JP2014017259A - Method of manufacturing negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Method of manufacturing negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing the negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery having improved cycle characteristics, in the negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery having a three-dimensional regular arrangement porous structure (3DOM structure).SOLUTION: On a photoresist film formed on a conductive substrate, multiple micro voids are formed independently from each other. The cavities in the photoresist film are filled with micro particles, and then plating is carried out with a metal being alloyed with lithium. Thereafter, the micro particles and the photoresist film are dissolved and removed thus forming the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery having a micro domain structure (multiple micro island-shaped). The island-shaped electrode has a height of 10-50 μm, a size of 10-30 μm, a width between island-shaped electrodes of 1-50 μm, a porosity of 50-80%, and has a columnar shape preferably.

Description

本発明は、非水電解液系二次電池用負極の製造方法に関し、より詳しくはマイクロドメイン構造(多数の微細な島状の構造)の電極を有する非水電解液系二次電池用負極の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more particularly, to a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery having an electrode having a microdomain structure (many fine island-shaped structures). It relates to a manufacturing method.

現在、携帯電話、ラップトップコンピュータ、カメラ一体型VTRなど携帯型電子機器が広く普及している。近年、これら携帯型電子機器は高性能化により消費電力が増す傾向にあり、それらの電源として用いられるリチウムイオン二次電池の更なる高容量化が期待されている。このようなリチウムイオン二次電池の高容量化を達成するための方法として、電極の高密度化や、電極表面に凹凸を形成することなどにより電極の表面積を大きくすることなど種々の方法が提案されている。   Currently, portable electronic devices such as mobile phones, laptop computers, and camera-integrated VTRs are widely used. In recent years, these portable electronic devices have a tendency to increase power consumption due to higher performance, and further increase in capacity of lithium ion secondary batteries used as power sources thereof is expected. Various methods have been proposed to achieve higher capacities of such lithium ion secondary batteries, such as increasing the electrode surface area and increasing the electrode surface area by forming irregularities on the electrode surface. Has been.

ところで、現在、リチウムイオン二次電池の負極にはグラファイトが用いられている。グラファイトは、リチウムと層間化合物LiC6を形成することで372mAh/gの理論容量を示すが、現在製品化されているリチウムイオン二次電池ではこの理論容量の95%程度を利用しているため、電池の容量をさらに増大させるためには、新規負極材料の開発が必要とされている。 Incidentally, graphite is currently used for a negative electrode of a lithium ion secondary battery. Graphite shows a theoretical capacity of 372 mAh / g by forming an intercalation compound LiC 6 with lithium, but currently used lithium ion secondary batteries use about 95% of this theoretical capacity. In order to further increase the capacity of the battery, it is necessary to develop a new negative electrode material.

グラファイトに変わる負極材料として、リチウムと合金化する金属材料を用いる研究が鋭意行われており、これまでスズ、シリコン、及びこれらを含む材料がリチウムと合金を形成し、372mAh/gより大きい容量が得られることが報告されている。これらの中でも、スズはリチウムと合金化・脱合金化を繰り返すことにより充放電が可能で、993mAh/gという高い理論容量を示すことから、近時、負極材料として注目されている。しかし、スズは合金化の際にLi4.4Snとなるため、その体積が約4倍に膨張する。これが原因となってスズが微粉化し、集電性が低下するため良好なサイクル特性を示さないという問題を有している。これまで、リチウムと反応しない金属を予めスズと合金化させておくことで、充放電の際に起こる体積膨張が抑制され、サイクル特性が向上することが報告されている(非特許文献1参照)。例えばスズ−ニッケル(Sn−Ni)合金負極では、薄膜(〜1.0μm)において良好な充放電容量(600mAh/g)およびサイクル特性(50サイクル後の容量維持率が70%)が確認されている。しかし、単位面積あたりの活物質量を増大させると、容量およびサイクル特性が低下する問題がある。充放電容量が低下する理由としては、電解液−電極活物質界面が平板電極では小さいためであると考えられる。また、サイクル特性が低下する要因として、活物質量の増大に伴い膜厚が増加し、Li+イオンとの合金化・脱合金化にともない活物質が大きく膨張収縮し、その結果として内部応力がより増大するためであると考えられる。これらの問題を解決するため三次元規則配列多孔構造(three dimensionally ordered macroporous structure、以下「3DOM構造」と略記する。)を有するスズ、スズ−ニッケル合金などの電極の検討が行われてきた(例えば、特許文献1参照)。 As a negative electrode material that replaces graphite, research using a metal material that is alloyed with lithium has been conducted intensively. To date, tin, silicon, and materials containing these have formed an alloy with lithium, and have a capacity larger than 372 mAh / g. It has been reported that it can be obtained. Among these, tin can be charged and discharged by repeating alloying / dealloying with lithium, and shows a high theoretical capacity of 993 mAh / g. Therefore, tin has recently attracted attention as a negative electrode material. However, since tin becomes Li 4.4 Sn at the time of alloying, its volume expands about 4 times. This causes a problem that tin is pulverized and the current collecting property is lowered, so that good cycle characteristics are not exhibited. Until now, it has been reported that volume expansion that occurs during charging and discharging is suppressed and cycle characteristics are improved by previously alloying a metal that does not react with lithium with tin (see Non-Patent Document 1). . For example, in a tin-nickel (Sn—Ni) alloy negative electrode, good charge / discharge capacity (600 mAh / g) and cycle characteristics (capacity maintenance ratio after 50 cycles are 70%) are confirmed in a thin film (up to 1.0 μm). Yes. However, when the amount of the active material per unit area is increased, there is a problem that capacity and cycle characteristics are deteriorated. The reason why the charge / discharge capacity decreases is considered to be that the interface between the electrolytic solution and the electrode active material is small in the plate electrode. In addition, as a factor that degrades the cycle characteristics, the film thickness increases as the amount of active material increases, and the active material greatly expands and contracts as a result of alloying / dealloying with Li + ions, resulting in internal stress. This is considered to increase. In order to solve these problems, studies have been made on electrodes such as tin and tin-nickel alloys having a three-dimensionally ordered macrostructure (hereinafter abbreviated as “3DOM structure”) (eg, a three-dimensionally ordered macrostructure). , See Patent Document 1).

図5に、従来公知の3DOM構造を有するスズあるいはSn−Ni合金電極のチャージ前およびチャージ中の概念図を示す。図中左はチャージ前の多孔質電極、右側はチャージ中の多孔質電極を示す。例えば、3DOM構造のスズあるいはSn−Ni合金電極は、電極内部に規則配列した連通する空孔が存在しており、電極の膜厚が増大しても、電解液が電極内部に浸透することが可能である。また、活物質が最も厚くなる部分は3DOM構造の空孔を形成するフレーム部の厚みとなるため、活物質の最大膜厚を薄膜と同程度に維持したまま、単位面積当たりの活物質を増加させることが出来る。さらに、スズとリチウムの合金化による体積膨張が起きても、電極内部に多数存在する孔が内部応力を分散させて電極の劣化を抑制出来る。孔内部方向に堆積膨張が起こるのであれば見かけの体積変化も抑制することとなる。   FIG. 5 shows a conceptual diagram of a tin or Sn—Ni alloy electrode having a conventionally known 3DOM structure before and during charging. In the figure, the left shows the porous electrode before charging, and the right shows the porous electrode during charging. For example, a tin or Sn—Ni alloy electrode having a 3 DOM structure has regularly arranged vacancies inside the electrode, and the electrolyte can penetrate into the electrode even when the electrode film thickness increases. Is possible. In addition, the thickest part of the active material is the thickness of the frame that forms the pores of the 3DOM structure, so the active material per unit area is increased while maintaining the maximum thickness of the active material at the same level as the thin film. It can be made. Furthermore, even if volume expansion occurs due to alloying of tin and lithium, a large number of holes in the electrode can disperse internal stress and suppress deterioration of the electrode. If the deposition expansion occurs in the hole internal direction, the apparent volume change is also suppressed.

このような3DOM構造を有するスズ(Sn)あるいはスズ−ニッケル(Sn−Ni)合金電極は、コロイド結晶鋳型法(colloidal crystal templating method)を用いて容易に作製することができ、鋳型となるコロイド粒子のサイズを選ぶことにより、空孔の大きさを制御することが可能である(特許文献1参照)。コロイド結晶鋳型法で形成された3DOM構造を有するSn−Ni合金電極の走査型電子顕微鏡(SEM)写真を、図6(a)に示す。また、この合金電極の充放電曲線を図6(b)に示す。図6(b)から、約0.5 V vs. Li/LiにおいてLiの合金・脱合金化(Liの挿入・脱離反応)による電位平坦部が確認され、放電容量は約370mAh/gを示した。このことより、3DOM構造を有するSn−Ni合金電極はリチウムイオン二次電池用電極として利用可能であることが示唆された(非特許文献2参照)。 Such a tin (Sn) or tin-nickel (Sn—Ni) alloy electrode having a 3DOM structure can be easily produced by using a colloidal crystal templating method, and a colloidal particle as a template. By selecting the size, it is possible to control the size of the holes (see Patent Document 1). A scanning electron microscope (SEM) photograph of an Sn—Ni alloy electrode having a 3DOM structure formed by a colloidal crystal template method is shown in FIG. Moreover, the charging / discharging curve of this alloy electrode is shown in FIG.6 (b). From FIG. 6 (b), about 0.5 V vs. In Li / Li + , a potential flat portion due to alloying / dealloying of Li (insertion / desorption reaction of Li) was confirmed, and the discharge capacity was about 370 mAh / g. This suggests that the Sn—Ni alloy electrode having a 3DOM structure can be used as an electrode for a lithium ion secondary battery (see Non-Patent Document 2).

特開2006−260886号公報JP 2006-260886 A H.Mukaibo,T.Momma,M.Mohamedi,T.Osaka,Journal of the Electrochemical Society,152(2005) pp.A560−A565H. Mukaibo, T .; Momma, M .; Mohamedi, T .; Osaka, Journal of the Electrochemical Society, 152 (2005) pp. A560-A565 F.Ke,L.Huang,H.Jiang,H.Wei,F.Yang,S.Sun,Electrochemistry Communications,9(2007) pp.228−232F. Ke, L .; Huang, H .; Jiang, H .; Wei, F .; Yang, S .; Sun, Electrochemistry Communications, 9 (2007) pp. 228-232

このように、従来非水電解液系二次電池用負極を構成する金属あるいは合金の構造を制御することで、負極金属または負極合金の膨張・収縮に伴う電極の形状変化を最小限にし、高い電極容量を維持し、かつ高いサイクル特性を有する電極を作製することが試みられているが、3DOM構造を有するスズあるいはSn−Ni合金電極を用いた場合にもサイクル特性が十分といえるものではない。   Thus, by controlling the structure of the metal or alloy that constitutes the negative electrode for a conventional non-aqueous electrolyte secondary battery, the shape change of the electrode accompanying the expansion / contraction of the negative electrode metal or the negative electrode alloy is minimized and high. Attempts have been made to produce electrodes having high cycle characteristics while maintaining electrode capacity, but cycle characteristics are not sufficient even when tin or Sn-Ni alloy electrodes having a 3DOM structure are used. .

図7に、平板状のSn−Ni電極および1.0μmの空孔を有する3DOM構造を有するSn−Ni合金電極のサイクル特性を示す。図7に示されるように、平板状Sn−Ni電極および3DOM構造Sn−Ni合金電極のいずれの電極においても、当初においてはサイクルを重ねるごとに容量が増大していく傾向が見られたが、平板状電極では14サイクル以降で、一方、3DOM構造Sn−Ni合金電極においては35サイクル以降で容量の低下を示した。これら電極における容量の増大は、電極がひび割れることで界面が増大し、それまで利用されていなかった活物質が利用されることによると考えられる。また、3DOM構造Sn−Ni合金電極のサイクル特性が平板状Sn−Ni合金電極のサイクル特性に比べ優れているのは、電極内部に多数存在する空孔が、体積膨張による応力を分散させ、活物質の微粉化を抑制したことによるものと考えられる。一方、図8に、平板状Sn−Ni合金電極および3DOM構造Sn−Ni合金電極の100サイクル後のSEM写真を示すが、平板状および3DOM構造Sn−Ni合金電極の容量の低下は、平板状Sn−Ni合金電極および3DOM構造Sn−Ni合金電極のいずれも、充放電の際に起こる体積変化により電極にクラックが発生し、約30μm程度のブロックに分断されたためであると考えられる。   FIG. 7 shows the cycle characteristics of a Sn—Ni alloy electrode having a plate-like Sn—Ni electrode and a 3DOM structure having 1.0 μm pores. As shown in FIG. 7, in both the flat Sn—Ni electrode and the 3DOM structure Sn—Ni alloy electrode, initially, the capacity tended to increase with each cycle, In the flat electrode, the capacity decreased after 14 cycles, while in the 3DOM structure Sn—Ni alloy electrode, the capacity decreased after 35 cycles. The increase in the capacity of these electrodes is considered to be due to the fact that the interface is increased by cracking the electrodes, and an active material that has not been used before is used. In addition, the cycle characteristics of the 3DOM structure Sn—Ni alloy electrode are superior to those of the flat Sn—Ni alloy electrode. The many holes in the electrode disperse the stress due to volume expansion, and This is thought to be due to the suppression of pulverization of the substance. On the other hand, FIG. 8 shows an SEM photograph after 100 cycles of the flat Sn—Ni alloy electrode and the 3DOM structure Sn—Ni alloy electrode. The decrease in capacity of the flat plate and 3DOM structure Sn—Ni alloy electrode It is thought that both the Sn—Ni alloy electrode and the 3DOM structure Sn—Ni alloy electrode were cracked in the electrode due to the volume change that occurred during charging and discharging and were divided into blocks of about 30 μm.

このように、3DOM構造を有するSn−Ni合金電極においては、SnとLiが合金化することによる体積膨張が起きても、電極内の微小な孔が内部応力を分散させて電極の劣化を抑制することができるものの、Liの合金・脱合金化反応がある一定以上繰り返された場合は、容量の低下を防ぎきれない。   As described above, in the Sn—Ni alloy electrode having the 3DOM structure, even if volume expansion occurs due to alloying of Sn and Li, minute holes in the electrode disperse internal stress and suppress deterioration of the electrode. However, when the Li alloy / dealloying reaction is repeated more than a certain amount, the capacity cannot be prevented from decreasing.

本発明の目的は、非水電解液系二次電池用負電極において、サイクル特性の向上した負電極を製造する方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for producing a negative electrode with improved cycle characteristics in a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行ったところ、3DOM構造を有する金属電極を、当初から微細な大きさを有する島状構造、すなわちマイクロドメイン構造としておくことにより、サイクル特性の向上した負極を得ることが出来ること、このような3DOM構造のマイクロドメイン構造を有する負極が、フォトレジスト基板、コロイド結晶鋳型法とめっき法を組み合わせることにより容易に製造できることを見出し、この知見に基づいて本発明をなしたものである。   The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above-mentioned problems, and by setting a metal electrode having a 3DOM structure to an island-like structure having a fine size from the beginning, that is, a microdomain structure, the cycle characteristics can be obtained. It has been found that a negative electrode having an improved resistance can be obtained, and that a negative electrode having a microdomain structure having such a 3DOM structure can be easily manufactured by combining a photoresist substrate, a colloidal crystal template method and a plating method. The present invention is based on this.

すなわち、本発明は、(1)導電性基板上のフォトレジスト膜に、各々独立した多数の微細な空所を形成する工程、(2)前記フォトレジスト膜の空所に微細粒子を充填する工程、(3)前記微細粒子が充填された基板をリチウムと合金化する金属によりめっきする工程、および(4)前記微細粒子およびフォトレジスト膜を除去する工程を有することを特徴とする非水電解液系二次電池用負極の製造方法に関する。   That is, the present invention includes (1) a step of forming a large number of independent fine voids in a photoresist film on a conductive substrate, and (2) a step of filling fine particles in the voids of the photoresist film. And (3) a step of plating the substrate filled with the fine particles with a metal alloying with lithium, and (4) a step of removing the fine particles and the photoresist film. The present invention relates to a method for producing a negative electrode for a secondary battery.

また本発明は、上記非水電解液系二次電池用負極の製造方法において、前記微細な空所の形状が、直径が10〜30μm、深さが10〜50μmの円筒形状であり、円筒のピッチが1〜50μmの規則的な配列とされていることを特徴とする非水電解液系二次電池用負極の製造方法に関する。   In the method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the fine void has a cylindrical shape having a diameter of 10 to 30 μm and a depth of 10 to 50 μm. The present invention relates to a method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the pitch is a regular arrangement of 1 to 50 μm.

また本発明は、上記非水電解液系二次電池用負極の製造方法において、前記微細粒子が粒径0.1〜5μmのポリマーからなり、該ポリマーの除去がポリマーを溶剤に溶解することにより行われることを特徴とする非水電解液系二次電池用負極の製造方法に関する。   The present invention also provides the method for producing a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery, wherein the fine particles are made of a polymer having a particle size of 0.1 to 5 μm, and the removal of the polymer dissolves the polymer in a solvent. The present invention relates to a method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery.

また本発明は、上記非水電解液系二次電池用負極の製造方法において、前記充填されたポリマーがめっき工程の前に熱溶着されることを特徴とする非水電解液系二次電池用負極の製造方法に関する。   The present invention also provides a method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the filled polymer is thermally welded before the plating step. The present invention relates to a method for producing a negative electrode.

また本発明は、上記非水電解液系二次電池用負極の製造方法において、前記めっき処理は基板をめっき浴に浸漬し、スズまたはスズ−ニッケル合金がめっきされることを特徴とする非水電解液系二次電池用負極の製造方法に関する。   Further, the present invention provides the above-described method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the plating is performed by immersing the substrate in a plating bath and plating with tin or a tin-nickel alloy. The present invention relates to a method for producing a negative electrode for an electrolyte-based secondary battery.

本発明の製造方法により製造された、リチウムと合金化する金属製の多数の微細な多孔質体電極を有する(マイクロドメイン構造を有する)負極は、リチウムイオン二次電池に使用した場合、従来の黒鉛負極の理論充放電容量372mAh/g以上の充放電容量を有し、電子デバイスに搭載できる小型軽量化が可能な高出力リチウムイオン二次電池を提供することができる。また、本発明の製造方法により製造された、リチウムと合金化する金属製の多孔質負極は、繰り返し充放電を行った際の負極多孔金属の割れに基づく特性の低下を防ぐことができることから、繰り返し充放電を行っても安定に動作する。このため、本発明の製造方法により製造された、負極を用いたリチウムイオン二次電池は、長寿命で高出力が安定的に実現できるという優れた効果を有している。   The negative electrode having a large number of fine porous electrodes made of metal alloying with lithium (having a microdomain structure) manufactured by the manufacturing method of the present invention is used in a conventional lithium ion secondary battery. It is possible to provide a high-power lithium-ion secondary battery that has a theoretical charge / discharge capacity of 372 mAh / g or more of a graphite negative electrode and can be mounted on an electronic device and can be reduced in size and weight. In addition, the metal porous negative electrode that is alloyed with lithium manufactured by the manufacturing method of the present invention can prevent deterioration in characteristics due to cracking of the negative electrode porous metal when repeatedly charged and discharged. Stable operation even after repeated charge and discharge. For this reason, the lithium ion secondary battery using the negative electrode manufactured by the manufacturing method of this invention has the outstanding effect that high output can be stably implement | achieved long life.

図面代用写真であり、本発明の製造方法により製造された非水電解液系二次電池用負極の一具体例のSEM写真である。(a)〜(c)は倍率を変えて撮影した負極の平面SEM写真であり、(d)〜(f)は倍率を変えて撮影した負極の斜め方向からのSEM写真である。It is a drawing substitute photograph, and is a SEM photograph of a specific example of a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery manufactured by the manufacturing method of the present invention. (A)-(c) is the plane SEM photograph of the negative electrode image | photographed changing magnification, (d)-(f) is the SEM photograph from the diagonal direction of the negative electrode image | photographed changing magnification. 本発明の負極の製造方法を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the manufacturing method of the negative electrode of this invention. 実施例の負極の定電流密度条件下(0.2mA/cm2)における5サイクル分の充放電曲線図である。It is a charging / discharging curve figure for 5 cycles in the constant current density conditions (0.2 mA / cm < 2 >) of the negative electrode of an Example. 実施例の負極における放電電流密度を変えたときの容量変化を示す図である。It is a figure which shows a capacity | capacitance change when the discharge current density in the negative electrode of an Example is changed. 三次元規則配列多孔構造を有するスズあるいはSn−Ni合金電極の概念図である。It is a conceptual diagram of the tin or Sn-Ni alloy electrode which has a three-dimensional regular arrangement | sequence porous structure. (a)は図面代用写真であり、コロイド結晶鋳型法で形成された三次元規則配列多孔構造を有するSn−Ni合金電極のSEM写真であり、(b)はこの電極の充放電曲線図である。(A) is a drawing-substituting photograph, and is a SEM photograph of a Sn—Ni alloy electrode having a three-dimensional ordered array porous structure formed by a colloidal crystal template method, and (b) is a charge / discharge curve diagram of this electrode. . マイクロドメイン構造を有するMPC Sn−Ni合金電極、コロイド結晶鋳型法で形成された三次元規則配列多孔構造を有するSn−Ni合金電極および平板状Sn−Ni電極のサイクル特性図である。FIG. 5 is a cycle characteristic diagram of an MPC Sn—Ni alloy electrode having a microdomain structure, a Sn—Ni alloy electrode having a three-dimensional ordered array porous structure formed by a colloidal crystal template method, and a plate-like Sn—Ni electrode. 図面代用写真であり、コロイド結晶鋳型法で形成された三次元規則配列多孔構造を有するSn−Ni合金電極および平板状Sn−Ni電極に発生したクラックを示す走査型電子顕微鏡写真である。It is a drawing-substitute photograph, and is a scanning electron micrograph showing cracks generated in a Sn—Ni alloy electrode having a three-dimensional ordered array porous structure and a flat Sn—Ni electrode formed by a colloidal crystal template method.

本発明は、上記したように、(1)〜(4)の工程により、導電性基板上に、リチウムと合金化する金属の多孔質体からなる微細な多数の島状電極を有するマイクロドメイン構造の非水電解液系二次電池用負極を製造する方法に関する。   As described above, the present invention provides a microdomain structure having a large number of fine island-like electrodes made of a porous metal body alloyed with lithium on a conductive substrate by the steps (1) to (4). The present invention relates to a method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery.

先ず、本発明の製造方法により製造される、導電性基板上にリチウムと合金化する金属の多孔質体からなる微細な多数の島状電極を有するマイクロドメイン構造の非水電解液系二次電池用負極の構造および材質について、図1を参照して説明する。   First, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a microdomain structure having a large number of fine island-like electrodes made of a metal porous body alloyed with lithium on a conductive substrate manufactured by the manufacturing method of the present invention The structure and material of the negative electrode will be described with reference to FIG.

図1は、本発明の製造方法により製造された、非水電解液系二次電池用負極の一具体例を示すSEM写真であり、(a)〜(c)は倍率を変えて撮影した負極の平面写真であり、(d)〜(f)は倍率を変えて撮影した負極の斜め方向からの写真である。図1の(a)〜(f)のSEM写真から明らかなように、本発明の製造方法により製造された非水電解液系二次電池用負極は、導電性基板上に、マイクロドメイン構造を有するリチウムと合金化する金属の多孔質体の島状電極が形成されている。図1の例においては、島状電極は、直径20μm、高さ30μmの円柱形状で、X軸方向、Y軸方向のいずれのピッチも30μmとされている。   FIG. 1 is an SEM photograph showing a specific example of a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery manufactured by the manufacturing method of the present invention. (A) to (c) are negative electrodes taken at different magnifications. (D) to (f) are photographs taken from an oblique direction of the negative electrode taken at different magnifications. As is clear from the SEM photographs of FIGS. 1A to 1F, the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery manufactured by the manufacturing method of the present invention has a microdomain structure on a conductive substrate. A porous island-shaped electrode made of a metal alloyed with lithium is formed. In the example of FIG. 1, the island-like electrode has a cylindrical shape with a diameter of 20 μm and a height of 30 μm, and the pitch in both the X-axis direction and the Y-axis direction is 30 μm.

まず、本発明の製造方法により製造される非水電解液系二次電池用負極の基板としては、導電性基板が用いられる。図1の例においては、銅(Cu)基板が用いられている。しかし、導電性基板を構成する導電材料は銅に限られるものでなく、導電性を有する材料であれば公知のものの何れのものをも使用することができるが、導電性基板材料としては、リチウムと合金を形成しない材料が好ましい。このような好ましい材料としては、前記の銅のほか、ニッケル、ステンレスなどが挙げられる。その中でも銅が取り扱いの点および価格の点から、好ましい。また、導電性基板の形状は、板状あるいは箔状のものが実用的である。導電性基板は、基板全体が導電性材料から構成されていてもよく、非導電性基板の表面に導電性材料からなる層が形成されているものでもよい。   First, a conductive substrate is used as the substrate of the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery manufactured by the manufacturing method of the present invention. In the example of FIG. 1, a copper (Cu) substrate is used. However, the conductive material constituting the conductive substrate is not limited to copper, and any known material can be used as long as it has conductivity. The material which does not form an alloy with is preferable. Examples of such a preferable material include nickel, stainless steel and the like in addition to the copper. Among these, copper is preferable from the viewpoint of handling and price. The shape of the conductive substrate is practically plate-shaped or foil-shaped. As for the conductive substrate, the whole substrate may be made of a conductive material, or a layer made of a conductive material may be formed on the surface of a non-conductive substrate.

島状電極の材質としては、本発明においてはスズまたはスズを含む合金が好ましい材料であるが、リチウムと合金化する金属としては、他に、アルミニウム(Al)、アルミニウム−硅素(Al−Si)合金、アルミニウム−銅(Al−Cu)合金、アルミニウム−硅素−銅(Al−Si−Cu)合金、アルミニウム−硅素−チタン(Al−Si−Ti)合金などのアルミニウム合金、マグネシウム(Mg)、珪素(Si)、ジルコニウム(Zr)、クロム(Cr)、金(Au)、白金(Pt)などが用いられてもよい。スズ合金としてはスズ−ニッケル合金が好ましいものであるが、他に鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、ニッケル−銅(Ni−Cu)合金、ニッケル−リン(Ni−P)合金、ニッケル−コバルト(Ni−Co)合金、ニッケル−亜鉛(Ni−Zn)合金、亜鉛−鉄(Zn−Fe)合金、銅−鉛(Cu−Pb)合金、ニッケル−モリブデン(Ni−Mo)合金、ニッケル−タングステン(Ni−W)合金、ニッケル−コバルト(Ni−Co)合金、ニッケル−コバルト−リン(Ni−Co−P)合金、ニッケル−パラジウム(Ni−Pd)合金などの合金であってもよい。スズ合金におけるスズの含有量としては、例えば5wt%〜99.995wt%の範囲内のものが好ましい。リチウムと合金化する金属の多孔質体の気孔率は、電極の機械的強度などを考慮して所望に設定すればよく、例えば50〜80%に設定すればよい。また、気孔は連通していることが必要とされる。各気孔(空孔)の大きさは、気孔率、電極の機械的強度などを考慮して決定されるが、通常0.05〜5μm程度とされる。   As the material of the island-shaped electrode, tin or an alloy containing tin is a preferable material in the present invention. However, as the metal alloyed with lithium, aluminum (Al), aluminum-silicon (Al-Si) can be used. Alloy, aluminum alloy such as aluminum-copper (Al-Cu) alloy, aluminum-silicon-copper (Al-Si-Cu) alloy, aluminum-silicon-titanium (Al-Si-Ti) alloy, magnesium (Mg), silicon (Si), zirconium (Zr), chromium (Cr), gold (Au), platinum (Pt), or the like may be used. Tin-nickel alloy is preferable as the tin alloy, but iron (Fe), copper (Cu), manganese (Mn), cobalt (Co), lead (Pb), antimony (Sb), zinc (Zn) ), Molybdenum (Mo), nickel-copper (Ni-Cu) alloy, nickel-phosphorus (Ni-P) alloy, nickel-cobalt (Ni-Co) alloy, nickel-zinc (Ni-Zn) alloy, zinc-iron (Zn-Fe) alloy, copper-lead (Cu-Pb) alloy, nickel-molybdenum (Ni-Mo) alloy, nickel-tungsten (Ni-W) alloy, nickel-cobalt (Ni-Co) alloy, nickel-cobalt -An alloy such as a phosphorus (Ni-Co-P) alloy or a nickel-palladium (Ni-Pd) alloy may be used. As content of tin in a tin alloy, the thing in the range of 5 wt%-99.995 wt% is preferable, for example. The porosity of the metal porous body alloyed with lithium may be set as desired in consideration of the mechanical strength of the electrode, for example, 50 to 80%. Further, the pores are required to communicate with each other. The size of each pore (hole) is determined in consideration of the porosity, the mechanical strength of the electrode, and the like, but is usually about 0.05 to 5 μm.

また、島状電極の形状、大きさ(最大幅)、および高さは、図1の電極では直径20μm、高さ30μmの円柱状とされているが、本発明のマイクロドメイン構造の電極の形状、大きさ(径)、および高さはこれに限られるものではなく、本発明の目的を達成しうる限りどのようなものであってもよい。例えば、形状としては、前記円の他、四角、三角、五角形以上の多角形であってもよいし、細長い形状をしたもの、さらには不定形であってもよい。また、電極の平面の大きさ(最大幅)は、3DOM構造とした際に繰り返し充放電を行った場合に、電極に割れがあまり生じない程度の大きさとされればよく、体積膨張による内部応力を安定に分散させるには、一般的には100μm程度以下、より好ましくは50μm程度以下、さらに好ましくは30μm程度以下とすることが望ましい。先に述べたように3DOM構造の負極を用いて繰り返し充放電を行った場合に、3DOM構造の負極が30μm程度のブロックに分断され、これによりリチウムイオン二次電池の特性が低下することが見出されているが、電極の最大幅を100μm程度以下とした際には、特性の低下はそれほど大きくなることはない。最小幅は、電極を多孔性電極とする必要があること、作製の容易性、導電性基板との密着性などの観点から、一般的には5μm程度以上、より好ましくは10μm程度以上とすることが好ましい。また、電極の高さ(厚み)は任意でよく、携帯電話用の電源として使用するには、通常10μm以上とされる。多孔性電極間の大きさは、充電時に多孔質膜が体積膨張した際に、隣接する島状電極に物理的な悪影響を与えない程度の大きさとされればよく、多孔質体の気孔率、気孔の大きさ、島状電極の大きさなど種々の要因に影響されることから特に限定されるものではないが、一般的には1μm程度以上、より好ましくは5μm程度以上あれば十分である。さらに、島状電極の配列はどのような配列であってもかまわないが、作製上の点から、規則的な配列とされることが好ましい。なお、多孔性金属の形状としては、電極が膨張した際ストレスが均一に分散されることから、円形が好ましいもの考えられる。またその大きさは直径10〜50μm、高さ10〜100μm程度であることが好ましく、円形がX軸方向、Y軸方向に一定のピッチで、電極−電極間の幅が1μm程度以上とされることが好ましい。また、隣接する電極のラインと半ピッチずれているようなものも好ましいものとして挙げられる。   Further, the shape, size (maximum width), and height of the island-shaped electrode are cylindrical with a diameter of 20 μm and a height of 30 μm in the electrode of FIG. The size (diameter) and the height are not limited to this, and may be any as long as the object of the present invention can be achieved. For example, in addition to the circle, the shape may be a square, triangle, pentagon or more polygon, an elongated shape, or an indefinite shape. The plane size (maximum width) of the electrode may be such that the electrode is not cracked so much when repeated charging and discharging are performed in the 3DOM structure. In order to disperse stably, it is generally desirable that the thickness be about 100 μm or less, more preferably about 50 μm or less, and still more preferably about 30 μm or less. As described above, when charging and discharging are repeatedly performed using a negative electrode having a 3 DOM structure, the negative electrode having a 3 DOM structure is divided into blocks of about 30 μm, thereby reducing the characteristics of the lithium ion secondary battery. However, when the maximum width of the electrode is about 100 μm or less, the deterioration of the characteristics does not become so great. The minimum width is generally about 5 μm or more, more preferably about 10 μm or more, from the viewpoints that the electrode needs to be a porous electrode, ease of production, adhesion to a conductive substrate, and the like. Is preferred. Further, the height (thickness) of the electrode may be arbitrary, and is usually 10 μm or more for use as a power source for a mobile phone. The size between the porous electrodes may be a size that does not have a physical adverse effect on the adjacent island-shaped electrode when the porous membrane expands during charging, and the porosity of the porous body, Although it is not particularly limited because it is affected by various factors such as the size of the pores and the size of the island electrodes, it is generally about 1 μm or more, more preferably about 5 μm or more. Furthermore, the arrangement of the island electrodes may be any arrangement, but is preferably a regular arrangement from the viewpoint of production. As the shape of the porous metal, a circular shape is preferable because stress is uniformly dispersed when the electrode expands. Further, the size is preferably about 10 to 50 μm in diameter and about 10 to 100 μm in height. The circular shape has a constant pitch in the X-axis direction and the Y-axis direction, and the width between the electrodes is about 1 μm or more. It is preferable. Moreover, the thing which has shifted | deviated by a half pitch with the line of an adjacent electrode is also mentioned as a preferable thing.

以上、本発明の製造方法により製造される負極について説明したが、以下では、前記本発明の負極の製造方法を、図2を参照しつつ説明する。しかし、以下に説明される負極の製造方法は、本発明の負極を製造する方法の一つの方法を説明するにすぎないもので、本発明の負極の製造方法が以下のものに限定されるものではない。   The negative electrode manufactured by the manufacturing method of the present invention has been described above. Hereinafter, the negative electrode manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIG. However, the method for producing a negative electrode described below is only one method for producing the negative electrode of the present invention, and the method for producing the negative electrode of the present invention is limited to the following. is not.

図2は、図1に示した負極の製造方法を概略的に示したものであり、図2(a)は、シリコン上に設けられた銅層導電性基板上のレジスト膜に20μm径の円筒状凹部が形成された状態を示す模式図である。図2(a)においては、導電性基板はシリコン上に設けられた銅層からなっている。また、図2(b)は、この円筒状凹部を有するレジスト膜を用いて、本発明の負極を製造する方法を説明する模式図である。   FIG. 2 schematically shows a method of manufacturing the negative electrode shown in FIG. 1, and FIG. 2 (a) shows a 20 μm diameter cylinder formed on a resist film on a copper layer conductive substrate provided on silicon. It is a schematic diagram which shows the state in which the concave-shaped recessed part was formed. In FIG. 2A, the conductive substrate is made of a copper layer provided on silicon. Moreover, FIG.2 (b) is a schematic diagram explaining the method to manufacture the negative electrode of this invention using the resist film which has this cylindrical recessed part.

まず、図2(a)に示されるレジスト膜中の円筒状凹部は、次のようにして形成される。すなわち、板状あるいは箔状の導電性基板上に感光性樹脂を塗布し、フォトレジスト膜を形成する。前記導電性基板材料としては、前記したように、導電性を有する材料であれば公知のものの何れであってもよいが、リチウムと合金を形成しない材料、例えば銅、ニッケル、ステンレスなどが好ましい。   First, the cylindrical recess in the resist film shown in FIG. 2A is formed as follows. That is, a photosensitive resin is applied on a plate-like or foil-like conductive substrate to form a photoresist film. As described above, the conductive substrate material may be any known material as long as it has conductivity. However, a material that does not form an alloy with lithium, such as copper, nickel, and stainless steel, is preferable.

フォトレジストとしては、露光部が現像液に溶けてパターニングが行われるポジ型フォトレジストと非露光部が現像液に溶けてパターニングが行われるネガ型フォトレジストがあるが、めっき工程後のレジスト膜の剥離のしやすさを考えると、ノボラック樹脂とナフトキノンジアジド感光剤を含む感光性樹脂組成物などのポジ型フォトレジストが好ましい。フォトレジスト膜の膜厚は、所望される島状の多孔性金属電極の厚さに応じた厚さとされればよい。厚さは島の大きさによっても異なり、通常乾燥膜厚で10〜100μm程度とされるが、これより厚くても薄くてもかまわない。   There are two types of photoresists: positive photoresists in which the exposed part is dissolved in the developer and patterning is performed, and negative photoresists in which the non-exposed part is dissolved in the developer and patterning is performed. In view of ease of peeling, a positive photoresist such as a photosensitive resin composition containing a novolak resin and a naphthoquinone diazide photosensitive agent is preferable. The film thickness of the photoresist film may be a thickness corresponding to the desired thickness of the island-shaped porous metal electrode. The thickness varies depending on the size of the island and is usually about 10 to 100 μm in dry film thickness, but it may be thicker or thinner than this.

次いで、フォトレジスト膜を所望のパターンの形成された原稿(レチクル)を通して露光した後現像し、ポジ型フォトレジストである場合には、露光箇所のレジストを導電性基板まで全て除去し、多孔性金属電極を形成する箇所が凹部とされたレジストパターンを形成する。ポジ型フォトレジストが用いられる場合、光の当たった場所のレジスト膜が現像で除去されることから、原稿としては、多数の微細な島状のパターンが光透過部(透明)となった原稿が用いられる。なお、ネガ型フォトレジストを用いる場合には、島状パターン部が光不透過部となった原稿が用いられる。前記したように、島の形状は任意でよいが、例えば図1のような円柱状の電極を形成する際には、多数の微細円形パターンを有する原稿が用いられる。露光に用いられる光源は、使用される感光性樹脂の感光領域に応じ選択すればよい。通常、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプなどの紫外線露光装置による紫外線露光で十分な解像度を得ることが出来るが、必要であればKrFあるいはArFエキシマレーザ光などの遠紫外線、X線、電子線が用いられてもよい。   Next, the photoresist film is exposed through a document (reticle) on which a desired pattern is formed, and then developed. If the photoresist film is a positive type photoresist, the exposed resist is completely removed up to the conductive substrate, and the porous metal is removed. A resist pattern is formed in which a portion where the electrode is formed is a recess. When a positive type photoresist is used, the resist film at the place where the light is applied is removed by development. Therefore, as a document, a document in which a large number of fine island-shaped patterns become light transmitting portions (transparent) is used. Used. In the case of using a negative photoresist, a document in which the island pattern portion is a light opaque portion is used. As described above, the shape of the island may be arbitrary. However, when a cylindrical electrode as shown in FIG. 1 is formed, for example, a document having a large number of fine circular patterns is used. What is necessary is just to select the light source used for exposure according to the photosensitive area | region of the photosensitive resin to be used. Usually, sufficient resolution can be obtained by ultraviolet exposure using an ultraviolet exposure apparatus such as a high-pressure mercury lamp or a metal halide lamp, but if necessary, far ultraviolet rays such as KrF or ArF excimer laser light, X-rays, and electron beams are used. May be.

こうして形成されたレジスト膜の凹部に、図2(c)に示すように、ポリスチレンやPMMA(ポリメチルメタクリレート)などの高分子の微粒子を堆積する。この高分子微粒子の粒径によって、得られる多孔体(多孔質体)の孔径を制御することが可能である。高分子の粒子としては、島状電極が多孔質とされる大きさであればよく、特に限定されるものではないが、個々の島状電極の大きさが5〜100μm程度の大きさとされること、およびリチウムとの合金化による体積変化の吸収、緩和能などを考慮すると、0.05〜5μm程度のものを用いることが好ましいが、微粒子の大きさが前記大きさに特に限定されるわけではない。前記高分子の微粒子を導電性基板上に堆積する方法としては、電気泳動を用いることができる。また、微粒子の懸濁液を導電性基板上で乾燥させることによって堆積することもできる。微粒子の堆積量は、少なくともレジスト膜の孔を満たす量であることが好ましい。前記のようにして高分子粒子を導電性基板上に堆積した後、用いた高分子材料のガラス転移点温度以上の温度で、融点あるいは軟化点温度以下の温度、例えばポリスチレンの場合80〜120℃程度で熱処理を行うことにより、高分子粒子の粒子間を融着してもよい。この熱処理を行うことにより、次いで行われるめっき処理の際にめっき浴に基板を浸漬したときおよびめっき中、粒子が固定された状態になる。また、粒子の充填は、導電性基板上で最密充填構造をとるようにすることが好ましい。粒子が導電性基板上で規則配列構造をしていると、最終的に得られる多孔構造も規則配列構造を持つことになる。   As shown in FIG. 2C, polymer fine particles such as polystyrene and PMMA (polymethyl methacrylate) are deposited in the recesses of the resist film thus formed. The pore diameter of the obtained porous body (porous body) can be controlled by the particle diameter of the polymer fine particles. The size of the polymer particles is not particularly limited as long as the size of the island-shaped electrode is porous, and the size of each island-shaped electrode is about 5 to 100 μm. In view of this, and absorption of volume change due to alloying with lithium, relaxation ability, etc., it is preferable to use a material having a size of about 0.05 to 5 μm, but the size of the fine particles is particularly limited to the above size is not. Electrophoresis can be used as a method for depositing the polymer fine particles on the conductive substrate. Alternatively, the fine particle suspension can be deposited by drying on a conductive substrate. The amount of fine particles deposited is preferably an amount that fills at least the holes of the resist film. After the polymer particles are deposited on the conductive substrate as described above, the temperature is equal to or higher than the glass transition temperature of the used polymer material and is equal to or lower than the melting point or softening temperature, for example, 80 to 120 ° C. in the case of polystyrene. The particles of the polymer particles may be fused by performing heat treatment at a degree. By performing this heat treatment, the particles are fixed when the substrate is immersed in a plating bath during the subsequent plating treatment and during plating. Moreover, it is preferable that the particles are filled in a close-packed structure on the conductive substrate. If the particles have a regular array structure on the conductive substrate, the finally obtained porous structure also has a regular array structure.

その後、図2(d)に示すように、島状の電極を構成するリチウムと合金化する金属をめっきなどにより微粒子間に堆積させる。リチウムと合金化する金属又は合金としては、所望のものを使用すればよく、例えばめっきによる場合、スズまたはスズを含む合金、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金(Al−Si、Al−Cu、Al−Si−Cu、Al−Si−Ti)、Mg、Si、Zr、Cr、Au、Ptなどが挙げられるが、スズまたはSn−Niなどのスズ合金が好ましいものである。めっき浴としては、従来知られたものでよく、例えばスズとニッケル合金のめっきを行う場合には、スズの塩およびニッケルの塩をめっき浴に溶解したものが用いられる。これらの塩の量は、目的とする合金組成に応じ適宜の量が用いられる。前記したように、スズ合金の場合、スズの含有量は例えば5wt%〜99.995wt%の範囲とすることが好ましい。   Thereafter, as shown in FIG. 2D, a metal alloying with lithium constituting the island-shaped electrode is deposited between the fine particles by plating or the like. Any desired metal or alloy to be alloyed with lithium may be used. For example, in the case of plating, tin or an alloy containing tin, aluminum (Al), aluminum alloy (Al-Si, Al-Cu, Al- Si-Cu, Al-Si-Ti), Mg, Si, Zr, Cr, Au, Pt, etc. are mentioned, but tin or tin alloys such as Sn-Ni are preferred. The plating bath may be a conventionally known one. For example, when plating of tin and a nickel alloy, a solution obtained by dissolving a tin salt and a nickel salt in a plating bath is used. An appropriate amount of these salts is used depending on the target alloy composition. As described above, in the case of a tin alloy, the tin content is preferably in the range of 5 wt% to 99.995 wt%, for example.

前記のようにしてリチウムを合金化する金属を例えばめっきにより施した後、試料片をトルエン、アセトン、テトラヒドロフランなどの、使用した高分子を溶解する有機溶媒中に浸漬することにより、高分子粒子を溶解させて除去する。このようにして、図2(e)に示す、多孔構造を有する、例えばスズまたはスズ合金などの多数の島状電極を有する負極を作製することができる。得られる多孔質の島状電極の気孔率は、前記したように電極の機械的強度などを考慮して、例えば50〜80%に設定されることが好ましい。このようにして製造された負極は、リチウムイオン二次電池の負極板として用いられる。   After applying the metal alloying lithium as described above by, for example, plating, the sample particles are immersed in an organic solvent that dissolves the polymer used, such as toluene, acetone, tetrahydrofuran, etc. Dissolve and remove. In this way, a negative electrode having a porous structure and having a large number of island-shaped electrodes such as tin or a tin alloy shown in FIG. 2E can be produced. The porosity of the obtained porous island electrode is preferably set to, for example, 50 to 80% in consideration of the mechanical strength of the electrode as described above. The negative electrode thus produced is used as a negative electrode plate for a lithium ion secondary battery.

次に、本発明の製造方法により製造された負極が用いられるリチウムイオン二次電池について説明する。リチウムイオン二次電池は、負極板、非プロトン性有機溶媒とリチウム塩からなる非水電解液、および正極板、さらにはその他の電池構成要素であるセパレータ、ガスケット、集電体、封口板、セルケース等から構成される。リチウムイオン二次電池は、負極板として、上記本発明の製造方法により製造された負極が用いられるが、電池の他の構成要素については従来公知あるいは周知のものがいずれも利用可能である。また、電池の形状も、筒型、角型、コイン型など従来知られた形状を含むどのような形状であってもよく、特に限定されるものではない。また、電池形状に合せ本発明の製造方法により製造された負極を所望の大きさに切断して負極板として利用してもよいし、電池形状に合せた負極板として製造されてもよい。リチウムイオン二次電池が、例えばコイン型などの電池である場合、セル床板上に負極板を乗せ、その上に電解液とセパレータを、さらに負極と対向するように正極を乗せ、ガスケット、封口板と共にかしめて二次電池とされるが、本発明の製造方法により製造された負極が用いられるリチウムイオン二次電池の構造あるいは作製方法がこれに限定されるものではない。   Next, a lithium ion secondary battery in which the negative electrode manufactured by the manufacturing method of the present invention is used will be described. Lithium ion secondary batteries consist of a negative electrode plate, a non-aqueous electrolyte composed of an aprotic organic solvent and a lithium salt, and a positive electrode plate, as well as other battery components such as separators, gaskets, current collectors, sealing plates, and cells. Consists of cases and the like. In the lithium ion secondary battery, the negative electrode manufactured by the above-described manufacturing method of the present invention is used as the negative electrode plate, and any other known or well-known battery components can be used. Further, the shape of the battery may be any shape including a conventionally known shape such as a cylindrical shape, a square shape, and a coin shape, and is not particularly limited. Moreover, the negative electrode manufactured by the manufacturing method of the present invention according to the battery shape may be cut into a desired size and used as a negative electrode plate, or may be manufactured as a negative electrode plate according to the battery shape. When the lithium ion secondary battery is, for example, a coin-type battery, a negative electrode plate is placed on the cell floor plate, an electrolyte and a separator are placed thereon, and a positive electrode is placed so as to face the negative electrode, and a gasket and a sealing plate In addition, the secondary battery is caulked together, but the structure or manufacturing method of the lithium ion secondary battery in which the negative electrode manufactured by the manufacturing method of the present invention is used is not limited thereto.

リチウムイオン二次電池の電解液に使用できる非水溶媒としては、ジメチルスルホキシド、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、プロピレンカーボネート、スルホラン、γ−バレロラクトン、γ−オクタノイックラクトンなどの高誘電率溶媒や1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの低粘度溶媒などの有機溶媒の単独または二種類以上の混合物を用いることができる。   Non-aqueous solvents that can be used in the electrolyte of lithium ion secondary batteries include high dielectric constant solvents such as dimethyl sulfoxide, ethylene carbonate, γ-butyrolactone, propylene carbonate, sulfolane, γ-valerolactone, and γ-octanoic lactone. Single or two organic solvents such as 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and other low viscosity solvents Mixtures of more than one type can be used.

また、リチウムイオン二次電池の電解液に使用されるリチウム塩としては、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3等のリチウム塩が挙げられ、これらの1種または2種以上が0.5〜2.0M程度の濃度で前記非水溶媒に溶解され、非水電解液とされる。本発明において、電解質としてリチウムイオンなどのアルカリ金属カチオンの導電体である高分子固体電解質を用いることもできる。 As the lithium salt used in the electrolyte of lithium ion secondary batteries, LiClO 4, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiCF 3 lithium salt of SO 3 and the like, one or two of these The above is dissolved in the non-aqueous solvent at a concentration of about 0.5 to 2.0 M to obtain a non-aqueous electrolyte. In the present invention, a polymer solid electrolyte that is a conductor of an alkali metal cation such as lithium ion can also be used as the electrolyte.

正極体の材料としては、特に限定されないが、リチウムイオンを充放電時に吸蔵、放出できる金属カルコゲン化合物などが好ましい。このような金属カルコゲン化合物としては、バナジウムの酸化物、バナジウムの硫化物、モリブデンの酸化物、モリブデンの硫化物、マンガンの酸化物、クロムの酸化物、チタンの酸化物、チタンの硫化物及びこれらの複合酸化物、複合硫化物が挙げられる。このような化合物としては、例えばCr38、V25、V518、VO2、Cr25、MnO2、TiO2、MoV28、TiS225MoS2、MoS3VS2、Cr0.250.752、Cr0.50.52等が挙げられる。また、LiMY2(Mは、Co、Ni等の遷移金属、YはO、S等のカルコゲン化合物)、LiM24(MはMn、YはO)、WO3等の酸化物、CuS、Fe0.250.752、Na0.1CrS2等の硫化物、NiPS8,FePS8等のリン、硫黄化合物、VSe2,NbSe3等のセレン化合物等を用いることもできる。なお、現在、正極には、リチウム複合酸化物のLiCoO2が主として用いられている。前記した正極材料を結着剤と混合して集電体の上に塗布し、正極板とすればよい。 The material of the positive electrode body is not particularly limited, but a metal chalcogen compound that can occlude and release lithium ions during charge and discharge is preferable. Examples of such metal chalcogen compounds include vanadium oxide, vanadium sulfide, molybdenum oxide, molybdenum sulfide, manganese oxide, chromium oxide, titanium oxide, titanium sulfide, and the like. And composite oxides and sulfides. Examples of such compounds include Cr 3 O 8 , V 2 O 5 , V 5 O 18 , VO 2 , Cr 2 O 5 , MnO 2 , TiO 2 , MoV 2 O 8 , TiS 2 V 2 S 5 MoS 2. MoS 3 VS 2 , Cr 0.25 V 0.75 S 2 , Cr 0.5 V 0.5 S 2 and the like. Further, LiMY 2 (M is a transition metal such as Co and Ni, Y is a chalcogen compound such as O and S), LiM 2 Y 4 (M is Mn and Y is O), an oxide such as WO 3 , CuS, Sulfides such as Fe 0.25 V 0.75 S 2 and Na 0.1 CrS 2 , phosphorus such as NiPS 8 and FePS 8 , sulfur compounds, selenium compounds such as VSe 2 and NbSe 3, and the like can also be used. Currently, lithium composite oxide LiCoO 2 is mainly used for the positive electrode. The positive electrode material described above may be mixed with a binder and applied onto a current collector to form a positive electrode plate.

電解液を保持するセパレータは、一般的に保液性に優れた材料を使用すればよい。例えば、ポリオレフィン系樹脂の不織布や多孔性フィルムなどが使用される。前記非水電解液は、正極と負極を分離するセパレータに含浸して使用されるが、電解液に高分子量の樹脂を添加して高粘性にしたり、ゲル化させて流動性をなくした状態で使用されることもある。   The separator that holds the electrolytic solution may be made of a material that is generally excellent in liquid retention. For example, a polyolefin resin nonwoven fabric or a porous film is used. The non-aqueous electrolyte is used by impregnating a separator that separates a positive electrode and a negative electrode. However, a high-molecular resin is added to the electrolyte to make it highly viscous or gelled to eliminate fluidity. Sometimes used.

以下、実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited at all by this.

(1)マイクロドメイン構造を有するスズ−ニッケル合金系多孔質負極の調製
(i)フォトレジスト基板上におけるコロイド結晶鋳型の作製
表面に銅層を有するシリコン基板上にポジ型フォトレジストを塗布して、30μmの乾燥膜厚を有するレジスト膜を形成した。この基板を露光後現像することにより、レジスト膜に直径20μm、ピッチ30μmの多数の規則的な円筒形状の孔(シリンダー型ドット)を有するフォトレジスト基板を得た。
(1) Preparation of a tin-nickel alloy-based porous negative electrode having a microdomain structure (i) Production of a colloidal crystal template on a photoresist substrate A positive photoresist was applied on a silicon substrate having a copper layer on the surface, A resist film having a dry film thickness of 30 μm was formed. By developing the substrate after exposure, a photoresist substrate having a large number of regular cylindrical holes (cylinder dots) having a diameter of 20 μm and a pitch of 30 μm was obtained in the resist film.

次いで、このフォトレジスト基板のシリンダー型ドット内に、直系1μmの単分散球状粒子であるポリスチレン粒子を堆積させることによって鋳型を作製した。まず、フォトレジスト基板のドット内に存在する空気を取り除くため、超純水を注入し、真空チャンバーを用いて約0.6MPaで5分間減圧した。その後、10μLのポリスチレン懸濁液(Seradyn Inc.製、10wt%solid)をドット内に注入し、24時間、0.08MPaの減圧条件下でポリスチレン粒子を堆積させた。堆積させたポリスチレン粒子からなる鋳型を常温常圧下で乾燥させた後に、送風乾燥器で110℃、10分間熱処理し、ポリスチレン粒子同士を融着、結合させた。   Next, a mold was prepared by depositing polystyrene particles, which are monodisperse spherical particles with a direct system of 1 μm, in the cylindrical dots of the photoresist substrate. First, in order to remove the air present in the dots of the photoresist substrate, ultrapure water was injected and the pressure was reduced at about 0.6 MPa for 5 minutes using a vacuum chamber. Thereafter, 10 μL of a polystyrene suspension (manufactured by Seradyn Inc., 10 wt% solid) was injected into the dots, and polystyrene particles were deposited under reduced pressure conditions of 0.08 MPa for 24 hours. The mold made of the deposited polystyrene particles was dried at room temperature and normal pressure, and then heat-treated at 110 ° C. for 10 minutes with an air dryer to fuse and bond the polystyrene particles together.

(ii)Sn−Ni合金の電解めっき
上記で作製されたフォトレジスト基板上の微粒子ポリスチレン内蔵円筒部を鋳型とし、表1に示す組成のめっき浴を用いてSn−Ni合金めっきを行った。Sn−Ni合金めっきに用いたセルは、作用極にフォトレジスト基板、対極にSn板を用いた。電極間距離は1cmとし、陰極電流密度を1.37mA/cm2とした。また、浴温を50℃に保ち、めっき時間を43分で行った。
(Ii) Electroplating of Sn—Ni alloy Sn—Ni alloy plating was performed using a plating bath with the composition shown in Table 1 using the cylindrical part with a built-in fine particle polystyrene on the photoresist substrate prepared above as a mold. The cell used for Sn—Ni alloy plating used a photoresist substrate as a working electrode and an Sn plate as a counter electrode. The distance between the electrodes was 1 cm, and the cathode current density was 1.37 mA / cm 2 . The bath temperature was kept at 50 ° C. and the plating time was 43 minutes.

(iii)ポリスチレンの溶出
上述した試料をトルエンに一日浸漬することによって、テンプレートとなったポリスチレン粒子を溶出させた後、フォトレジストをアセトン、エタノールを用いて溶解除去して、負極を得た。
(Iii) Elution of polystyrene After immersing the above-mentioned sample in toluene for 1 day to elute the polystyrene particles used as a template, the photoresist was dissolved and removed using acetone and ethanol to obtain a negative electrode.

(2)マイクロドメイン構造を有するスズ−ニッケル合金系多孔質負極の性能評価
前記のようにして作製されたマイクロドメイン構造を有するスズ−ニッケル合金系多孔質負極の形状及び結晶構造評価をSEM観察およびEDS(energy dispersive X−ray spectrometer)を用いての分析を行った。また、電気化学特性の評価を、定電流充放電測定装置を用いて行った。定電流充放電測定には二極式や三極式セルを用い、作用極に作製した試料を、参照極及び対極にはLi金属を用いた。電解液には1mol/dm3のLiClO4(EC(エチレンカーボネート):DEC(ジエチルカーボネート)=1:1vol%)を用い、充放電電流密度は0.2mA/cm2とした。
(2) Performance Evaluation of Tin-Nickel Alloy Porous Negative Electrode Having Microdomain Structure The shape and crystal structure evaluation of the tin-nickel alloy porous negative electrode having the microdomain structure produced as described above were observed by SEM and Analysis using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) was performed. In addition, the electrochemical characteristics were evaluated using a constant current charge / discharge measuring device. For the constant current charge / discharge measurement, a bipolar or tripolar cell was used, a sample prepared as a working electrode, and Li metal as a reference electrode and a counter electrode. As the electrolytic solution, 1 mol / dm 3 of LiClO 4 (EC (ethylene carbonate): DEC (diethyl carbonate) = 1: 1 vol%) was used, and the charge / discharge current density was 0.2 mA / cm 2 .

フォトレジスト及びポリスチレンの鋳型を取り除いた多孔質円柱状(MPC)Sn−Ni合金電極のSEM像を図1に示す。SEM像から、作製した試料は直径20μm、高さ約30μmのシリンダーが規則的に配列した構造を有し、用いたフォトレジスト基板のドット形や配列パターンをほぼ反映したものが得られた。また、この円柱は鋳型としたポリスチレン粒子の形を反映した直径1.0μmのマクロ孔を有し、マクロ孔同士は連通孔によって繋がっていることが確認された。   FIG. 1 shows an SEM image of a porous columnar (MPC) Sn—Ni alloy electrode from which the photoresist and polystyrene mold were removed. From the SEM image, the prepared sample had a structure in which cylinders having a diameter of 20 μm and a height of about 30 μm were regularly arranged, and a sample almost reflecting the dot shape and arrangement pattern of the used photoresist substrate was obtained. Further, it was confirmed that this cylinder had macropores having a diameter of 1.0 μm reflecting the shape of polystyrene particles used as a mold, and the macropores were connected by communication holes.

作製したMPC Sn−Ni合金電極のEDS分析から得られたマッピング像から、作製したMPC Sn−Ni合金においてはSnとNiの均一な元素分布が確認された。また、作製されたSn−Ni電極の元素含有量は、XRF分析(X−ray Fluorescence Spectroscopy:X線蛍光分析)の結果、SnとNiの組成比がNi:Sn=4:6(原子比)であることが確認された。   From the mapping image obtained from the EDS analysis of the produced MPC Sn—Ni alloy electrode, uniform element distribution of Sn and Ni was confirmed in the produced MPC Sn—Ni alloy. The element content of the produced Sn-Ni electrode is determined by XRF analysis (X-ray Fluorescence Spectroscopy: X-ray fluorescence analysis), and the composition ratio of Sn and Ni is Ni: Sn = 4: 6 (atomic ratio). It was confirmed that.

図3に、本実施例で作製されたMPC Sn−Ni合金電極を有する負極の定電流密度条件下(0.2mA/cm2)における5サイクル分の充放電曲線を示す。この試験においては、図から、本実施例で作製された負極は、約0.5 V vs. Li/LiにおいてLiの合金・脱合金化(Liの挿入・脱離反応)によるフラットが確認され、この結果は図6(b)の結果と一致した。本実施例の負極は、1サイクル目で0.87mAh/cm2の放電容量(クーロン効率:72%)を示し、5サイクル目でも0.86mAh/cm2と、容量低下はほとんど観察されなかった。 FIG. 3 shows a charge / discharge curve for five cycles under a constant current density condition (0.2 mA / cm 2 ) of a negative electrode having an MPC Sn—Ni alloy electrode produced in this example. In this test, it can be seen from the figure that the negative electrode produced in this example is about 0.5 V vs. Flatness due to Li alloying / dealloying (Li insertion / desorption reaction) was confirmed in Li / Li + , and this result coincided with the result of FIG. The negative electrode of the present embodiment, the discharge capacity of 0.87mAh / cm 2 in the first cycle (coulomb efficiency: 72%) indicates a 0.86mAh / cm 2 at 5-th cycle, the capacity reduction was hardly observed .

一方、図4に、本実施例で作製されたMPC Sn−Ni合金電極を用いたリチウムイオン二次電池において、放電電流密度を変えた際の容量変化を示す。図4から、本実施例で作製された負極は、放電電流密度1.0mA/cm2において、約0.8mA/cm2の放電容量を示し、放電電流密度0.2mA/cm2の容量と比べて90%以上であることから、良好なレートと特性も有している。 On the other hand, FIG. 4 shows the capacity change when the discharge current density is changed in the lithium ion secondary battery using the MPC Sn—Ni alloy electrode produced in this example. 4, a negative electrode made in this example, the discharge current density 1.0 mA / cm 2, shows a discharge capacity of about 0.8 mA / cm 2, and the capacitance of the discharge current density 0.2 mA / cm 2 Compared to 90% or more, it has good rate and characteristics.

図7に、本実施例で作製されたMPC Sn−Ni合金電極の50サイクル際、サイクル特性を示す。本実施例で作製された負極は、一サイクル目で470mAh/gの放電容量を示し、50サイクル目でもその容量維持率は90%であった。   FIG. 7 shows the cycle characteristics of the MPC Sn—Ni alloy electrode produced in this example during 50 cycles. The negative electrode produced in this example showed a discharge capacity of 470 mAh / g in the first cycle, and the capacity retention rate was 90% even in the 50th cycle.

以上詳しく説明したように、本発明の製造方法により製造された、リチウムと合金化する金属の多孔質体からなるマイクロドメイン構造を有する非水電解液系二次電池用負極は、従来の3DOM構造を有する負極に比べサイクル特性の優れたリチウムイオン二次電池を提供することができる。   As described above in detail, the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery having a microdomain structure made of a porous metal alloyed with lithium manufactured by the manufacturing method of the present invention has a conventional 3DOM structure. A lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics as compared with the negative electrode having the above can be provided.

Claims (5)

(1)導電性基板上のフォトレジスト膜に、各々独立した多数の微細な空所を形成する工程、
(2)前記フォトレジスト膜の空所に微細粒子を充填する工程、
(3)前記微細粒子が充填された基板をリチウムと合金化する金属によりめっきする工程、および
(4)前記微細粒子およびフォトレジスト膜を除去する工程
を有することを特徴とする非水電解液系二次電池用負極の製造方法。
(1) a step of forming a large number of independent fine voids in a photoresist film on a conductive substrate;
(2) a step of filling fine particles in the voids of the photoresist film;
(3) a step of plating the substrate filled with the fine particles with a metal alloying with lithium, and (4) a step of removing the fine particles and the photoresist film. A method for producing a negative electrode for a secondary battery.
請求項1に記載の非水電解液系二次電池用負極の製造方法において、前記微細な空所の形状が、直径が10〜30μm、深さが10〜50μmの円筒形状であり、円筒のピッチが1〜50μmの規則的な配列とされていることを特徴とする非水電解液系二次電池用負極の製造方法。   2. The method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the fine void has a cylindrical shape having a diameter of 10 to 30 [mu] m and a depth of 10 to 50 [mu] m. A method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the pitch is a regular array having a pitch of 1 to 50 μm. 請求項1または2に記載の非水電解液系二次電池用負極の製造方法において、前記微細粒子が粒径0.1〜5μmのポリマーからなり、該ポリマーの除去がポリマーを溶剤に溶解することにより行われることを特徴とする非水電解液系二次電池用負極の製造方法。   3. The method for producing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the fine particles are made of a polymer having a particle size of 0.1 to 5 [mu] m, and removal of the polymer dissolves the polymer in a solvent. The manufacturing method of the negative electrode for nonaqueous electrolyte type secondary batteries characterized by the above-mentioned. 請求項3に記載の非水電解液系二次電池用負極の製造方法において、前記充填されたポリマーがめっき工程の前に熱溶着されることを特徴とする非水電解液系二次電池用負極の製造方法。   4. The method for manufacturing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 3, wherein the filled polymer is thermally welded before the plating step. Manufacturing method of negative electrode. 請求項4に記載の非水電解液系二次電池用負極の製造方法において、前記めっき処理は基板をめっき浴に浸漬し、スズ−ニッケル合金がめっきされることを特徴とする非水電解液系二次電池用負極の製造方法。   5. The method of manufacturing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 4, wherein the plating is performed by immersing the substrate in a plating bath and plating with a tin-nickel alloy. Of manufacturing negative electrode for lithium secondary battery.
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