JP4873281B2 - Method for producing lithium battery negative electrode - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池に使用される負極とその製造方法に関するものである。特に、負極に用いられる無機固体電解質薄膜の加水分解を抑制することができるリチウム電池負極に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
有機電解液を使用したリチウム二次電池の実用化が進展している。その特徴とするところは、他の電池と比較して、単位体積あるいは単位重量当りのエネルギー出力が高いことであり、移動体通信、ノートパソコンや電気自動車用電源として、実用化開発が進められている。
【0003】
リチウム二次電池の性能を向上させるため、負極としてリチウム金属を使用しようとする試みがあるが、充放電時に樹枝状のリチウム金属の成長が負極上に起こり、正極との内部短絡を引き起こし、最終的には爆発に至る危険性を有している。この危険性を抑える手法として、特開2000−340257号公報に記載されているように、リチウム金属上に硫化物系の無機固体電解質薄膜を形成することが検討されている。
【0004】
一方で無機固体電解質薄膜は、高い吸湿性および加水分解性を有し、水分の吸収による劣化(加水分解)と言う欠点も同時に有している。この欠点を解消するため、無機固体電解質薄膜表面に酸化物薄膜等の保護薄膜を形成することも検討されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、酸化物薄膜はイオン伝導度が低いため、電池に使用するときには除去する必要がある。その際、酸化物薄膜は無機固体電解質薄膜から除去しにくく、電池の製造性を低下させるという問題があった。
【0006】
従って、本発明の主目的は、無機固体電解質薄膜の水分による劣化を防ぐことができ、かつ電池を組み立てる際の作業性に支障を及ぼさないリチウム電池負極とその製造方法とを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸化物薄膜の代わりに、容易に剥離できる可撓性の保護シートを用いることで上記の目的を達成する。
【0008】
すなわち、本発明リチウム電池負極は、リチウム含有金属上に無機固体電解質薄膜を形成したリチウム電池負極において、前記無機固体電解質薄膜上を可撓性の保護シートで覆ったことを特徴とする。
【0009】
可撓性の保護シートで負極表面を密着して覆うことにより、リチウム二次電池を組み立てるまでに負極が水分により劣化することを防ぐことができる。また、実際にリチウム二次電池に使用するときには、簡単に保護シートをはがすことができ、二次電池組立作業時の支障にもならない。
【0010】
以下、本発明の構成をより詳しく説明する。
【0011】
保護シートの材質は、(1)可撓性を有すること、(2)無機固体電解質薄膜と反応しないこと、(3)耐湿性が高いことの条件を満たすものが好ましい。
【0012】
通常、無機固体電解質薄膜は、テープ状に形成してロール巻きされて取り扱われるため、可撓性は、保護シートを被覆した状態でロール巻きできる程度が好ましい。
【0013】
無機固体電解質には、硫化物系、酸化物系、窒化物系およびこれらの混合系である酸窒化物系、酸硫化物系が考えられる。ここでの硫化物としては、Li2S、及びLi2SとP2S5、SiS2、GeS2、Ga2S3との化合物などが挙げられる。また、酸窒化物としては、Li3PO4−XN2X/3、Li4SiO4−XN2X/3、Li4GeO4−XN2X/3(0<X<4)、Li3BO3−XN2X/3(0<X<3)などが挙げられる。これらと反応しない材料を保護シートに用いることで、負極の劣化を抑制する。
【0014】
耐湿性は、保護シート自体が極力吸湿し難いことが重要である。
【0015】
以上の3つの条件を満たす材料としては、プラスチックが好適である。より具体的には、ポリエチレンやポリプロピレンが好ましい。
【0016】
さらに、保護シートはリチウム含有金属とも反応しない材料が好ましい。通常、リチウム含有金属の上には無機固体電解質が形成されて保護シートとリチウム含有金属とは直接接しないが、無機固体電解質が剥がれる場合なども考慮するとリチウム含有金属と反応しない材料が好ましい。リチウム含有金属には、リチウム金属自体はもちろんリチウム合金も含まれる。リチウム合金の具体例としては、リチウムとIn、Ti、Zn、Bi、Sn等との合金が挙げられる。
【0017】
保護シートの厚さは、5μm以上100μm以下であることが望ましい。この下限値を下回ると、強度が弱く破れやすくなるためである。逆に、上限を超えると負極全体の体積・重量が大きくなりすぎて材料の無駄となる上、ロール巻きした場合のサイズが大きくなるからである。例えば、直径30cmの芯材に保護シートを1000回(長さ約1km)巻いた場合、5μmのシートに比べて100μmのシートは、ロール径が約10cm程度大きくなる。
【0018】
通常、リチウム含有金属、無機固体電解質薄膜および保護シートの積層体は、テープ状に加工される。その場合、保護シートの幅は、電池に組み立てる際に必要な幅よりも5〜10mm程度広く形成しておくことが好ましい。保護シートを無機固体電解質薄膜の表面に積層した場合、無機固体電解質薄膜の両側面は保護シートに覆われておらず、そこから水分の吸収に伴う劣化の生じることが考えられる。この劣化は、保護シート両側面から1mm以下の深さで止まると考えられるため、予め必要幅よりも広く積層体を形成しておくことで、電池への組立前に両側を切断して用いることができる。
【0019】
無機固体電解質薄膜と保護シートとは、無機固体電解質薄膜への水分の吸収を極力抑えることができるように密接していることが好ましい。ただし、両者は接着している必要はない。電池に組み立てる際、保護シートは除去するが、両者が接着されていると保護シートの除去が困難となるからである。従って、無機固体電解質薄膜と保護シートの位置ずれが容易に起こらない程度に無機固体電解質薄膜を保護シートが被覆していれば十分である。
【0020】
本発明リチウム電池負極の製造方法は、リチウム含有金属上に無機固体電解質薄膜を形成する工程と、前記電解質薄膜を形成後、直ちに電解質薄膜上を可撓性の保護シートで覆う工程とを具えることを特徴とする。
【0021】
無機固体電解質薄膜を形成した直後に保護シートで覆うことで、無機固体電解質薄膜の加水分解による劣化を抑制することができる。
【0022】
ここで、直後とは、無機固体電解質薄膜が吸水して劣化しない程度の短時間を指す。実用的には、無機固体電解質薄膜の形成工程に連続して保護シートの被覆工程を行う。
【0023】
リチウム含有金属上に無機固体電解質薄膜を形成する工程は、公知の種々の方法を利用することができる。例えば、スパッタリング法、レーザアブレーション法、イオンプレーティング法などが利用できる。
【0024】
保護シートは予め乾燥工程を経たものを用いることが好ましい。乾燥工程により、保護シートの水分を極力少なくし無機固体電解質薄膜の劣化を最小限に抑制する。乾燥工程は、50℃以上の温度で、30分以上保持することが好適である。乾燥温度の下限は、50℃未満では乾燥時間が長くかかってしまうからである。乾燥温度の上限は、保護シートの融点や軟化点を考慮して決定すれば良い。ポリエチレンでは約80℃、ポリプロピレンでは約100℃が上限温度と思われる。乾燥時間は、50℃以上とした場合に、保護シートを十分に乾燥できる時間を選択した。従って、乾燥時間の上限は特にないが、あまり長くなると生産効率が低下するので、実用的な時間を選択することが望ましい。
【0025】
さらに、この乾燥工程は、133Pa(1Toor)以下の真空中にて行うことが好ましい。真空中で乾燥を行うことで一層水分の除去を容易にする。この乾燥工程は、無機固体電解質薄膜を形成する工程や、無機固体電解質薄膜上に保護シートを被覆する工程と同一チャンバー内で行うことが好ましいが、独立して行っても良い。
【0026】
無機固体電解質薄膜上に保護シートを被覆する工程は、ロール状に巻き取って行うことが好適である。すなわち、リチウム含有金属上に無機固体電解質薄膜を形成したテープをロール状に巻き取る際、無機固体電解質薄膜の表面に保護シートも併せて巻き取ることが好ましい。無機固体電解質薄膜のロール巻きに併せて保護シートも巻き取ることで、保護シートを装着するまでの時間を短くすることができ、無機固体電解質薄膜の劣化を少なくすることができる。また、ロール状に巻き取ることで、接着剤などを用いることなく無機固体電解質薄膜に対して保護シートを密接させた状態に保持することができる。さらに、ロール状に巻き取ることで、保護シートが機械的な衝撃に対する緩衝材として無機固体電解質薄膜表面の損傷を防ぐと共に、隣接するターンとの間における仕切りの役割も果たすことができる。
【0027】
また、無機固体電解質薄膜の形成工程と保護シートの被覆工程とを連続する真空室内で行うことが好ましい。無機固体電解質薄膜の形成は、真空中で蒸着されることが多く、その場合、保護シートの被覆工程とを連続する真空室内で行えば、保護シートを装着するまでの時間を短くできて生産性を効率化することができる。通常、負極は、集電体となる金属箔上にリチウム含有金属層が形成され、その上に無機固体電解質薄膜が形成されて、さらにその上に保護シートが被覆されることになる。その場合、リチウム含有金属層の形成も同一真空室内で行うことが好ましい。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
<負極の構成>
この負極は、図1に示すように、集電体となる銅箔1上にリチウム金属薄膜2が形成され、その上に無機固体電解質薄膜3が形成されて、さらにその上に保護シート4が被覆された構成である。銅箔1、リチウム金属薄膜2、無機固体電解質薄膜3は一体にされているが、保護シート4は無機固体電解質薄膜3に接した状態に保持されているだけであり、容易に除去することができる。
【0029】
<負極の製造方法>
上記の負極は、図2に示す製造ラインにより製造することができる。
【0030】
このラインは、銅箔1の供給リール5が配置された供給室10、リチウム金属薄膜の成膜室11、イオンビーム処理室12、固体電解質成膜室13、巻取り室14を具える。各室10〜14は連続して構成された真空室である。
【0031】
供給リール5から引き出された銅箔1は、順次リチウム金属薄膜の成膜室11、イオンビーム処理室12、固体電解質成膜室13を経て巻取り室14の巻取りリール6に巻き取られる。その間、リチウム金属薄膜の成膜室11では銅箔1上にリチウム金属薄膜が形成される。イオンビーム処理室12ではリチウム金属薄膜にイオンビーム処理を施す。固体電解質成膜室13ではリチウム金属薄膜上に固体電解質薄膜を形成する。巻取り室14には巻取りリール6の他に、保護シート4の供給リール7が具えられている。そして、リチウム金属薄膜、無機固体電解質薄膜が形成された銅箔が巻き取りリール6に巻き取られる際、供給リール7から引き出された保護シート4も併せて巻き取りリール6に巻き取られる。
【0032】
以上の工程により、図1に示す積層構造の負極を巻き取りリールに巻き取った状態で得ることができる。
【0033】
<実施例>
図2に示すラインにより、厚み10μmで幅50mmの銅箔1を供給リールから引き出す。この銅箔1の上に、リチウム金属薄膜の成膜室11中で厚さが10μmのリチウム金属薄膜を真空蒸着法にて形成した。
【0034】
銅箔上に形成したリチウム金属薄膜は、無機固体電解質薄膜を形成する前に真空のイオンビーム処理室12でイオンビーム処理を行った。圧力2×10− 4Torr(267×10− 4Pa)でアルゴンと窒素の混合ガス(アルゴン75体積%、窒素25体積%)を流し、イオンガンにより、20mA、500Vでイオンビームを試料表面に照射した。
【0035】
このリチウム金属薄膜上に、固体電解質成膜室13にて厚さ0.5μmの硫化物無機固体電解質薄膜を真空蒸着法により形成した。
【0036】
硫化物無機固体電解質の組成は以下の通りである。
No.1 Li2S:P2S5=80:20(モル比)
No.2 Li2S:P2S5:Li3PO4=79:20.5:0.5(モル比)
【0037】
リチウム金属薄膜および無機固体電解質薄膜の形成方法としては、スパッタリング法、レーザアブレーション法、イオンプレーティング法でも可能である。
【0038】
リチウム金属薄膜と無機固体電解質薄膜を形成した銅箔は、巻取りリール6に巻き取られる。その際、保護シートの供給リール7から引き出された保護シート4も同時に巻き取る。保護シート4には、厚さは50μmのポリプロピレンシートを用いた。ポリプロピレンの代わりにポリエチレンを使用してもかまわない。ポリプロピレンシートは事前に乾燥処理を行なった。乾燥条件は、ロータリーポンプにより真空引きして真空度0.1Torr(13.3Pa)、温度60℃、保持時間5時間とした。
【0039】
得られた負極と、セパレータ(多孔質ポリマーフィルム)、正極、有機電解液等からなるリチウム二次電池を作製した。以下に、電池の作製手順および電池評価結果を記す。
【0040】
エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)の混合溶液を加熱し、ポリアクリロニトリル(PAN)を高濃度に溶解させたものを冷却して、LiPF6が溶解しているEC、PCを多量に含有するPANを作製した。このPAN中に、活物質となるLiCoO2粒子および電子伝導性を付与する炭素粒子を混合し、20μm厚のアルミ箔(正極集電体)上に300μmの厚みで塗布して正極とした。
【0041】
電池の作製作業は、露点が−60℃以下のアルゴンガス雰囲気中で行なった。無機固体電解質薄膜を形成した負極から保護シートをはがし、セパレータ(多孔質ポリマーフィルム)及び正極とともに、ステンレス製密封容器中に重ねて設置した。保護シートの剥離は、何ら支障なく容易に行えた。さらにエチレンカーボネートとプロピレンカーボネートの混合溶液に電解塩として1モル%のLiPF6を溶解させた有横電解液を滴下して、リチウム二次電池を作製した。
【0042】
作製した電池の充放電特性を評価した。その結果、負極試料No.1およびNo.2いずれの電池も充電電圧を4.2Vとして、100mA放電により、3.0Vまで電圧が低下するまでの容量は0.5Ah(アンペア時)であった。また、エネルギー密度は、500Wh(キロワット時)/1(リットル)であった。さらに同一の条件のサイクル充放電をおこない、300回以上のサイクルで安定であった。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明リチウム電池負極によれば、容易に剥離できる保護シートで無機電解質薄膜を覆うことで、無機電解質薄膜が水分を吸収して劣化することを防止できる。
【0044】
また、本発明リチウム電池負極負極は、無機電解質薄膜に保護シートを装着するまでの時間を短くすることができ、無機固体電解質薄膜の劣化を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明リチウム電池負極の断面図である。
【図2】本発明リチウム電池負極の製造方法を示す説明図である。
【符号の説明】
1 銅箔
2 リチウム金属薄膜
3 無機固体電解質薄膜
4 保護シート
5 供給リール
6 巻取りリール
7 供給リール
10 供給室
11 リチウム金属薄膜の成膜室
12 イオンビーム処理室
13 固体電解質成膜室
14 巻取り室[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a negative electrode used for a lithium secondary battery and a method for producing the same. In particular, the present invention relates to a lithium battery negative electrode capable of suppressing hydrolysis of an inorganic solid electrolyte thin film used for the negative electrode.
[0002]
[Prior art]
Practical use of lithium secondary batteries using organic electrolyte is progressing. The feature is that the energy output per unit volume or unit weight is higher compared to other batteries, and the development of practical use has been promoted as a power source for mobile communications, notebook computers and electric vehicles. Yes.
[0003]
In order to improve the performance of lithium secondary batteries, there are attempts to use lithium metal as the negative electrode, but dendritic lithium metal growth occurs on the negative electrode during charge and discharge, causing an internal short circuit with the positive electrode, and finally There is a risk of explosion. As a technique for suppressing this risk, as described in JP-A-2000-340257, formation of a sulfide-based inorganic solid electrolyte thin film on lithium metal has been studied.
[0004]
On the other hand, the inorganic solid electrolyte thin film has high hygroscopicity and hydrolyzability, and at the same time has a defect of deterioration due to moisture absorption (hydrolysis). In order to eliminate this drawback, it has been studied to form a protective thin film such as an oxide thin film on the surface of the inorganic solid electrolyte thin film.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the oxide thin film has low ionic conductivity, it must be removed when used in a battery. At that time, the oxide thin film is difficult to remove from the inorganic solid electrolyte thin film, and there is a problem that the productivity of the battery is lowered.
[0006]
Accordingly, a main object of the present invention is to provide a lithium battery negative electrode that can prevent deterioration of the inorganic solid electrolyte thin film due to moisture and does not hinder the workability in assembling the battery, and a method for manufacturing the same. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention achieves the above object by using a flexible protective sheet that can be easily peeled instead of the oxide thin film.
[0008]
That is, the lithium battery negative electrode of the present invention is characterized in that in the lithium battery negative electrode in which an inorganic solid electrolyte thin film is formed on a lithium-containing metal, the inorganic solid electrolyte thin film is covered with a flexible protective sheet.
[0009]
By closely covering the negative electrode surface with a flexible protective sheet, it is possible to prevent the negative electrode from being deteriorated by moisture before the lithium secondary battery is assembled. Moreover, when actually used for a lithium secondary battery, the protective sheet can be easily peeled off, which does not hinder the secondary battery assembly work.
[0010]
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in more detail.
[0011]
The material of the protective sheet is preferably one that satisfies the following conditions: (1) having flexibility, (2) not reacting with the inorganic solid electrolyte thin film, and (3) having high moisture resistance.
[0012]
Usually, since an inorganic solid electrolyte thin film is formed in a tape shape and rolled and handled, the flexibility is preferably such that it can be rolled in a state of covering a protective sheet.
[0013]
As the inorganic solid electrolyte, a sulfide system, an oxide system, a nitride system, and a mixed system thereof such as an oxynitride system and an oxysulfide system are conceivable. Examples of the sulfide herein include Li 2 S and a compound of Li 2 S and P 2 S 5 , SiS 2 , GeS 2 , and Ga 2 S 3 . Examples of the oxynitride include Li 3 PO 4 -X N 2X / 3 , Li 4 SiO 4 -X N 2X / 3 , Li 4 GeO 4 -X N 2X / 3 (0 <X <4), Li 3 BO 3-X N 2X / 3 (0 <X <3). By using a material that does not react with these for the protective sheet, deterioration of the negative electrode is suppressed.
[0014]
In terms of moisture resistance, it is important that the protective sheet itself hardly absorbs moisture as much as possible.
[0015]
As a material satisfying the above three conditions, plastic is suitable. More specifically, polyethylene and polypropylene are preferable.
[0016]
Further, the protective sheet is preferably a material that does not react with the lithium-containing metal. Usually, an inorganic solid electrolyte is formed on the lithium-containing metal and the protective sheet and the lithium-containing metal are not in direct contact with each other, but a material that does not react with the lithium-containing metal is preferable in consideration of the case where the inorganic solid electrolyte is peeled off. The lithium-containing metal includes lithium alloys as well as lithium metal itself. Specific examples of lithium alloys include alloys of lithium and In, Ti, Zn, Bi, Sn, and the like.
[0017]
The thickness of the protective sheet is desirably 5 μm or more and 100 μm or less. This is because, if the lower limit is not reached, the strength is weak and easily broken. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the volume and weight of the entire negative electrode become too large, resulting in wasted material, and the size when rolled is increased. For example, when a protective sheet is wound 1000 times (about 1 km in length) on a core material having a diameter of 30 cm, the roll diameter is about 10 cm larger for a 100 μm sheet than for a 5 μm sheet.
[0018]
Usually, a laminate of a lithium-containing metal, an inorganic solid electrolyte thin film, and a protective sheet is processed into a tape shape. In that case, it is preferable that the width of the protective sheet is formed to be about 5 to 10 mm wider than the width required for assembling the battery. When the protective sheet is laminated on the surface of the inorganic solid electrolyte thin film, both side surfaces of the inorganic solid electrolyte thin film are not covered with the protective sheet, and it is considered that deterioration due to moisture absorption occurs from there. Since this deterioration is thought to stop at a depth of 1 mm or less from both sides of the protective sheet, it is necessary to cut both sides before assembling the battery by forming a laminate wider than the required width in advance. Can do.
[0019]
The inorganic solid electrolyte thin film and the protective sheet are preferably in close contact so that the absorption of moisture into the inorganic solid electrolyte thin film can be suppressed as much as possible. However, the two do not need to be bonded. This is because, when the battery is assembled, the protective sheet is removed, but if the two are adhered, it is difficult to remove the protective sheet. Therefore, it is sufficient that the protective sheet covers the inorganic solid electrolyte thin film to such an extent that the positional displacement between the inorganic solid electrolyte thin film and the protective sheet does not easily occur.
[0020]
The method for producing a lithium battery negative electrode of the present invention comprises a step of forming an inorganic solid electrolyte thin film on a lithium-containing metal, and a step of immediately covering the electrolyte thin film with a flexible protective sheet after forming the electrolyte thin film. It is characterized by that.
[0021]
By covering with a protective sheet immediately after forming the inorganic solid electrolyte thin film, deterioration of the inorganic solid electrolyte thin film due to hydrolysis can be suppressed.
[0022]
Here, the term “immediately after” refers to a short time that the inorganic solid electrolyte thin film absorbs water and does not deteriorate. Practically, a protective sheet coating step is performed following the inorganic solid electrolyte thin film forming step.
[0023]
Various known methods can be used for forming the inorganic solid electrolyte thin film on the lithium-containing metal. For example, a sputtering method, a laser ablation method, an ion plating method, or the like can be used.
[0024]
It is preferable to use a protective sheet that has been previously dried. By the drying process, the moisture content of the protective sheet is reduced as much as possible to minimize the deterioration of the inorganic solid electrolyte thin film. The drying step is preferably held at a temperature of 50 ° C. or higher for 30 minutes or longer. The lower limit of the drying temperature is that if it is less than 50 ° C., the drying time is long. The upper limit of the drying temperature may be determined in consideration of the melting point and softening point of the protective sheet. The upper limit temperature seems to be about 80 ° C for polyethylene and about 100 ° C for polypropylene. The drying time was selected so that the protective sheet could be sufficiently dried when the temperature was 50 ° C. or higher. Therefore, there is no particular upper limit on the drying time, but if it is too long, the production efficiency is lowered, so it is desirable to select a practical time.
[0025]
Further, this drying step is preferably performed in a vacuum of 133 Pa (1 Toor) or less. Moisture removal is further facilitated by drying in vacuum. This drying step is preferably performed in the same chamber as the step of forming the inorganic solid electrolyte thin film and the step of covering the inorganic solid electrolyte thin film with the protective sheet, but may be performed independently.
[0026]
The step of coating the protective sheet on the inorganic solid electrolyte thin film is preferably performed by winding it into a roll. That is, when winding a tape in which an inorganic solid electrolyte thin film is formed on a lithium-containing metal in a roll shape, it is preferable to wind up a protective sheet on the surface of the inorganic solid electrolyte thin film. By winding the protective sheet along with the roll of the inorganic solid electrolyte thin film, the time until the protective sheet is mounted can be shortened, and the deterioration of the inorganic solid electrolyte thin film can be reduced. Moreover, by winding up in roll shape, a protective sheet can be kept in close contact with the inorganic solid electrolyte thin film without using an adhesive or the like. Furthermore, by winding up in a roll shape, the protective sheet can serve as a buffer against mechanical impacts to prevent damage to the surface of the inorganic solid electrolyte thin film, and can also serve as a partition between adjacent turns.
[0027]
Moreover, it is preferable to perform the formation process of an inorganic solid electrolyte thin film and the coating process of a protective sheet in a continuous vacuum chamber. Inorganic solid electrolyte thin films are often deposited in a vacuum. In that case, if the protective sheet coating process is performed in a continuous vacuum chamber, the time required to attach the protective sheet can be shortened and the productivity is reduced. Can be made more efficient. Usually, in the negative electrode, a lithium-containing metal layer is formed on a metal foil serving as a current collector, an inorganic solid electrolyte thin film is formed thereon, and a protective sheet is further coated thereon. In that case, the lithium-containing metal layer is preferably formed in the same vacuum chamber.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
<Configuration of negative electrode>
As shown in FIG. 1, this negative electrode has a lithium metal thin film 2 formed on a copper foil 1 serving as a current collector, an inorganic solid electrolyte thin film 3 formed thereon, and a protective sheet 4 further formed thereon. It is a covered configuration. The copper foil 1, the lithium metal thin film 2, and the inorganic solid electrolyte thin film 3 are integrated, but the protective sheet 4 is only held in contact with the inorganic solid electrolyte thin film 3, and can be easily removed. it can.
[0029]
<Method for producing negative electrode>
Said negative electrode can be manufactured with the manufacturing line shown in FIG.
[0030]
This line includes a supply chamber 10 in which a supply reel 5 for the copper foil 1 is disposed, a lithium metal thin film deposition chamber 11, an ion beam processing chamber 12, a solid electrolyte deposition chamber 13, and a winding chamber 14. Each chamber 10-14 is a vacuum chamber comprised continuously.
[0031]
The copper foil 1 drawn out from the supply reel 5 is taken up on the take-up reel 6 in the take-up chamber 14 through the lithium metal thin film forming chamber 11, the ion beam processing chamber 12, and the solid electrolyte film forming chamber 13 in order. Meanwhile, a lithium metal thin film is formed on the copper foil 1 in the lithium metal thin film deposition chamber 11. In the ion beam processing chamber 12, the lithium metal thin film is subjected to ion beam processing. In the solid electrolyte film forming chamber 13, a solid electrolyte thin film is formed on the lithium metal thin film. In addition to the take-up reel 6, the take-up chamber 14 is provided with a supply reel 7 for the protective sheet 4. When the copper foil on which the lithium metal thin film and the inorganic solid electrolyte thin film are formed is taken up by the take-up reel 6, the protective sheet 4 drawn out from the supply reel 7 is also taken up by the take-up reel 6.
[0032]
Through the above steps, the negative electrode having the laminated structure shown in FIG. 1 can be obtained in a state of being wound on a take-up reel.
[0033]
<Example>
The copper foil 1 having a thickness of 10 μm and a width of 50 mm is pulled out from the supply reel by the line shown in FIG. On the copper foil 1, a lithium metal thin film having a thickness of 10 μm was formed in a lithium metal thin film deposition chamber 11 by a vacuum deposition method.
[0034]
The lithium metal thin film formed on the copper foil was subjected to ion beam processing in a vacuum ion beam processing chamber 12 before forming the inorganic solid electrolyte thin film. Pressure 2 × 10 - 4 Torr (267 × 10 - 4 Pa) in flowing mixed gas of argon and nitrogen (Ar 75 vol%, 25 vol% nitrogen), the ion gun, 20 mA, an ion beam at 500V to the sample surface did.
[0035]
A sulfide inorganic solid electrolyte thin film having a thickness of 0.5 μm was formed on the lithium metal thin film in a solid electrolyte film forming chamber 13 by a vacuum deposition method.
[0036]
The composition of the sulfide inorganic solid electrolyte is as follows.
No.1 Li 2 S: P 2 S 5 = 80: 20 (molar ratio)
No.2 Li 2 S: P 2 S 5 : Li 3 PO 4 = 79: 20.5: 0.5 (molar ratio)
[0037]
As a method for forming the lithium metal thin film and the inorganic solid electrolyte thin film, a sputtering method, a laser ablation method, and an ion plating method are also possible.
[0038]
The copper foil on which the lithium metal thin film and the inorganic solid electrolyte thin film are formed is wound on the take-up reel 6. At that time, the protective sheet 4 pulled out from the protective sheet supply reel 7 is also wound up. As the protective sheet 4, a polypropylene sheet having a thickness of 50 μm was used. Polyethylene may be used instead of polypropylene. The polypropylene sheet was previously dried. Drying conditions were such that the rotary pump was evacuated to a degree of vacuum of 0.1 Torr (13.3 Pa), a temperature of 60 ° C., and a holding time of 5 hours.
[0039]
A lithium secondary battery composed of the obtained negative electrode, a separator (porous polymer film), a positive electrode, an organic electrolyte, and the like was produced. The battery production procedure and battery evaluation results are described below.
[0040]
Heats a mixed solution of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), cools a polyacrylonitrile (PAN) dissolved at a high concentration, and contains a large amount of EC and PC in which LiPF 6 is dissolved PAN to make. In this PAN, LiCoO 2 particles serving as an active material and carbon particles imparting electron conductivity were mixed and coated on a 20 μm thick aluminum foil (positive electrode current collector) to a thickness of 300 μm to form a positive electrode.
[0041]
The battery was manufactured in an argon gas atmosphere with a dew point of −60 ° C. or lower. The protective sheet was peeled off from the negative electrode on which the inorganic solid electrolyte thin film was formed, and placed in a stainless steel sealed container together with the separator (porous polymer film) and the positive electrode. The protective sheet could be easily removed without any problem. Further, a transverse electrolyte solution in which 1 mol% of LiPF 6 was dissolved as an electrolytic salt was dropped into a mixed solution of ethylene carbonate and propylene carbonate to produce a lithium secondary battery.
[0042]
The charge / discharge characteristics of the produced battery were evaluated. As a result, both the negative electrode samples No. 1 and No. 2 had a charging voltage of 4.2 V, and the capacity until the voltage decreased to 3.0 V by 100 mA discharge was 0.5 Ah (ampere hour). The energy density was 500 Wh (kilowatt hour) / 1 (liter). Furthermore, cycle charge / discharge was performed under the same conditions, and the cycle was stable for 300 cycles or more.
[0043]
【Effect of the invention】
As described above, according to the lithium battery negative electrode of the present invention, it is possible to prevent the inorganic electrolyte thin film from absorbing and deteriorating by covering the inorganic electrolyte thin film with the protective sheet that can be easily peeled off.
[0044]
Moreover, the lithium battery negative electrode negative electrode of this invention can shorten time until a protective sheet is mounted | worn with an inorganic electrolyte thin film, and can reduce deterioration of an inorganic solid electrolyte thin film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a lithium battery negative electrode of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a method for producing a lithium battery negative electrode of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Copper foil
2 Lithium metal thin film
3 Inorganic solid electrolyte thin film
4 Protective sheet
5 Supply reel
6 Take-up reel
7 Supply reel
10 Supply room
11 Lithium metal thin film deposition chamber
12 Ion beam processing room
13 Solid electrolyte deposition chamber
14 Winding room
Claims (6)
前記電解質薄膜を形成後、直ちに電解質薄膜上を可撓性の保護シートで覆う工程とを具え、
無機固体電解質薄膜の形成工程と保護シートの被覆工程とを連続する真空室内で行うことを特徴とするリチウム電池負極の製造方法。Forming an inorganic solid electrolyte thin film on the lithium-containing metal;
Immediately after forming the electrolyte thin film, comprising covering the electrolyte thin film with a flexible protective sheet ,
A method for producing a lithium battery negative electrode, characterized in that an inorganic solid electrolyte thin film forming step and a protective sheet coating step are performed in a continuous vacuum chamber .
この巻き取り工程時に、無機固体電解質薄膜の表面に保護シートも併せて巻き取ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウム電池負極の製造方法。Comprising a step of winding a tape in which an inorganic solid electrolyte thin film is formed on a lithium-containing metal into a roll,
The method for producing a lithium battery negative electrode according to any one of claims 1 to 3 , wherein a protective sheet is also wound on the surface of the inorganic solid electrolyte thin film during the winding step.
リチウム含有金属薄膜の形成工程、無機固体電解質薄膜の形成工程および保護シートの被覆工程を連続する真空室内で行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウム電池負極の製造方法。The lithium battery negative electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the lithium-containing metal thin film forming step, the inorganic solid electrolyte thin film forming step, and the protective sheet coating step are performed in a continuous vacuum chamber. Production method.
リチウム含有金属薄膜の形成工程、イオンビーム処理工程、無機固体電解質薄膜の形成工程および保護シートの被覆工程を連続する真空室内で行うことを特徴とする請求項5に記載のリチウム電池負極の製造方法。6. The method for producing a lithium battery negative electrode according to claim 5, wherein the forming step of the lithium-containing metal thin film, the ion beam treatment step, the forming step of the inorganic solid electrolyte thin film and the covering step of the protective sheet are performed in a continuous vacuum chamber. .
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