JP4192462B2 - 二次電池用負極およびそれを用いた二次電池 - Google Patents

二次電池用負極およびそれを用いた二次電池 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池用負極およびそれを用いた二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話やノートパソコン等のモバイル端末の普及により、その電力源となる二次電池の役割が重要視されている。これらの二次電池には小型・軽量でかつ高容量であり、充放電を繰り返しても、劣化しにくい性能が求められる。
【0003】
これらの二次電池の負極には、高エネルギー密度でかつ軽量という観点から金属リチウムを用いられることもあるが、この場合充放電サイクルの進行にともない、充電時にリチウム表面に針状結晶(デンドライト)が析出し、この結晶がセパレータを貫通し、内部短絡を起こし、電池の寿命が短くなるという問題点があった。
【0004】
これに対し、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な黒鉛やハードカーボン等の炭素材料を負極として用いた場合、充放電サイクルを良好に繰り返すことができるが、黒鉛材料は金属リチウム、リチウム合金と比較しその容量は小さく、ハードカーボンは初回充放電における不可逆容量が大きく充放電効率が低いためエネルギー密度が小さくなるという課題があった。
【0005】
一方、充放電効率を改善する方法として、特開平5−144473号公報には、負極板の最外周部に金属リチウム箔を貼付し炭素中に拡散させることが開示されている。この方法により高エネルギー密度で耐過放電特性に優れた非水電解液二次電池が得られるとされている。
【0006】
また特開平5−234621号公報には負極活物質としてあらかじめリチウム粉末を電極上に付着させた炭素材料を用いることが開示されている。この負極により充放電容量差を解消でき高容量で安全な電池が提供できるとされている。
【0007】
また特開平5−234621号公報には多層構造を有し、炭素質物を主成分とする担持体に、活物質であるアルカリ金属を担持させた二次電池用電極が開示されている。これにより電極容量が大きく充放電サイクル特性が優れた二次電池用負極電極が得られるとされている。
【0008】
また特開平5−242911号公報には負極に電気的に接続されている構成部品であって、負極活物質以外の構成部品に、電池を組み立てる時に、あらかじめ金属リチウムを電気的に接続することが開示されている。これによりエネルギー密度を高めて、過放電特性を向上できるとされている。
【0009】
また特開平5−275077号公報には、負極の構成要素として用いられるカーボン材の表面をリチウムイオン伝導性固体電解質の薄膜でコーティングしたリチウム二次電池用の負極が開示されている。これによりカーボン材を負極として使用し且つ炭酸プロピレンを電解液の有機溶媒の少なくとも一部として使用する改良されたリチウム二次電池を提供できるとされている。
【0010】
エネルギー密度を高める材料として、組成式がLiA(AはAlなどの金属からなる)で表されるリチウム合金を負極として用いることが検討されている。この負極は単位体積当りのリチウムイオンの吸蔵放出量が多く、高容量である。最近では、Sn等を含む金属酸化物を負極材料として用いることが開示されている(特開平9−147856、特開平9−213329、特開平10−144317、特開平11−45712、WO96/33519)。このような負極材料を用いることによって、高容量の負極が得られるとされている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術は、以下の課題を有していた。
【0012】
第一に、現在望まれているような高い電池容量を実現することが困難であった。炭素負極に金属リチウムを混合、添加、あるいは貼付する等の方法も検討されているが、上記の方法では電池の容量向上には不十分である。炭素の理論容量は372mAh/gであり、他のLi吸蔵合金あるいはLiと比較して体積あるいは重量エネルギー密度とも低いため、充放電効率を100%としても十分な容量向上が期待できないからである。
【0013】
第二に、高い電池容量を実現すべくリチウム吸蔵量の大きい材料を用いた場合においても、不可逆容量が大きく、所望の電池容量を実現することは困難であった。炭素よりもLi吸蔵量の多いSn等のLi吸蔵物質を用いた場合、初回充放電における不可逆容量が大きくかつサイクルによる表面SEI膜の特性が変化するため電池のエネルギー密度を充分高くすることが困難である。その理由は、Li吸蔵物質表面に存在する吸着水、不純物によりLiが消費され、その分のLiが放電時には活性なLiとして機能しないからである。またこの際形成されるLi皮膜は不安定であり、サイクルに伴い変化していくからである。
【0014】
第三に、電池のサイクル特性を充分に向上することが困難であった。従来の電池においては、使用中、電解液による負極材料の劣化を受けることがあり、特に高電圧下、高温下の状態において、かかる損傷が顕著になることがあった。このような場合、電池容量が低下する等、サイクル特性が劣化する。
【0015】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、リチウムイオン二次電池において、電池の高容量化を図りつつ、充放電効率およびサイクル特性を向上させることを課題とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層と、該リチウム吸蔵物質含有層を覆うように形成された、アルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物からなる保護膜とを備える二次電池用負極において、前記保護膜の上部にリチウム膜が設けられたことを特徴とする二次電池用負極が提供される。
この二次電池用負極において、前記リチウム吸蔵物質含有層と前記保護膜との間に、式(I)
MOxまたはMAOx ・・・(I)
(但し、MはSi、Ge、In、Sn、Ag、AlまたはPbであり、Aはアルカリ金属またはアルカリ土類金属である。)からなる膜を備えた構成とすることができる。
本発明によれば、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層と、該リチウム吸蔵物質含有層を覆うように形成された、アルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物からなる保護膜とを備える二次電池用負極において、前記リチウム吸蔵物質含有層と前記保護膜との間に、式(I)
MOxまたはMAOx ・・・(I)
(但し、MはSi、Ge、In、Sn、Ag、AlまたはPbであり、Aはアルカリ金属またはアルカリ土類金属である。)からなる膜を備えたことを特徴とする二次電池用負極が提供される。
本発明によれば、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層と、該リチウム吸蔵物質含有層を覆うように形成された金属酸化物からなる保護膜とを備え、前記保護膜は、隣接領域の酸化作用により酸化を受けた被酸化膜であることを特徴とする二次電池用負極が提供される。
この二次電池用負極において、前記保護膜の上部にリチウム膜が設けられた構成とすることができる。
さらにこの二次電池用負極において、前記リチウム吸蔵物質含有層と前記保護膜との間に、式(I)
MOxまたはMAOx ・・・(I)
(但し、MはSi、Ge、In、Sn、Ag、AlまたはPbであり、Aはアルカリ金属またはアルカリ土類金属である。)からなる膜を備えた構成とすることができる。
また、この二次電池用負極において、前記保護膜は酸化リチウムを含む構成とすることができる。
さらにこの二次電池用負極において、前記リチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含む構成とすることができる。
また、この二次電池用負極において、前記リチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種とリチウムとの合金を含む構成とすることができる。
この二次電池用負極において、前記保護膜の膜厚が1nm以上である構成とすることができる。
本発明によれば、上記の二次電池用負極と、該二次電池用負極に対向配置された二次電池用正極とを備えた二次電池が提供される。
【0017】
この本発明によれば、耐久性、特に電解液に対する化学安定性に優れ、充放電によって破壊されにくいアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物からなる保護膜を備えるため、電解液による負極材料の劣化を有効に防止でき、サイクル特性が向上する。
【0019】
この本発明における保護膜は、隣接領域により酸化を受けた被酸化膜であるため、保護膜からリチウム吸蔵物質含有層にかけて、酸素や保護膜を構成する金属等の組成が漸移的に変化する層構成となる。このため、保護膜とリチウム吸蔵物質含有層との間の密着性が良好となり、かつ、保護膜自体も均一で良好な膜質となる。また、保護膜から隣接領域にかけて、リチウムの吸蔵、放出に伴う体積変化量が漸移的に変化する構成となる結果、充放電の際、保護膜が安定イオン導電性皮膜として動作し、サイクル特性が向上する。
【0020】
上記電池用負極において、保護膜は、酸化リチウムを含む構成とすることができる。この場合、酸化リチウムは安定な皮膜として作用するため、充放電によっても破壊されず、良好なサイクル特性を示す。また、残存リチウムとリチウム吸蔵物質含有層との間に化学的に安定な酸化リチウム皮膜が介在する形態となるため、残存リチウムが不可逆容量の補填に有効に機能することとなる。また加えたリチウムの一部は、Li吸蔵物質内部にドープされ、それによりLi吸蔵物質のリチウムイオン濃度を高め、内部のキャリアー数が増加するため、リチウムイオン導電性がさらに向上する。それにより電池の抵抗を減少させることができる。
【0021】
本発明において、リチウム吸蔵物質含有層は、単一の層から構成されていても、複数層が積層して構成されていてもよい。たとえば、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlまたはPbからなる層を一または二以上設けた構成とすることができる。
【0022】
本発明において、保護膜の上部にリチウム膜が設けられた構成とすることができる。この場合、リチウムは、保護膜を形成するために利用され得るほか、不可逆容量の補填にも利用される。
【0024】
本発明の電池用負極において、前記保護膜の膜厚は、好ましくは1nm以上、より好ましくは3nm以上とする。このようにすれば負極材料の劣化を充分に防止できる。
【0025】
さらに本発明によれば、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層を形成する工程と、
リチウム吸蔵物質含有層を覆うように金属酸化物からなる酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜に対して還元作用を示す還元性膜を、前記酸化膜に接して形成する工程と、を含むことを特徴とする二次電池用負極の製造方法が提供される。
【0026】
この二次電池用負極の製造方法において、前記還元性膜を形成した後、所定時間経過させ、前記酸化膜の少なくとも一部を還元するとともに前記還元性膜の少なくとも一部を酸化する構成とすることができる。
【0027】
さらに、上記二次電池用負極の製造方法において、前記還元性膜を形成した後、所定時間経過させ、前記酸化膜の一部のみを還元し、金属酸化物からなる酸化膜を残存させる構成とすることができる。このように酸化膜を残す構成とした場合、リチウム放出電位の相違する多様な材料により負極が構成されることとなり、この結果、充放電の過程において、リチウムの吸蔵、放出が漸移的に起こるようになり、負極層が急激に体積変化することを防止できる。この結果、充放電の際、保護膜が安定イオン導電性皮膜として動作し、サイクル特性が向上する。
【0028】
さらに、上記二次電池用負極の製造方法において、前記還元性膜を形成した後、所定時間経過させ、前記酸化膜の全部を還元する構成とすることができる。このようにすれば、電極抵抗を低減できる。
【0029】
さらに、上記二次電池用負極の製造方法において、前記還元性膜を形成した後、所定時間経過させ、前記還元性膜の一部のみを酸化する構成とすることができる。かかる構成を採用し、還元性膜の材料としてたとえばリチウムを選択した場合、残存リチウムが、不可逆容量の補填に用いられ、電池特性が向上する。
【0030】
また、上記二次電池用負極の製造方法において、還元性膜を形成する工程の後、酸化膜から還元性膜へ酸素を移動せしめ還元性膜の少なくとも一部を酸化することにより保護膜を形成する構成とすることができる。
【0031】
上記製造方法においては、酸化膜に対して還元作用を示す還元性膜を、酸化膜に接して形成するため、酸化膜の少なくとも一部が還元されるとともに前記還元性膜の少なくとも一部が酸化される。そして、還元性膜の酸化された部分が保護膜として機能する。すなわち、上記製造方法において、保護膜は、保護膜と接する他の領域から酸素が移動することにより形成される。このため、保護膜から隣接領域にかけてその組成が漸移的に変化する層構造が得られる。このため、保護膜と隣接膜との間の密着性が良く、かつ、薄く均一な保護膜が得られる。また、保護膜から隣接膜にかけて、リチウムの吸蔵、放出に伴う体積変化量が漸移的に変化する構成となる。この結果、充放電の際、保護膜が安定イオン導電性皮膜として動作し、サイクル特性が向上する負極を得ることができる。なお、酸化膜の還元および還元性膜の酸化は、通常、還元性膜の成膜初期から進行する。したがって、還元性膜の成膜後、酸化膜の少なくとも一部を還元するとともに還元性膜の少なくとも一部を酸化するためには、必ずしも特別な工程を設ける必要はなく、所定時間経過させればよい。通常、還元性膜の成膜後、他の工程を実施している間に酸化膜のを還元および還元性膜の酸化が進行する。なお、還元性膜の成膜後、必要に応じて加熱処理等を行ったり、室温にて所定時間放置することによって酸化還元反応を進行させてもよい。
【0032】
上記製造方法において、「酸化膜に対して還元作用を示す還元性膜」とは、酸化膜に接したときに、酸化膜を還元し得る材料からなる膜をいう。たとえば、酸化膜として、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlまたはPbの酸化物により構成した場合、アルカリ金属やアルカリ土類金属を、還元性膜材料として選択することができる。還元性膜の構成材料としては、リチウム等が好ましい。
【0033】
本発明において、還元性膜の構成材料は、前記酸化膜を構成する金属よりも低い酸化還元電位を有するものとすることができる。このようにすれば、還元性膜が酸化膜を還元しつつ酸化膜が還元性膜を酸化する反応が円滑に進行し、良好な特性の保護膜が得られる。還元性膜は、たとえばアルカリ金属またはアルカリ土類金属からなる構成とすることができる。また、還元性膜は、リチウムからなる構成とすることができる。
【0034】
さらに、本発明においては、リチウム吸蔵物質含有層上に金属酸化物からなる酸化膜が形成される。この酸化膜はリチウム吸蔵物質含有層に含まれる不純物をトラップする機能を有する。すなわち、リチウム吸蔵物質含有層表面に存在する吸着水、不純物等を酸化膜の中に取り込み、不可逆サイトを不活性化する。これにより、電池の不可逆容量を低減することができる。なお、いったんトラップされた不純物等は、酸化膜が還元される際に、同時に還元物質と反応して不活性化する。
【0035】
本発明において、保護膜は、酸化リチウム(LiO等)を含む構成とすることができる。
【0036】
本発明において、リチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含む構成とすることができる。また、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種とリチウムとの合金を含む構成とすることができる。たとえば、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlまたはPbからなる層を一または二以上設けた構成とすることができる。またSi、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種とリチウムとの合金からなる層を一または二以上設けた構成とすることができる。
本発明において、保護膜の上部にリチウム膜が設けられた構成とすることができる。
【0037】
本発明において、リチウム吸蔵物質含有層と前記保護膜との間に、式(I)
MOまたはMAO ・・・(I)
(但し、MはSi、Ge、In、Sn、Ag、AlまたはPbであり、Aはアルカリ金属またはアルカリ土類金属である。)
からなる膜を備えた構成とすることができる。
【0038】
本発明において、上記酸化膜は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含む構成とすることができる。またリチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含む構成とすることができる。
【0039】
本発明において、上記酸化膜は、リチウム吸蔵物質含有層を構成する金属の酸化物からなるものとすることができる。こうすることによって、リチウム吸蔵物質含有層に含まれる不純物を効率よくトラップする酸化膜を、簡便な工程で作製することができる。
【0040】
本発明において、リチウム吸蔵物質含有層の表面を酸化せしめることにより酸化膜を形成する構成とすることができる。
【0041】
本発明によれば、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層を形成する工程と、その上部にアルカリ金属の酸化物またはアルカリ土類金属の酸化物を含む保護膜を形成する工程と、を含む二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層を覆うように金属酸化物からなる酸化膜を形成する工程をさらに含み、この酸化膜に接して、前記保護膜を形成することを特徴とする二次電池用負極の製造方法が提供される。
この二次電池用負極の製造方法において、前記酸化膜は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含む構成とすることができる
の二次電池用負極の製造方法において、前記酸化膜が前記リチウム吸蔵物質含有層を構成する金属の酸化物とすることができる。
また、この二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層の表面を酸化せしめることにより前記酸化膜を形成することができる。
さらにこの二次電池用負極の製造方法において、前記保護膜は、酸化リチウムからなる構成とすることができる。
さらにこの二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含む構成とすることができる。
また、本発明によれば、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層を形成する工程と、その上部にアルカリ金属の酸化物またはアルカリ土類金属の酸化物を含む保護膜を形成する工程と、を含む二次電池用負極の製造方法において、前記保護膜は、酸化リチウムであり、前記保護膜の上部にリチウム膜が設けられたことを特徴とする二次電池用負極の製造方法が提供される。
この二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層を覆うように金属酸化物からなる酸化膜を形成する工程をさらに含み、この酸化膜に接して、前記保護膜を形成する構成とすることができる。
さらにこの二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層の表面を酸化せしめることにより前記酸化膜を形成することができる。
またこの二次電池用負極の製造方法において、前記酸化膜は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含む構成とすることができる。
またこの二次電池用負極の製造方法において、前記酸化膜が前記リチウム吸蔵物質含有層を構成する金属の酸化物からなる構成とすることができる。
さらにこの二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含む構成とすることができる。
【0042】
本発明によれば、耐久性、特に電解液に対する化学安定性に優れるアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物からなる保護膜が形成されるため、電解液による負極材料の劣化を有効に防止でき、サイクル特性が向上した二次電池が安定的に製造される。
【0043】
この発明において、酸化膜はリチウム吸蔵物質含有層に含まれる不純物をトラップする機能を有する。すなわち、リチウム吸蔵物質含有層表面に存在する吸着水、不純物等を酸化膜の中に取り込み、不可逆サイトを不活性化する。これにより、電池の不可逆容量を低減することができる。
【0044】
この酸化膜は、リチウム吸蔵物質含有層の表面を酸化せしめることにより形成することができる。このような形成方法を採用すれば、リチウム吸蔵物質含有層と酸化膜との間の密着性が向上し、電池のサイクル特性等が向上する。
【0046】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。各実施例において、酸化リチウム等からなる保護膜の膜厚は、いずれも3〜100nmの範囲にあった。
【0047】
(第一の実施の形態)
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は第一の実施の形態を示す負極の断面図である。
【0048】
集電体1aは充放電の際、電池内部から電池外部への電流の取り出し及び電池外部から電池内部への電流の取り込みのための電極である。この集電体1aは導電性の金属箔であればよく、たとえば、アルミニウム、銅、ステンレス、金、タングステン、モリブデン等を用いることができる。
【0049】
Li吸蔵物質2aは負極を形成する活物質であり、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むものとすることが好ましい。Li吸蔵物質2aの形成はCVD法、蒸着法、スパッタ法の各種真空成膜技術を用いることが好ましく、さらにはアモルファス構造をとることが望ましい。Li吸蔵物質2a層の厚みは特に制限がないが、たとえば0.5μm以上200μm以下とする。このような膜厚とすることで、電池の高容量と良好な生産性を両立することができる。
【0050】
酸化皮膜3aはアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物で構成され、Li吸蔵物質2a表面の酸化物8aを還元金属4aが還元することで得られる層である。酸化皮膜3a層の厚みは、好ましくは1nm以上、より好ましくは3nm以上とする。上限は特にないが、たとえば1μm以下とする。膜厚が薄すぎると均一な皮膜とならず、膜厚が厚すぎると酸化皮膜3aの形成に必要な還元金属4a層の厚みが大きくなる。
【0051】
還元金属4aは負極の不可逆容量を補填する金属であり、アルカリ金属またはアルカリ土類金属で構成される。還元金属4aの形成方法としては、還元金属4aからなる箔を酸化膜6a上に貼り付ける、酸化膜6a上に還元金属4aをメッキする、CVD・スパッタ・蒸着法による真空蒸着技術により酸化膜6a上に堆積させる方法があげられる。還元金属4a層の厚みは1nm以上10μm以下となるのが望ましい。
【0052】
なお、図1に示す本発明の実施の形態に類似する構成として、図2に示すように集電体1aの両面にLi吸蔵物質2aと酸化皮膜3aと還元金属4aを具備する構造を採用することもできる。
【0053】
次に、本実施形態に係る負極の製造方法について、図3を参照して説明する。まず集電体1a上にLi吸蔵物質2aを形成する(図3(a))。Li吸蔵物質2aを形成する方法としては、粉末をスラリー状にして集電体1aに塗布する、Li吸蔵物質2aからなる箔を集電体1a上に貼り付ける、集電体1a上にLi吸蔵物質2aをメッキする、あるいはCVD・スパッタ・蒸着法による真空蒸着技術により集電体1a上に堆積させる方法があげられる。次にLi吸蔵物質2a上に酸化膜6aを形成する(図3(b))。酸化膜6aの形成方法としては、酸素を含む大気に曝し表面を酸化する、酸化剤(気体または液体、あるいは気体液体の双方)に表面を曝す、Li吸蔵物質2aの酸化物をメッキする、CVD・スパッタ・蒸着法による真空蒸着技術によりLi吸蔵物質2aの酸化物を形成する方法があげられる。また、Li吸蔵物質2a形成末期あるいは形成後、Li吸蔵物質形成容器内に酸素を含む大気を導入することにより酸化膜6aを得ても良い。つづいて酸化膜6a上に還元金属4aを形成する(図3(c))。還元金属4aの形成方法としては、還元金属4aからなる箔を酸化膜6a上に貼り付ける、酸化膜6a上に還元金属4aをメッキする、CVD・スパッタ・蒸着法による真空蒸着技術により酸化膜6a上に堆積させる方法があげられる。
【0054】
以上のようにして酸化膜6a上に還元金属4aを形成する。ここで、還元金属4aは酸化膜6aに対して還元作用を示すので、酸化膜6aは還元され、もはや酸化膜ではなくなる。すなわち、酸化膜6aから還元金属4aへ酸素が移動し、この結果、酸化膜6aが還元される。これにより、図3(d)に示されるように、還元金属4aとLi吸蔵物質2a界面に還元金属酸化皮膜3aが配置された層構造となる。
【0055】
ここで、酸化膜6aを還元する際、このとき酸化膜6aの一部のみを還元して酸化膜6aを残存させてもよいし、酸化膜6aの全部を還元して酸化膜6aを消滅させてもよい。
本発明のリチウム二次電池において用いることのできる正極活物質としては、LixMO(ただしMは、少なくとも1つの遷移金属を表す。)である複合酸化物、例えば、LixCoO、LixNiO、LiMn、LiMnO、LiNi1−yなどを、カーボンブラック等の導電性物質、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の結着剤をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の溶剤と分散混練したものをアルミニウム箔等の基体上に塗布したものを用いることができる。
【0056】
また、正極活物質として5V級活物質を用いることができる。すなわち、金属リチウム対極電位で4.5V以上にプラトーを有するものを用いることができる。たとえば、リチウム含有複合酸化物が好適に用いられる。リチウム含有複合酸化物としては、スピネル型リチウムマンガン複合酸化物、オリビン型リチウム含有複合酸化物、逆スピネル型リチウム含有複合酸化物等が例示される。リチウム含有複合酸化物は、たとえば下記一般式(I)で表される化合物とすることができる。
【0057】
下記一般式(I)
Li(MMn2−x−y)O (I)
(式中、0<x、0<y、x+y<2、0<a<1.2である。Mは、Ni、Co、Fe、CrおよびCuよりなる群から選ばれる少なくとも一種である。Aは、Si、Tiから選ばれる少なくとも一種である。)
このような化合物を用いることにより、高い起電力を安定的に実現することができる。ここで、Mは少なくともNiを少なくとも含む構成とすれば、サイクル特性等がより向上する。xはMnの価数が+3.9価以上になるような範囲とすることが好ましい。また、上記化合物において、0<yとすれば、Mnがより軽量な元素に置換され、重量当たりの放電量が増大して高容量化が図られる。
【0058】
また、本発明のリチウム二次電池において用いることのできるセパレータとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、フッ素樹脂等の多孔性フィルムを用いることができる。
【0059】
また、電解液としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、N−メチルピロリドン、などの非プロトン性有機溶媒を一種又は二種以上を混合して使用し、これらの有機溶媒に溶解するリチウム塩を溶解させる。リチウム塩としては、例えばLiPF、LiAsF、LiAlCl、LiClO、LiBF、LiSbF、LiCFSO、LiCFCO、Li(CFSO、LiN(CFSO、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiBr、LiI、LiSCN、LiCl、イミド類などがあげられる。また、電解液に代えてポリマー電解質を用いてもよい。
【0060】
電池の形状としては、特に制限はないが例えば、円筒型、角型、コイン型などがあげられる。電極は捲回構造あるいはスタック構造をとることが好ましい。
【0061】
充放電を経た放電時の負極の構造は図4のような構造をとっている。集電体1a、Li吸蔵物質2a、酸化皮膜3aの構造をとる。充放電の際に還元金属4a層を構成していたリチウムが移動して図4のような構造となる。
【0062】
(実施例1)
以下に、第1の実施の形態に関連して実施例を示し、本発明を詳細に説明する。
【0063】
図1は本発明の実施例1を示す断面図であり、集電体1aとして銅箔を用い、Li吸蔵物質2aとしてSiを主成分に用いた。還元金属4aは、Liを主成分とした。酸化皮膜3aは酸化リチウムにより構成した。
【0064】
図1に示す非水電解液二次電池の負極は次のような手順で作製を行った。まず集電体1aには厚み10μmの銅箔を用い、この集電体1a上にLi吸蔵物質2aとしてアモルファス構造のSi膜を真空蒸着法、スパッタ法を用いてそれぞれ5μm形成した。その後、真空装置内で酸素を流しLi吸蔵物質2a表面に5〜10nmの酸化膜6aを形成した。さらに真空蒸着法を用いてLiからなる還元金属4aを堆積させてLi吸蔵物質2a表面を還元し、3〜7nmの酸化皮膜3aを形成して負極を得た。正極活物質にはコバルト酸リチウム合剤を、集電体にはアルミニウム箔を用いた。電解液は1モル/lの濃度LiPF6を溶解させたエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)の混合溶媒(混合容積比:EC/DEC=30/70)を用いた。上記負極、上記正極、上記電解液を用いて角型二次電池を組み立てた。充放電試験機にて上記角型二次電池の電気特性評価を行った。充放電の電流密度は10mA/cmとした。
【0065】
比較例1として図5に示すような厚さ10μmの銅箔を用いた集電体1bと圧縮後の厚みが100μmの黒鉛からなるLi吸蔵物質2bで構成した負極を用いた。また比較例2として図5に示すような厚さ10μmの銅箔を用いた集電体1bとSiを主成分とするLi吸蔵物質2bで構成した負極を用いた。Si負極層2bは真空蒸着法を用いて形成し、厚みを5μmとした。比較例3として図6に示すような厚さ10μmの銅箔の集電体1b上に圧縮後の厚みが100μmの黒鉛からなるLi吸蔵物質2bを形成し、さらに炭素負極2bの上にリチウム金属5bを形成した負極を用いた。その他電解液、正極は同じ材質のものを用いた。
【0066】
実施例1と比較例1で得られた重量あたりの放電容量密度、充放電効率、500サイクル後の容量維持率を表1に示す。比較例1に示す炭素負極のみと比較すると実施例1では重量あたりの放電容量密度が20%以上増加した。充放電効率(放電容量/充電容量)は比較例1に示す炭素負極のみが91%であるのに対して、実施例1では98%以上と7%以上向上した。また比較例2と比較すると実施例1の充放電効率が10%以上高い。比較例3と比較した場合、実施例1では容量密度が20%以上増加しており、充放電効率も向上していることがわかる。このように炭素負極2b上にリチウム金属5bを形成した場合には容量密度・充放電効率ともに変化しないが、実施例1の場合には、容量密度・充放電効率ともに増加させることができる。
【0067】
次に500サイクル後の容量維持率で比較する。容量維持率とは1サイクル目の容量に対し保持している容量を示す。本発明の実施例では500サイクル後も初回の容量の80%程度を保持しており、比較例1、比較例3と同等の結果となった。本実施例は初回の充電容量が比較例1、比較例3と比べると容量密度が20%以上増加しているため、本実施例の方が、容量が高いことになる。よって本発明は充放電容量が高く、かつサイクル特性も安定していることが証明された。上記負極、正極、電解液を用いて円筒型二次電池を作製し、評価を行った結果でも角型二次電池と同様の結果が得られた。
【0068】
(実施例2)
以下に、第1の実施の形態に関連して実施例2を示し、本発明を詳細に説明する。
【0069】
集電体1aには厚さ10μmの銅箔を用い、この集電体1aの上に、スパッタ法を用いてLi吸蔵物質2aとしてアモルファス構造のSn膜を10μm形成した。
【0070】
スパッタ法を用いてLi吸蔵物質2a表面に50〜100nmの酸化膜6aを形成した後、CVD法を用いてLiからなる還元金属4aを堆積させて30〜70nmの酸化皮膜3aを形成して負極を得た。正極活物質にはコバルト酸リチウム合剤を、集電体にはアルミニウム箔を用いた。電解液は1モル/lの濃度LiPF6を溶解させたエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)の混合溶媒(混合容積比:EC/DEC=30/70)を用いた。上記負極、上記正極、上記電解液を用いて角型二次電池を組み立てた。充放電試験機にて上記角型二次電池の電気特性評価を行った。充放電の電流密度は10mA/cmとし、これら負極の初回充放電容量と500サイクル後の充電容量が初回の充電量と比較してどの程度減少するか測定を行った。測定は実施例1と同じ条件で行った。
【0071】
比較例4として図7に示すような厚さ10μmの銅箔を用いた集電体1bとSiを主成分とするLi吸蔵物質2bで構成した負極を用いた。Li吸蔵物質2bは真空蒸着法を用いて形成し、厚みを10μmとした。その後、真空装置内で酸素を流しLi吸蔵物質2a表面に50〜100nmの酸化膜6bを形成した。その他電解液、正極は実施例2と同じ材質の物を用いた。
【0072】
実施例2と比較例1、比較例4で得られた重量あたりの放電容量密度、充放電効率、500サイクル後の容量維持率を表2に示す。この結果Li吸蔵物質2aにSnを用いたいずれの場合でも実施例1に示した比較例1の1.25倍以上の放電容量密度があり500サイクル後も初回の放電容量の80%以上を保持しているのが確認できた。
【0073】
(実施例3)
以下に、第1の実施の形態に関連して実施例3を示し、本発明を詳細に説明する。
【0074】
集電体1aには厚さ10μmの銅箔を用い、この集電体1aの上に、Li吸蔵物質2aとして多結晶構造のSi膜をCVD法を用いて10μm形成した。スパッタ法を用いてLi吸蔵物質2a表面に50〜100nmの酸化膜6aを形成した後、CVD法を用いてLiからなる還元金属4aを堆積させて30〜70nmの酸化皮膜3aを形成して負極を得た。正極活物質にはコバルト酸リチウム合剤を、集電体にはアルミニウム箔を用いた。電解液は1モル/lの濃度LiPF6を溶解させたエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)の混合溶媒(混合容積比:EC/DEC=30/70)を用いた。上記負極、上記正極、上記電解液を用いて角型二次電池を組み立てた。充放電試験機にて上記角型二次電池の電気特性評価を行った。充放電の電流密度は10mA/cmとし上記電池の初回充放電容量と500サイクル後の充電容量が初回の充電量と比較してどの程度減少するか測定を行った。測定は実施例1と同じ条件で行った。
【0075】
実施例3と比較例1、比較例4で得られた重量あたりの放電容量密度、充放電効率、500サイクル後の容量維持率を表3に示す。この結果Li吸蔵物質2aにSiを用いたいずれの場合でも実施例1に示した比較例1の1.25倍以上の放電容量密度があり500サイクル後も初回の放電容量の80%以上を保持しているのが確認できた。
【0076】
(実施例4)
以下に、第1の実施の形態に関連して実施例4を示し、本発明を詳細に説明する。
【0077】
集電体1aには厚さ10μmの銅箔を用いた。Li吸蔵物質2aにはSi−Pb合金膜を5μm形成した。Li吸蔵物質2aの形成は蒸着法を用い、アモルファス構造の合金膜を得た。Li吸蔵物質2a表面にスパッタ法を用いて5〜10nmの酸化膜6aを形成した後、CVD法を用いてLiからなる還元金属4aを堆積させて3〜7nmの酸化皮膜3aを形成して負極を得た。正極活物質にはマンガン酸リチウム合剤を、集電体にはアルミニウム箔を用いた。電解液は1モル/lの濃度LiPF6を溶解させたエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)の混合溶媒(混合容積比:EC/DEC=30/70)を用いた。上記負極、上記正極、上記電解液を用いて角型二次電池を組み立てた。充放電試験機にて上記角型二次電池の電気特性評価を行った。充放電の電流密度は10mA/cmとし、上記電池の初回充放電容量と500サイクル後の充電容量が初回の充電量と比較してどの程度減少するか測定を行った。測定は実施例1と同じ条件で行った。
【0078】
実施例4と比較例1、比較例2で得られた重量あたりの放電容量密度、充放電効率、500サイクル後の容量維持率を表4に示す。この結果Li吸蔵物質2aにSi−Pb合金を用いた場合、実施例1に示した比較例1の1.2倍以上の放電容量密度があり500サイクル後も初回の放電容量の80%以上を保持していることが確認できた。
【0079】
(実施例5)
次に、金属リチウム対極電位で4.5V以上にプラトーを有する正極活物質を用いた電池に係る実施例を示す。
【0080】
図1は本実施例に係る負極の断面図である。集電体1aには厚さ10μmの銅箔を用い、この集電体1aの上に、真空蒸着法を用いてLi吸蔵物質2aとしてアモルファス構造のSi膜を5μm形成した。他に、Li吸蔵物質2eとしてアモルファス構造のSn膜をスパッタ法を用いて5μm形成した。
【0081】
スパッタ法を用いてLi吸蔵物質2a表面に5〜10nmの酸化膜6aを形成した後、CVD法を用いてLiからなる還元金属4aを堆積させて3〜7nmの酸化皮膜3aを形成して負極を得た。正極活物質には金属リチウム対極電位で4.5V以上にプラトーを有するスピネル型リチウムマンガン複合酸化物(LiNi0.5Mn1.5)合剤を、集電体にはアルミニウム箔を用いた。電解液は1モル/lの濃度LiPF6を溶解させたエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)の混合溶媒(混合容積比:EC/DEC=30/70)を用いた。上記負極、上記正極、上記電解液を用いて角型二次電池を組み立てた。充放電試験機にて上記角型二次電池の電気特性評価を行った。充放電の電流密度は10mA/cmとした。上記電池の初回充放電容量と500サイクル後の充電容量が初回の充電量と比較してどの程度減少するか測定を行った。測定は実施例1と同じ条件で行った。
【0082】
比較例5として図5に示すような厚さ10μmの銅箔を用いた集電体1bと圧縮後の厚みが100μmの黒鉛からなるLi吸蔵物質2bで構成した負極を用いた。その他電解液、正極は同じ材質のものを用いた。
【0083】
実施例5と比較例5で得られた重量あたりの放電容量密度、充放電効率、500サイクル後の容量維持率を表5に示す。この結果Li吸蔵物質2aにSnを用いた場合に比較例5の1.25倍以上の放電容量密度があり500サイクル後も初回の放電容量の70%以上を保持しているのが確認できた。
【0084】
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図8は第2の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の断面図である。集電体1cは充放電の際、電池内部から電池外部への電流の取り出し及び電池外部から電池内部への電流の取り込みのための電極である。またこの集電体1cの厚みは5〜25μmである。
【0085】
Li吸蔵物質2cは負極を形成する活物質であり、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むものとすることが好ましい。Li吸蔵物質2cの形成はCVD法、蒸着法、スパッタ法の各種真空成膜技術を用いることが好ましく、アモルファス構造をとることが望ましい。また、Li吸蔵物質2c層の厚みは0.5μm以上100μm以下となるのが望ましい。
【0086】
酸化皮膜3cはアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物で構成される。Li吸蔵物質2c層を酸素を含む大気に曝す、酸化剤(気体または液体、あるいは気体液体の双方)にLi吸蔵物質2c層表面を曝す、Li吸蔵物質2cの酸化物をメッキする、あるいはCVD・スパッタ・蒸着法による真空蒸着技術によりLi吸蔵物質2cの酸化物を形成する等の方法によりLi吸蔵物質2c層表面に酸化膜を形成する。Li吸蔵物質2c層表面の酸化膜上に還元金属4c膜を形成することで、Li吸蔵物質2c表面の酸化物が還元されて還元金属の酸化物である酸化皮膜3cが形成される。酸化皮膜3c層の厚みは1nm以上1μm以下となるのが望ましい。
【0087】
還元金属4cはLi吸蔵物質2c表面の酸化膜を還元する金属であり、Li以外のアルカリ金属またはアルカリ土類金属で構成される。還元金属4cの形成方法としては、還元金属4cからなる箔をLi吸蔵物質2c上に貼り付ける、集電体1c上に還元金属4cをメッキする、CVD・スパッタ・蒸着法による真空蒸着技術によりLi吸蔵物質2c上に堆積させる方法があげられる。還元金属4c層の厚みは1nm以上10μm以下となるのが望ましい。
【0088】
リチウム金属5cは負極の不可逆容量を補填する金属であり、Li金属で構成される。リチウム金属5cの形成方法としては、リチウム金属5cからなる箔を還元金属4c上に貼り付ける、集電体1c上に還元金属4cをメッキする、CVD・スパッタ・蒸着法による真空蒸着技術により還元金属4c上に堆積させる方法があげられる。リチウム金属5c層の厚みは1nm以上10μm以下となるのが望ましい。
【0089】
なお、図8に示す本発明の実施の形態に類似する構成として、図9に示すように集電体1cの両面にLi吸蔵物質2cと酸化皮膜3cと還元金属4cとリチウム金属5cを具備する構造を採用することもできる。
【0090】
(実施例6)
以下に、第2の実施の形態に関連して実施例6を示し、本発明を詳細に説明する。
【0091】
集電体1cには厚さ10μmの銅箔を用いた。Li吸蔵物質2cとして多結晶構造のIn膜をメッキ法を用いて5μm形成した。他にLi吸蔵物質2cとして多結晶構造のPb膜をスパッタ法を用いて5μm形成した。Inを用いたLi吸蔵物質2cを酸素を含んだ大気に曝すことでInを用いたLi吸蔵物質2c表面に5〜10nmの酸化膜を形成した後、スパッタ法を用いてCaからなる還元金属4cを堆積させて3〜8nmの酸化皮膜3cを形成した。Pbを用いたLi吸蔵物質2cでは、CVD法によりPbを用いたLi吸蔵物質2c表面に5〜10nmの酸化膜を形成した後、蒸着法を用いてNaからなる還元金属4cを堆積させて5〜13nmの酸化皮膜3cを形成した。さらに、還元金属4cの上に1μmのリチウム金属5cを真空蒸着法にて形成した。正極活物質にはコバルト酸リチウム合剤を、集電体にはアルミニウム箔を用いた。電解液は1モル/lの濃度LiPF6を溶解させたエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)の混合溶媒(混合容積比:EC/DEC=30/70)を用いた。上記負極、上記正極、上記電解液を用いて角型二次電池を組み立てた。充放電試験機にて上記角型二次電池の電気特性評価を行った。充放電の電流密度は10mA/cmとした。上記電池の初回充放電容量と500サイクル後の充電容量が初回の充電量と比較してどの程度減少するか測定を行った。測定は実施例1と同じ条件で行った。
【0092】
実施例6と比較例1、比較例2で得られた重量あたりの放電容量密度、充放電効率、500サイクル後の容量維持率を表6に示す。この結果、
(i)Li吸蔵物質2cにIn、還元金属4cにCaを用いた場合
(ii)Li吸蔵物質2cにPb、還元金属4cにNaを用いた場合
のいずれも実施例1に示した比較例1の1.2倍以上の放電容量密度があり500サイクル後も初回の放電容量の80%程度を保持しているのが確認できた。
【0093】
(第3の実施の形態)
次に、第3の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図10は本実施形態に係る非水電解液二次電池の負極の断面図である。集電体1dは充放電の際、電池内部から電池外部への電流の取り出し及び電池外部から電池内部への電流の取り込みのための電極である。またこの集電体1dの厚みは5〜25μmである。
【0094】
第一Li吸蔵物質7d層は負極を形成する活物質であり、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むものとすることが好ましい。第一Li吸蔵物質7d層の形成はCVD法、蒸着法、スパッタ法等の各種成膜技術あるいはめっき法を用いることが好ましく、アモルファス構造をとることが望ましい。また、第一Li吸蔵物質7d層の厚みは0.5μm以上100μm以下となるのが望ましい。
【0095】
第二Li吸蔵物質8d層は負極を形成する活物質であり、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含み、第一Li吸蔵物質7dで用いた元素以外の元素を用いる。第二Li吸蔵物質8dの形成はCVD法、蒸着法、スパッタ法等の各種成膜技術あるいはめっき法を用いることが好ましく、アモルファス構造をとることが望ましい。また、第二Li吸蔵物質8d層の厚みは0.5μm以上100μm以下となるのが望ましい。
【0096】
酸化皮膜3dはアルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物で構成される。第二Li吸蔵物質8d層を酸素を含む大気に曝す、酸化剤(気体または液体、あるいは気体液体の双方)にLi吸蔵物質8d層表面を曝す、第二Li吸蔵物質8d層の酸化物をメッキする、CVD・スパッタ・蒸着法による真空成膜技術により第二Li吸蔵物質8d層の酸化物を形成する等の方法により第二Li吸蔵物質8d層表面に酸化膜を形成する。第二Li吸蔵物質8d層表面の酸化膜上に還元金属4d膜を形成することで、第二Li吸蔵物質8d層表面の酸化物が還元されて還元金属の酸化物である酸化皮膜3dが形成される。酸化皮膜3d層の厚みは1nm以上1μm以下となるのが望ましい。
【0097】
還元金属4dは第二Li吸蔵物質8d層表面の酸化物を還元する金属であり、アルカリ金属またはアルカリ土類金属で構成される。還元金属4d層の厚みは1nm以上10μm以下となるのが望ましい。還元金属4dの形成方法としては、還元金属4dからなる箔を第二Li吸蔵物質8d層上に貼り付ける、集電体1d上に還元金属4dをメッキする、CVD・スパッタ・蒸着法による成膜技術により第二Li吸蔵物質8d層上に堆積させる方法があげられる。
【0098】
また図10に示す本発明の実施の形態に類似する構成として、図11に示すように集電体1dの両面に第一Li吸蔵物質7d層と第二Li吸蔵物質8d層と酸化皮膜3dと還元金属4dを具備する構造を採用することもできる。
【0099】
(実施例7)
以下に、第3の実施の形態に関連して実施例7を示し、本発明を詳細に説明する。
【0100】
集電体1dには10μm厚の銅箔を用いた。第一Li吸蔵物質7dおよび第二Li吸蔵物質8dとして以下の材料を選択し、二種類の負極を作製した。
【0101】
(i)第一Li吸蔵物質7dとして多結晶構造のSi膜を5μm形成し、第二Li吸蔵物質8dとしてアモルファス構造のSn膜を5μm形成した。
【0102】
(ii)第一Li吸蔵物質7dとして多結晶構造のSn膜を5μm形成し、第二Li吸蔵物質8dとしてアモルファス構造のPd膜を5μm形成した。
【0103】
上記(i)、(ii)において、第一Li吸蔵物質7dはCVD法により形成し、第二Li吸蔵物質8dは真空蒸着法により形成した。
【0104】
その後、第二Li吸蔵物質8dの酸化物をメッキして第二Li吸蔵物質8d表面に5〜10nmの酸化膜を形成した後、真空蒸着法を用いてリチウムからなる還元金属4dを堆積させて3〜7nmの酸化皮膜3dを形成した。正極活物質にはコバルト酸リチウム合剤を、集電体にはアルミニウム箔を用いた。電解液は1モル/lの濃度LiPF6を溶解させたエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)の混合溶媒(混合容積比:EC/DEC=30/70)を用いた。上記負極、上記正極、上記電解液を用いて角型二次電池を組み立てた。充放電試験機にて上記角型二次電池の電気特性評価を行った。充放電の電流密度は10mA/cmとし、上記電池の初回充放電容量と500サイクル後の充電容量が初回の充電量と比較してどの程度減少するか測定を行った。測定は実施例1と同じ条件で行った。
【0105】
実施例7と比較例1、比較例2で得られた重量あたりの放電容量密度、充放電効率、500サイクル後の容量維持率を表7に示す。この結果実施例7では、実施例1に示した比較例1の1.2倍以上の放電容量密度があり500サイクル後も初回の放電容量の80%以上を保持していることが確認できた。
【0106】
(第4の実施の形態)
次に、第4の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図12は第4の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の断面図である。集電体1eは充放電の際、電池内部から電池外部への電流の取り出し及び電池外部から電池内部への電流の取り込みのための電極である。またこの集電体1eの厚みは5〜25μmである。
【0107】
Li吸蔵物質2eは負極を形成する活物質であり、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むものとすることが好ましい。Li吸蔵物質2eの形成はCVD法、蒸着法、スパッタ法の各種真空成膜技術を用いることが好ましく、アモルファス構造をとることが望ましい。また、Li吸蔵物質2e層の厚みは0.5μm以上100μm以下となるのが望ましい。
【0108】
Li酸化膜9eは酸化リチウムで構成される。Li吸蔵物質2e層上にリチウム層を形成し、酸素を含む大気に曝す、もしくは酸化剤(気体または液体、あるいは気体液体の双方)に曝すことによりLi酸化膜9eを形成する。また、酸化リチウムをメッキする、もしくはCVD・スパッタ・蒸着法による真空蒸着技術により酸化リチウムで構成されるLi酸化膜9eを形成する。Li酸化膜9e層の厚みは1nm以上1μm以下となるのが望ましい。
【0109】
リチウム金属5eは負極の不可逆容量を補填する金属であり、リチウム金属で構成される。リチウム金属5eの形成方法としては、リチウム金属5eからなる箔をLi酸化膜9e上に貼り付ける、集電体1e上にリチウム金属5eをメッキする、CVD・スパッタ・蒸着法による真空蒸着技術によりLi酸化膜9e上に堆積させる方法があげられる。リチウム金属5e層の厚みは1nm以上10μm以下となるのが望ましい。
【0110】
また図12に示す本発明の実施の形態に類似する構成として、図13に示すように集電体1eの両面にLi吸蔵物質2eとLi酸化膜9eとリチウム金属5eを具備する構造を採用することができる。
【0111】
(実施例8)
以下に、第4の実施の形態に関連して実施例8を示し、本発明を詳細に説明する。
【0112】
集電体1eには厚さ10μmの銅箔を用いた。この集電体1eの上にLi吸蔵物質2eとしてアモルファス構造のSn膜をスパッタ法を用いて5μm形成した。他に、Li吸蔵物質2eとして多結晶構造のGe膜をCVD法を用いて5μm形成した。他に、Li吸蔵物質2eとしてアモルファス構造のAl膜を真空蒸着法を用いて5μm形成した。他に、Li吸蔵物質2eとして金属構造のAg膜をメッキ法を用いて5μm形成した。他に、Li吸蔵物質2eとして多結晶構造のIn膜をCVD法を用いて5μm形成した。また、Li吸蔵物質2eとして金属構造のPb膜を真空蒸着法を用いて5μm形成した。スパッタ法を用いてLi吸蔵物質2e表面にLiOからなる5〜10nmのLi酸化膜9eを形成した後、CVD法を用いてLiからなるリチウム金属5eを5μm堆積させて負極を得た。電解液は1モル/lの濃度LiPF6を溶解させたエチレンカーボネイト(EC)とジエチルカーボネイト(DEC)の混合溶媒(混合容積比:EC/DEC=30/70)を用いた。上記負極、上記正極、上記電解液を用いて角型二次電池を組み立てた。充放電試験機にて上記角型二次電池の電気特性評価を行った。充放電の電流密度は10mA/cmとし、上記電池の初回充放電容量と500サイクル後の充電容量が初回の充電量と比較してどの程度減少するか測定を行った。測定は実施例1と同じ条件で行った。
【0113】
実施例8と比較例2で得られた重量あたりの放電容量密度、充放電効率、500サイクル後の容量維持率を表8に示す。この結果Li吸蔵物質2eにSn、Ge、Al、Ag、In、Pbのいずれの膜を用いた場合でも実施例1に示した比較例1の1.2倍以上の放電容量密度があり500サイクル後も初回の放電容量の80%以上を保持しているのが確認できた。
【0114】
【表1】
Figure 0004192462
【0115】
【表2】
Figure 0004192462
【0116】
【表3】
Figure 0004192462
【0117】
【表4】
Figure 0004192462
【0118】
【表5】
Figure 0004192462
【0119】
【表6】
Figure 0004192462
【0120】
【表7】
Figure 0004192462
【0121】
【表8】
Figure 0004192462
【0122】
【発明の効果】
本発明に係る二次電池用負極は、耐久性の高い保護膜によりリチウム吸蔵物質含有層が覆われる構成となっているため、優れた充放電サイクル特性を示す。
本発明に係る二次電池用負極の製造方法は、リチウム吸蔵物質含有層を覆うように金属酸化物からなる酸化膜を形成した後、この酸化膜に対して還元作用を示す還元性膜を酸化膜に接して形成するため、耐久性の高い保護膜が簡便なプロセスで得られる。また、酸化膜によりリチウム吸蔵物質含有層中の不純物がトラップされるため、良好な電池特性が安定的に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図2】第一の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図3】第一の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の製造方法を示した図である。
【図4】比較例に係る非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図5】比較例に係る非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図6】比較例に係る非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図7】比較例に係る非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図8】第二の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図9】第二の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図10】第三の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図11】第三の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図12】第四の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【図13】第四の実施の形態を示す非水電解液二次電池の負極の断面図である。
【符号の説明】
1a,1b,1c,1d,1e 集電体
2a,2b,2c,2d,2e Li吸蔵物質
3a,3c,3d 酸化皮膜
4a,4c,4d 還元金属
5b,5c,5e リチウム金属
6a,6b,6e 酸化膜
7d 第一Li吸蔵物質
8a 酸化物
8d 第二Li吸蔵物質
9e Li酸化膜

Claims (34)

  1. リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層と、該リチウム吸蔵物質含有層を覆うように形成された、アルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物からなる保護膜とを備える二次電池用負極において、前記保護膜の上部にリチウム膜が設けられたことを特徴とする二次電池用負極。
  2. 請求項1記載の二次電池用負極において、前記リチウム吸蔵物質含有層と前記保護膜との間に、式(I)
    MOxまたはMAOx ・・・(I)
    (但し、MはSi、Ge、In、Sn、Ag、AlまたはPbであり、Aはアルカリ金属またはアルカリ土類金属である。)からなる膜を備えたことを特徴とする二次電池用負極。
  3. リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層と、該リチウム吸蔵物質含有層を覆うように形成された、アルカリ金属酸化物またはアルカリ土類金属酸化物からなる保護膜とを備える二次電池用負極において、前記リチウム吸蔵物質含有層と前記保護膜との間に、式(I)
    MOxまたはMAOx ・・・(I)
    (但し、MはSi、Ge、In、Sn、Ag、AlまたはPbであり、Aはアルカリ金属またはアルカリ土類金属である。)からなる膜を備えたことを特徴とする二次電池用負極。
  4. リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層と、該リチウム吸蔵物質含有層を覆うように形成された金属酸化物からなる保護膜とを備え、前記保護膜は、隣接領域の酸化作用により酸化を受けた被酸化膜であることを特徴とする二次電池用負極。
  5. 請求項4に記載の二次電池用負極において、前記保護膜の上部にリチウム膜が設けられたことを特徴とする二次電池用負極。
  6. 請求項4または5に記載の二次電池用負極において、前記リチウム吸蔵物質含有層と前記保護膜との間に、式(I)
    MOxまたはMAOx ・・・(I)
    (但し、MはSi、Ge、In、Sn、Ag、AlまたはPbであり、Aはアルカリ金属またはアルカリ土類金属である。)からなる膜を備えたことを特徴とする二次電池用負極。
  7. 請求項1乃至6いずれかに記載の二次電池用負極において、前記保護膜は酸化リチウムを含むことを特徴とする二次電池用負極。
  8. 請求項1乃至7いずれかに記載の二次電池用負極において、前記リチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする二次電池用負極。
  9. 請求項1乃至8いずれかに記載の二次電池用負極において、前記リチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種とリチウムとの合金を含むことを特徴とする二次電池用負極。
  10. 請求項1乃至9いずれかに記載の二次電池用負極において、前記保護膜の膜厚が1nm以上であることを特徴とする二次電池用負極。
  11. 請求項1乃至10いずれかに記載の二次電池用負極と、該二次電池用負極に対向配置された二次電池用正極とを備えたことを特徴とする二次電池。
  12. リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層を形成する工程と、リチウム吸蔵物質含有層を覆うように金属酸化物からなる酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜に対して還元作用を示す還元性膜を、前記酸化膜に接して形成する工程と、を含むことを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  13. 請求項12に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記還元性膜を形成した後、所定時間経過させ、前記酸化膜の少なくとも一部を還元するとともに前記還元性膜の少なくとも一部を酸化することを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  14. 請求項13に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記還元性膜を形成した後、所定時間経過させ、前記酸化膜の一部のみを還元し、金属酸化物からなる前記酸化膜を残存させることを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  15. 請求項13に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記還元性膜を形成した後、所定時間経過させ、前記酸化膜の全部を還元することを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  16. 請求項13に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記還元性膜を形成した後、所定時間経過させ、前記還元性膜の一部のみを酸化することを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  17. 請求項12乃至16いずれかに記載の二次電池用負極の製造方法において、前記還元性膜は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属からなることを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  18. 請求項12乃至17いずれかに記載の二次電池用負極の製造方法において、前記還元性膜は、リチウムからなることを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  19. 請求項12乃至18いずれかに記載の二次電池用負極の製造方法において、前記酸化膜が前記リチウム吸蔵物質含有層を構成する金属の酸化物からなることを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  20. 請求項19に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層の表面を酸化せしめることにより前記酸化膜を形成することを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  21. 請求項12乃至20いずれかに記載の二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  22. 請求項12乃至21いずれかに記載の二次電池用負極の製造方法において、前記酸化膜は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  23. リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層を形成する工程と、その上部にアルカリ金属の酸化物またはアルカリ土類金属の酸化物を含む保護膜を形成する工程と、を含む二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層を覆うように金属酸化物からなる酸化膜を形成する工程をさらに含み、この酸化膜に接して、前記保護膜を形成することを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  24. 請求項23に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記酸化膜は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  25. 請求項23または24に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記酸化膜が前記リチウム吸蔵物質含有層を構成する金属の酸化物からなることを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  26. 請求項23乃至25いずれかに記載の二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層の表面を酸化せしめることにより前記酸化膜を形成することを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  27. 請求項23乃至26いずれかに記載の二次電池用負極の製造方法において、前記保護膜は、酸化リチウムからなることを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  28. 請求項23乃至27いずれかに記載の二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  29. リチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を含むリチウム吸蔵物質含有層を形成する工程と、その上部にアルカリ金属の酸化物またはアルカリ土類金属の酸化物を含む保護膜を形成する工程と、を含む二次電池用負極の製造方法において、前記保護膜は、酸化リチウムであり、前記保護膜の上部にリチウム膜が設けられたことを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  30. 請求項29に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層を覆うように金属酸化物からなる酸化膜を形成する工程をさらに含み、この酸化膜に接して、前記保護膜を形成することを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  31. 請求項30に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層の表面を酸化せしめることにより前記酸化膜を形成することを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  32. 請求項30または31に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記酸化膜は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  33. 請求項30乃至32いずれかに記載の二次電池用負極の製造方法において、前記酸化膜が前記リチウム吸蔵物質含有層を構成する金属の酸化物からなることを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
  34. 請求項29乃至33いずれかに記載の二次電池用負極の製造方法において、前記リチウム吸蔵物質含有層は、Si、Ge、In、Sn、Ag、AlおよびPbからなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
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