図1に模式的に示す。
図5でリチウム付与源18は、リチウム材料16を保持している。リチウム付与源18は、近接して走行する活物質層形成済の基板21に面して開口部を有する、半密閉構造を有している。
On the other hand, FIG. 1 schematically shows an example of the lithium application device of the present invention used in the step (c) constituting a part of the manufacturing method of the electrode plate.
In FIG. 5, the
成膜ノズルは図示しない加熱機構によって加熱されている。リチウム材料16の加熱によって発生したリチウム蒸気は、開口部に設けた整流板17に沿って移動し、活物質層の表面に向かう。その際、蒸気通路を基板法線に対して相対する斜めの二方向に形成しておくことで、リチウムは活物質層表面に斜めの二方向から入射する。
The film forming nozzle is heated by a heating mechanism (not shown). Lithium vapor generated by heating the
図1の方法によれば、ひとつのリチウム付与源で、二方向からリチウムの付与が出来るので、装置構成が簡単になり、設備コストが低減できる。 According to the method of FIG. 1, since lithium can be applied from two directions with one lithium application source, the apparatus configuration is simplified and the equipment cost can be reduced.
また、リチウム付与源の加熱及びコンダクタンス構成を、リチウム付与の二方向の経路に対して均等としておくことにより、二方向のリチウム付与量をほぼ均等とすることが出来るので、各方向のリチウム付与源間を熱的分離するための構造設計が不要となり、熱的干渉による制御の困難性も回避することが出来る。 In addition, by making the heating and conductance configuration of the lithium application source uniform with respect to the two directions of the lithium application, the amount of lithium applied in the two directions can be made almost equal. It is not necessary to design a structure for thermally separating the gaps, and the difficulty of control due to thermal interference can be avoided.
本発明はこれらの例に限らず、リチウムが活物質層表面に斜めの複数方向から入射する他のノズル方式を用いることも出来る。 The present invention is not limited to these examples, and other nozzle systems in which lithium is incident on the surface of the active material layer from a plurality of oblique directions can also be used.
リチウムが活物質層表面に斜め方向から入射することで、大半のリチウムは活物質層の柱状活物質と柱状活物質の間には向かわずに活物質層の柱状活物質に付着し、反応する。これによって、活物質層の柱状活物質と柱状活物質の間に飛来するリチウムの量は大幅に減少し、活物質層の各部分における膜厚に応じたリチウム付与を行うことが出来る。 When lithium is incident on the surface of the active material layer from an oblique direction, most of the lithium adheres to the columnar active material in the active material layer without reacting between the columnar active material in the active material layer and reacts. . Accordingly, the amount of lithium flying between the columnar active material and the columnar active material in the active material layer is greatly reduced, and lithium can be applied according to the film thickness in each part of the active material layer.
こうした手法により得られた負極20は、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4などといった一般的に使用される正極活物質を含む正極板と、微多孔性フィルムなどからなるセパレータと、6フッ化リン酸リチウムなどをエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート類に溶解した、一般に知られている組成のリチウムイオン伝導性を有する電解液と共に用いることで、リチウム二次電池が作製出来る。その際、正極板の幅を負極板の幅よりも若干小さくしておくことが、充電時に負極板状にリチウムの析出するのを防ぐ等の理由で好ましい。
The
また、本発明の負極は様々な形状のリチウム二次電池に適用可能であり、電池の形状や封止形態は特に限定されないが、本発明は特に折り畳み型や捲回型の二次電池に対して有効である。捲回型リチウム二次電池に適用する場合には、以下に示す構成を有することが好ましい。図面を参照しながら説明する。 In addition, the negative electrode of the present invention can be applied to lithium secondary batteries having various shapes, and the shape and sealing form of the battery are not particularly limited. However, the present invention is particularly applicable to a foldable or wound type secondary battery. It is effective. When applied to a wound lithium secondary battery, it is preferable to have the following configuration. This will be described with reference to the drawings.
図11は、本発明の捲回型リチウム二次電池の概略断面図の一例である。図611において、帯状の正極31と本発明の帯状の負極20とは、それらの間に配置された、両極板よりも幅広な帯状のセパレータとともに捲回され、極板群32を形成している。正極31にはアルミニウムなどからなる正極リード34が接続され、その一端は周縁にポリプロピレンなどからなる絶縁パッキン40が配された封口板39に接続されている。負極20には銅などからなる負極リード35が接続され、その一端は極板群32を収容する電池缶38に接続されている。極板群32の上下には、それぞれ上部絶縁リング36および下部絶縁リング37が配されている。極板群32には、前述したリチウムイオン伝導性を有する電解質(図示せず)が含浸されている。電池缶38の開口は、封口板39で塞がれている。
FIG. 11 is an example of a schematic cross-sectional view of a wound lithium secondary battery of the present invention. In FIG. 611, the strip-shaped
上記実施の形態では捲回型電池について説明したが、シート状、および極板とセパレータを繰り返し積層したスタック型の電池についても本発明の効果が得られる。図12は、本発明のスタック型(積層型)電池の概略断面図の一例である。図12において、正極31と本発明の帯状の負極20とは、それらの間に配置されたセパレータ33とともに、正極に非対向の負極部分を有するように積層され、極板群32を形成している。極板群32において正極および負極にはそれぞれ、正極外部電極41および負極外部電極42が接続されている。
Although the wound type battery has been described in the above embodiment, the effects of the present invention can be obtained for a sheet type and a stack type battery in which an electrode plate and a separator are repeatedly laminated. FIG. 12 is an example of a schematic cross-sectional view of a stack type (stacked type) battery of the present invention. In FIG. 12, the
次に本発明について、より具体的な実施形態によって、説明する。
(実施形態1)
まず、工程(a)では、集電体として、幅85mm、厚さが18ミクロンの合金銅箔であり、両面に、機械加工により複数のだ円錐台状の凸部を千鳥配置に形成したものであり、各凸部の高さは6ミクロンであるものを準備する。また、集電体の長尺の長手方向の断面での凸部の底部幅は20ミクロンとし、隣接する凸部までの間隔を20ミクロンとするものである。
Next, the present invention will be described using more specific embodiments.
(Embodiment 1)
First, in step (a), the current collector is an alloy copper foil having a width of 85 mm and a thickness of 18 microns, and a plurality of frustoconical convex portions are formed in a staggered arrangement on both sides by machining. The height of each convex portion is 6 microns. Further, the bottom width of the convex portion in the long longitudinal section of the current collector is 20 microns, and the distance to the adjacent convex portion is 20 microns.
次に、工程(b)として、集電体の両面上にそれぞれケイ素薄膜を活物質層として平均厚さ8ミクロンになるように、図8に示すような装置で真空蒸着法によって形成する。
工程(b)の準備として、排気手段37として口径14インチの油拡散ポンプを2台備えた、容積0.4立方メートルの真空槽を、成膜前に一旦、0.004パスカルまで排気する。日本電子(株)製の270度偏向型電子ビーム蒸発源を用い、加速電圧−10kV、平均エミッション電流680mAの電子ビームをケイ素に照射し、発生する蒸気を銅箔基板に差し向ける。
Next, as a step (b), a silicon thin film is formed on both sides of the current collector as an active material layer so as to have an average thickness of 8 microns by a vacuum deposition method using an apparatus as shown in FIG.
As a preparation for the step (b), a vacuum tank having a volume of 0.4 cubic meters and having two oil diffusion pumps having a diameter of 14 inches as the exhaust means 37 is once exhausted to 0.004 Pascal before film formation. Using a 270-degree deflection electron beam evaporation source manufactured by JEOL Ltd., an electron beam with an acceleration voltage of −10 kV and an average emission current of 680 mA is irradiated onto silicon, and the generated vapor is directed to the copper foil substrate.
ケイ素薄膜の成膜幅が65mmとなるように遮蔽板10(開口長は各20cm)を銅箔基板に、約2mmの距離に近接して設置する。銅箔基板の搬送機構は往復走行が可能であり、基板搬送速度2.4m/分、平均成膜速度100nm/秒で成膜を行うと、一回の走行で基板の両面に膜厚0.5ミクロン程度のケイ素薄膜が一層ずつ形成される。往復走行しながら成膜を16回繰り返すことによって、約8ミクロンのケイ素薄膜が積層できる。また、成膜領域の基板は成膜面の裏面に近接して配置された冷却体12と、冷却体と基板間に適量のガスを導入する導入管からなる冷却機構によって冷却されている。
The shielding plate 10 (opening length is 20 cm each) is placed on the copper foil substrate close to a distance of about 2 mm so that the silicon thin film has a film formation width of 65 mm. The copper foil substrate transfer mechanism can reciprocate. When film formation is performed at a substrate transfer speed of 2.4 m / min and an average film formation speed of 100 nm / sec, a film thickness of 0. A silicon thin film of about 5 microns is formed one by one. By repeating the
このようにして、集電体上に、活物質層が形成されたものを仕掛かり負極とする。 In this way, the active material layer formed on the current collector is used as a negative electrode.
次に工程(c)として、不可逆容量相当のリチウム付与を行う。仕掛かり負極を用い、リチウムを対極としたコイン電池を用いた充放電テストにより、仕掛かり負極の不可逆容量を調べ、リチウム厚み1.2ミクロン相当の付与が必要なことが分かる。リチウムの付与は図1の装置と類似の装置を用い、リチウムの真空蒸着によって行う。成膜前に一旦真空槽を0.001パスカルまで排気する。成膜中の真空度は0.002パスカルで、ガス導入は行わない。 Next, as step (c), lithium application corresponding to irreversible capacity is performed. The irreversible capacity of the in-process negative electrode is examined by a charge / discharge test using the in-process negative electrode and a coin battery with lithium as the counter electrode, and it is found that the lithium equivalent to 1.2 microns is required. Lithium is applied by vacuum deposition of lithium using an apparatus similar to the apparatus shown in FIG. The vacuum chamber is once evacuated to 0.001 Pa before film formation. The degree of vacuum during film formation is 0.002 Pascal, and no gas is introduced.
ノズル型成膜源を用い、ヒーターにより成膜源を加熱し、10℃の冷却水によって冷却されているキャンに沿って仕掛かり負極を搬送速度0.8m/分で移動しながら、仕掛かり負極のケイ素薄膜形成位置に合わせて幅60mmにわたってリチウムを付与する。ノズル開口中心における基板法線とノズルの整流板の延長のなす角は±30度である。その後、幅60mmの位置でケイ素薄膜の形成されていない両端を切断し、また長さ900mmの位置で切断することで負極板とする。 Using a nozzle-type film-forming source, the film-forming source is heated by a heater, and the work-in-process negative electrode is moved along a can cooled by 10 ° C. cooling water at a transfer speed of 0.8 m / min. Lithium is applied over a width of 60 mm in accordance with the silicon thin film formation position. The angle formed by the substrate normal at the center of the nozzle opening and the extension of the nozzle baffle is ± 30 degrees. Thereafter, both ends where the silicon thin film is not formed are cut at a position of 60 mm in width, and a negative electrode plate is formed by cutting at a position of 900 mm in length.
上記負極板及び、アルミニウム箔を集電体とし、LiCoO2を活物質とする、幅56mmの正極に電極リードを溶接し、幅62mmのセパレータを両極板間に重ねて捲回し、円筒ケースに入れ、電解液の注液と封口を行い、円筒電池を形成する。詳細を以下に説明する。 The negative electrode plate and the aluminum foil as a current collector, LiCoO2 as an active material, an electrode lead is welded to a positive electrode with a width of 56 mm, a separator with a width of 62 mm is wound between the two electrode plates, wound into a cylindrical case, Electrolytic solution injection and sealing are performed to form a cylindrical battery. Details will be described below.
正極活物質のLiCoO2には、Li2CO3とCoCO3とを所定のモル比で混合し、950℃で加熱することによって合成し、これを粒径45ミクロン以下に分級したものを用いる。正極活物質100重量部に、導電剤のアセチレンブラックを5重量部、結着剤のポリフッ化ビニリデンを4重量部、および分散媒のN―メチル−2−ピロリドンの適量を加え、充分に混合し、正極合剤ペーストを得る。正極合剤ペーストを厚み15ミクロンのアルミニウム箔(昭和電工(株)製)からなる集電体の両面に塗布し、乾燥し、圧延する。こうして、集電体と、その両面に担持された正極合剤層からなる正極を得る。 As the positive electrode active material LiCoO 2 , Li 2 CO 3 and CoCO 3 are mixed at a predetermined molar ratio, synthesized by heating at 950 ° C., and classified to a particle size of 45 microns or less. To 100 parts by weight of the positive electrode active material, add 5 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersion medium, and mix well. A positive electrode mixture paste is obtained. The positive electrode mixture paste is applied to both sides of a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 15 microns (manufactured by Showa Denko KK), dried and rolled. In this way, a positive electrode comprising a current collector and a positive electrode mixture layer carried on both sides thereof is obtained.
正極の集電体には、アルミニウム製の正極リードの一端を接続する。負極の集電体には、ニッケル製の負極リードの一端を接続する。セパレータには厚さ20ミクロンのポリエチレン樹脂製微多孔フィルムを用いる。電解液には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比1:1の混合溶媒に六フッ化リン酸リチウムを1モル/Lの濃度で溶解したものを用いる。 One end of an aluminum positive electrode lead is connected to the positive electrode current collector. One end of a nickel negative electrode lead is connected to the negative electrode current collector. As the separator, a microporous film made of polyethylene resin having a thickness of 20 microns is used. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving lithium hexafluorophosphate at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1 is used.
捲回構成した前記極板群を、露点−60℃のドライ雰囲気において、60℃で真空乾燥を10時間行い、電極群中に含まれる水分を追い出す。この極板群の上下に、それぞれ絶縁リングを配して、電池缶の内部に収容する。次いで、非水電解質を電池缶内に注液し、極板群に含浸させる。正極リードの他端は、絶縁性封口板中央の正極端子の裏面に溶接する。負極リードの他端は、電池缶の内底面に溶接した。最後に、電池缶の開口を、封口板で塞ぐ。こうして、円筒型のリチウムイオン二次電池を完成する。 The electrode plate group constituted by winding is vacuum-dried at 60 ° C. for 10 hours in a dry atmosphere having a dew point of −60 ° C. to expel moisture contained in the electrode group. Insulating rings are arranged above and below the electrode plate group and accommodated in the battery can. Next, the nonaqueous electrolyte is poured into the battery can and impregnated in the electrode plate group. The other end of the positive electrode lead is welded to the back surface of the positive electrode terminal at the center of the insulating sealing plate. The other end of the negative electrode lead was welded to the inner bottom surface of the battery can. Finally, the opening of the battery can is closed with a sealing plate. In this way, a cylindrical lithium ion secondary battery is completed.
(実施形態2)
集電体として、幅85mm、厚さが18ミクロンの合金銅箔の両面に、機械加工により複数の楕円錐台状の凸部を千鳥配置に形成したものであり、各凸部の高さは6ミクロンであるものを用意する。また、長尺の集電体の長手方向断面での凸部の底部幅は20ミクロンとし、隣接する凸部までの間隔を20ミクロンとするものを用いる。
この集電体の両面上にそれぞれケイ素酸化物薄膜を厚さ15ミクロンに、図7に示すような装置で真空蒸着法によって形成する。
(Embodiment 2)
As the current collector, a plurality of elliptical truncated cone-shaped convex portions are formed in a staggered arrangement by machining on both sides of an alloy copper foil having a width of 85 mm and a thickness of 18 microns, and the height of each convex portion is Prepare one that is 6 microns. Moreover, the bottom part width | variety in the longitudinal direction cross section of a long electrical power collector shall be 20 microns, and the space | interval to an adjacent convex part shall be 20 microns.
A silicon oxide thin film having a thickness of 15 microns is formed on both sides of the current collector by a vacuum deposition method using an apparatus as shown in FIG.
排気手段37として口径14インチの油拡散ポンプを2台備えた、容積0.4立方メートルの真空槽を0.002パスカルまで排気した後に、負極活物質の成膜材料であるケイ素を溶解する。ケイ素の溶解は日本電子(株)製の270度偏向型電子ビーム蒸発源を用いて行う。加速電圧−10kV、平均エミッション電流930mAの電子ビームを溶融ケイ素に照射し、発生する蒸気を銅箔基板に差し向ける。 After evacuating a vacuum chamber having a volume of 0.4 cubic meter having two oil diffusion pumps having a diameter of 14 inches as the exhaust means 37 to 0.002 Pascal, silicon which is a film forming material of the negative electrode active material is dissolved. Dissolution of silicon is performed using a 270-degree deflection electron beam evaporation source manufactured by JEOL. An electron beam with an acceleration voltage of −10 kV and an average emission current of 930 mA is irradiated onto the molten silicon, and the generated vapor is directed to the copper foil substrate.
ケイ素酸化物薄膜の成膜幅が65mmとなるように遮蔽板10(開口長は各15cm)を銅箔基板に、約2mmの距離に近接して設置する。また、銅箔基板の成膜面側に設置した図示しない反応ガスノズルから遮蔽板の開口部に酸素ガスを、各開口部でそれぞれ30sccm差し向ける。これによって銅箔基板上にケイ素酸化物薄膜が形成される。銅箔基板の搬送機構は往復走行が可能であり、基板搬送速度3.6m/分、平均成膜速度200nm/秒で成膜を行うと、一回の走行で基板の両面に膜厚1ミクロン程度のケイ素酸化物薄膜が一層ずつ形成される。往復走行しながら成膜を15回繰り返すことによって、約15ミクロンのケイ素酸化物薄膜が積層できる。また、成膜領域の基板は成膜面の裏面に近接して配置された冷却体と、冷却体と基板間に適量のガスを導入する導入管からなる冷却機構によって冷却されている。
The shielding plate 10 (opening length is 15 cm each) is placed on the copper foil substrate in the vicinity of a distance of about 2 mm so that the film width of the silicon oxide thin film becomes 65 mm. In addition, oxygen gas is directed to the opening of the shielding plate from a reaction gas nozzle (not shown) installed on the film forming surface side of the copper foil substrate, and 30 sccm is directed to each opening. As a result, a silicon oxide thin film is formed on the copper foil substrate. The copper foil substrate transfer mechanism can reciprocate. When film formation is performed at a substrate transfer speed of 3.6 m / min and an average film formation speed of 200 nm / sec, the film thickness is 1 micron on both sides of the substrate in a single run. A silicon oxide thin film of a degree is formed one by one. By repeating the
以上によって形成されたこれを仕掛かり負極とする。 This formed as described above is used as a working negative electrode.
次に不可逆容量相当のリチウム付与を行う。仕掛かり負極を用い、リチウムを対極としたコイン電池を用いた充放電テストにより、仕掛かり負極の不可逆容量を調べた。その結果、リチウム厚み8ミクロン相当の付与が必要なことが分かった。リチウムの付与は図2の装置と類似の装置を用い、リチウムの真空蒸着によって行う。成膜前に一旦真空槽を0.001パスカルまで排気する。成膜中の真空槽の真空度は0.002パスカルで、ガス導入は行わない。ノズル型成膜源を用い、ヒーターにより成膜源を加熱し、10℃の冷却水によって冷却されている無終端帯に沿って仕掛かり負極を搬送速度0.12m/分で移動しながら、仕掛かり負極のケイ素酸化物薄膜形成位置に合わせて幅60mmにわたってリチウムを付与する。無終端帯の最近接部からノズル開口分の先端までの距離は5mmで
、基板法線とノズル整流板のなす角は±45度である。その後、幅60mmの位置でケイ素酸化物薄膜の形成されていない両端を切断し、また長さ900mmの位置で切断することで負極板とする。
Next, lithium corresponding to an irreversible capacity is applied. Using the in-process negative electrode, the irreversible capacity of the in-process negative electrode was examined by a charge / discharge test using a coin battery with lithium as a counter electrode. As a result, it was found that the application corresponding to the lithium thickness of 8 microns is necessary. Lithium is applied by vacuum deposition of lithium using an apparatus similar to the apparatus shown in FIG. The vacuum chamber is once evacuated to 0.001 Pa before film formation. The degree of vacuum in the vacuum chamber during film formation is 0.002 Pascal, and no gas is introduced. Using a nozzle-type film-forming source, the film-forming source is heated by a heater, and the in-process negative electrode is moved at a conveying speed of 0.12 m / min along the endless zone cooled by 10 ° C. cooling water. Lithium is applied over a width of 60 mm in accordance with the silicon oxide thin film formation position of the hanging negative electrode. The distance from the closest part of the endless belt to the tip of the nozzle opening is 5 mm, and the angle between the substrate normal and the nozzle rectifying plate is ± 45 degrees. Thereafter, both ends where the silicon oxide thin film is not formed are cut at a position having a width of 60 mm, and cut at a position having a length of 900 mm to obtain a negative electrode plate.
上記負極板及び、アルミニウム箔を集電体とし、LiCoO2を活物質とする、幅56mmの正極に電極リードを溶接し、幅62mmのセパレータを両極板間に重ねて捲回し、円筒ケースに入れ、電解液の注液と封口を行い、実施形態1と同様の方法で円筒型のリチウムイオン二次電池を形成する。 The negative electrode plate and the aluminum foil as a current collector, LiCoO2 as an active material, an electrode lead is welded to a positive electrode with a width of 56 mm, a separator with a width of 62 mm is wound between the two electrode plates, wound into a cylindrical case, The electrolytic solution is poured and sealed, and a cylindrical lithium ion secondary battery is formed in the same manner as in the first embodiment.
(実施形態3)
実施の形態1における仕掛かり負極の形成方法と同様の方法で、集電体の両面上にそれぞれケイ素薄膜を厚さ8ミクロンの仕掛かり負極を形成する。
(Embodiment 3)
In the same manner as the in-process negative electrode forming method in the first embodiment, an in-process negative electrode having a thickness of 8 microns is formed on each side of the current collector.
次に不可逆容量相当のリチウム付与を行う。仕掛かり負極を用い、リチウムを対極としたコイン電池を用いた充放電テストにより、仕掛かり負極の不可逆容量を調べた。その結果、リチウム厚み1.2ミクロン相当の付与が必要なことが分かった。リチウムの付与は図3の装置と類似の装置を用い、リチウムの真空蒸着によって行う。成膜前に一旦真空槽を0.001パスカルまで排気する。成膜中の真空度は0.002パスカルで、ガス導入は行わない。 Next, lithium corresponding to an irreversible capacity is applied. Using the in-process negative electrode, the irreversible capacity of the in-process negative electrode was examined by a charge / discharge test using a coin battery with lithium as a counter electrode. As a result, it was found that the lithium equivalent to 1.2 microns was necessary. Lithium is applied by means of vacuum deposition of lithium using an apparatus similar to the apparatus shown in FIG. The vacuum chamber is once evacuated to 0.001 Pa before film formation. The degree of vacuum during film formation is 0.002 Pascal, and no gas is introduced.
ノズル型成膜源を用い、ヒーターにより成膜源を加熱し、10℃の冷却水によって冷却されているキャンに沿って仕掛かり負極を搬送速度0.8m/分で移動しながら、付着速度80nm/秒で、仕掛かり負極のケイ素薄膜形成位置に合わせて幅60mmにわたってリチウムを付与する。ノズル整流板の方向は鉛直方向で、整流板の間隔は2cm、基板走行方向のノズルの開口長の合計は20cmである。その後、幅60mmの位置でケイ素薄膜の形成されていない両端を切断し、また長さ900mmの位置で切断することで負極板とする。 Using a nozzle-type film-forming source, the film-forming source is heated by a heater, an in-process negative electrode is moved at a conveyance speed of 0.8 m / min along a can cooled by cooling water at 10 ° C., and an adhesion speed of 80 nm. Lithium is applied over a width of 60 mm in accordance with the silicon thin film formation position of the in-process negative electrode at / second. The direction of the nozzle rectifying plate is the vertical direction, the interval between the rectifying plates is 2 cm, and the total opening length of the nozzles in the substrate running direction is 20 cm. Thereafter, both ends where the silicon thin film is not formed are cut at a position of 60 mm in width, and a negative electrode plate is formed by cutting at a position of 900 mm in length.
上記負極板及び、アルミニウム箔を集電体とし、LiCoO2を活物質とする、幅56mmの正極に電極リードを溶接し、幅62mmのセパレータを両極板間に重ねて捲回し、円筒ケースに入れ、電解液の注液と封口を行い、実施形態1と同様の方法で円筒型のリチウムイオン二次電池を形成する。
(比較の形態1)
実施形態1と同様の方法で、仕掛かり負極を形成する。次に不可逆容量相当のリチウム付与を行う。リチウムの付与は図9に模式的に示す装置を用い、リチウムの真空蒸着によって行う。成膜前に一旦真空槽を0.001パスカルまで排気する。成膜中の真空度は0.002パスカルで、ガス導入は行わない。抵抗加熱蒸発源を用い、ヒーターにより蒸発源を加熱し、キャンに沿って仕掛かり負極を搬送速度1.2m/分で移動しながら、付着速度120nm/秒で、仕掛かり負極のケイ素薄膜形成位置の幅中心に合わせた遮蔽板10(開口長は20cm)を用いて幅60mmにわたってリチウムを付与する。その後、幅60mmの位置でケイ素薄膜の形成されていない両端を切断し、また長さ900mmの位置で切断することで負極板とする。
The negative electrode plate and the aluminum foil as a current collector, LiCoO2 as an active material, an electrode lead is welded to a positive electrode with a width of 56 mm, a separator with a width of 62 mm is wound between the two electrode plates, wound into a cylindrical case, The electrolytic solution is poured and sealed, and a cylindrical lithium ion secondary battery is formed in the same manner as in the first embodiment.
(Comparative form 1)
An in-process negative electrode is formed in the same manner as in the first embodiment. Next, lithium corresponding to an irreversible capacity is applied. Lithium is applied by vacuum deposition of lithium using an apparatus schematically shown in FIG. The vacuum chamber is once evacuated to 0.001 Pa before film formation. The degree of vacuum during film formation is 0.002 Pascal, and no gas is introduced. Using a resistance heating evaporation source, the evaporation source is heated by a heater, and the in-process negative electrode is moved along the can at a transfer speed of 1.2 m / min, while the deposition speed is 120 nm / sec. Lithium is applied over a width of 60 mm using a shielding plate 10 (opening length is 20 cm) aligned with the center of the width. Thereafter, both ends where the silicon thin film is not formed are cut at a position of 60 mm in width, and a negative electrode plate is formed by cutting at a position of 900 mm in length.
上記負極版を用い、実施形態1と同様の方法で円筒型のリチウムイオン二次電池を形成する。 Using the negative electrode plate, a cylindrical lithium ion secondary battery is formed by the same method as in the first embodiment.
負極中の元素分析は、波長分散X線分光法(以下WDS)によって行う。基板に垂直な切断面を設け、特性X線の分析を行うと、比較の形態1の極板では柱状粒子と柱状粒子の間の、活物質膜厚が小さな部分にも相当量のリチウムが検出されるが、実施形態1〜3の極板では、比較の形態1に比べて柱状粒子と柱状粒子の間(活物質層の薄い部分)のリチウム検
出が少なく、リチウム付与が柱状粒子部分(活物質層の厚い部分)に対して選択的に行われることが分かる。
Elemental analysis in the negative electrode is performed by wavelength dispersive X-ray spectroscopy (hereinafter referred to as WDS). When a cut surface perpendicular to the substrate is provided and characteristic X-ray analysis is performed, a considerable amount of lithium is detected even in a portion where the active material film thickness is small between the columnar particles in the electrode plate of Comparative Example 1. However, in the electrode plates of
次に、より具体的な実施例を用いて、本発明について、説明する。
(実施例1)
集電体として、幅85mm、厚さが18ミクロンの合金銅箔の両面に、機械加工により複数の楕円錐台状の凸部を千鳥配置に形成したものであり、各凸部の高さは6ミクロンであるものを用意した。また、長尺の集電体の長手方向断面での凸部の底部幅は20ミクロン、隣接する凸部までの間隔を20ミクロンであった。
Next, the present invention will be described using more specific examples.
Example 1
As the current collector, a plurality of elliptical truncated cone-shaped convex portions are formed in a staggered arrangement by machining on both sides of an alloy copper foil having a width of 85 mm and a thickness of 18 microns, and the height of each convex portion is What was 6 microns was prepared. Further, the bottom width of the protrusions in the longitudinal section of the long current collector was 20 microns, and the distance to the adjacent protrusions was 20 microns.
次に、この集電体の両面上にそれぞれケイ素酸化物薄膜を厚さ15ミクロンに、図7に示すような装置で真空蒸着法によって形成した。 Next, a silicon oxide thin film having a thickness of 15 microns was formed on both surfaces of the current collector by a vacuum deposition method using an apparatus as shown in FIG.
排気手段37として口径14インチの油拡散ポンプを2台備えた、容積0.4立方メートルの真空槽を0.002パスカルまで排気した後に、負極活物質の成膜材料であるケイ素を溶解した。ケイ素の溶解は日本電子(株)製の270度偏向型電子ビーム蒸発源を用いて行った。加速電圧−10kV、平均エミッション電流930mAの電子ビームを溶融ケイ素に照射し、発生する蒸気を銅箔基板に差し向けた。 After evacuating a vacuum chamber having a volume of 0.4 cubic meter equipped with two oil diffusion pumps having a diameter of 14 inches as the exhaust means 37 to 0.002 Pascal, silicon as a film forming material for the negative electrode active material was dissolved. Dissolution of silicon was performed using a 270-degree deflection electron beam evaporation source manufactured by JEOL. An electron beam with an acceleration voltage of −10 kV and an average emission current of 930 mA was irradiated onto the molten silicon, and the generated vapor was directed to the copper foil substrate.
ケイ素酸化物薄膜の成膜幅が65mmとなるように遮蔽板10(開口長は各15cm)を銅箔基板に、約2mmの距離に近接して設置した。また、銅箔基板の成膜面側に設置した図示しない反応ガスノズルから遮蔽板の開口部に酸素ガスを、各開口部でそれぞれ30sccm差し向けた。これによって銅箔基板上にケイ素酸化物薄膜が形成された。銅箔基板の搬送機構は往復走行が可能であり、基板搬送速度3.6m/分、平均成膜速度200nm/秒で成膜を行うと、一回の走行で基板の両面に膜厚1ミクロン程度のケイ素酸化物薄膜が一層ずつ形成された。往復走行しながら成膜を15回繰り返すことによって、約15ミクロンのケイ素酸化物薄膜が積層できた。また、成膜領域の基板は成膜面の裏面に近接して配置された冷却体と、冷却体と基板間に適量のガスを導入する導入管からなる冷却機構によって冷却されていた。
The shielding plate 10 (opening length was 15 cm each) was placed on the copper foil substrate in the vicinity of a distance of about 2 mm so that the film formation width of the silicon oxide thin film was 65 mm. In addition, oxygen gas was directed to the opening of the shielding plate from a reaction gas nozzle (not shown) installed on the film forming surface side of the copper foil substrate, and 30 sccm was directed to each opening. As a result, a silicon oxide thin film was formed on the copper foil substrate. The copper foil substrate transfer mechanism can reciprocate. When film formation is performed at a substrate transfer speed of 3.6 m / min and an average film formation speed of 200 nm / sec, the film thickness is 1 micron on both sides of the substrate in a single run. About one silicon oxide thin film was formed layer by layer. By repeating the
このようにして作成した集電体上に活物質薄膜層が形成されたものを仕掛かり負極とした。 A negative electrode was prepared by forming an active material thin film layer on the current collector thus prepared.
次に不可逆容量相当のリチウム付与を行う。仕掛かり負極を用い、リチウムを対極としたコイン電池を用いた充放電テストにより、仕掛かり負極の不可逆容量を調べ、リチウム厚み8ミクロン相当の付与が必要なことが分かる。リチウムの付与は図1に模式的に示す装置を用い、リチウムの真空蒸着によって行った。成膜前に一旦真空槽を0.001パスカルまで排気した。成膜中の真空槽の真空度は0.002パスカルで、ガス導入は行わない。ノズル型成膜源を用い、ヒーターにより成膜源を加熱し、10℃の冷却水によって冷却されているキャンに沿って仕掛かり負極を搬送速度0.12m/分で移動しながら、付着速度160nm/秒で、仕掛かり負極のケイ素酸化物薄膜形成位置に合わせて幅60mmにわたってリチウムを付与した。基板走行方向のノズルの開口長の合計は10cmである。その後、幅15mmの位置でケイ素酸化物薄膜の形成されていない部分を含む両端を切断し、また長さ15mmの位置で切断することで負極板とした。 Next, lithium corresponding to an irreversible capacity is applied. The irreversible capacity of the in-process negative electrode is examined by a charge / discharge test using the in-process negative electrode and a coin battery using lithium as a counter electrode, and it is found that the lithium equivalent to 8 microns is required. Lithium was applied by vacuum deposition of lithium using the apparatus schematically shown in FIG. The vacuum chamber was once evacuated to 0.001 Pa before film formation. The degree of vacuum in the vacuum chamber during film formation is 0.002 Pascal, and no gas is introduced. Using a nozzle-type film-forming source, the film-forming source is heated by a heater, an in-process negative electrode is moved at a conveying speed of 0.12 m / min along a can cooled by cooling water at 10 ° C., and an adhesion speed of 160 nm. / Sec., Lithium was applied over a width of 60 mm in accordance with the silicon oxide thin film formation position of the in-process negative electrode. The total opening length of the nozzles in the substrate running direction is 10 cm. Thereafter, both ends including a portion where the silicon oxide thin film was not formed were cut at a position having a width of 15 mm, and cut at a position having a length of 15 mm to obtain a negative electrode plate.
上記負極板及び、アルミニウム箔を集電体とし、LiCoO2を活物質とする、幅15mmの正極に電極リードを溶接し、幅17mmのセパレータを両極板間に重ねてラミネートケースに入れ、電解液の注液と封口を行い、切手型のリチウムイオン二次電池を形成した。 The negative electrode plate and aluminum foil as a current collector, LiCoO 2 as an active material, an electrode lead is welded to a positive electrode having a width of 15 mm, and a separator having a width of 17 mm is placed between the two electrode plates and placed in a laminate case. Were injected and sealed to form a stamp-type lithium ion secondary battery.
(比較例1)
実施例1と同様の方法で仕掛かり負極を形成した。
(Comparative Example 1)
An in-process negative electrode was formed in the same manner as in Example 1.
次に、不可逆容量相当のリチウム付与を行った。リチウムの付与は図9に模式的に示す装置を用い、リチウムの真空蒸着によって行った。成膜前に一旦真空槽を0.001パスカルまで排気した。成膜中の真空度は0.002パスカルで、ガス導入は行わない。抵抗加熱蒸発源を用い、ヒーターにより蒸発源を加熱し、キャンに沿って仕掛かり負極を搬送速度0.12m/分で移動しながら、付着速度80nm/秒で、幅60mmにわたってリチウムの付与を行った。その後、幅15mmの位置でケイ素酸化物薄膜の形成されていない部分を含む両端を切断し、また長さ15mmの位置で切断することで負極板とした。
上記負極版を用い、実施例1と同様の方法で切手型のリチウムイオン二次電池を形成した。
Next, lithium application corresponding to irreversible capacity was performed. Lithium was applied by vacuum deposition of lithium using an apparatus schematically shown in FIG. The vacuum chamber was once evacuated to 0.001 Pa before film formation. The degree of vacuum during film formation is 0.002 Pascal, and no gas is introduced. Using a resistance heating evaporation source, heating the evaporation source with a heater, moving the negative electrode along the can and moving the negative electrode at a conveyance speed of 0.12 m / min, applying lithium over a width of 60 mm at an adhesion speed of 80 nm / sec It was. Thereafter, both ends including a portion where the silicon oxide thin film was not formed were cut at a position having a width of 15 mm, and cut at a position having a length of 15 mm to obtain a negative electrode plate.
A stamp-type lithium ion secondary battery was formed in the same manner as in Example 1 using the negative electrode plate.
次に、以上のようにして作成した実施例1および比較例1のリチウムイオン二次電池について、充放電サイクル試験を行った。 Next, charge / discharge cycle tests were performed on the lithium ion secondary batteries of Example 1 and Comparative Example 1 created as described above.
充放電サイクル試験は20℃に設定した恒温槽の中で、充電電流1C(1Cは1時間率電流)で電池電圧が4.05Vになるまで定電流充電し、次いで、4.05Vで電流値が0.05Cになるまで定電圧充電を行い、その後、1Cの電流で電池電圧が2.5Vになるまで放電する操作を100サイクル繰り返すことによって行った。 The charge / discharge cycle test was performed in a constant temperature bath set at 20 ° C., with a charge current of 1C (1C is a one hour rate current) until the battery voltage reached 4.05V, and then at a current value of 4.05V. The battery was charged at a constant voltage until the battery voltage became 0.05 C, and then the operation of discharging the battery voltage to 2.5 V with a current of 1 C was repeated 100 cycles.
図13に結果を示すように、実施例1の方法で形成される電池は比較例1の方法で形成される電池に比べ、容量維持率が高かった。充放電サイクル試験の優劣の原因は充分明らかではないが、比較例では活物質に対するリチウム量が柱状粒子内と柱状粒子間で異なるので、不均一性に起因した充放電サイクル劣化が発生しているのではないかと思われる。なお、本発明は上記実施例によって限定されるものではなく、実施例以外の方法で柱状粒子構造を有する活物質層の形成や、柱状粒子部分に選択的にリチウム付与を行う場合にも有効である。 As shown in FIG. 13, the battery formed by the method of Example 1 had a higher capacity retention rate than the battery formed by the method of Comparative Example 1. The reason for the superiority or inferiority of the charge / discharge cycle test is not clear enough, but in the comparative example, the amount of lithium with respect to the active material differs between the columnar particles and between the columnar particles, so the charge / discharge cycle deterioration due to non-uniformity occurs. I think that. Note that the present invention is not limited to the above-described examples, and is effective for forming an active material layer having a columnar particle structure by a method other than the examples, or for selectively applying lithium to the columnar particle portions. is there.
厚い部分と薄い部分を有する活物質層の形成方法としては、上記実施の形態で述べた形成方法以外に、特開2003−303586であげられている、集電体上に薄膜状の活物質層を形成後に、エッチングによって柱状を形成する方法等がある。
また、仕掛かり負極の活物質層は、基板が直線状に走行する部分で形成することが必須ではなく、例えば冷却キャンに沿って基板を走行させながら、活物質層を形成することも出来る。
As a method for forming an active material layer having a thick portion and a thin portion, in addition to the formation method described in the above embodiment, a thin-film active material layer on a current collector, which is mentioned in JP-A-2003-303586, is cited. There is a method of forming a columnar shape by etching after forming.
In addition, the active material layer of the in-process negative electrode is not necessarily formed at a portion where the substrate travels linearly. For example, the active material layer can be formed while the substrate travels along a cooling can.
また、実施例では活物質として、ケイ素及びケイ素酸化物を用いる場合について述べたが、本発明はこれら活物質材料に限定されるものではなく、ケイ素を含む合金、ケイ素と酸素とを含む化合物、ケイ素と窒素とを含む化合物、スズ単体、スズ合金、スズと酸素とを含む化合物、スズと窒素とを含む化合物などに対しても有効である。 Further, in the examples, the case where silicon and silicon oxide are used as the active material has been described, but the present invention is not limited to these active material materials, an alloy containing silicon, a compound containing silicon and oxygen, It is also effective for compounds containing silicon and nitrogen, tin alone, tin alloys, compounds containing tin and oxygen, compounds containing tin and nitrogen, and the like.
本発明の電気化学素子の極板製造装置によれば、活物質量に応じたリチウム付与が均一に出来るので、電池の信頼性が向上し、リチウムイオン二次電池として有用である。 According to the electrochemical device electrode plate manufacturing apparatus of the present invention, lithium can be uniformly applied according to the amount of active material, so that the reliability of the battery is improved and it is useful as a lithium ion secondary battery.
2 真空槽
3 巻き取りロール
4 排気ポンプ
5 搬送ローラ
6 第一キャン
7 第二キャン
8 巻き出しロール
9 開口部
10 遮蔽板
11 無終端帯
12 冷却体
13 第三キャン
14 第四キャン
15 冷却キャン
16 リチウム材料
17 整流板
18 リチウム付与源
19 活物質付与源
20 負極
21 基板
22 柱状活物質
23 下部活物質
24 活物質層
25 突起
31 正極
32 極板群
33 セパレータ
34 正極リード
35 負極リード
36 上部絶縁リング
37 下部絶縁リング
38 電池缶
39 封口板
40 絶縁パッキン
41 正極外部電極
42 負極外部電極
43 補助材
DESCRIPTION OF
Claims (4)
基板近接に配置され前記基板に材料蒸気を付与するための開口面を有する半密閉構造に成膜材料を保持する材料付与源と、
前記付与源を加熱する加熱源と、
前記付与源の開口面近傍に配置され材料蒸気に指向性を付与するスリット構造と、を有し、
前記スリット構造は、成膜領域における前記基板の搬送に伴って、前記基板に向かう前記材料蒸気の入射方向が前記基板法線を挟んで逆転する構造であることを特徴とする電気化学素子の成膜装置。 A transport system disposed in a vacuum chamber that is depressurized by an exhaust pump, and transports a substrate;
A material application source for holding a film forming material in a semi-enclosed structure disposed in the vicinity of the substrate and having an opening for applying material vapor to the substrate;
A heating source for heating the application source;
A slit structure disposed in the vicinity of the opening surface of the application source and imparting directivity to the material vapor,
The slit structure is a structure in which the incident direction of the material vapor directed toward the substrate is reversed with the substrate normal line as the substrate is transported in the film formation region. Membrane device.
前記活物質層が厚い部分と薄い部分とを有する、請求項1または2に記載の電気化学素子の成膜装置。 The substrate has an active material layer that absorbs and releases lithium, and a current collector,
The electrochemical element film forming apparatus according to claim 1, wherein the active material layer has a thick portion and a thin portion.
The film forming apparatus for an electrochemical element according to claim 1, wherein the film forming material is Li.
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US11888143B2 (en) | 2020-12-15 | 2024-01-30 | Applied Materials, Inc. | Method of manufacturing an anode structure, vacuum deposition system, anode structure, and lithium battery layer stack |
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