JPH0878011A - Lithium battery and manufacture of its negative electrode carrier - Google Patents

Lithium battery and manufacture of its negative electrode carrier

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JPH0878011A
JPH0878011A JP6214911A JP21491194A JPH0878011A JP H0878011 A JPH0878011 A JP H0878011A JP 6214911 A JP6214911 A JP 6214911A JP 21491194 A JP21491194 A JP 21491194A JP H0878011 A JPH0878011 A JP H0878011A
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lithium
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卓也 藤枝
Noboru Wakabayashi
昇 若林
Shunichi Higuchi
俊一 樋口
Masaru Abe
賢 阿部
Junichi Uchida
淳一 内田
Katsuro Hirayama
克郎 平山
Kunihiro Fukui
国博 福井
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Abstract

PURPOSE: To provide a negative electrode which is easy to enlarge the area and hardly pulverized during charge/discharge in order to realize a lithium secondary battery with high capacity and long life, capable of applying to an electric vehicle and power storage. CONSTITUTION: The surface of a base metal (current collector) 1 is covered with an Al-Mn alloy 3 containing 10-25wt.% manganese by a molten salt electroplating or sputtering after preplating 2 is conducted if necessary to form a thermodynamic non-equilibrium Al-Mn alloy covering layer comprising a manganese super-saturated fcc-Al phase and an Al-Mn amorphous alloy phase. The covering material obtained is used as a negative electrode single body to constitute a lithium secondary battery.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、リチウム電池とその負
極担体の製造方法とに関し、特に、自動車などの移動用
直流電源、電力貯蔵用電源などとして適用可能な、高エ
ネルギー密度で長寿命の大型化可能なリチウム二次電池
と、その負極担体の製造方法とに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lithium battery and a method for manufacturing a negative electrode carrier thereof, and more particularly, it is applicable as a direct current power supply for automobiles, a power storage power supply, etc. and has a high energy density and a long life. The present invention relates to a lithium secondary battery that can be upsized and a method for manufacturing a negative electrode carrier thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】リチウムは標準電位−3.03Vの非常に卑
な金属であり、また原子量も小さいことから、リチウム
を負極活物質とするリチウム電池は、出力電圧が高く、
エネルギー密度も非常に高くなる。そのため、腕時計、
カメラなどの小型で軽量な製品にはリチウム電池が非常
に多く利用されているが、これらのほとんどは再充電の
できない一次電池である。
2. Description of the Related Art Lithium is a very base metal having a standard potential of −3.03 V and has a small atomic weight. Therefore, a lithium battery using lithium as a negative electrode active material has a high output voltage,
The energy density is also very high. Therefore, the wristwatch,
Lithium batteries are very often used in small and lightweight products such as cameras, but most of these are non-rechargeable primary batteries.

【0003】代表的なリチウム一次電池として、負極と
して金属リチウム、正極活物質としてフッ化黒鉛または
二酸化マンガンを使用し、電解液としてリチウム塩
(例、LiBF4 、LiClO4など) の有機溶媒溶液を使用する
ものがある。負極活物質である金属Liは水との反応性が
極めて高いので、汎用リチウム電池において電解質を水
溶液状で使用することは困難であり、電解質のリチウム
塩を非水溶液として使用するか、またはリチウムイオン
伝導性固体を電解質として使用する。
As a typical lithium primary battery, metallic lithium is used as a negative electrode, fluorinated graphite or manganese dioxide is used as a positive electrode active material, and a lithium salt is used as an electrolytic solution.
Some use organic solvent solutions of (eg, LiBF 4 , LiClO 4, etc.). Since metallic Li, which is the negative electrode active material, has extremely high reactivity with water, it is difficult to use the electrolyte in the form of an aqueous solution in a general-purpose lithium battery. A conductive solid is used as the electrolyte.

【0004】リチウムは、そのイオンから陰極還元反応
により電析させることができるため、リチウム電池は再
充電可能な二次電池としても使用できる。従って、リチ
ウムの特性を活かして、高出力のリチウム二次電池の開
発も進められてきた。
Since lithium can be electrodeposited from its ions by a cathodic reduction reaction, the lithium battery can also be used as a rechargeable secondary battery. Therefore, the development of high-power lithium secondary batteries has been promoted by taking advantage of the characteristics of lithium.

【0005】その結果、最近では、携帯電話や携帯用の
ビデオカメラ等に、再充電可能なリチウム二次電池が使
われ始めている。このリチウム二次電池の負極は、層状
構造を持つ黒鉛質炭素材料の粉末を結合剤て結合して製
造したものであり、充電時にリチウムが炭素材料の層間
に侵入し、放電時にはこれが脱離することで機能する。
しかし、この負極は大型化すると電流密度が低下し、高
コストとなる。
As a result, recently, rechargeable lithium secondary batteries have begun to be used in mobile phones, portable video cameras and the like. The negative electrode of this lithium secondary battery is manufactured by binding a powder of a graphitic carbon material having a layered structure with a binder, and lithium enters between layers of the carbon material during charging and desorbs during discharging. It works.
However, if the size of this negative electrode is increased, the current density is lowered and the cost is increased.

【0006】大型化が容易な金属系負極 (リチウムまた
はリチウム合金) を用いたリチウム二次電池の実用上の
問題は、負極活物質であるリチウムが、充電の際の電析
時に、負極表面に樹枝 (デンドライト) 状に成長し、そ
れが正極と接して内部短絡を引き起こすため、充放電サ
イクル寿命が極めて短くなるという点である。このた
め、電気自動車や電力貯蔵用などを目的とした大型のリ
チウム電池としては、充放電のサイクル寿命や出力密度
などの性能が未だ不十分である。また、大面積で安価な
負極の製造技術も確立していない。これらの理由から、
金属系負極を用いたリチウム二次電池は未だ実用化には
至っていない。
A practical problem of a lithium secondary battery using a metal-based negative electrode (lithium or lithium alloy) that can be easily increased in size is that lithium, which is a negative electrode active material, is deposited on the negative electrode surface during electrodeposition during charging. It grows in the shape of dendrites and contacts with the positive electrode to cause an internal short circuit, resulting in extremely short charge / discharge cycle life. Therefore, as a large-sized lithium battery intended for electric vehicles and power storage, performance such as charge / discharge cycle life and output density is still insufficient. Moreover, a manufacturing technology for a large-area and inexpensive negative electrode has not been established. for these reasons,
A lithium secondary battery using a metal-based negative electrode has not yet been put to practical use.

【0007】リチウム二次電池の充放電サイクルの寿命
を改善する提案として、例えば、特開昭52−5423号公報
には、負極としてLi含有量63〜92%のLi−Al合金を用い
たリチウム電池が開示されている。この電池では、アル
ミニウムがリチウムを吸蔵、放出する性質を利用して、
充電時にリチウムをアルミニウム中に吸蔵させてLi−Al
合金とするため、リチウムの樹枝状成長が抑制される。
As a proposal for improving the charge / discharge cycle life of a lithium secondary battery, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 525423, a lithium using a Li-Al alloy having a Li content of 63 to 92% as a negative electrode is used. Batteries are disclosed. In this battery, utilizing the property that aluminum absorbs and releases lithium,
Lithium is absorbed in aluminum during charging and Li-Al
Since it is an alloy, dendritic growth of lithium is suppressed.

【0008】ところが、Li−Al合金では強度が十分でな
く、充放電の繰り返しによって合金が微粉化し、十分な
充放電サイクルの寿命が得られないことが判明した。こ
のため、アルミニウム中に種々の合金元素を添加して負
極の強度を高め、電池の充放電サイクル特性を高めるこ
とが提案されている。
However, it has been found that the strength of the Li-Al alloy is not sufficient and the alloy is pulverized by repeated charging / discharging, so that a sufficient charge / discharge cycle life cannot be obtained. Therefore, it has been proposed to add various alloying elements to aluminum to enhance the strength of the negative electrode and enhance the charge / discharge cycle characteristics of the battery.

【0009】例えば、特開昭64−86451 号公報には、Al
−Mn−In合金を負極担体に用いたリチウム二次電池が記
載されている。Liと合金化しにくいMnに骨材的役割を負
わせて負極の強度を高めると同時に、Mn添加で損なわれ
たLiの拡散の遅れを、Li吸蔵能力の大きいInの添加によ
って補うことができると説明されている。
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 64-86451 discloses Al
A lithium secondary battery using a -Mn-In alloy as a negative electrode carrier is described. It is said that Mn, which is difficult to alloy with Li, plays a role of an aggregate to increase the strength of the negative electrode, and at the same time, the delay of Li diffusion, which is damaged by the addition of Mn, can be compensated by the addition of In, which has a large Li storage capacity. It is explained.

【0010】特開平3−182058号公報には、Mn、Crから
成る群XとBe、Bi、Cd、Ge、Pb、Sn、Taから成る群Yと
の合金であるLi−Al−X−Y合金を負極に用いたリチウ
ム二次電池が記載されている。XはLi−Al合金の強度を
高めるために添加するが、固溶しきらないXが粒界部に
金属間化合物として偏析し、充放電の際にそれを起点と
してクラックが発生する問題があるので、Yを添加する
ことによって、共晶系あるいは包晶系の金属組織を形成
させ、しかもYが比較的延性に富む金属であるため、ク
ラックを抑制することができるという提案である。
JP-A-3-182058 discloses a Li-Al-XY alloy which is an alloy of a group X consisting of Mn and Cr and a group Y consisting of Be, Bi, Cd, Ge, Pb, Sn and Ta. A lithium secondary battery using an alloy for a negative electrode is described. X is added to increase the strength of the Li-Al alloy, but there is a problem that X, which is not completely dissolved, segregates as an intermetallic compound at the grain boundary portion, and a crack is generated from it as a starting point during charge / discharge. Therefore, it is a proposal that by adding Y, a eutectic or peritectic metal structure is formed, and cracks can be suppressed because Y is a metal that is relatively rich in ductility.

【0011】特開平4−58468 号公報には、Li−Al合金
に添加された第三の金属元素の偏析により充放電時のリ
チウムの挿入・離脱が不均一となることで電極が局部的
に劣化する点を指摘し、この添加金属を0.01〜10wt%固
溶させることによってリチウムの挿入・離脱が均一化
し、サイクル特性が向上することが記載されている。
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 4-58468 discloses that the electrode is locally localized by the non-uniform insertion and removal of lithium during charge and discharge due to the segregation of the third metal element added to the Li-Al alloy. It is pointed out that it deteriorates, and it is described that by inserting 0.01 to 10 wt% of this added metal as a solid solution, the insertion and removal of lithium become uniform and the cycle characteristics are improved.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】これらの提案は、いず
れも負極の担体として強度に優れたアルミニウム合金を
使用し、この負極担体に活物質であるリチウムを吸蔵さ
せて負極を構成するものである。このようなアルミニウ
ム合金を担体とする金属系負極は、リチウム電池の充放
電サイクル特性を向上させるのに一定の効果はあるが、
本発明者らの調査ではその性能は未だ不十分であり、特
に電気自動車用や電力貯蔵用などの大型で長寿命 (長期
間使用) が要求される用途に対しては、さらなる改善が
必要であると判断された。即ち、上記の提案にかかるリ
チウム二次電池では、アルミニウム合金からなる負極担
体がいずれも冶金的手法 (例、溶製→鋳込み→圧延) に
よって製造されるため、リチウムを吸蔵しない金属の偏
析が生じやすく、この偏析によりアルミニウム金属の本
来もっているリチウムの拡散性能が著しく制限される結
果、充放電特性の改善にも限界がある。その上、脆性の
高いアルミニウム合金を冶金的手法で大型板状に成形す
ることが著しく困難なため、負極の大面積化 (即ち、電
池の大容量化) も困難となり、その作製コストが高くつ
く。
In all of these proposals, an aluminum alloy having excellent strength is used as a carrier for the negative electrode, and the negative electrode carrier is made to occlude lithium as an active material to form the negative electrode. . The metal-based negative electrode having such an aluminum alloy as a carrier has a certain effect in improving the charge / discharge cycle characteristics of a lithium battery,
According to the investigation by the present inventors, the performance is still insufficient, and further improvement is required especially for large-sized applications such as electric vehicles and electric power storage that require long life (long-term use). It was decided that there was. That is, in the lithium secondary battery according to the above proposal, since the negative electrode carrier made of an aluminum alloy is manufactured by a metallurgical method (e.g., melting → casting → rolling), segregation of a metal that does not store lithium occurs. This segregation significantly limits the lithium diffusion performance originally possessed by aluminum metal, and as a result, there is a limit to the improvement of charge / discharge characteristics. In addition, it is extremely difficult to form a highly brittle aluminum alloy into a large plate by a metallurgical method, which makes it difficult to increase the area of the negative electrode (that is, increase the capacity of the battery), and its manufacturing cost is high. .

【0013】従って、本発明の目的は、充放電サイクル
特性が非常に優れた二次電池として利用できるリチウム
電池を提供することである。本発明の別の目的は、電気
自動車用や電力貯蔵用などの大容量の二次電池の実現を
可能にするために、負極の大面積化が容易で、しかも低
コストで負極担体を作製できるリチウム電池を提供する
ことである。本発明のさらに別の目的は、かかるリチウ
ム電池の負極担体の製造方法を提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to provide a lithium battery which can be used as a secondary battery having excellent charge / discharge cycle characteristics. Another object of the present invention is to make it possible to realize a large-capacity secondary battery for electric vehicles, power storage, etc., so that it is easy to increase the area of the negative electrode and to manufacture the negative electrode carrier at low cost. It is to provide a lithium battery. Yet another object of the present invention is to provide a method for producing such a negative electrode carrier for a lithium battery.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、冶金的手
法で作製されるアルミニウム合金をリチウム吸蔵用の担
体とする既存の負極では、リチウム電池の性能の飛躍的
な進歩は困難であると考え、上記目的を達成できる負極
担体材料として、熱力学的に非平衡状態にあるアルミニ
ウム合金に着目した。これは、従来からの冶金的手法で
得られるアルミニウム合金においては、合金系が熱力学
的平衡状態にあって、析出相の粒子が成長により大きく
なるため、偏析による悪影響が避けられず、性能改善に
限界があるのに対し、非平衡状態では、析出相を原子オ
ーダーに近い微細な状態とすることができるからであ
る。そして、非平衡状態のアルミニウム合金の中でも、
非晶質相や準結晶相を生成し易い合金系として知られて
いるAl−Mn合金に注目し、特定のAl−Mn合金層で集電体
となる基体金属を被覆することにより、低コストで大面
積化の容易な負極担体を作製できることを見出した。
Means for Solving the Problems With the existing negative electrode in which an aluminum alloy prepared by a metallurgical method is used as a carrier for storing lithium, it is difficult for the present inventors to make a dramatic progress in the performance of a lithium battery. Therefore, as an anode support material capable of achieving the above object, attention was paid to an aluminum alloy that is thermodynamically in a non-equilibrium state. This is because in aluminum alloys obtained by conventional metallurgical methods, the alloy system is in a thermodynamic equilibrium state and the particles in the precipitation phase grow larger due to growth, so the adverse effect of segregation is unavoidable and performance improvement. However, in the non-equilibrium state, the precipitation phase can be in a fine state close to atomic order. And among the non-equilibrium aluminum alloys,
Attention is paid to Al-Mn alloys, which are known as alloy systems that easily generate amorphous phases and quasi-crystalline phases, and by coating a base metal that serves as a current collector with a specific Al-Mn alloy layer, low cost is achieved. It was found that a negative electrode carrier having a large area can be easily manufactured.

【0015】ここに、本発明の特徴は、正極と、リチウ
ムを活物質とする負極と、リチウム塩の非水溶液または
リチウムイオン伝導性固体からなる電解質とから構成さ
れるリチウム電池において、負極の担体として、熱力学
的非平衡相を含有する組織からなるAl−Mn合金被覆層を
基体金属表面に有する被覆材を用いる点にある。
Here, a feature of the present invention is that in a lithium battery composed of a positive electrode, a negative electrode using lithium as an active material, and a non-aqueous solution of a lithium salt or an electrolyte composed of a lithium ion conductive solid, the carrier of the negative electrode. As another point, a coating material having an Al-Mn alloy coating layer composed of a structure containing a thermodynamic nonequilibrium phase on the surface of the base metal is used.

【0016】具体的には、本発明のリチウム電池におけ
る負極の担体は、Mn過飽和fcc-Al相とAl−Mn非晶質合金
相との混相からなる、熱力学的に非平衡なAl−Mn合金被
覆層を基体金属表面に有する被覆材からなる。Al−Mn合
金被覆中には、実質的な悪影響を及ぼさない範囲で他の
相が混在することは差し支えない。
Specifically, the carrier of the negative electrode in the lithium battery of the present invention is a thermodynamically non-equilibrium Al-Mn composed of a mixed phase of Mn supersaturated fcc-Al phase and Al-Mn amorphous alloy phase. The coating material has an alloy coating layer on the surface of the base metal. Other phases may coexist in the Al-Mn alloy coating within a range that does not have a substantial adverse effect.

【0017】この負極担体は、基体金属の表面を、熱力
学的非平衡相を形成する被覆方法によりMn含有量10〜25
重量%のAl−Mn合金で被覆することにより製造すること
ができる。
This negative electrode carrier has a Mn content of 10 to 25 by a coating method for forming a thermodynamic nonequilibrium phase on the surface of the base metal.
It can be manufactured by coating with an Al-Mn alloy in a weight percentage.

【0018】本発明のリチウム電池は、一次電池として
も利用可能であるが、特に二次電池とした場合に、その
優れた充放電特性を活かすことができる。熱力学的非平
衡相を形成する被覆方法としては、熱力学的非平衡相を
含有する被覆を形成することができる任意の被覆方法が
含まれる。その例としては、スパッタリング、イオンプ
レーティング、蒸着、CVDなどの乾式法、溶融塩電解
めっきや非水溶媒電解液中での電気めっきなどの非水系
電気めっき法がある。中でも電気めっき法による被覆形
成が電池性能上からは最も好適である。
The lithium battery of the present invention can be used as a primary battery, but particularly when it is used as a secondary battery, its excellent charge / discharge characteristics can be utilized. The coating method for forming the thermodynamic non-equilibrium phase includes any coating method capable of forming a coating containing the thermodynamic non-equilibrium phase. Examples thereof include dry methods such as sputtering, ion plating, vapor deposition, and CVD, and nonaqueous electroplating methods such as molten salt electrolytic plating and electroplating in a nonaqueous solvent electrolytic solution. Above all, the coating formation by the electroplating method is most preferable from the viewpoint of battery performance.

【0019】[0019]

【作用】Al−Mn2元系には、平衡相としてAl、Al6Mn 、
Al4Mn 、Al11Mn4 、Mnなどが存在し、冶金的手法でAl−
Mn合金を作製した場合、組成に応じて、これらのいずれ
かの単相、或いは2以上の相の混相からなる、熱力学的
に平衡な合金組織が得られる。
[Function] In the Al-Mn binary system, Al, Al 6 Mn,
Al 4 Mn, Al 11 Mn 4 , Mn, etc. exist, and Al-
When an Mn alloy is produced, a thermodynamically equilibrium alloy structure including any one of these single phases or a mixed phase of two or more phases can be obtained depending on the composition.

【0020】一方、Al−Mn2元系の熱平衡状態図にはな
い非平衡相としては、非晶質相と準結晶相がある。これ
らの非平衡相は、液体急冷法、メカニカルアロイング
法、或いはスパッタリング、イオンプレーティング、蒸
着、CVDなどの乾式法、さらには溶融塩電解めっきや
有機溶媒中での電気めっきなどの非水系電気めっき法等
によってAl−Mn合金を作製した場合に生成することが知
られている。
On the other hand, the non-equilibrium phases which are not shown in the thermal equilibrium phase diagram of the Al-Mn binary system include an amorphous phase and a quasi-crystalline phase. These non-equilibrium phases are liquid quenching methods, mechanical alloying methods, or dry methods such as sputtering, ion plating, vapor deposition, and CVD, as well as non-aqueous electroplating such as molten salt electrolytic plating and electroplating in organic solvents. It is known to form when an Al-Mn alloy is produced by a plating method or the like.

【0021】例えば、溶融塩電解による電気めっき法の
場合、Mn濃度の増加に伴い、fcc-Al(面心立方Al結晶)
単相、Mn過飽和fcc-Al相 (以下、Mn過飽和Al相という)
、Mn過飽和Al相とAl−Mn非晶質相との混相、Al−Mn非
晶質単相という順で変化する。このうち、最初のfcc-Al
単相は平衡相 (平衡相におけるAlと同じもの) である
が、残りは冶金的手法では得られない非平衡相である。
For example, in the case of electroplating by molten salt electrolysis, fcc-Al (face-centered cubic Al crystal) increases with the increase of Mn concentration.
Single phase, Mn supersaturated fcc-Al phase (hereinafter referred to as Mn supersaturated Al phase)
, The mixed phase of the Mn supersaturated Al phase and the Al-Mn amorphous phase, and the Al-Mn amorphous single phase. Of these, the first fcc-Al
The single phase is the equilibrium phase (the same as Al in the equilibrium phase), but the rest are non-equilibrium phases that cannot be obtained by metallurgical methods.

【0022】本発明者らは、これらの各種の非平衡相を
含むAl−Mn合金系をリチウムと合金化して負極としたリ
チウム電池の充放電寿命試験を行ったところ、合金組織
がMn過飽和Al相とAl−Mn非晶質相との混相である場合
に、従来のアルミニウム合金を基体とした負極材料に見
られるような脆い化合物の脱落による負極の劣化現象が
起こらず、サイクル特性 (充放電寿命) が非常に高くな
ることを見出した。これは、上記の結晶質/非晶質の混
相組織のうち、結晶質部分 (Mn過飽和Al相に存在するfc
c-Al相) がリチウムの吸蔵・放出による充放電反応を担
い、その際に生成するAl−Li化合物が充放電を繰り返す
うちに脱落するのを、リチウムと反応しない非晶質部分
(Al−Mn非晶質相) が支えていることによるものと思わ
れる。しかも、リチウムと反応する結晶質のfcc-Al相
は、過飽和にMnが固溶することによって (即ち、Mn過飽
和Al相を形成し) 、それ自体が比較的高強度な相になっ
ている。そして、これを支える非晶質相は、冶金法によ
るAl−Mn合金中の偏析化合物相のような結晶質で脆い相
ではない。そのため、従来にない優れたサイクル特性を
発現できるものと考えられる。
The inventors of the present invention conducted a charge-discharge life test of a lithium battery in which an Al-Mn alloy system containing these various non-equilibrium phases was alloyed with lithium to form a negative electrode. In the case of mixed phase of Al-Mn amorphous phase and Al-Mn amorphous phase, the deterioration phenomenon of the negative electrode due to the loss of brittle compounds found in conventional negative electrode materials based on aluminum alloy does not occur, and the cycle characteristics (charge and discharge It has been found that the (life) is extremely high. This is because the crystalline part (Mn supersaturated Al phase) fc of the above-mentioned crystalline / amorphous mixed phase structure is present.
(c-Al phase) is responsible for the charge / discharge reaction due to the occlusion / release of lithium, and the Al-Li compound generated at that time falls off during repeated charge / discharge. This is probably due to the support of the Mn amorphous phase). Moreover, the crystalline fcc-Al phase that reacts with lithium becomes a relatively high-strength phase by itself due to the solid solution of Mn in supersaturation (that is, forming the Mn supersaturated Al phase). The amorphous phase that supports this is not a crystalline and brittle phase like the segregated compound phase in the Al-Mn alloy by metallurgy. Therefore, it is considered that excellent cycle characteristics that have never been obtained can be exhibited.

【0023】優れた充放電特性を示すことが判明した、
Mn過飽和Al相とAl−Mn非晶質相との混相を主とする熱力
学非平衡組織を持つAl−Mn合金は、Mn含有量が10〜25重
量%の範囲内の合金組成の時に得ることができることが
判明した。このようなMn含有量が多いAl−Mn合金材は、
圧延を利用した冶金的手法では作製することが困難であ
り、非平衡相を形成できる上記の方法によって作製する
ことができる。
It has been found that it exhibits excellent charge and discharge characteristics,
An Al-Mn alloy having a thermodynamic nonequilibrium structure mainly composed of a mixed phase of an Mn supersaturated Al phase and an Al-Mn amorphous phase is obtained when the Mn content is within the range of 10 to 25% by weight. It turned out to be possible. Such Al-Mn alloy material with a large Mn content,
It is difficult to produce it by a metallurgical method utilizing rolling, and it can be produced by the above method capable of forming a non-equilibrium phase.

【0024】本発明においては、電極の大面積化と低コ
スト化を図るために、負極の担体としては、集電体とし
て機能する基体金属の表面を、負極活物質であるリチウ
ムの吸蔵・放出を行うことができるAl−Mn合金層で被覆
した被覆材を利用する。従って、熱力学的非平衡相を形
成する被覆方法により基体金属をMn含有量10〜25重量%
のAl−Mn合金で被覆することにより、Mn過飽和Al相とAl
−Mn非晶質相との混相からなる非平衡組織を持つ、優れ
た充放電特性を示すAl−Mn合金の被覆層を形成すること
ができる。本発明では、こうして得られる被覆材を、リ
チウム電池の負極担体として使用する。
In the present invention, in order to increase the area of the electrode and reduce the cost, the surface of the base metal that functions as a current collector is used as the carrier for the negative electrode by inserting and extracting lithium, which is the negative electrode active material. A coating material coated with an Al-Mn alloy layer capable of performing is used. Therefore, the Mn content of the base metal is 10 to 25 wt% by the coating method forming the thermodynamic non-equilibrium phase.
By coating with Al-Mn alloy of
It is possible to form an Al-Mn alloy coating layer having a nonequilibrium structure composed of a mixed phase with an -Mn amorphous phase and exhibiting excellent charge-discharge characteristics. In the present invention, the coating material thus obtained is used as a negative electrode carrier of a lithium battery.

【0025】被覆方法としては、スパッタリング法、イ
オンプレーティング法、蒸着法、CVD法などの乾式法
(ドライプロセス) も可能である。しかし、非水系電気
めっき法が特に優れた充放電特性を示すAl−Mn合金被覆
を形成することができる。その理由は明らかではない
が、電気めっきにおいてイオン状態のAlとMnが電圧印加
によって金属状態になるときに得られる準安定な非平衡
状態が、他の方法によるものと比べて、優れた特性を発
揮できるものと思われる。
As a coating method, a dry method such as a sputtering method, an ion plating method, a vapor deposition method or a CVD method is used.
(Dry process) is also possible. However, the non-aqueous electroplating method can form an Al-Mn alloy coating exhibiting particularly excellent charge and discharge characteristics. Although the reason is not clear, the metastable non-equilibrium state obtained when Al and Mn in the ionic state become metal state by voltage application in electroplating has excellent characteristics compared with other methods. I think it can be demonstrated.

【0026】本発明のリチウム電池の負極担体として用
いる上記の被覆材の製造方法について次に説明する。Al
−Mn合金層で被覆する基体金属としては、集電体を使用
することが好ましい。基体金属が集電体であると、Al−
Mn合金被覆により集電体が一体化された負極を得ること
ができるので、従来のように集電体と負極とをそれぞれ
を別々に作ってから接合する場合に比べて、電気的接触
も良好で、工程および電池構造が簡略化できるからであ
る。しかし、必ずしも集電体を基体金属とする必要はな
いので、別の基体金属を使用し、得られた被覆材を負極
担体として集電体と接合することにより負極部を構成す
ることも、もちろん可能である。
A method for producing the above covering material used as the negative electrode carrier of the lithium battery of the present invention will be described below. Al
A collector is preferably used as the base metal coated with the —Mn alloy layer. When the base metal is a current collector, Al-
Since the negative electrode with the current collector integrated by the Mn alloy coating can be obtained, the electrical contact is better than in the conventional case where the current collector and the negative electrode are made separately and then joined. This is because the process and battery structure can be simplified. However, since it is not always necessary to use the current collector as the base metal, it is of course also possible to use a different base metal and form the negative electrode part by joining the obtained coating material to the current collector as the negative electrode carrier. It is possible.

【0027】基体に適した金属材料は、電池内での耐食
性が比較的優れていて、しかも安価な材料であり、例え
ば、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、アルミニウ
ムなどが使用できる。基体金属の形状は、箔、板、波
板、網状、有孔板などの多様な形状から、電池の構成に
合わせて選択することができる。
The metal material suitable for the substrate is a material which is relatively excellent in corrosion resistance in a battery and is inexpensive, and nickel, iron, stainless steel, titanium, aluminum or the like can be used. The shape of the base metal can be selected from various shapes such as a foil, a plate, a corrugated plate, a mesh, and a perforated plate according to the structure of the battery.

【0028】被覆方法としては、前述したように乾式法
と非水系電気めっき法のいずれも採用できるが、電気め
っき法の方が好ましい。乾式法は真空設備が必要でコス
トがかかり、成膜速度もそれほど速くないという製造上
の制約があること、および上述したように電気めっき法
で形成した被覆が特に優れた充放電特性を示すからであ
る。
As the coating method, either the dry method or the non-aqueous electroplating method can be adopted as described above, but the electroplating method is preferable. Since the dry method requires vacuum equipment, is costly, and has a manufacturing constraint that the film formation rate is not so fast, and as described above, the coating formed by the electroplating method exhibits particularly excellent charge and discharge characteristics. Is.

【0029】乾式法によるAl−Mn合金被覆層の形成は、
従来より公知の方法に従って実施すればよい。例えば、
スパッタリングは、被覆しようとするAl−Mn合金とほぼ
同組成のAl−Mn合金板をターゲット材として使用し、グ
ロー放電によりアルゴンガスイオンを発生させる慣用の
スパッター装置で行うことができる。
The formation of the Al-Mn alloy coating layer by the dry method is
It may be carried out according to a conventionally known method. For example,
Sputtering can be performed by using a conventional sputtering device that uses an Al-Mn alloy plate having almost the same composition as the Al-Mn alloy to be coated as a target material and generates argon gas ions by glow discharge.

【0030】Al金属およびAl合金を含むAl系電気めっき
は、水溶液系におけるAlの析出電位が水からの水素発生
電位に比べてかなり卑であって、水溶液からはアルミニ
ウムの析出が起こらないため、非水系電解液中で行う必
要がある。非水系電解液としては、非水溶媒系 (有機溶
媒+無機塩) と溶融塩系の2種類があるが、工業的に
は、有機溶媒を使用しない溶融塩電気めっき法の方が適
している。
In Al-based electroplating containing Al metal and Al alloy, the deposition potential of Al in the aqueous solution system is considerably lower than the hydrogen generation potential from water, and aluminum does not precipitate from the aqueous solution. It must be done in a non-aqueous electrolyte. There are two types of non-aqueous electrolytes: non-aqueous solvent system (organic solvent + inorganic salt) and molten salt system, but industrially the molten salt electroplating method that does not use organic solvent is more suitable. .

【0031】非水溶媒系のAl−Mn合金めっきは、例え
ば、AlCl3 、LiAlH4などのアルミニウム化合物とMnCl2
などのマンガン化合物を、エーテル、テトラヒドロフラ
ンなどの有機溶媒に溶解した溶液を電解液として実施す
ることができる。
The non-aqueous solvent-based Al-Mn alloy plating is carried out, for example, with an aluminum compound such as AlCl 3 or LiAlH 4 and MnCl 2
A solution of a manganese compound such as the above in an organic solvent such as ether or tetrahydrofuran can be used as an electrolytic solution.

【0032】Al系溶融塩電気めっきの電解液としては、
特殊な有機物を用いた常温型の溶融塩 (例、 AlCl3+EM
IC <エチルメチルイミダゾリウムクロリド>)と、無機塩
のみ(例、AlCl3+NaCl+KCl) からなる溶融塩の2種類が
あり、いずれも採用できるが、以下では、最も普通の無
機塩型溶融塩を用いたAl−Mn合金の電気めっき法を例に
とって説明する。
As an electrolytic solution for Al-based molten salt electroplating,
Room temperature molten salt using special organic substances (eg AlCl 3 + EM
There are two types of molten salt consisting of IC <ethylmethylimidazolium chloride>) and an inorganic salt only (eg, AlCl 3 + NaCl + KCl), both of which can be adopted. An electroplating method of an Al-Mn alloy using a salt will be described as an example.

【0033】この溶融塩電気めっきは、例えば次のよう
な工程で実施される。 アルカリ脱脂→水洗→酸洗→水洗→ (プレめっき→水
洗) →乾燥→溶融塩めっき→水洗→乾燥 被覆すべき基体金属の予備処理としては、通常は、アル
カリ脱脂、酸洗、水洗等を組み合わせて用い、基体上の
表面酸化皮膜を除去して活性化する。このような予備処
理は、表面活性化が図られる限りその種類や順序は特に
限定されない。さらに、予備処理として、溶融塩中でア
ノード溶解させることによって活性化する場合もある。
This molten salt electroplating is carried out, for example, in the following steps. Alkali degreasing → Washing → Pickling → Washing → (Pre-plating → Washing) → Drying → Molten salt plating → Washing → Drying As a pretreatment of the base metal to be coated, usually alkali degreasing, pickling, washing etc. are combined. The surface oxide film on the substrate is removed and activated. The type and order of such pretreatment are not particularly limited as long as surface activation is achieved. Further, as a pretreatment, activation may be performed by anodic dissolution in molten salt.

【0034】基体金属が、ステンレス鋼、チタン、アル
ミニウムなどの易酸化性の金属である場合には、表面の
酸化皮膜が強固であり、上記のような表面活性化のため
の予備処理を行っても、素地とめっき膜との密着性が確
保できないことがある。その場合には、前記予備処理に
加えて、プレめっきを施す。プレめっきする金属種は特
に限定はしないが、Al−Mn合金めっきとの密着性や、電
池内における耐食性の観点から、ニッケルが好ましい。
プレめっきの方法は一般的な電気めっき法でよく、不可
避的不純物としてニッケル以外の元素のうち少なくとも
1種類以上が含まれていても何ら問題はない。プレめっ
きの付着量は0.05〜5 g/m2程度 (Niの場合で膜厚 0.006
〜0.6 μmに相当) が好ましい。プレめっき付着量が
0.05 g/mより少ないと、被めっき材表面のプ
レめっきが付着していない部分が多すぎ、その部分に酸
化皮膜が生成してAl−Mn合金めっきの密着性不良を引
き起こす可能性がある。プレめっき付着量は5 g/m2より
多くすることもできるが、コスト面から好ましくない。
When the base metal is an easily oxidizable metal such as stainless steel, titanium or aluminum, the surface oxide film is strong, and the above-described pretreatment for surface activation is performed. However, the adhesion between the base material and the plating film may not be secured in some cases. In that case, in addition to the preliminary treatment, pre-plating is performed. The type of metal to be pre-plated is not particularly limited, but nickel is preferable from the viewpoint of adhesion with Al-Mn alloy plating and corrosion resistance in the battery.
The pre-plating method may be a general electroplating method, and there is no problem even if at least one element other than nickel is contained as an unavoidable impurity. The amount of pre-plated coating is about 0.05 to 5 g / m 2 (for Ni, the film thickness is 0.006
Equivalent to ˜0.6 μm) is preferred. If the amount of pre-plating is less than 0.05 g / m 2 , there are too many pre-plated parts on the surface of the material to be plated, and an oxide film is formed on those parts, resulting in adhesion of Al-Mn alloy plating. May cause defects. The amount of pre-plated coating may be more than 5 g / m 2 , but it is not preferable in terms of cost.

【0035】このように前処理した基体金属を水洗した
後、次工程のAl−Mn合金めっき用の溶融塩浴に水分が混
入しないように、十分に乾燥する。この乾燥は、プレめ
っき表面に酸化皮膜が生成しないように、雰囲気または
温度を調整する (例、不活性ガス雰囲気下で乾燥する)
ことが好ましい。
The base metal thus pretreated is washed with water and then dried sufficiently so that water will not be mixed in the molten salt bath for Al-Mn alloy plating in the next step. In this drying, the atmosphere or temperature is adjusted so that no oxide film is formed on the pre-plated surface (eg, drying in an inert gas atmosphere)
It is preferable.

【0036】アルミニウム系溶融塩電気めっきは既に周
知であり、本発明のAl−Mn合金めっき被覆も従来法に従
って実施すればよい。溶融塩電解浴は、アルミニウムお
よびマンガンの塩を含む限り、何等限定されるものでは
ない。また、浴中に不可避的に混入する不純物イオンに
よって、生成したAl−Mn合金被覆中に他の金属が共析す
る場合も本発明の範囲内であるが、その共析量は1重量
%以内が好ましい。
Aluminum-based molten salt electroplating is already well known, and the Al-Mn alloy plating coating of the present invention may be carried out according to a conventional method. The molten salt electrolytic bath is not limited as long as it contains aluminum and manganese salts. It is also within the scope of the present invention when other metals are co-deposited in the formed Al-Mn alloy coating due to impurity ions unavoidably mixed in the bath, but the amount of co-deposition is within 1% by weight. Is preferred.

【0037】使用する電解浴の代表例は塩化アルミニウ
ム系混合溶融塩であり、これは塩化アルミニウムおよび
塩化マンガンと共に、無機塩類等のその他の塩化物を含
む。無機塩化物の例としては、例えば塩化ナトリウム、
塩化カリウム、塩化リチウム等のアルカリ金属塩化物が
挙げられる。溶融塩の温度はその成分や組成によっても
異なるが、例えば、AlCl3-NaCl-KCl系の共晶組成の溶融
塩にMnCl2 を添加した合金めっき浴の場合は、200 ℃前
後でめっきされる。
A typical example of the electrolytic bath used is an aluminum chloride-based mixed molten salt, which contains aluminum chloride and manganese chloride, as well as other chlorides such as inorganic salts. Examples of inorganic chlorides include sodium chloride,
Examples thereof include alkali metal chlorides such as potassium chloride and lithium chloride. Although the temperature of the molten salt varies depending on its composition and composition, for example, in the case of an alloy plating bath in which MnCl 2 is added to the molten salt of AlCl 3 -NaCl-KCl eutectic composition, plating is performed at around 200 ° C. .

【0038】溶融塩電気めっきの後、溶融塩浴から取り
出しためっき材を水洗、乾燥すると、本発明のリチウム
電池の負極担体として使用する被覆材が得られる。この
負極担体の構成例を図1に示す。図1において、1は基
体金属 (集電体、例、0.4 mm厚のSUS430ステンレス鋼
箔) 、2はプレめっき層 (例、 0.2μm厚のニッケルめ
っき層) 、3は、本発明の特徴である溶融塩電気めっき
法により形成されたAl−Mn合金めっき層 (例、20μm厚
のAl−17%Mn合金めっき層) である。基体金属がニッケ
ルのように酸化しにくい金属である場合、或いは被覆を
スパッタリングなどの乾式法で形成した場合には、プレ
めっき層2は必要ない。
After the molten salt electroplating, the plating material taken out from the molten salt bath is washed with water and dried to obtain a coating material used as the negative electrode carrier of the lithium battery of the present invention. An example of the structure of this negative electrode carrier is shown in FIG. In FIG. 1, 1 is a base metal (current collector, eg 0.4 mm thick SUS430 stainless steel foil), 2 is a pre-plated layer (eg 0.2 μm thick nickel plated layer), 3 is a feature of the present invention. It is an Al-Mn alloy plating layer (eg, an Al-17% Mn alloy plating layer having a thickness of 20 μm) formed by a certain molten salt electroplating method. The pre-plated layer 2 is not necessary when the base metal is a metal such as nickel that is not easily oxidized or when the coating is formed by a dry method such as sputtering.

【0039】本発明においては、負極担体の少なくとも
表面部分が非平衡相を含有する組織、具体的にはMn過飽
和Al相とAl−Mn非晶質相との混相になっていればよく、
このような組織を持つAl−Mn合金層は、非水系電気めっ
きのみならず、前述した乾式法でも形成できる。また、
液体急冷法やメカニカルアロイング法によって、負極担
体の全体をこのような非平衡相組織を持つAl−Mn合金か
ら形成することも考えられるが、これらの方法では大面
積で均一な負極担体を製造することが困難であり、機械
強度も十分とは言えない。さらに、この場合には、得ら
れた負極担体を別に製作した集電体と接合しなければな
らない。上記のように、乾式法または電気めっき法によ
り集電体をAl−Mn合金で被覆した被覆材から負極担体を
構成することにより、集電体と一体化した構造を持ち、
機械的強度が高く、大面積の負極担体を容易に製造する
ことが可能となる。
In the present invention, at least the surface portion of the negative electrode carrier has a structure containing a non-equilibrium phase, specifically, a mixed phase of an Mn supersaturated Al phase and an Al-Mn amorphous phase,
The Al-Mn alloy layer having such a structure can be formed not only by non-aqueous electroplating but also by the dry method described above. Also,
Although it is possible to form the entire negative electrode carrier from an Al-Mn alloy having such a nonequilibrium phase structure by a liquid quenching method or a mechanical alloying method, these methods produce a large area and uniform negative electrode carrier. It is difficult to do so, and the mechanical strength is not sufficient. Furthermore, in this case, the obtained negative electrode carrier must be joined to a separately manufactured current collector. As described above, by constructing the negative electrode carrier from the coating material in which the current collector is coated with the Al-Mn alloy by the dry method or the electroplating method, it has a structure integrated with the current collector,
High mechanical strength makes it possible to easily manufacture a large-area negative electrode carrier.

【0040】Al−Mn合金被覆層中のMn含有量は10〜25重
量%の範囲内とする。Mn含有量が10重量%より少ない
と、Liとの反応を行うAl結晶相 (Mn過飽和Al相) を支え
るAl−Mn非晶質相がほとんど生成せず、実質的にMn過飽
和Al相の単相と同じことになるので、充放電の繰り返し
時に反応生成物であるAl−Li化合物の脱落による微粉化
を有効に防ぐことができず、サイクル特性が低下する。
The Mn content in the Al-Mn alloy coating layer is in the range of 10 to 25% by weight. When the Mn content is less than 10% by weight, almost no Al-Mn amorphous phase that supports the Al crystal phase (Mn supersaturated Al phase) that reacts with Li is generated, and the Mn supersaturated Al phase is substantially isolated. Since it is the same as the phase, it is not possible to effectively prevent pulverization due to loss of the Al-Li compound that is a reaction product during repeated charge and discharge, and the cycle characteristics are degraded.

【0041】Mn含有量が25重量%を超えると、組織がAl
−Mn非晶質相の単相に変化する。Liと反応して合金化す
るAl結晶質相がなお少しは残る場合もあるが、その割合
が少なくなるため、リチウムの吸蔵量が少なくなり、電
池容量は著しく低下し、Al結晶質相が消失すると、実質
的に負極として機能しなくなる。Al−Mn合金被覆層の好
ましいMn含有量は13〜20重量%の範囲内である。
When the Mn content exceeds 25% by weight, the structure becomes Al.
-Mn changes to a single amorphous phase. In some cases, the Al crystalline phase that reacts with Li to form an alloy may remain, but since the proportion is small, the lithium storage amount is small, the battery capacity is significantly reduced, and the Al crystalline phase disappears. Then, it substantially does not function as a negative electrode. The preferable Mn content of the Al-Mn alloy coating layer is in the range of 13 to 20% by weight.

【0042】Al−Mn合金被覆層の厚みは、電池の利用目
的によって適宜設定されるが、通常1〜100 μm、特に
3〜30μmの範囲内が好ましい。被覆厚みが小さいと、
成膜が短時間で可能であるが、電池容量が小さくなる。
逆に、被覆厚みが大きくなると、電池容量は大きくなる
が、成膜に時間を要する。Al−Mn合金層による被覆は、
基体金属の全表面に行う必要はなく、一部の表面のみを
被覆してもよい。通常は、図1に例示したように、基体
金属の全面に上記のAl−Mn合金被覆層を形成するが、コ
イン型電池では片面のみの被覆でよい。
The thickness of the Al-Mn alloy coating layer is appropriately set depending on the purpose of use of the battery, but is usually in the range of 1 to 100 μm, particularly preferably 3 to 30 μm. If the coating thickness is small,
Film formation is possible in a short time, but the battery capacity becomes small.
Conversely, when the coating thickness increases, the battery capacity increases, but it takes time to form the film. The coating with the Al-Mn alloy layer,
It is not necessary to cover the entire surface of the base metal, and only a part of the surface may be coated. Usually, as illustrated in FIG. 1, the above Al—Mn alloy coating layer is formed on the entire surface of the base metal, but a coin type battery may be coated on only one side.

【0043】本発明のリチウム電池は、基体金属 (好ま
しくは集電体) 表面に上記の非平衡相を含有する組織か
らなるAl−Mn合金被覆層を有する被覆材を負極担体とす
る点を除いて、従来のリチウム電池と同様に構成するこ
とができる。即ち、正極、電解質、セパレータなどの他
の構成要素は従来のものと同様でよい。なお、電解質と
しては、従来より一般に使用されている、リチウム塩
(例、LiBF4 、LiClO4など) を非プロトン性有機溶媒
(例、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネー
ト、 1,2−ジメトキシエタン等) に溶解した非水溶液の
ほかに、リチウムイオン伝導性固体 (例、ポリエチレン
オキサイドとリチウム塩からなる電解質等) も使用でき
る。
The lithium battery of the present invention is different from the lithium metal of the present invention except that a coating material having an Al-Mn alloy coating layer having a structure containing the above non-equilibrium phase on the surface of a base metal (preferably a current collector) is used as a negative electrode carrier. Thus, it can be configured similarly to a conventional lithium battery. That is, other constituent elements such as the positive electrode, the electrolyte, and the separator may be the same as conventional ones. In addition, as the electrolyte, a lithium salt that has been generally used conventionally
(E.g. LiBF 4 , LiClO 4, etc.) as an aprotic organic solvent
In addition to a non-aqueous solution dissolved in (eg, propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, etc.), a lithium ion conductive solid (eg, electrolyte composed of polyethylene oxide and lithium salt, etc.) can also be used.

【0044】本発明のリチウム電池は、負極の大面積化
が容易で、充放電特性に優れていることから、電気自動
車や電力貯蔵用に使用する大容量のリチウム二次電池に
好適であるが、その性能上、リチウム一次電池や、携帯
用電気製品に用いる小型のリチウム二次電池に用いても
何ら問題のないことは自明である。
The lithium battery of the present invention is suitable for a large-capacity lithium secondary battery used for electric vehicles and electric power storage because it is easy to increase the area of the negative electrode and has excellent charge / discharge characteristics. It is self-evident that there is no problem in its performance when used in a lithium primary battery or a small lithium secondary battery used in portable electric products.

【0045】[0045]

【実施例】以下、実施例によって本発明をさらに詳細に
説明する。実施例中、%は特に指定のない限り、重量%
である。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. In the examples,% means% by weight unless otherwise specified.
Is.

【0046】実施例1 下記構成のリチウム二次電池を作製した。正極は、正極
活物質MnO2、導電性グラファイト、および結合剤のポリ
フッ化ビニリデンをDMF (ジメチルホルムアミド) に
混合した懸濁液を、厚さ20μm、幅40 mm 、長さ1250 m
m のニッケル箔に均一に塗布し、乾燥することによって
作製した。
Example 1 A lithium secondary battery having the following constitution was produced. The positive electrode was prepared by mixing a positive electrode active material MnO 2 , conductive graphite, and a polyvinylidene fluoride binder as a suspension in DMF (dimethylformamide) to a thickness of 20 μm, a width of 40 mm, and a length of 1250 m.
It was prepared by uniformly applying it to a nickel foil of m 3 and drying it.

【0047】負極は、上記と同じ寸法のニッケル箔の両
面の全面を、溶融塩電気めっき法またはスパッタリング
法により、厚さ10μmのAl−Mn合金で被覆することによ
り作製した。電気めっき条件は表1に示す通りであっ
た。スパッタリング法は、溶製法により作製したAl−Mn
合金板をターゲット材として使用し、真空度10-6〜10-7
torrの真空容器中で、出力150 W で成膜した。膜厚はス
パッター時間を調整することで制御した。Mn含有量はタ
ーゲット材中のMn含有量を変更することで調整した。
The negative electrode was prepared by coating the entire surface of both surfaces of a nickel foil having the same size as described above with a molten salt electroplating method or a sputtering method with an Al—Mn alloy having a thickness of 10 μm. The electroplating conditions were as shown in Table 1. The sputtering method is Al-Mn produced by the melting method.
Using alloy plate as the target material, vacuum degree 10 -6 -10 -7
A film was formed at an output of 150 W in a torr vacuum container. The film thickness was controlled by adjusting the sputtering time. The Mn content was adjusted by changing the Mn content in the target material.

【0048】[0048]

【表1】 セパレーターには40μm厚のポリプロピレン微多孔膜を
用いた。正負両極をセパレーターを介してロール状に巻
取り、これを電池缶に入れた後、電解液として非水溶液
であるLiClO4の1Mプロピレンカーボネート溶液を満た
し、封口して、図2に示すようなリチウム二次電池を組
み立てた。図2において、4は正極、5はセパレータ
ー、6は負極、7は絶縁板、8はニッケル製の正極リー
ド、9はガスケットである。
[Table 1] A 40 μm thick polypropylene microporous membrane was used as the separator. Both the positive and negative electrodes are wound into a roll through a separator, put into a battery can, and then filled with a non-aqueous solution of 1M propylene carbonate solution of LiClO 4 as an electrolytic solution and sealed, and the lithium as shown in FIG. The secondary battery was assembled. In FIG. 2, 4 is a positive electrode, 5 is a separator, 6 is a negative electrode, 7 is an insulating plate, 8 is a nickel positive electrode lead, and 9 is a gasket.

【0049】このリチウム二次電池のサイクル寿命を繰
り返し充放電試験により測定した。充放電サイクルは、
(充電500 mA×30分) → (5分休止) → (放電500 mAで
1.0V vs. Liになるまで) → (5分休止) からなり、充
放電効率 [=(放電電気量/充電電気量×100]が90%まで
低下したときを寿命として、サイクル寿命(寿命までの
サイクル数)を求めて、充放電特性を評価した。
The cycle life of this lithium secondary battery was repeatedly measured by a charge / discharge test. The charge / discharge cycle is
(Charge 500 mA x 30 minutes) → (Pause for 5 minutes) → (Discharge at 500 mA
1.0V vs. Li) → (5 minutes rest), and the cycle life (up to the life) is defined as the life when the charging / discharging efficiency [= (Discharged electricity quantity / charged electricity quantity x 100) decreases to 90%. The number of cycles) was obtained and the charge / discharge characteristics were evaluated.

【0050】表2に、こうして求めたサイクル寿命を、
負極中のAl−Mn合金被覆中のMn含有量、X線回折と透過
型電子顕微鏡による組織観察によって調べたAl−Mn合金
被覆の組織と共に示す。
Table 2 shows the cycle life thus obtained.
The Mn content in the Al-Mn alloy coating in the negative electrode is shown together with the structure of the Al-Mn alloy coating examined by X-ray diffraction and structure observation by a transmission electron microscope.

【0051】[0051]

【表2】 [Table 2]

【0052】表2の結果から明らかなように、比較例の
うち、試験No. 1〜5ではAl−Mn合金被覆中のMn含有量
が10%より低く、結晶構造がfcc-Al単相 (Mnが過飽和で
ある非平衡状態のものも含むが) であるため、充放電の
繰り返しにより負極合金が脱落し、サイクル寿命が200
回以下と短かった。一方、試験No. 12〜14では、Al−Mn
合金被覆のMn含有量が25重量%を超えたため、組織がAl
−Mn非晶質単相となり、Liとの合金化が起こらないため
に、90%以上の効率は得られなかった。
As is clear from the results in Table 2, among the comparative examples, in Test Nos. 1 to 5, the Mn content in the Al-Mn alloy coating was lower than 10%, and the crystal structure was fcc-Al single phase ( Since Mn is supersaturated (including non-equilibrium ones), the negative electrode alloy falls off due to repeated charging and discharging, resulting in a cycle life of 200
It was as short as less than once. On the other hand, in test Nos. 12 to 14, Al-Mn
Since the Mn content of the alloy coating exceeded 25% by weight, the structure was Al
Since it becomes a -Mn amorphous single phase and alloying with Li does not occur, an efficiency of 90% or more cannot be obtained.

【0053】これに対して、本発明例である試験No. 6
〜11では、結晶質のfcc-Al相 (Mn過飽和) とAl−Mn非晶
質相との混相組織からなるAl−Mn合金被覆が形成され、
サイクル寿命が1000回以上と飛躍的に延びた。
On the other hand, Test No. 6 which is an example of the present invention
In ~ 11, an Al-Mn alloy coating consisting of a mixed phase structure of crystalline fcc-Al phase (Mn supersaturation) and Al-Mn amorphous phase is formed,
The cycle life has been dramatically extended to over 1000 times.

【0054】参考のために、従来例として、冶金的方法
(溶製、鋳込み、圧延)で作製した純Al板およびAl−Mn
合金板(厚み100 μm) を上記ニッケル箔に圧着して負
極担体を構成したものを用いて、上記と同様に二次電池
の組立てと繰り返し充放電試験とを行った。この場合の
サイクル寿命は、純Al板で90回程度、Mnを添加したAl−
Mn合金板の場合でも、Mn含有量を変化させても表2の比
較例と同程度であり、本発明ほどの飛躍的なサイクル寿
命の改善は見られなかった。
For reference, as a conventional example, a pure Al plate and Al-Mn produced by a metallurgical method (melting, casting, rolling).
An alloy plate (thickness: 100 μm) was pressure-bonded to the nickel foil to form a negative electrode carrier, and a secondary battery was assembled and a repeated charge / discharge test was performed in the same manner as above. The cycle life in this case is about 90 times with a pure Al plate, Al-containing Mn
Even in the case of the Mn alloy plate, even if the Mn content was changed, it was about the same as that of the comparative example in Table 2, and the dramatic improvement in cycle life as in the present invention was not seen.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明によれば、Mn含有量10〜25重量%
のAl−Mn合金で基体金属を、熱力学的非平衡相を形成す
る電気めっき法、スパッタリング法などの被覆法により
被覆することで、非平衡相、具体的にはMn過飽和Al結晶
相とAl−Mn非晶質相との混相からなるAl−Mn合金被覆層
が形成され、リチウム二次電池の充放電サイクル特性が
飛躍的に改善される。さらに、本発明の方法で製造され
る負極担体は、大面積のものを低コストで製造すること
ができる。そのため、電気自動車や電力貯蔵用の大型で
大出力のリチウム二次電池を低コストで製造することが
可能となり、本発明の工業的価値は極めて高い。
According to the present invention, the Mn content is 10 to 25% by weight.
By coating the base metal with Al-Mn alloy by electroplating method for forming thermodynamic non-equilibrium phase, coating method such as sputtering method, non-equilibrium phase, specifically Mn supersaturated Al crystalline phase and Al An Al-Mn alloy coating layer composed of a mixed phase with -Mn amorphous phase is formed, and the charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery are dramatically improved. Further, the negative electrode carrier manufactured by the method of the present invention can be manufactured with a large area at low cost. Therefore, it is possible to manufacture a large-sized and high-power lithium secondary battery for electric vehicles and electric power storage at low cost, and the industrial value of the present invention is extremely high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る負極担体の1例の略式断面図であ
る。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an example of a negative electrode carrier according to the present invention.

【図2】本発明に係るリチウム電池の1例の略式断面図
である。
FIG. 2 is a schematic sectional view of an example of a lithium battery according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:金属基体(集電体)、2:プレめっき層、3:Al−
Mn合金被覆層、4:正極、5:セパレーター、6:負
極、7:絶縁板、 8:正極リード、9:ガスケット
1: Metal substrate (collector), 2: Pre-plated layer, 3: Al-
Mn alloy coating layer, 4: positive electrode, 5: separator, 6: negative electrode, 7: insulating plate, 8: positive electrode lead, 9: gasket

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若林 昇 大阪府池田市緑丘1丁目8番31号 工業技 術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者 樋口 俊一 大阪府池田市緑丘1丁目8番31号 工業技 術院大阪工業技術研究所内 (72)発明者 阿部 賢 大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友金 属工業株式会社内 (72)発明者 内田 淳一 大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友金 属工業株式会社内 (72)発明者 平山 克郎 大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友金 属工業株式会社内 (72)発明者 福井 国博 大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友金 属工業株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Noboru Wakabayashi 1-831 Midorigaoka, Ikeda, Osaka Prefecture Industrial Technology Institute, Osaka Institute of Industrial Technology (72) Inventor Shunichi Higuchi 1-8, Midorigaoka, Ikeda, Osaka No. 31 Industrial Technology Institute Osaka Institute of Industrial Technology (72) Inventor Ken Abe 4-5-3 Kitahama, Chuo-ku, Osaka City Sumitomo Metal Industries, Ltd. (72) Inventor Junichi Uchida 4-chome Kitahama, Chuo-ku, Osaka 5-33 Sumitomo Metal Industries, Ltd. (72) Inventor Katsuro Hirayama 4-chome Kitahama, Chuo-ku, Osaka 5-33 Sumitomo Metal Industries Ltd. (72) Inventor Kunihiro Fukui 4-chome, Kitahama, Chuo-ku, Osaka No. 5 33 Sumitomo Metal Industry Co., Ltd.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 正極と、リチウムを活物質とする負極
と、リチウム塩の非水溶液またはリチウムイオン伝導性
固体からなる電解質とから構成されるリチウム電池であ
って、前記負極が、Mn過飽和fcc-Al相とAl−Mn非晶質合
金相との混相からなる熱力学的に非平衡なAl−Mn合金被
覆層を基体金属表面に有する被覆材を担体とするもので
あることを特徴とする、リチウム電池。
1. A lithium battery comprising a positive electrode, a negative electrode using lithium as an active material, and an electrolyte composed of a non-aqueous solution of a lithium salt or a lithium ion conductive solid, wherein the negative electrode is Mn supersaturated fcc- Characterized by using a coating material having a thermodynamically non-equilibrium Al-Mn alloy coating layer consisting of a mixed phase of an Al phase and an Al-Mn amorphous alloy phase on the base metal surface as a carrier, Lithium battery.
【請求項2】 二次電池である請求項1記載のリチウム
電池。
2. The lithium battery according to claim 1, which is a secondary battery.
【請求項3】 基体金属の表面を熱力学的非平衡相を形
成する被覆方法によりMn含有量10〜25重量%のAl−Mn合
金で被覆することからなる、リチウム電池用負極担体の
製造方法。
3. A method for producing a negative electrode carrier for a lithium battery, which comprises coating the surface of a base metal with an Al—Mn alloy having a Mn content of 10 to 25% by weight by a coating method for forming a thermodynamic non-equilibrium phase. .
【請求項4】 前記被覆方法が非水系電気めっき法であ
る、請求項3記載の方法。
4. The method according to claim 3, wherein the coating method is a non-aqueous electroplating method.
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