JP2011165605A - Method for forming active material layer, active material layer formed by the same, and lithium secondary battery including the same formed by the method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for forming an active material layer having a desired inter-layer distance, an active material layer formed by the same, and a lithium secondary battery including the same formed by the method. <P>SOLUTION: The method for forming an active material layer having a rock salt type layered structure includes steps of: preparing an active material raw material having a rock salt type layered structure; preparing a substrate having a predetermined crystal plane; and forming an active material layer containing an active material crystal having a lattice constant different from that of the active material raw material on the crystal plane of the substrate by irradiating the active material raw material with a pulse laser using a pulse laser deposition method. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、所望の層間距離を有する活物質層を形成する方法、当該方法により形成される活物質層、及び、当該方法により形成される活物質層を備えるリチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a method for forming an active material layer having a desired interlayer distance, an active material layer formed by the method, and a lithium secondary battery including the active material layer formed by the method.

二次電池は、化学反応に伴う化学エネルギーの減少分を電気エネルギーに変換し、放電を行うことができる他に、放電時と逆方向に電流を流すことにより、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積(充電)することが可能な電池のことである。二次電池の中でも、リチウム二次電池は、エネルギー密度が高いため、ノート型のパーソナルコンピューターや、携帯電話機等の電源として幅広く応用されている。   The secondary battery can convert the decrease in chemical energy associated with the chemical reaction into electrical energy and perform discharge. In addition, the secondary battery converts electrical energy into chemical energy by flowing current in the opposite direction to that during discharge. A battery that can be stored (charged). Among secondary batteries, lithium secondary batteries are widely used as power sources for notebook personal computers, mobile phones, and the like because of their high energy density.

リチウム二次電池においては、負極活物質としてグラファイト(Cと表現する)を用いた場合、放電時において、負極では式(1)の反応が進行する。
Li→C+Li+e (1)
式(1)で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、式(1)で生じたリチウムイオン(Li)は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。
In the lithium secondary battery, when graphite (expressed as C 6 ) is used as the negative electrode active material, the reaction of the formula (1) proceeds at the negative electrode during discharge.
C 6 Li → C 6 + Li + + e (1)
The electrons generated in the formula (1) reach the positive electrode after working with an external load via an external circuit. The lithium ions (Li + ) generated in the formula (1) move in the electrolyte sandwiched between the negative electrode and the positive electrode by electroosmosis from the negative electrode side to the positive electrode side.

また、正極活物質としてコバルト酸リチウム(Li0.4CoO)を用いた場合、放電時において、正極では式(2)の反応が進行する。
Li0.4CoO+0.6Li+0.6e→LiCoO (2)
充電時においては、負極及び正極において、それぞれ上記式(1)及び式(2)の逆反応が進行し、負極においてはグラファイトインターカレーションによりリチウムが入り込んだグラファイト(CLi)が、正極においてはコバルト酸リチウム(Li0.4CoO)が再生するため、再放電が可能となる。
When lithium cobaltate (Li 0.4 CoO 2 ) is used as the positive electrode active material, the reaction of the formula (2) proceeds at the positive electrode during discharge.
Li 0.4 CoO 2 + 0.6Li + + 0.6e → LiCoO 2 (2)
At the time of charging, the reverse reactions of the above formulas (1) and (2) proceed in the negative electrode and the positive electrode, respectively, and in the negative electrode, graphite (C 6 Li) into which lithium has entered by graphite intercalation is present in the positive electrode. Since lithium cobaltate (Li 0.4 CoO 2 ) is regenerated, re-discharge is possible.

上述したコバルト酸リチウムを用いたリチウム二次電池の技術としては、特許文献1に、コバルト酸リチウムを典型例とした、リチウムコバルト系酸化物を用いるリチウム二次電池が開示されている。   As a technique of the lithium secondary battery using the above-described lithium cobalt oxide, Patent Document 1 discloses a lithium secondary battery using a lithium cobalt-based oxide using lithium cobalt oxide as a typical example.

特開2007−165072号公報JP 2007-165072 A

特許文献1においては、明細書中の段落26において、リチウム遷移金属酸化物の結晶状態についての考察が記載されている。しかし、当該記載からは、リチウム挿入・脱離抵抗を抑制するために、当該酸化物の結晶状態をどのように制御すればよいかが明らかにされていない。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、所望の層間距離を有する活物質層を形成する方法、当該方法により形成される活物質層、及び、当該方法により形成される活物質層を備えるリチウム二次電池を提供することを目的とする。
In patent document 1, the consideration about the crystalline state of a lithium transition metal oxide is described in the paragraph 26 in a specification. However, the description does not disclose how to control the crystal state of the oxide in order to suppress lithium insertion / extraction resistance.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and a method for forming an active material layer having a desired interlayer distance, an active material layer formed by the method, and an active material formed by the method It aims at providing a lithium secondary battery provided with a layer.

本発明の活物質層形成方法は、岩塩型層状構造を有する活物質層を形成する方法であって、岩塩型層状構造を有する活物質原料を準備する工程、所定の結晶面を有する基板を準備する工程、並びに、パルスレーザーデポジション法を用いて、パルスレーザーを前記活物質原料に照射することにより、前記基板の前記結晶面上に、前記活物質原料の格子定数と異なる格子定数を有する活物質結晶を含有する活物質層を形成する工程を有することを特徴とする。   The active material layer forming method of the present invention is a method for forming an active material layer having a rock salt type layered structure, and a step of preparing an active material material having a rock salt type layered structure, and a substrate having a predetermined crystal plane are prepared. And irradiating the active material material with a pulse laser using a pulse laser deposition method, whereby an active material having a lattice constant different from that of the active material material is formed on the crystal plane of the substrate. It has the process of forming the active material layer containing a material crystal | crystallization.

このような構成の活物質層形成方法は、前記基板の結晶面における原子配列を利用することにより、活物質層中の活物質の格子定数を制御し、その結果、所望の層間距離を有する活物質層を得ることができる。   In the active material layer forming method having such a configuration, the lattice constant of the active material in the active material layer is controlled by utilizing the atomic arrangement in the crystal plane of the substrate, and as a result, the active material layer having a desired interlayer distance is controlled. A material layer can be obtained.

本発明の活物質層形成方法は、岩塩型層状構造を有する前記活物質原料がコバルト酸リチウム(LiCoO)であり、前記所定の結晶面を有する基板がPt{110}基板であることが好ましい。 In the active material layer forming method of the present invention, the active material raw material having a rock salt type layered structure is preferably lithium cobaltate (LiCoO 2 ), and the substrate having the predetermined crystal plane is a Pt {110} substrate. .

このような構成の活物質層形成方法は、コバルト酸リチウムを含有する活物質層のc軸の値を小さくすることができ、その結果、当該活物質層をリチウム二次電池に組み込んだ際に、従来の活物質層を備えたリチウム二次電池よりも、より低い電位での充電が可能となる。   The active material layer forming method having such a configuration can reduce the c-axis value of the active material layer containing lithium cobalt oxide, and as a result, when the active material layer is incorporated into a lithium secondary battery. Thus, charging at a lower potential is possible as compared with a lithium secondary battery having a conventional active material layer.

本発明の活物質層は、上記活物質層形成方法により形成されることを特徴とする。   The active material layer of the present invention is formed by the above-described active material layer forming method.

本発明のリチウム二次電池は、少なくとも正極と、負極と、当該正極と当該負極との間に介在する電解質とを備えるリチウム二次電池であって、前記正極は、少なくとも正極活物質層を備え、当該正極活物質層は、上記活物質層形成方法により形成された活物質層であることを特徴とする。   The lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery including at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode includes at least a positive electrode active material layer. The positive electrode active material layer is an active material layer formed by the above active material layer forming method.

本発明によれば、前記基板の結晶面における原子配列を利用することにより、活物質層中の活物質の格子定数を制御し、その結果、所望の層間距離を有する活物質層を得ることができる。   According to the present invention, by utilizing the atomic arrangement in the crystal plane of the substrate, the lattice constant of the active material in the active material layer is controlled, and as a result, an active material layer having a desired interlayer distance can be obtained. it can.

PLD法に使用可能な製膜装置の一例を示した断面模式図であり、製膜途中の様子を示した図である。It is the cross-sectional schematic diagram which showed an example of the film forming apparatus which can be used for PLD method, and is the figure which showed the mode in the middle of film forming. 本発明のリチウム二次電池の一例を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows an example of the lithium secondary battery of this invention. 実施例1及び実施例2の活物質層のリチウムイオン拡散定数を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the lithium ion diffusion constant of the active material layer of Example 1 and Example 2. FIG.

1.活物質層形成方法、及び、当該方法により形成される活物質層
本発明の活物質層形成方法は、岩塩型層状構造を有する活物質層を形成する方法であって、岩塩型層状構造を有する活物質原料を準備する工程、所定の結晶面を有する基板を準備する工程、並びに、パルスレーザーデポジション法を用いて、パルスレーザーを前記活物質原料に照射することにより、前記基板の前記結晶面上に、前記活物質原料の格子定数と異なる格子定数を有する活物質結晶を含有する活物質層を形成する工程を有することを特徴とする。
1. Active material layer forming method and active material layer formed by the method The active material layer forming method of the present invention is a method for forming an active material layer having a rock salt type layered structure, and has a rock salt type layered structure. The step of preparing an active material raw material, the step of preparing a substrate having a predetermined crystal plane, and the pulsed laser deposition method is used to irradiate the active material raw material with the crystal plane of the substrate. The method further includes the step of forming an active material layer containing an active material crystal having a lattice constant different from that of the active material raw material.

本発明に用いられるパルスレーザーデポジション(Pulse Laser Deposition:以下、PLDと称する場合がある)法とは、パルスレーザーを薄膜の材料となる真空チャンバー内のターゲットに照射してプラズマ化させ、当該プラズマ化した材料を、ターゲットの対角上に設置した基板に堆積させることで、薄膜を作製する方法である。PLD法は、一般的に成膜速度が速く、成膜条件の調整により膜の表面状態の制御や、微粒子膜の製作が可能であり、しかも酸素雰囲気中での成膜が可能であるため、主に酸化物膜の作製に使用される。   The pulse laser deposition (hereinafter sometimes referred to as PLD) method used in the present invention is a method in which a pulse laser is irradiated onto a target in a vacuum chamber, which is a thin film material, to form plasma. This is a method for producing a thin film by depositing the liquefied material on a substrate placed on the diagonal of the target. In general, the PLD method has a high film formation speed, and the film surface state can be controlled by adjusting the film formation conditions, and a fine particle film can be manufactured. In addition, the film can be formed in an oxygen atmosphere. It is mainly used for manufacturing oxide films.

単結晶薄膜の技術分野においては、一般に、絶縁体基板上、例えばアルミナ(Al)基板上には、比較的容易に半導体酸化物を製膜できることが知られている。これとは対照的に、導電性の金属基板上に半導体酸化物を製膜することは、一般的に困難な技術である。
従来、上述したPLD法に代表される単結晶薄膜作製技術は、トランジスタや、ハードディスクの信号を読み取る素子等の材料研究及び製作に応用されてきた。当該トランジスタや素子等は、その目的を達成するために、主に半導体基板上に単結晶薄膜を形成することにより作製される。これに対し、導電性の金属基板上に半導体酸化物を製膜することは、電池材料特有の課題であり、特にPLD法による電池材料の作製については、これまでに実績がない。
In the technical field of single crystal thin films, it is generally known that a semiconductor oxide can be formed relatively easily on an insulator substrate, for example, an alumina (Al 2 O 3 ) substrate. In contrast, it is generally a difficult technique to deposit a semiconductor oxide on a conductive metal substrate.
Conventionally, the single crystal thin film manufacturing technique represented by the PLD method described above has been applied to research and production of materials such as transistors and devices for reading signals of hard disks. In order to achieve the object, the transistor, the element, and the like are manufactured mainly by forming a single crystal thin film over a semiconductor substrate. On the other hand, forming a semiconductor oxide film on a conductive metal substrate is a problem peculiar to battery materials, and in particular, production of battery materials by the PLD method has not been performed so far.

発明者らは、鋭意努力の結果、基板の結晶面における表面原子配列を利用することにより、活物質層中の活物質の格子定数を制御し、その結果、所望の層間距離を有する活物質層を得ることができることを見出し、本発明を完成させた。   As a result of diligent efforts, the inventors have controlled the lattice constant of the active material in the active material layer by utilizing the surface atomic arrangement in the crystal plane of the substrate, and as a result, the active material layer having a desired interlayer distance. And the present invention has been completed.

本発明の活物質層形成方法は、(1)活物質原料を準備する工程、(2)基板を準備する工程、(3)PLD法を用いて活物質層を形成する工程を有する。以下、これら各工程について、順に説明する。   The active material layer forming method of the present invention includes (1) a step of preparing an active material raw material, (2) a step of preparing a substrate, and (3) a step of forming an active material layer using a PLD method. Hereinafter, these steps will be described in order.

1−1.活物質原料を準備する工程
本工程においては、岩塩型層状構造を有する活物質原料を準備する。ここでいう、「岩塩型」構造とは、結晶構造の1種である塩化ナトリウム型構造のことであり、カチオン及びアニオンのそれぞれが形成する面心立方格子が、互いに単位格子の稜の1/2だけずれた構造を指す。また、ここでいう「層状構造」とは、必ずしもcmスケール、mmスケール等の巨視的スケールにおける層状構造のみでなく、μmスケール、nmスケール等の微視的スケールにおける層状構造をも指す。
1-1. Step of Preparing Active Material Raw Material In this step, an active material raw material having a rock salt type layered structure is prepared. The “rock salt type” structure referred to here is a sodium chloride type structure which is a kind of crystal structure, and the face-centered cubic lattice formed by each of the cation and the anion is 1 / of the ridge of the unit cell. Refers to a structure shifted by two. In addition, the “layered structure” referred to here does not necessarily refer to a layered structure on a macroscopic scale such as a cm scale or mm scale, but also a layered structure on a microscopic scale such as a μm scale or nm scale.

岩塩型層状構造を有する活物質原料から形成される活物質層においては、層状構造の層間距離は、当該活物質層中の活物質結晶が有する格子定数の内の少なくとも1つの値に比例する。すなわち、当該格子定数の値が、当該値に対応する活物質原料の格子定数の値よりも大きくなるように活物質層を形成すると、形成される活物質層の層状構造の層間距離は、従来の活物質層の層状構造の層間距離よりも長くなる。これとは反対に、当該格子定数の値が、当該値に対応する活物質原料の格子定数の値よりも小さくなるように活物質層を形成すると、形成される活物質層の層状構造の層間距離は、従来の活物質層の層状構造の層間距離よりも短くなる。
このように、活物質結晶が有する格子定数の内、層状構造の層間距離に比例する値を制御することにより、所望の層間距離を有する活物質層を形成することができる。活物質層の層間には、リチウムイオン伝導面が形成されるため、層間距離を制御した活物質層をリチウム二次電池に組み込むことによって、リチウムイオン伝導性を向上させることができる。
活物質原料の格子定数の値を制御する方法については、「1−2.基板を準備する工程」の項において後述する。
In an active material layer formed from an active material material having a rock salt type layered structure, the interlayer distance of the layered structure is proportional to at least one value of the lattice constant of the active material crystal in the active material layer. That is, when the active material layer is formed such that the value of the lattice constant is larger than the value of the lattice constant of the active material raw material corresponding to the value, the interlayer distance of the layered structure of the formed active material layer is conventionally It becomes longer than the interlayer distance of the layered structure of the active material layer. On the contrary, when the active material layer is formed so that the value of the lattice constant is smaller than the value of the lattice constant of the active material raw material corresponding to the value, the layer structure of the active material layer to be formed The distance is shorter than the interlayer distance of the layered structure of the conventional active material layer.
Thus, an active material layer having a desired interlayer distance can be formed by controlling a value proportional to the interlayer distance of the layered structure among the lattice constants of the active material crystal. Since a lithium ion conductive surface is formed between the active material layers, lithium ion conductivity can be improved by incorporating an active material layer with a controlled interlayer distance into the lithium secondary battery.
A method of controlling the value of the lattice constant of the active material raw material will be described later in the section “1-2.

本発明に用いられる、岩塩型層状構造を有する活物質原料としては、具体的には、LiCoO、LiNi1/3Mn1/3Co1/3、LiNiPO、LiMnPO、LiNiO、LiMn、LiCoMnO、LiNiMn、LiFe(PO及びLi(PO等を挙げることができる。
これらの活物質原料の中でも、本発明においては、LiCoOを用いることが好ましい。LiCoOの結晶においては、3つの格子定数の内、c軸に平行な格子定数の値(以下、c軸の値と称する。)が層状構造の層間距離に相当する。したがって、LiCoOを用いて本発明に係る方法により活物質層を形成する場合には、c軸の値を制御することにより、活物質層の層間距離を調整することができる。
As the active material raw material having a rock salt type layered structure used in the present invention, specifically, LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNiPO 4 , LiMnPO 4 , LiNiO 2 , Examples thereof include LiMn 2 O 4 , LiCoMnO 4 , Li 2 NiMn 3 O 8 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3, and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 .
Among these active material materials, LiCoO 2 is preferably used in the present invention. In the LiCoO 2 crystal, the lattice constant value parallel to the c-axis (hereinafter referred to as the c-axis value) of the three lattice constants corresponds to the interlayer distance of the layered structure. Therefore, when an active material layer is formed using LiCoO 2 by the method according to the present invention, the interlayer distance of the active material layer can be adjusted by controlling the c-axis value.

1−2.基板を準備する工程
本工程においては、所定の結晶面を有する基板を準備する。ここでいう「所定の結晶面を有する基板」とは、基板の少なくとも1つの面の全面積に対して、80〜100%の割合、好ましくは90〜100%の割合を占める面積に、ある所定の結晶面が表れている基板を指す。本発明においては、当該所定の結晶面上に活物質層を形成する。
本発明においては、活物質の格子定数の内少なくとも1つの値は、活物質層に面する基板の結晶面によって決まる。これは、後述するPLD法によって、アブレートされた活物質原料のプラズマが基板に到達し、基板上に活物質層が形成される際に、活物質層−基板間の界面において、当該界面に略平行な活物質分子の原子配列が、当該界面に略平行な基板の原子配列に略一致するように、活物質層が形成されるためである。ここで、「原子配列が一致する」とは、基板の原子と、活物質分子中の原子若しくは原子団とが、1対1で対応するように配列すること、又は、基板の当該原子間の間隙と、活物質分子中の当該原子若しくは原子団とが略1対1で対応するように配列することのいずれかを意味する。したがって、本発明によって形成された活物質層は、基板の当該原子と、活物質分子中の当該原子若しくは原子団とが略1対1で接する状態、又は、当該原子若しくは原子団が、対応する間隙に嵌め込まれた状態となる。
1-2. Step for Preparing Substrate In this step, a substrate having a predetermined crystal plane is prepared. The “substrate having a predetermined crystal plane” as used herein refers to a predetermined area that occupies a ratio of 80 to 100%, preferably 90 to 100%, with respect to the total area of at least one surface of the substrate. Refers to a substrate on which a crystal plane of In the present invention, an active material layer is formed on the predetermined crystal plane.
In the present invention, at least one value of the lattice constant of the active material is determined by the crystal plane of the substrate facing the active material layer. This is because, when the plasma of the ablated active material material reaches the substrate by the PLD method to be described later and an active material layer is formed on the substrate, the interface is substantially the same at the interface between the active material layer and the substrate. This is because the active material layer is formed so that the atomic arrangement of parallel active material molecules substantially matches the atomic arrangement of the substrate substantially parallel to the interface. Here, “atom arrangement matches” means that the atoms of the substrate and the atoms or atomic groups in the active material molecule are arranged in a one-to-one correspondence, or between the atoms of the substrate This means that the gaps and the atoms or atomic groups in the active material molecules are arranged so as to correspond approximately in a one-to-one relationship. Therefore, the active material layer formed according to the present invention corresponds to a state in which the atom of the substrate and the atom or atomic group in the active material molecule are in close contact with each other or the atom or atomic group. It will be in the state fitted in the gap.

本発明に用いられる、所定の結晶面を有する基板としては、具体的には、Pt{110}基板、Pt{111}基板、Pt{100}基板、Au{100}基板、Au{110}基板、Au{111}基板等を挙げることができる。なお、本明細書においては、所定の結晶面を有する基板の表記として、当該基板の化学組成を示す化学式(単体の場合は元素記号)に結晶面を併記したものを用いる。例えば、Pt{110}基板とは、{110}面を有する白金基板であることを意味する。また、本明細書においては、結晶面の表記について、等価な面群を中カッコで括って表す。例えば、(110)面、(101)面、(011)面、(**0)面、(*0*)面、(0**)面(以上、アスタリスク(*)で示した数字は、「1に上線」を意味する)等は、全て{110}面として表記する。   Specific examples of the substrate having a predetermined crystal plane used in the present invention include a Pt {110} substrate, a Pt {111} substrate, a Pt {100} substrate, an Au {100} substrate, and an Au {110} substrate. , Au {111} substrate and the like. Note that in this specification, as a notation of a substrate having a predetermined crystal plane, a chemical formula indicating the chemical composition of the substrate (element symbol in the case of a simple substance) along with the crystal plane is used. For example, a Pt {110} substrate means a platinum substrate having a {110} plane. In this specification, equivalent crystal groups are shown in braces for crystal plane notation. For example, (110) plane, (101) plane, (011) plane, (** 0) plane, (** 0) plane, (0 **) plane (the numbers indicated by asterisks (*) above are “Means“ upper line to 1 ”) and the like are all expressed as {110} planes.

特に、活物質原料としてLiCoOを、所定の結晶面を有する基板としてPt{110}基板を用いた場合には、LiCoOのc軸がPt{110}基板に略平行となるように、活物質層が形成される。上述したように、LiCoOのc軸の値は層間距離に相当するので、得られた活物質層のリチウムイオン伝導面は、Pt{110}基板に略垂直となる。
これに対し、例えば、活物質原料としてLiCoOを、所定の結晶面を有する基板としてPt{111}基板又はPt{100}基板を用いた場合には、LiCoOのc軸が白金基板に略垂直となるように、すなわち、得られた活物質層のリチウムイオン伝導面が、白金基板に略平行となるように、活物質層が形成される。
後述する実施例において示すように、Pt{110}基板を用いた場合(実施例1)のLiCoO活物質層中の活物質結晶のc軸の値は、Pt{111}基板を用いた場合(実施例2)のLiCoO活物質層中の活物質結晶のc軸の値、及び、従来のLiCoO活物質層中の活物質結晶のc軸の値のいずれよりも小さい。このように、リチウム二次電池に組み込まれた際に、層間距離(LiCoO活物質結晶のc軸の値)が小さい程、低電位の充電がしやすいという観点から、上記基板の内、本発明においては、所定の結晶面を有する基板としてPt{110}基板を用いることが好ましい。
In particular, when LiCoO 2 is used as the active material raw material and a Pt {110} substrate is used as the substrate having a predetermined crystal plane, the LiCoO 2 c-axis is substantially parallel to the Pt {110} substrate. A material layer is formed. As described above, since the value of the c-axis of LiCoO 2 corresponds to the interlayer distance, the lithium ion conductive surface of the obtained active material layer is substantially perpendicular to the Pt {110} substrate.
On the other hand, for example, when LiCoO 2 is used as the active material material and a Pt {111} substrate or Pt {100} substrate is used as the substrate having a predetermined crystal plane, the c-axis of LiCoO 2 is substantially omitted from the platinum substrate. The active material layer is formed so as to be vertical, that is, so that the lithium ion conductive surface of the obtained active material layer is substantially parallel to the platinum substrate.
As shown in the examples described later, the c-axis value of the active material crystal in the LiCoO 2 active material layer when the Pt {110} substrate is used (Example 1) is the case where the Pt {111} substrate is used. It is smaller than both the c-axis value of the active material crystal in the LiCoO 2 active material layer of Example 2 and the c-axis value of the active material crystal in the conventional LiCoO 2 active material layer. Thus, from the viewpoint of easier charging at a lower potential as the interlayer distance (the c-axis value of the LiCoO 2 active material crystal) is smaller when incorporated in a lithium secondary battery, In the invention, it is preferable to use a Pt {110} substrate as the substrate having a predetermined crystal plane.

1−3.PLD法を用いて、活物質層を形成する工程
本工程は、PLD法を用いて、パルスレーザーを上述した活物質原料に照射することにより、上述した基板の結晶面上に、活物質原料の格子定数と異なる格子定数を有する活物質結晶を含有する活物質層を形成する工程である。
ここでいう「活物質原料の格子定数と異なる格子定数を有する活物質結晶」とは、活物質原料の格子定数の内の少なくとも1つの値と、当該値に対応する格子定数の値とが異なる活物質結晶のことを指す。活物質原料の格子定数の値を100%としたときに、当該値に対応する活物質結晶の格子定数の値は、90〜110%であることが好ましい。
1-3. Step of forming active material layer using PLD method In this step, the active material material is irradiated onto the above-described crystal surface of the substrate by irradiating the above-mentioned active material material with a pulse laser using the PLD method. This is a step of forming an active material layer containing an active material crystal having a lattice constant different from the lattice constant.
The “active material crystal having a lattice constant different from the lattice constant of the active material raw material” here means that at least one value of the lattice constant of the active material raw material is different from the value of the lattice constant corresponding to the value. It refers to the active material crystal. When the value of the lattice constant of the active material raw material is 100%, the value of the lattice constant of the active material crystal corresponding to the value is preferably 90 to 110%.

図1は、PLD法に使用可能な製膜装置の一例を示した断面模式図であり、製膜途中の様子を示した図である。なお、本工程に使用できる製膜装置は、図1に示した例に必ずしも限定されない。
製膜装置100は、真空室1、当該真空室1に取り付けられたレーザー発振器2、真空ポンプ3及び酸素バルブ4を備えている。
レーザー発振器2としては、KrFエキシマレーザー(248nm)発振器、ArFエキシマレーザー(193nm)発振器、XeClエキシマレーザー(308nm)発振器等を用いることができ、その中でも、KrFエキシマレーザー(248nm)発振器を用いることが好ましい。レーザーのエネルギーは50〜250mJ、レーザーの周波数は0.5〜20Hzであることが好ましい。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a film forming apparatus that can be used in the PLD method, and shows a state during film formation. In addition, the film forming apparatus which can be used for this process is not necessarily limited to the example shown in FIG.
The film forming apparatus 100 includes a vacuum chamber 1, a laser oscillator 2 attached to the vacuum chamber 1, a vacuum pump 3, and an oxygen valve 4.
As the laser oscillator 2, a KrF excimer laser (248 nm) oscillator, an ArF excimer laser (193 nm) oscillator, a XeCl excimer laser (308 nm) oscillator, or the like can be used. Among them, a KrF excimer laser (248 nm) oscillator can be used. preferable. The laser energy is preferably 50 to 250 mJ, and the laser frequency is preferably 0.5 to 20 Hz.

真空ポンプ3は、10−4〜10−6Torr程度の真空度が得られる真空ポンプであればよく、具体的には、通常真空装置に用いられるロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ等を使用することができる。また、2以上の真空ポンプを併用することもできる。
酸素バルブ4は、酸素ボンベ等の酸素供給源(図示せず)に接続されており、真空室1内を0.001〜0.1Torr程度の酸素分圧に保つように制御されている。
製膜前においては、真空ポンプ3によって真空室1内を真空状態とした後、酸素バルブ4から真空室1内へ酸素を導入するという操作を予め2〜3回繰り返し、真空室1内を酸素で置換することが好ましい。
The vacuum pump 3 may be a vacuum pump that can obtain a degree of vacuum of about 10 −4 to 10 −6 Torr. Specifically, a rotary pump, a turbo molecular pump, or the like that is usually used in a vacuum apparatus may be used. it can. Two or more vacuum pumps can be used in combination.
The oxygen valve 4 is connected to an oxygen supply source (not shown) such as an oxygen cylinder, and is controlled so as to keep the inside of the vacuum chamber 1 at an oxygen partial pressure of about 0.001 to 0.1 Torr.
Before film formation, the vacuum chamber 3 is evacuated by the vacuum pump 3 and then oxygen is introduced from the oxygen valve 4 into the vacuum chamber 1 twice in advance. It is preferable to substitute with.

真空室1内には、ターゲット5、当該ターゲット5を回転させるモーター6、基板7が設置されている。
ターゲット5としては、活物質原料の固体、又は、活物質原料を塗布したステージを設置する。全面を均一にアブレートするためには、ターゲットを回転させることが好ましい。ターゲット回転速度は、形成する活物質層の性質にもよるが、10〜100rpm程度が好ましい。
活物質原料としては、「1−1.活物質原料を準備する工程」の項において述べた活物質原料を用いる。
In the vacuum chamber 1, a target 5, a motor 6 that rotates the target 5, and a substrate 7 are installed.
As the target 5, a solid of an active material material or a stage coated with an active material material is installed. In order to uniformly ablate the entire surface, it is preferable to rotate the target. The target rotation speed is preferably about 10 to 100 rpm, although it depends on the properties of the active material layer to be formed.
As the active material material, the active material material described in the section “1-1. Step of preparing active material material” is used.

レーザーアブレーションの際にターゲット5から空間に向かってほぼ垂直方向に発生する活物質原料由来のプラズマは、基板7に到達して堆積し、その結果、基板上に活物質層が形成される。ターゲット5と基板7との間は、アブレートされた活物質原料が十分に基板に到達する距離であればよく、具体的には、3〜15cm程度が好ましい。
基板7としては、「1−2.基板を準備する工程」の項において述べた基板を用いる。
The plasma derived from the active material raw material generated in the substantially vertical direction from the target 5 toward the space during laser ablation reaches the substrate 7 and is deposited, and as a result, an active material layer is formed on the substrate. The distance between the target 5 and the substrate 7 may be a distance that allows the ablated active material material to reach the substrate sufficiently, and specifically, about 3 to 15 cm is preferable.
As the substrate 7, the substrate described in the section “1-2.

活物質層中の活物質結晶の結晶性を高める観点から、基板を加熱することが好ましい。基板の加熱法には、基板の性質に合わせて種々の方法が採用できる。具体的な基板の加熱法としては、例えば、図1に示すように、基板7に電源8を接続し、基板に電流を流すことによって、基板を加熱する方法が挙げられる。基板の温度は、形成する活物質層の性質にもよるが、−50〜350℃程度が好ましい。
活物質層の均一な形成のために、基板そのものも回転させることが好ましい。基板の回転速度は、形成する活物質層の性質にもよるが、10〜100rpm程度が好ましい。
From the viewpoint of increasing the crystallinity of the active material crystal in the active material layer, it is preferable to heat the substrate. Various methods can be employed for heating the substrate in accordance with the properties of the substrate. As a specific method for heating the substrate, for example, as shown in FIG. 1, there is a method of heating the substrate by connecting a power source 8 to the substrate 7 and passing a current through the substrate. Although the temperature of a board | substrate is based also on the property of the active material layer to form, about -50-350 degreeC is preferable.
In order to form the active material layer uniformly, the substrate itself is preferably rotated. Although the rotation speed of a board | substrate is based also on the property of the active material layer to form, about 10-100 rpm is preferable.

形成する活物質層の性質にもよるが、0.5〜3時間程度の製膜時間で、0.05〜2μm程度の厚さの活物質層が形成される。
本発明により形成される活物質層の厚さは、当該活物質層が実際に組み込まれて使用されるリチウム二次電池の用途等により異なるものであるが、0.5〜100μmの範囲内であるのが好ましく、1〜50μmの範囲内であるのが特に好ましく、特に1〜30μmの範囲内であることが最も好ましい。
Although depending on the properties of the active material layer to be formed, an active material layer having a thickness of about 0.05 to 2 μm is formed in a film formation time of about 0.5 to 3 hours.
The thickness of the active material layer formed according to the present invention varies depending on the use of the lithium secondary battery in which the active material layer is actually incorporated, but is within the range of 0.5 to 100 μm. It is preferable that it is within a range of 1 to 50 μm, and most preferably within a range of 1 to 30 μm.

形成された活物質層中の活物質結晶の平均粒径としては、例えば1μm〜50μmの範囲内、中でも1μm〜20μmの範囲内、特に3μm〜5μmの範囲内であることが好ましい。活物質結晶の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなる可能性があり、活物質結晶の平均粒径が大きすぎると、平坦な活物質層を得るのが困難になる場合があるからである。なお、活物質結晶の平均粒径は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される活物質担体の粒径を測定して、平均することにより求めることができる。   The average particle diameter of the active material crystals in the formed active material layer is, for example, preferably in the range of 1 μm to 50 μm, more preferably in the range of 1 μm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 3 μm to 5 μm. If the average particle size of the active material crystal is too small, the handleability may be deteriorated. If the average particle size of the active material crystal is too large, it may be difficult to obtain a flat active material layer. It is. The average particle size of the active material crystal can be determined by measuring and averaging the particle size of the active material carrier observed with, for example, a scanning electron microscope (SEM).

本発明の活物質層は、必要に応じて導電化材および結着材等を含有していても良い。
本発明において用いられる活物質層が有する導電化材としては、活物質層の導電性を向上させることができれば特に限定されるものではないが、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック等を挙げることができる。また、活物質層における導電化材の含有量は、導電化材の種類によって異なるものであるが、通常1質量%〜10質量%の範囲内である。
The active material layer of the present invention may contain a conductive material, a binder and the like as necessary.
The conductive material included in the active material layer used in the present invention is not particularly limited as long as the conductivity of the active material layer can be improved. For example, carbon black such as acetylene black and ketjen black is used. Can be mentioned. Moreover, although content of the electrically conductive material in an active material layer changes with kinds of electrically conductive material, it is in the range of 1 mass%-10 mass% normally.

本発明において用いられる活物質層が有する結着材としては、例えばポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。また、活物質層における結着材の含有量は、活物質原料等を固定化できる程度の量であれば良く、より少ないことが好ましい。結着材の含有量は、通常1質量%〜10質量%の範囲内である。   Examples of the binding material of the active material layer used in the present invention include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Further, the content of the binder in the active material layer may be an amount that can immobilize the active material material and the like, and is preferably smaller. The content of the binder is usually in the range of 1% by mass to 10% by mass.

本発明の活物質層は、上記活物質層形成方法により形成されることを特徴とする。   The active material layer of the present invention is formed by the above-described active material layer forming method.

2.リチウム二次電池
本発明のリチウム二次電池は、少なくとも正極と、負極と、当該正極と当該負極との間に介在する電解質とを備えるリチウム二次電池であって、前記正極は、少なくとも正極活物質層を備え、当該正極活物質層は、上記活物質層形成方法により形成された活物質層であることを特徴とする。
2. Lithium secondary battery The lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery comprising at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. The positive electrode active material layer includes an active material layer formed by the above active material layer forming method.

図2は、本発明のリチウム二次電池の一例を示す断面模式図である。なお、本発明に係る電池は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。図2には積層型電池のみが示されているが、この他にも、捲回型電池等を採用することもできる。
リチウム二次電池200は、正極缶21の中に、当該缶の底から正極活物質層22、電解質23、負極活物質層24が順に収納され、さらに、電池の蓋として負極キャップ25がはめ込まれている。負極活物質層24と正極缶21との間、及び、負極キャップ25と正極缶21との間は、ガスケット26によってそれぞれ絶縁されている。図2に示した例においては、正極缶21と正極活物質層22によって正極が構成され、負極キャップ25と負極活物質層24によって負極が形成されている。なお、正極缶21は、正極集電体としての役割と電池ケースとしての役割を同時に兼ねており、負極キャップ25は、負極集電体としての役割と電池ケースとしての役割を同時に兼ねている。
図2に記載したリチウム二次電池200中、正極活物質層22は、上記活物質層形成方法により形成された活物質層である。
以下、本発明に係るリチウム二次電池の構成要素である、正極、負極、電解質及びその他の構成要素(セパレータ等)について説明する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the lithium secondary battery of the present invention. The battery according to the present invention is not necessarily limited to this example. Although FIG. 2 shows only the stacked battery, a wound battery or the like can also be adopted.
In the lithium secondary battery 200, a positive electrode active material layer 22, an electrolyte 23, and a negative electrode active material layer 24 are sequentially accommodated in a positive electrode can 21 from the bottom of the can, and a negative electrode cap 25 is fitted as a battery lid. ing. The gasket 26 is insulated between the negative electrode active material layer 24 and the positive electrode can 21 and between the negative electrode cap 25 and the positive electrode can 21. In the example shown in FIG. 2, the positive electrode can 21 and the positive electrode active material layer 22 constitute a positive electrode, and the negative electrode cap 25 and the negative electrode active material layer 24 form a negative electrode. The positive electrode can 21 serves both as a positive electrode current collector and a battery case. The negative electrode cap 25 serves both as a negative electrode current collector and a battery case.
In the lithium secondary battery 200 illustrated in FIG. 2, the positive electrode active material layer 22 is an active material layer formed by the above-described active material layer forming method.
Hereinafter, the positive electrode, the negative electrode, the electrolyte, and other components (separator and the like), which are components of the lithium secondary battery according to the present invention, will be described.

(正極)
本発明に係るリチウム二次電池の正極は、上記本発明に係る製造方法により製造された正極活物質層を備え、好ましくは、さらに正極集電体、及び、当該正極集電体に接続された正極リードを有するものである。
(Positive electrode)
The positive electrode of the lithium secondary battery according to the present invention includes a positive electrode active material layer manufactured by the manufacturing method according to the present invention, and is preferably further connected to the positive electrode current collector and the positive electrode current collector. It has a positive electrode lead.

(正極集電体)
本発明において用いられる正極集電体は、上記正極活物質層の集電を行う機能を有するものである。上記正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、SUS、ニッケル、鉄およびチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウムおよびSUSが好ましい。正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、リチウム二次電池の容器の全部または一部を正極集電体とすることもできる。
(Positive electrode current collector)
The positive electrode current collector used in the present invention has a function of collecting the positive electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include aluminum, SUS, nickel, iron, and titanium. Of these, aluminum and SUS are preferable. Examples of the shape of the positive electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh shape, and all or part of the container of the lithium secondary battery can be used as the positive electrode current collector.

(負極)
本発明に係るリチウム二次電池の負極は、好ましくは、負極集電体、及び、当該負極集電体に直接的に接続した負極リードを備えており、さらに好ましくは負極活物質を含有する負極活物質層を備える。
以下、負極活物質層及び負極集電体について説明する。
(Negative electrode)
The negative electrode of the lithium secondary battery according to the present invention preferably includes a negative electrode current collector and a negative electrode lead directly connected to the negative electrode current collector, and more preferably a negative electrode containing a negative electrode active material An active material layer is provided.
Hereinafter, the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector will be described.

(負極活物質層)
負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、およびグラファイト等の炭素材料等を挙げることができる。また、負極活物質は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material used for the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it can occlude / release lithium ions. For example, metal lithium, lithium alloy, metal oxide, metal sulfide, Examples thereof include metal nitrides and carbon materials such as graphite. The negative electrode active material may be in the form of a powder or a thin film.

負極活物質層は、必要に応じて導電化材および結着材等を含有していても良い。
負極活物質層中に用いることができる結着材および導電化材は、上記正極活物質層の説明において既に述べたものを用いることができる。また、結着材および導電化材の使用量は、リチウム二次電池の用途等に応じて、適宜選択することが好ましい。また、負極活物質層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、例えば10μm〜100μmの範囲内、中でも10μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。
The negative electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary.
As the binder and the conductive material that can be used in the negative electrode active material layer, those already described in the description of the positive electrode active material layer can be used. Moreover, it is preferable to select the usage-amount of a binder and a electrically conductive material suitably according to the use etc. of a lithium secondary battery. Further, the film thickness of the negative electrode active material layer is not particularly limited, but for example, it is preferably in the range of 10 μm to 100 μm, and more preferably in the range of 10 μm to 50 μm.

(負極集電体)
負極集電体の材料としては、上述した正極集電体の材料と同様のものを用いることができる。また、負極集電体の形状としては、上述した正極集電体の形状と同様のものを採用することができる。
(Negative electrode current collector)
As the material for the negative electrode current collector, the same materials as those for the positive electrode current collector described above can be used. Moreover, as a shape of a negative electrode collector, the thing similar to the shape of the positive electrode collector mentioned above is employable.

(電解質)
本発明に用いられる電解質としては、リチウムイオン伝導性を有していれば特に限定されず、固体・液体を問わない。ポリマー電解質やゲル電解質等を用いることもできる。
本発明に用いられるリチウムイオン伝導性固体電解質としては、具体的には、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等を用いることができる。
本発明に用いられる酸化物系固体電解質としては、具体的には、LiPON(リン酸リチウムオキシナイトライド)、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO、La0.51Li0.34TiO0.74、LiPO、LiSiO、LiSiO、Li0.5La0.5TiO、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO等を例示することができる。
本発明に用いられる硫化物系固体電解質としては、具体的には、LiS−P、LiS−P、LiS−P−P、LiS−SiS、LiI−LiS−P、LiI−LiS−SiS−P、LiS−SiS−LiSiO、LiS−SiS−LiPO、LiPS−LiGeS、Li3.40.6Si0.4、Li3.250.25Ge0.76、Li4−xGe1−x、Li11等を例示することができる。
(Electrolytes)
The electrolyte used in the present invention is not particularly limited as long as it has lithium ion conductivity, and may be solid or liquid. A polymer electrolyte, a gel electrolyte, or the like can also be used.
As the lithium ion conductive solid electrolyte used in the present invention, specifically, an oxide solid electrolyte, a sulfide solid electrolyte, or the like can be used.
Specifically, as the oxide-based solid electrolyte used in the present invention, LiPON (lithium phosphate oxynitride), Li 1.3 Al 0.3 Ti 0.7 (PO 4 ) 3 , La 0.51 Li 0.34 TiO 0.74 , Li 3 PO 4 , Li 2 SiO 2 , Li 2 SiO 4 , Li 0.5 La 0.5 TiO 3 , Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 3 ) etc. can be illustrated.
Specific examples of the sulfide-based solid electrolyte used in the present invention include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 3 , Li 2 S—P 2 S 3 —P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2, LiI -Li 2 S-P 2 S 5, LiI-Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5, Li 2 S-SiS 2 -Li 4 SiO 4, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4, Li 3 PS 4 -Li 4 GeS 4, Li 3.4 P 0.6 Si 0.4 S 4, Li 3.25 P 0.25 Ge 0.76 S 4, Li 4-x Ge 1-x P x S 4 , Li 7 P 3 may be exemplified S 11 or the like.

本発明に用いられるリチウムイオン伝導性電解液としては、具体的には、水系電解液及び非水系電解液を用いることができる。
リチウム二次電池に用いる水系電解液としては、通常、水にリチウム塩を含有させたものを用いる。リチウム塩としては、例えばLiPF、LiBF、LiClOおよびLiAsF等の無機リチウム塩;及びLiCFSO、LiN(SOCF(Li−TFSI)、LiN(SO、LiC(SOCF等の有機リチウム塩等を挙げることができる。
As the lithium ion conductive electrolyte used in the present invention, specifically, an aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte can be used.
As the aqueous electrolyte solution used for the lithium secondary battery, a solution containing lithium salt in water is usually used. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4, and LiAsF 6 ; and LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (Li-TFSI), LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , organic lithium salts such as LiC (SO 2 CF 3 ) 3 and the like.

本発明に用いられる非水系電解液の種類は、伝導する金属イオンの種類に応じて、適宜選択することが好ましい。例えば、リチウム二次電池の非水系電解液は、通常、上述したリチウム塩および非水溶媒を含有する。非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、エチルカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシメタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランおよびこれらの混合物等を挙げることができる。非水系電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば0.5mol/L〜3mol/Lの範囲内である。
なお、本発明においては、非水系電解液として、例えばイオン性液体等の低揮発性液体を含有していても良い。
The type of the non-aqueous electrolyte used in the present invention is preferably selected as appropriate according to the type of the metal ion to be conducted. For example, the non-aqueous electrolyte solution of a lithium secondary battery usually contains the above-described lithium salt and non-aqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethyl carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane, Acetonitrile, 1,2-dimethoxymethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and mixtures thereof can be exemplified. The concentration of the lithium salt in the nonaqueous electrolytic solution is, for example, in the range of 0.5 mol / L to 3 mol / L.
In the present invention, the non-aqueous electrolyte may contain a low volatile liquid such as an ionic liquid.

本発明に用いられるポリマー電解質は、リチウム塩およびポリマーを含有するものであることが好ましい。リチウム塩としては、上述したリチウム塩を挙げることができる。ポリマーとしては、リチウム塩と錯体を形成するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。   The polymer electrolyte used in the present invention preferably contains a lithium salt and a polymer. Examples of the lithium salt include the lithium salts described above. The polymer is not particularly limited as long as it forms a complex with a lithium salt, and examples thereof include polyethylene oxide.

本発明に用いられるゲル電解質は、リチウム塩とポリマーと非水溶媒とを含有するものであることが好ましい。
リチウム塩としては、上述したリチウム塩を用いることができる。
非水溶媒としては、上記リチウム塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、上述した非水溶媒を用いることができる。非水溶媒は、一種のみ用いてもよく、二種以上を混合して用いても良い。また、非水電解液として、常温溶融塩を用いることもできる。
ポリマーとしては、ゲル化が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロース等が挙げられる。
The gel electrolyte used in the present invention preferably contains a lithium salt, a polymer, and a nonaqueous solvent.
The lithium salt described above can be used as the lithium salt.
The nonaqueous solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the lithium salt. For example, the above-described nonaqueous solvent can be used. The non-aqueous solvent may be used alone or in combination of two or more. Moreover, room temperature molten salt can also be used as a non-aqueous electrolyte.
The polymer is not particularly limited as long as it can be gelled, and examples thereof include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyurethane, polyacrylate, and cellulose. Can be mentioned.

(その他の構成要素)
その他の構成要素として、セパレータを本発明の電池に用いることができる。セパレータは、複数の電池を積層して使用する場合に、上述した正極集電体及び上記負極集電体の間に配置されるものであり、通常、正極活物質層と負極活物質層との接触を防止し、電解質を保持する機能を有する。さらに、上記セパレータの材料としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロースおよびポリアミド等の樹脂を挙げることができ、中でもポリエチレンおよびポリプロピレンが好ましい。また、上記セパレータは、単層構造であっても良く、複層構造であっても良い。複層構造のセパレータとしては、例えばPE/PPの2層構造のセパレータ、PP/PE/PPの3層構造のセパレータ等を挙げることができる。さらに、本発明においては、上記セパレータが、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等であっても良い。また、上記セパレータの膜厚は、特に限定されるものではなく、一般的なリチウム二次電池に用いられるセパレータの膜厚と同様である。
また、その他の構成要素として、本発明の電池を収納する電池ケースを用いることもできる。電池ケースの形状としては、上述した正極、負極、電解質等を収納できるものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等を挙げることができる。上述したように、電池ケースの全部または一部を電極集電体として用いてもよい。
(Other components)
As another component, a separator can be used for the battery of the present invention. The separator is disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector described above when a plurality of batteries are stacked and used. Usually, the separator includes a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer. It has a function of preventing contact and holding the electrolyte. Furthermore, examples of the material for the separator include resins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, and polyamide. Among them, polyethylene and polypropylene are preferable. The separator may have a single layer structure or a multilayer structure. Examples of the separator having a multilayer structure include a separator having a two-layer structure of PE / PP and a separator having a three-layer structure of PP / PE / PP. Furthermore, in the present invention, the separator may be a nonwoven fabric such as a resin nonwoven fabric or a glass fiber nonwoven fabric. Moreover, the film thickness of the said separator is not specifically limited, It is the same as the film thickness of the separator used for a general lithium secondary battery.
Moreover, the battery case which accommodates the battery of this invention can also be used as another component. The shape of the battery case is not particularly limited as long as it can accommodate the above-described positive electrode, negative electrode, electrolyte, and the like, and specific examples include a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a laminate shape, and the like. be able to. As described above, all or part of the battery case may be used as the electrode current collector.

以下に、本発明の具体的態様を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、これらの実施例によって限定されるものではない。   Specific embodiments of the present invention will be described below in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples unless it exceeds the gist.

1.活物質層の形成
[実施例1]
まず、岩塩型層状構造を有する活物質原料としてφ20×5(mm)LiCoO焼結体を、所定の結晶面を有する基板としてPt{110}基板を、それぞれ用意した。
次に、PLD法を用いて、パルスレーザーをLiCoO焼結体ターゲットに照射することにより、Pt{110}基板上に実施例1の活物質層を形成した。活物質層の詳細な形成条件は以下の通りである。
装置:チャンバー(AOV株式会社製)、KrFエキシマレーザー(248nm)(Coherent GmbH社製)
レーザー:150mJ、10Hz
製膜時間:1時間
酸素分圧:0.025Torr
基板温度:600℃
基板回転速度:30rpm
ターゲット回転速度:60rpm
基板−ターゲット距離:7.5cm
1. Formation of active material layer [Example 1]
First, a φ20 × 5 (mm) LiCoO 2 sintered body was prepared as an active material raw material having a rock salt type layered structure, and a Pt {110} substrate was prepared as a substrate having a predetermined crystal plane.
Next, the active material layer of Example 1 was formed on the Pt {110} substrate by irradiating the LiCoO 2 sintered compact target with a pulse laser using the PLD method. Detailed formation conditions of the active material layer are as follows.
Apparatus: Chamber (manufactured by AOV Co., Ltd.), KrF excimer laser (248 nm) (manufactured by Coherent GmbH)
Laser: 150mJ, 10Hz
Film forming time: 1 hour Oxygen partial pressure: 0.025 Torr
Substrate temperature: 600 ° C
Substrate rotation speed: 30 rpm
Target rotation speed: 60rpm
Substrate-target distance: 7.5cm

[実施例2]
所定の結晶面を有する基板として、Pt{111}基板を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法を用いて、Pt{111}基板上に実施例2の活物質層を形成した。
[Example 2]
The active material layer of Example 2 was formed on the Pt {111} substrate using the same method as in Example 1 except that a Pt {111} substrate was used as the substrate having a predetermined crystal plane.

[比較例1]
活物質原料として、粉末状のLiCoO(戸田工業株式会社製)を用意し、後の構造解析に供した。比較例1においては、活物質層の形成は行わなかった。
[Comparative Example 1]
As an active material raw material, powdered LiCoO 2 (manufactured by Toda Kogyo Co., Ltd.) was prepared and subjected to subsequent structural analysis. In Comparative Example 1, no active material layer was formed.

2.構造解析
実施例1及び実施例2の活物質層、並びに、比較例1の活物質原料について、X線回折法により、格子定数の評価を行った。X線回折測定は、薄膜解析用X線回折装置(株式会社リガク製:ATX−G)を用い、CuKα1(1.5406Å)を光源として用いて行った。
2. Structural analysis The lattice constants of the active material layers of Example 1 and Example 2 and the active material material of Comparative Example 1 were evaluated by the X-ray diffraction method. X-ray diffraction measurement was performed using an X-ray diffractometer for thin film analysis (manufactured by Rigaku Corporation: ATX-G) using CuKα1 (1.5406 mm) as a light source.

下記表1は、X線回折測定により得られた、実施例1及び実施例2の活物質層中の結晶、並びに、比較例1の活物質原料中の結晶の、a軸の値及びc軸の値を比較した表である。なお、ここでいう「a軸の値」とは、a軸に平行な格子定数の値のことであり、「c軸の値」とは、c軸に平行な格子定数の値のことである。
下記表1から分かるように、比較例1に係るa軸の値と、実施例1に係るa軸の値との差、及び、比較例1に係るa軸の値と、実施例2に係るa軸の値との差は、いずれも0.05Å未満の差しかない。しかし、比較例1に係るc軸の値と、実施例1に係るc軸の値との差は0.17Åであり、比較例1に係るc軸の値と、実施例2に係るc軸の値との差は0.07Åであったことから、単結晶基板を用いることによって、活物質中の結晶のc軸の値が有意に変化することが分かる。
また、実施例1に係るc軸の値は比較例1に係るc軸の値よりも小さく、実施例2に係るc軸の値は比較例1に係るc軸の値よりも大きいことが分かる。
Table 1 below shows values of the a-axis and c-axis of the crystals in the active material layers of Example 1 and Example 2 and the crystals in the active material raw material of Comparative Example 1 obtained by X-ray diffraction measurement. It is the table | surface which compared the value of. Here, the “a-axis value” means a lattice constant value parallel to the a-axis, and the “c-axis value” means a lattice constant value parallel to the c-axis. .
As can be seen from Table 1 below, the difference between the a-axis value according to Comparative Example 1 and the a-axis value according to Example 1, the a-axis value according to Comparative Example 1, and the Example 2 Any difference from the a-axis value is less than 0.05 mm. However, the difference between the c-axis value according to Comparative Example 1 and the c-axis value according to Example 1 is 0.17 mm, and the c-axis value according to Comparative Example 1 and the c-axis value according to Example 2 Since the difference from the value was 0.07 cm, it can be seen that the value of the c-axis of the crystal in the active material changes significantly by using a single crystal substrate.
Also, it can be seen that the c-axis value according to Example 1 is smaller than the c-axis value according to Comparative Example 1, and the c-axis value according to Example 2 is larger than the c-axis value according to Comparative Example 1. .

3.リチウムイオン伝導解析
実施例1又は実施例2の活物質層を備えるリチウム二次電池について、ポテンショ/ガルバノスタット(Solartron社製:1286型)を用いて、ポテンシャルステップ法により、充電時のリチウムイオン拡散定数を測定した。
詳細なリチウム二次電池の構成は以下の通りである。
正極:実施例1又は実施例2の活物質層
負極:リチウム金属(本城金属株式会社製)
電解液:1M LiClO/EC−DEC(富山薬品工業株式会社)
セパレータ:ポリオレフィン多孔フィルム(宇部興産株式会社製:ユ−ポアUP3025)
3. Lithium ion conduction analysis About lithium secondary battery provided with the active material layer of Example 1 or Example 2, using a potentio / galvanostat (manufactured by Solartron: Model 1286), lithium ion diffusion during charging by potential step method Constants were measured.
The detailed configuration of the lithium secondary battery is as follows.
Positive electrode: active material layer of Example 1 or Example 2 Negative electrode: lithium metal (manufactured by Honjo Metal Co., Ltd.)
Electrolyte: 1M LiClO 4 / EC-DEC (Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.)
Separator: Polyolefin porous film (manufactured by Ube Industries, Ltd .: UPORE 2530)

図3は、実施例1又は実施例2の活物質層を備えるリチウム二次電池のリチウムイオン拡散定数を測定した結果を示すグラフであり、縦軸にリチウムイオン拡散定数DLi(cm−1)を、横軸に電位E(V)を、それぞれとったグラフである。
図から分かるように、実施例1(黒丸のプロット)のグラフは、実施例2(白丸のプロット)のグラフと比較して、0.02V低い電位において拡散定数のピークが存在している。
FIG. 3 is a graph showing the results of measuring the lithium ion diffusion constant of the lithium secondary battery including the active material layer of Example 1 or Example 2, and the vertical axis represents the lithium ion diffusion constant D Li (cm 2 s − 1 ) is a graph in which the horizontal axis represents potential E (V).
As can be seen, the graph of Example 1 (black circle plot) has a diffusion constant peak at a potential lower by 0.02 V than the graph of Example 2 (white circle plot).

4.実験結果のまとめ
上記表1の結果と、図3の結果を併せて考察すると、活物質結晶のc軸の値が小さい実施例1の活物質層の方が、活物質結晶のc軸の値が大きい実施例2の活物質層よりも、リチウム二次電池に組み込まれた際に、より低電位の充電がしやすいと考えられる。すなわち、活物質結晶のc軸の値を小さくすることで、リチウム二次電池に組み込まれた際に、充電時の抵抗を小さくすることができることが分かる。これとは反対に、活物質結晶のc軸の値を大きくすることで、リチウム二次電池に組み込まれた際に、充電時の抵抗を大きくすることができることが分かる。
4). Summary of Experimental Results Considering the results of Table 1 above and the results of FIG. 3 together, the active material layer of Example 1 having a smaller c-axis value of the active material crystal has a c-axis value of the active material crystal. It is considered that charging at a lower potential is easier when incorporated in a lithium secondary battery than in the active material layer of Example 2 having a large. That is, it can be seen that by reducing the value of the c-axis of the active material crystal, the resistance during charging can be reduced when the active material crystal is incorporated in a lithium secondary battery. On the contrary, it can be seen that by increasing the value of the c-axis of the active material crystal, the resistance during charging can be increased when the active material crystal is incorporated in a lithium secondary battery.

1 真空室
2 レーザー発振器
3 真空ポンプ
4 酸素バルブ
5 ターゲット
6 モーター
7 基板
8 電源
21 正極缶
22 正極活物質層
23 電解質
24 負極活物質層
25 負極キャップ
26 ガスケット
100 製膜装置
200 リチウム二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum chamber 2 Laser oscillator 3 Vacuum pump 4 Oxygen valve 5 Target 6 Motor 7 Board | substrate 8 Power supply 21 Positive electrode can 22 Positive electrode active material layer 23 Electrolyte 24 Negative electrode active material layer 25 Negative electrode cap 26 Gasket 100 Film-forming apparatus 200 Lithium secondary battery

Claims (4)

岩塩型層状構造を有する活物質層を形成する方法であって、
岩塩型層状構造を有する活物質原料を準備する工程、
所定の結晶面を有する基板を準備する工程、並びに、
パルスレーザーデポジション法を用いて、パルスレーザーを前記活物質原料に照射することにより、前記基板の前記結晶面上に、前記活物質原料の格子定数と異なる格子定数を有する活物質結晶を含有する活物質層を形成する工程を有することを特徴とする、活物質層形成方法。
A method of forming an active material layer having a rock salt type layered structure,
Preparing an active material raw material having a rock salt type layered structure;
Preparing a substrate having a predetermined crystal plane, and
By irradiating the active material raw material with a pulse laser using a pulse laser deposition method, the active material crystal contains an active material crystal having a lattice constant different from the lattice constant of the active material raw material on the crystal surface of the substrate. An active material layer forming method comprising a step of forming an active material layer.
岩塩型層状構造を有する前記活物質原料がコバルト酸リチウム(LiCoO)であり、前記所定の結晶面を有する基板がPt{110}基板である、請求項1に記載の活物質層形成方法。 2. The active material layer forming method according to claim 1, wherein the active material material having a rock salt type layered structure is lithium cobaltate (LiCoO 2 ), and the substrate having the predetermined crystal plane is a Pt {110} substrate. 前記請求項1又は2に記載の活物質層形成方法により形成されることを特徴とする、活物質層。   An active material layer formed by the method for forming an active material layer according to claim 1. 少なくとも正極と、負極と、当該正極と当該負極との間に介在する電解質とを備えるリチウム二次電池であって、
前記正極は、少なくとも正極活物質層を備え、当該正極活物質層は、前記請求項1又は2に記載の活物質層形成方法により形成された活物質層であることを特徴とする、リチウム二次電池。
A lithium secondary battery comprising at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode,
The positive electrode includes at least a positive electrode active material layer, and the positive electrode active material layer is an active material layer formed by the active material layer forming method according to claim 1 or 2. Next battery.
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