JP5676173B2 - Method for producing negative electrode for secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池用負極の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a negative electrode for a secondary battery.

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。   With the widespread use of mobile terminals such as mobile phones and laptop computers, the role of secondary batteries that serve as the power source has become important. These secondary batteries are required to have a small size, a light weight, and a high capacity, which are resistant to deterioration even after repeated charging and discharging.

これらの二次電池の負極には、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が高エネルギー密度、充放電サイクル特性が良好、更に安全性が高いという観点から実用化されている。しかし、携帯電話などの大容量高速通信、カラー動画の高速通信等の要求を満たすには現状の二次電池の容量では不十分であり、負極の更なる高エネルギー密度化が必要である。   For the negative electrodes of these secondary batteries, carbon materials such as graphite and hard carbon capable of occluding and releasing lithium ions have been put into practical use from the viewpoint of high energy density, good charge / discharge cycle characteristics, and high safety. Yes. However, the current capacity of the secondary battery is insufficient to satisfy the demands of high-capacity high-speed communication such as mobile phones and high-speed communication of color moving images, and further higher energy density of the negative electrode is necessary.

炭素材料をベースとして用いた負極の高容量化を目指して様々な試みがなされている。容量を向上させる方法として、例えば特許文献1には、Liイオンの吸蔵、放出助剤として、粒径の小さいアルミニウム、鉛、銀を炭素材料に添加することにより高容量化を図る技術が開示されている。また、特許文献2には、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。このようなカーボン負極材料に金属や金属酸化物を添加・混合することによって、高容量かつサイクル特性の良好な負極が得られるとされている。特許文献1に開示されている粒径の小さいアルミニウム等を炭素材料に添加する技術は、炭素材料中に金属粒子を均一に分散することが困難であり、負極中に金属が局在化してしまう結果、充放電サイクルを繰り返したとき電界の局所的集中のため電極の充放電状態が不均一になり、電極の変形、活物質の集電体からの剥離等が発生する問題点があった。このため高水準のサイクル特性を維持することは困難であった。特許文献2に開示されているSnBxPyOz(xは0.4〜0.6、yは0.6〜0.4)金属酸化物アモルファス材料は初回充放電における不可逆容量が大きく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という課題を有していた。   Various attempts have been made to increase the capacity of a negative electrode using a carbon material as a base. As a method for improving the capacity, for example, Patent Document 1 discloses a technique for increasing the capacity by adding aluminum, lead, and silver having a small particle size to a carbon material as a lithium ion storage and release aid. ing. Patent Document 2 discloses that a metal oxide containing Sn or the like is used as a negative electrode material. It is said that a negative electrode with high capacity and good cycle characteristics can be obtained by adding and mixing a metal or metal oxide to such a carbon negative electrode material. The technique of adding aluminum or the like with a small particle diameter disclosed in Patent Document 1 to a carbon material is difficult to uniformly disperse metal particles in the carbon material, and the metal is localized in the negative electrode. As a result, when the charge / discharge cycle is repeated, there is a problem in that the charge / discharge state of the electrode becomes non-uniform due to local concentration of the electric field, causing deformation of the electrode, peeling of the active material from the current collector and the like. For this reason, it has been difficult to maintain a high level of cycle characteristics. SnBxPyOz (x is 0.4 to 0.6, y is 0.6 to 0.4) metal oxide amorphous material disclosed in Patent Document 2 has a large irreversible capacity in the first charge / discharge and sufficient energy density of the battery It had the subject that it was difficult to make it high.

またこれらの従来技術は、高い動作電圧が得られないという共通の課題を有していた。その理由は、金属と炭素系材料を混合した場合、放電曲線において炭素より高い電圧に金属特有のプラトーを形成するため、負極として炭素のみを使用した場合と比較し動作電圧が低くなるからである。リチウム二次電池は用途に応じて下限電圧が定められている。したがって動作電圧が低くなると使用可能領域が狭くなり、結果として、実際に電池が使用される領域において容量増加を図ることは困難になる。   These conventional techniques have a common problem that a high operating voltage cannot be obtained. The reason is that, when a metal and a carbon-based material are mixed, a plateau peculiar to the metal is formed at a voltage higher than carbon in the discharge curve, so that the operating voltage is lower than when only carbon is used as the negative electrode. . Lithium secondary batteries have a lower limit voltage depending on their use. Therefore, when the operating voltage is lowered, the usable area is narrowed. As a result, it is difficult to increase the capacity in the area where the battery is actually used.

これらの問題を解決するために、Si系合金などからなる活物質層を炭素層の表面に真空成膜により形成する負極が提案されている(特許文献3、特許文献4、特許文献5)。   In order to solve these problems, a negative electrode has been proposed in which an active material layer made of a Si-based alloy or the like is formed on the surface of a carbon layer by vacuum film formation (Patent Document 3, Patent Document 4, and Patent Document 5).

特開平9−259868号公報JP-A-9-259868 再公表特許WO96/33519号Republished patent WO96 / 33519 特開平7−296798号公報JP 7-296798 A 特開平7−326342号公報JP 7-326342 A 特開2001−283833号公報JP 2001-283833 A

しかしながら、Si系合金などからなる活物質層を炭素層の表面に真空成膜により形成する従来技術は、以下に述べる課題を有していた。   However, the conventional technique for forming an active material layer made of a Si-based alloy or the like on the surface of the carbon layer by vacuum film formation has the following problems.

前述した炭素層表面に真空成膜によりシリコンなどの活物質からなる層を設ける積層型負極において、第一層目である炭素層は、一般にグラファイトなどの活物質とバインダーなどとを、有機溶剤に分散した塗料を導電性基体に塗布、乾燥して活物質などを含む塗膜を形成したものである。   In the above-described laminated negative electrode in which a layer made of an active material such as silicon is formed on the surface of the carbon layer by vacuum film formation, the first carbon layer is generally composed of an active material such as graphite and a binder as an organic solvent. The dispersed paint is applied to a conductive substrate and dried to form a coating film containing an active material.

このような第一の層の上に真空成膜により金属や半導体からなる層を形成した負極を使って電池を作製し充放電させると、初期の容量は大きいものの、充放電を繰り返すと第二の層の膨張収縮率が第一の層に比べて大きいために第二の層が剥離する、微粉化を起こすなどが原因でサイクル効率の劣化が大きかった。   When a battery is fabricated and charged / discharged using a negative electrode in which a layer made of a metal or a semiconductor is formed on the first layer by vacuum film formation, the initial capacity is large. Since the expansion / contraction rate of this layer was larger than that of the first layer, the cycle efficiency was greatly deteriorated because the second layer was peeled off or micronized.

更に前記炭素層表面にSiなど融点が非常に高い難蒸発物質を真空蒸着成膜した場合、蒸発源からの輻射熱が非常に大きい。この輻射熱を負極層の材料が大量に吸収すると、負極層に含まれるバインダーなどに大きなダメージを与え、電池の充放電サイクル特性に悪影響を及ぼす可能性がある。輻射熱量を抑えるためには装置内に冷媒を流す、負極機材(銅箔など)の走行速度を上げるなど様々な工夫が必要で装置構成が複雑となる。負極機材(銅箔など)の走行速度を上げれば輻射熱の影響を低減できる反面、機材への付着量が少なくなるため目的とする膜厚が得られにくくなる。真空蒸着、CVD、スパッタリング法などの真空成膜においては従来の塗布法よりも、成膜速度が遅いため、数ミクロンといった負極の膜厚を得るには大変な時間を要していた。   Further, when a hardly evaporating substance such as Si having a very high melting point is vacuum deposited on the surface of the carbon layer, the radiant heat from the evaporation source is very large. If the material of the negative electrode layer absorbs this radiant heat in a large amount, the binder contained in the negative electrode layer may be seriously damaged, which may adversely affect the charge / discharge cycle characteristics of the battery. In order to suppress the amount of radiant heat, various devices are required, such as flowing a refrigerant through the apparatus and increasing the traveling speed of negative electrode equipment (copper foil, etc.), which complicates the apparatus configuration. Increasing the traveling speed of the negative electrode equipment (such as copper foil) can reduce the effect of radiant heat, but the amount of adhesion to the equipment is reduced, making it difficult to obtain the desired film thickness. In vacuum film formation such as vacuum deposition, CVD, and sputtering, the film formation rate is slower than in conventional coating methods, and thus it takes a long time to obtain a negative electrode film thickness of several microns.

また、大量製造を試みた場合、チャンバー内に大量の活物質が付着することになるので頻繁にクリーニングが必要であるなどプロセス上の課題もある。こうしたことから電池の特性上の歩留まりが悪くなることが考えられる。   Further, when mass production is attempted, a large amount of active material adheres in the chamber, so that there is a problem in process such as frequent cleaning. For these reasons, it is conceivable that the yield on the characteristics of the battery deteriorates.

以上のことから、安定したサイクル特性を得るためには、膨張収縮を極力抑えるような第二の層の構成材料の選択と、その作製方法の選択がきわめて重要となる。   From the above, in order to obtain stable cycle characteristics, it is extremely important to select the constituent material of the second layer that suppresses expansion and contraction as much as possible, and the selection of the manufacturing method thereof.

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、炭素層上に金属や半導体の薄膜層を形成する積層型複合負極の従来技術の有する課題に鑑み、簡単な製造方法で高い充放電効率および良好なサイクル特性を維持しつつ、高い電池容量を得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and in view of the problems of the prior art of a laminated composite negative electrode in which a thin film layer of metal or semiconductor is formed on a carbon layer, high charge and discharge efficiency and The object is to obtain a high battery capacity while maintaining good cycle characteristics.

また本発明によれば、集電体と、炭素を主成分とする第一の層と、リチウムイオン導電性を有する膜状材料を主成分とする第二の層とがこの順で積層してなる二次電池用負極の製造方法であって、前記炭素を主成分とし結着剤を含む塗液を、前記集電体に塗布することにより前記第一の層を形成する工程と、Li:Si合金粒子と結着剤とを含む塗液を、前記第一の層の表面に塗布した後、前記塗液を乾燥することにより前記第二の層を形成する工程と、を含み、前記Li:Si合金粒子の平均粒径が、前記第二の層の厚みの80%以下であ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。 According to the present invention, the current collector, the first layer mainly composed of carbon, and the second layer mainly composed of a film material having lithium ion conductivity are laminated in this order. A method for producing a negative electrode for a secondary battery, comprising : forming a first layer by applying a coating solution containing carbon as a main component and containing a binder to the current collector; and Li: Forming a second layer by applying a coating liquid containing Si alloy particles and a binder to the surface of the first layer and then drying the coating liquid, and the Li An average particle size of the Si alloy particles is 80% or less of the thickness of the second layer. A method for producing a negative electrode for a secondary battery is provided.

本発明によれば、金属粒子、合金粒子及び金属酸化物粒子から選択される一または二以上の粒子が結着剤により結着された構成の負極としているため、第二の層が第一の層に強固に接着し、多層膜の機械的強度が向上する。   According to the present invention, since the negative electrode has a configuration in which one or more particles selected from metal particles, alloy particles, and metal oxide particles are bound by the binder, the second layer is the first layer. It adheres firmly to the layer and improves the mechanical strength of the multilayer film.

ここで、第二の層に含まれる金属粒子又は金属合金粒子又は金属酸化物粒子の平均粒径は、膜厚制御の精度の観点から第二の層の厚みの80%以下であることが望ましい。こうすることで、目的とする膜厚を好適に制御でき、第二の層の表面の凹凸の発生を抑制することができる。凹凸の発生は膜厚がたとえば5μm以下の場合に特に顕著となる。凹凸が大きすぎると、セパレータへのダメージが大きくなり、結果として正極と短絡を起こす可能性がある。また、後述する第二の層の上にリチウム等の第三の層を真空成膜する場合において、凹凸部が大きいと均一な膜厚を成膜することが困難となり、第三の層の凹凸が大きくなるという問題がある。リチウムのような活性の高い物質からなる層の凹凸が大きいとランダムな活性点が多く存在することになり、デンドライトが発生しやすくなり、この結果、充放電の繰り返しによる短絡が生じやすく安全性上の問題が生じる。   Here, the average particle diameter of the metal particles, metal alloy particles, or metal oxide particles contained in the second layer is desirably 80% or less of the thickness of the second layer from the viewpoint of film thickness control accuracy. . By carrying out like this, the target film thickness can be controlled suitably and generation | occurrence | production of the unevenness | corrugation on the surface of a 2nd layer can be suppressed. Concavity and convexity are particularly noticeable when the film thickness is, for example, 5 μm or less. If the unevenness is too large, damage to the separator increases, and as a result, there is a possibility of causing a short circuit with the positive electrode. In addition, when a third layer such as lithium is vacuum-deposited on the second layer, which will be described later, it is difficult to form a uniform film thickness if the uneven portion is large. There is a problem that becomes larger. If the unevenness of a layer made of a highly active substance such as lithium is large, there will be many random active sites, and dendrites are likely to be generated. Problem arises.

前記第二の層に金属粒子が含まれる場合には、理論活物質エネルギー密度が大きい、リチウムイオンを伝導し易い、バインダーに分散できるなどの観点からSi、Ge、Sn、InおよびPbからなる群から選択される一または二以上の元素を含むことが好ましい。   When the second layer includes metal particles, the group consisting of Si, Ge, Sn, In, and Pb from the viewpoints of high theoretical active material energy density, easy conduction of lithium ions, dispersibility in the binder, and the like. It is preferable to include one or more elements selected from

前記第二の層に含まれる合金粒子の成分として、Si、Ge、Sn、InおよびPbからなる群から選択される一または二以上の元素を含むことが好ましく、具体的にはLi:Si合金、Li:Ge合金、Li:Sn合金、Li:In合金、Li:Pb合金などリチウムとの合金が特に好ましい。   The alloy particles contained in the second layer preferably contain one or more elements selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, In and Pb, specifically, Li: Si alloy. An alloy with lithium such as Li: Ge alloy, Li: Sn alloy, Li: In alloy, Li: Pb alloy is particularly preferable.

前記第二の層に金属酸化物粒子が含まれる場合には、理論活物質エネルギー密度が大きい、リチウムイオンを伝導し易い、バインダーに分散できるなどの観点からSi、Ge、Sn、In及びPbからなる酸化物からなる群から選択される一または二以上の材料からなることが好ましい。   When the second layer contains metal oxide particles, Si, Ge, Sn, In, and Pb are used from the viewpoints of high theoretical active material energy density, easy conduction of lithium ions, dispersibility in the binder, and the like. It is preferable to consist of one or two or more materials selected from the group consisting of oxides.

上記金属粒子等は、炭素質等を含まない単体で用いられるほか、その表面に炭素質層を被覆したものや炭素質粒子の表面に金属層を被覆したものなどを適宜、用いることができる。   The metal particles and the like may be used alone without containing carbonaceous matter, or those having a surface coated with a carbonaceous layer or those coated with a metal layer on the surface of carbonaceous particles may be used as appropriate.

前記第二の層を構成する粒子は、主として金属粒子からなる構成、主として合金粒子からなる構成、主として金属酸化物粒子からなる構成のいずれとすることもできる。「主として」とは、たとえば、当該粒子が、第二の層に含まれる粒子全体の80質量%以上を構成することをいう。本発明において、第二の層を構成する粒子が主として金属粒子からなる構成とした場合、初期容量等の点でより好ましい。一方、第二の層を構成する粒子が主として金属酸化物粒子からなる構成とした場合、サイクル特性等の点でより好ましい。   The particles constituting the second layer may have any of a configuration mainly composed of metal particles, a configuration mainly composed of alloy particles, and a configuration mainly composed of metal oxide particles. “Mainly” means, for example, that the particles constitute 80% by mass or more of the entire particles contained in the second layer. In the present invention, when the particles constituting the second layer are mainly composed of metal particles, it is more preferable in terms of initial capacity and the like. On the other hand, when the particles constituting the second layer are mainly composed of metal oxide particles, it is more preferable in terms of cycle characteristics and the like.

本発明の二次電池用負極において、前記第二の層の上にリチウムイオン導電性を有する第三の層をさらに備えた構成とすることができる。こうすることで、初期容量の向上を図ることができる。   The negative electrode for a secondary battery of the present invention may be configured to further include a third layer having lithium ion conductivity on the second layer. By doing so, the initial capacity can be improved.

本発明の二次電池用負極において、前記第一の層は炭素質材料が結着剤により結着されてなり、前記第一の層に含まれる結着剤と前記第二の層に含まれる結着剤とが、いずれもフッ素含有樹脂である構成とすることができる。かかる構成を採用した場合、第一の層と第二の層の結着剤がいずれもフッ素含有樹脂となるため、リチウムの吸蔵・放出に伴う膨張収縮による応力を低減でき、負極の剥がれや微粉化を効果的に抑制できる。   In the secondary battery negative electrode of the present invention, the first layer is formed by binding a carbonaceous material with a binder, and is included in the binder contained in the first layer and the second layer. Any of the binders may be a fluorine-containing resin. When such a configuration is adopted, since the binder of the first layer and the second layer is both a fluorine-containing resin, stress due to expansion and contraction associated with insertion and extraction of lithium can be reduced, peeling of the negative electrode and fine powder Can be effectively suppressed.

本発明において、塗液の塗布方法は押し出しコーター、リバースローラー、ドクターブレードなどいずれの塗布方法を採用してもよく、塗膜を積層して形成する場合には、これらの塗布方法を適宜組み合わせて、例えば同時重層塗布方式、逐次重層塗布方式などの積層方式を採用できる。   In the present invention, any coating method such as extrusion coater, reverse roller, doctor blade, etc. may be adopted as the coating method of the coating liquid, and when coating films are formed by lamination, these coating methods are combined appropriately. For example, a lamination method such as a simultaneous multilayer coating method or a sequential multilayer coating method can be employed.

本発明では、前記第二の層の上に第三の層を設けた多層構造の負極を用いることでより高容量で充放電のサイクル特性に優れたリチウム二次電池を提供できるようになる。本発明において、第三の層を構成する物質はリチウム、またはリチウムを含有する化合物であれば特に制限がないが、好ましくは金属リチウム、リチウム合金、窒化リチウム、Li3-xxN(M=Co、Ni、Cu)及びこれらの混合物である。このような材料は電気化学的に多くのリチウムを放出することができるため、負極の不可逆容量を補い電池の充放電効率を向上させることができる。また前記第三の層に含まれるリチウムの一部はリチウムイオン導電性を持つ膜状材料からなる第二の層にドープされ、それにより第二の層のリチウムイオン濃度を高め、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電池の実効容量はさらに向上する。またこのようなイオン導電性膜が負極上に均一に存在するため、正極―負極間の電界分布は均一になる。このため電界の局所的集中が起こらず、サイクルを経ても集電体から活物質が剥離する等の破損が発生せず安定した電池特性が得られる。 In the present invention, it is possible to provide a lithium secondary battery having a higher capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics by using a negative electrode having a multilayer structure in which a third layer is provided on the second layer. In the present invention, the substance constituting the third layer is not particularly limited as long as it is lithium or a compound containing lithium, but preferably metal lithium, lithium alloy, lithium nitride, Li 3-x M x N (M = Co, Ni, Cu) and mixtures thereof. Since such a material can electrochemically release a large amount of lithium, it can supplement the irreversible capacity of the negative electrode and improve the charge / discharge efficiency of the battery. A part of lithium contained in the third layer is doped into the second layer made of a film material having lithium ion conductivity, thereby increasing the lithium ion concentration of the second layer and increasing the number of carriers. Therefore, the lithium ion conductivity is further improved. Thereby, the resistance of the battery can be reduced, and the effective capacity of the battery is further improved. In addition, since such an ion conductive film exists uniformly on the negative electrode, the electric field distribution between the positive electrode and the negative electrode becomes uniform. For this reason, local concentration of the electric field does not occur, and even if a cycle passes, damage such as separation of the active material from the current collector does not occur, and stable battery characteristics can be obtained.

また本発明において、第三の層を構成する物質はアモルファス構造とすることが好ましい。アモルファス構造は、結晶と比較して、構造的に等方であるため化学的に安定で電解液と副反応を起こしにくい。このため、第三の層に含まれるリチウムが効率よく負極の不可逆容量の補填に利用される。   In the present invention, the substance constituting the third layer preferably has an amorphous structure. Since the amorphous structure is structurally isotropic compared to the crystal, it is chemically stable and hardly causes a side reaction with the electrolytic solution. For this reason, the lithium contained in the third layer is efficiently used to compensate for the irreversible capacity of the negative electrode.

また本発明において、第三の層を構成する場合は、蒸着法、CVD法、スパッタリング法などの真空成膜法、塗布法などの湿式法いずれでもよい効果が得られる。これらの成膜法を用いた場合、負極全体に均一なアモルファス状の層を作製することができる。特に真空成膜法を採用した場合には溶媒を用いる必要がないため、副反応が起こりにくくより純度の高い層を作製することができ、第三の層に含まれるリチウムが効率よく負極の不可逆容量の補填に利用される。   Further, in the present invention, when the third layer is formed, an effect may be obtained by any of a vacuum film forming method such as a vapor deposition method, a CVD method and a sputtering method, and a wet method such as a coating method. When these film forming methods are used, a uniform amorphous layer can be formed on the entire negative electrode. In particular, when a vacuum film forming method is adopted, it is not necessary to use a solvent, so that a side reaction is unlikely to occur and a higher-purity layer can be produced, and lithium contained in the third layer is efficiently irreversible for the negative electrode. Used to make up for capacity.

前記炭素を主成分とする第一層と前記第二の層の間或いは前記第二の層と第三の層との間にバッファー層を設けてもよい。前記バッファー層は、層間の接着力を上げること、リチウムイオン導電性を調整すること、局所電界を防ぐことなどの役割があり、金属、金属酸化物、カーボン、半導体などを含んだ薄膜とすることができる。   A buffer layer may be provided between the first layer containing carbon as a main component and the second layer, or between the second layer and the third layer. The buffer layer has a role of increasing adhesion between layers, adjusting lithium ion conductivity, and preventing local electric field, and is a thin film containing metal, metal oxide, carbon, semiconductor, etc. Can do.

本発明の実施例1〜実施例3及び比較例1〜比較例3に係る二次電池負極の概略断面構造の一例である。1 is an example of a schematic cross-sectional structure of secondary battery negative electrodes according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention. 本発明の実施例4〜実施例8及び比較例4〜比較例6に係る二次電池負極の概略断面構造の一例である。It is an example of the schematic cross-section of the secondary battery negative electrode which concerns on Example 4-Example 8 and Comparative Example 4-Comparative Example 6 of this invention. 本発明の実施例1〜実施例8及び比較例1〜比較例6に係るパターン化されたグラファイト層が形成された銅箔の概略を示す一例である。It is an example which shows the outline of the copper foil in which the patterned graphite layer which concerns on Example 1- Example 8 and Comparative Example 1- Comparative Example 6 of this invention was formed. 本発明の実施例1〜実施例3及び比較例1〜比較例3に係るパターン化されたグラファイト層の上に、パターン化された第二の層3aが形成された場合の銅箔の概略を示す一例である。An outline of the copper foil when the patterned second layer 3a is formed on the patterned graphite layer according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention. It is an example to show. 本発明の実施例4〜実施例8及び比較例4〜比較例6に係るパターン化されたグラファイト層の上にパターン化された第二の層3a及びパターン化された第三の層4aが形成された場合の銅箔の概略を示す一例である。A patterned second layer 3a and a patterned third layer 4a are formed on the patterned graphite layer according to Examples 4 to 8 and Comparative Examples 4 to 6 of the present invention. It is an example which shows the outline of the copper foil in the case of being done. 比較例1〜比較例6及び実施例4〜実施例8に係る二次電池負極の第二の層3a及び第三の層4aを作製するための真空蒸着装置の概略構造の一例である。It is an example of schematic structure of the vacuum evaporation system for producing the 2nd layer 3a and the 3rd layer 4a of the secondary battery negative electrode which concern on the comparative example 1- comparative example 6 and the Example 4-8.

図1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り、負極層が第一の層2aと第二の層3aからなる場合の一例を示したものである。   FIG. 1 is a cross-sectional view of the negative electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, and shows an example in which the negative electrode layer is composed of a first layer 2a and a second layer 3a.

集電体となる銅箔1aは、充放電の際、電流を電池の外部に取り出したり、外部から電池内に電流を取り込むための電極として作用する。この集電体は導電性の金属箔であればよく、銅のほか、たとえば、アルミニウム、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。   The copper foil 1a serving as a current collector acts as an electrode for taking out the current to the outside of the battery or taking in the current from the outside into the battery during charging and discharging. The current collector may be a conductive metal foil, and other than copper, for example, aluminum, stainless steel, gold, tungsten, molybdenum, or the like can be used.

第一の層2aである炭素負極は、充放電の際、Liを吸蔵あるいは放出する負極部材である。この炭素負極はLiを吸蔵可能な炭素であり、黒鉛、フラーレン、カーボンナノチューブ、DLC(ダイアモンドライクカーボン)、アモルファスカーボン、ハードカーボンあるいはこの混合物を例示できる。   The carbon negative electrode that is the first layer 2a is a negative electrode member that occludes or releases Li during charging and discharging. This carbon negative electrode is carbon that can store Li, and examples thereof include graphite, fullerene, carbon nanotube, DLC (diamond-like carbon), amorphous carbon, hard carbon, or a mixture thereof.

第二の層3aはリチウムイオン導電性を持つ負極部材であって、金属粒子、金属合金粒子または金属酸化物粒子の内の一以上と少なくともバインダーとを溶剤を加えて混合することによって分散させ、塗液を塗布乾燥することによって形成される。前記リチウムイオン導電性負極部材として、シリコン、スズ、ゲルマニウム、鉛、インジウム、酸化ホウ素、酸化リン、酸化アルミニウムおよびこれらの複合酸化物等が挙げられ、これらを単独または一種以上を組み合わせて用いることができる。またこれらにリチウム、ハロゲン化リチウム、リチウムカルコゲナイド等を添加しリチウムイオン導電性を高くしてもよい。第二の層には、電子伝導助材(導電付与材)を添加し導電性を付与させることもできる。前記電子伝導助材は特に限定されることはないが、アルミニウム粉末、ニッケル粉末、銅粉末などの金属粉末のほか、一般に電池に用いられるカーボン粉末などの電気伝導性の良い材料を粉末にしたものを用いることができる。第二の層のバインダーとしては、特に限定されることはないが、例えばポリビニルアルコール、エチレン・プロピレン・ジエン三共重合体、スチレン・ブタジエンゴム、ポリフッ化ピニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などが用いられる。   The second layer 3a is a negative electrode member having lithium ion conductivity, and is dispersed by adding one or more of metal particles, metal alloy particles or metal oxide particles and at least a binder and mixing them, It is formed by applying and drying a coating liquid. Examples of the lithium ion conductive negative electrode member include silicon, tin, germanium, lead, indium, boron oxide, phosphorus oxide, aluminum oxide, and complex oxides thereof. These may be used alone or in combination of one or more. it can. Further, lithium, lithium halide, lithium chalcogenide, or the like may be added thereto to increase lithium ion conductivity. The second layer may be provided with conductivity by adding an electron conduction aid (conductivity imparting material). The electron conduction aid is not particularly limited, but it is a powder made of a metal powder such as aluminum powder, nickel powder, copper powder, or a material having good electrical conductivity such as carbon powder generally used in batteries. Can be used. The binder of the second layer is not particularly limited. For example, polyvinyl alcohol, ethylene / propylene / diene terpolymer, styrene / butadiene rubber, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, tetrafluoro An ethylene-hexafluoropropylene copolymer or the like is used.

尚、図1に示すように集電体の両面に第一の炭素負極層及び第2の負極層を形成した構成に限らず、本発明では集電体の片面にのみ負極層を形成してもよい。また、両面に負極層を形成する場合、それぞれの面の負極材料や構造は必ずしも同一でなくてもよい。   As shown in FIG. 1, the present invention is not limited to the structure in which the first carbon negative electrode layer and the second negative electrode layer are formed on both surfaces of the current collector. In the present invention, the negative electrode layer is formed only on one surface of the current collector. Also good. Moreover, when forming a negative electrode layer on both surfaces, the negative electrode material and structure of each surface are not necessarily the same.

第二の層3aの上に第三の層4aを形成した場合の負極構造の一例を図2に示す。   An example of the negative electrode structure when the third layer 4a is formed on the second layer 3a is shown in FIG.

第三の層4aはリチウム、またはリチウムを含有する化合物からなる負極部材である。このような材料として、金属リチウム、リチウム合金、窒化リチウム、Li3−xN(M=Co、Ni、Cu)及びこれらの混合物が挙げられ、これらを単独または一種以上を組み合わせて用いることができる。 The third layer 4a is a negative electrode member made of lithium or a lithium-containing compound. Examples of such a material include lithium metal, lithium alloy, lithium nitride, Li 3-x M x N (M = Co, Ni, Cu) and a mixture thereof, and these may be used alone or in combination of one or more. Can do.

尚、図2に示すように集電体の両面に第一の炭素負極層、第二の層3a及び第三の層4aを形成した構成に限らず、本発明では集電体の片面にのみ負極層を形成してもよい。また、両面に負極層を形成する場合、それぞれの面の負極材料や構造は必ずしも同一でなくてもよい。   As shown in FIG. 2, the present invention is not limited to the configuration in which the first carbon negative electrode layer, the second layer 3a, and the third layer 4a are formed on both surfaces of the current collector. In the present invention, only one surface of the current collector is used. A negative electrode layer may be formed. Moreover, when forming a negative electrode layer on both surfaces, the negative electrode material and structure of each surface are not necessarily the same.

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としては、LixMO2(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、LixCoO2、LixNiO2、LixMn2O4、LixMnO3、LixNiyC1-yO2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。 The positive electrode that can be used in the lithium secondary battery of the present invention includes a composite oxide that is Li x MO 2 (where M represents at least one transition metal), such as Li x CoO 2 , Li x NiO. 2, Li x Mn 2 O 4 , Li x MnO 3, Li x Ni y C 1-y O 2 , etc., conductive materials such as carbon black, a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) N-methyl A material obtained by dispersing and kneading a solvent such as -2-pyrrolidone (NMP) on a substrate such as an aluminum foil can be used.

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。   Moreover, as a separator which can be used in the lithium secondary battery of the present invention, a polyolefin film such as polypropylene or polyethylene, or a porous film such as a fluororesin can be used.

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LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)2、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。 Moreover, as electrolyte solution, cyclic carbonates, such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), and vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl Linear carbonates such as carbonate (EMC) and dipropyl carbonate (DPC), aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate and ethyl propionate, γ-lactones such as γ-butyrolactone, 1,2- Chain ethers such as ethoxyethane (DEE) and ethoxymethoxyethane (EME), cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, acetamide, dimethylformamide, di Oxolane, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, Aprotic organic solvents such as propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, N-methylpyrrolidone, etc. are used alone or in admixture of two or more. Dissolve the lithium salt to be dissolved. Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiB 10 Cl 10 , lithium of lower aliphatic carboxylic acid carboxylate, lithium chloroborane, lithium tetraphenylborate, LiBr, LiI, LiSCN, LiCl, imides and the like. Further, a polymer electrolyte may be used instead of the electrolytic solution.

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。また、電池の外装も特に制限はないが、例えば金属缶、金属ラミネートタイプなどがあげられる。   The shape of the battery is not particularly limited, and examples thereof include a cylindrical shape, a square shape, and a coin shape. Further, the outer packaging of the battery is not particularly limited, and examples thereof include a metal can and a metal laminate type.

参考例1)
参考例1により、本発明についてさらに詳細に説明する。本参考例に係る電池の構成は図1に示したものと同様であり、集電体となる銅箔1a上に、第一の層2aおよび第二の層3aが積層した構成を有している。第一の層2aの炭素負極として黒鉛を主成分に用いた。第二の層は、主にSi粉末をバインダーに分散させたものであり、塗布法によって形成した。以下、この電池の製造方法について説明する。
( Reference Example 1)
Reference Example 1 will explain the present invention in more detail. The configuration of the battery according to this reference example is the same as that shown in FIG. 1, and has a configuration in which a first layer 2a and a second layer 3a are stacked on a copper foil 1a serving as a current collector. Yes. Graphite was used as a main component as the carbon negative electrode of the first layer 2a. The second layer was mainly formed by dispersing Si powder in a binder, and was formed by a coating method. Hereafter, the manufacturing method of this battery is demonstrated.

まず図3に示すようにフレキシブル支持体である負極集電体には長さ約2000m、厚み10μmの銅箔20を用い、この上にグラファイトからなる第一の層2aを約50μmの厚さで堆積させた。このグラファイトからなる第一の層2aは、黒鉛粉末に結着材としてN-メチル-2-ピロリドンに溶解したポリフッ化ビニリデンと導電付与材を混合しペースト状にしたものを銅箔の両面にドクターブレードよる塗布法により成膜した。グラファイト塗布部のパターンを図3に示す。銅箔の表面側には左端部7m、右端部6.42mの未塗布部がある。グラファイト塗布部は左端部7mの位置から幅0.16m、長手方法0.43mピッチ(塗布部:0.41m、スペース:0.02m)で形成されており、4620個のグラファイト塗布部が存在する。一方、裏面側には左端部7m、右端部6.48mの未塗布部がある。グラファイト塗布部は左端部7mの位置から0.43mピッチ(塗布部:0.35m、スペース:0.08m)で形成されており、4620個のグラファイト塗布部が存在する。   First, as shown in FIG. 3, a copper foil 20 having a length of about 2000 m and a thickness of 10 μm is used for a negative electrode current collector as a flexible support, and a first layer 2 a made of graphite is formed thereon with a thickness of about 50 μm. Deposited. The first layer 2a made of graphite is made of a graphite powder mixed with polyvinylidene fluoride dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone as a binder and a conductive material, and is made into a paste on both sides of a copper foil. A film was formed by a coating method using a blade. The pattern of the graphite application part is shown in FIG. On the surface side of the copper foil, there is an uncoated portion having a left end portion of 7 m and a right end portion of 6.42 m. The graphite coating part is formed with a width of 0.16 m from the position of the left end part 7 m and a pitch method 0.43 m pitch (coating part: 0.41 m, space: 0.02 m), and there are 4620 graphite coating parts. . On the other hand, there is an uncoated portion having a left end portion of 7 m and a right end portion of 6.48 m on the back surface side. The graphite application part is formed at a pitch of 0.43 m (application part: 0.35 m, space: 0.08 m) from the position of the left end part 7 m, and there are 4620 graphite application parts.

この炭素からなる第一層の上に主にシリコンからなる第二の層3aをドクターブレードによる塗布法により約3μm形成する。平均粒径が1μmのSi粉末と導電付与材をN−メチルピロリドンに溶解したポリフッ化ビニリデンに混合分散し、塗液を作製した後、この塗液を前記グラファイト層からなる第一の層2aの上に同様の方法で塗布し130℃で乾燥した。   On the first layer made of carbon, a second layer 3a mainly made of silicon is formed to a thickness of about 3 μm by a coating method using a doctor blade. A Si powder having an average particle size of 1 μm and a conductivity-imparting material are mixed and dispersed in polyvinylidene fluoride dissolved in N-methylpyrrolidone to prepare a coating liquid, and then the coating liquid is formed on the first layer 2a composed of the graphite layer. It was applied in the same manner as above and dried at 130 ° C.

次に、この負極層が形成された銅箔から一個当たり幅0.04m、長手方向0.43m(表面塗布部0.41m、表面未塗布部0.02m、裏面塗布部0.35m、裏面未塗布部0.08m)になるように負極を切り出し、4620×4本の負極を作ることができた。全てのグラファイト層(第一の層2a)の上にSiを含んだ第二の層を均一(同一膜厚)に作製できた。未塗布部は端子取り出し部分として用いた。こうして、本参考例1で用いる積層型負極(図1、図4)を作製した。 Next, from the copper foil on which this negative electrode layer is formed, the width is 0.04 m per piece, and the longitudinal direction is 0.43 m (surface coated part 0.41 m, surface uncoated part 0.02 m, back coated part 0.35 m, back uncoated part 0.08 m) The negative electrode was cut out so that 4620 × 4 negative electrodes could be made. A second layer containing Si was uniformly formed (same film thickness) on all the graphite layers (first layer 2a). The uncoated part was used as a terminal extraction part. In this way, the laminated negative electrode (FIGS. 1 and 4) used in Reference Example 1 was produced.

これらの負極を、コバルト酸リチウム、導電付与剤、ポリフッ化ビニリデン等をN-メチル-2-ピロリドンと分散混練したものをアルミニウム箔上に塗布した正極と組み合わせラミネート(アルミニウム)外装の捲回セル(電池)を作製した。   These negative electrodes are combined with a positive electrode obtained by dispersing and kneading lithium cobaltate, a conductive agent, polyvinylidene fluoride, etc. with N-methyl-2-pyrrolidone on an aluminum foil. Battery).

尚、セパレータにはポリプロピレン不織布を用いた。電解液には1モル/Lの濃度LiPF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)を主に含んだ混合溶媒(混合容積比:EC/DEC=30/70)を用いた。 In addition, the polypropylene nonwoven fabric was used for the separator. A mixed solvent (mixing volume ratio: EC / DEC = 30/70) mainly containing ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in which LiPF 6 having a concentration of 1 mol / L was dissolved was used as the electrolytic solution. .

参考例1の負極を用いた電池について、充放電サイクル試験を行った。充放電試験の電圧範囲は3〜4.3Vとした。参考例の結果を表1に示す(比較例を表2に示す)。比較例1の初回充放電効率がそれぞれ82.6%であるのに対して、参考例1では90.1%であり、この結果から参考例1の初回充放電効率は真空蒸着で第二の層(Si)を形成した比較例1よりも高いことがわかる。 The battery using the negative electrode of Reference Example 1 was subjected to a charge / discharge cycle test. The voltage range of the charge / discharge test was 3 to 4.3V. The results of the reference examples are shown in Table 1 (Comparative examples are shown in Table 2). The initial charge / discharge efficiency of Comparative Example 1 is 82.6%, while that of Reference Example 1 is 90.1%. From this result, the initial charge / discharge efficiency of Reference Example 1 is the second in vacuum deposition. It turns out that it is higher than the comparative example 1 which formed the layer (Si).

1サイクルの放電容量を100%としたとき、それに対する500サイクルの放電容量の比率(放電容量比:C500/C1)は、500サイクル後も初回の容量の80%以上を保持しており、比較例1(51.5%)より遙かに良好である。参考例1が比較例1よりも良好な充放電効率とサイクル特性を有する理由は、参考例1におけては、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)が熱のダメージを受けず、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを抑えられたためと考えられる。また、第二の層3aに含まれるバインダーの接着力の作用により第二の層3aが第一の層2aに強固に接着し剥がれにくくなる、膨張収縮による剥がれや微粉化を抑制できるようになったためと考えられる。 When the discharge capacity of one cycle is assumed to be 100%, the ratio of the discharge capacity of 500 cycles to that (discharge capacity ratio: C500 / C1) maintains 80% or more of the initial capacity after 500 cycles. Much better than Example 1 (51.5%). The reason why Reference Example 1 has better charge / discharge efficiency and cycle characteristics than Comparative Example 1 is that in Reference Example 1, the binder (PVDF) present in the first layer 2a is not damaged by heat, This is thought to be due to the reduction in the adhesive strength with the current collector and the decomposition of the binder itself. Further, the second layer 3a is firmly adhered to the first layer 2a due to the action of the adhesive force of the binder contained in the second layer 3a, and it becomes difficult to peel off, and the peeling and pulverization due to expansion and contraction can be suppressed. It is thought that it was because of.

第二の層3aの正味の成膜時間(両面塗布に要する時間)は、銅箔2000m分で約2.7時間であり、比較例1の成膜時間(両面蒸着に要する時間:67時間)よりも遙かに少なく、銅箔2000mに成膜した場合の本参考例1においては負極(第二の層3a)の製造時間が約1/25で済んだ。 The net film formation time (time required for double-sided coating) of the second layer 3a is about 2.7 hours with a copper foil of 2000 m, and the film formation time of Comparative Example 1 (time required for double-sided vapor deposition: 67 hours). In this reference example 1 in which the film was formed on the copper foil 2000 m, the manufacturing time of the negative electrode (second layer 3a) was about 1/25.

参考例1における評価結果から、本発明に係る負極を備える二次電池は、大量生産における負極の作製時間の大幅な短縮を実現でき、初回充放電効率が高く、且つサイクル特性も安定していることが証明された。 From the evaluation results in Reference Example 1, the secondary battery including the negative electrode according to the present invention can realize a significant reduction in the production time of the negative electrode in mass production, has high initial charge / discharge efficiency, and stable cycle characteristics. Proven to be.

Figure 0005676173
Figure 0005676173

(実施例2)
第二の層3aに含まれる活物質がLi:Si合金であること以外は、参考例1と同様に負極を作製し、電池特性を評価した。結果を表1に示す。比較例2の初回充放電効率がそれぞれ84.4%であるのに対して、実施例2では92.4%であり、この結果から実施例2の初回充放電効率は真空蒸着で第二の層3a(Li:Si合金)を形成した比較例2よりも高いことがわかる。
(Example 2)
A negative electrode was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that the active material contained in the second layer 3a was a Li: Si alloy, and battery characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1. The initial charge / discharge efficiency of Comparative Example 2 is 84.4%, while that of Example 2 is 92.4%. From this result, the initial charge / discharge efficiency of Example 2 is the second in vacuum deposition. It turns out that it is higher than the comparative example 2 which formed the layer 3a (Li: Si alloy).

1サイクルの放電容量を100%としたとき、それに対する500サイクルの放電容量の比率(放電容量比:C500/C1)は、500サイクル後も初回の容量の80%以上を保持しており、比較例2(57.1%)より遙かに良好である。実施例2が比較例2よりも良好な充放電効率とサイクル特性を有する理由は、実施例2におけては、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)が熱のダメージを受けず、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを抑えられたためと考えられる。また、第一の層2aおよび第二の層3aに含まれるバインダーの接着力が効いて前記第二の層3aが第一の層2aに強固に接着し剥がれにくくなる、膨張収縮による剥がれや微粉化を抑制できるようになったためと考えられる。   When the discharge capacity of one cycle is assumed to be 100%, the ratio of the discharge capacity of 500 cycles to that (discharge capacity ratio: C500 / C1) maintains 80% or more of the initial capacity after 500 cycles. Much better than Example 2 (57.1%). The reason why Example 2 has better charge / discharge efficiency and cycle characteristics than Comparative Example 2 is that in Example 2, the binder (PVDF) present in the first layer 2a is not damaged by heat, This is thought to be due to the reduction in the adhesive strength with the current collector and the decomposition of the binder itself. In addition, the adhesive force of the binder contained in the first layer 2a and the second layer 3a works, and the second layer 3a firmly adheres to the first layer 2a and is difficult to peel off. This is thought to be due to the fact that it was possible to suppress the conversion.

第二の層3aの正味の成膜時間(両面塗布に要する時間)は、銅箔2000m分で約2.7時間であり、比較例2の成膜時間(両面蒸着に要する時間:67時間)よりも遙かに少なく、銅箔2000mに成膜した場合の本実施例2においては負極(第二の層3a)の製造時間が約1/25で済んだ。   The net film formation time of the second layer 3a (time required for double-sided application) is about 2.7 hours for a copper foil of 2000 m, and the film formation time of Comparative Example 2 (time required for double-sided vapor deposition: 67 hours). The production time of the negative electrode (second layer 3a) was about 1/25 in the present Example 2 in which the film was formed on the copper foil 2000m, much less than the above.

本実施例2における評価結果から、本発明に係る負極を備える二次電池は、大量生産における負極の作製時間の大幅な短縮を実現でき、初回充放電効率が高く、かつサイクル特性も安定していることが証明された。   From the evaluation results in Example 2, the secondary battery including the negative electrode according to the present invention can realize a significant reduction in the production time of the negative electrode in mass production, has high initial charge / discharge efficiency, and stable cycle characteristics. Proven to be.

参考例3)
第二の層3aに含まれる活物質がSiOであること以外は、参考例1と同様に負極を作製し、電池特性を評価した。結果を表1に示す。
( Reference Example 3)
A negative electrode was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that the active material contained in the second layer 3a was SiO x , and battery characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.

比較例3の初回充放電効率がそれぞれ74.3%であるのに対して、参考例3では89.1%であり、この結果から参考例3の初回充放電効率は真空蒸着で第二の層3a(SiO)を形成した比較例3よりも高いことがわかる。 The initial charge / discharge efficiency of Comparative Example 3 is 74.3%, while that of Reference Example 3 is 89.1%. From this result, the initial charge / discharge efficiency of Reference Example 3 is the second in vacuum deposition. it can be seen that higher than Comparative example 3 in which a layer 3a (SiO x).

1サイクルの放電容量を100%としたとき、それに対する500サイクルの放電容量の比率(放電容量比:C500/C1)は、500サイクル後も初回の容量の80%を保持しており、比較例3(220サイクル後故障)より遙かに良好である。参考例3が比較例3よりも良好な充放電効率とサイクル特性を有する理由は、参考例3におけては、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)が熱のダメージを受けず、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを抑えられたためと考えられる。また、第一の層2aおよび第二の層3aに含まれるバインダーの接着力が効いて前記第二の層3aが第一の層2aに強固に接着し剥がれにくくなる、膨張収縮による剥がれや微粉化を抑制できるようになったためと考えられる。 When the discharge capacity of one cycle is 100%, the ratio of the discharge capacity of 500 cycles to that (discharge capacity ratio: C500 / C1) retains 80% of the initial capacity even after 500 cycles. Much better than 3 (failed after 220 cycles). The reason why Reference Example 3 has better charge / discharge efficiency and cycle characteristics than Comparative Example 3 is that, in Reference Example 3, the binder (PVDF) present in the first layer 2a is not damaged by heat, This is thought to be due to the reduction in the adhesive strength with the current collector and the decomposition of the binder itself. In addition, the adhesive force of the binder contained in the first layer 2a and the second layer 3a works, and the second layer 3a firmly adheres to the first layer 2a and is difficult to peel off. This is thought to be due to the fact that it was possible to suppress the conversion.

第二の層3aの正味の成膜時間(両面塗布に要する時間)は、銅箔2000m分で約2.7時間であり、比較例3の成膜時間(両面蒸着に要する時間:67時間)よりも遙かに少なく、銅箔2000mに成膜した場合の本参考においては負極(第二の層3a)の製造時間が約1/25で済んだ。 The net film formation time (time required for double-sided coating) of the second layer 3a is about 2.7 hours for a copper foil of 2000 m, and the film formation time of Comparative Example 3 (time required for double-sided vapor deposition: 67 hours). In this reference example 3 in which the film was formed on the copper foil 2000 m, the manufacturing time of the negative electrode (second layer 3a) was about 1/25.

参考例3における評価結果から、本発明に係る負極を備える二次電池は、大量生産における負極の作製時間の大幅な短縮を実現でき、初回充放電効率が高く、かつサイクル特性も安定していることが証明された。 From the evaluation results in Reference Example 3, the secondary battery including the negative electrode according to the present invention can realize a significant reduction in the production time of the negative electrode in mass production, has high initial charge / discharge efficiency, and stable cycle characteristics. Proven to be.

(比較例1)
比較例1として、参考例1と同様炭素の負極が形成された銅箔の集電体(図3)の上に真空蒸着によりSi層(第二の層3a)を成膜した積層型負極を作製した。
(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a laminated negative electrode in which a Si layer (second layer 3a) was formed by vacuum deposition on a copper foil current collector (FIG. 3) on which a carbon negative electrode was formed as in Reference Example 1. Produced.

比較例1に用いた真空成膜装置の概略内部構成を図6に示す。基本的には銅箔1aの走行機構と前記銅箔1aと端子取り出しのための未蒸着部分を形成するために設けられた可動式遮蔽マスク9の移動機構からなる。可動式遮蔽マスク9は銅箔1aの表面用が幅2cm、裏面用が幅8cmである。銅箔1aの巻き出しから巻き取りまでは、銅箔1aを巻き出すための巻き出しローラー5、巻き出しローラー5から送られてくる銅箔1aと可動式遮蔽マスク9との密着及び同期させながら行う成膜の精度を上げるためのキャンローラー8、キャンローラー8から送られてくる銅箔1aを巻き取るための巻き取りローラー6から構成されている。また、真空中での未塗布部分を正確に検出し、可動式遮蔽マスク9によるパターニングを正確に行うことができるように、巻き出しローラー5とキャンローラー8との間に位置検出器7を設けてある。蒸発源10とキャンローラー8の最下部との距離は25cmとした。可動式遮蔽マスク9と銅箔1aとの隙間は1mm以下となるようにした。可動式遮蔽マスク9は成膜の際には銅箔1aと同期して未塗布部分を遮蔽するように動く(図中右から左)。最初の一ピッチ分の成膜が終了すると、蒸発物質の遮蔽にならないように戻り(図中、左から右側)、二番目の電極ピッチの未塗布部分を遮蔽するように設置される。これを繰り返すことで、すべてのグラファイト層の上に真空成膜によるパターニングが可能となる。   A schematic internal configuration of the vacuum film forming apparatus used in Comparative Example 1 is shown in FIG. Basically, it comprises a traveling mechanism of the copper foil 1a and a moving mechanism of the movable shielding mask 9 provided for forming the copper foil 1a and an undeposited portion for taking out the terminal. The movable shielding mask 9 has a width of 2 cm for the front surface of the copper foil 1a and a width of 8 cm for the back surface. From unwinding to unwinding of the copper foil 1a, the unwinding roller 5 for unwinding the copper foil 1a, the close contact and synchronization of the copper foil 1a sent from the unwinding roller 5 and the movable shielding mask 9 are synchronized. It is comprised from the can roller 8 for raising the precision of the film-forming to perform, and the winding roller 6 for winding up the copper foil 1a sent from the can roller 8. FIG. In addition, a position detector 7 is provided between the unwinding roller 5 and the can roller 8 so that an uncoated portion in a vacuum can be accurately detected and patterning by the movable shielding mask 9 can be accurately performed. It is. The distance between the evaporation source 10 and the lowermost portion of the can roller 8 was 25 cm. The gap between the movable shielding mask 9 and the copper foil 1a was set to 1 mm or less. The movable shielding mask 9 moves so as to shield the uncoated portion in synchronism with the copper foil 1a during film formation (from right to left in the figure). When the film formation for the first pitch is completed, it returns so as not to block the evaporated substance (from left to right in the figure), and it is installed so as to block the uncoated portion of the second electrode pitch. By repeating this, patterning by vacuum film formation on all the graphite layers becomes possible.

まず、前記銅箔1aの表面側のパターニングされたグラファイト層の上に、真空蒸着法によりSi層(厚さ3μm)をパターニング成膜する。銅箔1aの初期設置状態として、図6に示す巻き出しローラー5に先に作製した銅箔1aの巻心を取り付けた。銅箔1aをキャンローラー8に沿って移動させ、巻き取りローラー6に銅箔1aの先端を取り付けた。全部又は一部のローラーを駆動させて銅箔1aに適度なテンションを与え、銅箔1aの弛みや撓みを生じさせることなく蒸発源10上のキャンローラー8に密着させた。真空排気装置11を作動させ、真空チャンバー内を1×10-4Paの真空度まで排気した後、成膜を行った。 First, a Si layer (thickness 3 μm) is formed by patterning on the patterned graphite layer on the surface side of the copper foil 1a by vacuum deposition. As the initial installation state of the copper foil 1a, the winding core of the copper foil 1a previously produced was attached to the unwinding roller 5 shown in FIG. The copper foil 1 a was moved along the can roller 8, and the tip of the copper foil 1 a was attached to the take-up roller 6. All or a part of the rollers were driven to give an appropriate tension to the copper foil 1a and brought into close contact with the can roller 8 on the evaporation source 10 without causing the copper foil 1a to sag or bend. The vacuum evacuation apparatus 11 was operated to evacuate the vacuum chamber to a vacuum of 1 × 10 −4 Pa, and then film formation was performed.

全てのローラーを駆動させることで、任意の速度で銅箔1aと可動式遮蔽マスク9とを同期させながら走行させ、蒸発源10から連続的にSiを蒸発させ、銅箔1aの表面側のグラファイト層の上にSi層の形成を行った。銅箔1aの走行速度は1m/minであり、走行成膜速度は3μm・m/minである。成膜後、ガス導入バルブ12を用いてArガスをチャンバー内に導入しチャンバーを開け、巻き取りローラー6に巻き取られた銅箔1aを取り出した。   By driving all the rollers, the copper foil 1a and the movable shielding mask 9 are run at an arbitrary speed while being synchronized, Si is continuously evaporated from the evaporation source 10, and the graphite on the surface side of the copper foil 1a. A Si layer was formed on the layer. The traveling speed of the copper foil 1a is 1 m / min, and the traveling film forming speed is 3 μm · m / min. After film formation, Ar gas was introduced into the chamber using the gas introduction valve 12, the chamber was opened, and the copper foil 1a taken up by the take-up roller 6 was taken out.

次に、前記銅箔1aの裏面側のパターニングされたグラファイト層の上に、真空蒸着法によりSiからなる活物質をパターニング成膜した。銅箔1aの初期設置状態として、図6に示す巻き出しローラー5に先に作製した銅箔1aの巻心を取り付けた。銅箔1aをキャンローラー8に沿って移動させ、巻き取りローラー6に銅箔1aの先端を取り付けた。全部又は一部のローラーを駆動させて銅箔1aに適度なテンションを与え、銅箔1aの弛みや撓みを生じさせることなく蒸発源10上のキャンローラー8に密着させた。真空排気装置11を作動させ、真空チャンバー内を1x10-4Paの真空度まで排気した後、成膜を行った。全てのローラーを駆動させることで、任意の速度で銅箔1aと可動式遮蔽マスク9とを同期させながら走行させ、蒸発源から連続的にSiを蒸発させ、銅箔1aの表面側のグラファイト層の上にSi層の形成を行った。成膜後、ガス導入バルブ12を用いてArガスをチャンバー内に導入しチャンバーを開け、巻き取りローラー6に巻き取られた銅箔1aを取り出した。 Next, an active material made of Si was formed by patterning on the patterned graphite layer on the back side of the copper foil 1a by vacuum deposition. As the initial installation state of the copper foil 1a, the winding core of the copper foil 1a previously produced was attached to the unwinding roller 5 shown in FIG. The copper foil 1 a was moved along the can roller 8, and the tip of the copper foil 1 a was attached to the take-up roller 6. All or a part of the rollers were driven to give an appropriate tension to the copper foil 1a and brought into close contact with the can roller 8 on the evaporation source 10 without causing the copper foil 1a to sag or bend. After the vacuum evacuation device 11 was operated and the inside of the vacuum chamber was evacuated to a vacuum of 1 × 10 −4 Pa, film formation was performed. By driving all the rollers, the copper foil 1a and the movable shielding mask 9 are run at an arbitrary speed while being synchronized, Si is continuously evaporated from the evaporation source, and the graphite layer on the surface side of the copper foil 1a A Si layer was formed on the substrate. After film formation, Ar gas was introduced into the chamber using the gas introduction valve 12, the chamber was opened, and the copper foil 1a taken up by the take-up roller 6 was taken out.

このように真空蒸着法を用いて作製した負極を用いて、参考例1と同様の構成の電池を作製した(図1、図4)。結果を表2に示す。比較例1が参考例1よりも特性が劣ることが確認された。この理由は、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)がSiの真空蒸着の際に輻射熱のダメージを受け、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを招くためと考えられる。また、蒸着したSi層自体の微粉化や剥がれも原因と考えられる。 A battery having the same configuration as that of Reference Example 1 was produced using the negative electrode produced using the vacuum deposition method in this manner (FIGS. 1 and 4). The results are shown in Table 2. It was confirmed that the characteristics of Comparative Example 1 were inferior to Reference Example 1. The reason for this is considered that the binder (PVDF) present in the first layer 2a is damaged by radiant heat during vacuum deposition of Si, leading to a decrease in adhesive strength with the current collector, decomposition of the binder itself, and the like. It is done. Moreover, it is thought that it is also caused by pulverization and peeling of the deposited Si layer itself.

Figure 0005676173
Figure 0005676173

(比較例2)
第二の層3aに含まれる活物質がSi:Li合金であることを除き、比較例1と同様に電池を作製し、電池特性を評価した。結果を表2に示す。比較例2が実施例2よりも特性が劣る理由は、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)がLi:Si合金の真空蒸着の際に輻射熱のダメージを受け、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを招くためと考えられる。また、蒸着したLi:Si合金層自体の微粉化や剥がれも原因と考えられる。
(Comparative Example 2)
A battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the active material contained in the second layer 3a was a Si: Li alloy, and the battery characteristics were evaluated. The results are shown in Table 2. The reason why the characteristics of Comparative Example 2 are inferior to those of Example 2 is that the binder (PVDF) present in the first layer 2a is damaged by radiant heat during the vacuum deposition of the Li: Si alloy, and adheres to the current collector. This is thought to be caused by a decrease in force and decomposition of the binder itself. Moreover, it is thought that the vaporized Li: Si alloy layer itself is pulverized or peeled off.

(比較例3)
第二の層3aに含まれる活物質がSiOであることを除き、比較例1と同様に電池を作製し、電池特性を評価した。結果を表2に示す。比較例3が参考例3よりも特性が劣る理由は、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)がSiOの真空蒸着の際に輻射熱のダメージを受け、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを招くためと考えられる。また、蒸着したSiO層自体の微粉化や剥がれも原因と考えられる。
(Comparative Example 3)
A battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the active material contained in the second layer 3a was SiO x , and the battery characteristics were evaluated. The results are shown in Table 2. The reason why the characteristics of Comparative Example 3 are inferior to those of Reference Example 3 is that the binder (PVDF) present in the first layer 2a is damaged by radiant heat during the vacuum deposition of SiO x , and the adhesive strength with the current collector is reduced. This is thought to be caused by a decrease and decomposition of the binder itself. Moreover, it is thought that the vaporized SiO x layer itself is pulverized or peeled off.

参考例4)
参考例においては、参考例1で示した負極の構成において、更に第二の層3aの上に第三の層4aであるLi層を形成した三層構造の負極(図2、図5)の例を示したものである。集電体、第一の層2a及び第二の層3aの構成材料・作製方法は参考例1と同様である。
( Reference Example 4)
In this reference example, the negative electrode having a three-layer structure in which the Li layer as the third layer 4a is further formed on the second layer 3a in the configuration of the negative electrode shown in the reference example 1 (FIGS. 2 and 5). This is an example. The materials for the current collector, the first layer 2a, and the second layer 3a and the production method thereof are the same as those in Reference Example 1.

第二の層3aまで形成した負極の付いた銅箔を比較例1に示した真空蒸着装置内に設定し、金属Liを蒸発源にセットして12μm・m/minの走行蒸着速度で銅箔の負極層の上に第三の層4aであるLi層を2μm形成した(図5)。なお、「μm・m/min」とは、1分間に銅箔を1メートル走行させる間に形成される膜厚をいう。たとえば、「12μm・m/min」の走行蒸着速度では、1分間に銅箔を1メートル走行させる間に12μm膜厚の膜が形成される。   The copper foil with the negative electrode formed up to the second layer 3a is set in the vacuum vapor deposition apparatus shown in Comparative Example 1, the metal Li is set in the evaporation source, and the copper foil is run at a traveling vapor deposition rate of 12 μm · m / min. The Li layer as the third layer 4a was formed to 2 μm on the negative electrode layer (FIG. 5). “Μm · m / min” refers to the film thickness formed while the copper foil travels 1 meter per minute. For example, at a traveling deposition rate of “12 μm · m / min”, a film having a thickness of 12 μm is formed while the copper foil is traveling for 1 meter per minute.

結果を表3に示す。比較例4の初回充放電効率がそれぞれ83.3%であるのに対して、参考例4では93.9%であり、この結果から参考例4の初回充放電効率は真空蒸着で第二の層3a(Si)を形成した比較例4よりも高いことがわかる。また、リチウム層からなる第三の層4aを設けたことで、参考例1の二層型負極よりも更に充放電効率が高くなった。 The results are shown in Table 3. The initial charge / discharge efficiency of Comparative Example 4 is 83.3%, while that of Reference Example 4 is 93.9%. From this result, the initial charge / discharge efficiency of Reference Example 4 is the second by vacuum deposition. It turns out that it is higher than the comparative example 4 which formed layer 3a (Si). In addition, by providing the third layer 4 a made of a lithium layer, the charge / discharge efficiency was further higher than that of the two-layered negative electrode of Reference Example 1.

1サイクルの放電容量を100%としたとき、それに対する500サイクルの放電容量の比率(放電容量比:C500/C1)は、500サイクル後も初回の容量の80%以上を保持しており、比較例4(55.8%)より遙かに良好である。参考例4が比較例4よりも良好な充放電効率とサイクル特性を有する理由は、参考例4におけては、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)が熱のダメージを受けず、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを抑えられたためと考えられる。また、第一の層2aおよび第二の層3aに含まれるバインダーの接着力が効いて前記第二の層3aが第一の層2aに強固に接着し剥がれにくくなる、膨張収縮による剥がれや微粉化を抑制できるようになったためと考えられる。 When the discharge capacity of one cycle is assumed to be 100%, the ratio of the discharge capacity of 500 cycles to that (discharge capacity ratio: C500 / C1) maintains 80% or more of the initial capacity after 500 cycles. Much better than Example 4 (55.8%). The reason why Reference Example 4 has better charge / discharge efficiency and cycle characteristics than Comparative Example 4 is that in Reference Example 4, the binder (PVDF) present in the first layer 2a is not damaged by heat, This is thought to be due to the reduction in the adhesive strength with the current collector and the decomposition of the binder itself. In addition, the adhesive force of the binder contained in the first layer 2a and the second layer 3a works, and the second layer 3a firmly adheres to the first layer 2a and is difficult to peel off. This is thought to be due to the fact that it was possible to suppress the conversion.

第二の層3aの正味の成膜時間(両面塗布に要する時間)は、銅箔2000m分で約2.7時間であり、比較例4の第二層の成膜時間(両面蒸着に要する時間:67時間)よりも遙かに少なくなった。   The net film formation time of the second layer 3a (time required for double-sided coating) is about 2.7 hours for a copper foil of 2000 m, and the film formation time of the second layer of Comparative Example 4 (time required for double-sided vapor deposition) : 67 hours).

参考例4における評価結果から、本発明に係る負極を備える二次電池は、大量生産における負極の作製時間の大幅な短縮を実現でき、初回充放電効率が高く、かつサイクル特性も安定していることが証明された。 From the evaluation results in Reference Example 4, the secondary battery including the negative electrode according to the present invention can realize a significant reduction in the production time of the negative electrode in mass production, has high initial charge / discharge efficiency, and stable cycle characteristics. Proven to be.

Figure 0005676173
Figure 0005676173

(実施例5)
本実施例は、実施例2で示した負極の構成において、更に第二の層3aの上に第三の層4aであるLi層を形成した三層構造の負極の例(図2、図5)を示したものである。集電体、第一の層2a及び第二の層3aの構成材料・作製方法は実施例2と同様である。
(Example 5)
This example is an example of a negative electrode having a three-layer structure in which the Li layer as the third layer 4a is further formed on the second layer 3a in the structure of the negative electrode shown in Example 2 (FIGS. 2 and 5). ). The materials for the current collector, the first layer 2a, and the second layer 3a and the production method thereof are the same as in Example 2.

第二の層3aまでを形成した負極の付いた銅箔を、比較例1に示した真空蒸着装置内に設定し、金属Liを蒸発源にセットして12μm・m/minの走行蒸着速度で銅箔の負極層の上に第三の層4aであるLi層を2μm形成した(図5)。   The copper foil with the negative electrode formed up to the second layer 3a is set in the vacuum vapor deposition apparatus shown in Comparative Example 1, metal Li is set in the evaporation source, and the traveling vapor deposition rate is 12 μm · m / min. On the negative electrode layer of the copper foil, 2 μm of the Li layer as the third layer 4a was formed (FIG. 5).

結果を表3に示す。比較例5の初回充放電効率がそれぞれ85.8%であるのに対して、実施例では94.5%であり、この結果から実施例5の初回充放電効率は真空蒸着で第二の層3a(Li:Si)を形成した比較例5よりも高いことがわかる。また、リチウム層からなる第三の層4aを設けたことで、実施例2の二層型負極よりも更に充放電効率が高くなった。 The results are shown in Table 3. The initial charge / discharge efficiency of Comparative Example 5 is 85.8%, while that of Example 5 is 94.5%. From this result, the initial charge / discharge efficiency of Example 5 is the second by vacuum deposition. It turns out that it is higher than the comparative example 5 which formed layer 3a (Li: Si). In addition, by providing the third layer 4a made of a lithium layer, the charge / discharge efficiency was higher than that of the two-layered negative electrode of Example 2.

1サイクルの放電容量を100%としたとき、それに対する500サイクルの放電容量の比率(放電容量比:C500/C1)は、500サイクル後も初回の容量の80%以上を保持しており、比較例5(59.4%)より遙かに良好である。実施例5が比較例5よりも良好な充放電効率とサイクル特性を有する理由は、実施例5におけては、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)が熱のダメージを受けず、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを抑えられたためと考えられる。また、第一の層2aおよび第二の層3aに含まれるバインダーの接着力が効いて前記第二の層3aが第一の層2aに強固に接着し剥がれにくくなり、膨張収縮による剥がれや微粉化を抑制できるようになったためと考えられる。   When the discharge capacity of one cycle is assumed to be 100%, the ratio of the discharge capacity of 500 cycles to that (discharge capacity ratio: C500 / C1) maintains 80% or more of the initial capacity after 500 cycles. Much better than Example 5 (59.4%). The reason why Example 5 has better charge / discharge efficiency and cycle characteristics than Comparative Example 5 is that in Example 5, the binder (PVDF) present in the first layer 2a is not damaged by heat, This is thought to be due to the reduction in the adhesive strength with the current collector and the decomposition of the binder itself. In addition, the adhesive force of the binder contained in the first layer 2a and the second layer 3a works and the second layer 3a is firmly adhered to the first layer 2a and is difficult to peel off. This is thought to be due to the fact that it was possible to suppress the conversion.

第二の層3aの正味の成膜時間(両面塗布に要する時間)は、銅箔2000m分で約2.7時間であり、比較例5の第の二層の成膜時間(両面蒸着に要する時間:67時間)よりも遙かに少なくなった。   The net film formation time (time required for double-sided coating) of the second layer 3a is about 2.7 hours for a copper foil of 2000 m, and the film formation time of the second layer of Comparative Example 5 (required for double-sided vapor deposition). Time: 67 hours).

本実施例5における評価結果から、本発明に係る負極を備える二次電池は、大量生産における負極の作製時間の大幅な短縮を実現でき、初回充放電効率が高く、かつサイクル特性も安定していることが証明された。   From the evaluation results in Example 5, the secondary battery including the negative electrode according to the present invention can realize a significant reduction in the production time of the negative electrode in mass production, has high initial charge / discharge efficiency, and stable cycle characteristics. Proven to be.

参考例6)
参考例においては、参考例3で示した負極の構成において、更に第二の層3aの上に第三の層4aであるLi層を形成した三層構造の負極の例(図2,図5)を示したものである。集電体、第一の層2a及び第二の層3aの構成材料・作製方法は参考例3と同様である。
( Reference Example 6)
In this reference example, an example of a negative electrode having a three-layer structure in which the Li layer as the third layer 4a is further formed on the second layer 3a in the configuration of the negative electrode shown in the reference example 3 (FIGS. 2 and 2). 5). The constituent materials and the manufacturing method of the current collector, the first layer 2a, and the second layer 3a are the same as in Reference Example 3.

第二の層3aまでを形成した負極の付いた銅箔を比較例1に示した真空蒸着装置内に設定し、金属Liを蒸発源にセットして12μm・m/minの走行蒸着速度で銅箔の負極層の上に第三の層4aであるLi層を2μm形成した(図5)。   The copper foil with the negative electrode formed up to the second layer 3a was set in the vacuum vapor deposition apparatus shown in Comparative Example 1, and the metal Li was set in the evaporation source and the copper was deposited at a traveling vapor deposition rate of 12 μm · m / min. On the negative electrode layer of the foil, 2 μm of the Li layer as the third layer 4a was formed (FIG. 5).

結果を表3に示す。比較例6の初回充放電効率がそれぞれ66.2%であるのに対して、参考例6では92.3%であり、この結果から参考例6の初回充放電効率は真空蒸着で第二の層3a(SiO)を形成した比較例6よりも高いことがわかる。また、リチウム層からなる第三の層4aを設けたことで、参考例3の二層型負極よりも更に充放電効率が高くなった。 The results are shown in Table 3. The initial charge / discharge efficiency of Comparative Example 6 is 66.2%, while that of Reference Example 6 is 92.3%. From this result, the initial charge / discharge efficiency of Reference Example 6 is the second in vacuum deposition. it can be seen that higher than Comparative example 6 to form a layer 3a (SiO x). In addition, by providing the third layer 4 a made of a lithium layer, the charge / discharge efficiency was further higher than that of the two-layered negative electrode of Reference Example 3.

1サイクルの放電容量を100%としたとき、それに対する500サイクルの放電容量の比率(放電容量比:C500/C1)は、500サイクル後も初回の容量の80%以上を保持しており、比較例6(230サイクル後故障)より遙かに良好である。参考例6が比較例6よりも良好な充放電効率とサイクル特性を有する理由は、参考例6におけては、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)が熱のダメージを受けず、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを抑えられたためと考えられる。また、第一の層2aおよび第二の層3aに含まれるバインダーの接着力が効いて前記第二の層3aが第一の層2aに強固に接着し剥がれにくくなる、膨張収縮による剥がれや微粉化を抑制できるようになったためと考えられる。 When the discharge capacity of one cycle is assumed to be 100%, the ratio of the discharge capacity of 500 cycles to that (discharge capacity ratio: C500 / C1) maintains 80% or more of the initial capacity after 500 cycles. Much better than Example 6 (failure after 230 cycles). The reason why Reference Example 6 has better charge / discharge efficiency and cycle characteristics than Comparative Example 6 is that in Reference Example 6, the binder (PVDF) present in the first layer 2a is not damaged by heat, This is thought to be due to the reduction in the adhesive strength with the current collector and the decomposition of the binder itself. In addition, the adhesive force of the binder contained in the first layer 2a and the second layer 3a works, and the second layer 3a firmly adheres to the first layer 2a and is difficult to peel off. This is thought to be due to the fact that it was possible to suppress the conversion.

更に、第二の層3aの正味の成膜時間(両面塗布に要する時間)は、銅箔2000m分で約2.7時間であり、比較例6の第二層の成膜時間(両面蒸着に要する時間:67時間)よりも遙かに少なくなった。   Furthermore, the net film formation time of the second layer 3a (time required for double-sided coating) is about 2.7 hours for a copper foil of 2000 m, and the film formation time of the second layer of Comparative Example 6 (for double-sided vapor deposition). Time required: 67 hours).

参考における評価結果から、本発明に係る負極を備える二次電池は、大量生産における負極の作製時間の大幅な短縮を実現でき、初回充放電効率が高く、かつサイクル特性も安定していることが証明された。 From the evaluation results in Reference Example 6, the secondary battery including the negative electrode according to the present invention can realize a significant reduction in the production time of the negative electrode in mass production, has high initial charge / discharge efficiency, and stable cycle characteristics. Proven to be.

(比較例4)
本比較例4においては、比較例1で示した負極の構成において、更に第二の層3aの上に第三の層4aであるLi層を形成した三層構造の負極の例(図2,図5)を示したものである。集電体、第一の層2a及び第二の層3aの構成材料・作製方法は比較例1と同様である。
(Comparative Example 4)
In this comparative example 4, in the negative electrode configuration shown in comparative example 1, an example of a negative electrode having a three-layer structure in which a Li layer as the third layer 4a is further formed on the second layer 3a (FIG. 2, FIG. FIG. 5) is shown. The materials of the current collector, the first layer 2a, and the second layer 3a and the production method thereof are the same as those in Comparative Example 1.

第二の層3aまでを形成した負極の付いた銅箔を比較例1に示した真空蒸着装置内に設定し、金属Liを蒸発源にセットして12μm・m/minの走行蒸着速度で銅箔の負極層の上に第三の層4aであるLi層を2μm形成した(図5)。   The copper foil with the negative electrode formed up to the second layer 3a was set in the vacuum vapor deposition apparatus shown in Comparative Example 1, and the metal Li was set in the evaporation source and the copper was deposited at a traveling vapor deposition rate of 12 μm · m / min. On the negative electrode layer of the foil, 2 μm of the Li layer as the third layer 4a was formed (FIG. 5).

結果を表4示す。比較例4が参考例4よりも特性が劣る理由は、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)が第二の層3a(Si)の真空蒸着の際に輻射熱のダメージを受け、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを招くためと考えられる。また、蒸着したSi層自体の微粉化や剥がれも原因と考えられる。 Table 4 shows the results. The reason why the characteristics of Comparative Example 4 are inferior to those of Reference Example 4 is that the binder (PVDF) present in the first layer 2a is damaged by radiant heat during the vacuum deposition of the second layer 3a (Si), and the current collection This is thought to be due to a decrease in the adhesive strength with the body and the decomposition of the binder itself. Moreover, it is thought that it is also caused by pulverization and peeling of the deposited Si layer itself.

Figure 0005676173
Figure 0005676173

(比較例5)
本比較例においては、比較例2で示した負極の構成において、更に第二の層3aの上に第三の層4aであるLi層を形成した三層構造の負極の例(図2、図5)を示したものである。集電体、第一の層2a及び第二の層3aの構成材料・作製方法は比較例2と同様である。
(Comparative Example 5)
In this comparative example, an example of a negative electrode having a three-layer structure in which the Li layer as the third layer 4a is further formed on the second layer 3a in the configuration of the negative electrode shown in the comparative example 2 (FIG. 2, FIG. 5). The constituent materials and manufacturing methods of the current collector, the first layer 2a, and the second layer 3a are the same as those in Comparative Example 2.

第二の層3aまで形成した負極の付いた銅箔を比較例1に示した真空蒸着装置内に設定し、金属Liを蒸発源にセットして12μm・m/minの走行蒸着速度で銅箔の負極層の上に第三の層4aであるLi層を2μm形成した(図5)。   The copper foil with the negative electrode formed up to the second layer 3a is set in the vacuum vapor deposition apparatus shown in Comparative Example 1, the metal Li is set in the evaporation source, and the copper foil is run at a traveling vapor deposition rate of 12 μm · m / min. The Li layer as the third layer 4a was formed to 2 μm on the negative electrode layer (FIG. 5).

結果を表4に示す。比較例5が実施例5よりも特性が劣る理由は、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)が第二の層3a(Li:Si)の真空蒸着の際に輻射熱のダメージを受け、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを招くためと考えられる。また、蒸着したLi:Si層自体の微粉化や剥がれも原因と考えられる。   The results are shown in Table 4. The reason why Comparative Example 5 is inferior to Example 5 is that the binder (PVDF) present in the first layer 2a is damaged by radiant heat during the vacuum deposition of the second layer 3a (Li: Si), This is thought to be due to a decrease in the adhesive strength with the current collector and the decomposition of the binder itself. Moreover, it is thought that the vapor deposition Li: Si layer itself is pulverized or peeled off.

(比較例6)
本比較例においては、比較例3で示した負極の構成において、更に第二の層3aの上に第三の層4aであるLi層を形成した三層構造の負極の例(図2、図5)を示したものである。
(Comparative Example 6)
In this comparative example, an example of a negative electrode having a three-layer structure in which the Li layer as the third layer 4a is further formed on the second layer 3a in the configuration of the negative electrode shown in the comparative example 3 (FIG. 2, FIG. 5).

集電体、第一の層2a及び第二の層3aの構成材料・作製方法は比較例3と同様である。   The materials for the current collector, the first layer 2a, and the second layer 3a and the production method thereof are the same as those in Comparative Example 3.

第二の層3aまでを形成した負極の付いた銅箔を比較例1に示した真空蒸着装置内に設定し、金属Liを蒸発源にセットして12μm・m/minの走行蒸着速度で銅箔の負極層の上に第三の層4aであるLi層を2μm形成した(図5)。   The copper foil with the negative electrode formed up to the second layer 3a was set in the vacuum vapor deposition apparatus shown in Comparative Example 1, and the metal Li was set in the evaporation source and the copper was deposited at a traveling vapor deposition rate of 12 μm · m / min. On the negative electrode layer of the foil, 2 μm of the Li layer as the third layer 4a was formed (FIG. 5).

結果を表4に示す。比較例6が参考例6よりも特性が劣る理由は、第一の層2aに存在するバインダー(PVDF)が第二の層3a(SiO)の真空蒸着の際に輻射熱のダメージを受け、集電体との接着力の低下、バインダー自体の分解などを招くためと考えられる。また、蒸着したSiO層自体の微粉化や剥がれも原因と考えられる。 The results are shown in Table 4. The reason why Comparative Example 6 is inferior to Reference Example 6 is that the binder (PVDF) present in the first layer 2a is damaged by radiant heat during the vacuum deposition of the second layer 3a (SiO x ). This is thought to be due to a decrease in the adhesive strength with the electric body and the decomposition of the binder itself. Moreover, it is thought that the vaporized SiO x layer itself is pulverized or peeled off.

参考例7)
参考例においては、参考例4で示した負極の構成において、第二の層3a(厚さ:3μm)に含まれるSi粒子の平均粒径を変え、更に第三の層4aであるLi層(2μm)を形成した三層構造の負極(図2、図5)の例を示したものである。集電体、第一の層2a及び第二の層3aの作製方法は参考例1と同様である。
( Reference Example 7)
In this reference example, in the configuration of the negative electrode shown in Reference Example 4, the average particle diameter of Si particles contained in the second layer 3a (thickness: 3 μm) is changed, and further the Li layer as the third layer 4a The example of the negative electrode (FIG. 2, FIG. 5) of the three-layer structure which formed (2 micrometers) is shown. The manufacturing method of the current collector, the first layer 2a, and the second layer 3a is the same as in Reference Example 1.

第二の層3aまで形成した負極の付いた銅箔を比較例1に示した真空蒸着装置内に設定し、金属Liを蒸発源にセットして12μm・m/minの走行蒸着速度で銅箔の負極層の上に第三の層4aであるLi層を2μm形成した(図5)。   The copper foil with the negative electrode formed up to the second layer 3a is set in the vacuum vapor deposition apparatus shown in Comparative Example 1, the metal Li is set in the evaporation source, and the copper foil is run at a traveling vapor deposition rate of 12 μm · m / min. The Li layer as the third layer 4a was formed to 2 μm on the negative electrode layer (FIG. 5).

結果を表4に示す。第二の層3aに含まれるSiの平均粒径が2.4 μm以下(第二の層3aの厚みの80%以下)の場合、初回充放電効率が90%以上と高く、充放電を500サイクル繰り返しても放電容量比(C500/C1)は、初回の容量の80%以上を保持している。一方、第二の層3aに含まれるSiの平均粒径が2.5 μm以上(第二の層3aの厚みの80%を越える)の場合、初回充放電効率が80%以下となり、充放電を500サイクル繰り返すことができず途中で短絡、故障した。本参考例7において、Siの平均粒径が2.5 μm以上(第二の層3aの厚みの80%を越える)の場合、短絡が発生した理由は、第二の層3aの表面の凹凸が大きくなり、結果的に正極と短絡を起こしたためと考えられる。 The results are shown in Table 4. When the average particle size of Si contained in the second layer 3a is 2.4 μm or less (80% or less of the thickness of the second layer 3a), the initial charge / discharge efficiency is as high as 90% or more, and charge / discharge is repeated 500 cycles. Even so, the discharge capacity ratio (C500 / C1) maintains 80% or more of the initial capacity. On the other hand, when the average particle size of Si contained in the second layer 3a is 2.5 μm or more (exceeding 80% of the thickness of the second layer 3a), the initial charge / discharge efficiency is 80% or less, and the charge / discharge is 500%. The cycle could not be repeated, causing a short circuit or failure. In the present Reference Example 7, when the average particle size of Si is 2.5 μm or more (exceeding 80% of the thickness of the second layer 3a), the reason for the occurrence of the short circuit is that the irregularities on the surface of the second layer 3a are large. As a result, it is considered that a short circuit occurred with the positive electrode.

参考例7における評価結果から、本発明に係る二次電池用負極において、第二の層3aに含まれる活物質(金属)粒子の平均粒径は、第二の層3aの厚みの80%以下であることが好ましいことが証明された。 From the evaluation results in Reference Example 7, in the negative electrode for secondary battery according to the present invention, the average particle diameter of the active material (metal) particles contained in the second layer 3a is 80% of the thickness of the second layer 3a. The following proved to be preferable.

Figure 0005676173
Figure 0005676173

参考例8)
参考例においては、参考例6で示した負極の構成において、第二の層3a(厚さ:3μm)に含まれるSiO粒子の平均粒径を変え、更に第三の層4aであるLi層(2μm)を形成した三層構造の負極(図2、図5)の例を示したものである。集電体、第一の層2a及び第二の層3aの作製方法は参考例7と同様である。
( Reference Example 8)
In this reference example, in the configuration of the negative electrode shown in Reference Example 6, the average particle diameter of the SiO x particles contained in the second layer 3a (thickness: 3 μm) was changed, and Li 3 as the third layer 4a was further changed. The example of the negative electrode (FIG. 2, FIG. 5) of the three-layer structure in which the layer (2 micrometers) was formed is shown. The method for producing the current collector, the first layer 2a, and the second layer 3a is the same as in Reference Example 7.

第二の層3aまで形成した負極の付いた銅箔を比較例1に示した真空蒸着装置内に設定し、金属Liを蒸発源にセットして12μm・m/minの走行蒸着速度で銅箔の負極層の上に第三の層4aであるLi層を2μm形成した(図5)。   The copper foil with the negative electrode formed up to the second layer 3a is set in the vacuum vapor deposition apparatus shown in Comparative Example 1, the metal Li is set in the evaporation source, and the copper foil is run at a traveling vapor deposition rate of 12 μm · m / min. The Li layer as the third layer 4a was formed to 2 μm on the negative electrode layer (FIG. 5).

結果を表5に示す。第二の層3aに含まれるSiOの平均粒径が2.4 μm以下(第二の層3aの厚みの80%以下)の場合、初回充放電効率が80%以上と高く、充放電を500サイクル繰り返しても放電容量比(C500/C1)は、初回の容量の88%以上を保持している。一方、第二の層3aに含まれるSiOの平均粒径が2.5 μm以上(第二の層3aの厚みの80%を越える)の場合、初回充放電効率が80%を下回り、充放電を500サイクル繰り返すことができず途中で短絡、故障した。本参考例8において、SiOの平均粒径が2.5 μm以上(第二の層3aの厚みの80%を越える)の場合、短絡が発生した理由は、第二の層3aの表面の凹凸が大きくなり、結果的に正極と短絡を起こしたためと考えられる。 The results are shown in Table 5. When the average particle diameter of SiO x contained in the second layer 3a is 2.4 μm or less (80% or less of the thickness of the second layer 3a), the initial charge / discharge efficiency is as high as 80% or more, and charge / discharge is performed 500 cycles. Even if it repeats, the discharge capacity ratio (C500 / C1) maintains 88% or more of the initial capacity. On the other hand, when the average particle diameter of SiO x contained in the second layer 3a is 2.5 μm or more (exceeding 80% of the thickness of the second layer 3a), the initial charge / discharge efficiency falls below 80%, 500 cycles could not be repeated and a short circuit or failure occurred on the way. In this reference example 8, when the average particle diameter of SiO x is 2.5 μm or more (exceeding 80% of the thickness of the second layer 3a), the reason for the occurrence of the short circuit is the unevenness of the surface of the second layer 3a. This is thought to be due to a short circuit with the positive electrode as a result.

参考例8における評価結果から、本発明に係る二次電池用負極において、第二の層3aに含まれる活物質(金属酸化物)粒子の平均粒径は、第二の層3aの厚みの80%以下であることが好ましいことが証明された。

From the evaluation results in the present Reference Example 8, in the negative electrode for secondary battery according to the present invention, the average particle diameter of the active material (metal oxide) particles contained in the second layer 3a is the thickness of the second layer 3a. It proved to be preferable to be 80% or less.

Figure 0005676173
Figure 0005676173

以上説明したように本発明に係る負極は、金属粒子、合金粒子及び金属酸化物粒子から選択される一または二以上の粒子が結着剤により結着された構成の負極としているため、第二の層が第一の層に強固に接着し、多層膜の機械的強度が向上する。このため、簡単な製造方法で高い充放電効率および良好なサイクル特性を維持しつつ、高い電池容量を得ることができる。   As described above, the negative electrode according to the present invention is a negative electrode having a configuration in which one or more particles selected from metal particles, alloy particles, and metal oxide particles are bound by a binder. This layer firmly adheres to the first layer, and the mechanical strength of the multilayer film is improved. Therefore, a high battery capacity can be obtained while maintaining high charge / discharge efficiency and good cycle characteristics with a simple manufacturing method.

また本発明に係る負極の製造方法は、金属粒子、合金粒子、金属酸化物粒子の内少なくとも一以上を、バインダーを溶かした溶液中に分散し、その塗液を塗布乾燥することによって第二の層が形成されるため、真空成膜で作製した従来の多層構造の負極よりも、バインダーなどの熱ダメージが少なく、サイクル特性に優れた高容量二次電池が実現できる。   The negative electrode manufacturing method according to the present invention includes a second method in which at least one of metal particles, alloy particles, and metal oxide particles is dispersed in a solution in which a binder is dissolved, and the coating liquid is applied and dried. Since a layer is formed, a high-capacity secondary battery with less thermal damage such as a binder and excellent cycle characteristics can be realized than a conventional multilayered negative electrode manufactured by vacuum film formation.

本発明において、第二の層に含まれる金属粒子、又は合金粒子、又は金属酸化物粒子の平均粒径が第二の層の厚みの80%以下になるようにすれば、膜厚制御が容易で短絡が生じない二次電池を作製することが可能となる。更に、塗布法を採用して負極の第二の層を形成することにより、従来の真空成膜法を用いた場合よりも成膜速度が格段に大きく負極の製造時間が大幅に短縮できる。   In the present invention, if the average particle size of the metal particles, alloy particles, or metal oxide particles contained in the second layer is 80% or less of the thickness of the second layer, the film thickness can be easily controlled. Thus, it becomes possible to produce a secondary battery that does not cause a short circuit. Further, by forming the second layer of the negative electrode by employing the coating method, the film formation rate is significantly higher than when the conventional vacuum film formation method is used, and the negative electrode manufacturing time can be greatly shortened.

1a 銅箔
2a 第一の層
3a 第二の層
4a 第三の層
5 巻き出しローラー
6 巻き取りローラー
7 位置検出器
8 キャンローラー
9 可動式遮蔽マスク
10 蒸発源
11 真空排気装置
12 ガス導入バルブ
20 銅箔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Copper foil 2a 1st layer 3a 2nd layer 4a 3rd layer 5 Unwinding roller 6 Winding roller 7 Position detector 8 Can roller 9 Movable shielding mask 10 Evaporation source 11 Vacuum exhaust apparatus 12 Gas introduction valve 20 Copper foil

Claims (4)

集電体と、炭素を主成分とする第一の層と、リチウムイオン導電性を有する膜状材料を主成分とする第二の層とがこの順で積層してなる二次電池用負極の製造方法であって、
前記炭素を主成分とし結着剤を含む塗液を、前記集電体に塗布することにより前記第一の層を形成する工程と、
Li:Si合金粒子と結着剤とを含む塗液を、前記第一の層の表面に塗布した後、前記塗液を乾燥することにより前記第二の層を形成する工程と、
を含み、
前記Li:Si合金粒子の平均粒径が、前記第二の層の厚みの80%以下であることを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
A negative electrode for a secondary battery in which a current collector, a first layer mainly composed of carbon, and a second layer mainly composed of a film-like material having lithium ion conductivity are laminated in this order. A manufacturing method comprising:
Forming the first layer by applying a coating solution containing carbon as a main component and containing a binder to the current collector ;
Forming a second layer by applying a coating liquid containing Li: Si alloy particles and a binder to the surface of the first layer and then drying the coating liquid;
Including
The method for producing a negative electrode for a secondary battery, wherein the Li: Si alloy particles have an average particle size of 80% or less of the thickness of the second layer.
請求項1に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記第二の層を構成する粒子は、主として前記Li:Si合金粒子であることを特徴とする二次電池用負極の製造方法。   2. The method for producing a negative electrode for a secondary battery according to claim 1, wherein the particles constituting the second layer are mainly Li: Si alloy particles. 3. 請求項1または2に記載の二次電池用負極の製造方法において、前記第二の層の上に、リチウムイオン導電性を有する第三の層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする二次電池用負極の製造方法。   3. The method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery according to claim 1, further comprising a step of forming a third layer having lithium ion conductivity on the second layer. The manufacturing method of the negative electrode for secondary batteries. 請求項3に記載の二次電池用負極の製造方法において、
炭素質材料と結着剤とを含む塗液を前記集電体の表面に塗布した後、炭素質材料と結着剤とを含む前記塗液を乾燥することにより前記第一の層を形成し、
前記第一の層に含まれる結着剤および前記第二の層に含まれる結着剤として、いずれもフッ素含有樹脂を用いることを特徴とする二次電池用負極の製造方法。
In the manufacturing method of the negative electrode for secondary batteries of Claim 3,
After the coating liquid containing the carbonaceous material and the binder is applied to the surface of the current collector, the first layer is formed by drying the coating liquid containing the carbonaceous material and the binder. ,
A method for producing a negative electrode for a secondary battery, wherein a fluorine-containing resin is used as both the binder contained in the first layer and the binder contained in the second layer.
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