JP2936217B2 - Method for producing lithium battery and negative electrode carrier thereof - Google Patents

Method for producing lithium battery and negative electrode carrier thereof

Info

Publication number
JP2936217B2
JP2936217B2 JP6214911A JP21491194A JP2936217B2 JP 2936217 B2 JP2936217 B2 JP 2936217B2 JP 6214911 A JP6214911 A JP 6214911A JP 21491194 A JP21491194 A JP 21491194A JP 2936217 B2 JP2936217 B2 JP 2936217B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
negative electrode
alloy
lithium
phase
coating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP6214911A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH0878011A (en
Inventor
卓也 藤枝
昇 若林
俊一 樋口
賢 阿部
淳一 内田
克郎 平山
国博 福井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology, Sumitomo Metal Industries Ltd filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP6214911A priority Critical patent/JP2936217B2/en
Publication of JPH0878011A publication Critical patent/JPH0878011A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2936217B2 publication Critical patent/JP2936217B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、リチウム電池とその負
極担体の製造方法とに関し、特に、自動車などの移動用
直流電源、電力貯蔵用電源などとして適用可能な、高エ
ネルギー密度で長寿命の大型化可能なリチウム二次電池
と、その負極担体の製造方法とに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a lithium battery and a negative electrode carrier thereof, and more particularly, to a high energy density and long life applicable to a DC power source for vehicles such as automobiles and a power source for power storage. The present invention relates to a lithium secondary battery that can be increased in size and a method for manufacturing a negative electrode carrier thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】リチウムは標準電位−3.03Vの非常に卑
な金属であり、また原子量も小さいことから、リチウム
を負極活物質とするリチウム電池は、出力電圧が高く、
エネルギー密度も非常に高くなる。そのため、腕時計、
カメラなどの小型で軽量な製品にはリチウム電池が非常
に多く利用されているが、これらのほとんどは再充電の
できない一次電池である。
2. Description of the Related Art Lithium is a very low-potential metal having a standard potential of -3.03 V and has a small atomic weight. Therefore, a lithium battery using lithium as a negative electrode active material has a high output voltage,
The energy density is also very high. Therefore, watches,
Lithium batteries are very often used in small and lightweight products such as cameras, but most of them are primary batteries that cannot be recharged.

【0003】代表的なリチウム一次電池として、負極と
して金属リチウム、正極活物質としてフッ化黒鉛または
二酸化マンガンを使用し、電解液としてリチウム塩
(例、LiBF4 、LiClO4など) の有機溶媒溶液を使用する
ものがある。負極活物質である金属Liは水との反応性が
極めて高いので、汎用リチウム電池において電解質を水
溶液状で使用することは困難であり、電解質のリチウム
塩を非水溶液として使用するか、またはリチウムイオン
伝導性固体を電解質として使用する。
[0003] A typical lithium primary battery uses metallic lithium as a negative electrode, graphite fluoride or manganese dioxide as a positive electrode active material, and a lithium salt as an electrolyte.
Some use an organic solvent solution (eg, LiBF 4 , LiClO 4, etc.). Since metal Li, which is a negative electrode active material, has extremely high reactivity with water, it is difficult to use an electrolyte in an aqueous solution in a general-purpose lithium battery. A conductive solid is used as the electrolyte.

【0004】リチウムは、そのイオンから陰極還元反応
により電析させることができるため、リチウム電池は再
充電可能な二次電池としても使用できる。従って、リチ
ウムの特性を活かして、高出力のリチウム二次電池の開
発も進められてきた。
[0004] Since lithium can be electrodeposited from its ions by a cathodic reduction reaction, a lithium battery can also be used as a rechargeable secondary battery. Therefore, development of a high-output lithium secondary battery has been promoted utilizing the characteristics of lithium.

【0005】その結果、最近では、携帯電話や携帯用の
ビデオカメラ等に、再充電可能なリチウム二次電池が使
われ始めている。このリチウム二次電池の負極は、層状
構造を持つ黒鉛質炭素材料の粉末を結合剤て結合して製
造したものであり、充電時にリチウムが炭素材料の層間
に侵入し、放電時にはこれが脱離することで機能する。
しかし、この負極は大型化すると電流密度が低下し、高
コストとなる。
As a result, recently, rechargeable lithium secondary batteries have begun to be used in portable telephones, portable video cameras, and the like. The negative electrode of this lithium secondary battery is manufactured by binding a powder of a graphitic carbon material having a layered structure with a binder, and lithium penetrates between layers of the carbon material during charging and desorbs during discharging. It works by:
However, when the size of the negative electrode is increased, the current density is reduced and the cost is increased.

【0006】大型化が容易な金属系負極 (リチウムまた
はリチウム合金) を用いたリチウム二次電池の実用上の
問題は、負極活物質であるリチウムが、充電の際の電析
時に、負極表面に樹枝 (デンドライト) 状に成長し、そ
れが正極と接して内部短絡を引き起こすため、充放電サ
イクル寿命が極めて短くなるという点である。このた
め、電気自動車や電力貯蔵用などを目的とした大型のリ
チウム電池としては、充放電のサイクル寿命や出力密度
などの性能が未だ不十分である。また、大面積で安価な
負極の製造技術も確立していない。これらの理由から、
金属系負極を用いたリチウム二次電池は未だ実用化には
至っていない。
A practical problem of a lithium secondary battery using a metal-based negative electrode (lithium or lithium alloy) that is easy to increase in size is that lithium, which is a negative electrode active material, is deposited on the negative electrode surface during electrodeposition during charging. It grows like a dendrite, which contacts the positive electrode and causes an internal short circuit, which significantly shortens the charge / discharge cycle life. For this reason, performances such as charge / discharge cycle life and output density are still insufficient for large-sized lithium batteries for electric vehicles and power storage. In addition, a technique for manufacturing a large-area, inexpensive negative electrode has not been established. because of these reasons,
A lithium secondary battery using a metal-based negative electrode has not yet been put to practical use.

【0007】リチウム二次電池の充放電サイクルの寿命
を改善する提案として、例えば、特開昭52−5423号公報
には、負極としてLi含有量63〜92%のLi−Al合金を用い
たリチウム電池が開示されている。この電池では、アル
ミニウムがリチウムを吸蔵、放出する性質を利用して、
充電時にリチウムをアルミニウム中に吸蔵させてLi−Al
合金とするため、リチウムの樹枝状成長が抑制される。
As a proposal for improving the life of a charge / discharge cycle of a lithium secondary battery, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 52-5423 discloses a lithium battery using a Li--Al alloy having a Li content of 63 to 92% as a negative electrode. A battery is disclosed. In this battery, utilizing the property that aluminum absorbs and releases lithium,
Lithium is absorbed in aluminum during charging and Li-Al
Since the alloy is used, the dendritic growth of lithium is suppressed.

【0008】ところが、Li−Al合金では強度が十分でな
く、充放電の繰り返しによって合金が微粉化し、十分な
充放電サイクルの寿命が得られないことが判明した。こ
のため、アルミニウム中に種々の合金元素を添加して負
極の強度を高め、電池の充放電サイクル特性を高めるこ
とが提案されている。
However, it has been found that the strength of the Li-Al alloy is not sufficient, and the alloy is pulverized by repetition of charge / discharge, so that a sufficient charge / discharge cycle life cannot be obtained. Therefore, it has been proposed to add various alloying elements to aluminum to increase the strength of the negative electrode and to improve the charge / discharge cycle characteristics of the battery.

【0009】例えば、特開昭64−86451 号公報には、Al
−Mn−In合金を負極担体に用いたリチウム二次電池が記
載されている。Liと合金化しにくいMnに骨材的役割を負
わせて負極の強度を高めると同時に、Mn添加で損なわれ
たLiの拡散の遅れを、Li吸蔵能力の大きいInの添加によ
って補うことができると説明されている。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-86451 discloses Al
A lithium secondary battery using a -Mn-In alloy as a negative electrode carrier is described. By adding Mn, which is difficult to alloy with Li, to act as an aggregate to increase the strength of the negative electrode, it is possible to compensate for the delay in diffusion of Li, which was impaired by the addition of Mn, by adding In, which has a large Li storage capacity. Described.

【0010】特開平3−182058号公報には、Mn、Crから
成る群XとBe、Bi、Cd、Ge、Pb、Sn、Taから成る群Yと
の合金であるLi−Al−X−Y合金を負極に用いたリチウ
ム二次電池が記載されている。XはLi−Al合金の強度を
高めるために添加するが、固溶しきらないXが粒界部に
金属間化合物として偏析し、充放電の際にそれを起点と
してクラックが発生する問題があるので、Yを添加する
ことによって、共晶系あるいは包晶系の金属組織を形成
させ、しかもYが比較的延性に富む金属であるため、ク
ラックを抑制することができるという提案である。
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 3-182058 discloses Li-Al-XY which is an alloy of a group X consisting of Mn and Cr and a group Y consisting of Be, Bi, Cd, Ge, Pb, Sn and Ta. A lithium secondary battery using an alloy for a negative electrode is described. X is added to increase the strength of the Li-Al alloy, but X that does not form a solid solution segregates as an intermetallic compound at the grain boundary, and there is a problem that cracks are generated from the starting point during charge and discharge. Therefore, it is a proposal that by adding Y, a eutectic or peritectic metal structure is formed, and since Y is a metal having relatively high ductility, cracks can be suppressed.

【0011】特開平4−58468 号公報には、Li−Al合金
に添加された第三の金属元素の偏析により充放電時のリ
チウムの挿入・離脱が不均一となることで電極が局部的
に劣化する点を指摘し、この添加金属を0.01〜10wt%固
溶させることによってリチウムの挿入・離脱が均一化
し、サイクル特性が向上することが記載されている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-58468 discloses that the segregation of the third metal element added to the Li-Al alloy makes the insertion and detachment of lithium during charging and discharging non-uniform, thereby causing the electrode to be locally localized. It is pointed out that deterioration is pointed out, and it is described that by adding 0.01 to 10% by weight of the added metal as a solid solution, lithium insertion / removal becomes uniform and cycle characteristics are improved.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】これらの提案は、いず
れも負極の担体として強度に優れたアルミニウム合金を
使用し、この負極担体に活物質であるリチウムを吸蔵さ
せて負極を構成するものである。このようなアルミニウ
ム合金を担体とする金属系負極は、リチウム電池の充放
電サイクル特性を向上させるのに一定の効果はあるが、
本発明者らの調査ではその性能は未だ不十分であり、特
に電気自動車用や電力貯蔵用などの大型で長寿命 (長期
間使用) が要求される用途に対しては、さらなる改善が
必要であると判断された。即ち、上記の提案にかかるリ
チウム二次電池では、アルミニウム合金からなる負極担
体がいずれも冶金的手法 (例、溶製→鋳込み→圧延) に
よって製造されるため、リチウムを吸蔵しない金属の偏
析が生じやすく、この偏析によりアルミニウム金属の本
来もっているリチウムの拡散性能が著しく制限される結
果、充放電特性の改善にも限界がある。その上、脆性の
高いアルミニウム合金を冶金的手法で大型板状に成形す
ることが著しく困難なため、負極の大面積化 (即ち、電
池の大容量化) も困難となり、その作製コストが高くつ
く。
In each of these proposals, an aluminum alloy having excellent strength is used as a negative electrode carrier, and lithium as an active material is inserted into the negative electrode carrier to form a negative electrode. . Such a metal-based anode using an aluminum alloy as a carrier has a certain effect in improving the charge / discharge cycle characteristics of a lithium battery,
According to the investigations by the present inventors, the performance is still insufficient.Especially, further improvement is required for large-sized and long-life (long-term use) applications such as electric vehicles and power storage. It was determined that there was. That is, in the lithium secondary battery according to the above proposal, since the negative electrode carrier made of an aluminum alloy is manufactured by a metallurgical method (eg, smelting → casting → rolling), segregation of a metal that does not occlude lithium occurs. This segregation severely limits the inherent lithium diffusion performance of aluminum metal, and thus limits the improvement of charge and discharge characteristics. In addition, since it is extremely difficult to form a highly brittle aluminum alloy into a large plate by metallurgical techniques, it is also difficult to increase the area of the negative electrode (that is, increase the capacity of the battery), and the production cost is high. .

【0013】従って、本発明の目的は、充放電サイクル
特性が非常に優れた二次電池として利用できるリチウム
電池を提供することである。本発明の別の目的は、電気
自動車用や電力貯蔵用などの大容量の二次電池の実現を
可能にするために、負極の大面積化が容易で、しかも低
コストで負極担体を作製できるリチウム電池を提供する
ことである。本発明のさらに別の目的は、かかるリチウ
ム電池の負極担体の製造方法を提供することである。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium battery which can be used as a secondary battery having extremely excellent charge / discharge cycle characteristics. Another object of the present invention is to make it possible to realize a large-capacity secondary battery for an electric vehicle or for storing electric power, so that the area of the negative electrode can be easily increased and the negative electrode carrier can be manufactured at low cost. It is to provide a lithium battery. Still another object of the present invention is to provide a method for producing such a negative electrode carrier of a lithium battery.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、冶金的手
法で作製されるアルミニウム合金をリチウム吸蔵用の担
体とする既存の負極では、リチウム電池の性能の飛躍的
な進歩は困難であると考え、上記目的を達成できる負極
担体材料として、熱力学的に非平衡状態にあるアルミニ
ウム合金に着目した。これは、従来からの冶金的手法で
得られるアルミニウム合金においては、合金系が熱力学
的平衡状態にあって、析出相の粒子が成長により大きく
なるため、偏析による悪影響が避けられず、性能改善に
限界があるのに対し、非平衡状態では、析出相を原子オ
ーダーに近い微細な状態とすることができるからであ
る。そして、非平衡状態のアルミニウム合金の中でも、
非晶質相や準結晶相を生成し易い合金系として知られて
いるAl−Mn合金に注目し、特定のAl−Mn合金層で集電体
となる基体金属を被覆することにより、低コストで大面
積化の容易な負極担体を作製できることを見出した。
Means for Solving the Problems The present inventors have found that it is difficult to make a dramatic progress in the performance of lithium batteries with an existing anode using an aluminum alloy produced by a metallurgical method as a carrier for lithium absorption. Therefore, the inventors focused on an aluminum alloy which is in a thermodynamically non-equilibrium state as a negative electrode carrier material which can achieve the above object. This is because, in the case of aluminum alloys obtained by conventional metallurgical methods, the alloy system is in a thermodynamic equilibrium state, and the particles of the precipitated phase become larger due to growth. This is because, in the non-equilibrium state, the precipitated phase can be in a fine state close to the atomic order. And among the non-equilibrium aluminum alloys,
Focusing on Al-Mn alloy known as an alloy system that easily produces an amorphous phase and a quasicrystalline phase, coating a base metal that serves as a current collector with a specific Al-Mn alloy layer enables low cost It was found that it was possible to produce a negative electrode carrier having a large area easily.

【0015】ここに、本発明の特徴は、正極と、リチウ
ムを活物質とする負極と、リチウム塩の非水溶液または
リチウムイオン伝導性固体からなる電解質とから構成さ
れるリチウム電池において、負極の担体として、熱力学
的非平衡相を含有する組織からなるAl−Mn合金被覆層を
基体金属表面に有する被覆材を用いる点にある。
Here, the present invention is characterized in that a lithium battery comprising a positive electrode, a negative electrode containing lithium as an active material, and an electrolyte comprising a non-aqueous solution of a lithium salt or a lithium ion conductive solid is provided. Another aspect of the present invention is to use a coating material having an Al-Mn alloy coating layer having a structure containing a thermodynamic non-equilibrium phase on the surface of a base metal.

【0016】具体的には、本発明のリチウム電池におけ
る負極の担体は、Mn過飽和fcc-Al相とAl−Mn非晶質合金
相との混相からなる、熱力学的に非平衡なAl−Mn合金被
覆層を基体金属表面に有する被覆材からなる。Al−Mn合
金被覆中には、実質的な悪影響を及ぼさない範囲で他の
相が混在することは差し支えない。
Specifically, the support of the negative electrode in the lithium battery of the present invention is a thermodynamically non-equilibrium Al-Mn alloy comprising a mixed phase of a Mn supersaturated fcc-Al phase and an Al-Mn amorphous alloy phase. It consists of a coating material having an alloy coating layer on the surface of the base metal. Other phases may be present in the Al-Mn alloy coating within a range that does not have a substantial adverse effect.

【0017】この負極担体は、基体金属の表面を、熱力
学的非平衡相を形成する被覆方法によりMn含有量10〜25
重量%のAl−Mn合金で被覆することにより製造すること
ができる。
This negative electrode carrier has a Mn content of 10 to 25 on the surface of the base metal by a coating method for forming a thermodynamic non-equilibrium phase.
It can be manufactured by coating with Al-Mn alloy of weight%.

【0018】本発明のリチウム電池は、一次電池として
も利用可能であるが、特に二次電池とした場合に、その
優れた充放電特性を活かすことができる。熱力学的非平
衡相を形成する被覆方法としては、熱力学的非平衡相を
含有する被覆を形成することができる任意の被覆方法が
含まれる。その例としては、スパッタリング、イオンプ
レーティング、蒸着、CVDなどの乾式法、溶融塩電解
めっきや非水溶媒電解液中での電気めっきなどの非水系
電気めっき法がある。中でも電気めっき法による被覆形
成が電池性能上からは最も好適である。
Although the lithium battery of the present invention can be used as a primary battery, it is possible to take advantage of its excellent charge / discharge characteristics especially when it is a secondary battery. Coating methods for forming a thermodynamic non-equilibrium phase include any coating method that can form a coating containing a thermodynamic non-equilibrium phase. Examples thereof include dry methods such as sputtering, ion plating, vapor deposition, and CVD, and non-aqueous electroplating methods such as molten salt electroplating and electroplating in a non-aqueous solvent electrolyte. Above all, formation of a coating by electroplating is most preferable from the viewpoint of battery performance.

【0019】[0019]

【作用】Al−Mn2元系には、平衡相としてAl、Al6Mn 、
Al4Mn 、Al11Mn4 、Mnなどが存在し、冶金的手法でAl−
Mn合金を作製した場合、組成に応じて、これらのいずれ
かの単相、或いは2以上の相の混相からなる、熱力学的
に平衡な合金組織が得られる。
[Effect] Al, Al 6 Mn,
Al 4 Mn, Al 11 Mn 4 , Mn, etc. exist, and Al-
When an Mn alloy is produced, a thermodynamically equilibrium alloy structure composed of any one of these single phases or a mixed phase of two or more phases is obtained depending on the composition.

【0020】一方、Al−Mn2元系の熱平衡状態図にはな
い非平衡相としては、非晶質相と準結晶相がある。これ
らの非平衡相は、液体急冷法、メカニカルアロイング
法、或いはスパッタリング、イオンプレーティング、蒸
着、CVDなどの乾式法、さらには溶融塩電解めっきや
有機溶媒中での電気めっきなどの非水系電気めっき法等
によってAl−Mn合金を作製した場合に生成することが知
られている。
On the other hand, non-equilibrium phases not shown in the thermal equilibrium diagram of the Al-Mn binary system include an amorphous phase and a quasi-crystalline phase. These non-equilibrium phases can be formed by a liquid quenching method, a mechanical alloying method, or a dry method such as sputtering, ion plating, vapor deposition, or CVD, or a non-aqueous electrolytic method such as molten salt electroplating or electroplating in an organic solvent. It is known that Al-Mn alloys are produced when they are produced by plating or the like.

【0021】例えば、溶融塩電解による電気めっき法の
場合、Mn濃度の増加に伴い、fcc-Al(面心立方Al結晶)
単相、Mn過飽和fcc-Al相 (以下、Mn過飽和Al相という)
、Mn過飽和Al相とAl−Mn非晶質相との混相、Al−Mn非
晶質単相という順で変化する。このうち、最初のfcc-Al
単相は平衡相 (平衡相におけるAlと同じもの) である
が、残りは冶金的手法では得られない非平衡相である。
For example, in the case of electroplating by molten salt electrolysis, as the Mn concentration increases, fcc-Al (face-centered cubic Al crystal)
Single phase, Mn supersaturated fcc-Al phase (hereinafter referred to as Mn supersaturated Al phase)
, The mixed phase of the Mn supersaturated Al phase and the Al-Mn amorphous phase, and then the Al-Mn amorphous single phase. Of these, the first fcc-Al
The single phase is an equilibrium phase (same as Al in the equilibrium phase), but the rest are non-equilibrium phases that cannot be obtained by metallurgical techniques.

【0022】本発明者らは、これらの各種の非平衡相を
含むAl−Mn合金系をリチウムと合金化して負極としたリ
チウム電池の充放電寿命試験を行ったところ、合金組織
がMn過飽和Al相とAl−Mn非晶質相との混相である場合
に、従来のアルミニウム合金を基体とした負極材料に見
られるような脆い化合物の脱落による負極の劣化現象が
起こらず、サイクル特性 (充放電寿命) が非常に高くな
ることを見出した。これは、上記の結晶質/非晶質の混
相組織のうち、結晶質部分 (Mn過飽和Al相に存在するfc
c-Al相) がリチウムの吸蔵・放出による充放電反応を担
い、その際に生成するAl−Li化合物が充放電を繰り返す
うちに脱落するのを、リチウムと反応しない非晶質部分
(Al−Mn非晶質相) が支えていることによるものと思わ
れる。しかも、リチウムと反応する結晶質のfcc-Al相
は、過飽和にMnが固溶することによって (即ち、Mn過飽
和Al相を形成し) 、それ自体が比較的高強度な相になっ
ている。そして、これを支える非晶質相は、冶金法によ
るAl−Mn合金中の偏析化合物相のような結晶質で脆い相
ではない。そのため、従来にない優れたサイクル特性を
発現できるものと考えられる。
The present inventors conducted a charge / discharge life test of a lithium battery obtained by alloying an Al-Mn alloy system containing these various non-equilibrium phases with lithium and using it as a negative electrode. In the case of a mixed phase of the Al-Mn amorphous phase and the Al-Mn amorphous phase, the deterioration of the negative electrode due to the removal of brittle compounds as seen in the conventional aluminum alloy-based negative electrode material does not occur, and the cycle characteristics (charge and discharge Lifetime) is very high. This is due to the fact that the crystalline portion (fc existing in the Mn supersaturated Al phase)
The c-Al phase) is responsible for the charge / discharge reaction due to the insertion and extraction of lithium, and the Al-Li compound generated at that time falls off during repeated charge / discharge. This is probably due to the support of the Mn amorphous phase). Moreover, the crystalline fcc-Al phase that reacts with lithium is itself a relatively high-strength phase because Mn forms a solid solution in supersaturation (that is, forms a Mn supersaturated Al phase). The amorphous phase supporting this is not a crystalline and brittle phase such as a segregated compound phase in an Al-Mn alloy by metallurgy. Therefore, it is considered that superior cycle characteristics that have not been achieved in the past can be exhibited.

【0023】優れた充放電特性を示すことが判明した、
Mn過飽和Al相とAl−Mn非晶質相との混相を主とする熱力
学非平衡組織を持つAl−Mn合金は、Mn含有量が10〜25重
量%の範囲内の合金組成の時に得ることができることが
判明した。このようなMn含有量が多いAl−Mn合金材は、
圧延を利用した冶金的手法では作製することが困難であ
り、非平衡相を形成できる上記の方法によって作製する
ことができる。
It has been found that the battery exhibits excellent charge / discharge characteristics.
An Al-Mn alloy having a thermodynamic non-equilibrium structure mainly composed of a mixed phase of an Mn supersaturated Al phase and an Al-Mn amorphous phase is obtained when the Mn content is in an alloy composition within a range of 10 to 25% by weight. It turns out that it can. Such an Al-Mn alloy material having a high Mn content is
It is difficult to produce by a metallurgical technique using rolling, and it can be produced by the above method capable of forming a non-equilibrium phase.

【0024】本発明においては、電極の大面積化と低コ
スト化を図るために、負極の担体としては、集電体とし
て機能する基体金属の表面を、負極活物質であるリチウ
ムの吸蔵・放出を行うことができるAl−Mn合金層で被覆
した被覆材を利用する。従って、熱力学的非平衡相を形
成する被覆方法により基体金属をMn含有量10〜25重量%
のAl−Mn合金で被覆することにより、Mn過飽和Al相とAl
−Mn非晶質相との混相からなる非平衡組織を持つ、優れ
た充放電特性を示すAl−Mn合金の被覆層を形成すること
ができる。本発明では、こうして得られる被覆材を、リ
チウム電池の負極担体として使用する。
In the present invention, in order to increase the area and reduce the cost of the electrode, the surface of the base metal functioning as a current collector is formed by absorbing and releasing lithium as the negative electrode active material. A coating material coated with an Al-Mn alloy layer capable of performing the above is used. Therefore, the base metal is made to have a Mn content of 10 to 25% by weight by a coating method for forming a thermodynamic non-equilibrium phase.
By coating with an Al-Mn alloy, Mn supersaturated Al phase and Al
A coating layer of an Al-Mn alloy having a non-equilibrium structure composed of a mixed phase with a -Mn amorphous phase and exhibiting excellent charge / discharge characteristics can be formed. In the present invention, the thus obtained coating material is used as a negative electrode carrier of a lithium battery.

【0025】被覆方法としては、スパッタリング法、イ
オンプレーティング法、蒸着法、CVD法などの乾式法
(ドライプロセス) も可能である。しかし、非水系電気
めっき法が特に優れた充放電特性を示すAl−Mn合金被覆
を形成することができる。その理由は明らかではない
が、電気めっきにおいてイオン状態のAlとMnが電圧印加
によって金属状態になるときに得られる準安定な非平衡
状態が、他の方法によるものと比べて、優れた特性を発
揮できるものと思われる。
As a coating method, a dry method such as a sputtering method, an ion plating method, a vapor deposition method, and a CVD method is used.
(Dry process) is also possible. However, the non-aqueous electroplating method can form an Al-Mn alloy coating showing particularly excellent charge / discharge characteristics. Although the reason is not clear, the metastable non-equilibrium state obtained when Al and Mn in the ionic state are changed to the metal state by voltage application in electroplating has superior characteristics compared to those obtained by other methods. It seems to be able to demonstrate.

【0026】本発明のリチウム電池の負極担体として用
いる上記の被覆材の製造方法について次に説明する。Al
−Mn合金層で被覆する基体金属としては、集電体を使用
することが好ましい。基体金属が集電体であると、Al−
Mn合金被覆により集電体が一体化された負極を得ること
ができるので、従来のように集電体と負極とをそれぞれ
を別々に作ってから接合する場合に比べて、電気的接触
も良好で、工程および電池構造が簡略化できるからであ
る。しかし、必ずしも集電体を基体金属とする必要はな
いので、別の基体金属を使用し、得られた被覆材を負極
担体として集電体と接合することにより負極部を構成す
ることも、もちろん可能である。
Next, a method for producing the above-mentioned coating material used as the negative electrode carrier of the lithium battery of the present invention will be described. Al
It is preferable to use a current collector as the base metal covered with the -Mn alloy layer. When the base metal is a current collector, Al-
Since the negative electrode with the current collector integrated with the Mn alloy coating can be obtained, the electrical contact is better than when the current collector and the negative electrode are separately made and then joined as in the past. This is because the steps and the battery structure can be simplified. However, since it is not always necessary to use the current collector as the base metal, it is also possible to configure the negative electrode portion by using another base metal and bonding the obtained coating material to the current collector as the negative electrode carrier. It is possible.

【0027】基体に適した金属材料は、電池内での耐食
性が比較的優れていて、しかも安価な材料であり、例え
ば、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、アルミニウ
ムなどが使用できる。基体金属の形状は、箔、板、波
板、網状、有孔板などの多様な形状から、電池の構成に
合わせて選択することができる。
The metal material suitable for the substrate is a material which has relatively good corrosion resistance in the battery and is inexpensive. For example, nickel, iron, stainless steel, titanium, aluminum and the like can be used. The shape of the base metal can be selected from various shapes such as a foil, a plate, a corrugated plate, a mesh, and a perforated plate according to the configuration of the battery.

【0028】被覆方法としては、前述したように乾式法
と非水系電気めっき法のいずれも採用できるが、電気め
っき法の方が好ましい。乾式法は真空設備が必要でコス
トがかかり、成膜速度もそれほど速くないという製造上
の制約があること、および上述したように電気めっき法
で形成した被覆が特に優れた充放電特性を示すからであ
る。
As the coating method, both the dry method and the non-aqueous electroplating method can be adopted as described above, but the electroplating method is more preferable. The dry method requires vacuum equipment, is costly, has a manufacturing constraint that the film formation rate is not so fast, and the coating formed by the electroplating method exhibits particularly excellent charge / discharge characteristics as described above. It is.

【0029】乾式法によるAl−Mn合金被覆層の形成は、
従来より公知の方法に従って実施すればよい。例えば、
スパッタリングは、被覆しようとするAl−Mn合金とほぼ
同組成のAl−Mn合金板をターゲット材として使用し、グ
ロー放電によりアルゴンガスイオンを発生させる慣用の
スパッター装置で行うことができる。
The formation of the Al-Mn alloy coating layer by the dry method is as follows.
What is necessary is just to implement according to a conventionally well-known method. For example,
Sputtering can be performed using a conventional sputtering apparatus that uses an Al-Mn alloy plate having substantially the same composition as the Al-Mn alloy to be coated as a target material and generates argon gas ions by glow discharge.

【0030】Al金属およびAl合金を含むAl系電気めっき
は、水溶液系におけるAlの析出電位が水からの水素発生
電位に比べてかなり卑であって、水溶液からはアルミニ
ウムの析出が起こらないため、非水系電解液中で行う必
要がある。非水系電解液としては、非水溶媒系 (有機溶
媒+無機塩) と溶融塩系の2種類があるが、工業的に
は、有機溶媒を使用しない溶融塩電気めっき法の方が適
している。
In Al-based electroplating containing Al metal and Al alloy, the deposition potential of Al in an aqueous solution system is considerably lower than the hydrogen generation potential from water, and aluminum does not precipitate from an aqueous solution. It must be performed in a non-aqueous electrolyte. There are two types of non-aqueous electrolytes: non-aqueous solvent system (organic solvent + inorganic salt) and molten salt system. Industrially, molten salt electroplating without organic solvent is more suitable. .

【0031】非水溶媒系のAl−Mn合金めっきは、例え
ば、AlCl3 、LiAlH4などのアルミニウム化合物とMnCl2
などのマンガン化合物を、エーテル、テトラヒドロフラ
ンなどの有機溶媒に溶解した溶液を電解液として実施す
ることができる。
The non-aqueous solvent-based Al-Mn alloy plating is performed, for example, by mixing an aluminum compound such as AlCl 3 and LiAlH 4 with MnCl 2.
A solution in which a manganese compound such as manganese is dissolved in an organic solvent such as ether or tetrahydrofuran can be used as an electrolytic solution.

【0032】Al系溶融塩電気めっきの電解液としては、
特殊な有機物を用いた常温型の溶融塩 (例、 AlCl3+EM
IC <エチルメチルイミダゾリウムクロリド>)と、無機塩
のみ(例、AlCl3+NaCl+KCl) からなる溶融塩の2種類が
あり、いずれも採用できるが、以下では、最も普通の無
機塩型溶融塩を用いたAl−Mn合金の電気めっき法を例に
とって説明する。
The electrolytic solution of the Al-based molten salt electroplating includes:
Room temperature type molten salt using special organic matter (eg, AlCl 3 + EM
IC <ethyl methyl imidazolium chloride>) and molten salt consisting only of inorganic salt (eg, AlCl 3 + NaCl + KCl) .Either type can be used. A description will be given of an example of an electroplating method of an Al-Mn alloy using a salt.

【0033】この溶融塩電気めっきは、例えば次のよう
な工程で実施される。 アルカリ脱脂→水洗→酸洗→水洗→ (プレめっき→水
洗) →乾燥→溶融塩めっき→水洗→乾燥 被覆すべき基体金属の予備処理としては、通常は、アル
カリ脱脂、酸洗、水洗等を組み合わせて用い、基体上の
表面酸化皮膜を除去して活性化する。このような予備処
理は、表面活性化が図られる限りその種類や順序は特に
限定されない。さらに、予備処理として、溶融塩中でア
ノード溶解させることによって活性化する場合もある。
This molten salt electroplating is performed, for example, in the following steps. Alkaline degreasing → washing with water → pickling → washing with water → (pre-plating → washing with water) → drying → molten salt plating → washing with water → drying The pretreatment of the base metal to be coated is usually a combination of alkali degreasing, pickling, washing with water, etc. Activate by removing the surface oxide film on the substrate. The kind and order of such pretreatment are not particularly limited as long as surface activation is achieved. Further, as a pretreatment, activation may be performed by dissolving the anode in a molten salt.

【0034】基体金属が、ステンレス鋼、チタン、アル
ミニウムなどの易酸化性の金属である場合には、表面の
酸化皮膜が強固であり、上記のような表面活性化のため
の予備処理を行っても、素地とめっき膜との密着性が確
保できないことがある。その場合には、前記予備処理に
加えて、プレめっきを施す。プレめっきする金属種は特
に限定はしないが、Al−Mn合金めっきとの密着性や、電
池内における耐食性の観点から、ニッケルが好ましい。
プレめっきの方法は一般的な電気めっき法でよく、不可
避的不純物としてニッケル以外の元素のうち少なくとも
1種類以上が含まれていても何ら問題はない。プレめっ
きの付着量は0.05〜5 g/m2程度 (Niの場合で膜厚 0.006
〜0.6 μmに相当) が好ましい。プレめっき付着量が
0.05 g/mより少ないと、被めっき材表面のプ
レめっきが付着していない部分が多すぎ、その部分に酸
化皮膜が生成してAl−Mn合金めっきの密着性不良を引
き起こす可能性がある。プレめっき付着量は5 g/m2より
多くすることもできるが、コスト面から好ましくない。
When the base metal is an easily oxidizable metal such as stainless steel, titanium, or aluminum, the oxide film on the surface is strong, and the pretreatment for surface activation as described above is performed. In some cases, the adhesion between the substrate and the plating film cannot be ensured. In that case, pre-plating is performed in addition to the pretreatment. The kind of metal to be pre-plated is not particularly limited, but nickel is preferable from the viewpoint of adhesion to Al-Mn alloy plating and corrosion resistance in the battery.
The pre-plating method may be a general electroplating method, and there is no problem even if at least one element other than nickel is contained as an inevitable impurity. Film thickness when coating weight of the pre-plating of 0.05 to 5 g / m 2 about (Ni 0.006
0.60.6 μm). If the pre-plated coating weight is less than 0.05 g / m 2 , there are too many pre-plated portions on the surface of the material to be plated, and an oxide film is formed on those portions, and the adhesion of the Al-Mn alloy plating It can cause failure. The pre-plated coating weight can be more than 5 g / m 2 , but is not preferred from the viewpoint of cost.

【0035】このように前処理した基体金属を水洗した
後、次工程のAl−Mn合金めっき用の溶融塩浴に水分が混
入しないように、十分に乾燥する。この乾燥は、プレめ
っき表面に酸化皮膜が生成しないように、雰囲気または
温度を調整する (例、不活性ガス雰囲気下で乾燥する)
ことが好ましい。
After the base metal thus pretreated is washed with water, it is sufficiently dried so that moisture does not enter the molten salt bath for Al-Mn alloy plating in the next step. For this drying, adjust the atmosphere or temperature so that no oxide film is formed on the pre-plated surface (eg, dry in an inert gas atmosphere)
Is preferred.

【0036】アルミニウム系溶融塩電気めっきは既に周
知であり、本発明のAl−Mn合金めっき被覆も従来法に従
って実施すればよい。溶融塩電解浴は、アルミニウムお
よびマンガンの塩を含む限り、何等限定されるものでは
ない。また、浴中に不可避的に混入する不純物イオンに
よって、生成したAl−Mn合金被覆中に他の金属が共析す
る場合も本発明の範囲内であるが、その共析量は1重量
%以内が好ましい。
Aluminum-based molten salt electroplating is already well-known, and the Al—Mn alloy plating coating of the present invention may be performed according to a conventional method. The molten salt electrolytic bath is not particularly limited as long as it contains aluminum and manganese salts. Also, it is within the scope of the present invention that other metals co-deposit in the formed Al-Mn alloy coating due to impurity ions unavoidably mixed into the bath, but the amount of eutectoid is within 1% by weight. Is preferred.

【0037】使用する電解浴の代表例は塩化アルミニウ
ム系混合溶融塩であり、これは塩化アルミニウムおよび
塩化マンガンと共に、無機塩類等のその他の塩化物を含
む。無機塩化物の例としては、例えば塩化ナトリウム、
塩化カリウム、塩化リチウム等のアルカリ金属塩化物が
挙げられる。溶融塩の温度はその成分や組成によっても
異なるが、例えば、AlCl3-NaCl-KCl系の共晶組成の溶融
塩にMnCl2 を添加した合金めっき浴の場合は、200 ℃前
後でめっきされる。
A typical example of the electrolytic bath used is an aluminum chloride-based mixed molten salt, which contains other chlorides such as inorganic salts together with aluminum chloride and manganese chloride. Examples of inorganic chlorides include, for example, sodium chloride,
Examples thereof include alkali metal chlorides such as potassium chloride and lithium chloride. The temperature of the molten salt varies depending on its component and composition.For example, in the case of an alloy plating bath in which MnCl 2 is added to a molten salt having a eutectic composition of AlCl 3 -NaCl-KCl, plating is performed at around 200 ° C. .

【0038】溶融塩電気めっきの後、溶融塩浴から取り
出しためっき材を水洗、乾燥すると、本発明のリチウム
電池の負極担体として使用する被覆材が得られる。この
負極担体の構成例を図1に示す。図1において、1は基
体金属 (集電体、例、0.4 mm厚のSUS430ステンレス鋼
箔) 、2はプレめっき層 (例、 0.2μm厚のニッケルめ
っき層) 、3は、本発明の特徴である溶融塩電気めっき
法により形成されたAl−Mn合金めっき層 (例、20μm厚
のAl−17%Mn合金めっき層) である。基体金属がニッケ
ルのように酸化しにくい金属である場合、或いは被覆を
スパッタリングなどの乾式法で形成した場合には、プレ
めっき層2は必要ない。
After the molten salt electroplating, the plating material taken out of the molten salt bath is washed with water and dried to obtain a coating material used as the negative electrode carrier of the lithium battery of the present invention. FIG. 1 shows a configuration example of the negative electrode carrier. In FIG. 1, 1 is a base metal (a current collector, eg, SUS430 stainless steel foil having a thickness of 0.4 mm), 2 is a pre-plating layer (eg, a nickel plating layer having a thickness of 0.2 μm), and 3 is a feature of the present invention. It is an Al—Mn alloy plating layer (eg, a 20 μm thick Al-17% Mn alloy plating layer) formed by a certain molten salt electroplating method. When the base metal is a metal which is hardly oxidized such as nickel, or when the coating is formed by a dry method such as sputtering, the pre-plating layer 2 is not necessary.

【0039】本発明においては、負極担体の少なくとも
表面部分が非平衡相を含有する組織、具体的にはMn過飽
和Al相とAl−Mn非晶質相との混相になっていればよく、
このような組織を持つAl−Mn合金層は、非水系電気めっ
きのみならず、前述した乾式法でも形成できる。また、
液体急冷法やメカニカルアロイング法によって、負極担
体の全体をこのような非平衡相組織を持つAl−Mn合金か
ら形成することも考えられるが、これらの方法では大面
積で均一な負極担体を製造することが困難であり、機械
強度も十分とは言えない。さらに、この場合には、得ら
れた負極担体を別に製作した集電体と接合しなければな
らない。上記のように、乾式法または電気めっき法によ
り集電体をAl−Mn合金で被覆した被覆材から負極担体を
構成することにより、集電体と一体化した構造を持ち、
機械的強度が高く、大面積の負極担体を容易に製造する
ことが可能となる。
In the present invention, it is sufficient that at least the surface of the negative electrode carrier has a structure containing a non-equilibrium phase, specifically, a mixed phase of a Mn supersaturated Al phase and an Al-Mn amorphous phase.
The Al-Mn alloy layer having such a structure can be formed not only by non-aqueous electroplating but also by the above-mentioned dry method. Also,
It is conceivable that the entire negative electrode carrier may be formed from an Al-Mn alloy having such a non-equilibrium phase structure by a liquid quenching method or a mechanical alloying method.However, these methods produce a large-area and uniform negative electrode carrier. And the mechanical strength is not sufficient. Further, in this case, the obtained negative electrode carrier must be joined to a separately manufactured current collector. As described above, by constituting the negative electrode carrier from a coating material obtained by coating the current collector with an Al-Mn alloy by a dry method or an electroplating method, having a structure integrated with the current collector,
It is possible to easily produce a large-area negative electrode carrier having high mechanical strength.

【0040】Al−Mn合金被覆層中のMn含有量は10〜25重
量%の範囲内とする。Mn含有量が10重量%より少ない
と、Liとの反応を行うAl結晶相 (Mn過飽和Al相) を支え
るAl−Mn非晶質相がほとんど生成せず、実質的にMn過飽
和Al相の単相と同じことになるので、充放電の繰り返し
時に反応生成物であるAl−Li化合物の脱落による微粉化
を有効に防ぐことができず、サイクル特性が低下する。
The Mn content in the Al-Mn alloy coating layer is set in the range of 10 to 25% by weight. If the Mn content is less than 10% by weight, almost no Al-Mn amorphous phase that supports the Al crystal phase (Mn supersaturated Al phase) that reacts with Li is formed, and the Mn supersaturated Al phase is substantially single. Since it is the same as the phase, it is not possible to effectively prevent the pulverization due to the falling off of the reaction product Al-Li compound at the time of repetition of charge and discharge, and the cycle characteristics are deteriorated.

【0041】Mn含有量が25重量%を超えると、組織がAl
−Mn非晶質相の単相に変化する。Liと反応して合金化す
るAl結晶質相がなお少しは残る場合もあるが、その割合
が少なくなるため、リチウムの吸蔵量が少なくなり、電
池容量は著しく低下し、Al結晶質相が消失すると、実質
的に負極として機能しなくなる。Al−Mn合金被覆層の好
ましいMn含有量は13〜20重量%の範囲内である。
If the Mn content exceeds 25% by weight, the structure becomes Al
-Change to a single phase of the Mn amorphous phase. In some cases, the Al crystalline phase that reacts with Li and alloys may remain a little, but since the ratio is reduced, the amount of lithium absorbed decreases, the battery capacity is significantly reduced, and the Al crystalline phase disappears. Then, it does not substantially function as a negative electrode. The preferred Mn content of the Al-Mn alloy coating layer is in the range of 13 to 20% by weight.

【0042】Al−Mn合金被覆層の厚みは、電池の利用目
的によって適宜設定されるが、通常1〜100 μm、特に
3〜30μmの範囲内が好ましい。被覆厚みが小さいと、
成膜が短時間で可能であるが、電池容量が小さくなる。
逆に、被覆厚みが大きくなると、電池容量は大きくなる
が、成膜に時間を要する。Al−Mn合金層による被覆は、
基体金属の全表面に行う必要はなく、一部の表面のみを
被覆してもよい。通常は、図1に例示したように、基体
金属の全面に上記のAl−Mn合金被覆層を形成するが、コ
イン型電池では片面のみの被覆でよい。
The thickness of the Al—Mn alloy coating layer is appropriately set depending on the purpose of use of the battery, but is usually preferably 1 to 100 μm, particularly preferably 3 to 30 μm. If the coating thickness is small,
Film formation is possible in a short time, but the battery capacity is reduced.
Conversely, as the coating thickness increases, the battery capacity increases, but it takes time to form the film. Al-Mn alloy layer coating,
It is not necessary to cover the entire surface of the base metal, and only a part of the surface may be coated. Normally, as shown in FIG. 1, the above-mentioned Al-Mn alloy coating layer is formed on the entire surface of the base metal. However, in the case of a coin-type battery, only one side may be coated.

【0043】本発明のリチウム電池は、基体金属 (好ま
しくは集電体) 表面に上記の非平衡相を含有する組織か
らなるAl−Mn合金被覆層を有する被覆材を負極担体とす
る点を除いて、従来のリチウム電池と同様に構成するこ
とができる。即ち、正極、電解質、セパレータなどの他
の構成要素は従来のものと同様でよい。なお、電解質と
しては、従来より一般に使用されている、リチウム塩
(例、LiBF4 、LiClO4など) を非プロトン性有機溶媒
(例、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネー
ト、 1,2−ジメトキシエタン等) に溶解した非水溶液の
ほかに、リチウムイオン伝導性固体 (例、ポリエチレン
オキサイドとリチウム塩からなる電解質等) も使用でき
る。
The lithium battery of the present invention is characterized in that a coating material having an Al-Mn alloy coating layer composed of a structure containing the above non-equilibrium phase on the surface of a base metal (preferably a current collector) is used as a negative electrode carrier. Thus, it can be configured similarly to a conventional lithium battery. That is, the other components such as the positive electrode, the electrolyte, and the separator may be the same as the conventional components. In addition, as the electrolyte, a lithium salt, which has been generally used conventionally,
(E.g., LiBF 4 , LiClO 4 etc.) with an aprotic organic solvent
In addition to a non-aqueous solution dissolved in (eg, propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, etc.), a lithium ion conductive solid (eg, an electrolyte composed of polyethylene oxide and a lithium salt) can also be used.

【0044】本発明のリチウム電池は、負極の大面積化
が容易で、充放電特性に優れていることから、電気自動
車や電力貯蔵用に使用する大容量のリチウム二次電池に
好適であるが、その性能上、リチウム一次電池や、携帯
用電気製品に用いる小型のリチウム二次電池に用いても
何ら問題のないことは自明である。
The lithium battery of the present invention is suitable for a large-capacity lithium secondary battery used for electric vehicles and electric power storage because the area of the negative electrode can be easily increased and the charge / discharge characteristics are excellent. In terms of its performance, it is obvious that there is no problem even if it is used for a lithium primary battery or a small lithium secondary battery used for a portable electric product.

【0045】[0045]

【実施例】以下、実施例によって本発明をさらに詳細に
説明する。実施例中、%は特に指定のない限り、重量%
である。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. In the examples,% is% by weight unless otherwise specified.
It is.

【0046】実施例1 下記構成のリチウム二次電池を作製した。正極は、正極
活物質MnO2、導電性グラファイト、および結合剤のポリ
フッ化ビニリデンをDMF (ジメチルホルムアミド) に
混合した懸濁液を、厚さ20μm、幅40 mm 、長さ1250 m
m のニッケル箔に均一に塗布し、乾燥することによって
作製した。
Example 1 A lithium secondary battery having the following structure was manufactured. The positive electrode is a suspension in which the positive electrode active material MnO 2 , conductive graphite, and polyvinylidene fluoride as a binder are mixed with DMF (dimethylformamide), and has a thickness of 20 μm, a width of 40 mm, and a length of 1250 m.
m was uniformly applied to a nickel foil and dried.

【0047】負極は、上記と同じ寸法のニッケル箔の両
面の全面を、溶融塩電気めっき法またはスパッタリング
法により、厚さ10μmのAl−Mn合金で被覆することによ
り作製した。電気めっき条件は表1に示す通りであっ
た。スパッタリング法は、溶製法により作製したAl−Mn
合金板をターゲット材として使用し、真空度10-6〜10-7
torrの真空容器中で、出力150 W で成膜した。膜厚はス
パッター時間を調整することで制御した。Mn含有量はタ
ーゲット材中のMn含有量を変更することで調整した。
The negative electrode was prepared by coating the entire surface of both sides of a nickel foil having the same dimensions as above with a 10 μm thick Al-Mn alloy by a molten salt electroplating method or a sputtering method. The electroplating conditions were as shown in Table 1. Sputtering method, Al-Mn produced by melting method
Using alloy plate as target material, vacuum degree 10 -6 to 10 -7
The film was formed at a power of 150 W in a vacuum vessel of torr. The film thickness was controlled by adjusting the sputtering time. The Mn content was adjusted by changing the Mn content in the target material.

【0048】[0048]

【表1】 セパレーターには40μm厚のポリプロピレン微多孔膜を
用いた。正負両極をセパレーターを介してロール状に巻
取り、これを電池缶に入れた後、電解液として非水溶液
であるLiClO4の1Mプロピレンカーボネート溶液を満た
し、封口して、図2に示すようなリチウム二次電池を組
み立てた。図2において、4は正極、5はセパレータ
ー、6は負極、7は絶縁板、8はニッケル製の正極リー
ド、9はガスケットである。
[Table 1] A 40 μm thick polypropylene microporous membrane was used as the separator. The positive and negative electrodes were wound into a roll via a separator, placed in a battery can, filled with a 1 M propylene carbonate solution of LiClO 4 , which is a non-aqueous solution, as an electrolytic solution, sealed, and sealed as shown in FIG. The secondary battery was assembled. 2, reference numeral 4 denotes a positive electrode, 5 denotes a separator, 6 denotes a negative electrode, 7 denotes an insulating plate, 8 denotes a nickel positive electrode lead, and 9 denotes a gasket.

【0049】このリチウム二次電池のサイクル寿命を繰
り返し充放電試験により測定した。充放電サイクルは、
(充電500 mA×30分) → (5分休止) → (放電500 mAで
1.0V vs. Liになるまで) → (5分休止) からなり、充
放電効率 [=(放電電気量/充電電気量×100]が90%まで
低下したときを寿命として、サイクル寿命(寿命までの
サイクル数)を求めて、充放電特性を評価した。
The cycle life of this lithium secondary battery was repeatedly measured by a charge / discharge test. The charge and discharge cycle is
(Charge 500 mA x 30 minutes) → (5 minutes pause) → (Discharge 500 mA
1.0V vs. Li) → (5 minutes pause), and the cycle life (to the life is defined as the life when the charge / discharge efficiency [= (discharged electricity / charged electricity × 100)] drops to 90% And the charge / discharge characteristics were evaluated.

【0050】表2に、こうして求めたサイクル寿命を、
負極中のAl−Mn合金被覆中のMn含有量、X線回折と透過
型電子顕微鏡による組織観察によって調べたAl−Mn合金
被覆の組織と共に示す。
Table 2 shows the cycle life thus obtained.
It shows the Mn content in the Al-Mn alloy coating in the negative electrode, the structure of the Al-Mn alloy coating examined by X-ray diffraction and observation of the structure by a transmission electron microscope.

【0051】[0051]

【表2】 [Table 2]

【0052】表2の結果から明らかなように、比較例の
うち、試験No. 1〜5ではAl−Mn合金被覆中のMn含有量
が10%より低く、結晶構造がfcc-Al単相 (Mnが過飽和で
ある非平衡状態のものも含むが) であるため、充放電の
繰り返しにより負極合金が脱落し、サイクル寿命が200
回以下と短かった。一方、試験No. 12〜14では、Al−Mn
合金被覆のMn含有量が25重量%を超えたため、組織がAl
−Mn非晶質単相となり、Liとの合金化が起こらないため
に、90%以上の効率は得られなかった。
As is clear from the results in Table 2, among the comparative examples, in Test Nos. 1 to 5, the Mn content in the Al-Mn alloy coating was lower than 10%, and the crystal structure was fcc-Al single phase ( (Including those in the non-equilibrium state where Mn is supersaturated.)
It was short, less than times. On the other hand, in Test Nos. 12 to 14, Al-Mn
Since the Mn content of the alloy coating exceeded 25% by weight, the structure was changed to Al.
Since it became -Mn amorphous single phase and did not alloy with Li, an efficiency of 90% or more could not be obtained.

【0053】これに対して、本発明例である試験No. 6
〜11では、結晶質のfcc-Al相 (Mn過飽和) とAl−Mn非晶
質相との混相組織からなるAl−Mn合金被覆が形成され、
サイクル寿命が1000回以上と飛躍的に延びた。
On the other hand, Test No. 6 which is an example of the present invention
In ~ 11, an Al-Mn alloy coating consisting of a mixed phase structure of a crystalline fcc-Al phase (Mn supersaturated) and an Al-Mn amorphous phase is formed,
The cycle life has been dramatically extended to over 1,000 times.

【0054】参考のために、従来例として、冶金的方法
(溶製、鋳込み、圧延)で作製した純Al板およびAl−Mn
合金板(厚み100 μm) を上記ニッケル箔に圧着して負
極担体を構成したものを用いて、上記と同様に二次電池
の組立てと繰り返し充放電試験とを行った。この場合の
サイクル寿命は、純Al板で90回程度、Mnを添加したAl−
Mn合金板の場合でも、Mn含有量を変化させても表2の比
較例と同程度であり、本発明ほどの飛躍的なサイクル寿
命の改善は見られなかった。
For reference, as a conventional example, a pure Al plate and Al-Mn prepared by a metallurgical method (melting, casting, rolling).
Using the alloy plate (thickness: 100 μm) pressed against the nickel foil to form a negative electrode carrier, a secondary battery was assembled and a charge / discharge test was repeated in the same manner as described above. The cycle life in this case is about 90 times with a pure Al plate, and the Al-
Even in the case of the Mn alloy plate, even if the Mn content was changed, it was almost the same as that of the comparative example in Table 2, and the cycle life was not significantly improved as in the present invention.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明によれば、Mn含有量10〜25重量%
のAl−Mn合金で基体金属を、熱力学的非平衡相を形成す
る電気めっき法、スパッタリング法などの被覆法により
被覆することで、非平衡相、具体的にはMn過飽和Al結晶
相とAl−Mn非晶質相との混相からなるAl−Mn合金被覆層
が形成され、リチウム二次電池の充放電サイクル特性が
飛躍的に改善される。さらに、本発明の方法で製造され
る負極担体は、大面積のものを低コストで製造すること
ができる。そのため、電気自動車や電力貯蔵用の大型で
大出力のリチウム二次電池を低コストで製造することが
可能となり、本発明の工業的価値は極めて高い。
According to the present invention, the Mn content is 10 to 25% by weight.
By coating the base metal with an Al-Mn alloy by a coating method such as an electroplating method that forms a thermodynamic non-equilibrium phase and a sputtering method, a non-equilibrium phase, specifically, a Mn supersaturated Al crystal phase and Al An Al-Mn alloy coating layer composed of a mixed phase with a -Mn amorphous phase is formed, and the charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery are dramatically improved. Furthermore, the negative electrode carrier produced by the method of the present invention can produce a large area substrate at low cost. Therefore, a large-sized, large-output lithium secondary battery for electric vehicles and power storage can be manufactured at low cost, and the industrial value of the present invention is extremely high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る負極担体の1例の略式断面図であ
る。
FIG. 1 is a schematic sectional view of one example of a negative electrode carrier according to the present invention.

【図2】本発明に係るリチウム電池の1例の略式断面図
である。
FIG. 2 is a schematic sectional view of one example of a lithium battery according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:金属基体(集電体)、2:プレめっき層、3:Al−
Mn合金被覆層、4:正極、5:セパレーター、6:負
極、7:絶縁板、 8:正極リード、9:ガスケット
1: metal substrate (current collector), 2: pre-plated layer, 3: Al-
Mn alloy coating layer, 4: positive electrode, 5: separator, 6: negative electrode, 7: insulating plate, 8: positive electrode lead, 9: gasket

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01M 10/40 H01M 10/40 Z (72)発明者 樋口 俊一 大阪府池田市緑丘1丁目8番31号 工業 技術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者 阿部 賢 大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友 金属工業株式会社内 (72)発明者 内田 淳一 大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友 金属工業株式会社内 (72)発明者 平山 克郎 大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友 金属工業株式会社内 (72)発明者 福井 国博 大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友 金属工業株式会社内 審査官 天野 斉 (56)参考文献 特開 平5−290853(JP,A) 特開 平6−310126(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 4/02 - 4/12 H01M 4/64 - 4/84 H01M 6/14 - 6/20 H01M 10/40 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01M 10/40 H01M 10/40 Z (72) Inventor Shunichi 1-8-3 Midorigaoka, Ikeda-shi, Osaka Within the Technical Research Institute (72) Inventor Ken Abe 4-5-33 Kitahama, Chuo-ku, Osaka City Inside Sumitomo Metal Industries, Ltd. (72) Inventor Junichi Uchida 4-5-33, Kitahama, Chuo-ku, Osaka Sumitomo Metal Industries, Ltd. (72) Inventor Katsuro Hirayama 4-5-33 Kitahama, Chuo-ku, Osaka City Inside Sumitomo Metal Industries, Ltd. (72) Inventor Kunihiro Fukui 4-5-33, Kitahama, Chuo-ku, Osaka City Examination in Sumitomo Metal Industries, Ltd. Government Hitoshi Amano (56) References JP-A-5-290853 (JP, A) JP-A-6-310126 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01M 4/02 -4/12 H01M 4/64-4/84 H01M 6/14-6/20 H01M 10/40

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 正極と、リチウムを活物質とする負極
と、リチウム塩の非水溶液またはリチウムイオン伝導性
固体からなる電解質とから構成されるリチウム電池であ
って、前記負極が、Mn過飽和fcc-Al相とAl−Mn非晶質合
金相との混相からなる熱力学的に非平衡なAl−Mn合金被
覆層を基体金属表面に有する被覆材を担体とするもので
あることを特徴とする、リチウム電池。
1. A lithium battery comprising a positive electrode, a negative electrode using lithium as an active material, and an electrolyte comprising a non-aqueous solution of a lithium salt or a lithium ion conductive solid, wherein the negative electrode has a Mn supersaturated fcc- A carrier having a coating material having a thermodynamically non-equilibrium Al-Mn alloy coating layer composed of a mixed phase of an Al phase and an Al-Mn amorphous alloy phase on the surface of the base metal, Lithium battery.
【請求項2】 二次電池である請求項1記載のリチウム
電池。
2. The lithium battery according to claim 1, which is a secondary battery.
【請求項3】 基体金属の表面を熱力学的非平衡相を形
成する被覆方法によりMn含有量10〜25重量%のAl−Mn合
金で被覆することからなる、リチウム電池用負極担体の
製造方法。
3. A method for producing a negative electrode carrier for a lithium battery, comprising coating a surface of a base metal with an Al—Mn alloy having a Mn content of 10 to 25% by weight by a coating method for forming a thermodynamic non-equilibrium phase. .
【請求項4】 前記被覆方法が非水系電気めっき法であ
る、請求項3記載の方法。
4. The method according to claim 3, wherein said coating method is a non-aqueous electroplating method.
JP6214911A 1994-09-08 1994-09-08 Method for producing lithium battery and negative electrode carrier thereof Expired - Lifetime JP2936217B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP6214911A JP2936217B2 (en) 1994-09-08 1994-09-08 Method for producing lithium battery and negative electrode carrier thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP6214911A JP2936217B2 (en) 1994-09-08 1994-09-08 Method for producing lithium battery and negative electrode carrier thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0878011A JPH0878011A (en) 1996-03-22
JP2936217B2 true JP2936217B2 (en) 1999-08-23

Family

ID=16663621

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP6214911A Expired - Lifetime JP2936217B2 (en) 1994-09-08 1994-09-08 Method for producing lithium battery and negative electrode carrier thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2936217B2 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3879197B2 (en) * 1997-09-12 2007-02-07 トヨタ自動車株式会社 Method for producing electrode for lithium ion secondary battery
JP4056183B2 (en) * 1999-09-24 2008-03-05 松下電器産業株式会社 Negative electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP4056180B2 (en) * 1999-08-30 2008-03-05 松下電器産業株式会社 Negative electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP4056181B2 (en) * 1999-08-31 2008-03-05 松下電器産業株式会社 Anode material for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery
WO2000024070A1 (en) * 1998-10-22 2000-04-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Secondary cell having non-aqueous electrolyte
US7258950B2 (en) 2000-09-20 2007-08-21 Sanyo Electric Co., Ltd. Electrode for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery
US7521153B2 (en) * 2004-03-16 2009-04-21 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Corrosion protection using protected electron collector
WO2022030333A1 (en) * 2020-08-03 2022-02-10 公立大学法人大阪 Negative electrode composite body and secondary battery

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0878011A (en) 1996-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7534528B2 (en) Electrode material for anode of rechargeable lithium battery, electrode structural body using said electrode material, rechargeable lithium battery using said electrode structural body, process for producing said electrode structural body, and process for producing said rechargeable lithium battery
CN108232114B (en) Composite cathode, preparation and application thereof in preparation of lithium ion battery
US6794087B2 (en) Lithium battery having evenly coated negative electrode and method of manufacture thereof
US6916581B2 (en) Electrode for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery
US20160133941A1 (en) Anode and battery
TW201140922A (en) Negative electrode material for battery, negative electrode precursor material for battery, and battery
JP2002270156A (en) Lithium secondary battery electrode and lithium secondary battery
JP4653510B2 (en) Anode material for lithium secondary battery
JP2936217B2 (en) Method for producing lithium battery and negative electrode carrier thereof
CN112786823A (en) Long-life self-supporting alkali metal battery cathode and preparation method and application thereof
JP4764232B2 (en) Anode for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery
JP3987851B2 (en) Secondary battery negative electrode and secondary battery including the same
JP3877170B2 (en) Non-aqueous secondary battery negative electrode, method for producing the same, and non-aqueous secondary battery using the negative electrode
JP4493267B2 (en) Anode material for lithium secondary battery
JP5422360B2 (en) Method for producing porous metal body for lithium secondary battery active material
JPH08180853A (en) Separator and lithium secondary battery
JP2000012016A (en) Negative electrode for battery and its manufacture
JP2007172963A (en) Negative electrode for lithium-ion secondary battery, and its manufacturing method
JP2001250541A (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2003257417A (en) Negative electrode for lithium ion secondary battery
US7524585B2 (en) Anode and battery using it
CN114141992A (en) Self-propagating alloyed lithium negative electrode and preparation method thereof
JP2003257418A (en) Negative electrode for lithium ion secondary battery
CN219457659U (en) Composite negative electrode current collector for molten lithium metal battery
JP2004006153A (en) Negative electrode for lithium ion secondary battery

Legal Events

Date Code Title Description
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 19990427

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080611

Year of fee payment: 9

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080611

Year of fee payment: 9

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

EXPY Cancellation because of completion of term