JP5941210B1 - リチウム電池用負極、リチウム電池、及びリチウム電池用負極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、本発明に係るリチウム電池用負極(以下、単に「負極」ともいう)の断面の構成を模式的に示す図である。図1に示すように、リチウム電池用負極10は、表面が平滑な面ではなく3次元的な表面構造を形成している構造体11と、その構造体11上に形成される負極活物質の堆積層12とを備える。
[構造体]
構造体11は、カーボンナノチューブ(CNT)13と、そのカーボンナノチューブ13の少なくとも一部を埋め込んで固定する導電材料層14とを有しており、負極集電体として機能するものである。
堆積層12は、構造体11上に形成される層であって、負極活物質が堆積した層である。リチウム電池用負極10では、負極活物質として金属リチウム15が用いられ、堆積層12は金属リチウム15が堆積した層となる。
ここで、従来のリチウム電池では、負極として、平滑な負極集電体の表面上にリチウム金属箔を積層し、あるいは金属リチウムを堆積させて構成していた。ところが、そのような負極をリチウムイオン二次電池の負極として用いた場合、金属リチウムの堆積層の表面が平滑であるため、その平滑な表面に欠陥等が生成すると、充放電時においてその欠陥を核にしてデンドライトと呼ばれるとげ状のリチウムが成長する問題があった(例えば図3のデンドライトの成長機序を説明するための模式図を参照)。このようなデンドライトは、二次電池を構成するセパレータを突き抜け、発火等の発生原因となっていた。
次に、本発明に係るリチウム電池用負極10の製造方法について説明する。このリチウム電池用負極10の製造方法は、カーボンナノチューブ13とそのカーボンナノチューブ13の少なくとも一部を埋め込んで固定する導電材料層14とを有する負極集電体である構造体11を形成する工程(構造体形成工程)と、その構造体11におけるカーボンナノチューブ上に金属リチウム15の堆積層12を形成する工程(堆積層形成工程)とを有する。以下、各工程について順に説明する。
先ず、構造体形成工程において、カーボンナノチューブ13とそのカーボンナノチューブ13の少なくとも一部を埋め込んで固定する導電材料層14とを有する構造体11(図2の模式図を参照)を形成する。
次に、堆積層形成工程において、上述のようにして形成された構造体11上に、堆積層12を形成する。具体的には、構造体11を構成する導電材料層14の表面14aから突出したカーボンナノチューブ13上に金属リチウム15を堆積させてその金属リチウム15からなる堆積層12を形成する。
本発明に係るリチウム電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、電解液と、正極と負極とを分離するセパレータとにより構成されている。そして、本発明に係るリチウム電池では、その負極として、上述したリチウム電池用負極10を用いている。
正極20は、正極活物質を含む正極電極層21と、その正極活物質が塗布され保持する正極集電体22とを備えている。
負極10としては、上述したように、カーボンナノチューブ13が固定された導電材料層14を有し、そのカーボンナノチューブ13の一部が導電材料層14の表面14aから伸びている構造体11と、構造体11におけるカーボンナノチューブ13上に金属リチウム15を堆積させてなる堆積層12とを備えている。具体的に図7に示すように、この負極10では、カーボンナノチューブ13が導電材料層14の表面14aから伸びている。
セパレータ30は、負極10と正極20とを分離して、両極の短絡を防止するために用いられるものであり、従来公知のものを用いることができる。例えば、セパレータ30として、二次電池に通常用いられる不織布や、その他の多孔質材料からなる透過性セパレータを用いることができる。また、セパレータ30として、公知の電解液を含浸させたポリマーゲルからなる固体電解質を用いることもできる。
電解液は、リチウムイオンを含有するものであり、従来公知の電解液を用いることができる。この電解液としては、有機溶媒に電解質を溶解して構成することができる。
[実施例1]
下記の組成の電解銅めっき浴を用いて、金属基板としての銅シート上に、カーボンナノファイバーを含む導電材料層からなる構造体を形成させた。
[実施例1における電解銅めっき浴の組成]
硫酸銅(CuSO4) :0.1〜1mol/L
硫酸(H2SO4) :0.2〜2mol/+L
カーボンナノファイバー :0.5〜5g/L
ノニオン系界面活性剤 :0.1〜5容量%
(めっき浴温度 :25℃)
実施例1とは異なりカーボンナノファイバーを含有しない電解銅めっき浴を用いて、金属基板としての銅シート上に導電材料層を形成させた。なお、電解めっき処理の条件は、実施例1と同様とした。
[比較例1における電解銅めっき浴の組成]
硫酸銅(CuSO4) :0.1〜1mol/L
硫酸(H2SO4) :0.2〜2mol/L
ノニオン系界面活性剤 :0.1〜5容量%
(めっき浴温度 :25℃)
作製したコイン型電池を用いて、レート特性の評価を行った。具体的には、充電電圧4.35V、放電電圧3.1Vの条件で、充電をC/10で行い、放電をC/10、C/5、C/3のそれぞれで変化させたときの単位面積容量(mAh/cm2)を測定して、電池のレート特性を評価した。
10 リチウム電池用負極
11 構造体
12 堆積層
13 カーボンナノチューブ
14 導電材料層
14a (導電材料層の)表面
15 金属リチウム
20 正極
21 正極電極層
22 正極集電体
30 セパレータ
Claims (7)
- カーボンナノチューブが固定された導電材料層を有し、該カーボンナノチューブの一部が該導電材料層の表面の少なくとも一面から伸びている構造体と、
前記構造体における前記カーボンナノチューブ上に金属リチウムを堆積させてなる堆積層と、
を備えるリチウム電池用負極。 - 前記導電材料層の表面から伸びている前記カーボンナノチューブの密度が0.1mg/cm2〜10mg/cm2である請求項1に記載のリチウム電池用負極。
- 前記堆積層における前記金属リチウムの堆積量が0.01mg/cm2〜5mg/cm2である請求項1に記載のリチウム電池用負極。
- 前記カーボンナノチューブは、カーボンナノファイバーを含む
請求項1に記載のリチウム電池用負極。 - 前記リチウム電池は、二次電池である
請求項1に記載のリチウム電池用負極。 - カーボンナノチューブが固定された導電材料層を有し、該カーボンナノチューブの一部が該導電材料層の表面の少なくとも一面から伸びている構造体と、
前記構造体における前記カーボンナノチューブ上に金属リチウムを堆積させてなる堆積層と、
を備える負極を含むリチウム電池。 - 基板を、導電性を有する金属又は合金とカーボンナノチューブとを含む電解めっき浴に通し、電解めっきにより該カーボンナノチューブを含む導電材料層を形成する工程と、
リチウム電極を用いた電解めっきにより、前記カーボンナノチューブ上に金属リチウムを堆積させて堆積層を形成する工程と、
を有し、
前記カーボンナノチューブは前記導電材料層に固定されるとともに該カーボンナノチューブの一部が該導電材料層の表面から伸びており、該導電材料層の表面から伸びたカーボンナノチューブ上に前記金属リチウムの堆積層が形成される
リチウム電池用負極の製造方法。
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