JP6465229B1 - 負極集電体、負極及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る負極集電体は、銅、ニッケル、鉄、及びチタンからなる群から選択された主元素を含む金属箔と、前記金属箔の少なくとも一面上の表面層とを有し、前記表面層は、前記主元素と、スズ、シリコン、ジルコニウム、及びアルミニウムからなる群から選択された少なくとも1種のドーパント元素とを含み、前記表面層における前記ドーパント元素の重量濃度Wb(1)が1.8〜21.9重量%である。
【選択図】図1
Description
本発明者らは、負極集電体の表面に着目し、負極集電体の表面の組成がサイクル特性に影響を及ぼすことを見出した。
すなわち、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
[リチウム二次電池]
図1は、第1実施形態に係るリチウム二次電池100の断面模式図である。図1に示すリチウム二次電池100は、発電部40と、外装体50と、リード60、62とを備える。外装体50は、発電部40を密閉した状態で収容する。一対のリード60、62の一端は、発電部40に接続され、他端は外装体50の外部まで延在している。また図示されていないが、発電部40とともに電解液が、外装体50内に収容されている。
発電部40は、正極20と負極30とが、セパレータ10を挟んで対向配置されている。図1では、外装体50内に発電部40が一つの場合を例示したが、複数積層されていてもよい。
負極30は、負極集電体32と負極活物質層34とを備える。負極30において金属リチウムの析出、溶解反応を行う場合、負極活物質層34は初期状態では無くてもよい。電解液中のリチウムイオンが負極集電体32の一面に金属リチウムとして析出するためである。一方で、1回以上充電を行うと析出した金属リチウムが残存するため、この金属リチウムを含む層を負極活物質層34とみなすことができる。また充放電に寄与するリチウム量が不足することに備えて、充放電前の初期状態から集電体の一面にリチウム箔を設けてもよい。
0.85<Wb(1)/(Wb(1)+Wb(2))≦1
正極20は、正極集電体22と、その一面に設けられた正極活物質層24とを有する(図1参照)。正極集電体22は、導電性を有する材料により構成されていればよく、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル箔の金属薄板を用いることができる。
セパレータ10は、電気絶縁性の多孔質構造から形成されていればよく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの単層体、積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いはセルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
電解液は、発電部40内に含浸される。電解液には、リチウム塩等を含む電解質溶液(電解質水溶液、有機溶媒を使用する非水系電解質溶液)を使用することができる。ただし、電解質水溶液は電気化学的に分解電圧が低いため、充電時の耐用電圧が低く制限される。そのため、有機溶媒を使用する電解質溶液(非水系電解質溶液)であることが好ましい。
外装体50は、その内部に発電部40及び電解液を密封する。外装体50は、電解液の外部への漏出や、外部からのリチウム二次電池100内部への水分等の侵入等を抑止できる物であれば特に限定されない。
リード60、62は、アルミ等の導電材料から形成されている。リード60、62を正極20、負極30にそれぞれ溶接し、正極20と負極30との間にセパレータ10を挟んだ状態で、電解液と共に外装体50内に挿入し、外装体50の入り口をシールする。
本実施形態に係るリチウム二次電池100の製造方法について説明する。まず正極20及び負極30を作製する。
まず正極を準備した。正極活物質としてNCA(組成式:Li1.0Ni0.78Co0.19Al0.03O2)、導電材としてカーボンブラック、バインダーとしてPVDFを準備した。これらを溶媒中で混合し、塗料を作製し、アルミ箔からなる正極集電体上に塗布した。正極活物質と導電材とバインダーの質量比は、95:2:3とした。塗布後に、溶媒は除去した。
実施例2〜13は、熱処理の温度と時間を変えることで表面層のドーパント元素の重量濃度を変えたことを除いて、実施例1と同様にリチウム二次電池を作製した。実施例1と同様に負極集電体の表面層及び金属箔の組成を測定し、作製したリチウム二次電池の初回クーロン効率を測定した。
実施例14〜19は、ドーパント元素としてシリコン、ジルコニウム又はアルミニウムを用い、熱処理の温度と時間を調節したことを除いて、実施例1と同様にリチウム二次電池を作製した。実施例1と同様に負極集電体の表面層及び金属箔の組成を測定し、作製したリチウム二次電池の初回クーロン効率を測定した。
実施例17〜25は、主元素としてニッケル、チタン、又は鉄を用い、熱処理の温度と時間を調節したことを除いて、実施例1と同様にリチウム二次電池を作製した。実施例1と同様に負極集電体の表面層及び金属箔の組成を測定し、作製したリチウム二次電池の初回クーロン効率を測定した。
実施例26ではスパッタリングを用いて負極集電体を作製したことを除いて、実施例1と同様にリチウム二次電池を作製した。まず、金属箔として、ドーパント元素を含まない厚さ8μmの高純度銅箔を用意した。その後、高純度銅箔の表面上にスパッタリングで表面層を形成した。2.6重量%のスズを含有する銅箔をスパッタリングターゲットとして使用した。スパッタリング時の雰囲気ガスとしてAr(アルゴン)を50sccm供給した。1Paの圧力下で500Wの電力を投入して、室温で表面層を形成した。形成された表面層の厚さは5nmであった。スパッタリング後に、銅箔を真空炉に入れた。真空炉の内部から酸素を除去するために、真空炉の内部を50Pa以下へと減圧し、アルゴンガスで0.5気圧まで復圧する工程を3セット繰り返し、その後、50Pa以下まで減圧した。その後、200℃まで5℃/分の昇温レートで昇温し、200℃で3時間保持した。その後、電気炉の加熱を停止し、電気炉温度が下がるのに合わせて銅箔を徐冷し、負極集電体を得た。実施例1と同様に負極集電体の表面層及び金属箔の組成を測定し、作製したリチウム二次電池の初回クーロン効率を測定した。
実施例27〜30は、熱処理前の金属箔に含まれるドーパント元素の重量濃度を変え、熱処理の温度と時間を調節したことを除いて、実施例1と同様にリチウム二次電池を作製した。実施例1と同様に負極集電体の表面層及び金属箔の組成を測定し、作製したリチウム二次電池の初回クーロン効率を測定した。
比較例1は、熱処理前の金属箔としてドーパント元素を含まない高純度銅箔を用いたことを除いて、実施例1と同様にリチウム二次電池を作製した。実施例1と同様に負極集電体の表面層及び金属箔の組成を測定し、作製したリチウム二次電池の初回クーロン効率を測定した。
比較例2〜7は、熱処理の温度と時間を変えることで表面層のドーパント元素の重量濃度を変えたことを除いて、実施例1と同様にリチウム二次電池を作製した。実施例1と同様に負極集電体の表面層及び金属箔の組成を測定し、作製したリチウム二次電池の初回クーロン効率を測定した。
20 正極
22 正極集電体
24 正極活物質層
30 負極
32 負極集電体
34 負極活物質層
40 発電部
50 外装体
60,62 リード
100 リチウム二次電池
Claims (4)
- 負極に金属リチウムを用いたリチウム二次電池用の負極集電体であって、
銅、ニッケル、鉄、及びチタンからなる群から選択された元素を、構成する元素のうち最も物質量(モル数)が多い主元素となるように含む金属箔と、前記金属箔の少なくとも一面上の表面層とを有する負極集電体であって、
前記表面層は、前記主元素と、スズ、シリコン、ジルコニウム、及びアルミニウムからなる群から選択された少なくとも1種のドーパント元素とを含み、
前記表面層における前記ドーパント元素の重量濃度Wb(1)が1.8〜21.9重量%であり、
前記重量濃度Wb(1)が、前記金属箔における前記ドーパント元素の重量濃度Wb(2)よりも高い、負極集電体。 - 前記重量濃度Wb(1)と、前記金属箔における前記ドーパント元素の重量濃度Wb(2)とが、
0.85<Wb(1)/(Wb(1)+Wb(2))≦1の関係を満たす、請求項1に記載の負極集電体。 - 請求項1または2のいずれかに記載の負極集電体上に、リチウム金属を含む層を有する負極。
- 請求項3に記載の負極と、正極と、前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータと、電解液とを有するリチウム二次電池。
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