明 細 書 リチウム電池用電極及びリチウム二次電池 技術分野 Description Electrode for lithium battery and lithium secondary battery Technical field
本発明は、 新規なリチウム電池用電極並びにこれを用いたリチウム電 池及びリチウム二次電池に関するものである。 背景技術 The present invention relates to a novel electrode for a lithium battery, and a lithium battery and a lithium secondary battery using the same. Background art
近年、 研究開発が盛んに行われているリチウム二次電池は、 用いられ る電極により充放電電圧、 充放電サイクル寿命特性、 保存特性などの電 池特性が大きく左右される。 このことから、 電極活物質を改善すること により、 電池特性の向上が図られている。 In recent years, lithium secondary batteries, which are being actively researched and developed, greatly affect battery characteristics such as charge / discharge voltage, charge / discharge cycle life characteristics, and storage characteristics depending on the electrodes used. For this reason, the battery characteristics are being improved by improving the electrode active material.
負極活物質としてリチウム金属を用いると、 重量当り及び体積当りと もに高いエネルギー密度の電池を構成することができるが、 充電時にリ チウムがデンドライ ト状に析出し、 内部短絡を引き起こすという問題が あった o When lithium metal is used as the negative electrode active material, a battery having a high energy density per weight and per volume can be formed.However, there is a problem that lithium is deposited in a dendrite shape during charging and causes an internal short circuit. Was o
これに対し、 充電の際に電気化学的にリチウムと合金化するアルミ二 ゥム、 シリコン、 錫などを電極として用いるリチウム二次電池が報告さ れている (Sol id State Ionics, 113 - 115, p57 (1998) ) 。 これらのうち、 特にシリコンは理論容量が大きく、 高い容量を示す電池用負極として有 望であり、 これを負極とする種々の二次電池が提案されている (特開平 1 0 - 2 5 5 7 6 8号公報) 。 しかしながら、 この種の合金負極は、 電 極活物質である合金自体が充放電により微粉化し集電特性が悪化するこ とから、 +分なサイクル特性は得られていない。
発明の開示 On the other hand, lithium secondary batteries using aluminum, silicon, tin, etc., which electrochemically alloy with lithium during charging, have been reported (Sol id State Ionics, 113-115, p57 (1998)). Among these, silicon is particularly promising as a battery negative electrode having a large theoretical capacity and a high capacity, and various secondary batteries using this as a negative electrode have been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-25557). No. 68). However, this type of alloy negative electrode has not been able to provide a positive cycle characteristic because the alloy itself, which is the electrode active material, is pulverized by charging and discharging and the current collecting characteristics deteriorate. Disclosure of the invention
本発明の目的は、 新規なリチウム電池用電極並びにこれを用いたリチ ゥム電池及びリチウム二次電池を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a novel electrode for a lithium battery, and a lithium battery and a lithium secondary battery using the same.
本発明に従う第 1の局面は、 リチウムを吸蔵 ·放出する活物質を含む リチウム電池用電極であり、 活物質として非結晶シリ コンを用いたこと を特徴とするリチウム電池用電極である。 A first aspect according to the present invention is an electrode for a lithium battery including an active material for inserting and extracting lithium, wherein the amorphous silicon is used as the active material.
一般に、 シリコンは、 結晶性の違いにより、 非晶質シリコン、 微結晶 シリ コン、 多結晶シリコン、 及び単結晶シリコンに大別される。 本発明 における 「非結晶シリコン」 は、 多結晶シリコン及び単結晶シリ コンを 除く、 非晶質シリコン及び微結晶シリユンを意味する。 非晶質シリ コン は、 後述するラマン分光分析において結晶領域に対応する 5 2 0 c m— 1近傍のピークが実質的に検出されないものである。 微結晶シリコンは、 ラマン分光分析において、 結晶領域に対応する 5 2 0 c m一1 近傍のピ ークと、 非晶質領域に対応する 4 8 0 c m—1 近傍のピークの両方が実 質的に検出されるものである。 従って、 微結晶シリコンは結晶領域と非 晶質領域とから実質的に構成される。 多結晶シリコン及び単結晶シリコ ンは、 ラマン分光分析において、 非晶質領域に対応する 4 8 0 c m—1 近傍のピークが実質的に検出されない。 In general, silicon is roughly classified into amorphous silicon, microcrystalline silicon, polycrystalline silicon, and single crystal silicon according to the difference in crystallinity. “Amorphous silicon” in the present invention means amorphous silicon and microcrystalline silicon, excluding polycrystalline silicon and single crystal silicon. Amorphous silicon is one in which a peak near 520 cm- 1 corresponding to a crystalline region is not substantially detected in Raman spectroscopy described later. Microcrystalline silicon, in Raman spectroscopic analysis, qualitative and peak of 5 2 0 cm one near 1 corresponding to the crystal region, both peaks 4 8 0 cm- 1 near corresponding to the amorphous region real Is detected. Therefore, microcrystalline silicon is substantially composed of a crystalline region and an amorphous region. For polycrystalline silicon and single-crystal silicon, a peak near 480 cm- 1 corresponding to an amorphous region is not substantially detected in Raman spectroscopy.
上記のように、 本発明における 「非結晶シリコン」 には、 非晶質シリ コン及ぴ微結晶シリコンが含まれる。 従って、 本発明に従う第 1の局面 では、 活物質として、 非晶質シリ コンまたは微結晶シリコンが用いられ る。 As described above, “amorphous silicon” in the present invention includes amorphous silicon and microcrystalline silicon. Therefore, in the first aspect according to the present invention, amorphous silicon or microcrystalline silicon is used as the active material.
非結晶シリコンまたは微結晶シリコンには、 水素が含まれていてもよ い。 この場合、 非結晶シリ コンまたは微結晶シリコン中の水素濃度は、 例えば、 0 . 0 0 1原子%以上である。 水素濃度は、 2次イオン質量分 析 (S I M S ) により測定することができる。
第 1の局面における微結晶シリコン中の結晶領域のサイズは、 X線回 折スぺク トルと S c h e r r e rの式から算出される結晶粒径として、 例えば 0. 5 n m以上である。 Amorphous silicon or microcrystalline silicon may contain hydrogen. In this case, the hydrogen concentration in the amorphous silicon or microcrystalline silicon is, for example, 0.01 atomic% or more. Hydrogen concentration can be measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The size of the crystal region in the microcrystalline silicon in the first aspect is, for example, 0.5 nm or more as a crystal grain size calculated from the X-ray diffraction spectrum and the Scherrer equation.
X線回折スぺク トルと S c h e r r e rの式から結晶粒径を算出する 方法は、 薄膜ハンドブック (第 1版、 日本学術振興会薄膜第 1 3 1委員 会編、 株式会社オーム社発行) の第 3 7 5頁に記載されている。 The method for calculating the crystal grain size from the X-ray diffraction spectrum and the Scherrer equation is described in the Thin Film Handbook (1st edition, edited by the Japan Society for the Promotion of Science, Thin Film Committee 131, published by Ohm Co., Ltd.). It is described on page 375.
上記 X線回折スぺク トルと S c h e r r e rの式から算出される結晶 粒径は、 例えば走査型電子顕微鏡で観察される結晶粒径とは必ずしも一 致しない。 また、 特定方向、 例えば厚み方向に長く延びた結晶領域であ つてもよい。 この場合、 例えば厚み方向の長さが 1 0 / m程度のもので あってもよい。 The crystal grain size calculated from the above-mentioned X-ray diffraction spectrum and the formula of Scherr er does not always match the crystal grain size observed with, for example, a scanning electron microscope. Further, the crystal region may extend in a specific direction, for example, a thickness direction. In this case, for example, the length in the thickness direction may be about 10 / m.
また、 第 1の局面において、 微結晶シリ コンのラマン分光分析におけ る 5 2 0 c tn— 1近傍のピーク強度に対する 4 8 0 c m— 1近傍のピーク 強度比 (4 8 0 c m— 1近傍 Z 5 2 0 c m— 1近傍) は、 例えば 0. 0 5 以上である。 In the first aspect, 4 8 0 cm- 1 near the peak intensity ratio of (4 8 0 cm- 1 near to the peak intensity of 5 2 0 c Tn-1 near that put in Raman spectroscopic analysis of microcrystalline silicon Z520cm- 1 ) is, for example, not less than 0.05.
なお、 非晶質領域に対応する 4 8 0 c m— 1 近傍のピークは、 1 0 c m一1 程度シフトすることが知られている。 また、 結晶領域に対応する 5 2 0 c m— 1近傍のピークは、 5 c m— 1程度シフトすることが知られ ている。 なお、 4 8 0 c m— 1 近傍のピークは、 ブロードなピークであ るので、 5 2 0 c m一1 近傍までピークの裾が広がる場合がある。 この 場合、 ピークの広がり部分を差し引くことなく、 5 2 0 c m— 1 近傍の ピークの高さをピーク強度として、 上記ピーク強度比を算出している。 第 1の局面において、 非結晶シリコン及び微結晶シリコンは、 シリコ ン薄膜であることが好ましい。 特に、 気相からシリコン材料を供給する ことにより基板上に堆積させたシリコン薄膜であることが好ましい。 シ リコン材料とともに、 水素ガスを導入して形成したシリコン薄膜であつ
てもよい。 Incidentally, 4 8 0 cm- 1 near the peak corresponding to the amorphous region is known to be shifted about 1 0 cm one 1. It is also known that the peak near 520 cm- 1 corresponding to the crystal region shifts by about 5 cm- 1 . Incidentally, 4 8 0 cm- 1 near the peak, a broad peak der Runode sometimes spread peak hem to 5 2 0 cm one near 1. In this case, the peak intensity ratio is calculated without subtracting the spread portion of the peak and using the height of the peak near 520 cm- 1 as the peak intensity. In the first aspect, the amorphous silicon and the microcrystalline silicon are preferably silicon thin films. In particular, a silicon thin film deposited on a substrate by supplying a silicon material from a gas phase is preferable. A silicon thin film formed by introducing hydrogen gas together with silicon material. You may.
シリコン材料としては、 シリコン原子を含む原料ガスまたはシリ コン 原子を含む原料パウダーが挙げられる。 As the silicon material, a raw material gas containing silicon atoms or a raw material powder containing silicon atoms can be used.
上記シリ コン薄膜を形成する方法としては、 例えば、 CVD法、 スパ ッタリング法、 溶射法、 または真空蒸着法を挙げることができる。 第 1の局面においては、 基板として集電体を用い、 集電体上にシリコ ン薄膜を形成したものが特に好ましい。 集電体上にシリコン薄膜を形成 する際、 集電体上に中間層を形成し、 該中間層の上にシリコン薄膜を形 成してもよい。 Examples of the method for forming the silicon thin film include a CVD method, a sputtering method, a thermal spraying method, and a vacuum evaporation method. In the first aspect, it is particularly preferable that a current collector is used as a substrate and a silicon thin film is formed on the current collector. When forming the silicon thin film on the current collector, an intermediate layer may be formed on the current collector, and the silicon thin film may be formed on the intermediate layer.
集電体の材料としては、 銅、 ニッケル、 ステンレス、 モリブデン、 タ ングステン、 及びタンタルから選ばれる少なくとも 1種が挙げられる。 集電体の表面粗さ R aは、 0. 0 1 μ m以上であることが好ましく、 さらに好ましくは 0. 0 1〜 1 μπιであり、 さらに好ましくは 0. 0 5 〜0. 5 μ mである。 表面粗さ R aは、 日本工業規格 ( J I S B 0 60 1 - 1 9 94) に定められており、 例えば表面粗さ計により測定す ることができる。 The current collector material includes at least one selected from copper, nickel, stainless steel, molybdenum, tungsten, and tantalum. The surface roughness Ra of the current collector is preferably at least 0.1 μm, more preferably 0.01 to 1 μπι, and still more preferably 0.05 to 0.5 μm. It is. The surface roughness Ra is specified in Japanese Industrial Standards (JIS B0601-19994), and can be measured by, for example, a surface roughness meter.
集電体の表面粗さ R aは、 活物質薄膜の厚み tに対して Ra≤ tの関 係を有することが好ましい。 また、 集電体の表面粗さ R aと局部山頂の 平均間隔 Sは、 1 00 R a≥Sの関係を有することが好ましい。 局部山 頂の平均間隔 Sは、 3本工業規格 (J I S B 060 1— 1 9 94) に定められており、 例えば表面粗さ計により測定することができる。 集電体表面の凹凸の凸部の形状は、 特に限定されるものではないが、 例えば錐体状であることが好ましい。 The surface roughness Ra of the current collector preferably has a relationship of Ra≤t with respect to the thickness t of the active material thin film. It is preferable that the surface roughness Ra of the current collector and the average distance S between the local peaks have a relationship of 100 Ra≥S. The average distance S between the local peaks is defined in the three industrial standards (JIS B 060 1-19-1994), and can be measured by, for example, a surface roughness meter. The shape of the projections of the irregularities on the current collector surface is not particularly limited, but is preferably, for example, a cone.
本発明に従う第 2の局面は、 リチウムを吸蔵 ·放出する活物質からな る薄膜が集電体上に設けられたリチウム電池用電極であり、 薄膜がその 厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分離されており、 かつ該柱
状部分の底部が集電体と密着していることを特徴としている。 A second aspect according to the present invention is a lithium battery electrode in which a thin film made of an active material that stores and releases lithium is provided on a current collector, and the thin film is formed into a columnar shape by a cut formed in the thickness direction. Separated and the pillar It is characterized in that the bottom of the shape portion is in close contact with the current collector.
上記第 1の局面におけるシリコン薄膜は、 第 2の局面に従う薄膜であ ることが好ましい。 すなわち、 シリコン薄膜がその厚み方向に形成され た切れ目によって柱状に分離されており、 かつ該柱状部分の底部が集電 体と密着していることが好ましい。 The silicon thin film in the first aspect is preferably a thin film according to the second aspect. That is, it is preferable that the silicon thin film is separated into columns by the cuts formed in the thickness direction, and that the bottom of the columnar portion is in close contact with the current collector.
第 2の局面における活物質薄膜は、 その厚み方向に形成された切れ目 によって柱状に分離されている。 このため、 柱状部分の周囲には隙間が 形成されており、 この隙間によって充放電サイクルに伴う薄膜の膨張収 縮が緩和され、 活物質薄膜が集電体から剥離するような応力が発生する のを抑制することができる。 従って、 柱状部分の底部における集電体と の密着状態を良好に保つことができる。 The active material thin film in the second aspect is separated into columns by cuts formed in the thickness direction. For this reason, a gap is formed around the columnar portion, and the gap reduces the expansion and contraction of the thin film due to the charge / discharge cycle, and generates a stress that causes the active material thin film to separate from the current collector. Can be suppressed. Therefore, the state of close contact with the current collector at the bottom of the columnar portion can be favorably maintained.
第 2の局面では、 薄膜の厚み方向において、 少なくとも薄膜の厚みの 1 Z 2以上の部分が、 切れ目によって柱状に分離されていることが好ま しい。 In the second aspect, in the thickness direction of the thin film, it is preferable that at least a portion of 1 Z 2 or more of the thickness of the thin film is separated into a column by a cut.
また、 薄膜の表面に凹凸が形成されており、 該凹凸の谷部を端部とす る切れ目が薄膜に形成されている場合には、 柱状部分が薄膜表面の少な くとも 1つの凸部を含むように切れ目が形成されていてもよい。 この場 合、 複数の凸部を含むように切れ目が形成されていてもよい。 Further, when the surface of the thin film has irregularities and a cut having the valley of the irregularity as an end is formed in the thin film, the columnar portion forms at least one convex portion on the surface of the thin film. A cut may be formed to include the cut. In this case, a cut may be formed so as to include a plurality of convex portions.
第 2の局面において、 薄膜に形成される切れ目は、 初回以降の充放電 で形成されてもよい。 このような場合、 例えば、 充放電前において薄膜 の表面に凹凸が形成されており、 初回以降の充放電により薄膜表面の凹 凸の谷部を端部とする切れ目が形成され、 この切れ目によって薄膜が柱 状に分離されていてもよい。 In the second aspect, the cut formed in the thin film may be formed by charge and discharge after the first time. In such a case, for example, irregularities are formed on the surface of the thin film before charging / discharging, and the first charging / discharging forms a cut having a concave / convex valley on the surface of the thin film as an end. May be separated into columns.
薄膜表面の凹凸は、 下地層である集電体表面の凹凸に対応して形成さ れていてもよい。 すなわち、 表面に凹凸を有する集電体を用い、 その上 に薄膜を形成することにより、 薄膜の表面に凹凸を付与することができ
る。 The unevenness on the surface of the thin film may be formed corresponding to the unevenness on the surface of the current collector as an underlayer. That is, by using a current collector having irregularities on the surface and forming a thin film thereon, irregularities can be imparted to the surface of the thin film. You.
集電体の表面粗さ R aは、 0. 0 1 μ m以上であることが好ましく、 さらに好ましくは 0. 0 1〜l /x mであり、 さらに好ましくは 0. 0 5 〜0. 5 μ mである。 表面粗さ R aは、 日本工業規格 ( J I S B 0 6 0 1 - 1 9 9 4 ) に定められており、 例えば表面粗さ計により測定す ることができる。 The surface roughness Ra of the current collector is preferably at least 0.01 μm, more preferably 0.01 to l / xm, and still more preferably 0.05 to 0.5 μm. m. The surface roughness Ra is defined in Japanese Industrial Standards (JISB 0601-1994), and can be measured by, for example, a surface roughness meter.
集電体の表面粗さ R aは、 活物質薄膜の厚み tに対して R a ≤ tの関 係を有することが好ましい。 また、 集電体の表面粗さ R aと局部山頂の 平均間隔 Sは、 1 0 0 R a ≥ Sの関係を有することが好ましい。 局部山 頂の平均間隔 Sは、 日本工業規格 (J I S B 0 6 0 1 - 1 9 9 4) に定められており、 例えば表面粗さ計により測定することができる。 集電体表面の凹凸の凸部の形状は、 特に限定されるものではないが、 例えば錐体状であることが好ましい。 The surface roughness Ra of the current collector preferably has a relationship of Ra≤t with respect to the thickness t of the active material thin film. Further, it is preferable that the surface roughness Ra of the current collector and the average interval S between the local peaks have a relationship of 100 Ra≥S. The average distance S between local peaks is specified in Japanese Industrial Standards (JIS B 0601-1994), and can be measured by, for example, a surface roughness meter. The shape of the projections of the irregularities on the current collector surface is not particularly limited, but is preferably, for example, a cone.
また、 柱状部分の上方部は、 充放電反応における電流の集中を避ける ため、 丸みを帯びた形状であることが好ましい。 Further, the upper part of the columnar part is preferably rounded in order to avoid concentration of current in the charge / discharge reaction.
第 2の局面において、 活物質からなる薄膜に形成される厚み方向の切 れ目は、 初回以降の充放電で形成されていてもよいし、 充放電前に予め 形成されていてもよい。 このような切れ目を充放電前に薄膜に予め形成 させる方法としては、 電池を組み立てる前に、 電極の薄膜にリチウム等 を吸蔵させた後放出させるなどの方法により、 薄膜の体積を膨張させた 後収縮させて形成させることができる。 また、 フォトリソグラフィ一に よりパターユングしたレジスト膜などを用いて、 柱状に薄膜を形成する ことにより、 切れ目によって柱状に分離された薄膜としてもよい。 第 2の局面における活物質薄膜は、 例えば、 リチウムと化合物もしく は固溶体を形成する材料から形成することができる。 このような材料と して、 周期律表 ΠΒ族、 ΠΙΒ族、 IVB族及び VB族の元素、 並びに周
期律表 4周期、 5周期及び 6周期の遷移金属元素の酸化物及び硫化物か ら選ばれる少なくとも 1種の材料を挙げることができる。 In the second aspect, the cut in the thickness direction formed in the thin film made of the active material may be formed by charge / discharge after the first time, or may be formed before charge / discharge. As a method of forming such a break in a thin film before charging / discharging, a method of absorbing lithium or the like into a thin film of an electrode and then releasing the thin film before assembling the battery, for example, after expanding the volume of the thin film. It can be formed by shrinking. Alternatively, a thin film separated into a pillar shape by a cut may be formed by forming a thin film in a pillar shape using a resist film or the like patterned by photolithography. The active material thin film in the second aspect can be formed, for example, from a material that forms a compound or a solid solution with lithium. Such materials include elements of the Periodic Table III, III, IVB and VB, At least one material selected from oxides and sulfides of transition metal elements having four, five, and six periods of the periodic table can be given.
第 2の局面において、 リチウムと化合物もしくは固溶体を形成する周 期律表 Π Β族、 Π Ι Β族、 IVB族及び V B族の元素としては、 炭素、 ァ ルミ二ゥム、 シリコン、 リン、 亜鉛、 ガリウム、 ゲルマニウム、 ヒ素、 カドミウム、 インジウム、 錫、 アンチモン、 水銀、 タリウム、 鉛、 及び ビスマスが挙げられる。 また、 周期律表 4周期、 5周期及び 6周期の遷 移金属元素は、 具体的には、 スカンジウム、 チタン、 バナジウム、 クロ ム、 マンガン、 鉄、 コバルト、 ニッケル、 銅、 亜鉛、 イッ トリウム、 ジ ルコニゥム、 ニオブ、 モリブデン、 テクネチウム、 ルテニウム、 ロジゥ ム、 パラジウム、 銀、 カドミウム、 ランタノィ ド系元素、 ハフニウム、 タンタル、 タングステン、 レニウム、 オスミウム、 イリジウム、 白金、 金、 及び水銀である。 In the second aspect, the elements of the Periodic Table I, II, IVB, and VB that form a compound or solid solution with lithium include carbon, aluminum, silicon, phosphorus, and zinc. , Gallium, germanium, arsenic, cadmium, indium, tin, antimony, mercury, thallium, lead, and bismuth. The transition metal elements of the Periodic Table at 4, 5, and 6 periods are, specifically, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, and zirconium. These include ruconium, niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, cadmium, lanthanide elements, hafnium, tantalum, tungsten, rhenium, osmium, iridium, platinum, gold, and mercury.
上記元素の中でも、 炭素、 シリコン、 ゲルマニウム、 錫、 鉛、 アルミ 二ゥム、 インジウム、 亜鉛、 カ ドミ ウム、 ビスマス、 及び水銀から選ば れる少なぐとも 1種であることが好ましく、 さらに好ましくはシリコン 及びノまたはゲルマニゥムである。 Among the above elements, at least one element selected from carbon, silicon, germanium, tin, lead, aluminum, indium, zinc, cadmium, bismuth, and mercury is preferable, and silicon is more preferable. And germanium or germanium.
第 2の局面における 「非結晶シリコン」 も、 上述と同様に、 多結晶シ リコン及び単結晶シリコンを除く、 非晶質シリコン及び微結晶シリコン を意味する。 “Amorphous silicon” in the second aspect also means amorphous silicon and microcrystalline silicon, excluding polycrystalline silicon and single crystal silicon, as described above.
第 2の局面において、 活物質薄膜として用いるシリコン薄膜としては、 微結晶シリコン薄膜及び非晶質シリコン薄膜が好ましい。 In the second aspect, the silicon thin film used as the active material thin film is preferably a microcrystalline silicon thin film or an amorphous silicon thin film.
また、 第 2の局面において用いる好ましい活物質薄膜としては、 上記 のシリコン薄膜以外に、 ゲルマニウム薄膜及びシリコンゲルマニウム合 金薄膜が挙げられる。 ゲルマニウム薄膜としては、 微結晶ゲルマニウム 薄膜及び非晶質ゲルマニウム薄膜が好ましく用いられる。 シリコンゲル
マニウム合金薄膜としては、 微結晶シリコンゲルマニウム合金薄膜及び 非晶質シリコンゲルマニウム薄膜が好ましく用いられる。 ゲルマニウム 薄膜及びシリコンゲルマニウム合金薄膜の微結晶及び非晶質は、 上記の シリ コン薄膜と同様にして定めることができる。 シリコン、 ゲルマニウ ムについては後述の実施例で述べるように、 良好な結果が得られている。 シリコン、 ゲルマニウムは任意の割合で固溶するので、 シリコンゲルマ ニゥム合金についても同様の効果が期待できる。 In addition, as a preferable active material thin film used in the second aspect, a germanium thin film and a silicon germanium alloy thin film other than the above silicon thin film are exemplified. As the germanium thin film, a microcrystalline germanium thin film and an amorphous germanium thin film are preferably used. Silicon gel As the mannium alloy thin film, a microcrystalline silicon germanium alloy thin film and an amorphous silicon germanium thin film are preferably used. The microcrystal and amorphous of the germanium thin film and the silicon germanium alloy thin film can be determined in the same manner as the above-mentioned silicon thin film. Good results have been obtained for silicon and germanium, as described in the examples below. Since silicon and germanium are dissolved at an arbitrary ratio, a similar effect can be expected for a silicon germanium alloy.
第 2の局面において、 活物質薄膜を集電体上に形成する方法は、 特に 限定されるものではないが、 例えば、 C V D法、 スパッタリング法、 蒸 着法、 溶射法、 またはめつき法などが挙げられる。 これらの薄膜形成方 法の中でも、 C V D法、 スパッタリング法、 及ぴ蒸着法が特に好ましく 用いられる。 In the second aspect, the method for forming the active material thin film on the current collector is not particularly limited, and examples thereof include a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, a thermal spray method, and a plating method. No. Among these thin film forming methods, a CVD method, a sputtering method, and a vapor deposition method are particularly preferably used.
第 2の局面において用いる集電体は、 その上に活物質薄膜を良好な密 着性で形成できるものであれば特に限定されるものではない。 集電体の 具体例としては、 銅、 ニッケル、 ステンレス、 モリブデン、 タンダステ ン、 及びタンタルから選ばれる少なく とも 1種が挙げられる。 The current collector used in the second aspect is not particularly limited as long as the active material thin film can be formed thereon with good adhesion. Specific examples of the current collector include at least one selected from copper, nickel, stainless steel, molybdenum, tandatin, and tantalum.
集電体は、 厚みの薄いものであることが好ましく、 金属箔であること が好ましい。 集電体は、 リチウムと合金化しない材料から形成されてい ることが好ましく、 特に好ましい材料としては、 銅が挙げられる。 集電 体は銅箔であることが好ましく、 その表面が粗面化された銅箔であるこ とが好ましい。 このような銅箔としては電解銅箔が挙げられる。 電解銅 箔は、 例えば、 銅イオンが溶解された電解液中に金属製のドラムを浸漬 し、 これを回転させながら電流を流すことにより、 ドラムの表面に銅を 析出させ、 これを剥離して得られる銅箔である。 電解銅箔の片面または 両面には、 粗面化処理や表面処理がなされていてもよい。 The current collector is preferably a thin one, and is preferably a metal foil. The current collector is preferably formed of a material that does not alloy with lithium, and a particularly preferable material is copper. The current collector is preferably a copper foil, and is preferably a copper foil having a roughened surface. An example of such a copper foil is an electrolytic copper foil. For example, an electrolytic copper foil is made by immersing a metal drum in an electrolytic solution in which copper ions are dissolved, and rotating it to apply an electric current to deposit copper on the surface of the drum and peel it off. The resulting copper foil. One or both sides of the electrolytic copper foil may be subjected to a roughening treatment or a surface treatment.
また、 圧延銅箔の表面に、 電解法により銅を析出させ、 表面を粗面化
した銅箔であってもよい。 In addition, copper is deposited on the surface of the rolled copper foil by electrolytic method to roughen the surface. Copper foil may be used.
また、 集電体の上に中間層を形成し、 この中間層の上に活物質薄膜を 形成してもよい。 この場合、 中間層としては、 活物質薄膜中に拡散し易 い成分を含むものが好ましく、 例えば銅層が好ましい。 例えば、 表面が 粗面化されたニッケル箔 (電解ニッケル箔など) の上に、 銅層を形成し た集電体を用いてもよい。 また、 ニッケル箔の上に電解法により、 銅を 析出させ、 これによつて粗面化したニッケル箔を用いてもよい。 Alternatively, an intermediate layer may be formed on the current collector, and an active material thin film may be formed on the intermediate layer. In this case, the intermediate layer preferably contains a component which is easily diffused into the active material thin film, and for example, a copper layer is preferable. For example, a current collector formed by forming a copper layer on a nickel foil having a roughened surface (such as an electrolytic nickel foil) may be used. Alternatively, a nickel foil may be used in which copper is deposited on the nickel foil by an electrolytic method, and the copper foil is roughened.
第.2の局面において活物質薄膜に形成される切れ目は、 予め活物質薄 膜中に厚み方向に延びるように形成された低密度領域に沿って形成され たものであってもよい。 このような低密度領域は、 例えば、 集電体表面 の凹凸の谷部から上方に向かって延びるように形成されている。 The cut formed in the active material thin film in the second aspect may be formed along a low-density region formed in the active material thin film in advance so as to extend in the thickness direction. Such a low-density region is formed, for example, so as to extend upward from a valley of unevenness on the surface of the current collector.
第 2の局面においては、 活物質薄膜に集電体の成分が拡散しているこ とが好ましい。 このような集電体成分の薄膜内への拡散により、 集電体 と活物質薄膜の密着性を高めることができる。 また、 集電体成分として、 リチウムと合金化しない銅などの元素が拡散している場合、 拡散領域に おいてリチウムとの合金化が抑制されるため、 充放電反応に伴う薄膜の 膨張 ·収縮を抑制することができ、 活物質薄膜の集電体からの剥離を生 じさせるような応力の発生を抑制することができる。 In the second aspect, it is preferable that the components of the current collector diffuse into the active material thin film. The diffusion of the current collector component into the thin film can enhance the adhesion between the current collector and the active material thin film. In addition, when an element such as copper that does not alloy with lithium is diffused as a current collector component, alloying with lithium is suppressed in the diffusion region, so that the thin film expands and contracts due to the charge / discharge reaction. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of stress that may cause the active material thin film to separate from the current collector.
また、 薄膜内に拡散した集電体成分の濃度は、 集電体近傍で高く、 薄 膜表面に近づくにつれて减少していることが好ましい。 このような集電 体成分の濃度勾配を有することにより、 充放電反応に伴う薄膜の膨張 · 収縮の抑制が、 集電体近傍においてより強く働くため、 活物質薄膜の剥 離を生じさせる応力が集電体近傍で発生するのを抑制することができ易 くなる。 また、 薄膜表面に近づくにつれて集電体成分の濃度が減少する ことにより、 高い充放電容量を維持することができる。 Further, it is preferable that the concentration of the current collector component diffused into the thin film is high in the vicinity of the current collector, and gradually decreases as approaching the thin film surface. By having such a concentration gradient of the current collector component, the expansion and contraction of the thin film due to the charge / discharge reaction is suppressed more strongly in the vicinity of the current collector, so that the stress causing the separation of the active material thin film is reduced. It is easy to suppress generation near the current collector. In addition, since the concentration of the current collector component decreases as approaching the thin film surface, a high charge / discharge capacity can be maintained.
また、 拡散した集電体成分は、 薄膜中において、 薄膜成分と金属間化
合物を形成せずに、 固溶体を形成していることが好ましい。 ここで、 金 属間化合物とは、 金属同士が特定の比率で化合した特定の結晶構造を有 する化合物をいう。 薄膜成分と集電体成分が薄膜中において、 金属間化 合物ではなく、 固溶体を形成することにより、 薄膜と集電体との密着状 態がより良好となり、 より高い充放電容量を得ることができる。 In addition, the diffused current collector component becomes intermetallic with the thin film component in the thin film. It is preferable to form a solid solution without forming a compound. Here, the intermetallic compound refers to a compound having a specific crystal structure in which metals are combined at a specific ratio. By forming a solid solution instead of an intermetallic compound in the thin film, the thin film component and the current collector component improve the adhesion between the thin film and the current collector, and obtain a higher charge / discharge capacity. Can be.
第 2の局面における活物質薄膜には、 不純物がドープされていてもよ レ、。 このような不純物としては、 例えば、 リン、 アルミニウム、 ヒ素、 アンチモン、 ホウ素、 ガリウム、 インジウム、 酸素、 窒素等の周期律表 Π Ι Β族、 IV B族、 V B族、 VI B族の元素を挙げることができる。 The active material thin film in the second aspect may be doped with impurities. Examples of such impurities include phosphorus, aluminum, arsenic, antimony, boron, gallium, indium, oxygen, nitrogen, and other elements of the Periodic Table Group IV, IVB, VB, and VIB. be able to.
また、 第 2の局面における活物質薄膜は、 複数の層を積層して形成さ れていてもよい。 積層された各層においては、 組成、 結晶性、 不純物濃 度等が異なっていてもよい。 また、 薄膜の厚み方向に傾斜構造を有する ものであってもよい。 例えば、 且成、 結晶性、 不純物濃度等を厚み方向 に変化させた傾斜構造とすることができる。 Further, the active material thin film in the second aspect may be formed by laminating a plurality of layers. Each of the stacked layers may have a different composition, crystallinity, impurity concentration, and the like. Further, the thin film may have a tilted structure in the thickness direction. For example, an inclined structure in which thickness, crystallinity, impurity concentration, and the like are changed in the thickness direction can be used.
また、 第 2の局面の活物質薄膜の厚みは特に限定されるものではない が、 例えば 2 0 μ m以下の厚みとすることができる。 また、 高い充放電 容量を得るためには、 厚みは 1 μ m以上であることが好ましい。 The thickness of the active material thin film of the second aspect is not particularly limited, but may be, for example, 20 μm or less. In order to obtain a high charge / discharge capacity, the thickness is preferably 1 μm or more.
第 2の局面においては、 集電体と、 薄膜との密着性を向上させるため、 集電体と、 薄膜との間に中間層を設けてもよい。 このような中間層の材 料としては、 集電体材料及び活物質材料との間で合金を形成するような 物質が好ましく用いられる。 In the second aspect, an intermediate layer may be provided between the current collector and the thin film in order to improve the adhesion between the current collector and the thin film. As such a material for the intermediate layer, a material that forms an alloy with the current collector material and the active material is preferably used.
第 2の局面における活物質薄膜は、 リチウムと合金を形成することに より リチウムを吸蔵する活物質薄膜であることが好ましい。 The active material thin film in the second aspect is preferably an active material thin film that absorbs lithium by forming an alloy with lithium.
また、 第 2の局面における活物質薄膜には、 予めリチウムが吸蔵また は添加されていてもよい。 リチウムは、 活物質薄膜を形成する際に添加 してもよい。 すなわち、 リチウムを含有する活物質薄膜を形成すること Further, the active material thin film in the second aspect may have lithium stored or added in advance. Lithium may be added when forming the active material thin film. That is, forming an active material thin film containing lithium
0
により、 活物質薄膜にリチウムを添加してもよい。 また、 活物質薄膜を 形成した後に、 活物質薄膜にリチウムを吸蔵または添加させてもよい。 活物質薄膜にリチウムを吸蔵または添加させる方法としては、 電気化学 的にリチウムを吸蔵または添加させる方法が挙げられる。 0 Accordingly, lithium may be added to the active material thin film. Further, after the active material thin film is formed, lithium may be inserted or added to the active material thin film. As a method of inserting or absorbing lithium into the active material thin film, a method of electrochemically inserting or extracting lithium is used.
本発明の第 3の局面の一実施形態では、 リチウムの吸蔵 ·放出により 膨張 ·収縮する活物質薄膜を集電体上に形成したリチウム二次電池用電 極であり、 以下の式で定義される集電体の引張強度が 3. 8 2 N/mm 以上であることを特徴としている。 According to an embodiment of the third aspect of the present invention, there is provided an electrode for a lithium secondary battery in which an active material thin film that expands and contracts due to insertion and extraction of lithium is formed on a current collector, and is defined by the following equation. The current collector has a tensile strength of 3.82 N / mm or more.
集電体の引張強度 (NZmm) =集電体材料の断面積当りの引張強さ (N/mm2) X集電体の厚み (mm) Tensile strength of current collector (NZmm) = Tensile strength per cross-sectional area of current collector material (N / mm 2 ) X Thickness of current collector (mm)
ここで、 集電体材料の断面積当りの引張強さは、 例えば、 日本工業規 格 (J I S) によって規定された方法で測定することができる。 Here, the tensile strength per cross-sectional area of the current collector material can be measured, for example, by a method specified by Japanese Industrial Standards (JIS).
上記実施形態において、 集電体の引張強度は、 7. 44 N/mm以上 であることが好ましい。 In the above embodiment, the current collector preferably has a tensile strength of 7.44 N / mm or more.
本発明の第 3の局面の他の実施形態では、 リチウムの吸蔵 ·放出によ り膨張 ·収縮する活物質薄膜を集電体上に形成したリチウム二次電池用 電極であり、 活物質薄膜の厚み 1 μ πιあたりの集電体の引張強度が、 1. 1 2 N/mm以上であることを特徴としている。 According to another embodiment of the third aspect of the present invention, there is provided an electrode for a lithium secondary battery in which an active material thin film that expands and contracts due to insertion and extraction of lithium is formed on a current collector. The current collector has a tensile strength of 1.12 N / mm or more per 1 μπι in thickness.
活物質薄膜の厚み 1 // mあたりの集電体の引張強度は、 以下の式によ り求めることができる。 The tensile strength of the current collector per 1 // m of the thickness of the active material thin film can be obtained by the following equation.
(活物質薄膜の厚み 1 μ mあたりの集電体の引張強度) = (集電体の 引張強度) ÷ (活物質薄膜の厚み: μ τη) (Tensile strength of current collector per 1 μm thickness of active material thin film) = (Tensile strength of current collector) ÷ (Thickness of active material thin film: μ τη)
なお、 集電体の引張強度は、 上記の第 1の局面において定義される値 である。 上記実施形態においては、 活物質薄膜の厚み 1 // mあたりの 集電体の引張強度が、 2 · 1 8 NZmm以上であることが好ましく、 さ らに好ましくは、 4. 2 5 N/mm以上である。
本発明の第 3の局面のさらに他の実施形態では、 リチウムの吸蔵 ·放 出により膨張 ·収縮する活物質薄膜を集電体上に形成したリチウム二次 電極であり、 集電体の厚みに対する活物質薄膜の厚みの比 (活物質薄膜 の厚み/"集電体の厚み) が 0 . 1 9以下であることを特徴としている。 上記実施形態では、 集電体の厚みに対する活物質薄膜の厚みの比が 0 . 0 9 8以下であることが好ましく、 さらに好ましくは、 0 . 0 5以下で ある。 Note that the tensile strength of the current collector is a value defined in the first aspect described above. In the above embodiment, the tensile strength of the current collector per 1 // m of the thickness of the active material thin film is preferably 2.18 NZmm or more, and more preferably, 4.25 N / mm That is all. According to still another embodiment of the third aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary electrode in which an active material thin film that expands and contracts due to insertion and extraction of lithium is formed on a current collector, and the thickness of the current collector varies with respect to the thickness of the current collector. It is characterized in that the ratio of the thickness of the active material thin film (thickness of the active material thin film / "thickness of the current collector") is 0.19 or less. The thickness ratio is preferably 0.098 or less, more preferably 0.05 or less.
本発明の第 3の局面に従えば、 充放電により電極にしわが発生するの を抑制することができる。 According to the third aspect of the present invention, it is possible to suppress generation of wrinkles in the electrode due to charging and discharging.
第 3の局面において、 集電体の表面粗さ R aは、 0 . Ο ΐ μ ηι以上で あることが好ましく、 0 . 0 1〜 1 μ mであることがさらに好ましく、 さらに好ましくは 0 . 0 5〜0 . 5 μ mである。 また、 集電体の表面粗 さ R aは、 後述する電解銅箔の表面粗さ R a程度であることが好ましい。 従って、 集電体の表面粗さ R aは 0 . 1 m以上であることが好ましく、 さらに好ましくは 0 . 1〜 1 mである。 表面粗さ R aは、 日本工業規 格 (J I S B 0 6 0 1— 1 9 9 4 ) に定められており、 例えば表面 粗さ計により測定することができる。 In the third aspect, the surface roughness Ra of the current collector is preferably at least 0.1 μμηι, more preferably 0.01 to 1 μm, and still more preferably 0.1 μm. It is 0.5 to 0.5 μm. The surface roughness Ra of the current collector is preferably about the same as the surface roughness Ra of the electrolytic copper foil described later. Therefore, the surface roughness Ra of the current collector is preferably at least 0.1 m, more preferably 0.1 to 1 m. The surface roughness Ra is specified in Japanese Industrial Standards (JISB 0601-1994) and can be measured, for example, by a surface roughness meter.
第 3の局面において、 集電体の表面粗さ R aは、 活物質の厚み tに対 して R a≤ tの関係を有することが好ましい。 また、 集電体の表面粗ざ R aと局部山頂の平均間隔 Sは、 1 0 0 R a Sの関係を有することが 好ましい。 局部山頂の平均間隔 Sは、 日本工業規格 (J I S B 0 6 0 1— 1 9 9 4 ) に定められており、 例えば表面粗さ計により測定する ことができる。 In the third aspect, the surface roughness Ra of the current collector preferably has a relationship of Ra ≦ t with respect to the thickness t of the active material. Further, it is preferable that the average surface roughness Ra of the current collector and the average interval S between the local peaks have a relationship of 100 RaS. The average distance S between the local peaks is specified in Japanese Industrial Standards (JIS B 0601-1994) and can be measured, for example, with a surface roughness meter.
集電体表面の凹凸の凸部の形状は、 特に限定されるものではないが、 例えば錐体状であることが好ましい。 The shape of the projections of the irregularities on the current collector surface is not particularly limited, but is preferably, for example, a cone.
第 3の局面においては、 活物質薄膜に集電体成分が拡散していること In the third aspect, the current collector component is diffused in the active material thin film.
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が好ましい。 活物質薄膜に集電体成分が拡散することにより、 活物質薄 膜と集電体との密着性がさらに高まり、 集電体からの活物質薄膜の剥離 をさらに有効に防止することができる。 従って、 充放電サイクル特性を さらに優れたものにすることができる。 Two Is preferred. By diffusing the current collector component into the active material thin film, the adhesion between the active material thin film and the current collector is further increased, and peeling of the active material thin film from the current collector can be more effectively prevented. Therefore, the charge / discharge cycle characteristics can be further improved.
活物質薄膜としてリチウムと合金化する活物質からなる薄膜を用い、 集電体としてリチウムと合金化しない材料からなる集電体を用いる場合、 集電体成分の拡散によって、 リチウムの吸蔵 ·放出に伴う集電体近傍の 薄膜部分の膨張収縮を相対的に小さくすることができる。 従って、 薄膜 と集電体との密着状態をさらに良好に保つことができる。 When a thin film made of an active material that alloys with lithium is used as the active material thin film, and a current collector made of a material that does not alloy with lithium is used as the current collector, the diffusion of the current collector component causes absorption and release of lithium. The accompanying expansion and contraction of the thin film portion near the current collector can be relatively reduced. Therefore, the state of adhesion between the thin film and the current collector can be more favorably maintained.
薄膜における集電体成分の濃度は、 集電体近傍で高く、 薄膜表面に近 づくにつれて減少していることが好ましい。 このような濃度勾配を有す ることにより、 集電体近傍では薄膜の膨張収縮が抑制され、 薄膜と集電 体の密着状態が保たれると共に、 薄膜表面近傍では活物質の量が相対的 に多くなるので、 高い充放電容量を維持することができる。 Preferably, the concentration of the current collector component in the thin film is high near the current collector and decreases as approaching the surface of the thin film. By having such a concentration gradient, the expansion and contraction of the thin film is suppressed near the current collector, the close contact between the thin film and the current collector is maintained, and the amount of the active material is relatively reduced near the surface of the thin film. Therefore, a high charge / discharge capacity can be maintained.
拡散した集電体成分は、 薄膜中において、 薄膜成分と金属間化合物を 形成せずに、 固溶体を形成していることが好ましい。 ここで、 金属間化 合物とは、 金属同士が特定の比率で化合した特定の結晶構造を有する化 合物をいう。 薄膜成分と集電体成分が薄膜中において、 金属間化合物で はなく、 固溶体を形成することにより、 薄膜と集電体との密着状態がよ り良好となり、 より高い充放電容量を得ることができる。 The diffused current collector component preferably forms a solid solution in the thin film without forming an intermetallic compound with the thin film component. Here, the intermetallic compound refers to a compound having a specific crystal structure in which metals are combined at a specific ratio. When the thin film component and the current collector component form a solid solution instead of an intermetallic compound in the thin film, the adhesion between the thin film and the current collector becomes better, and a higher charge / discharge capacity can be obtained. it can.
第 3の局面において、 集電体成分が拡散している領域の厚みは、 特に 限定されるものではないが、 1 μ m以上であることが好ましい。 In the third aspect, the thickness of the region where the current collector component is diffused is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more.
第 3の局面において用いる集電体は、 上記第 3の局面の条件を満足で きるものであれば特に限定されるものではない。 集電体の具体例として は、 銅、 ニッケル、 ステンレス、 モリプデン、 タングステン、 及びタン タルから選ばれる少なく とも 1種が挙げられる。 The current collector used in the third aspect is not particularly limited as long as the current collector satisfies the conditions of the third aspect. Specific examples of the current collector include at least one selected from copper, nickel, stainless steel, molybdenum, tungsten, and tantalum.
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集電体は、 厚みの薄いものであることが好ましく、 金属箔であること が好ましい。 集電体は、 リチウムと合金化しない材料から形成されてい ることが好ましく、 特に好ましい材料としては、 銅が挙げられる。 集電 体は銅箔であることが好ましく、 その表面が粗面化された銅箔であるこ とが好ましい。 このような銅箔としては電解銅箔が挙げられる。 電解銅 箔は、 例えば、 銅イオンが溶解された電解液中に金属製のドラムを浸漬 し、 これを回転させながら電流を流すことにより、 ドラムの表面に銅を 析出させ、 これを剥離して得られる銅箔である。 電解銅箔の片面または 両面には、 粗面化処理や表面処理がなされていてもよい。 Three The current collector is preferably a thin one, and is preferably a metal foil. The current collector is preferably formed of a material that does not alloy with lithium, and a particularly preferable material is copper. The current collector is preferably a copper foil, and is preferably a copper foil having a roughened surface. An example of such a copper foil is an electrolytic copper foil. For example, an electrolytic copper foil is made by immersing a metal drum in an electrolytic solution in which copper ions are dissolved, and rotating it to apply an electric current to deposit copper on the surface of the drum and peel it off. The resulting copper foil. One or both sides of the electrolytic copper foil may be subjected to a roughening treatment or a surface treatment.
また、 圧延銅箔の表面に、 電解法により銅を析出させ、 表面を粗面化 した銅箔であってもよい。 Further, the copper foil may be a copper foil whose surface is roughened by depositing copper on the surface of a rolled copper foil by an electrolytic method.
また、 集電体の上に中間層を形成し、 この中間層の上に活物質薄膜を 形成してもよい。 この場合、 中間層としては、 活物質薄膜中に拡散し易 い成分を含むものが好ましく、 例えば銅層が好ましい。 例えば、 表面が 粗面化されたニッケル箔 (電解ニッケル箔など) の上に、 銅層を形成し た集電体を用いてもよい。 また、 ニッケル箔の上に電解法により、 銅を 析出させ、 これによつて粗面化したニッケル箔を用いてもよい。 Alternatively, an intermediate layer may be formed on the current collector, and an active material thin film may be formed on the intermediate layer. In this case, the intermediate layer preferably contains a component which is easily diffused into the active material thin film, and for example, a copper layer is preferable. For example, a current collector formed by forming a copper layer on a nickel foil having a roughened surface (such as an electrolytic nickel foil) may be used. Alternatively, a nickel foil may be used in which copper is deposited on the nickel foil by an electrolytic method, and the copper foil is roughened.
第 3の局面における活物質薄膜は、 例えば、 リチウムと化合物もしく は固溶体を形成する材料から形成することができる。 このような材料と して、 周期律表 Π Β族、 Π Ι Β族、 IV B族及び V B族の元素、 並びに周 期律表 4周期、 5周期及び 6周期の遷移金属元素の酸化物及び硫化物か ら選ばれる少なくとも 1種の材料を挙げることができる。 The active material thin film in the third aspect can be formed, for example, from a material that forms a compound or a solid solution with lithium. Examples of such materials include Group Β, Π Ι, Group IVB, and Group VB elements of the periodic table, and oxides and transition metal elements of the periodic table having four, five, and six periods. At least one material selected from sulfides can be mentioned.
第 3の局面において、 リチウムと化合物もしくは固溶体を形成する周 期律表 I I B族、 ΙΠ Β族、 IVB族及び V B族の元素としては、 炭素、 ァ ミニゥム、 シリコン、 リン、 亜 口、、 ガリウム、 ゲルマニウム、 ヒ素、 カドミウム、 インジウム、 錫、 アンチモン、 水銀、 タリウム、 鉛、 及び In the third aspect, the elements of Group IIB, Group III, Group IVB and Group VB which form a compound or solid solution with lithium include carbon, aluminum, silicon, phosphorus, sublimation, gallium, Germanium, arsenic, cadmium, indium, tin, antimony, mercury, thallium, lead, and
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ビスマスが挙げられる。 また、 周期律表 4周期、 5周期及び 6周期の遷 移金属元素は、 具体的には、 スカンジウム、 チタン、 バナジウム、 クロ ム、 マンガン、 鉄、 コバルト、 ニッケル、 銅、 亜鉛、 イッ トリウム、 ジ ルコニゥム、 ニオブ、 モリプデン、 テクネチウム、 ルテニウム、 ロジゥ ム、 パラジウム、 銀、 カドミウム、 ランタノィ ド系元素、 ハフニウム、 タンタル、 タングステン、 レニウム、 オスミウム、 イリジウム、 白金、 金、 及び水銀である。 Four Bismuth. The transition metal elements of the Periodic Table at 4, 5, and 6 periods are, specifically, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, and zirconium. These include ruconium, niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, cadmium, lanthanide elements, hafnium, tantalum, tungsten, rhenium, osmium, iridium, platinum, gold, and mercury.
上記元素の中でも、 炭素、 シリコン、 ゲルマニウム、 錫、 鉛、 アルミ 二ゥム、 インジウム、 亜鉛、 カドミウム、 ビスマス、 及び水銀から選ば れる少なく とも 1種であることが好ましく、 さらに好ましくはシリコン 及び/またはゲルマニゥムである。 Among the above elements, at least one selected from the group consisting of carbon, silicon, germanium, tin, lead, aluminum, indium, zinc, cadmium, bismuth, and mercury is preferable, and silicon and / or silicon is more preferable. Germanium.
第 3の局面における 「非結晶シリコン」 も、 上述のように、 多結晶シ リコン及び単結晶シリコンを除く、 非晶質シリコン及び微結晶シリコン を意味する。 · “Amorphous silicon” in the third aspect also means amorphous silicon and microcrystalline silicon, excluding polycrystalline silicon and single crystal silicon, as described above. ·
第 3の局面において、 活物質薄膜として用いるシリコン薄膜としては、 微結晶シリ コン薄膜及び非晶質シリコン薄膜が好ましい。 In the third aspect, the silicon thin film used as the active material thin film is preferably a microcrystalline silicon thin film or an amorphous silicon thin film.
また、 第 3の局面において用いる好ましい活物質薄膜としては、 上記 のシリコン薄膜以外に、 ゲルマニウム薄膜及びシリコンゲルマニウム合 金薄膜が挙げられる。 ゲルマニウム薄膜としては、 微結晶ゲルマニウム 薄膜及び非晶質ゲルマニウム薄膜が好ましく用いられる。 シリコンゲル マニウム合金薄膜としては、 微結晶シリコンゲルマニウム合金薄膜及ぴ 非晶質シリコンゲルマニウム薄膜が好ましく用いられる。 ゲルマニウム 薄膜及ぴシリコンゲルマニウム合金薄膜の微結晶及び非晶質は、 上記の シリコン薄膜と同様にして定めることができる。 シリコン、 ゲルマニウ ムについては後述の実施例で述べるように、 良好な結果が得られている シリコン、 ゲルマニウムは任意の割合で固溶するので、 シリコンゲルマ In addition, as a preferable active material thin film used in the third aspect, a germanium thin film and a silicon germanium alloy thin film other than the above silicon thin film are exemplified. As the germanium thin film, a microcrystalline germanium thin film and an amorphous germanium thin film are preferably used. As the silicon germanium alloy thin film, a microcrystalline silicon germanium alloy thin film and an amorphous silicon germanium thin film are preferably used. The microcrystal and amorphous of the germanium thin film and the silicon germanium alloy thin film can be determined in the same manner as the above silicon thin film. Silicon and germanium provide good results, as described in the examples below.Since silicon and germanium dissolve at an arbitrary ratio, silicon germanium
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ニゥム合金についても同様の効果が期待できる。 Five Similar effects can be expected for a nickel alloy.
第 3の局面において、 薄膜は、 その厚み方向に形成された切れ目によ つて柱状に分離されており、 かつ該柱状部分の底部が集電体と密着して いることが好ましい。 また、 薄膜の厚み方向において、 少なくとも厚み の 1 Z 2以上の部分が、 切れ目によって柱状に分離されていることが好 ましい。 In the third aspect, the thin film is preferably separated into columns by cuts formed in the thickness direction, and the bottom of the columnar portion is preferably in close contact with the current collector. In addition, it is preferable that at least a portion having a thickness of 1 Z 2 or more in the thickness direction of the thin film is separated into a column by a cut.
上記切れ目は、 薄膜の膨張収縮により形成されるものであることが好 ましく、 このような薄膜の膨張収縮は、 例えば薄膜の充放電反応により 与えられる。 従って、 上記切れ目は、 電池を組み立てた後の充放電反応 により形成されてもよいし、 電池を組み立てる前の充放電反応により形 成されてもよい。 このような切れ目を充放電前に薄膜に予め形成させる 方法としては、 電池を組み立てる前に、 電極の薄膜にリチウム等を吸蔵 させた後放出させるなどの方法により、 薄膜の体積を膨張させた後収縮 させて形成することができる。 また、 フォトリソグラフィ一法によりパ ターニングしたレジスト膜などを用いて、 柱状に薄膜を形成することに より、 切れ目によって柱状に分離された薄膜としてもよい。 The cut is preferably formed by expansion and contraction of the thin film. Such expansion and contraction of the thin film is given by, for example, a charge and discharge reaction of the thin film. Therefore, the cut may be formed by a charge / discharge reaction after assembling the battery, or may be formed by a charge / discharge reaction before assembling the battery. As a method of forming such a break in the thin film before charging / discharging, the volume of the thin film is expanded before the battery is assembled by, for example, absorbing and releasing lithium or the like in the thin film of the electrode. It can be formed by shrinking. Alternatively, a thin film formed into a column shape using a resist film or the like patterned by a photolithography method may be used as a thin film separated into a column shape by a cut.
薄膜の表面に凹凸が形成されている場合、 上記切れ目は該薄膜表面の 凹凸の谷部から集電体に向かって厚み方向に形成されていてもよい。 ま た、 薄膜表面の凹凸は、 集電体表面の凹凸に対応して形成されていても よい。 すなわち、 表面に凹凸を有する集電体を用い、 その上に薄膜を形 成するこどにより、 薄膜の表面に凹凸を付与することができる。 When the unevenness is formed on the surface of the thin film, the cut may be formed in the thickness direction from the valley of the unevenness on the surface of the thin film toward the current collector. Further, the irregularities on the surface of the thin film may be formed corresponding to the irregularities on the surface of the current collector. That is, by using a current collector having irregularities on the surface and forming a thin film thereon, irregularities can be imparted to the surface of the thin film.
また、 薄膜の柱状部分の上方の形状は特に限定されるものではないが、 丸みを帯びた形状であることが好ましい。 The shape of the thin film above the columnar portion is not particularly limited, but is preferably a rounded shape.
また、 上記切れ目は、 薄膜に予め形成された低密度領域に沿って厚み 方向に形成されたものであってもよい。 このような低密度領域は、 例え ば面方向に網目状に連なり、 かつ集電体に向かって厚み方向に延びてい Further, the cut may be formed in the thickness direction along a low-density region previously formed in the thin film. Such a low-density region extends, for example, in a mesh pattern in the plane direction and extends in the thickness direction toward the current collector.
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る。 6 You.
第 3の局面において、 活物質薄膜を集電体上に形成する方法は、 特に 限定されるものではないが、 例えば、 C V D法、 スパッタリング法、 蒸 着法、 溶射法、 またはめつき法などが挙げられる。 これらの薄膜形成方 法の中でも、 C V D法、 スパッタリング法、 及び蒸着法が特に好ましく 用いられる。 In the third aspect, the method for forming the active material thin film on the current collector is not particularly limited, and examples thereof include a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, a thermal spray method, and a plating method. No. Among these thin film forming methods, the CVD method, the sputtering method, and the vapor deposition method are particularly preferably used.
第 3の局面における活物質薄膜には、 不純物がドープされていてもよ レ、。 このような不純物としては、 例えば、 リン、 アルミニウム、 ヒ素、 アンチモン、 ホウ素、 ガリウム、 インジウム、 酸素、 窒素等の周期律表 Ι Π Β族、 IV B族、 V B族、 VI B族の元素を挙げることができる。 The active material thin film in the third aspect may be doped with impurities. Examples of such impurities include phosphorus, aluminum, arsenic, antimony, boron, gallium, indium, oxygen, nitrogen, and other elements of the Periodic Table Group IV, IVB, VB, and VIB. be able to.
また、 第 3の局面における活物質薄膜は、 複数の層を積層して形成さ れていてもよい。 積層された各層においては、 組成、 結晶性、 不純物濃 度等が異なっていてもよい。 また、 薄膜の厚み方向に傾斜構造を有する ものであってもよい。 例えば、 組成、 結晶性、 不純物濃度等を厚み方向. に変化させた傾斜構造とすることができる。 Further, the active material thin film in the third aspect may be formed by laminating a plurality of layers. Each of the stacked layers may have a different composition, crystallinity, impurity concentration, and the like. Further, the thin film may have a tilted structure in the thickness direction. For example, an inclined structure in which the composition, crystallinity, impurity concentration, and the like are changed in the thickness direction can be used.
第 3の局面における活物質薄膜は、 リチウムと合金を形成することに より リチウムを吸蔵する活物質薄膜であることが好ましい。 The active material thin film in the third aspect is preferably an active material thin film that absorbs lithium by forming an alloy with lithium.
また、 第 3の局面における活物質薄膜には、 予めリチウムが吸蔵また は添加されていてもよい。 リチウムは、 活物質薄膜を形成する際に添加 してもよい。 すなわち、 リチウムを含有する活物質薄膜を形成すること により、 活物質薄膜にリチウムを添加してもよい。 また、 活物質薄膜を 形成した後に、 活物質薄膜にリチウムを吸蔵または添加させてもよい。 活物質薄膜にリチウムを吸蔵または添加させる方法としては、 電気化学 的にリチウムを吸蔵または添加させる方法が挙げられる。 Further, the active material thin film in the third aspect may contain or add lithium in advance. Lithium may be added when forming the active material thin film. That is, lithium may be added to the active material thin film by forming an active material thin film containing lithium. Further, after the active material thin film is formed, lithium may be inserted or added to the active material thin film. As a method of inserting or absorbing lithium into the active material thin film, a method of electrochemically inserting or extracting lithium is used.
また、 第 3の局面の活物質薄膜の厚みは、 高い充放電容量を得るため には、 1 μ m以上であることが好ましい。 Further, the thickness of the active material thin film of the third aspect is preferably 1 μm or more in order to obtain a high charge / discharge capacity.
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第 3の局面においては、 上述のように、 集電体と薄膜との密着性を向 上させるため、 集電体と薄膜との間に中間層を設けてもよい。 このよう な中間層の材料としては、 集電体材料及び活物質材料との間で合金を形 成するような物質が好ましく用いられる。 7 In the third aspect, as described above, an intermediate layer may be provided between the current collector and the thin film in order to improve the adhesion between the current collector and the thin film. As a material for such an intermediate layer, a substance that forms an alloy with the current collector material and the active material is preferably used.
本発明の第 4の局面は、 リチウムを吸蔵 ·放出する活物質からなる活 物質薄膜が中間層を介して集電体上に設けられたリチウム電池用電極で あり、 中間層が活物質薄膜と合金化する材料から形成されていることを 特徴としている。 A fourth aspect of the present invention is an electrode for a lithium battery in which an active material thin film made of an active material that absorbs and releases lithium is provided on a current collector through an intermediate layer, and the intermediate layer is formed of an active material thin film. It is characterized by being formed from a material to be alloyed.
中間層として、 活物質薄膜と合金化する材料から形成された中間層を 用いることにより、 活物質薄膜の集電体に対する密着性を向上させるこ とができる。 従って、 充放電反応により薄膜が膨張収縮する際の集電体 からの薄膜の脱離を防止することができ、 良好な充放電サイクル特性を 得ることができる。 By using an intermediate layer formed of a material alloying with the active material thin film as the intermediate layer, the adhesion of the active material thin film to the current collector can be improved. Therefore, detachment of the thin film from the current collector when the thin film expands and contracts due to the charge / discharge reaction can be prevented, and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
第 4の局面に従う好ましい実施形態の 1つにおいては、 集電体として、 中間層の材料よりも機械的強度の高い金属またば合金からなる箔が用い られる。 In one of the preferred embodiments according to the fourth aspect, a foil made of a metal or alloy having higher mechanical strength than the material of the intermediate layer is used as the current collector.
第 4の局面においては、 リチウムの吸蔵 ·放出により活物質薄膜が膨 張収縮するため、 充放電反応に伴い集電体に応力が生じる。 このような 応力により、 集電体に不可逆的、 すなわち塑性変形によるしわが発生す る。 このしわの発生は、 結果的に電池の体積増加と電極での反応の不均 —性をもたらし、 エネルギ一密度を低下させる原因となる。 このような しわの発生を抑制するためには、 機械的強度、 すなわち引張強度及び引 張弾性率などの高い材料を集電体として用いることが好ましい。 しかし ながら、 このような材料を集電体として用い、 その上に直接活物質薄膜 を形成すると、 活物質薄膜と集電体との密着性が不十分となり、 良好な 充放電サイクルを得られない場合がある。 このような場合、 上記のよう In the fourth aspect, since the active material thin film expands and contracts due to insertion and extraction of lithium, stress is generated in the current collector due to the charge / discharge reaction. Such stress causes irreversible, that is, wrinkles due to plastic deformation in the current collector. The formation of wrinkles results in an increase in the volume of the battery and an uneven reaction at the electrodes, resulting in a decrease in energy density. In order to suppress the occurrence of such wrinkles, it is preferable to use a material having high mechanical strength, that is, a material having high tensile strength and tensile elastic modulus as the current collector. However, when such a material is used as a current collector and an active material thin film is formed directly on the current collector, the adhesion between the active material thin film and the current collector becomes insufficient, and a good charge / discharge cycle cannot be obtained. There are cases. In such a case, as above
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に活物質薄膜と合金化する材料からなる中間層を集電体と薄膜との間に 設けることにより、 充放電反応の際の薄膜の脱離を防止することができ ると共に、 集電体におけるしわの発生を抑制することが可能となる。 従って、 集電体として、 中間層の材料よりも機械的強度の高い金属ま たは合金からなる箔を用いることにより、 良好な充放電サイクル特性を 維持しながら、 集電体におけるしわの発生を抑制することができる。 また、 第 4の局面においては、 中間層の表面に凹凸が形成されている ことが好ましい。 中間層の表面に凹凸が形成されることにより、 中間層 と活物質薄膜との界面における接触面積が大きくなり、 活物質薄膜と中 間層との密着性、 すなわち活物質薄膜と集電体との密着性を高めるこど ができる。 8 By providing an intermediate layer made of a material that alloys with the active material thin film between the current collector and the thin film, it is possible to prevent the thin film from being detached during the charge / discharge reaction, It is possible to suppress the occurrence of wrinkles. Therefore, by using a foil made of a metal or alloy having higher mechanical strength than the material of the intermediate layer as a current collector, it is possible to reduce wrinkles in the current collector while maintaining good charge / discharge cycle characteristics. Can be suppressed. Further, in the fourth aspect, it is preferable that irregularities are formed on the surface of the intermediate layer. Due to the formation of irregularities on the surface of the intermediate layer, the contact area at the interface between the intermediate layer and the active material thin film increases, and the adhesion between the active material thin film and the intermediate layer, that is, the active material thin film and the current collector Can improve the adhesiveness of the fabric.
上記中間層の表面の凹凸は、 例えば、 表面に凹凸が形成された集電体 を用いることにより、 形成することができる。 この場合、 集電体の表面 の凹凸に対応した凹凸が中間層の表面に形成される。 The irregularities on the surface of the intermediate layer can be formed, for example, by using a current collector having irregularities on the surface. In this case, irregularities corresponding to the irregularities on the surface of the current collector are formed on the surface of the intermediate layer.
上記の場合、 集電体の表面粗さ R aは、 0. 00 1〜1 μ ηιであるこ とが好ましく、 さらに好ましくは、 0. 0 1〜 1 μ mである。 表面粗さ R aは、 日本工業規格 (J I S B 060 1 - 1 994) に定められ ており、 例えば表面粗さ計により測定することができる。 In the above case, the surface roughness Ra of the current collector is preferably from 0.001 to 1 μηι, and more preferably from 0.01 to 1 μm. The surface roughness Ra is defined in Japanese Industrial Standards (JIS B0601-11994), and can be measured by, for example, a surface roughness meter.
第 4の局面において、 集電体の表面粗さ R aは、 活物質の厚み tに対 して R a≤ tの関係を有することが好ましい。 また、 集電体の表面粗さ R aと局部山頂の平均間隔 Sは、 1 00 R a≥Sの関係を有することが 好ましい。 局部山頂の平均間隔 Sは、 日本工業規格 (J I S B 06 0 1 - 1 9 94) に定められており、 例えば表面粗さ計により測定する ことができる。 In the fourth aspect, the surface roughness Ra of the current collector preferably has a relationship of Ra ≦ t with respect to the thickness t of the active material. Further, it is preferable that the surface roughness Ra of the current collector and the average distance S between the local peaks have a relationship of 100 Ra≥S. The average distance S between the local peaks is specified in Japanese Industrial Standards (JISB 0601-1994), and can be measured by, for example, a surface roughness meter.
集電体表面の凹凸の凸部の形状は、 特に限定されるものではないが、 例えば錐体状であることが好ましい。 The shape of the projections of the irregularities on the current collector surface is not particularly limited, but is preferably, for example, a cone.
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第 4の局面における活物質薄膜は、 例えば、 リチウムと化合物もしく は固溶体を形成する材料から形成することができる。 このような材料と して、 周期律表 Π Β族、 Ι Π Β族、 IV B族及び V B族の元素、 並びに周 期律表 4周期、 5周期及び 6周期の遷移金属元素の酸化物及び硫化物か ら選ばれる少なく とも 1種の材料を挙げることができる。 9 The active material thin film in the fourth aspect can be formed, for example, from a material that forms a compound or a solid solution with lithium. Examples of such materials include Group Β, Ι Π, Group IVB, and Group VB elements of the periodic table, and oxides and transition metal elements of the periodic table having four, five, and six periods. At least one material selected from sulfides can be mentioned.
第 4の局面において、 リチウムと化合物もしくは固溶体を形成する周 期律表 Π Β族、 Ι Π Β族、 IV B族及び V B族の元素としては、 炭素、 ァ ルミ二ゥム、 シリコン、 リン、 亜鉛、 ガリウム、 ゲルマニウム、 ヒ素、 カドミゥム、 ィンジゥム、 錫、 アンチモン、 水銀、 タリゥム、 鉛、 及び ビスマスが挙げられる。 また、 周期律表 4周期、 5周期及び 6周期の遷 移金属元素は、 具体的には、 スカンジウム、 チタン、 バナジウム、 クロ ム、 マンガン、 鉄、 コバルト、 ニッケル、 銅、 亜鉛、 イットリウム、 ジ ルコニゥム、 ニオブ、 モリブデン、 テクネチウム、 ルテニウム、 ロジゥ ム、 パラジウム、 銀、 カ ドミウム、 ランタノィ ド系元素、 ハフニウム、 タンタル、 タングステン、 レニウム、 オスミウム、 イリジウム、 白金、 金、 及び水銀である。 In the fourth aspect, the elements of the Periodic Table I, II, IVB, and VB that form a compound or solid solution with lithium include carbon, aluminum, silicon, phosphorus, Examples include zinc, gallium, germanium, arsenic, cadmium, zinc, tin, antimony, mercury, thallium, lead, and bismuth. The transition metal elements of the Periodic Table at 4, 5, and 6 periods are specifically scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, and zirconium. , Niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, cadmium, lanthanide elements, hafnium, tantalum, tungsten, rhenium, osmium, iridium, platinum, gold, and mercury.
上記元素の中でも、 炭素、 シリ コン、 ゲルマニウム、 錫、 鉛、 アルミ 二ゥム、 インジウム、 亜鉛、 カドミウム、 ビスマス、 及び水銀から選ば れる少なく とも 1種であることが好ましく、 さらに好ましくはシリコン 及び Zまたはゲルマニウムである。 Among the above elements, at least one selected from carbon, silicon, germanium, tin, lead, aluminum, indium, zinc, cadmium, bismuth, and mercury is preferable, and silicon and Z are more preferable. Or it is germanium.
第 4の局面における 「非結晶シリ コン」 も、 上述のように、 多結晶シ リコン及び単結晶シリコンを除く、 非晶質シリコン及び微結晶シリコン を意味する。 “Amorphous silicon” in the fourth aspect also refers to amorphous silicon and microcrystalline silicon, excluding polycrystalline silicon and single crystal silicon, as described above.
第 4の局面において、 活物質薄膜として用いるシリコン薄膜としては、 微結晶シリコン薄膜及び非晶質シリコン薄膜が好ましい。 In the fourth aspect, the silicon thin film used as the active material thin film is preferably a microcrystalline silicon thin film or an amorphous silicon thin film.
また、 第 4の局面において用いる好ましい活物質薄膜としては、 上記
のシリ コン薄膜以外に、 ゲルマニウム薄膜及びシリコンゲルマニウム合 金薄膜が挙げられる。 ゲルマニウム薄膜としては、 微結晶ゲルマニウム 薄膜及び非晶質ゲルマニウム薄膜が好ましく用いられる。 シリコンゲル マ-ゥム合金薄膜としては、 微結晶シリコンゲルマニウム合金薄膜及び 非晶質シリ コンゲルマニウム薄膜が好ましく用いられる。 ゲルマニウム 薄膜及びシリコンゲルマニウム合金薄膜の微結晶及び非晶質は、 上記の シリ コン薄膜と同様にして定めることができる。 シリコン、 ゲルマニウ ムについては後述の実施例で述べるように、 良好な結果が得られている。 シリ コン、 ゲルマニウムは任意の割合で固溶するので、 シリコンゲルマ ニゥム合金についても同様の効果が期待できる。 Further, preferred active material thin films used in the fourth aspect include the above-mentioned active material thin films. In addition to the silicon thin film described above, a germanium thin film and a silicon germanium alloy thin film may be used. As the germanium thin film, a microcrystalline germanium thin film and an amorphous germanium thin film are preferably used. As the silicon germanium alloy thin film, a microcrystalline silicon germanium alloy thin film and an amorphous silicon germanium thin film are preferably used. The microcrystal and amorphous of the germanium thin film and the silicon germanium alloy thin film can be determined in the same manner as the above-mentioned silicon thin film. Good results have been obtained for silicon and germanium, as described in the examples below. Silicon and germanium dissolve at an arbitrary ratio, so the same effect can be expected for silicon germanium alloy.
活物質薄膜として、 シリ コン薄膜、 ゲルマニウム薄膜、 またはシリコ ンゲルマニウム合金薄膜を用いる場合、 これらと合金化する材料として、 銅が挙げられる。 従って、 これらの薄膜を用いる場合、 中間層として銅 層を用いることが好ましい。 銅の引張強さは、 2 1 2. 7 N/mm2 (2 1. 7 k g f /mm2、 「改訂 2版金属データブック」 丸善株式会 社発行) である。 このような銅の引張強さよりも高い引張強さを有する 金属または合金としては、 ニッケル (引張強さ = 3 1 5. 6 N/mm2 = 3 2. 2 k g f /mm2, 「改訂 2版金属データブック」 丸善株式会 社発行) が挙げられる。 従って、 中間層として銅層を形成する場合、 集 電体としては、 ニッケル箔を用いることが好ましい。 また、 その他の集 電体材料としては、 錫青銅 (リン青銅) 、 ケィ素青銅、 アルミ青銅など の種々の銅合金、 ニッケル合金、 鉄及び鉄合金、 ステンレススチールな どの材質が挙げられる。 また、 さらに他の集電体材料として、 モリブデ ン、 タングステン、 タンタルなどが挙げられる。 When a silicon thin film, a germanium thin film, or a silicon germanium alloy thin film is used as the active material thin film, copper is an example of a material alloyed with these. Therefore, when using these thin films, it is preferable to use a copper layer as the intermediate layer. The tensile strength of copper is 22.7 N / mm 2 (21.7 kgf / mm 2 , “Revision 2 Metal Data Book” published by Maruzen Co., Ltd.). As the metal or alloy having high tensile strength than such tensile strength of copper, nickel (tensile strength = 3 1 5. 6 N / mm 2 = 3 2. 2 kgf / mm 2, "second revised edition Metal Data Book ”published by Maruzen Co., Ltd.). Therefore, when a copper layer is formed as the intermediate layer, it is preferable to use a nickel foil as the current collector. Examples of other current collector materials include various copper alloys such as tin bronze (phosphor bronze), silicon bronze, and aluminum bronze, nickel alloys, iron and iron alloys, and stainless steel. Further, other current collector materials include molybdenum, tungsten, and tantalum.
第 4の局面において、 中間層の材料は、 活物質薄膜と合金化する材料 であるが、 中間層の成分は、 活物質薄膜中に拡散していることが好まし In the fourth aspect, the material of the intermediate layer is a material that alloys with the active material thin film, but the components of the intermediate layer are preferably diffused into the active material thin film.
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レ、。 活物質薄膜に中間層の成分が拡散することにより、 活物質薄膜と中 間層との密着性がさらに高まり、 集電体からの活物質薄膜の剥離を有効 に防止することができる。 従って、 充放電サイクル特性をさらに優れた ものにすることができる。 Two Les ,. The diffusion of the component of the intermediate layer into the active material thin film further enhances the adhesion between the active material thin film and the intermediate layer, and effectively prevents the active material thin film from peeling from the current collector. Therefore, the charge / discharge cycle characteristics can be further improved.
活物質薄膜としてリチウムと合金化する活物質からなる薄膜を用い、 中間層としてリチウムと合金化しない材料からなる中間層を集電体上に 形成する場合、 中間層の成分の拡散によって、 リチウムの吸蔵 ·放出に 伴う中間層近傍の薄膜部分の膨張収縮を相対的に小さくすることができ る。 従って、 薄膜と中間層との密着状態をさらに良好に保つことができ る。 When a thin film made of an active material that alloys with lithium is used as the active material thin film, and an intermediate layer made of a material that does not alloy with lithium is formed on the current collector as the intermediate layer, the diffusion of the components of the intermediate layer causes diffusion of lithium. The expansion and contraction of the thin film near the intermediate layer due to occlusion and release can be relatively reduced. Therefore, the state of adhesion between the thin film and the intermediate layer can be kept even better.
活物質薄膜における中間層の成分の濃度は、 中間層近傍で高く、 活物 質薄膜表面に近づくにつれて減少していることが好ましい。 このような 濃度勾配を有することにより、 中間層近傍では薄膜の膨張収縮が抑制さ れ、 薄膜と中間層の密着状態が保たれると共に、 薄膜表面近傍では活物 質の量が相対的に多くなるので、 高い充放電容量を維持することができ る。 It is preferable that the concentration of the component of the intermediate layer in the active material thin film is high near the intermediate layer and decreases as approaching the active material thin film surface. By having such a concentration gradient, the expansion and contraction of the thin film is suppressed near the intermediate layer, the state of adhesion between the thin film and the intermediate layer is maintained, and the amount of the active material is relatively large near the surface of the thin film. Therefore, a high charge / discharge capacity can be maintained.
拡散した中間層の成分は、 薄膜中において、 薄膜成分と金属間化合物 を形成せずに、 固溶体を形成していることが好ましい。 ここで、 金属間 化合物とは、 金属同士が特定の比率で化合した特定の結晶構造を有する 化合物をいう。 薄膜成分と中間層成分が薄膜中において、 金属間化合物 ではなく、 固溶体を形成することにより、 薄膜と中間層との密着状態が より良好となり、 より高い充放電容量を得ることができる。 The diffused component of the intermediate layer preferably forms a solid solution in the thin film without forming an intermetallic compound with the thin film component. Here, the intermetallic compound refers to a compound having a specific crystal structure in which metals are combined at a specific ratio. When the thin film component and the intermediate layer component form a solid solution instead of an intermetallic compound in the thin film, the state of adhesion between the thin film and the intermediate layer becomes better, and a higher charge / discharge capacity can be obtained.
集電体は、 厚みの薄いものであることが好ましく、 金属箔であること が好ましい。 集電体は、 リチウムと合金化しない材料から形成されてい ることが好ましい。 上述のように、 中間層として銅層を形成する場合、 集電体としてはニッケル箔を用いることが好ましい。
集電体としてニッケル箔を用いる場合、 その表面に凹凸が形成された ニッケル箔としては、 電解ニッケル箔を用いることができる。 The current collector is preferably a thin one, and is preferably a metal foil. The current collector is preferably formed of a material that does not alloy with lithium. As described above, when a copper layer is formed as the intermediate layer, it is preferable to use a nickel foil as the current collector. When a nickel foil is used as the current collector, an electrolytic nickel foil can be used as the nickel foil having the irregularities formed on its surface.
電解ニッケル箔は、 例えば、 ニッケルイオンが溶解された電解液中に、 金属製のドラムを浸漬し、 これを回転させながら電流を流すことにより、 ドラムの表面にニッケルを析出させ、 これを剥離して得られるニッケル 箔である。 電解ニッケル箔の片面または両面には、 粗面化処理や表面処 理がなされていてもよい。 For example, an electrolytic nickel foil is prepared by immersing a metal drum in an electrolytic solution in which nickel ions have been dissolved, and applying an electric current while rotating the metal to deposit nickel on the surface of the drum. It is a nickel foil obtained by One or both surfaces of the electrolytic nickel foil may be subjected to a roughening treatment or a surface treatment.
また、 圧延エッケル箔の表面に、 電解法により銅を析出させ、 表面を 粗面化した銅層で被覆したニッケル箔であってもよい。 Alternatively, a nickel foil may be used in which copper is deposited on the surface of a rolled Eckel foil by an electrolytic method and the surface is covered with a copper layer having a roughened surface.
第 4の局面において、 活物質薄膜は、 その厚み方向に形成された切れ 目によって柱状に分離されており、 かつ該柱状部分の底部が集電体と密 着していることが好ましい。 また、 活物質薄膜の厚み方向において、 少 なくとも厚みの 1 / 2以上の部分が、 切れ目によって柱状に分離されて いることが好ましい。 In the fourth aspect, it is preferable that the active material thin film is separated into a column by a cut formed in the thickness direction, and that the bottom of the columnar portion is tightly adhered to the current collector. In addition, it is preferable that at least a half or more of the thickness in the thickness direction of the active material thin film is separated into columns by cuts.
上記切れ目は、 活物質薄膜の膨張収縮により形成されるものであるこ とが好ましく、 このような活物質薄膜の膨張収縮は、 例えば活物質薄膜 の充放電反応により与えられる。 従って、 上記切れ目は、 電池を組み立 てた後の充放電反応により形成されてもよいし、 電池を組み立てる前の 充放電反応により形成されてもよい。 このような切れ目を充放電前に活 物質薄膜に予め形成させる方法としては、 電池を組み立てる前に、 電極 の活物質薄膜にリチウム等を吸蔵させた後放出させるなどの方法により、 活物質薄膜の体積を膨張させた後収縮させて形成することができる。 ま た、 フォトリソグラフィ一法によりパターニングしたレジスト膜などを 用いて、 柱状に活物質薄膜を形成することにより、 切れ目によって柱状 に分離された活物質薄膜としてもよい。 The cut is preferably formed by expansion and contraction of the active material thin film. Such expansion and contraction of the active material thin film is given by, for example, a charge / discharge reaction of the active material thin film. Therefore, the cut may be formed by a charge / discharge reaction after assembling the battery, or may be formed by a charge / discharge reaction before assembling the battery. As a method of forming such cuts in the active material thin film before charging / discharging, for example, before assembling the battery, the active material thin film of the electrode is made to absorb lithium or the like and then released, and the like. It can be formed by expanding and contracting the volume. Alternatively, the active material thin film may be formed into a pillar shape by using a resist film or the like patterned by a photolithography method, so that the active material thin film is separated into a pillar shape by a cut.
活物質薄膜の表面に凹凸が形成されている場合、 上記切れ目は該薄膜
表面の凹凸の谷部から集電体に向かって厚み方向に形成されていてもよ い。 また、 活物質薄膜表面の凹凸は、 中間層表面の凹凸に対応して形成 されていてもよい。 すなわち、 表面に凹凸を有する中間層を形成し、 そ の上に活物質薄膜を形成することにより、 活物質薄膜の表面に凹凸を付 与することができる。 If irregularities are formed on the surface of the active material thin film, It may be formed in the thickness direction from the valleys of the surface irregularities toward the current collector. The irregularities on the surface of the active material thin film may be formed corresponding to the irregularities on the surface of the intermediate layer. That is, by forming an intermediate layer having irregularities on the surface and forming an active material thin film thereon, irregularities can be imparted to the surface of the active material thin film.
また、 活物質薄膜の柱状部分の上方の形状は特に限定されるものでは ないが、 丸みを帯びた形状であることが好ましい。 . The shape above the columnar portion of the active material thin film is not particularly limited, but is preferably a rounded shape. .
また、 上記切れ目は、 活物質薄膜に予め形成された低密度領域に沿つ て厚み方向に形成されたものであってもよい。 このような低密度領域は、 例えば面方向に網目状に連なり、 かつ集電体に向かって厚み方向に延び ている。 Further, the cut may be formed in a thickness direction along a low-density region previously formed in the active material thin film. Such a low-density region is, for example, continuous in a mesh direction in the plane direction and extends in the thickness direction toward the current collector.
第 4の局面において、 活物質薄膜を中間層の上に形成する方法は、 特 に限定されるものではないが、 例えば、 C V D法、 スパッタリング法、 蒸着法、 溶射法、 またはめつき法などが挙げられる。 これらの薄膜形成 方法の中でも、 C V D法、 スパッタリング法、 及び蒸着法が特に好まし く用いられる。 In the fourth aspect, the method for forming the active material thin film on the intermediate layer is not particularly limited, and examples thereof include a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, a thermal spray method, and a plating method. No. Among these thin film forming methods, the CVD method, the sputtering method, and the vapor deposition method are particularly preferably used.
第 4の局面における活物質薄膜には、 不純物がドープされていてもよ い。 このような不純物としては、 例えば、 リン、 アルミニウム、 ヒ素、 アンチモン、 ホウ素、 ガリウム、 インジウム、 酸素、 窒素等の周期律表 Ι Π Β族、 IV B族、 V B族、 VI B族の元素を挙げることができる。 The active material thin film in the fourth aspect may be doped with impurities. Examples of such impurities include phosphorus, aluminum, arsenic, antimony, boron, gallium, indium, oxygen, nitrogen, and other elements of the Periodic Table Group IV, IVB, VB, and VIB. be able to.
また、 第 4の局面における活物質薄膜は、 複数の層を積層して形成さ れていてもよい。 積層された各層においては、 組成、 結晶性、 不純物濃 度等が異なっていてもよい。 また、 薄膜の厚み方向に傾斜構造を有する ものであってもよい。 例えば、 組成、 結晶性、 不純物濃度等を厚み方向 に変化させた傾斜構造とすることができる。 Further, the active material thin film in the fourth aspect may be formed by laminating a plurality of layers. Each of the stacked layers may have a different composition, crystallinity, impurity concentration, and the like. Further, the thin film may have a tilted structure in the thickness direction. For example, a gradient structure in which the composition, crystallinity, impurity concentration, and the like are changed in the thickness direction can be used.
第 4の局面における活物質薄膜は、 リチウムと合金を形成することに
よりリチウムを吸蔵する活物質薄膜であることが好ましい。 In the fourth aspect, the active material thin film forms an alloy with lithium. It is preferable that the active material thin film absorbs lithium more.
また、 第 4の局面における活物質薄膜には、 予めリチウムが吸蔵また は添加されていてもよい。 リチウムは、 活物質薄膜を形成する際に添加 してもよい。 すなわち、 リチウムを含有する活物質薄膜を形成すること により、 活物質薄膜にリチウムを添加してもよい。 また、 活物質薄膜を 形成した後に、 活物質薄膜にリチウムを吸蔵または添加させてもよい。 活物質薄膜にリチウムを吸蔵または添加させる方法としては、 電気化学 的にリチウムを吸蔵または添加させる方法が挙げられる。 Further, the active material thin film in the fourth aspect may have lithium stored or added in advance. Lithium may be added when forming the active material thin film. That is, lithium may be added to the active material thin film by forming an active material thin film containing lithium. Further, after the active material thin film is formed, lithium may be inserted or added to the active material thin film. As a method of inserting or absorbing lithium into the active material thin film, a method of electrochemically inserting or extracting lithium is used.
また、 第 4の局面の活物質薄膜の厚みは、 高い充放電容量を得るため には、 1 /X m以上であることが好ましい。 Further, the thickness of the active material thin film of the fourth aspect is preferably 1 / X m or more in order to obtain a high charge / discharge capacity.
第 4の局面において、 集電体上に中間層を形成する方法は、 特に限定 されるものではないが、 例えば、 C V D法、 スパッタリング法、 蒸着法、 溶射法、 または電解法 (めっき法) などが挙げられる。 In the fourth aspect, the method for forming the intermediate layer on the current collector is not particularly limited, and examples thereof include a CVD method, a sputtering method, a vapor deposition method, a thermal spray method, and an electrolytic method (plating method). Is mentioned.
第 4の局面において、 中間層の厚みは、 活物質薄膜との密着性を向上 させることができる厚みであれば特に限定されるものではないが、 一般 に 0 . 0 1〜 1 0 /X m程度の厚みが好ましい。 In the fourth aspect, the thickness of the intermediate layer is not particularly limited as long as it can improve the adhesion to the active material thin film, but is generally in the range of 0.01 to 10 / Xm. A thickness of the order is preferred.
また、 中間層の材料は、 集電体の材料に対しても馴染みがある材質で あることが好ましく、 集電体材料とも合金を形成するような材料である ことが好ましい。 本発明の第 5の局面のリチウム二次電池用電極は、 板状の集電体と、 該集電体の両面上に堆積して形成された、 リチウムを 吸蔵 ·放出する活物質薄膜とを備えることを特徴としている。 The material of the intermediate layer is preferably a material that is familiar to the material of the current collector, and is preferably a material that forms an alloy with the current collector material. According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery electrode comprising: a plate-shaped current collector; and an active material thin film that absorbs and desorbs lithium formed on both surfaces of the current collector. It is characterized by having.
第 5の局面において、 リチウムを吸蔵 ·放出する活物質薄膜としては、 集電体の上に堆積して形成することができ、 かつリチウムを吸蔵 ·放出 することができる薄膜であれば、 特に限定されるものではないが、 リチ ゥムと化合物もしくは固溶体を形成する、 周期律表 Π Β族、 Ι Π Β族、 IV B族及び V B族の元素、 並びに周期律表 4周期、 5周期及び 6周期の
遷移金属元素の酸化物及び硫化物から選ばれる少なくとも 1種の材料が 挙げられる。 これらの中でも、 炭素、 シリ コン、 ゲルマニウム、 錫、 鉛、 アルミニウム、 インジウム、 亜鉛、 カドミウム、 ビスマス、 及び水銀か ら選ばれる少なくとも 1種が好ましい。 高い電極容量を得るという観点 からは、 特にシリコン薄膜、 ゲルマニウム薄膜、 及びシリコンゲルマユ ゥム合金薄膜が好ましい。 In the fifth aspect, the active material thin film that stores and releases lithium is not particularly limited as long as it is a thin film that can be formed by being deposited on a current collector and that can store and release lithium. , But not limited to, elements of the Periodic Table II, III, IVB and VB, and Periodic Table 4, Period 5, and Period 6 that form compounds or solid solutions with lithium. Periodic At least one material selected from oxides and sulfides of transition metal elements is included. Among these, at least one selected from carbon, silicon, germanium, tin, lead, aluminum, indium, zinc, cadmium, bismuth, and mercury is preferable. From the viewpoint of obtaining a high electrode capacity, a silicon thin film, a germanium thin film, and a silicon germanium alloy thin film are particularly preferable.
シリコン薄膜の中でも、 微結晶シリコン薄膜または非晶質シリコン薄 膜が特に好ましい。 微結晶シリ コン薄膜は、 ラマン分光分析において、 結晶領域に対応する 5 2 0 c m—1 近傍のピークと、 非晶質領域に対応 する 4 8 0 c m— 1 近傍のピークの両方が実質的に検出されるシリ コン 薄膜である。 非晶質シリ コン薄膜は、 結晶領域に対応する 5 2 0 c m一 1 近傍のピークが実質的に検出されず、 非晶質領域に対応する 4 8 0 c m— 1近傍のピークが実質的に検出されるシリコン薄膜である。 . Among the silicon thin films, a microcrystalline silicon thin film or an amorphous silicon thin film is particularly preferable. In a microcrystalline silicon thin film, in Raman spectroscopy, both the peak near 520 cm- 1 corresponding to the crystalline region and the peak near 480 cm- 1 corresponding to the amorphous region were substantially observed. It is a silicon thin film to be detected. Amorphous silicon thin film, a peak of 5 2 0 cm one near 1 corresponding to the crystal region is not substantially detected, the peak of 4 8 0 cm- 1 near corresponding to the amorphous region are substantially This is a silicon thin film to be detected. .
またゲルマニウム薄膜としては、 非晶質ゲルマニウム薄膜または微結 晶ゲルマニウム薄膜が好ましい。 シリコンゲルマエゥム合金薄膜として は、 非晶質シリコンゲルマニウム合金薄膜または微結晶シリコンゲルマ ニゥム合金薄膜が好ましい。 As the germanium thin film, an amorphous germanium thin film or a microcrystalline germanium thin film is preferable. As the silicon germanium alloy thin film, an amorphous silicon germanium alloy thin film or a microcrystalline silicon germanium alloy thin film is preferable.
第 5の局面において活物質薄膜を形成する方法としては、 C V D法、 スパッタリング法、 蒸着法、 溶射法などの気相中から薄膜を凝集して堆 積させる方法並びにめつき法が挙げられる。 In the fifth aspect, examples of a method of forming an active material thin film include a method of agglomerating and depositing a thin film from a gas phase, such as a CVD method, a sputtering method, an evaporation method, and a thermal spraying method, and a plating method.
活物質薄膜は、 集電体の両面において、 それぞれの活物質薄膜のリチ ゥムとの放電充放電反応量が、 単位面積当りで実質的に同じになるよう に形成されることが好ましい。 従って、 集電体の両面において、 それぞ れの活物質薄膜の厚みが、 実質的に同じになるように各活物質薄膜が形 成されることが好ましい。 The active material thin film is preferably formed on both surfaces of the current collector so that the amount of discharge / charge / discharge reaction with the lithium of each active material thin film is substantially the same per unit area. Therefore, it is preferable that each active material thin film is formed so that the thickness of each active material thin film is substantially the same on both surfaces of the current collector.
第 5の局面における集電体としては、 例えば金属箔を用いることがで
きる。 金属箔としては、 活物質薄膜との密着性を高めるという観点から は、 活物質薄膜と合金化し得る金属からなる金属箔であることが好まし レ、。 シリコン薄膜及びゲルマニウム薄膜を活物質薄膜として形成する場 合、 集電体としては特に銅箔であることが好ましい。 また、 銅箔として は、 表面粗さ R aが大きい銅箔である、 電解銅箔が好ましい。 このよう な電解銅箔としては、 圧延銅箔などの銅箔を電解液中に浸漬し、 銅箔の 両面に電解法により銅を析出させて両面を粗面化した電解銅箔が挙げら れる。 As the current collector in the fifth aspect, for example, a metal foil can be used. Wear. The metal foil is preferably a metal foil made of a metal that can be alloyed with the active material thin film from the viewpoint of enhancing the adhesion to the active material thin film. When a silicon thin film and a germanium thin film are formed as an active material thin film, the current collector is particularly preferably a copper foil. Further, as the copper foil, an electrolytic copper foil which is a copper foil having a large surface roughness Ra is preferable. Examples of such an electrolytic copper foil include an electrolytic copper foil in which a copper foil such as a rolled copper foil is immersed in an electrolytic solution, and copper is deposited on both surfaces of the copper foil by an electrolytic method to roughen both surfaces. .
また、 集電体の両面上に中間層を形成し、 この中間層の上に活物質薄 膜を形成してもよい。 この場合、 中間層は、 活物質薄膜と合金化する材 料から形成することが好ましい。 このような中間層を形成することによ り、 活物質薄膜中に中間層の成分を拡散させることができる。 Alternatively, an intermediate layer may be formed on both surfaces of the current collector, and an active material thin film may be formed on the intermediate layer. In this case, the intermediate layer is preferably formed from a material that alloys with the active material thin film. By forming such an intermediate layer, the components of the intermediate layer can be diffused into the active material thin film.
また、 中間層を形成する場合の集電体は、 中間層の材料よりも機械的 強度の高い金属または合金からなる箔であることが好ましい。 例えば、 中間層として銅層を形成する場合、 集電体としてニッケル箔を用いるこ とが好ましい。 例えば、 表面が粗面化されたニッケル箔 (電解ニッケル 箔など) の上に、 銅層を形成してもよい。 また、 ニッケル箔の上に電解 法により、 銅を析出させ、 これによつて粗面化したニッケル箔を用いて もよい。 Further, the current collector for forming the intermediate layer is preferably a foil made of a metal or an alloy having higher mechanical strength than the material of the intermediate layer. For example, when a copper layer is formed as an intermediate layer, it is preferable to use a nickel foil as a current collector. For example, a copper layer may be formed on a nickel foil having a roughened surface (such as an electrolytic nickel foil). Alternatively, copper may be deposited on the nickel foil by an electrolytic method, and the nickel foil roughened by this may be used.
第 5の局面において、 活物質薄膜が形成される集電体の両面は、 互い に実質的に同一の表面粗さ R aを有していることが好ましい。 In the fifth aspect, it is preferable that both surfaces of the current collector on which the active material thin film is formed have substantially the same surface roughness Ra as each other.
また、 第 5の局面において、 集電体の両面の表面粗さ R aは、 それぞ れ 0 . 0 1 μ m以上であることが好ましく、 0 . 0 1〜l / mであるこ とがさらに好ましい。 また、 集電体の表面粗さ R aは、 後述する電解銅 箔の表面粗さ R a程度であることが好ましい。 従って、 集電体の表面粗 さ R aは 0 . 1 μ m以上であることが好ましく、 さらに好ましくは 0 .
1〜 1 μ ηιである。 また、 表面粗さ R aと局部山頂の平均間隔 Sが、 1 00 R a≥ Sの関係を有することが好ましい。 In the fifth aspect, the surface roughness Ra of both surfaces of the current collector is preferably at least 0.01 μm, and more preferably 0.01 to l / m. preferable. Further, the surface roughness Ra of the current collector is preferably about the same as the surface roughness Ra of the electrolytic copper foil described later. Therefore, the surface roughness Ra of the current collector is preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.1 μm. 1 to 1 μηι. Further, it is preferable that the average roughness S between the surface roughness Ra and the local peak has a relationship of 100 Ra≥S.
表面粗さ R a及び局部山頂の平均間隔 Sは、 日本工業規格 (J I S B 0 60 1 - 1 994) に定められており、 例えば表面粗さ計により 測定することができる。 The surface roughness Ra and the average distance S between local peaks are specified in Japanese Industrial Standards (JIS B0601-1994), and can be measured by, for example, a surface roughness meter.
第 5の局面に従う好ましい実施形態のリチウム二次電池用電極におい ては、 活物質薄膜がその厚み方向に形成された切れ目によって柱状に分 離されており、 かつ該柱状部分の底部が集電体と密着していることを特 徴としている。 In a lithium secondary battery electrode according to a preferred embodiment according to the fifth aspect, the active material thin film is separated into columns by cuts formed in the thickness direction thereof, and the bottom of the columnar portion has a current collector. It is characterized by close contact.
柱状部分のまわりには隙間が形成されているため、 充放電反応により 活物質の膨張及び収縮が繰り返されても、 このような膨張収縮を柱状部 分のまわりに形成された隙間により吸収することができる。 従って、 活 物質薄膜が集電体から脱離及び剥離等をすることなく充放電反応を繰り 返すことができる。 Since a gap is formed around the columnar part, even if the active material expands and contracts repeatedly due to charge and discharge reactions, such expansion and contraction can be absorbed by the gap formed around the columnar part. Can be. Therefore, the charge / discharge reaction can be repeated without the active material thin film being detached and separated from the current collector.
活物質薄膜の厚み方向において、 少なくとも厚みの 1Z2以上の部分 力 上記切れ目によって柱状に分離されていることが好ましい。 In the thickness direction of the active material thin film, it is preferable that at least a partial force of 1Z2 or more in thickness is separated into a column by the cut.
また、 上記切れ目は、 好ましくは活物質薄膜の膨張収縮により形成さ れる。 Further, the cut is preferably formed by expansion and contraction of the active material thin film.
また、 上記切れ目は、 電池を組み立てた後の充放電反応により形成し てもよいし、 電池を組み立てる前の充放電反応により形成してもよい。 第 5の局面において、 活物質薄膜の表面には凹凸が形成されているこ とが好ましい。 また、 上記切れ目は、 該薄膜表面の凹凸の谷部から集電 体に向かって厚み方向に形成されていることが好ましい。 Further, the cut may be formed by a charge / discharge reaction after assembling the battery, or may be formed by a charge / discharge reaction before assembling the battery. In the fifth aspect, it is preferable that irregularities are formed on the surface of the active material thin film. In addition, it is preferable that the cut is formed in the thickness direction from the valley of the unevenness on the surface of the thin film toward the current collector.
上記薄膜表面の凹凸は、 好ましくは集電体表面の凹凸に対応して形成 されている。 また、 集電体表面の凹凸の凸部は、 錐体状であることが好 ましい。
さらに、 活物質薄膜の柱状部分の上方は、 丸みを帯びた形状であるこ とが好ましい。 The irregularities on the thin film surface are preferably formed corresponding to the irregularities on the current collector surface. In addition, it is preferable that the projections of the unevenness on the current collector surface have a cone shape. Further, it is preferable that the upper part of the columnar portion of the active material thin film has a rounded shape.
第 5の局面に従う好ましい他の実施形態においては、 上記切れ目が形 成される前の活物質薄膜には、 面方向に網目状に連なりかつ集電体に向 かって厚み方向に延びた低密度領域が形成されており、 該低密度領域に 沿って上記切れ目が厚み方向に形成されていることを特徴としている。 第 5の局面においては、 活物質薄膜に集電体成分が拡散していること が好ましい。 活物質薄膜に集電体成分が拡散することにより、 活物質薄 膜と集電体との密着性がさらに高まり、 集電体からの活物質薄膜の剥離 をさらに有効に防止することができる。 従って、 充放電サイクル特性を さらに優れたものにすることができる。 In another preferred embodiment according to the fifth aspect, in the active material thin film before the cut is formed, a low-density region which extends in a mesh direction in the plane direction and extends in the thickness direction toward the current collector is provided in the active material thin film. Are formed, and the cuts are formed in the thickness direction along the low density region. In the fifth aspect, it is preferable that the current collector component is diffused in the active material thin film. By diffusing the current collector component into the active material thin film, the adhesion between the active material thin film and the current collector is further increased, and peeling of the active material thin film from the current collector can be more effectively prevented. Therefore, the charge / discharge cycle characteristics can be further improved.
活物質薄膜としてリチウムと合金化する活物質からなる薄膜を用い、 集電体としてリチウムと合金化しない材料からなる集電体を用いる場合、 集電体成分の拡散によって、 リチウムの吸蔵 ·放出に伴う集電体近傍の 薄膜部分の膨張収縮を相対的に小さくすることができる。 従って、 薄膜 と集電体との密着状態をさらに良好に保つことができる。 When a thin film made of an active material that alloys with lithium is used as the active material thin film, and a current collector made of a material that does not alloy with lithium is used as the current collector, the diffusion of the current collector component causes absorption and release of lithium. The accompanying expansion and contraction of the thin film portion near the current collector can be relatively reduced. Therefore, the state of adhesion between the thin film and the current collector can be more favorably maintained.
薄膜における集電体成分の濃度は、 集電体近傍で高く、 薄膜表面に近 づくにつれて減少していることが好ましい。 このような濃度勾配を有す ることにより、 集電体近傍では薄膜の膨張収縮が抑制され、 薄膜と集電 体の密着状態が保たれると共に、 薄膜表面近傍では活物質の量が相対的 に多くなるので、 高い充放電容量を維持することができる。 Preferably, the concentration of the current collector component in the thin film is high near the current collector and decreases as approaching the surface of the thin film. By having such a concentration gradient, the expansion and contraction of the thin film is suppressed near the current collector, the close contact between the thin film and the current collector is maintained, and the amount of the active material is relatively reduced near the surface of the thin film. Therefore, a high charge / discharge capacity can be maintained.
拡散した集電体成分は、 薄膜中において、 薄膜成分と金属間化合物を 形成せずに、 固溶体を形成していることが好ましい。 ここで、 金属間化 合物とは、 金属同士が特定の比率で化合した特定の結晶構造を有する化 合物をいう。 薄膜成分と集電体成分が薄膜中において、 金属間化合物で はなく、 固溶体を形成することにより、 薄膜と集電体との密着状態がよ
り良好となり、 より高い充放電容量を得ることができる。 The diffused current collector component preferably forms a solid solution in the thin film without forming an intermetallic compound with the thin film component. Here, the intermetallic compound refers to a compound having a specific crystal structure in which metals are combined at a specific ratio. By forming a solid solution instead of an intermetallic compound in the thin film, the thin film component and the current collector component improve the adhesion between the thin film and the current collector. And a higher charge / discharge capacity can be obtained.
第 5の局面において、 集電体成分が拡散している領域の厚みは、 特に 限定されるものではないが、 1 μ m以上であることが好ましい。 In the fifth aspect, the thickness of the region where the current collector component is diffused is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more.
また、 上述のように、 集電体の上に中間層を形成し、 該中間層の上に 活物質薄膜を形成する場合、 活物質薄膜中に中間層の成分が拡散してい ることが好ましい。 このような中間層成分の濃度は、 活物質薄膜中にお いて、 中間層近傍で高く、 活物質薄膜表面に近づくにつれて減少してい ることが好ましい。 また、 拡散した中間層の成分は、 薄膜中において、 薄膜成分と金属間化合物を形成せずに、 固溶体を形成していることが好 ましい。 金属間化合物ではなく、 固溶体を形成することにより、 薄膜と 中間層との密着状態がより良好となり、 より高い充放電容量を得ること ができる。 Further, as described above, when the intermediate layer is formed on the current collector and the active material thin film is formed on the intermediate layer, it is preferable that the components of the intermediate layer are diffused in the active material thin film. . It is preferable that the concentration of such an intermediate layer component is high in the vicinity of the intermediate layer in the active material thin film and decreases as approaching the active material thin film surface. Further, it is preferable that the diffused intermediate layer component forms a solid solution in the thin film without forming an intermetallic compound with the thin film component. By forming a solid solution instead of an intermetallic compound, the state of adhesion between the thin film and the intermediate layer becomes better, and a higher charge / discharge capacity can be obtained.
第 5の局面において用いる集電体は、 上記第 5の局面の条件を満足で きるものであれば特に限定されるものではない。 集電体の具体例として は、 銅、 ニッケル、 ステンレス、 モリブデン、 タングステン、 及びタン タルから選ばれる少なく とも 1種が挙げられる。 The current collector used in the fifth aspect is not particularly limited as long as the current collector satisfies the conditions of the fifth aspect. Specific examples of the current collector include at least one selected from copper, nickel, stainless steel, molybdenum, tungsten, and tantalum.
第 5の局面における活物質薄膜には、 不純物がドープされていてもよ レ、。 このような不純物としては、 例えば、 リン、 アルミニウム、 ヒ素、 アンチモン、 ホウ素、 ガリウム、 インジウム、 酸素、 窒素等の周期律表 Ι Π Β族、 IV B族、 V B族、 VI B族の元素を挙げることができる。 The active material thin film in the fifth aspect may be doped with impurities. Examples of such impurities include phosphorus, aluminum, arsenic, antimony, boron, gallium, indium, oxygen, nitrogen, and other elements of the Periodic Table Group IV, IVB, VB, and VIB. be able to.
また、 第 5の局面における活物質薄膜は、 複数の層を積層して形成さ れていてもよい。 積層された各層においては、 組成、 結晶性、 不純物濃 度等が異なっていてもよい。 また、 薄膜の厚み方向に傾斜構造を有する ものであってもよい。 例えば、 組成、 結晶性、 不純物濃度等を厚み方向 に変化させた傾斜構造とすることができる。 Further, the active material thin film in the fifth aspect may be formed by stacking a plurality of layers. Each of the stacked layers may have a different composition, crystallinity, impurity concentration, and the like. Further, the thin film may have a tilted structure in the thickness direction. For example, a gradient structure in which the composition, crystallinity, impurity concentration, and the like are changed in the thickness direction can be used.
第 5の局面における活物質薄膜は、 リチウムと合金を形成することに
より リチウムを吸蔵する活物質薄膜であることが好ましい。 The active material thin film in the fifth aspect forms an alloy with lithium. It is more preferable that the active material thin film absorbs lithium.
また、 第 5の局面における活物質薄膜には、 予めリチウムが吸蔵また は添加されていてもよい。 リチウムは、 活物質薄膜を形成する際に添加 してもよい。 すなわち、 リチウムを含有する活物質薄膜を形成すること により、 活物質薄膜にリチウムを添加してもよい。 また、 活物質薄膜を 形成した後に、 活物質薄膜にリチウムを吸蔵または添加させてもよい。 活物質薄膜にリチウムを吸蔵または添加させる方法としては、 電気化学 的にリチウムを吸蔵または添加させる方法が挙げられる。 Further, the active material thin film in the fifth aspect may have lithium inserted or stored in advance. Lithium may be added when forming the active material thin film. That is, lithium may be added to the active material thin film by forming an active material thin film containing lithium. Further, after the active material thin film is formed, lithium may be inserted or added to the active material thin film. Examples of a method of inserting or absorbing lithium into the active material thin film include a method of electrochemically inserting or extracting lithium.
また、 第 5の局面の活物質薄膜の厚みは、 高い充放電容量を得るため には、 1 μ m以上であることが好ましい。 Further, the thickness of the active material thin film of the fifth aspect is preferably at least 1 μm in order to obtain a high charge / discharge capacity.
第 5の局面のリチウム二次電池は、 上記第 5の局面のリチウム二次電 池用電極を用いたことを特徴としている。 A lithium secondary battery according to a fifth aspect is characterized by using the electrode for a lithium secondary battery according to the fifth aspect.
上記第 5の局面のリチウム二次電池用電極は、 第 5の局面のリチウム 二次電池において、 負極として用いてもよいし、 正極として甩いてもよ いが、 一般に上記活物質薄膜の金属リチウムに対する標準電位は低いの で、 負極として用いることが好ましい。 The electrode for a lithium secondary battery according to the fifth aspect described above may be used as a negative electrode or a positive electrode in the lithium secondary battery according to the fifth aspect. Since the standard potential for is low, it is preferable to use it as a negative electrode.
第 5の局面のリチウム二次電池において、 正極と負極の組み合わせに よる電極構造は、 特に限定されるものではなく、 種々の電極構造を採用 することができる。 In the lithium secondary battery of the fifth aspect, the electrode structure based on the combination of the positive electrode and the negative electrode is not particularly limited, and various electrode structures can be adopted.
例えば、 第 5の局面のリチウム二次電池用電極からなる負極と、 集電 体の両面上に正極活物質層を設けた正極とを、 セパレークを介して交互 に積層したスタック型の電極構造を有していてもよい。 For example, a stack-type electrode structure in which a negative electrode composed of a lithium secondary battery electrode according to the fifth aspect and a positive electrode having a positive electrode active material layer provided on both sides of a current collector are alternately stacked via a separator is described. You may have.
また、 第 5の局面のリチウム二次電池用電極からなる負極と、 集電体 の両面上に正極活物質層を設けた正極との間にセパレータを介在させ、 これらをスパイラル状に巻き付けた電極構造を有していてもよい。 この ような電極構造を有するリチウム二次電池として、 円筒型リチウム二次 Further, a separator is interposed between the negative electrode comprising the electrode for a lithium secondary battery according to the fifth aspect and a positive electrode having a positive electrode active material layer provided on both sides of a current collector, and an electrode obtained by spirally winding these. It may have a structure. As a lithium secondary battery having such an electrode structure, a cylindrical lithium secondary battery is used.
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電池及び角形リチウム二次電池が知られている。 Three Batteries and prismatic lithium secondary batteries are known.
また、 U字形状に折り曲げられた一方の電極内に、 他方の電極を挿入 した挟み込みの電極構造であってもよい。 Further, a sandwiched electrode structure in which the other electrode is inserted into one electrode bent in a U-shape may be used.
上記挟み込みの電極構造を有するリチウム二次電池の 1つとして、 U 字形状に折り曲げられた集電体の内側に一対の正極活物質層が対向する ように設けられた正極と、 集電体の両面上に負極活物質層が設けられ、 上記 u字形状の正極の内側に挿入される負極と、 上記正極の正極活物質 層と上記負極の負極活物質層の間に配置されるセパレ一タとを備え、 上 記負極が上記第 5の局面のリチウム二次電池用電極であることを特徴と するリチウム二次電池が挙げられる。 As one of the lithium secondary batteries having the sandwiched electrode structure, a positive electrode in which a pair of positive electrode active material layers are provided inside a current collector bent into a U-shape so as to face each other; A negative electrode active material layer is provided on both surfaces, a negative electrode inserted inside the u-shaped positive electrode, and a separator disposed between the positive electrode active material layer of the positive electrode and the negative electrode active material layer of the negative electrode And wherein the negative electrode is the electrode for a lithium secondary battery according to the fifth aspect.
また、 上記挟み込みの電極構造を有する他のリチウム二次電池として、 u字形状に折り曲げられた負極の内側に一対の負極活物質層が対向する ように設けられた負極と、 集電体の両面上に正極活物質層が設けられ、 上記 u字形状の負極の内側に挿入される正極と、 上記正極の正極活物質 層と上記負極の負極活物質層の間に配置されるセパレータとを備え、 上 記負極の負極活物質層が、 上記本発明の第 1の局面〜第 4の局面に従う シリコン薄膜またはゲルマニウム薄膜などの活物質薄膜であることを特 徴とするリチウム二次電池が挙げられる。 In addition, as another lithium secondary battery having the sandwiched electrode structure, a negative electrode in which a pair of negative electrode active material layers are provided inside a negative electrode bent in a u-shape, A positive electrode active material layer provided thereon, a positive electrode inserted inside the u-shaped negative electrode, and a separator disposed between the positive electrode active material layer of the positive electrode and the negative electrode active material layer of the negative electrode A lithium secondary battery is characterized in that the negative electrode active material layer of the negative electrode is an active material thin film such as a silicon thin film or a germanium thin film according to the first to fourth aspects of the present invention. .
上記第 5の局面のリチゥム二次電池において、 両面上に活物質層が設 けられた集電体として、 片面上に活物質層が設けられた 2つの集電体を 背面で互いに貼り合わせたものを用いてもよい。 In the lithium secondary battery according to the fifth aspect, two current collectors each having an active material layer provided on one surface are bonded to each other on the back surface as current collectors having active material layers provided on both surfaces. A thing may be used.
第 5の局面のリチウム二次電池電極用集電体は、 リチウムを吸蔵 ·放 出する活物質薄膜が堆積して形成される表面を両面に有することを特徴 としている。 The current collector for a lithium secondary battery electrode according to the fifth aspect is characterized in that both surfaces have a surface formed by depositing an active material thin film for absorbing and releasing lithium.
第 5の局面の集電体は、 上述のように、 その両面が実質的に同一の表 面粗さ R aを有することが好ましく、 また両面の表面粗さ R aがそれぞ
れ 0. 0 1 m以上であることが好ましく、 0. 0 1〜 l /xmであるこ とがさらに好ましい。 As described above, the current collector of the fifth aspect preferably has substantially the same surface roughness Ra on both surfaces, and the surface roughness Ra on both surfaces is respectively equal to each other. It is preferably at least 0.01 m, more preferably 0.01 to l / xm.
第 5の局面の集電体は、 金属箔であることが好ましく、 活物質薄膜が シリ コン薄膜などである場合には、 銅箔であることが好ましい。 銅箔と しては、 表面粗さ R aが大きな銅箔である、 電解銅箔であることが好ま しい。 このような電解銅箔としては、 例えば、 銅箔の両面に電解法によ り銅を析出させることにより粗面化した銅箔が挙げられる。 The current collector of the fifth aspect is preferably a metal foil. When the active material thin film is a silicon thin film or the like, it is preferably a copper foil. The copper foil is preferably an electrolytic copper foil having a large surface roughness Ra. Examples of such an electrolytic copper foil include a copper foil roughened by depositing copper on both surfaces of the copper foil by an electrolytic method.
以下、 本発明の第 1の局面〜第 5の局面を 「本発明」 として説明する。 本発明のリチウム電池は、 上記本発明の電極からなる負極と、 正極と、 電解質とを備えることを特徴としている。 Hereinafter, the first to fifth aspects of the present invention will be described as “the present invention”. A lithium battery according to the present invention includes a negative electrode including the above-described electrode of the present invention, a positive electrode, and an electrolyte.
本発明において、 「リチウム電池」 の言葉は、 リチウム一次電池及ぴ リチウム二次電池を含んでいる。 従って、 本発明の電極は、 リチウム一 次電池用及びリチウム二次電池用として用いることができる。 In the present invention, the term “lithium battery” includes a lithium primary battery and a lithium secondary battery. Therefore, the electrode of the present invention can be used for lithium primary batteries and lithium secondary batteries.
本発明のリチウム二次電池は、 上記本発明の電極からなる負極と、 正 極と、 非水電解質とを備えることを特徴としている。 The lithium secondary battery of the present invention is characterized by comprising a negative electrode comprising the electrode of the present invention, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte.
本発明のリチウム二次電池に用いる電解質の溶媒は、 特に限定される ものではないが、 エチレンカーボネート、 プロピレンカーボネート、 ブ チレンカーボネートなどの環状カーボネートと、 ジメチルカーボネート、 メチルェチルカーボネート、 ジェチルカーボネートなどの鎖状力一ボネ —トとの混合溶媒が例示される。 また、 前記環状カーボネートと 1 , 2 ージメ トキシェタン、 1, 2—ジエトキシェタンなどのエーテル系溶媒 や、 Ύーブチロラクトン、 スルホラン、 酢酸メチル等の鎖状エステル等 との混合溶媒も例示される。 また、 電解質の溶質としては、 L i PF6、 L i B F4、 L i CF3S〇3、 L i N (C F3S 02) 2、 L i N (C2 F5S02) 2、 L i N (CF3S 02) (C4F9S02) 、 L i C (CF 3S 02) 3、 L i C (C2F5S 02) L i A s Fe、 L i C l 〇4、
L i 2B 10C 1 10、 L i 2B 12C 1 12 など及びそれらの混合物が例示 される。 さらに電解質として、 ポリエチレンォキシド、 ポリアクリロニ トリル、 ポリフッ化ビ二リデンなどのポリマ一電解質に電解液を含浸し たゲル状ポリマ一電解質や、 L i I 、 L i 3Nなどの無機固体電解質が 例示される。 本発明のリチウム二次電池の電解質は、 イオン導電性を発 現させる溶媒としての L 1化合物とこれを溶解 ·保持する溶媒が電池の 充電時や放電時あるいは保存時の電圧で分解しない限り、 制約なく用い ることができる。 The solvent for the electrolyte used in the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and butylene carbonate, and dimethyl carbonate, methylethyl carbonate, and getyl carbonate And a mixed solvent with a chain force of one. Further, a mixed solvent of the cyclic carbonate and an ether solvent such as 1,2 dimethoxetane or 1,2-diexoxetane, or a chain ester such as perbutylolactone, sulfolane, methyl acetate, or the like is also exemplified. The solutes of the electrolyte include L i PF 6 , L i BF 4 , L i CF 3 S〇 3 , L i N (CF 3 S 0 2 ) 2 , L i N (C 2 F 5 S0 2 ) 2 , L i N (CF 3 S 0 2 ) (C 4 F 9 S 0 2 ), L i C (CF 3 S 0 2 ) 3 , L i C (C 2 F 5 S 0 2 ) L i A s Fe , L i C l 〇 4 , L i 2 B 10 C 1 10 , L i 2 B 12 C 1 12 and the like and mixtures thereof are exemplified. Furthermore as an electrolyte, polyethylene O dimethylsulfoxide, Poriakurironi tolyl, or gel-like polymer one electrolyte electrolytic solution impregnated into polymer one electrolyte such as polyvinylidene mold two alkylidene, L i I, an inorganic solid electrolyte exemplified such as L i 3 N Is done. The electrolyte of the lithium secondary battery of the present invention can be used as long as the L1 compound as a solvent that exhibits ionic conductivity and the solvent that dissolves and retains the L1 compound are not decomposed at the time of charging, discharging, or storing the battery. It can be used without any restrictions.
本発明のリチウム二次電池の正極活物質としては、 L i C o 02、 L i N i 02、 L i Mn204、 L i Mn 02、 L i C o 0 5N i 0 502、 L i N i 0.7C o 0.2Mn0.102 などのリチウム含有遷移金属酸化物 や、 Mn 02などのリチウムを含有していない金属酸化物が例示される。 また、 この他にも、 リチウムを電気化学的に挿入 ·脱離する物質であれ ば、 制限なく用いることができる。 As the positive electrode active material of the lithium secondary battery of the present invention, L i C o 0 2, L i N i 0 2, L i Mn 2 0 4, L i Mn 0 2, L i C o 0 5 N i 0 5 0 2, L i N i 0. 7 C o 0. 2 Mn 0. 1 0 2 lithium-containing transition metal oxides such as or a metal oxide not containing lithium such as Mn 0 2 is illustrated . In addition, any other substance capable of electrochemically inserting and removing lithium can be used without limitation.
本発明の電極は、 リチウム以外の、 ナトリウムやカリウムなどのアル 力リ金属や、 マグネシウムやカルシウムなどのアル力リ土類金属を吸 蔵 ·放出する電極活物質を用いる非水電解質電池及び非水電解質二次電 池の電極としても用いることができると考えられる。 図面の簡単な説明 The electrode of the present invention includes a non-aqueous electrolyte battery and a non-aqueous electrolyte using an electrode active material that absorbs and releases an alkaline metal such as sodium and potassium and an alkaline earth metal such as magnesium and calcium other than lithium. It is considered that it can also be used as an electrode for an electrolyte secondary battery. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1は、 本発明の実施例において作製したリチウム二次電池を示す断 面模式図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a lithium secondary battery produced in an example of the present invention.
図 2は、 本発明に従う一実施例の電極の充放電前の状態を示す走査型 電子顕微鏡写真 (倍率 2000倍) である。 FIG. 2 is a scanning electron micrograph (2,000-fold magnification) showing a state of an electrode according to an embodiment of the present invention before charge and discharge.
図 3は、 本発明に従う一実施例の電極の充放電前の状態を示す走査型 電子顕微鏡写真 (倍率 5000倍) である。
図 4は、 本発明に従う一実施例の電極の充放電後の状態を示す走査型 電子顕微鏡写真 (倍率 5 0 0倍) である。 FIG. 3 is a scanning electron micrograph (magnification: 5000) showing a state of an electrode according to an embodiment of the present invention before charge and discharge. FIG. 4 is a scanning electron micrograph (magnification: 500 times) showing the state of the electrode of one example according to the present invention after charging and discharging.
図 5は、 本発明に従う一実施例の電極の充放電後の状態を示す走査型 電子顕微鏡写真 (倍率 2 5 0 0倍) である。 FIG. 5 is a scanning electron micrograph (magnification: 2500 times) showing the state of the electrode of one example according to the present invention after charging and discharging.
図 6は、 本発明に従う一実施例の電極のシリコン薄膜を上方から見た 状態を示す走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) である。 FIG. 6 is a scanning electron micrograph (magnification: 1000 times) showing a state in which the silicon thin film of the electrode of one embodiment according to the present invention is viewed from above.
図 7は、 本発明に従う一実施例の電極のシリコン薄膜を上方から見た 状態を示す走査型電子顕微鏡写真 (倍率 5 0 0 0倍) である。 FIG. 7 is a scanning electron micrograph (magnification: 500,000) showing a state in which the silicon thin film of the electrode of one embodiment according to the present invention is viewed from above.
図 8は、 本発明に従う一実施例の電極のシリコン薄膜をやや斜め方向 から見た状態を示す走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) である。 図 9は、 本発明に従う一実施例の電極のシリコン薄膜をやや斜め方向 から見た状態を示す走査型電子顕微鏡写真 (倍率 5 0 0 0倍) である。 図 1 0は、 本発明の一実施例においてシリコン薄膜に切れ目が形成さ れ、 柱状に分離される状態を示す模式的断面図である。 FIG. 8 is a scanning electron microscope photograph (magnification: 1000) showing a state in which the silicon thin film of the electrode of one embodiment according to the present invention is viewed from a slightly oblique direction. FIG. 9 is a scanning electron micrograph (magnification: 500,000) showing a state in which the silicon thin film of the electrode of one embodiment according to the present invention is viewed from a slightly oblique direction. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a cut is formed in a silicon thin film and the silicon thin film is separated into columns in one embodiment of the present invention.
図 1 1は、 本発明に従う電極 a 3のシリ コン薄膜の断面を示す透過型 電子顕微鏡写真 (倍率 1 2 5 0 0倍) である。 FIG. 11 is a transmission electron micrograph (magnification: 1/2500) showing a cross section of the silicon thin film of the electrode a3 according to the present invention.
図 1 2は、 本発明に従う電極 a 6のシリコン薄膜の断面を示す透過型 電子顕微鏡写真 (倍率 2 5 0 0 0倍) である。 FIG. 12 is a transmission electron micrograph (magnification: 250,000) showing a cross section of the silicon thin film of the electrode a6 according to the present invention.
図 1 3は、 図 1 1に示す電子顕微鏡写真を模式的に示す図である。 図 1 4は、 図 1 2に示す電子顕微鏡写真を模式的に示す図である。 図 1 5は、 本発明に従う電極 a 3のシリ コン薄膜の表面を上方から見 た状態を示す走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) である。 FIG. 13 is a diagram schematically showing the electron micrograph shown in FIG. FIG. 14 is a diagram schematically showing the electron micrograph shown in FIG. FIG. 15 is a scanning electron micrograph (magnification: 10000) showing a state in which the surface of the silicon thin film of the electrode a3 according to the present invention is viewed from above.
図 1 6は、 本発明に従う電極 a 6のシリコン薄膜の表面を上方から見 た状態を示す走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) である。 FIG. 16 is a scanning electron micrograph (magnification: 10000) showing the surface of the silicon thin film of electrode a6 according to the present invention as viewed from above.
図 1 7は、 本発明に従う電極 a 6のシリ コン薄膜の深さ方向の構成元 素の濃度分布を示す図である。
図 1 8は、 本発明の実施例において真空蒸着法により薄膜を形成する 装置の構成を示す模式図である。 FIG. 17 is a diagram showing the concentration distribution of constituent elements in the depth direction of the silicon thin film of the electrode a6 according to the present invention. FIG. 18 is a schematic diagram showing a configuration of an apparatus for forming a thin film by a vacuum evaporation method in an embodiment of the present invention.
図 1 9は、 本発明に従う電極 a 7の充放電前の状態を示す走査型電子 顕微鏡写真 (倍率 2 0 0 0倍) である。 FIG. 19 is a scanning electron micrograph (magnification: 20000) showing the state before charge / discharge of electrode a7 according to the present invention.
図 2 0は、 本発明に従う電極 a 7の充放電前の状態を示す走査型電子 顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0 0倍) である。 FIG. 20 is a scanning electron micrograph (magnification: 1000 ×) showing the state before charge / discharge of electrode a7 according to the present invention.
図 2 1は、 本発明に従う電極 a 8の充放電前の状態を示す走査型電子 顕微鏡写真 (倍率 2 0 0 0倍) である。 FIG. 21 is a scanning electron micrograph (magnification: 20000) showing the state before charge / discharge of electrode a8 according to the present invention.
図 2 2は、 本発明に従う電極 a 8の充放電前の状態を示す走査型電子 顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0 0倍) である。 FIG. 22 is a scanning electron micrograph (100,000 magnification) showing a state before charging / discharging of electrode a8 according to the present invention.
図 2 3は、 本発明に従う電極 a 7の充放電後の状態を示す走査型電子 顕微鏡写真 (倍率 5 0 0倍) である。 FIG. 23 is a scanning electron micrograph (magnification: 500 times) showing the state after charge / discharge of electrode a7 according to the present invention.
図 2 4は、 本発明に従う電極 a 7の充放電後の状態を示す走査型電子 顕微鏡写真 (倍率 2 5 0 0倍) である。 FIG. 24 is a scanning electron micrograph (magnification: 2500 times) showing the state after charge / discharge of electrode a7 according to the present invention.
図 2 5は、 本発明に従う電極 a 8の充放電後の状態を示す走査型電子 顕微鏡写真 (倍率 5 0 0倍) である。 FIG. 25 is a scanning electron micrograph (magnification: 500 times) showing the state after charge / discharge of electrode a8 according to the present invention.
図 2 6は、 本発明に従う電極 a 8の充放電後の状態を示す走査型電子 顕微鏡写真 (倍率 2 5 0 0倍) である。 FIG. 26 is a scanning electron micrograph (magnification: 2500 times) showing the state after charge / discharge of electrode a8 according to the present invention.
図 2 7は、 本発明に従う電極 a 7の充放電後のゲルマニウム薄膜の状 態を上方から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) である。 図 2 8は、 本発明に従う電極 a 7の充放電後のゲルマニウム薄膜の状 態を上方から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 5 0 0 0倍) である。 図 2 9は、 本発明に従う電極 a 7の充放電後のゲルマニウム薄膜の状 態をやや斜め方向から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) で ある。 FIG. 27 is a scanning electron micrograph (magnification: 1000 times) of the state of the germanium thin film after charging and discharging of the electrode a7 according to the present invention as viewed from above. FIG. 28 is a scanning electron micrograph (magnification: 500,000) of the state of the germanium thin film after charging and discharging of the electrode a7 according to the present invention, as viewed from above. FIG. 29 is a scanning electron micrograph (magnification: 1000) of the state of the germanium thin film after charging and discharging of the electrode a7 according to the present invention, viewed from a slightly oblique direction.
図 3 0は、 本発明に従う電極 a 7の充放電後のゲルマニウム薄膜の状
態をやや斜め方向から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 5 0 0 0倍) で ある。 FIG. 30 shows the state of the germanium thin film after charging and discharging of the electrode a7 according to the present invention. 5 is a scanning electron micrograph (magnification: 500,000) of the state viewed from a slightly oblique direction.
図 3 1は、 本発明に従う電極 a 8の充放電後のゲルマニウム薄膜の状 態を上方から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) である。 図 3 2は、 本発明に従う電極 a 8の充放電後のゲルマニウム薄膜の状 態を上方から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 5 0 0 0倍) である。 図 3 3は、 本発明に従う電極 a 8の充放電後のゲルマニウム薄膜の状 態をやや斜め方向から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) で ある。 FIG. 31 is a scanning electron micrograph (magnification: 1000 times) of the state of the germanium thin film after charging and discharging of the electrode a8 according to the present invention, as viewed from above. FIG. 32 is a scanning electron micrograph (magnification: 500,000) of the state of the germanium thin film after charging and discharging of the electrode a8 according to the present invention, as viewed from above. FIG. 33 is a scanning electron micrograph (magnification: 1000) of the state of the germanium thin film after charging and discharging of the electrode a8 according to the present invention, viewed from a slightly oblique direction.
図 3 4は、 本発明に従う電極 a 8の充放電後のゲルマニウム薄膜の状 態をやや斜め方向から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 5 0 0 0倍) で ある。 FIG. 34 is a scanning electron micrograph (magnification: 500,000) of the state of the germanium thin film after charging / discharging of electrode a8 according to the present invention, viewed from a slightly oblique direction.
図 3 5は、 本発明に従う電極 a 7の充放電前のゲルマニウム薄膜の状 態を上方から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) である。 図 3 6は、 本発明に従う電極 a 8の充放電前のゲルマニウム薄膜の状 態を上方から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) である。 図 3 7は、 本発明に従う電極 a 7のゲルマニウム薄膜の深さ方向の構 成元素の濃度分布を示す図である。 FIG. 35 is a scanning electron micrograph (magnification: 1000 times) of the state of the germanium thin film before charging and discharging of the electrode a7 according to the present invention, as viewed from above. FIG. 36 is a scanning electron micrograph (magnification: 1000 times) of the state of the germanium thin film before charging / discharging of the electrode a8 according to the present invention as viewed from above. FIG. 37 is a diagram showing the concentration distribution of constituent elements in the depth direction of the germanium thin film of the electrode a7 according to the present invention.
図 3 8は、 本発明に従う電極 a 8のゲルマニウム薄膜の深さ方向の構 成元素の濃度分布を示す図である。 FIG. 38 is a diagram showing the concentration distribution of constituent elements in the depth direction of the germanium thin film of the electrode a8 according to the present invention.
図 3 9は、 本発明に従う充放電前の電極 a 1 1の断面を示す走査型電 子顕微鏡写真 (倍率 2 0 0 0倍) である。 FIG. 39 is a scanning electron micrograph (magnification: 20000) showing a cross section of electrode a11 before charge / discharge according to the present invention.
図 4 0は、 本発明に従う充放電前の電極 a 1 1の断面を示す走査型電 子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0 0倍) である。 FIG. 40 is a scanning electron micrograph (magnification: 10000) showing a cross section of electrode a11 before charge / discharge according to the present invention.
図 4 1は、 本発明に従う充放電前の電極 a l lのシリコン薄膜を上方 から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) である。
図 4 2は、 本発明に従う充放電後の電極 a 1 1のシリコン薄膜を上方 から見た走査型電子顕微鏡写真 (倍率 1 0 0 0倍) である。 FIG. 41 is a scanning electron micrograph (magnification: 10000) of the silicon thin film of the electrode all before charge and discharge according to the present invention as viewed from above. FIG. 42 is a scanning electron micrograph (magnification: 1000) of the silicon thin film of the electrode a11 after charging and discharging according to the present invention as viewed from above.
図 4 3は、 銅箔とシリコン薄膜の界面付近を示す透過型電子顕微鏡写 真 (倍率 5 0万倍) である。 Figure 43 is a transmission electron micrograph (magnification: 500,000) showing the vicinity of the interface between the copper foil and the silicon thin film.
図 4 4は、 銅箔とシリコン薄膜の界面付近を示す透過型電子顕微鏡写 真 (倍率 1 0 0万倍) である。 Figure 44 is a transmission electron micrograph (magnification: 1,000,000 times) showing the vicinity of the interface between the copper foil and the silicon thin film.
図 4 5は、 電極 c 1における混合層の深さ方向の銅及び水素濃度分布 を示す図である。 FIG. 45 is a diagram showing a copper and hydrogen concentration distribution in the depth direction of the mixed layer in the electrode c1.
図 4 6は、 電極 c 3における混合層の深さ方向の銅及び水素濃度分布 を示す図である。 FIG. 46 is a diagram showing a copper and hydrogen concentration distribution in the depth direction of the mixed layer in the electrode c3.
図 4 7は、 本発明の他の実施例において作製したリチウム二次電池を 示す斜視図である。 FIG. 47 is a perspective view showing a lithium secondary battery manufactured in another example of the present invention.
図 4 8は、 本発明の他の実施例において作製したリチウム二次電池を 示す断面模式図である。 FIG. 48 is a schematic sectional view showing a lithium secondary battery produced in another example of the present invention.
図 4 9は、 電極に用いた銅箔の厚みと充放電サイクル特性との関係を 示す図である。 FIG. 49 is a diagram showing the relationship between the thickness of the copper foil used for the electrode and the charge / discharge cycle characteristics.
図 5 0は、 充放電後の負極表面の状態を示す図である。 FIG. 50 is a diagram showing the state of the negative electrode surface after charging and discharging.
図 5 1は、 充放電後の負極表面の状態を示す図である。 FIG. 51 is a diagram showing a state of the negative electrode surface after charging and discharging.
図 5 2は、 充放電後の負極裏面の状態を示す図である。 FIG. 52 is a diagram showing a state of the negative electrode back surface after charging and discharging.
図 5 3は、 充放電後の負極裏面の状態を示す図である。 FIG. 53 is a diagram showing the state of the negative electrode back surface after charging and discharging.
図 5 4は、 電極に用いたシリ コン薄膜の厚みと充放電サイクル特性と の関係を示す図である。 FIG. 54 is a diagram showing the relationship between the thickness of the silicon thin film used for the electrode and the charge / discharge cycle characteristics.
図 5 5は、 充放電後の負極裏面の状態を示す図である。 FIG. 55 is a diagram showing the state of the back surface of the negative electrode after charging and discharging.
図 5 6は、 本発明の第 5の局面の実施例において作製した負極を示す 平面図である。 FIG. 56 is a plan view showing the negative electrode manufactured in the example of the fifth aspect of the present invention.
図 5 7は、 本発明の第 5の局面の実施例において作製した正極を示す
平面図である。 FIG. 57 shows a positive electrode produced in an example of the fifth aspect of the present invention. It is a top view.
図 5 8は、 本発明の第 5の局面の実施例において作製した負極を示す 側面図である。 FIG. 58 is a side view showing the negative electrode manufactured in the example of the fifth aspect of the present invention.
図 5 9は、 本発明の第 5の局面の実施例において作製したリチウム二 次電池を示す平面図である。 FIG. 59 is a plan view showing the lithium secondary battery manufactured in the example of the fifth aspect of the present invention.
図 6 0は、 本発明の第 5の局面の実施例において作製したリチウム二 次電池を示す断面模式図である。 FIG. 60 is a schematic sectional view showing a lithium secondary battery produced in an example of the fifth aspect of the present invention.
図 6 1は、 本発明の第 5の局面に従うスタック型リチウム二次電池内 の電極構造を示す部分切欠斜視図である。 FIG. 61 is a partially cutaway perspective view showing an electrode structure in a stacked lithium secondary battery according to the fifth aspect of the present invention.
図 6 2は、 図 6 1に示す電極を外装体内に収納した本発明の第 5の局 面のスタック型リチウム二次電池を示す斜視図である。 FIG. 62 is a perspective view showing a fifth local stacked lithium secondary battery of the present invention in which the electrode shown in FIG. 61 is housed in an outer package.
図 6 3は、 本発明の第 5の局面に従うラミネートタイプのリチウム二 次電池の一例を示す断面模式図である。 FIG. 63 is a schematic cross-sectional view showing an example of a laminate type lithium secondary battery according to the fifth aspect of the present invention.
図 6 4は、 本発明の第 5の局面に従うコイン型リチウム二次電池の一 例を示す断面模式図である。 FIG. 64 is a schematic sectional view showing an example of a coin-type lithium secondary battery according to the fifth aspect of the present invention.
図 6 5は、 本発明の第 5の局面に従うコイン型リチウム二次電池の一 例を示す平面図である。 FIG. 65 is a plan view showing an example of a coin-type lithium secondary battery according to the fifth aspect of the present invention.
図 6 6は、 本発明の第 5の局面に従う円筒型リチウム二次電池の一例 を示す分解斜視図である。 FIG. 66 is an exploded perspective view showing an example of a cylindrical lithium secondary battery according to the fifth aspect of the present invention.
図 6 7は、 本発明の第 5の局面に従う角形リチウム二次電池の一例を 示す分解斜視図である。 発明を実施するための最良の形態 FIG. 67 is an exploded perspective view showing an example of the prismatic lithium secondary battery according to the fifth aspect of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、 本発明は 下記の実施例に何ら限定されるものではなく、 その要旨を変更しない範 囲において適宜変更して実施することが可能なものである。
(実験 1) Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following Examples at all, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the gist of the present invention. It is something. (Experiment 1)
〔負極の作製〕 (Preparation of negative electrode)
基板として圧延銅箔 (厚み 1 8 /X m) を用い、 原料ガスとしてシラン (S i H4) を用い、 キャリアガスとして水素ガスを用いて、 CVD法 により銅箔の上に微結晶シリ コン薄膜を形成した。 具体的には、 反応室 中のヒータ一の上に基板としての銅箔を設置し、 真空排気装置により、 反応室中の圧力を 1 P a以下まで排気した。 その後、 原料ガスであるシ ラン (S i H4) 及びキャリアガスである水素 (H2) ガスを、 原料ガ ス導入ポートから導入し、 ヒータ一で基板を 1 80°Cまで加熱した。 真 空排気装置により、 真空度を反応圧力になるように調整し、 高周波電源 で高周波を励起し、 その高周波を電極より導入してグロ一放電を誘起し た。 詳細な薄膜形成条件を表 1に示す。 なお、 表 1における流量の単位 s c c mは、 0°C、 1気圧 (1 0 1. 3 3 k P a) の 1分間当りの体積 流量 ( c m3/分) でめり、 Standard Cubic Centimeters Per Minute の略である。 The rolled copper foil (thickness 1 8 / X m) used as a substrate, using a silane (S i H 4) as a raw material gas, using hydrogen gas as a carrier gas, microcrystalline silicon on top of the copper foil by CVD A thin film was formed. Specifically, a copper foil as a substrate was placed on a heater in the reaction chamber, and the pressure in the reaction chamber was evacuated to 1 Pa or less by a vacuum exhaust device. Thereafter, silane (SiH 4 ) as a source gas and hydrogen (H 2 ) gas as a carrier gas were introduced from a source gas introduction port, and the substrate was heated to 180 ° C. with a heater. The degree of vacuum was adjusted to a reaction pressure by a vacuum exhaust device, a high frequency was excited by a high frequency power supply, and the high frequency was introduced from an electrode to induce a glow discharge. Table 1 shows detailed thin film formation conditions. The unit of flow rate sccm in Table 1 is the volume flow rate (cm 3 / min) per minute at 0 ° C and 1 atm (10 1.33 kPa). Standard Cubic Centimeters Per Minute Is an abbreviation for
微結晶シリコン薄膜の膜厚が約 1 0 μ mになるまで上記条件で堆積さ せた。 これを、 電子顕微鏡 (200万倍) で観察すると微小な結晶粒か らなる結晶領域の周囲に、 非晶質領域が配置された状態であって、 非結 晶であることが確認できた。 次に、 得られたサンプルを直径 1 7 mmと なるように打ち抜き、 電極 a 1を得た。 電極 a 1と同じものを 400 °C で 3時間熱処理し、 電極 a 2とした。 The microcrystalline silicon thin film was deposited under the above conditions until the thickness became about 10 μm. When this was observed with an electron microscope (magnification: 2 million), it was confirmed that the amorphous region was arranged around the crystal region composed of minute crystal grains, and that the region was amorphous. Next, the obtained sample was punched out to have a diameter of 17 mm to obtain an electrode a1. The same electrode a1 was heat-treated at 400 ° C. for 3 hours to obtain an electrode a2.
また、 比較のため、 市販の単結晶シリコン粉末 (粒子径 1 0 // m) が 90重量部、 結着剤としてのポリテトラブルォロエチレンが 10重量部 となるように混合し、 これを直径 1 7mmの金型でプレスし加圧成形し て、 ペレット状の電極 b 1を得た。 For comparison, 90 parts by weight of a commercially available single crystal silicon powder (particle diameter: 10 // m) and 10 parts by weight of polytetrachloroethylene as a binder were mixed. It was pressed with a mold having a diameter of 17 mm and pressed to obtain a pellet-shaped electrode b1.
〔正極の作製〕 (Preparation of positive electrode)
出発原料として、 L i 2COs 及び C o C03 を用いて、 L i : C o の原子比が 1 : 1となるように秤量して乳鉢で混合し、 これを直径 1 7 mmの金型でプレスし加圧成形した後、 空気中において 800°Cで 24 時間焼成し、 L i C o 02 の焼成体を得た。 これを乳鉢で平均粒子径 2 0 μ mとなるまで粉砕した。 As a starting material, using L i 2 CO s and C o C0 3, L i: C atomic ratio o 1: were weighed to be 1 were mixed in a mortar, gold which diameter 1 7 mm After pressing with a mold and pressing, the mixture was fired in air at 800 ° C. for 24 hours to obtain a fired body of LiCoO 2 . This was ground in a mortar until the average particle size became 20 μm.
得られた L i C o 02粉末が 80重量部、 導電材としてのアセチレン ブラックが 1 0重量部、 結着剤としてのポリテトラフルォロエチレンが 1 0重量部となるように混合し、 直径 1 7 mmの金型でプレスし加圧成 形して、 ペレット状の正極を作製した。 The obtained L i C o 0 2 powder 80 weight parts of acetylene black 1 0 parts by weight as the conductive material, the polytetramethylene full O b ethylene as a binder were mixed so that 1 0 part by weight, It was pressed in a 17 mm diameter mold and pressed to form a pellet-shaped positive electrode.
〔電解液の作製〕 (Preparation of electrolyte solution)
エチレンカーボネートとジェチルカーボネートとの等体積混合溶媒に、 L i P F6 を 1モル リットル溶解して電解液を作製し、 これを以下の 電池の作製において用いた。 In equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and Jefferies chill carbonate, L i PF 6 dissolved 1 mole liter to prepare an electrolyte solution, using the same in the production of the following cell.
〔電池の作製〕 (Production of battery)
上記の電極 a 1、 a 2及び b 1を負極として用い、 上記正極及び電解 Using the above electrodes a1, a2 and b1 as a negative electrode, the above positive electrode and electrolytic
4
液を用いて、 扁平形リチウム二次電池を作製した。 Four Using the solution, a flat lithium secondary battery was manufactured.
図 1は、 作製したリチウム二次電池の断面模式図であり、 正極 1、 負 極 2、 セパレーター 3、 正極缶 4、 負極缶 5、 正極集電体 6、 負極集電 体 7及びポリプロピレン製の絶縁パッキング 8などからなる。 Figure 1 is a schematic cross-sectional view of the fabricated lithium secondary battery.The positive electrode 1, the negative electrode 2, the separator 3, the positive electrode can 4, the negative electrode can 5, the positive electrode current collector 6, the negative electrode current collector 7, and the polypropylene Insulation packing consists of 8.
正極 1及び負極 2は、 セパレ一ター 3を介して対向している。 これら は正極缶 4及ぴ負極缶 5が形成する電池ケース内に収納されている。 正 極 1は、 正極集電体 6を介して正極缶 4に接続され、 負極 2は負極集電 体 7を介して負極缶 5に接続され、 二次電池としての充電及び放電が可 能な構造となっている。 The positive electrode 1 and the negative electrode 2 face each other via the separator 3. These are housed in a battery case formed by the positive electrode can 4 and the negative electrode can 5. The positive electrode 1 is connected to a positive electrode can 4 via a positive electrode current collector 6, and the negative electrode 2 is connected to a negative electrode can 5 via a negative electrode current collector 7, which allows charging and discharging as a secondary battery. It has a structure.
電極 a 1を負極として用いたものを電池 A 1とし、 電極 a 2を負極と して用いたものを電池 A 2とし、 電極 b 1を負極として用いたものを電 池 B 1とした。 A battery using electrode a1 as a negative electrode was referred to as battery A1, a battery using electrode a2 as a negative electrode was referred to as battery A2, and a battery using electrode b1 as a negative electrode was referred to as battery B1.
〔充放電サイクル寿命特性の測定〕 (Measurement of charge / discharge cycle life characteristics)
2 5 °Cにおいて電流値 1 0 0 Aで負極容量が 2 0 0 0 m A h / gと なるまで充電した後放電し、 これを 1サイクルの充放電とし、 各電池に ついて 5 0サイクル目の容量維持率を測定した。 なお、 2 0 0 O m A h Z gまで充電されなかった B 1電池については、 4 . 2 Vまで充電した 後、 放電することによりサイクル試験を行った。 結果を表 2に示す。 表 2には、 各電池の負極活物質の、 S I M S測定により得られた水素 濃度、 ラマン分光分析による 4 8 0 c m 1近傍/" 5 2 0 c m-1近傍の ピーク強度比、 並びに X線回折スぺク トルと S c h e r r e rの式によ り算出された結晶粒径を併せて示した。 なお、 電池 B 1の結晶粒径は、 粉末の粒子径とほぼ同じであると思われるので粉末の粒子径を示してい る。
表 2 At 25 ° C, the battery was charged at a current value of 100 A at a current value of 100 A until the anode capacity reached 2000 mAh / g, and then discharged.This was defined as one cycle of charge and discharge. Was measured. A cycle test was performed on the B1 battery that was not charged to 200 OmAhZg by charging it to 4.2 V and then discharging. Table 2 shows the results. Table A 2, the anode active material of each battery, the hydrogen concentration obtained by SIMS measurement, 4 8 0 cm 1 near / "5 2 0 c m- 1 peak intensity in the vicinity of ratio by Raman spectroscopy, and X-ray The diffraction spectrum and the crystal grain size calculated by the Scherrer's equation are also shown together.The crystal grain size of the battery B1 is assumed to be almost the same as the powder size. It shows the particle size. Table 2
表 2に示す結果から明らかなように、 本発明に従う電池 A 1及び A 2 は、 比較の電池 B 1に比べ、 著しく高い容量維持率を示している。 As is clear from the results shown in Table 2, the batteries A1 and A2 according to the present invention show a significantly higher capacity retention ratio than the comparative battery B1.
以上のように、 微結晶シリコン薄膜を負極活物質として用いることに より、 リチウム二次電池の充放電サイクル特性が著しく改善されている。 微結晶シリコン薄膜において、 リチウムを吸蔵 ·放出する際の膨張収縮 が緩和されているため、 負極活物質の微粉化を抑制することができ、 集 電特性の悪化を抑制しているものと思われる。 As described above, by using the microcrystalline silicon thin film as the negative electrode active material, the charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery have been significantly improved. Since the expansion and shrinkage of lithium in the microcrystalline silicon thin film during absorption and desorption are alleviated, it is possible to suppress the pulverization of the negative electrode active material and suppress the deterioration of the current collection characteristics. .
(実験 2 ) (Experiment 2)
基板である集電体として電解銅箔 (厚み 1 8 μ πι) を用いる以外は、 上記実験 1の電池 A 1と同様にして、 電解銅箔上に微結晶シリコン薄膜 (厚み約 1 0 /z m) を形成して電極 a 3を作製し、 これを用いて電池 A 3を作製した。 A microcrystalline silicon thin film (about 10 / zm thick) was formed on the electrolytic copper foil in the same manner as in Battery A1 of Experiment 1 except that an electrolytic copper foil (thickness: 18 μππ) was used as the current collector as the substrate. ) Was formed to produce electrode a3, and using this, battery A3 was produced.
また、 実験 1で用いた圧延銅箔の表面をエメリー紙 # 4 0 0または # 1 2 0で 1分間研磨処理した銅箔を作製し、 これらの銅箔を基板である 集電体として用いる以外は、 上記実験 1の電池 A 1と同様にして、 銅箔 上に微結晶シリコン薄膜 (厚み約 1 0 / m) を形成して電極を作製した c ェメリー紙 # 4 0 0で研磨したものを電極 a 4とし、 ェメリー紙 # 1 2
0で研磨したものを電極 a 5とした。 これらを用いて電池 A 4及ぴ A 5 を上記実験 1と同様にして作製した。 The rolled copper foil used in Experiment 1 was polished with emery paper # 400 or # 120 for 1 minute to produce copper foil, and these copper foils were used as current collectors as substrates. In the same manner as for Battery A1 in Experiment 1 above, a microcrystalline silicon thin film (approximately 10 / m thick) was formed on a copper foil to produce electrodes. Electrode a 4 and emery paper # 1 2 The electrode a5 was polished with 0. Using these, batteries A4 and A5 were produced in the same manner as in Experiment 1 described above.
これらの電池 A 3〜A 5並びに上記実験 1で作製した電池 A 1及び電 池 B 1について、 上記実験 1 と同様の充放電サイクル条件で、 充放電サ ィクル試験を行い、 1 0サイクル目の容量維持率を求めた。 結果を表 3 に示す。 なお、 表 3には、 電池 A 1及び電池 B 1の集電体である銅箔及 ぴ電池 A 3〜A 5の集電体である銅箔の表面粗さ R a及び局部山頂の平 均間隔 Sを併せて示す。 A charge-discharge cycle test was performed on these batteries A3 to A5 and the batteries A1 and B1 produced in Experiment 1 above under the same charge-discharge cycle conditions as in Experiment 1 above. The capacity retention was determined. Table 3 shows the results. Table 3 shows the surface roughness Ra and the average of the local peaks of the copper foil as the current collector of the batteries A1 and B1 and the copper foil as the current collector of the batteries A3 to A5. The interval S is also shown.
銅箔の表面粗さ R a及び局部山頂の平均間隔 Sは、 触針式表面形状測 定器 D e k t a k S T (日本真空技術社製) を用い、 測定距離を 2 . O m mに設定して測定した。 表面粗さ R aの計算は、 たわみ分の補正後 に行った。 たわみの補正に用いた補正値は、 ローパス = 2 0 0 / m、 ハ ィパス = 2 0 μ mである。 表面粗さ R aは自動計算された値であり、 局 部山頂の平均間隔 Sはチヤ一トから読み取った値である。 表 3 The surface roughness Ra of the copper foil and the average distance S between the local peaks were measured using a stylus type surface profiler D ektak ST (manufactured by Nippon Vacuum Engineering Co., Ltd.) with the measurement distance set to 2.0 mm. did. The calculation of the surface roughness Ra was performed after correcting the deflection. The correction values used for the deflection correction are low-pass = 200 / m and high-pass = 20 μm. The surface roughness Ra is a value automatically calculated, and the average interval S between local peaks is a value read from a chart. Table 3
表 3に示す結果から明らかなように、 表面粗さ R aの値が大きな銅箔
を集電体として用いた電池 A 3〜A 5は、 表面粗さ R aの値が小さな銅 箔を用いた電池 A 1に比べ、 1 0サイクル目の容量維持率が向上してい ることがわかる。 これは、 表面粗さ R aの値が大きな銅箔を集電体とし て用いることにより、 集電体と活物質との密着性が向上し、 リチウムを 吸蔵 ·放出する際の活物質の膨張収縮による活物質の構造変化の影響を 低減することができるためであると思われる。 As is evident from the results shown in Table 3, copper foil with a large surface roughness Ra Batteries A3 to A5, which used the current collector as a current collector, showed that the capacity retention rate at the 10th cycle was improved compared to battery A1, which used copper foil with a small surface roughness Ra. Understand. This is because the use of a copper foil with a large surface roughness Ra as the current collector improves the adhesion between the current collector and the active material, and expands the active material when occluding and releasing lithium. This is probably because the effect of the structural change of the active material due to shrinkage can be reduced.
(実験 3 ) (Experiment 3)
上記実験 1で作製した電池 A 1及び上記実験 2で作製した電池 A 3に ついて、 上記実験 1と同様の充放電サイクル条件で、 さらに充放電サイ クル試験を行い、 3 0サイクル目の容量維持率を求めた。 結果を表 4に 示す。 表 4 A further charge-discharge cycle test was performed on battery A1 prepared in Experiment 1 above and battery A3 prepared in Experiment 2 above under the same charge-discharge cycle conditions as in Experiment 1 above, and the capacity was maintained at the 30th cycle. The rate was determined. Table 4 shows the results. Table 4
表 4に示す結果から明らかなように、 3 0サイクル目においても、 電 池 A 1及び電池 A 3は良好な容量維持率を示している。 特に、 表面粗さ R aの値が大きな銅箔を集電体として用いた電池 A 3が良好な容量維持 率を示している。 As is clear from the results shown in Table 4, even at the 30th cycle, the battery A1 and the battery A3 show a good capacity retention rate. In particular, battery A3 using a copper foil having a large surface roughness Ra as a current collector shows a good capacity retention rate.
そこで、 電池 A 3に用いた電極 a 3のシリコン薄膜の状態を電子顕微 鏡で観察した。 先ず、 電池に組み込む前の状態、 すなわち充放電前の状 態の電極 a 3を走査型電子顕微鏡で観察した。 図 2及び図 3は、 それぞ
れ充放電前の電極 a 3を示す走査型電子顕微鏡写真 (二次電子像) であ る。 図 2の倍率は 2 0 0 0倍であり、 図 3の倍率は 5 0 0 0倍である。 サンプルは、 電極を樹脂で包埋し、 これをスライスしたものを用いた。 図 2において上方端部及び下方端部に観察される層及び図 3において上 方端部に観察される層は、 この包埋樹脂の層である。 Therefore, the state of the silicon thin film of the electrode a3 used for the battery A3 was observed with an electron microscope. First, the electrode a3 before being incorporated into the battery, that is, before charging and discharging, was observed with a scanning electron microscope. Figures 2 and 3 are 3 is a scanning electron micrograph (secondary electron image) showing electrode a3 before charge and discharge. The magnification of FIG. 2 is 2000 times, and the magnification of FIG. 3 is 5000 times. The sample used was one in which the electrodes were embedded in resin and sliced. The layer observed at the upper end and the lower end in FIG. 2 and the layer observed at the upper end in FIG. 3 are the layers of the embedding resin.
図 2及び図 3において、 やや明るい部分は、 銅箔の部分を示しており、 銅箔の上にやや暗い部分としてシリ コン薄膜 (厚み約 1 0 / m) が形成 されている。 図 2及び図 3に示すように、 銅箔の表面には凹凸が形成さ れており、 特に凸部は錐体状になっている。 そしてその上に設けられた シリ コン薄膜の表面にも、 銅箔の凹凸と同様の凹凸が形成されている。 従って、 シリコン薄膜表面の凹凸は、 銅箔表面の凹凸により形成されて いるものと思われる。 In FIGS. 2 and 3, the slightly bright portion indicates a copper foil portion, and a silicon thin film (about 10 / m thick) is formed on the copper foil as a slightly dark portion. As shown in FIGS. 2 and 3, irregularities are formed on the surface of the copper foil, and particularly, the convex portions have a cone shape. The surface of the silicon thin film provided thereon also has irregularities similar to those of the copper foil. Therefore, it is considered that the irregularities on the surface of the silicon thin film are formed by the irregularities on the surface of the copper foil.
次に、 上記の 3 0サイクル後の電池 A 3から取り出した電極 a 3につ いて同様にして樹脂で包埋して走査型電子顕微鏡で観察した。 なお、 電 極 a 3は放電後に取り出した。 従って、 観察した電極 a 3は放電後の状 態のものである。 Next, the electrode a3 taken out of the battery A3 after the 30th cycle was embedded in a resin in the same manner and observed with a scanning electron microscope. The electrode a3 was taken out after discharging. Therefore, the observed electrode a3 is in a state after discharge.
図 4及び図 5は、 この放電後の電極 a 3を示す走査型電子顕微鏡写真 (二次電子像) である。 図 4の倍率は 5 0 0倍であり、 図 5の倍率は 2 5 0 0倍である。 4 and 5 are scanning electron microscope photographs (secondary electron images) showing the electrode a3 after the discharge. The magnification in FIG. 4 is 500 ×, and the magnification in FIG. 5 is 2500 ×.
図 4及び図 5に示すように、 シリ コン薄膜には、 その厚み方向に切れ 目が形成され、 この切れ目によって、 シリ コン薄膜が柱状に分離されて いることがわかる。 また、 切れ目は厚み方向に形成されているが、 面方 向にはほとんど形成されておらず、 柱状部分の底部は集電体である銅箔 と密着していることがわかる。 また、 柱状部分の上方部は丸みを帯びた 形状であり、 充放電前のシリコン薄膜表面の凹凸の谷部から切れ目が形 成されていることがわかる。
さらに、 充放電後の電極 a 3のシリコン薄膜の表面を、 走査型電子顕 微鏡で観察した。 図 6及び図 7はシリコン薄膜の表面を上方から観察し た走査型電子顕微鏡写真 (二次電子像) であり、 図 6の倍率は 1 0 0 0 倍、 図 7の倍率は 5 0 0 0倍である。 図 8及び図 9は、 シリコン薄膜の 表面をやや斜め方向から観察した走査型電子顕微鏡写真 (二次電子像) であり、 図 8の倍率は 1 0 0 0倍、 図 9の倍率は 5 0 0 0倍である。 図 6〜図 9に示すように、 シリコン薄膜の柱状部分の周りには切れ目 が形成されており、 隣接する柱状部分との間に隙間が設けられている。 このため、 充電の際シリコン薄膜がリチウムを吸蔵し、 柱状部分が膨張 してその体積が増加しても、 柱状部分の周囲に形成れた隙間により、 こ の体積増加を吸収することができるものと思われる。 また、 放電の際に はシリコン薄膜の柱状部分がリチウムを放出し収縮するため、 再び体積 が減少し、 柱状部分の周りに隙間が形成されるものと思われる。 このよ うなシリコン薄膜の柱状構造により、 充放電の際の活物質の膨張収縮を 緩和することができるものと思われる。 As shown in FIGS. 4 and 5, it can be seen that a cut is formed in the silicon thin film in the thickness direction, and the cut separates the silicon thin film into a column shape. Although the cut is formed in the thickness direction, it is hardly formed in the surface direction, and it can be seen that the bottom of the columnar portion is in close contact with the copper foil as the current collector. In addition, the upper part of the columnar part has a rounded shape, and it can be seen that a cut is formed from the uneven valley on the surface of the silicon thin film before charging and discharging. Further, the surface of the silicon thin film of the electrode a3 after charging and discharging was observed with a scanning electron microscope. FIGS. 6 and 7 are scanning electron micrographs (secondary electron images) of the surface of the silicon thin film observed from above. The magnification of FIG. 6 is 100 ×, and the magnification of FIG. It is twice. 8 and 9 are scanning electron micrographs (secondary electron images) of the surface of the silicon thin film observed from a slightly oblique direction. The magnification of FIG. 8 is 100 ×, and the magnification of FIG. It is 0 times. As shown in FIGS. 6 to 9, a cut is formed around the columnar portion of the silicon thin film, and a gap is provided between the columnar portion and the adjacent columnar portion. Therefore, even when the silicon thin film absorbs lithium during charging and the columnar portion expands and its volume increases, the gap formed around the columnar portion can absorb this volume increase. I think that the. In addition, during discharge, the columnar portion of the silicon thin film releases lithium and contracts, so that the volume is reduced again and a gap is likely to be formed around the columnar portion. It is thought that such a columnar structure of the silicon thin film can alleviate the expansion and contraction of the active material during charging and discharging.
また、 シリ コン薄膜に切れ目が形成され、 柱状に分離されることによ り、 電解液との接触面積が大幅に増加する。 また、 柱状部分がほぼ同程 度の大きさでそれぞれ形成されているので、 リチウムの吸蔵 ·放出を伴 ぅ充放電反応が活物質薄膜内において効率的になされるものと思われる。 また、 図 4及び図 5に示すように、 シリ コン薄膜の各柱状部分は集電 体と密着しているので、 活物質が集電体に良好な状態で電気的に接続さ れており、 充放電反応を効率的に行うことができるものと思われる。 また、 図 6〜図 9に示すように、 柱状部分の上方部は丸みを帯びた形 状を有している。 従って、 電流の集中が生じ難く、 リチウム金属の析出 反応等を生じ難い電極構造となっている。 In addition, cuts are formed in the silicon thin film, and the silicon thin film is separated into columns, thereby greatly increasing the contact area with the electrolyte. In addition, since the columnar portions are formed with approximately the same size, it is considered that the charge / discharge reaction involving the occlusion and release of lithium is efficiently performed in the active material thin film. Also, as shown in FIGS. 4 and 5, each columnar portion of the silicon thin film is in close contact with the current collector, so that the active material is electrically connected to the current collector in a good condition. It seems that the charge / discharge reaction can be performed efficiently. Further, as shown in FIGS. 6 to 9, the upper part of the columnar portion has a rounded shape. Therefore, the electrode structure is such that current concentration hardly occurs and lithium metal precipitation reaction does not easily occur.
図 1 0は、 銅箔上に形成されたシリコン薄膜に切れ目が形成され、 柱
状に分離される工程を示す模式的断面図である。 Figure 10 shows that a cut is formed in the silicon thin film formed on the copper foil, FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a step of separating the wafer into a shape.
図 1 0 ( a ) に示すように、 銅箔 1 0の表面 1 0 aには、 凹凸が形成 されている。 このような凹凸は、 表面粗さ R aの値が大きな銅箔程、 よ り大きな凹凸となる。 As shown in FIG. 10 (a), irregularities are formed on the surface 10 a of the copper foil 10. Such irregularities become larger as the copper foil has a larger value of the surface roughness Ra.
図 1 0 ( b ) は、 銅箔 1 0の凹凸が形成された表面 1 0 aの上に、 非 結晶シリ コン薄膜 1 1を堆積した状態を示している。 シリコン薄膜 1 1 の表面 1 1 aは、 銅箔 1 0の表面 1 0 aの凹凸の影響を受け、 銅箔 1 0 の表面 1 0 aの凹凸と同様の凹凸を有している。 充放電前においては、 図 1 0 ( b ) に示すように、 シリコン薄膜 1 1は連続した薄膜である。 このような状態で、 充電を行うと、 シリコン薄膜 1 1中にリチウムが吸 蔵され、 シリ コン薄膜 1 1の体積が膨張する。 このときのシリコン薄膜 1 1の膨張は、 薄膜の面方向及び厚み方向に共に生じるものと思われる 力 s、 その詳細は明らかでない。 次に、 放電反応の際には、 シリコン薄膜 FIG. 10 (b) shows a state in which the amorphous silicon thin film 11 is deposited on the surface 10a of the copper foil 10 on which the irregularities are formed. The surface 11 a of the silicon thin film 11 is affected by the unevenness of the surface 10 a of the copper foil 10 and has the same unevenness as the unevenness of the surface 10 a of the copper foil 10. Before charging and discharging, the silicon thin film 11 is a continuous thin film as shown in FIG. 10 (b). When charging is performed in such a state, lithium is absorbed in the silicon thin film 11 and the volume of the silicon thin film 11 expands. The expansion of the silicon thin film 11 at this time is a force s which is considered to occur in both the surface direction and the thickness direction of the thin film, and details thereof are not clear. Next, during the discharge reaction, a silicon thin film
1 1からリチウムが放出され、 体積が収縮する。 このとき、 シリコン薄 膜 1 1内では引っ張り応力が生じる。 このような応力は、 おそらくシリ コン薄膜 1 1の表面 1 1 aの凹凸の谷部 1 1 bに集中し、 このため、 図 1 0 ( c ) に示すように、 谷部 1 1 bを起点として、 厚み方向に切れ目 1 2が形成されるものと思われる。 このように形成された切れ目 1 2に より、 応力が開放され、 シリコン薄膜 1 1が銅箔 1 0から剥離すること なく、 シリ コン薄膜 1 1が収縮するものと思われる。 Lithium is released from 11 and the volume shrinks. At this time, tensile stress occurs in the silicon thin film 11. Such stress is probably concentrated at the valleys 1 1b of the irregularities on the surface 11 a of the silicon thin film 11, and therefore, as shown in FIG. 10 (c), the starting point at the valleys 1 1 b It is considered that a cut 12 is formed in the thickness direction. It is considered that the stress is released by the cuts 12 thus formed, and the silicon thin film 11 is shrunk without the silicon thin film 11 peeling off from the copper foil 10.
以上のようにして柱状に分離されたシリ コン薄膜は、 その後の充放電 サイクルにおいても、 上述のように、 柱状部分の周りに形成された隙間 により、 活物質の膨張収縮が緩和されるため、 活物質が集電体から剥離 することなく充放電サイクルを繰り返すことができるものと思われる。 As described above, the silicon thin film separated into a columnar shape in the subsequent charge / discharge cycle reduces the expansion and contraction of the active material due to the gap formed around the columnar portion, as described above. It seems that the charge / discharge cycle can be repeated without the active material peeling off from the current collector.
さらに、 上記シリコン薄膜に切れ目が形成されるメカニズムについて 検討するため、 電解銅箔上に膜厚約 1 0 μ mの微結晶シリコン薄膜を形
成した電極 a 3について透過型電子顕微鏡で観察した。 図 1 1は、 充放 電前の電極 a 3の断面を示す透過型電子顕微鏡写真 (倍率 1 2 5 0 0 倍) である。 観察したサンプルは、 電極を樹脂で包埋し、 これをスライ スしたものを用いた。 Furthermore, in order to study the mechanism by which a break is formed in the silicon thin film, a microcrystalline silicon thin film with a thickness of about 10 μm was formed on the electrolytic copper foil. The formed electrode a3 was observed with a transmission electron microscope. FIG. 11 is a transmission electron micrograph (magnification: 1250 ×) showing a cross section of electrode a3 before charging and discharging. The observed sample was obtained by embedding the electrode in a resin and slicing it.
図 1 3は、 図 1 1に示す透過型電子顕微鏡写真を模式的に示す図であ る。 図 1 1に示す透過型電子顕微鏡写真においては、 図 1 3に示すよう に電解銅箔 1 0の表面 1 0 a上に、 シリコン薄膜 1 1が形成されている。 なお、 透過型電子顕微鏡写真においては、 シリコン薄膜 1 1は銅箔 1 0 よりも明るい部分として示されている。 図 1 1に示されたシリコン薄膜 1 1を観察すると、 シリコン薄膜 1 1の表面 1 1 aの凹凸の谷部 1 1 b と、 銅箔 1 0の表面 1 0 aの凹凸の谷部 1 0 bを結ぶ領域により明るい 部分が観察される。 図 1 3においては、 この明るい部分を A、 B及ぴ C として一点鎖線で図示している。 特に Aで示す領域において明るい部分 がより明確に観察されている。 これらの領域は、 シリコン薄膜 1 1にお いて密度が低い領域、 すなわち低密度領域であると考えられる。 この低 密度領域についてさらに詳細に観察するため、 電極 a 3と同様の条件で 電解銅箔上に膜厚約 2 mの微結晶シリコン薄膜を形成した電極 a 6を 作製した。 FIG. 13 is a diagram schematically showing the transmission electron microscope photograph shown in FIG. In the transmission electron micrograph shown in FIG. 11, a silicon thin film 11 is formed on the surface 10 a of the electrolytic copper foil 10 as shown in FIG. In the transmission electron micrograph, the silicon thin film 11 is shown as a portion brighter than the copper foil 10. Observing the silicon thin film 11 shown in FIG. 11, the surface 11 a of the silicon thin film 11 1 and the valley 11 b of the unevenness of the surface 10 a of the copper foil 10 1 10 b A brighter part is observed in the region connecting b. In FIG. 13, the bright portions are indicated by dashed lines as A, B and C. Particularly in the region indicated by A, a bright portion is more clearly observed. These regions are considered to be regions having a low density in the silicon thin film 11, that is, low-density regions. In order to observe this low-density region in more detail, an electrode a6 in which a microcrystalline silicon thin film having a thickness of about 2 m was formed on an electrolytic copper foil under the same conditions as the electrode a3.
図 1 2は、 この電極 a 6を上記と同様にして透過型電子顕微鏡で観察 した時の透過型電子顕微鏡写真である。 図 1 2において、 倍率は 2 5 0 0 0倍である。 図 1 4は、 図 1 2に示す透過型電子顕微鏡写真を模式的 に示す図である。 図 1 2から明らかなように、 電極 a 6においても、 シ リコン薄膜 1 1の表面 1 1 aの凹凸の谷部 1 1 bと、 銅箔 1 0の表面 1 0 aの凹凸の谷部 1 0 bを結ぶ領域 Dにおいて低密度領域が観察される さらに詳細に図 1 2の写真を観察すると、 図 1 4において矢印で示す方 向に延びる微細な筋がシリ コン薄膜 1 1中に観察される。 この筋は、 お
そらくシリコン薄膜の成長に伴って形成されるものと考えられる。 従つ て、 シリコン薄膜 1 1は、 銅箔 1 0の表面 1 0 aに対し略垂直方向に成 長するものと考えられる。 そして、 このような方向に成長するシリコン 薄膜の層は、 隣接する銅箔表面の傾斜面上に堆積し成長する層と領域 D の部分で互いにぶつかり合い、 この結果として領域 Dの部分に低密度領 域が形成されるものと考えられる。 このようなシリコン薄膜層のぶっか り合いが薄膜形成完了まで続き、 低密度領域がシリコン薄膜の表面まで 引き続き形成されるものと思われる。 FIG. 12 is a transmission electron microscope photograph when the electrode a6 was observed with a transmission electron microscope in the same manner as described above. In FIG. 12, the magnification is 25000 times. FIG. 14 is a diagram schematically showing the transmission electron micrograph shown in FIG. As is clear from FIG. 12, also in the electrode a 6, the valleys 1 1 b of the surface 11 a of the silicon thin film 11 1 and the valleys 1 1 b of the surface 10 a of the copper foil 10 1 A low-density region is observed in the region D connecting 0b.When the photograph of FIG. 12 is observed in more detail, fine streaks extending in the direction indicated by the arrow in FIG. 14 are observed in the silicon thin film 11. You. This line is It is thought that it is probably formed with the growth of the silicon thin film. Therefore, it is considered that the silicon thin film 11 grows in a direction substantially perpendicular to the surface 10a of the copper foil 10. Then, the layer of silicon thin film growing in such a direction collides with the layer deposited and grown on the inclined surface of the adjacent copper foil surface in the area D, and as a result, the low density It is thought that a region will be formed. It is thought that such collision of the silicon thin film layers will continue until the formation of the thin film is completed, and the low density region will continue to be formed up to the surface of the silicon thin film.
図 1 5は、 電極 a 3の表面を上方から観察した走査型電子顕微鏡写真 (二次電子像) である。 図 1 5に示す電極 a 3は充放電前の状態のもの である。 図 1 5の倍率は 1 0 0 0倍である。 図 1 5において、 明るい部 分はシリコン薄膜表面の凸部であり、 その周囲の暗い部分はシリコン薄 膜表面の谷部である。 図 1 5に示すように、 シリコン薄膜表面の谷部は 網目状に連なっている。 従って、 シリ コン薄膜における上記低密度領域 は、 面方向に網目状に連なって形成されていることがわかる。 このよう な網目状の低密度領域は、 図 1 1及び図 1 3に示すように、 さらに集電 体に向かって厚み方向に延びている。 なお、 図 1 5における暗い部分が 切れ目 (空隙) でないことは、 図 2及び図 3に示す走査型電子顕微鏡写 真において厚み方向に切れ目 (空隙) が観察されないことから明らかで ある。 FIG. 15 is a scanning electron micrograph (secondary electron image) of the surface of the electrode a3 observed from above. The electrode a3 shown in FIG. 15 is in a state before charge and discharge. The magnification in FIG. 15 is 1000 times. In Fig. 15, the bright part is the convex part of the silicon thin film surface, and the surrounding dark part is the valley part of the silicon thin film surface. As shown in Fig. 15, the valleys on the surface of the silicon thin film are connected in a network. Therefore, it can be seen that the low-density region in the silicon thin film is formed in a network in the plane direction. Such a network-like low-density region further extends in the thickness direction toward the current collector, as shown in FIGS. 11 and 13. The fact that the dark part in FIG. 15 is not a cut (void) is apparent from the fact that no cut (void) is observed in the thickness direction in the scanning electron microscope photographs shown in FIGS.
図 1 6は、 充放電前の状態の電極 a 6の表面を上方から観察した走査 型電子顕微鏡写真 (二次電子像) であり、 倍率は 1 0 0 0倍である。 図 1 6から明らかなように、 電極 a 6においても谷部が網目状に連なって おり、 従って低密度領域が面方向に網目状に連なっていることがわかる 図 1 7は、 電極 a 6におけるシリ コン薄膜の深さ方向での構成元素の 濃度分布を示す図である。 構成元素の濃度分布は、 S I M Sにより、 O
2+をスパッタ源に用いて、 銅元素 (63 C uつ 及びシリ コン元素 (S i 2+) の濃度を測定することにより行った。 図 1 7において横軸はシリ コン薄膜表面からの深さ ( z m) を示しており、 縦軸は各構成元素の強 度 (カウント数) を示している。 FIG. 16 is a scanning electron micrograph (secondary electron image) of the surface of the electrode a6 before charging / discharging, observed from above, with a magnification of 1000 times. As is evident from Fig. 16, the valleys are also connected in a mesh pattern in the electrode a6, and thus the low-density region is connected in a mesh pattern in the plane direction. FIG. 4 is a diagram showing a concentration distribution of constituent elements in a depth direction of a silicon thin film. The concentration distribution of the constituent elements is 2 + using a sputtering source, the horizontal axis in. FIG. 1 7 was performed by measuring the concentration of a copper element (63 C u one and silicon elements (S i 2 +) is the depth from the silicon thin film surface (Zm), and the vertical axis indicates the strength (count) of each constituent element.
図 1 7から明らかなように、 集電体近傍ではシリコン薄膜に集電体の 成分である銅 (C u ) が拡散しており、 シリコン薄膜の表面に近づくに つれて集電体の成分である銅 (C u ) の濃度が減少していることがわか る。 また、 銅 (C u ) の濃度が連続的に変化していることから、 銅 (C u ) が拡散している領域においては、 シリコンと銅の金属間化合物では なく、 シリ コンと銅の固溶体が形成されていることがわかる。 As is clear from Fig. 17, near the current collector, copper (Cu), which is a component of the current collector, diffuses into the silicon thin film, and the component of the current collector becomes closer to the surface of the silicon thin film. It can be seen that the concentration of certain copper (Cu) has decreased. In addition, since the concentration of copper (Cu) is continuously changing, in the region where copper (Cu) is diffused, a solid solution of silicon and copper is used instead of an intermetallic compound of silicon and copper. It can be seen that is formed.
以上のことを考慮すると、 充放電によるシリコン薄膜の膨張収縮によ りシリコン薄膜に厚み方向の切れ目が形成されるメカュズムは以下の通 りであると考えられる。 すなわち、 図 1 0を参照して説明したように、 シリコン薄膜の体積の膨張収縮により生じる応力は、 シリコン薄膜表面 の凹凸の谷部に集中するとともに、 この谷部から下方の集電体に向かつ て低密度領域が予め存在しており、 この低密度領域が機械的強度の低い 部分であることから、 この低密度領域に沿って切れ目 (空隙) が形成さ れるものと思われる。 In view of the above, the mechanism by which a break in the thickness direction is formed in the silicon thin film due to expansion and contraction of the silicon thin film due to charge and discharge is considered as follows. That is, as described with reference to FIG. 10, the stress generated by the expansion and contraction of the volume of the silicon thin film concentrates on the valley of the unevenness on the surface of the silicon thin film, and also flows from the valley toward the current collector below. A low-density region previously exists, and since the low-density region is a portion having low mechanical strength, it is considered that a cut (void) is formed along the low-density region.
さらに図 1 7に示すように、 シリコン薄膜中には、 集電体の成分であ る銅元素が拡散しており、 しかも集電体近傍では銅の濃度が高く、 シリ コン薄膜表面に近づくにつれて銅の濃度が减少する濃度勾配を有してい る。 従って、 集電体近傍ではリチウムと反応しない銅の濃度が高くなり、 リチウムと反応するシリコンの濃度が小さくなつている。 このため、 集 電体近傍ではリチウムの吸蔵 ·放出が少なく、 従ってシリコン薄膜の膨 張収縮が相対的に小さくなると考えられる。 このため、 集電体近傍のシ リコン薄膜に生じる応力が小さくなり、 集電体近傍では、 シリコン薄膜 Furthermore, as shown in Fig. 17, the copper element, which is a component of the current collector, is diffused in the silicon thin film, and the concentration of copper is high near the current collector, and as it approaches the surface of the silicon thin film, It has a concentration gradient in which the concentration of copper is small. Therefore, the concentration of copper that does not react with lithium increases near the current collector, and the concentration of silicon that reacts with lithium decreases. For this reason, it is thought that the absorption and release of lithium are small near the current collector, and the expansion and contraction of the silicon thin film are relatively small. For this reason, the stress generated in the silicon thin film near the current collector is reduced, and the silicon thin film near the current collector is reduced.
5
が集電体から剥離あるいは脱離するような切れ目 (空隙) が生じにく く、 シリコン薄膜の柱状部分の底部は集電体との密着状態を保つことができ るものと考えられる。 Five It is unlikely that breaks (voids) that would separate or detach from the current collector would occur, and the bottom of the columnar portion of the silicon thin film would be able to maintain close contact with the current collector.
以上のようにして形成される切れ目によって柱状に分離されたシリコ ン薄膜は、 充放電サイクルにおいても、 集電体と強固に密着しており、 かつ柱状部分の周りに形成された隙間により、 充放電サイクルに伴う薄 膜の膨張収縮が緩和されるため、 優れた充放電サイクル特性が得られる ものと考えられる。 The silicon thin film separated into columns by the cuts formed as described above is firmly adhered to the current collector even in the charge / discharge cycle, and is filled by the gaps formed around the columnar portions. It is thought that excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained because the expansion and contraction of the thin film due to the discharge cycle are alleviated.
(実験 4 ) (Experiment 4)
〔電極 a 7の作製〕 [Preparation of electrode a 7]
基板である集電体として、 電極 a 3に用いたのと同様の電解銅箔を用 レ、、 この上に R Fスパッタリング法により非晶質ゲルマニウム薄膜 (厚 み約 2 /z m) を形成して電極 a 7を作製した。 The same electrolytic copper foil as that used for the electrode a3 was used as the current collector as the substrate, and an amorphous germanium thin film (about 2 / zm thick) was formed on this by RF sputtering. Electrode a7 was produced.
薄膜形成条件は、 ターゲット : ゲルマニウム、 スパッタガス (A r ) 流量: 1 0 0 s c c m、 基板温度:室温 (加熱なし) 、 反応圧力 0 . 1 P a、 高周波電力 2 0 0 Wとした。 The thin film forming conditions were as follows: target: germanium, sputtering gas (Ar), flow rate: 100 sccm, substrate temperature: room temperature (no heating), reaction pressure: 0.1 Pa, and high-frequency power: 200 W.
得られたゲルマニウム薄膜について、 ラマン分光分析を行ったところ、 2 7 4 c m— 1 近傍のピークは検出されたが、 3 0 0 c m— 1近傍のピー クは検出されなかった。 このことから、 得られたゲルマニウム薄膜は非 晶質ゲルマニウム薄膜であることが確認された。 When the obtained germanium thin film was analyzed by Raman spectroscopy, a peak near 274 cm- 1 was detected, but a peak near 300 cm- 1 was not detected. From this, it was confirmed that the obtained germanium thin film was an amorphous germanium thin film.
〔電極 a 8の作製〕 [Preparation of electrode a 8]
電極 a 7の集電体と同様の電解銅箔を用いて、 この上に蒸着法により 非晶質ゲルマニウム薄膜 (厚み約 2 μ ηι) を形成して電極 a 8を作製し た。 Using the same electrolytic copper foil as the current collector of the electrode a7, an amorphous germanium thin film (about 2 μηι) was formed thereon by vapor deposition to produce an electrode a8.
具体的には、 図 1 8に示す構成の装置を用い、 ゲルマニウム薄膜を基 板上に形成した。 図 1 8を参照して、 E C Rプラズマ源 8 1には、 ブラ
ズマ発生室 8 2が設けられており、 プラズマ発生室 8 2にマイクロ波電 力 8 5及び A rガス 8 6が供給される。 プラズマ発生室 8 2にマイクロ 波電力 8 5が供給されると、 A rプラズマが発生する。 この A rプラズ マ 8 3をプラズマ発生室 8 2から引き出し、 基板 8 0に照射する。 基板 8 0の下方には、 電子ビーム (E B ) ガン 8 4が設けられており、 電子 ビームガン 8 4からの電子ビームにより、 ゲルマニウム薄膜を基板 8 0 上に堆積することができる。 Specifically, a germanium thin film was formed on the substrate using the apparatus having the configuration shown in FIG. Referring to FIG. 18, the ECR plasma source 81 has a A plasma generation chamber 82 is provided, and a microwave power 85 and an Ar gas 86 are supplied to the plasma generation chamber 82. When microwave power 85 is supplied to the plasma generation chamber 82, Ar plasma is generated. The Ar plasma 83 is drawn out of the plasma generation chamber 82 and irradiated on the substrate 80. An electron beam (EB) gun 84 is provided below the substrate 80, and a germanium thin film can be deposited on the substrate 80 by the electron beam from the electron beam gun 84.
基板である電解銅箔上にゲルマニウム薄膜を堆積する前に、 A rブラ ズマを基板上に照射し前処理を行った。 反応室内の真空度を約 0 . 0 5 P a (約 5 X 1 0— 4 T o r r ) とし、 A rガス流量を 4 0 s c c mと し、 供給するマイク口波電力を 2 0 0 Wとして A rプラズマを基板上に 照射した。 A rプラズマを照射する際、 基板に— 1 0 0 Vのバイアス電 圧を印加した。 1 5分間 A rプラズマを照射し、 前処理を行った。 次 に、 電子ビームガンにより、 蒸着速度 1 n m/秒 (1 0 AZ秒) で、 基 板上にゲルマニウム薄膜を堆積させた。 基板温度は室温 (加熱なし) と した。 Before depositing a germanium thin film on the electrolytic copper foil as a substrate, Ar plasma was irradiated on the substrate to perform pretreatment. The vacuum degree in the reaction chamber to about 0. 0 5 P a and (about 5 X 1 0- 4 T orr) , A r gas flow rate was between 4 0 sccm, A microphone port wave power supplies as 2 0 0 W r Plasma was irradiated on the substrate. When irradiating Ar plasma, a bias voltage of −100 V was applied to the substrate. Pretreatment was performed by irradiating Ar plasma for 15 minutes. Next, a germanium thin film was deposited on the substrate by an electron beam gun at a deposition rate of 1 nm / sec (10 AZ seconds). The substrate temperature was room temperature (no heating).
得られたゲルマニウム薄膜について、 ラマン分光分析を行ったところ、 電極 a 7と同様に、 非晶質ゲルマニウム薄膜であることが確認された。 When the obtained germanium thin film was subjected to Raman spectroscopic analysis, it was confirmed that it was an amorphous germanium thin film, similarly to the electrode a7.
〔電極 b 2の作製〕 [Preparation of electrode b2]
平均粒子径が 1 0 μ mのゲルマニウム粉末を用い、 ゲルマニウム粉末 が 8 0重量部、 導電材としてのアセチレンブラックが 1 0重量部、 結着 剤としてのポリテトラフルォロエチレンが 1 0重量部となるように混合 し、 これを直径 1 7 m mの金型でプレスして加圧成形し、 ペレッ ト状の 電極 b 2を作製した。 Using germanium powder with an average particle diameter of 10 μm, germanium powder is 80 parts by weight, acetylene black as a conductive material is 10 parts by weight, and polytetrafluoroethylene as a binder is 10 parts by weight. Then, the mixture was pressed with a mold having a diameter of 17 mm and pressed to form a pellet-shaped electrode b2.
〔電池の作製〕 (Production of battery)
上記の電極 a 7、 a 8及ぴ b 2を負極として用い、 それ以外は実験 1
と同様にしてリチウム二次電池を作製した。 電極 a 7を負極として用い たものを電池 A 7とし、 電極 a 8を負極として用いたものを電池 A 8と し、 電極 b 2を負極として用いたものを電池 B 2とした。 The above-mentioned electrodes a7, a8 and b2 were used as negative electrodes, and other In the same manner as in the above, a lithium secondary battery was produced. A battery using the electrode a7 as a negative electrode was referred to as a battery A7, a battery using the electrode a8 as a negative electrode was referred to as a battery A8, and a battery using the electrode b2 as a negative electrode was referred to as a battery B2.
〔充放電サイクル特性の評価〕 (Evaluation of charge / discharge cycle characteristics)
上記各電池について、 2 5 にて、 0 . 1 m Aの電流で充電電圧が 4 , 2 Vとなるまで充電した後、 充電電圧が 2 . 7 5 Vとなるまで放電し、 これを 1サイクルの充放電とし、 1 0サイクル目の容量維持率を測定し た。 測定結果を表 5に示す。 表 5 For each of the above batteries, charge the battery at 0.1 mA with a current of 0.1 mA until the charging voltage reaches 4.2 V, then discharge it until the charging voltage reaches 2.7 V, and cycle this for one cycle. , And the capacity retention ratio at the 10th cycle was measured. Table 5 shows the measurement results. Table 5
表 5から明らかなように、 集電体上にゲルマニウム薄膜を形成した本 発明の電極を負極として用いた電池 A 7及び電池 8は、 ゲルマニウム粉 末を負極材料として用いた電池 B 2に比べ、 非常に良好な容量維持率を 示している。 As is evident from Table 5, the batteries A7 and 8 using the electrode of the present invention in which the germanium thin film was formed on the current collector as the negative electrode were compared with the battery B2 using the germanium powder as the negative electrode material. It shows a very good capacity retention rate.
〔電子顕微鏡による観察〕 [Observation by electron microscope]
図 1 9及び図 2 0は、 充放電前の状態の電極 a 7の断面を示す走査型 電子顕微鏡写真 (反射電子像) である。 図 1 9の倍率は 2 0 0 0倍であ り、 図 2 0の倍率は 1 0 0 0 0倍である。 FIGS. 19 and 20 are scanning electron micrographs (backscattered electron images) showing a cross section of the electrode a7 before charge and discharge. The magnification of FIG. 19 is 2000 ×, and the magnification of FIG. 20 is 1000 ×.
サンプルは、 電極を樹脂で包埋し、 これをスライスしたものを用いた
図 1 9において上方端部及び下方端部に観察される層及び図 2 0におい て上方端部に観察される層は、 この包埋樹脂の層である。 For the sample, the electrode was embedded in resin and sliced. The layer observed at the upper end and the lower end in FIG. 19 and the layer observed at the upper end in FIG. 20 are the layers of the embedding resin.
図 1 9及び図 2 0において、 明るい部分は、 銅箔及びゲルマニウム薄 膜であり、 明るい部分の表面の薄い層がゲルマニウム薄膜であり、 その 下が銅箔である。 銅箔の表面には凹凸が形成されており、 その上に設け られたゲルマニウム薄膜の表面にも、 銅箔の凹凸と同様の凹凸が形成さ れている。 従って、 ゲルマニウム薄膜表面の凹凸は銅箔表面の凹凸によ り形成されたものと思われる。 In FIGS. 19 and 20, the bright portions are the copper foil and the germanium thin film, the thin layer on the surface of the bright portion is the germanium thin film, and the copper foil is below. Irregularities are formed on the surface of the copper foil, and irregularities similar to those of the copper foil are also formed on the surface of the germanium thin film provided thereon. Therefore, it is considered that the irregularities on the germanium thin film surface were formed by the irregularities on the copper foil surface.
図 2 0において、 銅箔の左端の谷部上のゲルマニウム薄膜の領域には、 薄膜の厚み方向に延びる暗い部分が観察される、 この部分は、 ゲルマ二 ゥム薄膜において密度の低い領域、 すなわち低密度領域であると思われ る。 In FIG. 20, a dark portion extending in the thickness direction of the thin film is observed in the region of the germanium thin film on the valley at the left end of the copper foil. This portion is a low-density region in the germanium thin film, that is, Probably a low density region.
図 2 1及び図 2 2は、 充放電前の電極 a 8の断面を示す走査型電子顕 微鏡写真 (反射電子像) である。 図 2 1の倍率は 2 0 0 0倍であり、 図 2 2の倍率は 1 0 0 0 0倍である。 サンプルは、 図 1 9及び図 2 0に示 す電極 a 7と同様に、 樹脂によって包埋されている。 FIGS. 21 and 22 are scanning electron micrographs (backscattered electron images) showing the cross section of the electrode a8 before charging and discharging. The magnification in FIG. 21 is 2000 times, and the magnification in FIG. 22 is 1000 times. The sample is embedded in the resin similarly to the electrode a7 shown in FIGS. 19 and 20.
図 2 1及び図 2 2において、 明るい部分は銅箔の部分を示しており、 銅箔の上にやや暗い部分としてゲルマニウム薄膜 (厚み約 2 / m) が形 成されている。 電極 a 8においても、 電極 a 7と同様に、 ゲルマニウム 薄膜の表面に銅箔と同様の凹凸が形成されている。 In FIGS. 21 and 22, the bright part indicates the copper foil part, and a germanium thin film (about 2 / m thick) is formed on the copper foil as a slightly dark part. Similarly to the electrode a7, the electrode a8 has the same irregularities as the copper foil on the surface of the germanium thin film.
図 2 3及び図 2 4は、 1 0サイクル後の電池 A 7から取り出した電極 a 7の断面を示す走査型電子顕微鏡写真 (反射電子像) である。 また、 図 2 5及び図 2 6は、 1 0サイクル後の電池 A 8から取り出した電極 a 8の断面を示す走査型電子顕微鏡写真 (反射電子像) である。 いずれの サンプルも、 電極を樹脂で包埋し、 これをスライスしたものを用いてい る。 図 2 3及び図 2 5の倍率は 5 0 0倍であり、 図 2 4及び図 2 6の倍
率は 2 5 0 0倍である。 FIGS. 23 and 24 are scanning electron microscope photographs (backscattered electron images) showing the cross section of the electrode a7 taken out of the battery A7 after 10 cycles. FIGS. 25 and 26 are scanning electron microscope photographs (backscattered electron images) showing the cross section of the electrode a8 taken out of the battery A8 after 10 cycles. In each case, the electrodes were embedded in resin and sliced. The magnification of FIGS. 23 and 25 is 500 times, and the magnification of FIGS. 24 and 26 is double. The rate is 2500 times.
図 2 3〜図 2 6において、 ゲルマニウム薄膜の表面に観察される白い 部分は、 包埋樹脂に埋め込む際にゲルマニウム薄膜の表面にコートした 金である。 このように金でコートする理由は、 ゲルマニウム薄膜と樹脂 との反応を防ぐこと及び樹脂とゲルマニウム薄膜との境界を明確にする ためである。 23 to 26, the white part observed on the surface of the germanium thin film is gold coated on the surface of the germanium thin film when embedded in the embedding resin. The reason for coating with gold in this way is to prevent the reaction between the germanium thin film and the resin and to clarify the boundary between the resin and the germanium thin film.
図 2 3〜図 2 6から明らかなように、 ゲルマニウム薄膜の場合にも、 シリ コン薄膜と同様に、 充放電によって、 薄膜の厚み方向に切れ目が形 成され、 この切れ目によって、 薄膜が柱状に分離されていることがわか る。 また、 集電体である銅箔とゲルマニウム薄膜とのコントラス トの差 があまりないため、 その境界がわかりにぐくなつているが、 注意深く観 察すれば、 集電体の凸部に柱状のゲルマニウム薄膜が存在しており、 ゲ ルマニウム薄膜が集電体に密着していることがわかる。 As is clear from FIGS. 23 to 26, in the case of a germanium thin film, as in the case of a silicon thin film, a break is formed in the thickness direction of the thin film by charging and discharging, and the cut forms the thin film into a columnar shape. You can see that they are separated. Also, there is not much difference in contrast between the copper foil and the germanium thin film, which are current collectors, so the boundaries are easy to understand. It can be seen that a germanium thin film is present, and that the germanium thin film is in close contact with the current collector.
シリコン薄膜の場合と異なり、 ゲルマニウム薄膜の場合は、 横方向に も切れ目が観察されているが、 このような切れ目は、 断面観察のために ゲルマニウム薄膜を研磨した際に発生した可能性がある。 Unlike the silicon thin film, the germanium thin film also shows a cut in the lateral direction, but such a cut may have occurred when the germanium thin film was polished for cross-sectional observation.
また、 ゲルマニウム薄膜の場合、 柱状部分の間の切れ目 (空隙) の幅 がシリ コン薄膜に比べ大きくなつている。 これは、 充放電後の柱状部分 の高さが約 6 μ πιであり、 充放電前の膜厚 2 μ mの 3倍程度に高くなつ ていることから、 充電によってリチウムを吸蔵し膨張した薄膜が、 放電 によって収縮する際、 横方向、 すなわち面方向に主に収縮し、 厚み方向 の収縮率が小さいため、 柱状部分の間の切れ目 (隙間) の幅が大きくな ることによるものと思われる。 Also, in the case of a germanium thin film, the width of the gap (void) between the columnar portions is larger than that of the silicon thin film. This is because the height of the columnar part after charging and discharging is about 6 μπι, which is about three times higher than the film thickness of 2 μm before charging and discharging. However, when contracted by electric discharge, it contracts mainly in the horizontal direction, that is, in the plane direction, and the shrinkage rate in the thickness direction is small, so the width of the gap between the columnar parts (gap) seems to be large. .
図 2 7及び図 2 8は、 充放電後の電極 a 7のゲルマニウム薄膜の表面 を、 上方から観察した走査型電子顕微鏡写真 (二次電子像) であり、 図 2 7の倍率は 1 0 0 0倍、 図 2 8の倍率は 5 0 0 0倍である。 図 2 9及
び図 3 0は、 充放電後の電極 a 7のゲルマニウム薄膜の表面をやや斜め 方向から観察した走査型電子顕微鏡写真 (二次電子像) であり、 図 2 9 の倍率は 1 0 0 0倍、 図 3 0の倍率は 5 0 0 0倍である。 FIGS. 27 and 28 are scanning electron micrographs (secondary electron images) of the surface of the germanium thin film of the electrode a7 after charging / discharging, observed from above. The magnification of FIG. The magnification in FIG. 28 is 0 ×, and the magnification in FIG. Fig. 29 Fig. 30 is a scanning electron micrograph (secondary electron image) of the surface of the germanium thin film of the electrode a7 after charging and discharging, observed from a slightly oblique direction. The magnification in FIG. 30 is 5000 times.
図 3 1及び図 3 2は、 充放電後の電極 a 8のゲルマニウム薄膜の表面 を上方から観察した走査型電子顕微鏡写真 (二次電子像) であり、 図 3 1の倍率は 1 0 0 0倍、 図 3 2の倍率は 5 0 0 0倍である。 図 3 3及び 図 3 4は、 充放電後の電極 a 8のゲルマニウム薄膜の表面をやや斜め方 向から観察した走査型電子顕微鏡写真 (二次電子像) であり、 図 3 3の 倍率は 1 0 0 0倍、 図 3 4の倍率は 5 0 0 0倍である。 FIGS. 31 and 32 are scanning electron micrographs (secondary electron images) of the surface of the germanium thin film of the electrode a8 after charging / discharging, observed from above. The magnification of FIG. The magnification in FIG. 32 is 5000 times. Figures 33 and 34 are scanning electron micrographs (secondary electron images) of the surface of the germanium thin film of electrode a8 after charging and discharging, observed from a slightly oblique direction. The magnification of Figure 33 is 1 The magnification is 0000, and the magnification in FIG. 34 is 50,000.
図 2 7〜図 3 4に示すように、 ゲルマニウム薄膜の柱状部分の周りに は切れ目 (空隙) が形成されており、 隣接する柱状部分との間に隙間が 設けられている。 このため、 上述のシリコン薄膜と同様に、 充放電の際 の活物質の膨張収縮を緩和することができるものと思われる。 As shown in FIGS. 27 to 34, cuts (voids) are formed around the columnar portions of the germanium thin film, and gaps are provided between adjacent columnar portions. Therefore, it is considered that the expansion and contraction of the active material during charging and discharging can be reduced as in the case of the silicon thin film described above.
図 3 5は、 充放電前の電極 a 7のゲルマニウム薄膜の表面を上方から 観察した走査型電子顕微鏡写真 (二次電子像) である。 図 3 6は、 充放 電前の電極 a 8のゲルマ二ゥム薄膜の表面を上方から観察した走査型電 子顕微鏡写真 (二次電子像) である。 図 3 5及び図 3 6の倍率は、 1 0 0 0倍である。 Figure 35 is a scanning electron micrograph (secondary electron image) of the surface of the germanium thin film of electrode a7 before charging and discharging, observed from above. Figure 36 is a scanning electron micrograph (secondary electron image) of the surface of the germanium thin film of electrode a8 before charging and discharging, observed from above. The magnification in FIGS. 35 and 36 is 1000 times.
図 3 5及び図 3 6に示すように、 ゲルマニウム薄膜の表面には、 下地 の電解銅箔の回凸に沿った凹凸が形成されている。 ゲルマニウム薄膜の 谷部は網目状に連なっている。 このような谷部の厚み方向に沿って切れ 目 (空隙) が形成され、 ゲルマニウム薄膜の柱状部分が形成されること 力 Sわ力 る o As shown in FIGS. 35 and 36, irregularities are formed on the surface of the germanium thin film along the convexity of the underlying electrolytic copper foil. The valleys of the germanium thin film are connected in a network. Notches (voids) are formed along the thickness direction of such valleys, and columnar portions of the germanium thin film are formed.
C S I M Sによる深さ方向の濃度分布の分析〕 Analysis of concentration distribution in the depth direction by CSIMS)
図 3 7は、 電池に組み込む前、 すなわち充放電前の電極 a 7における 深さ方向の構成元素の濃度分布を示す図である。 図 3 8は、 同様に、 充
放電前の電極 a 8における深さ方向の構成元素の濃度分布を示す図であ る。 構成元素の濃度分布は、 二次イオン質量分析 (S I M S ) により、 0 2 +をスパッタ源に用いて、 銅元素 (63 C u— ) 及びゲルマニウム元素 ( 73 G e -) の濃度を、 薄膜表面から深さ方向に測定することにより行 つた。 横軸はゲルマニウム薄膜の表面からの深さ (μ πι) を示しており、 縦軸は各構成元素の強度 (カウント数) を示している。 FIG. 37 is a diagram showing the concentration distribution of constituent elements in the depth direction of the electrode a7 before being incorporated in the battery, that is, before charging and discharging. Figure 38 also shows FIG. 9 is a view showing a concentration distribution of constituent elements in a depth direction of an electrode a8 before discharge. The concentration distribution of the constituent elements was determined by using secondary ion mass spectrometry (SIMS) to determine the concentrations of copper ( 63 Cu-) and germanium ( 73 Ge-) using 0 2 + as the sputtering source. From the depth direction. The horizontal axis indicates the depth (μπι) from the surface of the germanium thin film, and the vertical axis indicates the intensity (count number) of each constituent element.
図 3 7及び図 3 8から明らかなように、 集電体近傍では、 ゲルマニウ ム薄膜に集電体成分である銅 (C u ) が拡散しており、 ゲルマニウム薄 膜の表面に近づくにつれて集電体成分である銅 (C u ) が減少している ことがわかる。 As is clear from Figs. 37 and 38, near the current collector, copper (Cu), a component of the current collector, diffused into the germanium thin film, and the current was collected as it approached the surface of the germanium thin film. It can be seen that copper (Cu), a body component, has been reduced.
以上のように、 ゲルマニウム薄膜中には、 集電体の成分である銅元素 が拡散しており、 しかも集電体近傍では銅の濃度が高く、 ゲルマニウム 薄膜表面に近づくにつれて銅の濃度が減少する濃度勾配を有している。 従って、 集電体近傍ではリチウムと反応しない銅の濃度が高くなり、 リ チウムと反応するゲルマニウムの濃度が小さくなつている。 このため、 集電体近傍ではリチウムの吸蔵 ·放出が少なく、 従ってゲルマニウム薄 膜の膨張収縮が相対的に小さくなると考えられる。 このため、 集電体近 傍のゲルマニウム薄膜に生じる応力が小さくなり、 集電体近傍では、 ゲ ルマエゥム薄膜が集電体から剥離あるいは脱離するような切れ目 (空 隙) が生じにく く、 ゲルマニウム薄膜の柱状部分の底部は集電体と密着 状態を保つことができるものと考えられる。 As described above, in the germanium thin film, the copper element which is a component of the current collector is diffused, and the copper concentration is high near the current collector, and the copper concentration decreases as approaching the germanium thin film surface. It has a concentration gradient. Therefore, near the current collector, the concentration of copper that does not react with lithium increases, and the concentration of germanium that reacts with lithium decreases. Therefore, it is considered that the absorption and release of lithium are small near the current collector, and the expansion and contraction of the germanium thin film are relatively small. For this reason, the stress generated in the germanium thin film near the current collector is reduced, and in the vicinity of the current collector, cuts (voids) that cause the germanium thin film to peel or detach from the current collector are not easily generated. It is considered that the bottom of the columnar portion of the germanium thin film can maintain close contact with the current collector.
以上のように、 柱状に分離されたゲルマニウム薄膜は、 充放電サイク ルにおいても、 集電体と強固に密着しており、 かつ柱状部分の周りに形 成された隙間により、 充放電サイクルに伴う薄膜の膨張収縮により生じ る応力が緩和されるため、 優れた充放電サイクル特性が得られるものと 考えられる。
(実験 5) As described above, the columnar-separated germanium thin film is firmly adhered to the current collector even in the charge / discharge cycle, and the gap formed around the columnar part causes the charge / discharge cycle It is thought that since the stress generated by the expansion and contraction of the thin film is relieved, excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained. (Experiment 5)
〔電極 a 9の作製〕 [Preparation of electrode a 9]
基板である集電体として電解銅箔 (厚み 1 8 / m) を用い、 RFスパ ッタリング法によりこの電解銅箔の上にシリコン薄膜を形成した。 スパ ッタリングの条件は、 スパッタガス (A r ) 流量: 1 00 s c c m、 基 板温度: 室温 (加熱なし) 、 反応圧力: 0. l P a ( 1. 0 X 1 0—3 T o r r ) 、 高周波電力: 200 Wの条件とした。 シリコン薄膜は、 そ の厚みが約 2 μ mとなるまで堆積させた。 An electrolytic copper foil (18 / m thick) was used as a current collector as a substrate, and a silicon thin film was formed on the electrolytic copper foil by RF sputtering. Conditions spa Ttaringu a sputtering gas (A r) flow rate: 1 00 sccm, board temperature: room temperature (no heating), reaction pressure: 0. l P a (1. 0 X 1 0- 3 T orr), high frequency Power: 200 W conditions. The silicon thin film was deposited until its thickness was about 2 μm.
得られたシリコン薄膜について、 ラマン分光分析を行ったところ、 4 80 c m_1近傍のピークは検出されたが、 520 c m— 1近傍のピーク は検出されなかった。 このことから、 得られたシリコン薄膜は非晶質シ リコン薄膜であることがわかる。 The resulting silicon thin film was subjected to Raman spectroscopic analysis, 4 80 cm _1 peak in the vicinity were detected, 520 cm- 1 near the peak was not detected. This indicates that the obtained silicon thin film is an amorphous silicon thin film.
この非晶質シリコン薄膜を形成した電解銅箔を 2 c mX 2 c mの大き さに切り出し、 電極 a 9を作製した。 The electrolytic copper foil on which the amorphous silicon thin film was formed was cut out into a size of 2 cm × 2 cm to produce an electrode a9.
用いた電解銅箔の表面粗さ R a及び局部山頂の平均間隔 Sを、 触針式 表面形状測定器 D e k t a t 3S T (日本真空技術社製) を用い、 測定 距離を 2. Ommに設定して測定した。 表面粗さ R aは 0. 1 8 8 / m であり、 局部山頂の平均間隔 Sは 1 1 μπιであった。 The surface roughness Ra of the electrolytic copper foil used and the average distance S between the local peaks were set to 2.Omm using a stylus type surface shape measuring device Dektat 3 ST (manufactured by Nippon Vacuum Engineering Co., Ltd.). Measured. The surface roughness Ra was 0.188 / m, and the average distance S between the local peaks was 11 μπι.
〔電極 a 1 0の作製〕 [Preparation of electrode a10]
基板である集電体として、 上記電極 a 9の作製に用いた電解銅箔と同 じものを用い、 シリコン薄膜の厚みを約 2 /imとする以外は、 上記実験 1の電極 a 1と同じ条件でシリ コン薄膜を電解銅箔上に形成し、 上記電 極 a 9と同様にして電極 a 1 0を作製した。 The same as the electrode a1 in the above experiment 1 except that the same current collector as the substrate was used as the electrodeposited copper foil used in the production of the electrode a9, and the thickness of the silicon thin film was about 2 / im. Under the conditions, a silicon thin film was formed on an electrolytic copper foil, and an electrode a10 was produced in the same manner as the electrode a9.
得られたシリコン薄膜について、 ラマン分光分析を行ったところ、 4 80 c m— 1近傍のピークと、 5 20 c m—1近傍のピークの両方が検出 された。 従って、 得られたシリ コン薄膜は微結晶シリコン薄膜である。
〔比較電極 b 3の作製〕 The resulting silicon thin film was subjected to Raman spectroscopic analysis, a peak of 4 80 cm- 1 near both 5 20 cm- 1 near the peak is detected. Therefore, the obtained silicon thin film is a microcrystalline silicon thin film. (Preparation of comparative electrode b3)
基板である集電体として、 上記実験 1において用いた圧延銅箔を用い、 電極 a 9の作製と同様に、 R Fスパッタリング法により非晶質シリコン 薄膜 (厚み約 2 m) を形成した。 The rolled copper foil used in Experiment 1 above was used as a current collector as a substrate, and an amorphous silicon thin film (about 2 m thick) was formed by RF sputtering in the same manner as in the preparation of electrode a9.
次に、 得られた非晶質シリ コン薄膜に対し、 6 5 0 °C、 1時間のァニ ール処理を施した。 ァユール処理後のシリコン薄膜について、 ラマン分 光分析を行ったところ、 4 8 0 c m—1 近傍のピークが消失し、 5 2 0 c m— 1 近傍のピークのみが検出された。 従って、 ァニール処理により 多結晶シリコン薄膜が形成されていることが確認された。 Next, the obtained amorphous silicon thin film was subjected to an annealing treatment at 65 ° C. for 1 hour. When Raman spectroscopy was performed on the silicon thin film after the ayur treatment, the peak near 480 cm- 1 disappeared, and only the peak near 520 cm- 1 was detected. Therefore, it was confirmed that a polycrystalline silicon thin film was formed by the annealing treatment.
この圧延銅箔上に形成された多結晶シリコン薄膜を用いて、 上記電極 a 9と同様にして電極 b 3を作製した。 Using the polycrystalline silicon thin film formed on the rolled copper foil, an electrode b3 was produced in the same manner as the electrode a9.
圧延銅箔について、 上記と同様にして表面粗さ R a及び局部山頂の平 均間隔 Sを測定したところ、 表面粗さ R aは 0 . 0 3 7 / mであり、 局 部山頂の平均間隔 Sは 1 4 μ mであった。 For the rolled copper foil, the surface roughness Ra and the average distance S between the local peaks were measured in the same manner as above.The surface roughness Ra was 0.037 / m, and the average distance between the local peaks. S was 14 μm.
〔充放電特性の測定〕 (Measurement of charge / discharge characteristics)
上記で得られた電極 a 9、 電極 a 1 0及び電極 b 3を作用極として用 レ、、 対極及び参照極を金属リチウムとした試験セルを作製した。 電解液 としては、 上記実験 1で作製したものと同じものを用いた。 なお、 単極 の試験セルでは作用極の還元を充電とし、 酸化を放電としている。 A test cell was prepared using the electrode a9, electrode a10, and electrode b3 obtained above as a working electrode, and using lithium as a counter electrode and a reference electrode. The same electrolyte as that prepared in Experiment 1 was used as the electrolyte. In a unipolar test cell, the reduction of the working electrode is charged and the oxidation is discharge.
上記の各試験セルを、 2 5 °Cにて、 0 . 5 m Aの定電流で、 参照極を 基準とする電位が 0 Vに達するまで充電した後、 2 Vに達するまで放電 を行った。 これを 1サイクルの充放電とし、 1サイクル目及び 5サイク ル目の放電容量及び充放電効率を測定した。 結果を表 6に示す。
表 6 Each of the above test cells was charged at a constant current of 0.5 mA at 25 ° C until the potential with respect to the reference electrode reached 0 V, and then discharged until the potential reached 2 V . This was defined as one cycle of charge and discharge, and the discharge capacity and charge and discharge efficiency at the first and fifth cycles were measured. Table 6 shows the results. Table 6
表 6に示す結果から明らかなように、 本発明に従い非晶質シリコン薄 膜を電極活物質とした電極 a 9及び微結晶シリコン薄膜を電極活物質と した電極 a 1 0は、 多結晶シリ コン薄膜を電極活物質とした比較電極 b 3に比べ、 高い放電容量を示すと共に、 5サイクル目においても良好な 充放電効率を示している。 As is clear from the results shown in Table 6, according to the present invention, the electrode a9 using an amorphous silicon thin film as an electrode active material and the electrode a10 using a microcrystalline silicon thin film as an electrode active material were polycrystalline silicon. Compared to the comparative electrode b3 using a thin film as the electrode active material, it shows a higher discharge capacity and a good charge / discharge efficiency even at the fifth cycle.
(実験 6 ) (Experiment 6)
く実施例 1〜 7及び比較例 1〜 2 > Examples 1-7 and Comparative Examples 1-2>
〔集電体の作製〕 (Preparation of current collector)
基板となる集電体として、 表 7に示すサンプル 1〜4を用いた。 サン プル 1は、 電極 b 3において集電体として用いた圧電銅箔と同様のもの である。 サンプル 2〜4は、 圧延銅箔の表面を、 エメリーペーパーの # Samples 1 to 4 shown in Table 7 were used as current collectors serving as substrates. Sample 1 is the same as the piezoelectric copper foil used as the current collector in electrode b3. Samples 2 to 4 use a rolled copper foil surface
6
1 0 0、 # 4 0 0、 # 1 0 0 0で研磨して粗面化した後、 純水で洗浄し 乾燥させたものである。 表 7 6 The surface is polished and roughened with 100, # 400, and # 100, then washed with pure water and dried. Table 7
上記の銅箔を基板として用い、 表 8〜表 1 0に示す条件で、 R Fアル ゴンスパッタリング装置を用いて、 基板上にシリコン薄膜を堆積させた。 比較例 2については、 薄膜形成後、 熱処理 (ァニール処理) を行った。 なお、 実施例 1〜 7及び比較例 1については、 薄膜形成前に基板に対し て前処理を行った。 前処理は、 別に設けたプラズマ源で、 E C Rァルゴ ンプラズマを発生させ、 マイクロ波電力 2 0 0 W、 アルゴンガス分圧 0 . 0 6 P aで 1 0分間、 基板に照射することにより行った。 Using the above copper foil as a substrate, a silicon thin film was deposited on the substrate under the conditions shown in Tables 8 to 10 using an RF argon sputtering apparatus. For Comparative Example 2, heat treatment (annealing) was performed after the formation of the thin film. In Examples 1 to 7 and Comparative Example 1, pretreatment was performed on the substrate before forming the thin film. The pretreatment was performed by generating ECR argon plasma using a separately provided plasma source and irradiating the substrate with microwave power of 200 W and argon gas partial pressure of 0.06 Pa for 10 minutes. .
シリ コン薄膜について、 ラマン分光分析を行い、 結晶性を同定した。 結果を表 8〜表 1 0に示す。 Raman spectroscopy was performed on the silicon thin film to identify its crystallinity. The results are shown in Tables 8 to 10.
〔充放電特性の測定〕 (Measurement of charge / discharge characteristics)
実施例 1〜 7及び比較例 1 ~ 2の銅箔上に形成されたシリコン薄膜を、 2 c m X 2 c mの大きさに切り出し、 上記実験 5と同様にして、 試験セ ルを作製した。 各試験セルについて、 上記実験 5と同様にして充放電試 験を行い、 1サイクル目、 5サイクル目、 及び 2 0サイクル目の放電容 量及び充放電効率を測定した。 結果を表 8〜表 1 0に示す。
表 8 実施例 1 実施例 2 実施例 3 実施例 4 基 板 基板の種類 サンブル 2 サンブル 3 サンアル 4 サンプル 3 The silicon thin films formed on the copper foils of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2 were cut into a size of 2 cm × 2 cm, and test cells were produced in the same manner as in Experiment 5 described above. For each test cell, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Experiment 5, and the discharge capacity and charge / discharge efficiency at the first cycle, fifth cycle, and 20th cycle were measured. The results are shown in Tables 8 to 10. Table 8 Example 1 Example 2 Example 3 Example 4 Substrate Type of substrate Substrate 2 Sample 3 Sample 3 Sample 4
表鹏さ R a 0. 1 0. 18 1 0. 18 み 18 m 18 / m Ι8 μ τη 薄膜形職件 シリコン^^み 2 μ τη 2 μ τη 2 μ ηι Appearance R a 0.10.18 1 0.18 only 18 m 18 / m / 8 μ τη Thin film silicon 2 ^ τη 2 μ τη 2 μ ηι
職形成法 スハ °ッ夕 スハ "ッ夕 スパッタ スパッ夕 スパッ夕ガス アルゴン アルゴン アルゴン アルゴン Sputtering gas Sputtering gas Sparging gas Argon Argon Argon Argon
A r ^iM lOOsccra lOOsccm lOOsccm lOOsccm 夕ーゲッ ト 99. 999¾ 99. 999X 99. 999¾ A r ^ iM lOOsccra lOOsccm lOOsccm lOOsccm Evening target 99.999¾ 99.999X 99.999¾
Si雜晶 Si単結晶 Si離晶 スパッタ雰 0. 10Pa 0. 10Pa 0. 10Pa 0. 10Pa Si nanocrystal Si single crystal Si decrystallized sputtering atmosphere 0.10Pa 0.10Pa 0.10Pa 0.10Pa
^ま Ma
スパッタ電力 200W 200W 2001 200W 基板 i¾ 20°C 20°C 20°C 200 °C 前処理 有り 有り 有り 有り スパッ夕時間 2¾ 2時間 2時間 2時間 纏理 なし なし なし なし 舰理時間 Sputtering power 200W 200W 2001 200W Substrate i¾ 20 ° C 20 ° C 20 ° C 200 ° C Pretreatment Yes Yes Yes Yes Sputter time 2¾ 2 hours 2 hours 2 hours Summary None None None None Processing time
結晶性同定 ラマン dSOcnr 1 有り 有り 有り 有り Crystallinity identification Raman dSOcnr 1 Yes Yes Yes Yes
ラマン 520cm一1 なし なし なし なし 結晶性 非晶質 非晶質 非晶質 非晶質Raman 520 cm 1 None None None None Crystalline amorphous Amorphous Amorphous Amorphous Amorphous
1サイクル目 ¾¾®容量 (mAh/g) 3980 3978 3975 <ί980 1st cycle ¾¾® capacity (mAh / g) 3980 3978 3975 <ί980
碰翻率 (¾) 100 100 100 100 碰 conversion rate (¾) 100 100 100 100
5サイクル目 ¾¾¾量 (raAh/g) 3990 3981 3980 3990 5th cycle Volume (raAh / g) 3990 3981 3980 3990
100 100 100 100 100 100 100 100
20サイクル目 ¾¾容量 (mAh/g) 3990 3980 3981 3990 20th cycle ¾¾ Capacity (mAh / g) 3990 3980 3981 3990
率 (¾) 100 100 100 100
表 9 Rate (¾) 100 100 100 100 Table 9
嫌例 1 t瞧 2 基 板 基板の種類 サンプル 3 サンブル 1 . Dislike 1 t 瞧 2 Substrate Type of board Sample 3 Sample 1.
表丽且さ R a 0. 18 0. 037 巷^?■み Ι μ ν 薄膜形 件 ンリコノ 職享み Ζ μ ηχ 2 β χη スハッタ スハッヌ スハッタ材料 Ϊノレ"!ノ /ノレゴノ 丽 さ R a 0. 18 0. 037 ■ ^ ν Ι μ ν Thin film type 件 リ μ ηχ 2 β χη
A r WM lOOsccm lOOsccm ターケット 99. 999Λ 99. 999¾ A r WM lOOsccm lOOsccm Turquet 99.999Λ 99.999¾
Si雜晶 Si雜晶 スパッタ雰 ffi^ 0. 10Pa 0. lOPa スパッ夕 ¾Λ 2001 200* 基板- 450°C 20°C 前処理 有り なし スパッ夕時間 2時間 2時間 讓 s^fr mm なし 650°C Si-crystallized Si-crystallized sputter atmosphere ffi ^ 0.10Pa 0. lOPa Sputter ¾Λ 2001 200 * Substrate-450 ° C 20 ° C Pretreatment Yes No Sputter time 2 hours 2 hours s ^ fr mm No 650 ° C
舰理時間 ― 1時間 結晶性同定 ラマン 480cnf ' なし なし ラマン 520cm- 1 有り 有り 結晶性 多結晶 多結晶Processing time-1 hour Crystallinity identification Raman 480cnf 'No No Raman 520cm- 1 Yes Yes Crystalline Polycrystalline Polycrystalline
1サイクル目 «C«容量 (inAh/g) 1250 1978 1st cycle «C« capacity (inAh / g) 1250 1978
率 (¾) 81 83 Rate (¾) 81 83
5サイクル目 量 (mAh/g) 900 7315th cycle amount (mAh / g) 900 731
% 75 75 % 75 75
20サイクル目 量 OnAh/g) 700 350 (20th cycle OnAh / g) 700 350
雄 «¾率 (¾) 69 59
表 8〜表 1 0に示す結果から明らかなように、 本発明に従い非晶質シ リ コン薄膜を電極活物質とした実施例 1〜 7においては、 多結晶シリ コ ン薄膜を電極活物質とした比較例 1〜2に比べ、 高い放電容量が得られ るとともに、 良好な充放電サイクル特性が得られている。 Male «¾ rate (¾) 69 59 As is clear from the results shown in Tables 8 to 10, in Examples 1 to 7 in which the amorphous silicon thin film was used as the electrode active material according to the present invention, the polycrystalline silicon thin film was used as the electrode active material. Compared to Comparative Examples 1 and 2, a higher discharge capacity was obtained, and good charge / discharge cycle characteristics were obtained.
(実験 7 ) (Experiment 7)
電解銅箔 (厚み 1 8 μ m、 表面粗さ R a = 0 . 1 8 8 μ m、 平均間隔 S = 6 m) の上に、 R Fスパッタリング法により非晶質シリコン薄膜 (厚み約 3 μ πι) を形成して電極 a 1 1を作製した。 なお、 薄膜形成条 件は、 ターゲッ ト :単結晶シリコン、 スパッタガス (A r ) 流量: 1 0 0 s c c m、 基板温度:室温 (加熱なし) 、 反応圧力: 0 . 1 P a、 高 周波電力 : 2 0 0 Wとした。 An amorphous silicon thin film (about 3 μππι thick) was deposited on the electrolytic copper foil (18 μm thick, surface roughness Ra = 0.18 μm, average spacing S = 6 m) by RF sputtering. ) Was formed to produce an electrode a11. The conditions for forming the thin film were as follows: target: single-crystal silicon, sputtering gas (Ar) flow rate: 100 sccm, substrate temperature: room temperature (no heating), reaction pressure: 0.1 Pa, high-frequency power: It was set to 200 W.
得られたシリコン薄膜について、 ラマン分光分析を行ったところ、 4 8 0 c m— 1近傍のピークは検出されたが、 5 2 0 c m— 1近傍のピーク は検出されなかった。 このことから、 得られたシリコン薄膜は非晶質シ リコン薄膜であることがわかる。 When the obtained silicon thin film was analyzed by Raman spectroscopy, a peak near 480 cm- 1 was detected, but a peak near 520 cm- 1 was not detected. This indicates that the obtained silicon thin film is an amorphous silicon thin film.
得られた電極 a 1 1を用い、 上記実験 1 と同様にして電池 A 1 1を作 製し、 上記実験 1 と同様の充放電サイクル条件で、 充放電サイクル試験 を行い、 3 0サイクル目の容量維持率を求めた。 結果を表 1 1に示す。 なお、 表 1 1には、 電池 A 1及び電池 A 3の結果も併せて示す。 Using the obtained electrode a11, a battery A11 was produced in the same manner as in Experiment 1 above, and a charge-discharge cycle test was performed under the same charge-discharge cycle conditions as in Experiment 1 above. The capacity retention was determined. Table 11 shows the results. Table 11 also shows the results for Battery A1 and Battery A3.
電 池 3 0サイクル目の容量維持率 Battery 30th cycle capacity retention rate
A 1 9 1 % A 19 1%
A 3 9 1 % A 39 1%
A 1 1 9 7 %
表 1 1に示す結果から明らかなように、 スパッタリング法により形成 した非晶質シリコン薄膜を活物質として用いた電池 A 1. 1も、 微結晶シ リコン薄膜を活物質として用いた電池 A 1及び A 3と同様に、 良好な容 量維持率を示している。 A 1 1 9 7% As is clear from the results shown in Table 11, the battery A1.1 using the amorphous silicon thin film formed by the sputtering method as the active material was the same as the battery A1 using the microcrystalline silicon thin film as the active material. Similar to A3, it shows a good capacity retention rate.
電極 a 1 1のシリ コン薄膜の状態を電子顕微鏡で観察した。 まず、 充 放電前の状態の電極 a 1 1の断面を走査型電子顕微鏡で観察した。 図 3 9及び図 4 0は、 それぞれ充放電前の電極 a 1 1の断面を示す走査型電 子顕微鏡写真 (二次電子像) である。 図 3 9の倍率は 2 0 0 0倍であり、 図 4 0の倍率は 1 0 0 0 0倍である。 なお、 サンプルは図 2及び図 3の サンプルと同様に、 電極を樹脂で包埋し、 これをスライスしたものを用 レヽた。 The state of the silicon thin film of the electrode a11 was observed with an electron microscope. First, a cross section of the electrode a11 before charge and discharge was observed with a scanning electron microscope. FIG. 39 and FIG. 40 are scanning electron micrographs (secondary electron images) showing the cross section of the electrode a11 before charging and discharging, respectively. The magnification of FIG. 39 is 2000 ×, and the magnification of FIG. 40 is 1000 ×. As in the samples shown in FIGS. 2 and 3, electrodes were embedded in resin and sliced.
図 3 9及び図 4 0において、 やや明るい部分は、 電解銅箔の部分を示 しており、 銅箔の上にやや暗い部分としてシリコン薄膜 (厚み約 3 // m) が示されている。 図 3 9及び図 4 0に示すように、 電解銅箔の表面 には凹凸が形成されており、 凸部は錐体状の形状を有している。 その上 に設けられたシリコン薄膜の表面にも、 銅箔の凹凸と同様の凹凸が形成 されており、 凸部は錐体状の形状を有している In FIG. 39 and FIG. 40, the slightly bright portion indicates the portion of the electrolytic copper foil, and the silicon thin film (thickness of about 3 // m) is shown as a slightly dark portion on the copper foil. As shown in FIGS. 39 and 40, irregularities are formed on the surface of the electrolytic copper foil, and the convex portions have a cone shape. Irregularities similar to those of the copper foil are also formed on the surface of the silicon thin film provided thereon, and the convex portions have a cone shape.
。 従って、 シリコン薄膜表面の凹凸は、 銅箔表面の凹凸により形成され ている。 . Therefore, the irregularities on the surface of the silicon thin film are formed by the irregularities on the surface of the copper foil.
図 4 1は、 電極 a 1 1のシリコン薄膜の表面を示す走查型電子顕微鏡 写真 (二次電子像) であり、 倍率は 1 0 0 0倍である。 図 4 1に示すよ うに、 シリコン薄膜の表面には、 多数の凸部が形成されている。 この凸 部は、 図 3 9及び図 4 0に示すように、 銅箔表面の凸部に対応して形成 されている。 Fig. 41 is a scanning electron microscope photograph (secondary electron image) showing the surface of the silicon thin film of the electrode a11, and the magnification is 1000 times. As shown in FIG. 41, a large number of projections are formed on the surface of the silicon thin film. As shown in FIGS. 39 and 40, the projections are formed corresponding to the projections on the copper foil surface.
図 4 2は、 上記充放電試験の 3 0サイクル後の電池 A 1 1から取り出 した電極 a 1 1のシリ コン薄膜の表面を示す走査型電子顕微鏡写真 (二
次電子像) である。 図 4 2に示す写真の倍率は 1 0 0 0倍である。 図 4 2に示すように、 シリコン薄膜には、 その厚み方向に切れ目 (隙 間) が形成され、 この切れ目 (隙間) によって、 シリコン薄膜が柱状に 分離されている。 図 6〜図 9に示すシリコン薄膜では、 柱状部分が薄膜 表面の 1つの凸部を含むように切れ目が形成されているのに対し、 図 4 2に示すシリコン薄膜では、 柱状部分が薄膜表面の複数の凸部を含むよ うに切れ目が形成されていることがわかる。 また、 切れ目 (隙間) の幅 も、 図 6〜図 9に示すシリコン薄膜に比べ大きいことがわかる。 Fig. 42 is a scanning electron micrograph (2) showing the surface of the silicon thin film of the electrode a11 taken out of the battery A11 after 30 cycles of the charge / discharge test. Secondary electron image). The magnification of the photograph shown in FIG. 42 is 1000 times. As shown in FIG. 42, cuts (gaps) are formed in the silicon thin film in the thickness direction, and the cuts (gaps) separate the silicon thin film into columns. In the silicon thin film shown in Figs. 6 to 9, the notch is formed so that the columnar portion includes one protrusion on the surface of the thin film, whereas in the silicon thin film shown in Fig. 42, the columnar portion is formed on the surface of the thin film. It can be seen that the cut is formed so as to include a plurality of protrusions. Also, the width of the cut (gap) is larger than that of the silicon thin film shown in FIGS.
電池 A l 1は、 電池 A 3と同様の良好な容量維持率を示している。 従 つて、 図 4 2に示すように、 薄膜表面の複数の凸部を含むように柱状部 分が形成される場合であっても、 柱状部分の周りに形成された隙間によ り、 活物質の膨張収縮による応力が緩和されるため、 活物質が集電体か ら剥離することなく、 充放電サイクルを繰り返すことができるものと思 われる。 Battery A11 shows a similar good capacity retention as battery A3. Therefore, as shown in FIG. 42, even when the columnar portion is formed so as to include a plurality of convex portions on the thin film surface, the active material is formed by the gap formed around the columnar portion. It is thought that the charge / discharge cycle can be repeated without the active material peeling off from the current collector because the stress caused by the expansion and contraction of the material is reduced.
(実験 8 ) (Experiment 8)
実験 1における電極 a 1を作製したのと同一の薄膜形成条件で、 圧延 銅箔及び電解銅箔 (厚み 1 8 m) の上にそれぞれ膜厚約 2 // mの微結 晶シリコン薄膜を形成した。 次に、 得られたサンプルを直径 1 7 m mと なるように打ち抜き、 圧延銅箔上に形成したものを電極 c 1とし、 電解 銅箔上に形成したものを電極 c 3とした。 電極 c 1及び電極 c 3と同じ ものを実験 1における電極 a 2と同様に 4 0 0 °Cで 3時間熱処理し、 そ れぞれ電極 c 2及び電極 c 4とした。 Under the same thin film formation conditions as those used for preparing electrode a1 in Experiment 1, a microcrystalline silicon thin film with a film thickness of about 2 // m was formed on rolled copper foil and electrolytic copper foil (thickness: 18 m). did. Next, the obtained sample was punched out to have a diameter of 17 mm, and the electrode formed on the rolled copper foil was designated as electrode c1, and the electrode formed on the electrolytic copper foil was designated as electrode c3. The same electrode c1 and electrode c3 were heat-treated at 400 ° C. for 3 hours in the same manner as electrode a2 in Experiment 1 to obtain electrode c2 and electrode c4, respectively.
上記の電極 c l〜c 4を負極として用いる以外は、 上記実験 1と同様 にしてリチウム二次電池を作製し、 電池 C 1〜C 4とした。 これらの電 池について、 上記実験 1と同様にして充放電サイクル寿命特性を測定し た。 また、 実験 1と同様に、 各電極のシリ コン薄膜の水素含有量、 ラマ
ン分光分析におけるピーク強度比 (4 8 0 c m- 1/ 5 2 0 c m一1 ) 及び結晶粒径を測定し、 結果を表 1 2に示した。 表 1 2Lithium secondary batteries were produced in the same manner as in Experiment 1 except that the above-mentioned electrodes cl to c4 were used as the negative electrodes, and batteries C1 to C4 were obtained. The charge / discharge cycle life characteristics of these batteries were measured in the same manner as in Experiment 1 above. In addition, as in Experiment 1, the hydrogen content and The peak intensity ratio (480 cm -1 /520 cm- 1 ) and the crystal grain size in the diffraction spectroscopy were measured, and the results are shown in Table 12. Table 1 2
表 1 2に示す結果から明らかなように、 微結晶シリコン薄膜の膜厚を 約 2 // mとした電池 C 1〜C 4においても、 著しく高い容量維持率が得 られている。 As is evident from the results shown in Table 12, remarkably high capacity retention rates were obtained also in batteries C1 to C4 in which the thickness of the microcrystalline silicon thin film was about 2 // m.
次に、 圧延銅箔上に微結晶シリ コン薄膜を形成した電極 c 1を厚み方 向にスライスし、 顕微鏡観察用サンプルとし、 これを透過型電子顕微鏡 で観察した。 Next, the electrode c1 in which the microcrystalline silicon thin film was formed on the rolled copper foil was sliced in the thickness direction to obtain a microscope observation sample, which was observed with a transmission electron microscope.
図 4 3及ぴ図 4 4は、 電極 c 1における銅箔とシリコン薄膜の界面付 近を示す透過型電子顕微鏡写真であり、 図 4 3は倍率 5 0万倍であり、 図 4 4は倍率 1 0 0万倍である。 それぞれの写真において、 下方は銅箔 側であり、 上方はシリコン薄膜側である。 FIGS. 43 and 44 are transmission electron micrographs showing the vicinity of the interface between the copper foil and the silicon thin film at the electrode c1, FIG. 43 is a magnification of 500,000, and FIG. It is 100,000 times. In each photograph, the lower part is the copper foil side, and the upper part is the silicon thin film side.
図 4 3及ぴ図 4 4において、 下方の明るい部分は銅箔部分であると思 われるが、 銅箔とシリコン薄膜の界面付近では、 上方に向かって徐々に 喑くなっている。 この部分 (約 3 0 n m〜 1 0 0 n m程度) は、 銅箔の
銅とシリコンとが特に多く混合した混合層の一部であると考えられる。 この混合層においては、 シリコン (S i ) と銅 (C u) とが合金化して いると考えられる。 また、 図 4 3及び図 44に示されるように、 この混 合層と思われる部分と銅箔との界面付近には、 粒子状の部分が観察され、 この粒子状部分では、 銅 (C u) のシリコン (S i ) への拡散による凹 凸がその界面において認められる。 In Fig. 43 and Fig. 44, the lower bright part is considered to be the copper foil part, but it gradually becomes higher near the interface between the copper foil and the silicon thin film. This part (about 30 nm to 100 nm) is It is considered to be a part of a mixed layer in which copper and silicon are particularly mixed. In this mixed layer, it is considered that silicon (Si) and copper (Cu) are alloyed. In addition, as shown in FIGS. 43 and 44, a particulate portion is observed near the interface between the portion considered to be the mixed layer and the copper foil, and copper (Cu) is observed in the particulate portion. Concavities and convexities due to the diffusion of ()) into silicon (S i) are observed at the interface.
次に、 混合層め深さ方向における構成元素の濃度分布を測定するため、 S I MSにより、 02+をスパッタ源に用いて、 銅元素 (63Cu+) 及び 水素元素 Η^) の濃度を測定した。 図 4 5は、 混合層の深さ方向に おける各構成元素の濃度分布を示しており、 横軸は深さ (/ m) を示し ており、 縦軸は原子密度 (個 Zcm3) を示している。 Next, in order to measure the concentration distribution of the constituent elements in the depth direction of the mixed layer, the concentrations of copper element ( 63 Cu +) and hydrogen element Η ^) were measured by SIMS using 0 2 + as the sputtering source. did. Figure 45 shows the concentration distribution of each constituent element in the depth direction of the mixed layer, the horizontal axis shows the depth (/ m), and the vertical axis shows the atomic density (pieces Zcm 3 ). ing.
図 4 5に示すように、 混合層においては、 深くなるにつれて、 すなわ ち銅箔に近づくにつれて銅 (C u) の濃度が増加している。 ここで、 シ リコン薄膜中において集電体材料が 1 % (原子密度で 1 02Q 個 /c m 3) 以上含まれている層を混合層とすると、 深さ 1. 9 z m程度の部分 から 2. 7 μ m程度の部分まで混合層が存在することがわかる。 As shown in Fig. 45, in the mixed layer, the copper (Cu) concentration increases as the depth increases, that is, as it approaches the copper foil. Here, assuming that a layer containing 1% or more of the current collector material (atomic density of 102 Q / cm 3 ) or more in the silicon thin film is a mixed layer, a layer having a depth of about 1.9 zm It can be seen that the mixed layer exists up to about 7 μm.
次に、 電解銅箔上に膜厚約 2 /x mの微結晶シリコン薄膜を形成した電 極 c 3について、 上記と同様にして S I MSにより混合層の深さ方向に おける各構成元素の濃度を測定した。 図 4 6は、 この結果を示している。 図 4 6に示すように、 電極 c 3においては、 シリコン薄膜の表面におい て既に銅 (Cu) の原子密度が 1 020 個 Zcm3 以上となっており、 銅 (C u) がシリコン薄膜の表面まで拡散し、 シリコン薄膜全体が混合 層になっていることがわかる。 また、 この電極 c 3を用いた電池 C 3は 良好な充放電サイクル特性を示しており、 シリコン薄膜全体が混合層と なっても電極活物質として作用していることがわかる。 Next, for the electrode c3 in which a microcrystalline silicon thin film having a thickness of about 2 / xm was formed on the electrolytic copper foil, the concentration of each constituent element in the depth direction of the mixed layer was determined by SIMS in the same manner as described above. It was measured. Figure 46 shows this result. As shown in FIG. 4 6, in the electrode c 3, the atomic density of the already copper Te surface smell of the silicon thin film (Cu) has a 1 0 20 ZCM 3 or more, copper (C u) is a silicon thin film It can be seen that the silicon thin film has diffused to the surface and the entire silicon thin film has become a mixed layer. Battery C3 using this electrode c3 exhibited good charge / discharge cycle characteristics, indicating that the cell C3 still functions as an electrode active material even when the entire silicon thin film becomes a mixed layer.
図 4 5及ぴ図 4 6から明らかなように、 シリ コン薄膜中における銅
(C u) の濃度は連続的に変化している。 従って、 シリコン薄膜中にお いて、 銅元素はシリ コンとの金属間化合物を形成するのではなく、 シリ コンとの固溶体を形成していることがわかる。 As is clear from Figs. 45 and 46, copper in the silicon thin film The concentration of (Cu) is continuously changing. Therefore, it can be seen that in the silicon thin film, the copper element does not form an intermetallic compound with silicon but forms a solid solution with silicon.
以上のように、 銅箔とシリコン薄膜の界面には、 銅箔の銅とシリコン 薄膜のシリ コンとが混合した混合層が形成されていることが確認された。 このような混合層の存在により、 シリコン薄膜の銅箔に対する密着性が 高められ、 充放電によりシリコン薄膜が膨張収縮しても、 シリコン薄膜 が集電体である銅箔から剥離することなく、 良好な充放電サイクル特性 が得られるものと思われる。 As described above, it was confirmed that a mixed layer in which copper of the copper foil and silicon of the silicon thin film were mixed was formed at the interface between the copper foil and the silicon thin film. Due to the presence of such a mixed layer, the adhesion of the silicon thin film to the copper foil is enhanced, and even if the silicon thin film expands and contracts due to charge and discharge, the silicon thin film does not peel off from the copper foil serving as a current collector, and is excellent. It is thought that excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
(実験 A) (Experiment A)
本発明のリチウム電池用電極においては、 リチウムの吸蔵 ·放出によ り活物質薄膜が膨張 ·収縮するため、 充放電反応に伴い集電体に応力が 生じる。 このような応力により、 電極集電体に不可逆的、 すなわち塑性 変形によるしわが発生する。 このしわの発生は、 結果的に電池の体積増 加と電極での反応の不均一性をもたらし、 エネルギー密度を低下させる 原因となる。 そこで負極集電体である電解銅箔の厚みを変化させ、 負極 集電体の引張強度と、 電極に発生するしわとの関係について以下検討し た。 In the lithium battery electrode of the present invention, since the active material thin film expands and contracts due to insertion and extraction of lithium, stress is generated in the current collector by the charge and discharge reaction. Such stress causes irreversible, that is, wrinkles due to plastic deformation in the electrode current collector. The formation of the wrinkles results in an increase in the volume of the battery and inhomogeneity of the reaction at the electrodes, resulting in a decrease in energy density. Therefore, the thickness of the electrolytic copper foil, which is the negative electrode current collector, was changed, and the relationship between the tensile strength of the negative electrode current collector and wrinkles generated on the electrodes was examined below.
〔負極の作製〕 (Preparation of negative electrode)
電解銅箔としては、 厚みが 1 2 // m、 1 8 /im、 3 5 /z m、 及び 70 μ mの 4種類の電解銅箔を用いた。 なお、 負極集電体である電解銅箔の 厚みはマイクロメーターを用いて測定した。 これらの集電体の引張強度 (Nノ mm) は、 (集電体材料の断面積当りの引張強さ : N/mm2) X (集電体の厚み: mm) により求めることができる。 なお、 銅の断面 積当りの引張強さは、 21 2. 7 N/mm2 (2 1. 7 k g f /mm2、 「改訂 2版金属データプック」 丸善株式会社発行) として計算している c As the electrolytic copper foil, four kinds of electrolytic copper foils having a thickness of 12 // m, 18 / im, 35 / zm, and 70 µm were used. The thickness of the electrolytic copper foil as the negative electrode current collector was measured using a micrometer. The tensile strength (N mm) of these current collectors can be determined by (tensile strength per sectional area of current collector material: N / mm 2 ) X (thickness of current collector: mm). The tensile strength of copper per cross-sectional area is calculated as 212.7 N / mm 2 (21.7 kgf / mm 2 , “Revision 2 Metal Datapuck” published by Maruzen Co., Ltd.) c
7
上記の電解銅箔の上に、 それぞれ A r雰囲気中での R Fスパッタリン グ法によりシリ コン薄膜を形成した。 薄膜形成条件は、 ターゲット :単 結晶シリコン、 高周波電力 : 3 5 0 W、 A rガス流量: 1 0 0 s c c m、 チャンバ一内圧力: 0 . 1 P a、 基板温度:室温 (加熱なし) とした。 上記の薄膜形成条件で形成したシリコン薄膜は、 ラマン分光分析の結 果、 非晶質シリ コン薄膜であることがわかった。 シリコン薄膜の厚みは、 いずれも 3 . 4 /x mであった。 シリコン薄膜の厚みは、 チャンバ一内に、 シリコン薄膜を形成する電解銅箔と共に、 シリコン基板を設置しておき、 シリコン基板上に形成されたシリコン薄膜の厚みを表面粗さ計で測定す ることにより求めた。 具体的には、 シリコン薄膜のエッジの部分を表面 粗さ計で触針し、 シリコン薄膜のエッジ部分の段差の高さを測定するこ とにより求めた。 7 A silicon thin film was formed on each of the above electrolytic copper foils by RF sputtering in an Ar atmosphere. The conditions for forming the thin film were as follows: target: single-crystal silicon, high-frequency power: 350 W, Ar gas flow rate: 100 sccm, pressure inside the chamber: 0.1 Pa, substrate temperature: room temperature (no heating) . As a result of Raman spectroscopic analysis, the silicon thin film formed under the above-mentioned thin film forming conditions was found to be an amorphous silicon thin film. The thickness of each of the silicon thin films was 3.4 / xm. To measure the thickness of the silicon thin film, place the silicon substrate together with the electrolytic copper foil that forms the silicon thin film in the chamber and measure the thickness of the silicon thin film formed on the silicon substrate with a surface roughness meter. Determined by Specifically, the edge of the silicon thin film was probed with a surface roughness meter, and the height of the step at the edge of the silicon thin film was measured.
シリ コン薄膜は、 銅箔上の 2 . 5 c m X 2 . 5 c mの領域に、 マスク を用いて限定的に形成した。 シリコン薄膜が形成されていない銅箔の上 に負極タブを取り付け、 負極を完成した。 The silicon thin film was limitedly formed in a 2.5 cm × 2.5 cm area on the copper foil using a mask. The negative electrode tab was mounted on the copper foil on which the silicon thin film was not formed, and the negative electrode was completed.
〔正極の作製〕 (Preparation of positive electrode)
実験 1の正極の作製で得られた L i C o 0 2粉末を用いて正極を作製 した。 具体的には、 L i C o 02粉末 9 0重量部、 及び導電材としての 人工黒鉛粉末 5重量部を、 結着剤としてのポリテトラフルォロエチレン を 5重量部含む 5重量%の1^1一メチルピロ リ ドン水溶液に混合し、 正極 合剤スラリーとした。 このスラリーをドクターブレード法により、 正極 集電体であるァ ミニゥム箔 (厚み 1 8 x m) の 2 c m X 2 c mの領域 の上に塗布した後乾燥し、 正極活物質層を形成した。 スラリーの塗布量 としては、 正極容量が 1 5 . 7 5 m A hとなるように調整した。 正極活 物質層を塗布しなかったアルミニウム箔の領域の上に正極タブを取り付 け、 芷極を完成した。
〔電解液の作製〕 A positive electrode was prepared by using L i C o 0 2 powder obtained in preparation of the positive electrode of Experiment 1. Specifically, L i C o 0 2 powder 9 0 parts by weight, and the artificial graphite powder 5 parts by weight as the conductive material, as a binder polytetramethylene full O b ethylene of 5% by weight, including 5 parts by weight It was mixed with an aqueous solution of 1 ^ 1 monomethylpyrrolidone to make a positive electrode mixture slurry. The slurry was applied on a 2 cm × 2 cm area of an aluminum foil (18 × m) serving as a positive electrode current collector by a doctor blade method, and then dried to form a positive electrode active material layer. The amount of slurry applied was adjusted so that the positive electrode capacity was 15.5.75 mAh. A positive electrode tab was mounted on the area of the aluminum foil where the positive electrode active material layer was not applied, and the positive electrode was completed. (Preparation of electrolyte solution)
エチレンカーボネートとジメチルカーボネ一トとの等体積混合溶媒に、 Equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate,
L i P F 6 を 1モル Zリ ッ トル溶解して電解液を調製し、 これを以下の 電池の作製において用いた。 L a i PF 6 1 mole Z l dissolved to an electrolytic solution is prepared, using the same in the production of the following cell.
〔電池の作製〕 (Production of battery)
図 4 7は、 作製したリチウム二次電池を示す斜視図である。 図 4 8は、 作製したリチウム二次電池を示す断面模式図である。 図 4 8に示すよう に、 アルミラミネートフィルムからなる外装体 4 0内に、 正極及び負極 が挿入されている。 負極集電体 3 1の上には負極活物質としてのシリコ ン薄膜 3 2が設けられており、 正極集電体 3 3の上には正極活物質層 3 4が設けられている。 シリ コン薄膜 3 2と正極活物質層 3 4は、 セパレ —タ一3 5を介して対向するように配置されている。 外装体 4 0内には、 上記の電解液 3 6が注入されている。 外装体 4 0の端部は溶着により封 口されており、 封口部 4 0 aが形成されている。 負極集電体 3 1に取り 付けられた負極タブ 3 7は、 この封口部 4 0 aを通り外部に取り出され ている。 なお、 図 4 8に図示されないが、 正極集電体 3 3に取り付けら れた正極タブ 3 8も、 同様に封口部 4 0 aを通り外部に取り出されてい る。 FIG. 47 is a perspective view showing the manufactured lithium secondary battery. FIG. 48 is a schematic sectional view showing the manufactured lithium secondary battery. As shown in FIG. 48, a positive electrode and a negative electrode are inserted in an outer package 40 made of an aluminum laminated film. On the negative electrode current collector 31, a silicon thin film 32 as a negative electrode active material is provided, and on the positive electrode current collector 33, a positive electrode active material layer 34 is provided. The silicon thin film 32 and the positive electrode active material layer 34 are arranged so as to face each other via a separator 35. The electrolytic solution 36 described above is injected into the exterior body 40. The end of the exterior body 40 is sealed by welding to form a sealing part 40a. The negative electrode tab 37 attached to the negative electrode current collector 31 is taken out through the sealing portion 40a. Although not shown in FIG. 48, the positive electrode tab 38 attached to the positive electrode current collector 33 is also drawn outside through the sealing portion 40a.
〔充放電サイクル試験〕 [Charge / discharge cycle test]
上記のようにして作製したリチウム二次電池について、 充放電サイク ル試験を行った。 充放電の条件は、 充電電流 9 m Aで充電終止容量 9 m A hとなるまで充電した後、 放電電流 9 m Aで放電終止電圧 2 . 7 5 V となるまで放電し、 これを 1サイクルの充放電として、 各電池について 1 0サイクル目までの充放電効率を求めた。 なお、 厚みの異なる銅箔を 用いた各電池についてそれぞれサンプルを 3個 ( 1 C一 1、 1 C一 2、 及び 1 C— 3 ) 作製し、 測定した。 結果を図 4 9に示す。
図 4 9に示すように、 銅箔の厚みの違いによる充放電サイクル特性へ の影響は特に認められず、 いずれの厚みの銅箔を用いた場合にも良好な 充放電サイクル特性が得られている。 A charge / discharge cycle test was performed on the lithium secondary battery manufactured as described above. The charge and discharge conditions are as follows: charge at a charge current of 9 mA until the end-of-charge capacity reaches 9 mAh, and then discharge at a discharge current of 9 mA until the discharge end voltage reaches 2.75 V. For each battery, the charge / discharge efficiency up to the 10th cycle was determined for each battery. In addition, three samples (1C-11, 1C-12, and 1C-3) of each battery using copper foils having different thicknesses were prepared and measured. The results are shown in FIG. As shown in Fig. 49, there is no particular effect on the charge-discharge cycle characteristics due to the difference in the thickness of the copper foil, and good charge-discharge cycle characteristics were obtained using any thickness of copper foil. I have.
更に、 1 0サイクル後、 各電池から負極を取り出し、 負極の状態を観 察した。 図 50及び図 5 1は、 シリ コン薄膜を形成した負極表面の状態 を示しており、 図 5 2及び図 53は、 シリ コン薄膜を形成していない負 極裏面の状態を示している。 なお、 図 50〜図 53において、 「1 2」 、 「1 8」 、 「3 5」 、 及び 「70」 は、 それぞれ銅箔の厚みを示してい る。 Further, after 10 cycles, the negative electrode was taken out of each battery, and the state of the negative electrode was observed. FIGS. 50 and 51 show the state of the negative electrode surface on which the silicon thin film is formed, and FIGS. 52 and 53 show the state of the negative electrode back surface on which the silicon thin film is not formed. In FIGS. 50 to 53, “12”, “18”, “35”, and “70” indicate the thickness of the copper foil, respectively.
図 5 2及ぴ図 53から明らかなように、 充放電反応後において、 厚み 1 2 μ mの銅箔を用いた電極では多数のしわが観察される。 これに対し、 厚み 1 8 μ mの銅箔を用いた電極においては、 若干のしわが認められ、 厚み 3 5 μ m及び 70 μ tnの銅箔を用いた電極においては、 ほとんどし わが観察されていない。 これらの結果をまとめると、 表 1 3に示す通り となる。 表 1 3における評価は、 以下の基準で行っている。 As is clear from FIG. 52 and FIG. 53, after the charge / discharge reaction, many wrinkles are observed in the electrode using the copper foil having a thickness of 12 μm. On the other hand, wrinkles were slightly observed in the electrode using the copper foil with a thickness of 18 μm, and almost wrinkles were observed in the electrode using the copper foil with a thickness of 35 μm and 70 μtn. Not. Table 13 summarizes these results. The evaluation in Table 13 is based on the following criteria.
X :多数のしわが認められる。 X: Many wrinkles are observed.
〇:若干のしわが認められる。 〇: Some wrinkles are observed.
◎: ほとんどしわが認められない。 表 1 3 A: Almost no wrinkles are observed. Table 13
集電体の厚み ( |Β) 1 2 1 8 35 70 集電体の引張 2. 552 3. 828 7. 4 3 14. 886Current collector thickness (| Β) 1 2 1 8 35 70 Current collector tension 2. 552 3.828 7.4 3 14. 886
(N/mm) (N / mm)
活物質薄膜の厚み 0. 2 8 0. 1 9 0. 1 0 0. 0 9 Z集電体の厚み Thickness of active material thin film 0.28 0.1 9 0.1 0 0.0 9 Z current collector thickness
評 価 X 〇 ◎ ◎
表 1 3から明らかなように、 集電体の引張強度が 3 . 8 2 NZmm以 上になると、 急激に電極に発生するしわが少なくなり、 7 . 4 4 N/m m以上になると、 しわがほとんど認められなくなることがわかる。 また、 シリコン薄膜の厚みノ集電体の厚みの比が 0 . 1 9以下になると急激に 電極に発生するしわが少なくなり、 0 . 1 0以下になるとしわがほとん ど認められなくなることがわかる。 これは、 集電体が一定の引張強度以 上となると、 活物質薄膜の膨張,収縮による応力が、 おおむね集電体の 弾性変形で緩和されるためと考えられる。 Evaluation X ◎ ◎ ◎ As is clear from Table 13, when the current collector has a tensile strength of 3.82 NZmm or more, the wrinkles generated on the electrode rapidly decrease, and when the tensile strength of 7.44 N / mm or more, the wrinkles are formed. It turns out that it is hardly recognized. Also, when the ratio of the thickness of the silicon thin film to the thickness of the current collector is 0.19 or less, the wrinkles generated on the electrode are sharply reduced, and when it is 0.10 or less, wrinkles are hardly recognized. . This is thought to be because when the current collector has a certain tensile strength or more, the stress due to expansion and contraction of the active material thin film is relaxed by elastic deformation of the current collector.
(実験 (Experiment
次に、 負極集電体である電解銅箔の上に形成するシリ コン薄膜の厚み を変化させ、 シリコン薄膜の厚み 1 mあたりの負極集電体の引張強度 と、 電極に発生するしわとの関係について検討した。 Next, the thickness of the silicon thin film formed on the electrodeposited copper foil, which is the negative electrode current collector, was changed to determine the tensile strength of the negative electrode current collector per 1 m thickness of the silicon thin film and the wrinkles generated on the electrodes. The relationship was discussed.
〔負極の作製〕 (Preparation of negative electrode)
負極集電体としては、 厚みが 1 8 μ mの電解銅箔を用いた。 なお、 電 解銅箔の厚みは、 実験 Aと同様に、 マイクロメーターを用いて測定した。 また、 集電体の引張強度 (NZmm) も、 実験 Aと同様にして求めた。 上記の電解銅箔の上に、 実験 Aと同様の薄膜形成条件で、 非晶質シリ コン薄膜を形成した。 シリ コン薄膜の厚みとしては、 0 . 9 /z m、 1 . 8 /z m、 及び 3 . 6 μ mの 3種類のものを形成した。 シリ コン薄膜の厚 みは、 実験 Aと同様にして求めた。 As the negative electrode current collector, an electrolytic copper foil having a thickness of 18 μm was used. The thickness of the electrolytic copper foil was measured using a micrometer as in Experiment A. In addition, the tensile strength (NZmm) of the current collector was determined in the same manner as in Experiment A. An amorphous silicon thin film was formed on the above electrolytic copper foil under the same thin film forming conditions as in Experiment A. Three types of silicon thin films having a thickness of 0.9 / zm, 1.8 / zm, and 3.6 μm were formed. The thickness of the silicon thin film was determined in the same manner as in Experiment A.
実験 Aと同様にして、 負極タブを銅箔の上に取り付け、 負極を完成し た。 As in Experiment A, the negative electrode tab was mounted on the copper foil to complete the negative electrode.
〔電池の作製〕 (Production of battery)
実験 Aと同様にして、 正極及び電解液を作製し、 実験 Aと同様にして リチウム二次電池を作製した。 A positive electrode and an electrolyte were prepared in the same manner as in Experiment A, and a lithium secondary battery was formed in the same manner as in Experiment A.
〔充放電サイクル試験〕
上記のようにして作製した、 シリコン薄膜の厚みが異なる負極を用い た各リチウム二次電池について、 実験 Aと同様の条件で充放電サイクル 試験を行った。 各電池についての 3 0サイクル目までの充放電効率を求 めた。 なお、 シリコン薄膜の厚みの異なる負極を用いた各電池について、 それぞれサンプルを 3個作製し、 測定した。 結果を図 5 4に示す。 図 5 4における 「0 . 9 m」 、 「 1 . 8 /x m」 、 及び 「3 . 6 m」 は、 いずれもシリコン薄膜の厚みを示しており、 各サイクルにおける充放電 効率は、 サンプル 3個の平均値である。 [Charge / discharge cycle test] A charge / discharge cycle test was performed under the same conditions as in Experiment A for each of the lithium secondary batteries using the negative electrodes having different thicknesses of silicon thin films manufactured as described above. The charge / discharge efficiency of each battery up to the 30th cycle was determined. For each battery using negative electrodes with different silicon thin film thickness, three samples were prepared and measured. The results are shown in FIG. “0.9 m”, “1.8 / xm”, and “3.6 m” in FIG. 54 all indicate the thickness of the silicon thin film, and the charge / discharge efficiency in each cycle was 3 samples. Is the average value.
図 5 4から明らかなように、 シリコン薄膜の厚みの違いによる充放電 サイクル特性への影響は特に認められず、 いずれの厚みのシリコン薄膜 を用いた場合にも良好な充放電サイクル特性が得られている。 As is evident from Fig. 54, there is no particular effect on the charge-discharge cycle characteristics due to the difference in the thickness of the silicon thin film, and good charge-discharge cycle characteristics can be obtained using any thickness of silicon thin film. ing.
更に、 1 0サイクル充放電した後、 すなわち 4 0サイクル後、 各電池 から電極を取り出し、 負極の状態を観察した。 図 5 5は、 負極裏面の状 態、 すなわちシリコン薄膜を形成していない面の状態を示している。 な お、 図 5 5において、 「0 . 9」 、 「1 . 8」 、 及び 「3 . 6」 は、 そ れぞれシリ コン薄膜の厚みを示している。 Further, after 10 cycles of charging and discharging, that is, after 40 cycles, the electrode was taken out of each battery and the state of the negative electrode was observed. FIG. 55 shows the state of the back surface of the negative electrode, that is, the state of the surface on which the silicon thin film is not formed. In FIG. 55, “0.9”, “1.8”, and “3.6” indicate the thickness of the silicon thin film, respectively.
図 5 5から明らかなように、 充放電反応後において、 厚み 3 . 6 μ m のシリ コン薄膜を形成した電極では多数のしわが観察されている。 これ に対し、 厚み 1 . 8 /Z mのシリ コン薄膜を形成した電極においては、 若 干のしわが認められ、 厚み 0 . 9 μ mのシリコン薄膜を形成した電極に おいては、 ほとんどしわが観察されていない。 これらの結果をまとめる と、 表 1 4に示す通りとなる。 表 1 4における評価は、 表 1 3における 評価と同様の基準で行っている。
表 1 4
さらに、 実験 Aの表 1 3に示す結果と併せ、 シリ コン薄膜 l //mあた りの集電体の引張強度の順に並べ替えたものを表 1 5として示す。 表 1 5As is clear from Fig. 55, after the charge / discharge reaction, a large number of wrinkles are observed on the electrode formed with the 3.6 µm-thick silicon thin film. On the other hand, some wrinkles were observed in the electrode formed with a 1.8 / Zm-thick silicon thin film, and almost no wrinkle was observed in the electrode formed with a 0.9-μm-thick silicon thin film. I have not been observed. Table 14 summarizes these results. The evaluations in Table 14 are performed based on the same criteria as the evaluations in Table 13. Table 14 In addition to the results shown in Table 13 of Experiment A, Table 15 shows the results sorted in the order of the tensile strength of the current collector per silicon thin film l // m. Table 15
表 1 5から明らかなように、 シリコン薄膜 1 あだりの集電体の引 張強度が 1. 1 2NZmm以上になると、 急激に電極に発生するしわが
少なくなることがわかる。 また、 表 1 5に示す結果から、 シリコン薄膜 の厚み 1 μ mあたりの負極集電体の引張強度が 2 . 1 8 N/m m以上に なると、 さらに発生するしわが少なくなり、 ほとんどしわが認められな くなることがわかる。 また、 図 5 3に示す 「3 5」 と図 5 5に示す 「0 . 9」 とをさらに詳細に比較すると、 どちらも 「◎」 の評価であるが、 図 5 5に示す 「0 . 9」 の方がしわが少なくなつている。 このことから、 シリコン薄膜の厚み 1 μ mあたりの負極集電体の引張強度が 4 . 2 5 N Zm m以上になると、 さらに発生するしわが少なくなることがわかる。 上記と同様にして、 シリコン薄膜の厚み 集電体の厚みの比の観点か らみると、 この比が 0 . 1 9以下であると急激に発生するしわが少なく なり、 0 . 0 9 8以下になるとさらに少なくなり、 0 . 0 5以下になる とさらにしわが少なくなることがわかる。 As is evident from Table 15, when the tensile strength of the current collector of the silicon thin film (1) exceeds 1.1 NZmm or more, wrinkles generated on the electrode rapidly occur. It turns out that it decreases. Also, from the results shown in Table 15, when the tensile strength of the negative electrode current collector per 1 μm of the silicon thin film thickness is 2.18 N / mm or more, wrinkles that occur further decrease and almost wrinkles are observed. You can see that it is no longer possible. Further, when comparing “35” shown in FIG. 53 with “0.9” shown in FIG. 55 in more detail, both of the evaluations are “◎”, but “0.9” shown in FIG. Is less wrinkled. From this, it is understood that when the tensile strength of the negative electrode current collector per 1 μm of the thickness of the silicon thin film is 4.25 NZm or more, wrinkles that occur are further reduced. Similarly to the above, from the viewpoint of the ratio of the thickness of the silicon thin film to the thickness of the current collector, when this ratio is 0.19 or less, the wrinkles that occur rapidly decrease, and the ratio is 0.098 or less. It can be seen that the wrinkles are further reduced as the value becomes, and the wrinkles are further reduced as the value becomes less than 0.05.
以上のことより、 活物質薄膜の厚み 1 μ mあたりの負極集電体の引張 強度が一定の値以上になると、 活物質薄膜の膨張 ·収縮による応力が、 集電体の弾性変形によってほぼ緩和されるため、 しわの発生が少なくな ると考えられる。 同様に、 負極集電体の厚みに対する活物質薄膜の厚み の比が一定の値以下になると、 活物質薄膜の膨張 ·収縮による応力が、 集電体の弾性変形によってほぼ緩和されるため、 しわの発生が少なくな ると考えられる。 From the above, when the tensile strength of the negative electrode current collector per 1 μm thickness of the active material thin film exceeds a certain value, the stress due to expansion and contraction of the active material thin film is almost alleviated by the elastic deformation of the current collector. Therefore, it is thought that wrinkles are less likely to occur. Similarly, when the ratio of the thickness of the active material thin film to the thickness of the negative electrode current collector falls below a certain value, the stress due to the expansion and contraction of the active material thin film is almost alleviated by the elastic deformation of the current collector. It is thought that the occurrence of the occurrence is reduced.
以下、 本発明の第 5の局面に従う実施例を説明する。 Hereinafter, an example according to the fifth aspect of the present invention will be described.
(実施例 A) (Example A)
〔負極の作製〕 (Preparation of negative electrode)
図 5 6及び図 5 8に示すような負極 2 0を作製した。 図 5 6は平面図 であり、 図 5 8は側面図である。 図 5 8に示すように、 電解銅箔 2 1の —方の面 2 1 aの上に微結晶シリコン薄膜 2 2 aを形成し、 他方の面 2 1 bの上に微結晶シリコン薄膜 2 2 bを形成した。
電解銅箔 2 1は、 圧延銅箔を電解液中に浸漬し、 その両面に電解法に より銅を析出させて両面を粗面化した銅箔である。 電解銅箔 2 1の大き さは 20 mmX 30 mmであり、 微結晶シリコン薄膜 22 a及び 22 b を形成した領域の大きさは 20 mmX 20 mmである。 電解銅箔 2 1の 厚みは 1 8 μ mであり、 微結晶シリコン薄膜 22 a及び 22 bの厚みは それぞれ約 5 μ mである。 電解銅箔 21の表面 2 1 a及び 21 bの表面 粗さ Raは 0. 20 /z mであり、 局部山頂の平均間隔 Sは 10 μ mであ る。 A negative electrode 20 as shown in FIGS. 56 and 58 was produced. FIG. 56 is a plan view, and FIG. 58 is a side view. As shown in FIG. 58, a microcrystalline silicon thin film 22 a is formed on the negative surface 21 a of the electrolytic copper foil 21, and a microcrystalline silicon thin film 22 is formed on the other surface 21 b. Formed b. The electrolytic copper foil 21 is a copper foil in which a rolled copper foil is immersed in an electrolytic solution, and copper is deposited on both surfaces thereof by an electrolytic method to roughen both surfaces. The size of the electrolytic copper foil 21 is 20 mm × 30 mm, and the size of the region where the microcrystalline silicon thin films 22 a and 22 b are formed is 20 mm × 20 mm. The thickness of the electrolytic copper foil 21 is 18 μm, and the thickness of each of the microcrystalline silicon thin films 22a and 22b is about 5 μm. The surface roughness Ra of the surfaces 21 a and 21 b of the electrolytic copper foil 21 is 0.20 / zm, and the average distance S between the local peaks is 10 μm.
微結晶シリコン薄膜 22 a及び 22 bは、 プラズマ CVD法により形 成した。 原料ガスと してシラン (S i H4) ガスを用い、 キャリアガス として水素ガスを用いた。 薄膜形成条件は、 S i H4流量: 1 0 s c c m、 H2 ガス流量: 200 s c c m、 基板温度: 1 80°C、 反応圧力 4 0 P a、 高周波電力: 5 5 5Wとした。 The microcrystalline silicon thin films 22a and 22b were formed by a plasma CVD method. Using silane (S i H 4) gas as a raw material gas, using a hydrogen gas as a carrier gas. Thin film formation condition, S i H 4 flow rate: 1 0 sccm, H 2 gas flow rate: 200 sccm, substrate temperature: 1 80 ° C, the reaction pressure 4 0 P a, high frequency power: was 5 5 5W.
図 56及び図 58に示すように、 微結晶シリコン薄膜 22 a及び 22 bが形成されていない電解銅箔 2 1の表面 2 1 aの領域上に、 ニッケル 製のタブ 23を取り付け、 負極電極を完成した。 As shown in FIGS. 56 and 58, a nickel tab 23 is attached on the surface 21 a of the electrolytic copper foil 21 on which the microcrystalline silicon thin films 22 a and 22 b are not formed, and the negative electrode is attached. completed.
〔正極の作製〕 (Preparation of positive electrode)
図 5 7に示すような正極 25を作製した。 図 5 7に示すように、 集電 体であるアルミ-ゥム箔 26の上に、 L i C o 02正極合剤スラリーを 塗布した後乾燥し、 正極活物質層 27 a及び 27 bを形成した。 アルミ ユウム箔 26としては、 大きさ 20 mm X 60 mmのものを用いた。 正 極活物質層 27 a及ぴ 27 bの形成面積は、 それぞれ 20mmX 20m mとした。 正極合剤スラリ一は以下のようにして調製した。 A positive electrode 25 as shown in FIG. 57 was produced. As shown in FIG. 5 7, aluminum as a current collector - over © arm foil 26, dried after application of the L i C o 0 2 mixture slurry, the cathode active material layer 27 a and 27 b Formed. As the aluminum foil 26, a foil having a size of 20 mm × 60 mm was used. The formation areas of the positive electrode active material layers 27a and 27b were each set to 20 mm × 20 mm. The positive electrode mixture slurry was prepared as follows.
出発原料として、 L i 2C03 及び C o C03 を用いて、 L i : C o の原子比が 1 : 1となるように枰量して乳鉢で混合し、 これを直径 1 7 mmの金型でプレスし加圧成形した後、 空気中において 800°Cで 24
時間焼成し、 L i C o 02 の焼成体を得た。 これを乳鉢で平均粒子径 2 0 // mとなるまで粉砕した。 As a starting material, using L i 2 C0 3 and C o C0 3, L i: the atomic ratio of C o is 1: 1 so as to be枰量mixed in a mortar, which diameter 1 7 mm After pressing with a mold and press forming, 24 hours at 800 ° C in air And the firing time to obtain a sintered body of L i C o 0 2. This was ground in a mortar until it reached an average particle size of 20 // m.
得られた L i C o 02粉末 9 0重量部、 及び導電材としての人造黒鉛 粉末 5重量部を、 結着剤としてのポリテトラフルォロエチレンを 5重量 部含む 5重量%の1^一メチルピロ リ ドン水溶液に混合し、 正極合剤スラ リーとした。 The obtained L i C o 0 2 powder 9 0 parts by weight, and the artificial graphite powder 5 parts by weight as the conductive material, a polytetramethylene full O b ethylene as a binder of 5 wt% comprising 5 parts by weight 1 ^ This was mixed with an aqueous solution of monomethylpyrrolidone to prepare a positive electrode mixture slurry.
アルミニウム箔 2 6の裏面に、 図 5 7に示すようにアルミニウム製の タブ 2 8を取り付け、 正極電極を完成した。 An aluminum tab 28 was attached to the back of the aluminum foil 26 as shown in FIG. 57 to complete the positive electrode.
〔電解液の作製〕 (Preparation of electrolyte solution)
エチレンカーボネートとジェチルカ一ボネートとの等体積混合溶媒に、 L i P F e を 1モル Zリ ッ トル溶解して電解液を調製し、 これを以下の 電池の作製において用いた。 In equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and Jechiruka one Boneto, the L i PF e was dissolved 1 mole Z l to prepare an electrolytic solution, using the same in the production of the following cell.
〔電池の作製〕 (Production of battery)
図 5 9は、 作製したリチウム二次電池を示す平面図である。 図 6 0は、 図 5 9の A— A線に沿う断面図である。 図 6 0に示すように、 アルミラ ミネートフィルムからなる封筒型の容器 3 0内に、 上記の負極 2 0及び 正極 2 5を配置することにより、 電池が組み立てられている。 正極活物 質層 2 7 a及び 2 7 bが内側となるように正極 2 5を折り曲げ、 その内 側に負極 2 0が挿入されている。 負極 2 0の微結晶シリコン薄膜 2 2 a は、 セパレーター 2 9 aを介して正極活物質層 2 7 aと対向しており、 微結晶シリコン薄膜 2 2 bは、 セパレーター 2 9 bを介して正極活物質 層 2 7 bと対向している。 このような状態で、 容器 3 0内に正極 2 5及 ぴ負極 2 0を揷入した後、 1 0 5 で 2時間の真空加熱処理を行い、 次 に上記の電解液を容器 3 0內に注入した後、 図 5 9に示す封口部 3 1で 封口し、 リチウム二次電池を作製した。 FIG. 59 is a plan view showing the manufactured lithium secondary battery. FIG. 60 is a sectional view taken along line AA in FIG. As shown in FIG. 60, the battery is assembled by disposing the negative electrode 20 and the positive electrode 25 in an envelope-shaped container 30 made of an aluminum laminate film. The positive electrode 25 is bent such that the positive electrode active material layers 27a and 27b are inside, and the negative electrode 20 is inserted inside the positive electrode 25. The microcrystalline silicon thin film 22a of the negative electrode 20 is opposed to the positive electrode active material layer 27a via a separator 29a, and the microcrystalline silicon thin film 22b is connected to the positive electrode via a separator 29b. It faces the active material layer 27b. In such a state, after the positive electrode 25 and the negative electrode 20 are introduced into the container 30, a vacuum heating treatment is performed at 105 for 2 hours, and then the above-mentioned electrolytic solution is transferred to the container 30. After the injection, the container was sealed with a sealing portion 31 shown in FIG. 59 to produce a lithium secondary battery.
(比較例 a )
〔負極の作製〕 (Comparative Example a) (Preparation of negative electrode)
電解銅箔 2 1の一方の面 2 1 a上にのみ微結晶シリコン薄膜 2 2 aを 形成する以外は、 上記実施例 Aの負極の作製と同様にして負極を作製し た。 A negative electrode was produced in the same manner as in the production of the negative electrode of Example A, except that the microcrystalline silicon thin film 22a was formed only on one surface 21a of the electrolytic copper foil 21.
〔正極の作製〕 (Preparation of positive electrode)
図 5 7に示すアルミニウム箔 2 6の上に、 正極活物質層として正極活 物質層 2 aのみを形成する以外は、 上記実施例 Aの正極の作製と同様 にして正極を作製した。 A positive electrode was prepared in the same manner as in the preparation of the positive electrode of Example A, except that only the positive electrode active material layer 2a was formed as a positive electrode active material layer on the aluminum foil 26 shown in FIG.
〔電池の作製〕 (Production of battery)
上記実施例 Aと同様に、 正極 2 5を正極活物質層 2 7 aが内側となる ように 2つに折り曲げ、 その間に負極 2 0を挿入した。 微結晶シリコン 薄膜 2 2 aと正極活物質層 2 7 aの間にはセパレ一ター 2 9 aを介し、 微結晶シリ コン薄膜 2 2 bが設けられていない電解銅箔 2 1の面と、 正 極活物質層 2 7 bが設けられていないアルミ-ゥム箔 2 6の面との間に はセパレーター 2 9 bを介し、 その他は上記実施例 Aと同様にしてリチ ゥム二次電池を作製した。 In the same manner as in Example A, the positive electrode 25 was bent into two with the positive electrode active material layer 27a inside, and the negative electrode 20 was inserted between them. Between the microcrystalline silicon thin film 22 a and the positive electrode active material layer 27 a via a separator 29 a, the surface of the electrolytic copper foil 21 where the microcrystalline silicon thin film 2 2 b is not provided, A separator 29b is interposed between the surface of the aluminum foil 26 on which the positive electrode active material layer 27b is not provided, and the others are the same as in Example A above. Was prepared.
(充放電サイクル試験) (Charge / discharge cycle test)
上記の実施例 A及ぴ比較例 aのリチウム二次電池について、 充放電サ イタル試験を行った。 充放電の条件は、 2 5 °Cにおいて充放電電流密度 0 . 2 m AZ c m2で 4 . 2 Vまで充電した後、 2 . 7 5 Vまで放電し、 これを 1サイクルの充放電とし、 各電池について 1 5サイクル目の容量 維持率を測定した。 なお、 1サイクル目の放電容量は、 実施例 Aの電池 が 2 5 m A hであり、 比較例 aの電池が 1 2 m A hであった。 The lithium secondary batteries of Example A and Comparative Example a were subjected to a charge / discharge vital test. The charge and discharge conditions were as follows: at 25 ° C, the battery was charged to 4.2 V at a charge / discharge current density of 0.2 mAZcm 2 and then discharged to 2.75 V, which was defined as one cycle of charge and discharge. The capacity retention of the 15th cycle was measured for each battery. The discharge capacity in the first cycle was 25 mAh for the battery of Example A, and 12 mAh for the battery of Comparative Example a.
結果を表 1 6に示す。 The results are shown in Table 16.
8
表 1 6 8 Table 16
表 1 6に示す結果から明らかなように、 実施例 Aの電池は、 比較例 a の電池に比べ、 高い容量維持率を示している。 これは、 負極集電体の両 面に微結晶シリコン薄膜を形成することにより、 負極集電体の充放電反 応によって生じる歪みが軽減され、 負極集電体からの活物質薄膜の剥離 が抑制されたことによるものであると思われる。 As is clear from the results shown in Table 16, the battery of Example A shows a higher capacity retention ratio than the battery of Comparative Example a. This is because by forming microcrystalline silicon thin films on both sides of the negative electrode current collector, the strain caused by the charge / discharge reaction of the negative electrode current collector is reduced, and peeling of the active material thin film from the negative electrode current collector is suppressed. It seems to have been done.
(実施例 B ) (Example B)
本発明に従うリチウム二次電池として、 正極及び負極が図 6 1に示す ようなスタック構造となるように組み合わされたリチウム二次電池を作 製した。 As a lithium secondary battery according to the present invention, a lithium secondary battery in which a positive electrode and a negative electrode were combined to form a stack structure as shown in FIG. 61 was produced.
〔負極の作製〕 (Preparation of negative electrode)
実施例 Aで用いた両面を粗面化した電解銅箔の両面上に、 実施例 Aと 同様にして厚み約 5 /z mの微結晶シリコン薄膜を形成し負極とした。 In the same manner as in Example A, a microcrystalline silicon thin film having a thickness of about 5 / zm was formed on both surfaces of the electrolytic copper foil having both surfaces roughened used in Example A, and used as a negative electrode.
〔正極の作製〕 (Preparation of positive electrode)
実施例 Aと同様にして得られた L i C o 02粉末 8 5重量部、 導電材 としての人造黒鉛粉末 1 0重量部、 結着剤としてのポリテトラフルォロ エチレン 5重量部を含む 5重量。 /。の N—メチルピロリ ドン水溶液を作製 し、 正極合剤スラリーとした。 これを、 厚み 2 0 μ mのアルミニウム箔 の両面の上に塗布した後乾燥し、 両面上に正極活物質層が形成された正 極とした。 Including L i C o 0 2 powder 8 5 parts by weight of the obtained analogously to Example A, artificial graphite powder 1 0 parts by weight as the conductive material, a polytetramethylene full O b ethylene 5 parts by weight of a binder 5 weight. /. An N-methylpyrrolidone aqueous solution was prepared, and this was used as a positive electrode mixture slurry. This was applied on both sides of a 20-μm-thick aluminum foil and then dried to obtain a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on both sides.
〔電池の作製〕
以上のようにして得られた、 両面上に微結晶シリコン薄膜を形成した 負極 4 1と、 両面上に正極活物質層を形成した正極 4 2とを、 図 6 1に 示すように、 セパレータ 4 3を介して交互に積層しスタック型電極構造 を構成した。 なお、 負極 4 1の上方端部には負極タブ 4 1 aが設けられ ており、 正極 4 2の上方端部には正極タブ 4 2 aが設けられている。 負 極 4 1及び正極 4 2をそれぞれ 8枚用い、 正極と負極の組み合わせを 8 段積層した。 (Production of battery) The negative electrode 41 obtained by forming a microcrystalline silicon thin film on both surfaces and the positive electrode 42 having a positive electrode active material layer formed on both surfaces, as shown in FIG. 3 were alternately stacked to form a stacked electrode structure. A negative electrode tab 41 a is provided at an upper end of the negative electrode 41, and a positive electrode tab 42 a is provided at an upper end of the positive electrode 42. Eight negative and positive electrodes 41 and 42 were used, and eight combinations of positive and negative electrodes were stacked.
上記のスタック状に積層した電極群を、 図 6 2に示すような、 アルミ ニゥム製ラミネ一トからなる外装体 4 4の内部に挿入した後、 外装体 4 4内に電解液を注液して封口した。 負極タブ 4 1 a及び正極タブ 4 2 a が外装体 4 4の外部に出るように配置して、 封口した。 After inserting the above-mentioned stacked electrode group into an exterior body 44 made of an aluminum laminate as shown in FIG. 62, an electrolytic solution was injected into the exterior body 44. And sealed. The negative electrode tab 41 a and the positive electrode tab 42 a were arranged so as to protrude out of the exterior body 44, and were sealed.
なお、 外装体 4 4内に注液する電解液としては、 エチレンカーボネー トとジェチルカーボネートとの 4 : 6混合溶媒に、 L i P F 6 を 1モル ノリットル溶解したものを用いた。 As the electrolytic solution is injected into the outer package 4 in 4, ethylene carbonate Natick bets and Jefferies the chill carbonate 4: 6 mixed solvent used was a L i PF 6 dissolved 1 mol Bruno liter.
(比較例 b ) (Comparative Example b)
天然黒鉛を活物質として用いた負極を作製した。 具体的には、 天然黒 鉛粉末 9 5重量部と結着剤としてのポリテ トラフルォロエチレン 5重量 部を含む 5重量0 /0の N—メチルピロリ ドン水溶液を作製し、 負極合剤ス ラリーとした。 これを、 厚み 1 8 mの圧延銅箔の両面上に塗布した後 乾燥し、 負極とした。 A negative electrode using natural graphite as an active material was produced. Specifically, to prepare a 5 wt 0/0 N- Mechirupirori Don aqueous solution containing Porite trough Ruo ii ethylene 5 parts by weight of a natural black lead powder 9 5 parts by weight binder, and Fukyokugozaisu Larry did. This was applied on both sides of a rolled copper foil having a thickness of 18 m, and then dried to obtain a negative electrode.
以上のようにして得られた負極を用いる以外は、 上記実施例 Bと同様 にして図 6 1及び図 6 2に示すリチウム二次電池を作製した。 A lithium secondary battery shown in FIGS. 61 and 62 was produced in the same manner as in Example B except that the negative electrode obtained as described above was used.
実施例 B及び比較例 bのリチゥム二次電池の放電容量、 平均放電電圧、 体積当たりのエネルギー密度及び重量当たりのエネルギー密度を表 1 7 に示す。 なお、 実施例 Bで用いた正極活物質の初期放電容量を 1 5 O m A h Z gとし、 実施例 Bで用いた負極活物質の初期放電容量を 3 2 0 0
m A h Z gとし、 比較例 bで用いた負極活物質の初期放電容量を 3 7 0 m A h / gとしている。 Table 17 shows the discharge capacity, average discharge voltage, energy density per volume, and energy density per weight of the lithium secondary batteries of Example B and Comparative Example b. The initial discharge capacity of the positive electrode active material used in Example B was 15 OmAhZg, and the initial discharge capacity of the negative electrode active material used in Example B was 3200. mAhZg, and the initial discharge capacity of the negative electrode active material used in Comparative Example b was set at 370 mAh / g.
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表 1 7に示すように、 本発明に従うリチウム二次電池用電極を負極と して用いた実施例 Bは、 従来のグラフアイ トの負極を用いた比較例 bに 比べ、 体積当たりのエネルギー密度及び重量当たりのエネルギー密度が 高くなることがわかる。 As shown in Table 17, the energy density per unit volume of Example B using the electrode for a lithium secondary battery according to the present invention as the negative electrode was lower than that of Comparative Example b using the conventional negative electrode of graphite. It can be seen that the energy density per unit weight is increased.
(実施例 C ) (Example C)
図 6 3に示すコイン型のリチウム二次電池を作製した。 負極は、 負極 集電体 5 1の両面上に、 それぞれ微結晶シリコン薄膜 5 2 a及び 5 2 b を形成することにより構成されている。 負極集電体 5 1としては、 実施 例 Bに用いた両面が粗面化された電解銅箔を用いている。 また、 微結晶 シリコン薄膜 5 2 a及び 5 2 b も、 実施例 Bと同様にして形成されてい る。 A coin-type lithium secondary battery shown in FIG. 63 was produced. The negative electrode is formed by forming microcrystalline silicon thin films 52a and 52b on both surfaces of the negative electrode current collector 51, respectively. As the negative electrode current collector 51, the electrolytic copper foil having the roughened surfaces on both sides used in Example B was used. Also, the microcrystalline silicon thin films 52 a and 52 b are formed in the same manner as in Example B.
正極は、 U字形状に曲げられた正極集電体 5 4の内側に、 正極活物質 層 5 5 a及び 5 5 bを設けることにより構成されている。 正極集電体 5 4としては、 実施例 Bにおいて用いたアルミニウム箔と同様のアルミ二 ゥム箔が用いられている。 また、 正極活物質層 5 5 a及ぴ 5 5 bも、 実 施例 Bにおける正極活物質層と同様にして形成されている。
図 6 3に示すように、 U字形状に折り曲げられた正極集電体 5 4の内 側に、 負極が挿入されている。 負極の負極活物質層であるシリコン薄膜 5 2 a及び 5 2 bと、 正極の正極活物質層 5 5 a及び 5 5 bとの間には、 それぞれセパレータ 5 6 a及び 5 6 bが配置されている。 The positive electrode is configured by providing positive electrode active material layers 55 a and 55 b inside a positive electrode current collector 54 bent into a U-shape. As the positive electrode current collector 54, the same aluminum foil as the aluminum foil used in Example B was used. Further, the positive electrode active material layers 55a and 55b are formed in the same manner as the positive electrode active material layer in Example B. As shown in FIG. 63, the negative electrode is inserted inside the positive electrode current collector 54 bent into a U-shape. Separators 56 a and 56 b are arranged between the silicon thin films 52 a and 52 b as the negative electrode active material layers of the negative electrode and the positive electrode active material layers 55 a and 55 b of the positive electrode, respectively. ing.
負極集電体 5 1は負極タブ 5 3と接続されており、 負極タブ 5 3は、 負極缶 5 8に接続されている。 負極缶 5 8側の正極集電体 5 4と、 負極 缶 5 8との間には、 絶縁シ一ト 5 7が設けられており、 絶縁シート 5 7 によって、 負極缶 5 8と正極集電体 5 4とが電気的に絶縁されている。 正極集電体 5 4は、 正極缶 5 9と接するように設けられており、 これ により正極集電体 5 4と正極缶 5 9とが電気的に接続されている。 負極 缶 5 8と正極缶 5 9の間には、 絶縁パッキング 6 0が設けられており、 これにより電気的に絶縁され、 電池缶内が密閉されている。 電池缶内に は、 実施例 Bと同様の電解液が封入されている。 Negative electrode current collector 51 is connected to negative electrode tab 53, and negative electrode tab 53 is connected to negative electrode can 58. An insulating sheet 57 is provided between the positive electrode current collector 54 on the negative electrode can 58 side and the negative electrode can 58, and the negative electrode can 58 and the positive electrode current collector are provided by the insulating sheet 57. The body 54 is electrically insulated. The positive electrode current collector 54 is provided so as to be in contact with the positive electrode can 59, whereby the positive electrode current collector 54 and the positive electrode can 59 are electrically connected. An insulating packing 60 is provided between the negative electrode can 58 and the positive electrode can 59, thereby providing electrical insulation and sealing the inside of the battery can. The same electrolytic solution as in Example B was sealed in the battery can.
(比較例 c ) (Comparative Example c)
負極として、 比較例 bと同様の天然黒鉛を活物質とした負極活物質層 を形成したものを用いる以外は、 上記実施例 Cと同様にしてコィン型の リチウム二次電池を作製した。 A coin-type lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example C, except that a negative electrode having a negative electrode active material layer using the same natural graphite as the active material as in Comparative Example b was used as the negative electrode.
実施例 C及び比較例 cのコイン型リチウム二次電池の放電容量、 平均 放電電圧、 体積当たりのエネルギー密度、 及び重量当たりのエネルギー 密度を表 1 8に示す。
Table 18 shows the discharge capacity, average discharge voltage, energy density per volume, and energy density per weight of the coin-type lithium secondary batteries of Example C and Comparative Example c.
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表 1 8に示すように、 本発明に従うリチウム二次電池用電極を負極に 用いた実施例 Cのリチウム二次電池は、 比較例 cのリチウム二次電池に 比べ、 体積当たり及び重量当たりのエネルギー密度において優れている ことカわ.力 る。 As shown in Table 18, the lithium secondary battery of Example C in which the electrode for a lithium secondary battery according to the present invention was used for the negative electrode had a higher energy per unit volume and weight than the lithium secondary battery of Comparative Example c. Excellent in density.
(実施例 D ) (Example D)
図 6 4に示すラミネ一トタイプのリチウム二次電池を作製した。 図 6 4において、 負極 6 1は、 図 6 3に示す負極と同様に、 電解銅箔の両面 上に膜厚 5 // mの微結晶シリコン薄膜を形成することにより構成されて いる。 正極 6 2も、 図 6 3に示す正極と同様に、 U字形状に折り曲げら れた正極集電体であるアルミニウム箔の内側に、 一対の正極活物質層を 設けることにより構成されている。 負極 6 1が、 U字形状の正極 6 2の 内側に挿入されて 1組の電池 6 5が構成されている。 負極 6 1からは負 極タブ 6 3が外部に取り出され、 正極 6 2からは正極タブ 6 4が外部に 取り出されている。 この 1組の電池 6 5を 4段積層し、 アルミニウムラ ミネートからなる外装体 6 6の内部に挿入されている。 なお、 図 6 4に は、 1組の電池 6 5を 3段積層した状態が示されているが、 実際には上 述のように 4段積層されている。 外装体 6 6の内部には、 実施例 Bと同 様の電解液が注入されている。 A laminate type lithium secondary battery shown in FIG. 64 was produced. In FIG. 64, the negative electrode 61 is formed by forming a microcrystalline silicon thin film having a thickness of 5 // m on both sides of the electrolytic copper foil, similarly to the negative electrode shown in FIG. Similarly to the positive electrode shown in FIG. 63, the positive electrode 62 is configured by providing a pair of positive electrode active material layers inside an aluminum foil serving as a positive electrode current collector bent in a U-shape. The negative electrode 61 is inserted inside the U-shaped positive electrode 62 to form a set of batteries 65. A negative electrode tab 63 is taken out of the negative electrode 61, and a positive electrode tab 64 is taken out of the positive electrode 62. This set of batteries 65 is stacked in four stages and inserted into an exterior body 66 made of aluminum laminate. Although FIG. 64 shows a state in which one set of batteries 65 is stacked in three layers, in practice, four cells are stacked as described above. The same electrolytic solution as in Example B is injected into the exterior body 66.
図 6 5は、 図 6 4に示すラミネートタイプのリチウム二次電池の平面
図である。 図 6 5に示すように、 外装体 6 6の三方を溶着し、 溶着部 6 7が形成されてい Fig. 65 is a plan view of the laminated lithium secondary battery shown in Fig. 64. FIG. As shown in FIG. 65, the outer body 66 is welded on three sides to form a welded portion 67.
る。 負極タブ 6 3及び正極タブ 6 4は、 外装体 6 6の外部に引き出され ている。 You. The negative electrode tab 63 and the positive electrode tab 64 are drawn out of the exterior body 66.
(比較例 d ) (Comparative Example d)
比較例 bと同様に、 負極としてグラフアイ トを用いた負極を用いる以 外は、 上記実施例 Dと同様にしてラミネートタイプのリチウム二次電池 を作製した。 As in Comparative Example b, a laminated lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example D except that a negative electrode using graphite was used as the negative electrode.
実施例 D及び比較例 dのリチウム二次電池の放電容量、 平均放電電圧、 体積当たりのエネルギー密度、 及び重量当たりのエネルギー密度を表 1 9に示す。 表 1 9 Table 19 shows the discharge capacity, average discharge voltage, energy density per volume, and energy density per weight of the lithium secondary batteries of Example D and Comparative Example d. Table 19
表 1 9から明らかなように、 本発明に従うリチウム二次電池用電極を 負極に用いた実施例 Dのリチウム二次電池は、 比較例 dのリチウム二次 電池に比べ、 体積当たり及び重量当たりのエネルギー密度において優れ ている。 As is evident from Table 19, the lithium secondary battery of Example D using the electrode for a lithium secondary battery according to the present invention as the negative electrode has a smaller weight per unit volume and weight than the lithium secondary battery of Comparative Example d. Excellent in energy density.
(実施例 E ) (Example E)
図 6 6に示す円筒型のリチウム二次電池を作製した。 正極 7 1 と負極 7 2の間にセパレ一タ 7 3を挟み、 さらに正極 7 1の外側にさらに別の
セパレータ 7 3を配置し、 この状態でスパイラル状に巻き付けて電池缶 内に挿入されている。 正極 7 1及び負極 7 2としては、 実施例 Bと同様 に、 アルミニウム箔の両面上に正極活物質層を形成したもの及び電解銅 箔の両面上に微結晶シリコン薄膜を形成したものを用いた。 電池缶内に は、 実施例 Bと同様の電解液が注入されている。 A cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 66 was produced. A separator 73 is sandwiched between the positive electrode 71 and the negative electrode 72, and another separator is provided outside the positive electrode 71. A separator 73 is arranged, and in this state, it is spirally wound and inserted into the battery can. As the positive electrode 71 and the negative electrode 72, similarly to Example B, those having a positive electrode active material layer formed on both sides of an aluminum foil and those having microcrystalline silicon thin films formed on both sides of an electrolytic copper foil were used. . The same electrolytic solution as in Example B was injected into the battery can.
負極 7 2は負極缶 7 4にリードによって電気的に接続されており、 正 極 7 1は正極端子 7 5にリードにより電気的に接続されている。 The negative electrode 72 is electrically connected to the negative electrode can 74 by a lead, and the positive electrode 71 is electrically connected to the positive terminal 75 by a lead.
(比較例 e ) (Comparative Example e)
負極として、 グラフアイ トを活物質とした比較例 bと同様の負極を用 いる以外は、 上記実施例 Eと同様にして円筒型リチウム二次電池を作製 した。 A cylindrical lithium secondary battery was produced in the same manner as in Example E, except that the negative electrode used was the same as Comparative Example b using graphite as an active material.
実施例 E及び比較例 eのリチウム二次電池の放電容量、 平均放電電圧、 体積当たりのエネルギー密度、 及び重量当たりのエネルギー密度を表 2 0に示す。 表 2 0 Table 20 shows the discharge capacity, average discharge voltage, energy density per volume, and energy density per weight of the lithium secondary batteries of Example E and Comparative Example e. Table 20
表 2 0から明らかなように、 本発明に従うリチウム二次電池用電極を 負極として用いた実施例 Eのリチウム二次電池は、 比較例 eのリチウム 二次電池に比べ、 体積当たり及び重量当たりのエネルギー密度において 優れている。
(実施例 F ) As is clear from Table 20, the lithium secondary battery of Example E using the electrode for a lithium secondary battery according to the present invention as a negative electrode has a smaller weight per unit volume and weight than the lithium secondary battery of Comparative Example e. Excellent in energy density. (Example F)
図 6 7に示す角形リチウム二次電池を作製した。 図 6 6に示す円筒型 リチウム二次電池と同様に、 正極 7 1 と負極 7 2の間及び正極 7 1の外 側に、 それぞれセパレータ 7 3を配置し、 これをスパイラル状に巻き取 つた後、 扁平化して負極缶 7 4内に収納している。 負極 7 2としては、 実施例 Bと同様に電解銅箔の両面に微結晶シリコン薄膜を形成したもの を用いた。 負極 7 2はリードにより負極缶 7 4に電気的に接続されてお り、 正極 7 1はリードにより、 正極端子 7 5に電気的に接続されている。 電池缶内には、 実施例 Bと同様の電解液が注入されている。 A prismatic lithium secondary battery shown in FIG. 67 was produced. As in the case of the cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 66, separators 73 are arranged between the positive electrode 71 and the negative electrode 72 and outside the positive electrode 71, respectively, and after being wound in a spiral shape. It is flattened and stored in the negative electrode can 74. As in the case of Example B, a negative electrode 72 having a microcrystalline silicon thin film formed on both surfaces of an electrolytic copper foil was used. The negative electrode 72 is electrically connected to the negative electrode can 74 by a lead, and the positive electrode 71 is electrically connected to the positive electrode terminal 75 by a lead. The same electrolytic solution as in Example B was injected into the battery can.
(比較例 f ) (Comparative example f)
負極として、 グラフアイ トを活物質とした比較例 bと同様の負極を用 いる以外は、 上記実施例 Fと同様にして角形リチウム二次電池を作製し た。 A prismatic lithium secondary battery was fabricated in the same manner as in Example F, except that the negative electrode used was the same as Comparative Example b using graphite as an active material.
実施例 F及び比較例 f の放電容量、 平均放電電圧、 体積当たりのエネ ルギ一密度、 及び重量当たりのエネルギー密度を表 2 1に示す。 表 2 Table 21 shows the discharge capacity, average discharge voltage, energy density per volume, and energy density per weight of Example F and Comparative Example f. Table 2
表 2 1から明らかなように、 本発明に従うリチウム二次電池用電極を 負極として用いた実施例 Fのリチウム二次電池は、 比較例 f のリチウム 二次電池に比べ、 体積当たり及び重量当たりのエネルギー密度において
優れている。 産業上の利用可能性 As is clear from Table 21, the lithium secondary battery of Example F using the electrode for a lithium secondary battery according to the present invention as a negative electrode has a smaller weight per unit volume and weight than the lithium secondary battery of Comparative Example f. In energy density Are better. Industrial applicability
本発明の第 1の局面及び及び第 2の局面によれば、 充放電容量が高く、 かつ充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池とすることができる c 本発明の第 3の局面によれば、 充放電容量が高く、 かつ充放電サイク ル特性に優れたリチゥム二次電池用電極であり、 充放電によって電極に しわが発生するのを抑制することができるリチウム二次電池用電極とす ることができる。 According to the first aspect and and second aspects of the present invention, according to the third aspect of the c the present invention which can charge and discharge capacity is high and the excellent lithium secondary battery charge-discharge cycle characteristics For example, an electrode for a lithium secondary battery having a high charge / discharge capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics, and an electrode for a lithium secondary battery capable of suppressing wrinkling of the electrode due to charge / discharge. Can be
本発明の第 4の局面によれば、 集電体の上に、 活物質薄膜と合金化す る材料からなる中間層を形成した後、 該中間層の上に活物質薄膜を形成 することにより、 集電体からの活物質薄膜の脱離を防止することができ, 集電特性を高めて、 良好な充放電サイクルを得ることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, after forming an intermediate layer made of a material that can be alloyed with the active material thin film on the current collector, the active material thin film is formed on the intermediate layer. It is possible to prevent the active material thin film from being detached from the current collector, improve the current collection characteristics, and obtain a good charge / discharge cycle.
本発明の第 5の局面によれば、 リチウム二次電池用電極において、 充 放電反応により生じる集電体の歪みを小さくすることができ、 さらにリ チウムニ次電池の充放電サイクル特性を向上させることができる。
According to the fifth aspect of the present invention, in an electrode for a lithium secondary battery, distortion of a current collector caused by a charge / discharge reaction can be reduced, and further, the charge / discharge cycle characteristics of a lithium secondary battery can be improved. Can be.