JP6665364B2 - 銅三次元ナノ構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
この銅三次元ナノ構造体を構成する銅の板状の析出物はきわめて薄いため、機械的な強度が不十分であるという問題がある。銅の薄板状の析出物に機械的な外力が作用すると、銅の薄板が倒れたり変形したりして、基材と薄板との連結部分が剥離する場合もある。
リチウムイオン電池の負極に活物質としてSiやSnを使用する場合の課題として、リチウムイオンの吸排作用に伴ってSiあるいはSnの体積が膨張・収縮するため、負極から活物質が剥落してしまうという問題があった。この問題は、銅三次元ナノ構造体にSiあるいはSnを担持させることにより、SiあるいはSnが膨張・収縮しても、銅三次元ナノ構造体の緩衝作用により負極から剥落することを防止することで解消することが可能である。
本発明は、銅三次元ナノ構造体の特徴的な構造を保持するとともに、機械的強度を向上させた銅三次元ナノ構造体の製造方法を提供することを目的とする。
めっき法を利用して、銅三次元ナノ構造体の特徴的な形態を保持しながら、銅三次元ナノ構造体の機械的強度を向上させるには、銅三次元ナノ構造体を構成している薄板の基部に近い部分のみに選択的に銅を析出させるようにすることができれば目的を達成することができると考えられる。
本発明者は、銅三次元ナノ構造体にビアフィルめっきと同様な手法を適用した実験を行い、銅三次元ナノ構造体にビアフィルめっきと同様な手法による補強めっきを施す方法が、銅三次元ナノ構造体の特徴的な形態を保持しながら銅三次元ナノ構造体を補強する方法として有効であることを確かめることができ、本発明に至ったものである。
銅が析出することを抑制する第1の添加剤としては、種々の添加剤を組み合わせて使用することができる。たとえば、塩素イオンを生成する添加剤(塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩酸等)と、有機添加剤としてポリエーテル化合物(ポリエチレングリコール(PEG)、ポリプロピレングリコール、及びこれらのコポリマー、誘導体等)とを組み合わせて用いることができる。ポリエチレングリコールは、用途に応じて、分子量300〜3000のものを使用することができる。
また、銅の析出を促進させる第2の添加剤としては、硫黄化合物(3,3’ジチオビス(1-プロパンスルホン酸)二ナトリウム(SPS))等を用いることができる。
めっきにより基板上に銅三次元ナノ構造体を形成する方法には公知の方法(特許文献1)を利用する。めっき法を利用して銅三次元ナノ構造体を作成するには、添加剤としてポリアクリル酸を加えた銅めっき浴を使用し、ポリアクリル酸の添加濃度cを2×10-5 M<c<2×10-3 Mの範囲に設定する。とくに好適なポリアクリル酸の添加濃度cは1×10-4 M<c<5×10-4 Mである。基板には銅以外の素材を使用することができる。銅以外の下地層を使用する場合も、銅めっき浴に添加するポリアクリル酸の濃度を上記範囲内に設定することによって銅三次元ナノ構造体を形成することができる。
銅板を基板とし、電解銅めっき法により、基板上に銅三次元ナノ構造体を形成した。使用しためっき浴は下記のものである。
CuSO4・5H2O 0.85M
H2SO4 0.55M
添加剤 ポリアクリル酸(分子量:5000) 3×10-4 M
この作製例では、めっき浴へのポリアクリル酸の添加量を3×10-4 Mとした。
カソード:ハルセル銅板(3cm×3.3cm)
アノード:含リン銅板
液温: 25℃
撹拌なし
液量: 100ml
電流密度:1A/dm2
通電量:30C
上記めっき方法により基板上に銅三次元ナノ構造体を形成した後、電解銅めっきによる補強めっきを施し、めっき浴に添加する添加剤の有無によって銅三次元ナノ構造体の構造がどのようになるかを調べた。
実験で使用した添加剤は、銅三次元ナノ構造体を構成する銅の薄板の先端側に銅が析出することを抑制する添加剤(第1の添加剤)と、銅の薄板の基部側(基板に連結する側)に銅が析出することを促進する添加剤(第2の添加剤)である。第1の添加剤として実際に使用したのは塩素イオンを供給するための塩化ナトリウムとポリエチレングリコール(PEG)である。ポリエチレングリコールは分子量が相違することによる銅三次元ナノ構造体の構造の変化を調べるため、分子量300、600、2000、3000の4種を使用した。
銅の析出を促進する第2の添加剤には、硫黄化合物である3,3’ジチオビス(1-プロパンスルホン酸)二ナトリウム(SPS)を使用した。
CuSO4・5H2O 0.85M
H2SO4 0.55M
添加剤
Cl- 50ppm
PEG(300、600、2000、3000) 100ppm
JGB(ヤヌスグリーンB) 2ppm
SPS(3,3’ジチオビス(1-プロパンスルホン酸)二ナトリウム) 2ppm
ヤヌスグリーンB(JGB)は、めっき浴の撹拌作用とも関連するもので、銅三次元ナノ構造体の基部側に銅めっきの析出を促進させるSPSが行き渡るようにする目的で使用している。
添加剤を使用しない電解銅めっきのめっき浴の組成は、CuSO4・5H2O 0.85M、H2SO4 0.55Mである。
カソード:銅三次元ナノ構造体を形成した銅板(3×3.3cm)
アノード:含リン銅板
液温: 25℃
撹拌なし
液量: 100ml
電流密度:1A/dm2
通電量:30C
図2(a)、図3(a)は、補強めっきを施す前の銅三次元ナノ構造体の構造を示しており、銅の薄板状の析出物がランダムに交錯して形成されている様子が見られる。
基板の表面に形成されていた銅三次元ナノ構造体が銅粒によって完全に遮蔽(被覆)された状態になったため、基板の表面の外観色が銅色になったと考えられる(図1(b))。
図2(d)、(e)、(f)を見ると、いずれの場合も、基板上に形成されていた銅三次元ナノ構造体の構造自体はさほど大きく変化していない。ただし、PEGの分子量が大きくなるにしたがって、銅の薄板の厚さが厚くなっており、銅の薄板の間に銅粒が付着し、薄板の間の空間が徐々に銅粒で埋められていく傾向が見られる。PEGの分子量が大きくなるにしたがって、基板の外観色が銅色に近づいていく理由は、銅三次元ナノ構造体に銅粒が入り込み、基板に入射した光が銅三次元ナノ構造体の内部で閉じ込められて吸収される作用が減退したためと考えられる。
すなわち、PEG300を添加剤として補強めっきを施す方法によれば、銅三次元ナノ構造体の表面側には銅を析出させず、銅三次元ナノ構造体の基部側(内部側)に、より選択的に銅を析出させることで、薄板の薄板の基部部分を互いに連結し、基板と薄板との連結を補強することができている。
図5(a)は補強めっきを施す前の状態で、基板10上に銅三次元ナノ構造体を構成する銅の薄板12が交錯して成長した状態を示す。
図5(b)は添加剤を使用せずに補強めっきを施した場合、図5(c)は添加剤を用いて補強めっきを施した場合を示す。
これに対し、第1の添加剤と第2の添加剤とを用いて補強めっきを施した場合は、銅三次元ナノ構造体の表面側よりも内部側により多く銅14が析出することにより、銅三次元ナノ構造体の表面側については元の構造を保持するとともに、銅三次元ナノ構造体の内部側(基部)で銅の薄板12を相互に連結し、基板10と銅の薄板12との間を補強するように作用する。
上述したように銅三次元ナノ構造体に補強めっきを施す際に、銅三次元ナノ構造体の先端側に銅が析出することを抑制する第1の添加剤と、銅三次元ナノ構造体の基部側に銅が析出することを促進する第2の添加剤を用いることにより、銅三次元ナノ構造体が備える特徴的な構造を保持しながら、銅三次元ナノ構造体の基部側を選択的に補強することができる。
上述した実験では、補強めっきを施す際にめっき浴を攪拌せずにめっきを施した。以下では、補強めっきの際にめっき浴を攪拌することによる添加剤の作用効果について説明する。
カソード:銅三次元ナノ構造体を形成した銅板(3×3.3cm)
アノード:含リン銅板
液温: 25℃
撹拌:なし、カソードロッカー、スターラー、空気
液量: 100ml、500ml、250ml、
電流密度:1A/dm2
通電量:30C
電流-電位曲線において、特定の電位における電流値が高いものは、電析速度が速いことを示す。図6から、添加剤の抑制作用としてはPEG6000が最も強いことがわかる。以下では、添加剤として抑制作用が最も強いPEG6000を使用した結果について示す。
無添加・無攪拌の場合は、銅三次元ナノ構造体の表面に銅が析出し、断面構造を見ても銅三次元ナノ構造体の構造が大きく変形している。添加・無攪拌の場合は、銅三次元ナノ構造体の表面側への銅の析出が無添加の場合と比較して抑制され、銅三次元ナノ構造体の内部(楕円部分)における空隙が確保されている。
図10は、図9に示した各サンプルについて高倍率の表面SEM像である。
図10で、添加・無攪拌、添加・カソードロッカー、添加・スターラーのサンプルについて、銅三次元ナノ構造体を表面側からみると、これらのサンプルでは銅三次元ナノ構造体の空間部分(隙間部分)に銅粒子が入り込んでいる状態が見える。これに対して、添加・空気攪拌のサンプルでは、銅三次元ナノ構造体の表面側からは補強めっきにより析出した銅粒子がまったく見られない。この実験結果は、添加剤を添加し、空気攪拌を用いながらめっきする方法は、攪拌方法を利用する方法の中でも、銅三次元ナノ構造体の表面側に銅粒子を析出させずにめっきする方法として有効であることを示す。
空気攪拌方法を利用すれば、補強めっきの際に銅三次元ナノ構造体の表面側に銅が析出することを効果的に抑制し、銅三次元ナノ構造体の基部側に銅を選択的に析出させることができるから、銅三次元ナノ構造体と基材との連結部分及びその近傍の強度を向上させることにより、銅三次元ナノ構造体を効果的に補強することができる。
銅三次元ナノ構造体の特徴的な構造を維持しながら、銅三次元ナノ構造体の全体厚を厚くすることができれば、より大きな表面積を備える銅三次元ナノ構造体として提供することができ、SnやSiといったリチウムイオンの吸排作用にともなって体積が膨張・収縮する活物質を内部に保持することができ、より大きな電気容量を備えるリチウムイオン電池の負極材料として利用することが可能である。
12 薄板
14 銅
Claims (4)
- 電解銅めっき法により、基板上に、銅からなる薄い板状の析出物がランダムに交錯した形態を備える銅三次元ナノ構造体を形成する方法について、
前記基板に銅三次元ナノ構造体を形成する工程と、
銅三次元ナノ構造体が形成された前記基板に補強めっきを施す工程とを備え、
前記補強めっきを施す工程においては、前記基板に形成されている銅三次元ナノ構造体の先端側よりも基部側に選択的に銅を析出させる添加剤を加えためっき浴を使用してめっきする銅三次元ナノ構造体の製造方法であって、
銅三次元ナノ構造体の先端側に銅が析出することを抑制する添加剤として、塩化物イオンを生成する添加剤と、有機添加剤であるポリエーテル化合物とを使用するもので、
該ポリエーテル化合物は、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリプロピレングリコール、又はこれらのコポリマー或いは誘導体のいずれかであることを特徴とする銅三次元ナノ構造体の製造方法。 - 電解銅めっき法により、基板上に、銅からなる薄い板状の析出物がランダムに交錯した形態を備える銅三次元ナノ構造体を形成する方法について、
前記基板に銅三次元ナノ構造体を形成する工程と、
銅三次元ナノ構造体が形成された前記基板に補強めっきを施す工程とを備え、
前記補強めっきを施す工程においては、前記基板に形成されている銅三次元ナノ構造体の先端側よりも基部側に選択的に銅を析出させる添加剤を加えためっき浴を使用してめっきする銅三次元ナノ構造体の製造方法であって、
銅三次元ナノ構造体の基部側に銅が析出することを促進する添加剤として、有機化合物としての硫黄化合物を使用するもので、
該硫黄化合物は、3,3’ジチオビス(1−プロパンスルホン酸)二ナトリウム(SPS)であることを特徴とする銅三次元ナノ構造体の製造方法。 - 電解銅めっき法により、基板上に、銅からなる薄い板状の析出物がランダムに交錯した形態を備える銅三次元ナノ構造体を形成する方法について、
前記基板に銅三次元ナノ構造体を形成する工程と、
銅三次元ナノ構造体が形成された前記基板に補強めっきを施す工程とを備え、
前記補強めっきを施す工程においては、前記基板に形成されている銅三次元ナノ構造体の先端側よりも基部側に選択的に銅を析出させる添加剤を加えためっき浴を使用してめっきする銅三次元ナノ構造体の製造方法であって、
銅三次元ナノ構造体の先端側に銅が析出することを抑制する添加剤として、塩化物イオンを生成する添加剤と、有機添加剤であるポリエーテル化合物とを使用するもので、
該ポリエーテル化合物は、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリプロピレングリコール、又はこれらのコポリマー或いは誘導体のいずれかであり、
銅三次元ナノ構造体の基部側に銅が析出することを促進する添加剤として、有機化合物としての硫黄化合物を使用するもので、
該硫黄化合物は、3,3’ジチオビス(1−プロパンスルホン酸)二ナトリウム(SPS)であることを特徴とする銅三次元ナノ構造体の製造方法。 - 前記補強めっきを施す工程においては、めっき液を空気攪拌しながらめっきすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項記載の銅三次元ナノ構造体の製造方法。
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