JP3409082B2 - リチウム二次電池用負極材料の製造方法及びリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池用負極材料の製造方法及びリチウム二次電池

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JP3409082B2 JP2000293228A JP2000293228A JP3409082B2 JP 3409082 B2 JP3409082 B2 JP 3409082B2 JP 2000293228 A JP2000293228 A JP 2000293228A JP 2000293228 A JP2000293228 A JP 2000293228A JP 3409082 B2 JP3409082 B2 JP 3409082B2
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正 石田
繁治 田村
昭一 望月
敏行 三原
光春 田渕
博之 蔭山
泰史 上坊
善史 山本
政夫 松岡
純 玉置
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム二次電池
用負極材料の製造方法、該製造方法によって得られた負
極材料、及び該負極材料を用いたリチウム二次電池に関
する。
【0002】
【従来の技術】リチウム二次電池は携帯用機器電源とし
て各方面で広く実用化されている。特に、近年、マイク
ロマシーン技術や非接触型ICカードなどの関連技術の
発展に伴い、電源のダウンサイジング化を進めた半導体
基板搭載型薄膜電池が脚光を浴びている。
【0003】最近の研究では、4V級正極材料を用いる
ことで薄膜電池のエネルギー密度の向上が図られてきて
いる。このような研究の内で、例えばエス.ディー.ジョ
ーンズ他(S.D. Jones et al.), ジャーナル オブ
パワーソース(J Power Sources), 43-44, 505-513(1
993), ジェイ.ビー.ベイツ他(J.B. Bates et al.),ソ
リッド ステート アイオニックス(Solid State Ioni
cs), 70/71, 619-928(1994)等において、優れたサイク
ル特性を示す薄膜電池が報告されている。
【0004】一方、負極材料としては、真空蒸着などで
容易に成膜でき、高いエネルギー密度を示すことから、
リチウム金属が一般的に使用されている。しかしなが
ら、リチウム金属は、水との反応性が高いために、これ
を負極材料として用いる場合には、水分量が制御された
環境下(露点50度以下)または高真空下でのリチウム
薄膜の作製が必要となる。この様に、リチウム金属には
空気中では取り扱えないという欠点があり、連続的なプ
ロセスで薄膜電池の作製を行う場合に雰囲気制御が非常
に困難であるという問題点もある。また、リチウムを負
極材料として用いると、破損時における発火の危険性も
ある。
【0005】最近、スズを含有する酸化物や合金等のス
ズ系材料が高容量を示すことが注目され、カーボンに続
く次世代負極材料として多くの研究がなされている。ス
ズ系材料は、体積当たりの理論エネルギー密度が比較的
高く、空気中で容易に取り扱えることが特徴として挙げ
られるが、Liのインターカレーションに伴う体積膨張
が大きいために、充放電サイクルを繰り返すと劣化が生
じることや、基板との界面で剥離を生じ易いことなどの
改善すべき課題が存在する。特に、金属スズを負極材料
として用いるとサイクル特性が著しく劣化することが報
告されている。また、スズ酸化物ではサイクル特性が改
善された薄膜電極も報告されているが、充分なサイクル
特性を有するものとはいえず、更に、本質的な初期の大
きな不可逆容量の問題点も併せ持っている。しかも、上
記した酸化スズ薄膜電極は、573K以上に基板を加熱
して作製されていることから、利用可能な基板の種類が
限定されるという問題点もある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
リチウム二次電池、特に薄膜リチウム二次電池用に適し
た高エネルギー密度でサイクル特性の良好な負極材料を
低温で製造できる方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記した従
来技術の問題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の条
件下で真空蒸着法によってスズ薄膜を形成する場合、又
は特定の条件下にCVD法によって酸化スズ薄膜を形成
する場合には、比較的低い基板温度で、高エネルギー密
度でサイクル特性に優れた負極材料を製造できることを
見出し、ここに本発明を完成するに至った。
【0008】.スズ源としてテトラメチルスズを用
い、酸素源としてオゾン含有酸素を用い、基板温度を37
3K〜523Kに保持しつつCVD法によって基板上に酸化スズ
薄膜を形成することを特徴とするリチウム二次電池用負
極材料の製造方法。 .紫外線照射下にCVD法によって酸化スズ薄膜を形成
する上記項に記載の方法。 .上記項1または2に記載の方法によって形成された
酸化スズ薄膜を有するリチウム二次電池用負極材料。 .上記項に記載のリチウム二次電池用負極材料を構
成要素とするリチウム二次電池。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明によれば、以下の二種類の
気相方法によって、比較的低い基板温度で、高エネルギ
ー密度でサイクル特性に優れたスズ系薄膜からなる負極
材料を製造できる。 (1)真空蒸着法 蒸着原料として金属スズを用い、10-3〜10-7Tor
r程度の真空条件下で、基板温度を273K〜573K
程度、好ましくは373K〜523K程度として真空蒸
着を行うことによって、リチウム二次電池の負極材料と
して優れた特性を有するスズ薄膜を形成できる。
【0010】基板としては、上記した基板温度において
安定に使用できるものであれば特に限定はなく、例え
ば、シリコン、SUS304、銅板、プラスチックス等
を用いることができる。
【0011】特に、基板として銅板を用い、基板温度を
423K〜523K程度に加熱する場合には、形成され
る薄膜はスズ−銅合金となる。このスズ−銅合金薄膜
は、リチウム二次電池の負極材料として用いた場合に、
特に良好なサイクル特性を示すものとなる。 (2)CVD法 スズ源としてテトラメチルスズ(Sn(CH34)を用
い、酸素源としてオゾン含有酸素を用いて、CVD法に
よって酸化スズ薄膜を形成することにより、リチウム二
次電池用負極材料として優れた特性を有する酸化スズ薄
膜を形成できる。
【0012】オゾン含有酸素としては、例えば、オゾン
含有量2〜10体積%程度の酸素を用いることができ
る。
【0013】成膜方法としては、気体状のテトラメチル
スズとオゾン含有酸素を反応室内に導入し、基板を加熱
すればよく、これによってガスの分解が進行して酸化ス
ズが基板上に析出する。反応室内の圧力は、通常、1×
102〜1×104Pa程度とすればよく、圧力を低くす
る程、成膜速度は遅くなるが、良好な薄膜が形成される
傾向がある。
【0014】反応室中へのテトラメチルスズの流量は1
〜10sccm程度とすることが好ましく、オゾン含有
酸素の流量は100〜400sccm程度とすることが
好ましい。
【0015】基板温度は、373K〜523K程度、好
ましくは473〜523K程度とすればよい。
【0016】基板としては、上記した基板温度において
安定に使用できるものであれば特に限定はなく、例え
ば、シリコン、SUS304、銅板、プラスチックス等
を用いることができる。
【0017】上記した条件でCVD法によって酸化スズ
薄膜を形成する際に、反応系に紫外線を照射する場合に
は、テトラメチルスズ及びオゾン含有酸素がラジカル化
することで反応性が増大され、成膜速度がより早くな
り、形成される酸化スズ薄膜はより高い導電性を示すも
のとなる。
【0018】紫外線としては、原料ガスに含まれるテト
ラメチルスズ及びオゾン含有酸素の分解を進行させるこ
とが可能な波長範囲のものを用いればよく、例えば、5
0nm〜400nm程度、好ましくは100〜280n
m程度の波長の紫外線を有効に用いることができる。
【0019】上記した真空蒸着法によって得られたスズ
薄膜及びスズ銅合金薄膜と、CVD法によって得られた
酸化スズ薄膜は、何れも、リチウム二次電池用の負極材
料として用いた場合に、高エネルギー密度を有し、良好
なサイクル特性を示すものとなる。上記した各薄膜をリ
チウム二次電池用負極材料として用いる場合には、膜厚
は、通常、0.1μm〜数10μm程度とすることが好
ましい。
【0020】本発明方法で得られたスズ系薄膜をリチウ
ム二次電池用負極材料として用いる場合には、リチウム
二次電池を構成する負極材料以外の構成要素は、公知の
リチウム二次電池(例えば、基板搭載薄膜型、コイン
型、円筒型等)の電池要素をそのまま採用することがで
きる。
【0021】例えば、上記負極に対する対極としては、
リチウムコバルト酸化物、リチウムニッケル酸化物、リ
チウムマンガン酸化物等の公知のものを採用することが
できる。また、セパレーター、電池容器等としても公知
の電池要素を採用すれば良い。
【0022】また、電解質としては、有機電解液、ゲル
電解質、ポリマー電解質、無機固体電解質などの公知の
ものが適用できる。
【0023】
【発明の効果】本発明方法によれば、比較的低い基板温
度で、リチウム二次電池用負極材料として優れた特性を
有するスズ薄膜、スズ銅合金薄膜又は酸化スズ薄膜を形
成することができる。これらのスズ系薄膜は、空気中で
容易に取り替えることができる安全性に優れたリチウム
二次電池用負極材料であり、これを用いたリチウム二次
電池は、高いエネルギー密度を有し、サイクル特性も良
好という優れた特性を有するものとなる。
【0024】
【実施例】以下、実施例を示して本発明の特徴とすると
ころをより明確にするが、本発明はこれらに限定される
ものではない。
【0025】実施例1 抵抗加熱式真空蒸着装置を用い、10-5torrの真空
中で蒸発原料としての金属スズを抵抗加熱して、SUS
304基板上にスズ薄膜を析出させた。基板温度は、3
93Kとし、成膜時間は30分とした。
【0026】得られた薄膜をX線回折したところ、金属
スズのみが観察され、格子定数は、文献値とほぼ同じ値
を示した。
【0027】得られたスズ薄膜を負極材料として用いて
三極式ガラス型電池を作製し、充放電サイクル特性を調
べた。対極及び参照極としは金属リチウムを用い、有機
電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメ
トキシカーボネート(DMC)の混合溶媒 (1:1)
に過塩素酸リチウムを1Mとなるように溶解した電解液
を用いた。
【0028】その結果、0.8−0.2VのCut-off電
位で初期放電容量500mAh/gを示し、10サイク
ル終了後も400mAh/g程度の放電容量を維持して
いた。
【0029】実施例2 基板材料として銅基板(純度99.9%)を用い、基板
温度を473Kとしたこと以外は、実施例1と同様にし
て蒸着皮膜を形成した。得られた薄膜のX線回折図を図
1に示す。これから明らかなように、主としてスズと銅
の合金相(Cu 6Sn5)が観察され、格子定数は、文献
値とほぼ同じ値を示した。
【0030】得られたスズ銅合金薄膜を負極材料として
用いること以外は、実施例1と同様にして三極式ガラス
型電池を作製し、充放電サイクル特性を調べた。
【0031】結果を図2に示す。図2から明らかなよう
に、0−1.2VのCut-off電位で初期放電容量420
mAh/gを示し、50サイクル終了後も230mAh
/g程度の放電容量を維持していた。
【0032】実施例3 光CVD装置を使用し、蒸着原料としてのテトラメチル
スズ(Sn(CH34)と酸素の原料ガスとしての4%
オゾン含有酸素を、それぞれ、4sccm(テトラメチ
ルスズ)と300sccm(4%オゾン含有酸素)の流
速で反応槽内に導入した。反応槽内の全圧は、1.3×
103Paで一定となるように制御し、基板材料として
SUS304基板を用いて、低圧水銀ランプ(200W)
により波長254及び185nmの紫外線を照射しつ
つ、基板加熱温度473Kで90分間成膜することによ
って、酸化スズ薄膜を作製した。得られた薄膜のX線回
折図を図3に示す。これから明らかなように、形成され
た薄膜は、酸化スズに対応する回折線が観察されず、ア
モルファス相であることが確認できた。
【0033】得られた酸化スズ薄膜を負極材料として用
いること以外は、実施例1と同様にして三極式ガラス型
電池を作製した。
【0034】この三極式ガラス型電池について、電流密
度0.2mA/cm2で充放電サイクル特性を調べた。
結果を図4に示す。図中、cは充電、dは放電を示し、
各数値はサイクル数を示す。図4から判るように、0−
0.8VのCut-off電位で初期放電容量1450mAh
/g、初期充電容量530mAh/gを示した。一方、
2サイクル目の充放電容量はともに560mAh/gで
ほぼ100%の充放電効率を示した。この電池は200
サイクル終了後も590mAh/g程度の放電容量を維
持していた。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例2で得た薄膜のX線回折図。
【図2】実施例2で得た薄膜を負極材料として用いたリ
チウムイオン二次電池の放電容量とサイクル数との関係
を示す図面。
【図3】実施例3で得た薄膜のX線回折図。
【図4】実施例3で得た薄膜を負極材料として用いたリ
チウムイオン二次電池の充放電サイクル特性を示す図
面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三原 敏行 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 田渕 光春 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 蔭山 博之 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 上坊 泰史 滋賀県草津市野路東1丁目1番1号 立 命館大学理工学部内 (72)発明者 山本 善史 滋賀県草津市野路東1丁目1番1号 立 命館大学理工学部内 (72)発明者 松岡 政夫 滋賀県草津市野路東1丁目1番1号 立 命館大学理工学部内 (72)発明者 玉置 純 滋賀県草津市野路東1丁目1番1号 立 命館大学理工学部内 (56)参考文献 特開2000−100429(JP,A) 特開 平7−122274(JP,A) J.Electrochem.So c.,1998年,Vol.145,No.1, pp.1−4 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/00 - 4/04 H01M 4/36 - 4/62 H01M 10/40

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】スズ源としてテトラメチルスズを用い、酸
    素源としてオゾン含有酸素を用い、基板温度を373K〜52
    3Kに保持しつつCVD法によって基板上に酸化スズ薄膜を
    形成することを特徴とするリチウム二次電池用負極材料
    の製造方法。
  2. 【請求項2】紫外線照射下にCVD法によって酸化スズ薄
    膜を形成する請求項に記載の方法。
  3. 【請求項3】請求項1または2に記載の方法によって形
    成された酸化スズ薄膜を有するリチウム二次電池用負極
    材料。
  4. 【請求項4】請求項に記載のリチウム二次電池用負極
    材料を構成要素とするリチウム二次電池。
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