JP5117213B2 - リチウムイオン二次電池負極用銅箔及びリチウムイオン二次電池用負極 - Google Patents
リチウムイオン二次電池負極用銅箔及びリチウムイオン二次電池用負極 Download PDFInfo
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Description
リチウムイオン二次電池は、一般的に、正極活物質としてコバルト酸リチウム、負極活物質としてカーボン、電解液としてプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の有機溶媒にリチウムイオンを溶解させた非水電解液が使用されている。
負極集電体用銅箔は、通常電解銅箔または圧延銅箔である。
(1)主たる活物質が、リチウム不活性な銅を活物質内に含有するCu6Sn5、Cu3Snに変化することで、リチウムと反応する際の活物質の膨張収縮量が低減される。
(2)錫と銅の比率が段階的に変化する傾斜−多層構造であるため、電極内の各層間での膨張収縮量の差が、非熱処理電極の錫と銅箔の界面と比較して小さくなる。
という二つの効果が、充放電時の活物質の膨張収縮によって電極内の各層界面に生じる応力を緩和し、各層の界面における剥離を抑制する、と考えられるとしている。
しかし、電解銅箔上に錫をめっきした後、熱処理した負極に、現行のLiCoO2正極を組み合わせた6mAh級ラミネートタイプ電池を作成し、その特性を検討した結果では、小型電池のサイクル特性では、20サイクル間までは優れたサイクル特性を示し、リチウムイオン二次電池として機能することが確認されたが、20サイクル以降で容量が低下する。これは実用的な電池としては、性能未達成であると考えられる。
また、負極集電体である銅箔に、負極活物質としてめっきにより錫皮膜を形成しただけでは、電池として充放電のサイクルを繰り返すと、めっきの仕方によっては急激に錫膜に亀裂が入り微粉化して脱落してしまう現象が現れる。
負極集電体である銅箔に、めっきなどにより錫皮膜を形成して負極活物質としただけでは、充放電のサイクルを繰り返すうちに急激に錫膜に亀裂が入り微粉化して脱落してしまうことがある。
この原因は、錫めっき負極の充放電反応機構に基づくものである。式(1)、(2)にその反応機構を示す。
Li22Sn5→22Li+22e−+5Sn(放電) (2)
すなわち、負極の膨張、収縮時の体積変化により活物質である錫が微粉化すると考えられている。その結果、錫めっき負極は、充放電サイクル数が増大するに従い、放電容量の低下を起す。
銅箔表面に設けたポーラスな銅粒子により、この上に被覆した負極となる錫めっきでは(1)式に示すリチウム電池充電反応により著しい体積膨張が起こり(2)式により体積収縮が起こっても、ポーラスな銅粒子がその体積膨張・収縮を緩和し、錫の微細化が起こり難くい作用をしている。
もし錫拡散を防止するニッケルめっきがない場合は、ポーラスな銅粒子上に錫めっきを施した後、加熱して錫を拡散させた場合、加熱条件によってはポーラスな銅粒子の層や銅めっきの層だけでなく銅箔表面もCu6Sn5、Cu3Snに変化させてしまうことがある。この場合、ポーラスな銅粒子にリチウムイオンのドープ・脱ドープによる体積変化を吸収させる場合に比べ、銅箔表面のCu6Sn5、Cu3Snの方に著しい体積膨張・体積収縮が起こり、体積膨張・収縮が緩和され難くなる。このため、銅箔両面に錫拡散を防止するニッケルめっき層を設ける。ニッケルめっき層を施すことにより、ポーラスな銅粒子がポーラスなCu6Sn5、Cu3Sn粒子に変化し、銅箔表面はCu6Sn5、Cu3Snに変化せず、サイクル特性の劣化をさらに抑えることができる。
ポーラスな銅粒子は、通常電気めっきで施す。粒子径は直径0.1〜5μm位が適している。これ以上大きな径を付着させると銅箔表面に固着する銅めっきを形成しても固着ができない場合があるからである。
錫金属のめっき法としては通常、SnSO4 を溶解した硫酸浴により電気めっきで行う。
錫合金めっきとしては、錫−鉄合金、錫−ニッケル合金、錫−コバルト合金等が挙げられる。
また、錫の拡散防止に効果的なニッケル合金めっきとしては、Ni−Co合金めっき、Ni−Fe合金めっき等が挙げられる。
〔実施例1〕
WS箔:Y面粗さ Ra=0.29μm、Rz=1.60μm
D面粗さ Ra=0.25μm、Rz=1.45μm
注:Y面とは電解銅箔製造時に銅めっき液に接していた面、D面とはチタンドラムに接していた面をさす。
ポーラスな銅粒子を付着させる条件:
硫酸銅 80g/L
硫酸 110〜160g/L
添加剤 適量
液温 30〜60℃
電流密度 10〜50A/dm2
処理時間 2〜20秒
ポーラスな銅粒子を銅箔表面に固着させる銅めっき条件:
硫酸銅 200g/L
硫酸 90〜130g/L
液温 30〜60℃
電流密度 10〜30A/dm2
処理時間 2〜20秒
錫めっき条件:
硫酸第一錫 30g/L
硫酸(98%) 110cc/L
添加剤(石原薬品株式会社製) 40cc/L
温度 18℃
電流密度 2A/dm2
以上の条件により厚さ3μmのSnめっきを行い試料電極とした。
〔実施例2〕
その後、実施例1と同様にして、錫めっきを3μm施した。さらに、真空炉中で200℃×24時間熱処理を行い試料電極とした。
〔実施例3〕
ニッケルめっき条件
硫酸ニッケル 240〜300g/L
塩化ニッケル 40〜50g/L
ホウ酸 35〜45g/L
pH 3.8〜4.2
光沢剤 適量
温度 50〜60℃
電流密度 2〜4A/dm2
以上の条件により厚さ0.5μmのニッケルめっきを行った。この後、実施例1と同様にして、ニッケルめっき上にポーラスな銅粒子を付着させ、該銅粒子を銅箔表面に固着させる銅めっきを形成した。
その後、実施例1と同様にして、錫めっきを3μm施した。さらに、真空炉中で200℃×24時間熱処理を行い試料電極とした。
〔実施例4〕
圧延銅箔:A面粗さ Ra=0.12μm,Rz=0.55μm
B面粗さ Ra=0.14μm,Rz=0.60μm
注:コイル状に巻かれた圧延銅箔のコイル外側の面をA面、コイル内側の面をB面とした。
実施例1と同様にして、圧延銅箔のA面にポーラスな銅粒子を付着させ、該銅粒子を銅箔表面に固着させる銅めっきを形成した。その後、実施例1と同様にして、錫めっきを3μm施した。
〔実施例5〕
その後、実施例1と同様にして、錫めっきを3μm施した。さらに、真空炉中で200℃×24時間熱処理を行い試料電極とした。
〔実施例6〕
その後、実施例1と同様にして、錫めっきを3μm施した。さらに、真空炉中で200℃×24時間熱処理を行い試料電極とした。
〔比較例1〕
〔比較例2〕
〔比較例3〕
実施例1と同様にして、圧延銅箔のA面に錫めっきを3μm施した。さらに、真空炉中で200℃×24時間熱処理を行い試料電極とした。
充放電サイクル特性は、電解液として1mol/dm3LiN(CF3SO2)2/EC+DEC(1:1)、対極に金属リチウムを用い、セパレ−ターを介して実施例1〜6及び比較例1〜4の負極を配置し、ドライルーム中でCR2032型コイン電池を作成し、25℃の恒温槽中、0〜1Vvs.Li/Li+の電圧範囲で測定した。
実施例1と実施例4は電解銅箔と圧延銅箔を使用しているが、ポーラスな銅粒子上に錫めっきを施しているという点で、負極構造は同じである。従って両者の放電容量維持率にはほとんど差は見られない。
これに対して、比較例1、比較例4は電解銅箔と圧延銅箔を使用しているが、いずれもポーラスな銅粒子を施さず、錫めっきを施している。両者の放電容量維持率は、放電容量維持率の点で、実施例1と実施例4に劣る。
実施例2と実施例5は電解銅箔と圧延銅箔を使用しているが、ポーラスな銅粒子上に錫めっきを施し、加熱処理を行っている。負極構造は同じであり、両者の放電容量維持率はともに良好であり、実施例2と実施例5でほとんど差は見られない。
比較例2、比較例5は電解銅箔と圧延銅箔を使用しているが、いずれもポーラスな銅粒子を施さず、錫めっきを施し、加熱処理を行っている。両者の放電容量維持率は、放電容量維持率の点で、実施例1と実施例4に劣る。
実施例3と実施例6は電解銅箔と圧延銅箔を使用しているが、銅箔上にニッケルめっきを行ってから、ポーラスな銅粒子を施し、さらにその上に錫めっきを施し、加熱処理を行っている。負極構造は同じであり、両者の放電容量維持率はともに本実施例、比較例で最も良好であり、30サイクル後でも放電維持率は良好であった。また、実施例3と実施例6でほとんど差は見られない。
これは、ニッケルめっきが錫の拡散を防止するバリヤーとなって、加熱処理しても錫が銅箔側に拡散されず、負極としては比較例1と比較例4と同様になっており、放電容量維持率も比較例1と比較例4と大差がない。
本発明のリチウムイオン二次電池負極用銅箔によれば、エネルギー密度が高く、充放電サイクルを繰り返しても容量の低下が起こらない高寿命で、小型化可能なリチウムイオン二次電池を供給することができる。
Claims (5)
- 銅箔又は銅合金箔からなる負極集電体に負極活物質となる錫又は錫合金層を形成するリチウムイオン二次電池負極用銅箔であって、前記銅箔又は銅合金箔の少なくとも一方の面にポーラスな銅又は銅合金粒子からなる銅粒子層が設けられ、該銅粒子層を銅箔表面に固着させる銅又は銅合金からなる銅めっき層が設けられているリチウムイオン二次電池負極用銅箔。
- 前記銅箔又は銅合金箔とポーラスな銅粒子層との間に、錫拡散を防止するニッケル又はニッケル合金めっき層が設けられている請求項1に記載のリチウムイオン二次電池負極用銅箔。
- 銅箔又は銅合金箔の少なくとも一方の面にポーラスな銅又は銅合金粒子からなる銅粒子層が設けられ、該銅粒子層を銅箔表面に固着させる銅又は銅合金からなる銅めっき層が設けられ、該銅めっき層の上に錫又は錫合金層が設けられているリチウムイオン二次電池用負極。
- 銅箔又は銅合金箔の少なくとも一方の面にポーラスな銅又は銅合金粒子からなる銅粒子層が設けられ、該銅粒子層を銅箔表面に固着させる銅又は銅合金からなる銅めっき層が設けられ、該銅めっき層上に錫又は錫合金層が設けられ、該錫又は錫合金の少なくとも一部が前記銅粒子層又は/及び前記銅めっき層に拡散されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記銅箔又は銅合金箔とポーラスな銅粒子層との間に、錫拡散を防止するニッケル又はニッケル合金めっき層を設けてなる請求項3または4に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
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