WO2002021616A1 - Electrode negative pour accumulateur au lithium et procede de production - Google Patents

Electrode negative pour accumulateur au lithium et procede de production Download PDF

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明 細 書 リチウム二次電池用負極及びその製造方法 技術分野 本発明は、 リチゥム二次電池用電極及びその製造方法並びにリチウム 二次電池に関するものである。 背景技術

リチウム二次電池の負極にリチウム金属を用いると、 高い充放電容量 を得ることができるが、 充電の際にリチウム金属が負極上にデンドライ ト状に析出するため、内部短絡等を発生し易いという問題を有している。 このような問題を生じず、 かつ高い充放電容量を期待することができ るものとして、 S i、 S n、 A 1などのリチウムと合金化する金属を負 極活物質として用いることが考えられる。 しかしながら、 このような合 金化する金属を活物質として用いると、 高容量を期待することはできる 力 充放電の繰り返しにより、 その体積が大きく変化するため、 活物質 が微粉化し、 集電体から剥離するという問題がある。

特開平 1 1— 3 3 9 7 7 7号公報では、 活物質としてケィ素粉末を含 有するスラリーを集電体上に塗布した後、 非酸化性雰囲気下でこれを焼 成することにより、 集電体と活物質の間の接触抵抗を低減することが提 案されている。 '

また、 特公平 1 1— 2 9 4 8 2 0 5号では、 リチウムニ次電池の負極 として、 ケィ素またはケィ素とカーボンの複合物を導電性金属基材上に 塗布し、 非酸化性雰囲気下で焼結したものを用いることが提案されてい る。

また、 特開平 2 0 0 0 _ 1 2 0 8 9号公報では、 ケィ化銅またはケィ 素と導電性カーボンまたは導電性金属との複合体を導電性金属箔と焼結 したものを用いることが提案されている。 また、 特開 2 0 0 0— 1 2 0 8 8号公報では、 平均粗さ 0 . 0 3 μ m以上の集電体上に活物質を結着 剤により付着させたものを用いることが提案されている。

しかしながら、 上記の従来の方法によっても、 十分に良好な充放電サ ィクル特性を得ることができず、 実用的なリチウム二次電池用負極とす ることができないという問題があった。 発明の開示

本発明の目的は、 高い充放電容量を得ることができ、 かつ充放電特性 に優れたリチウム二次電池用電極及ぴその製造方法並びにこれを用いた リチウム二次電池に関するものである。

本発明の第 1の局面に従うリチウム二次電池用負極は、 表面粗さ R a が 0 . 2 μ πι以上である導電性金属箔を集電体とし、 ケィ素及び/また はケィ素合金を含む活物質粒子と導電性金属粉末の混合物の層を集電体 の表面上で非酸化性雰囲気下に焼結して得られることを特徴としている。 本発明の第 2の局面に従うリチウム二次電池用負極は、 表面粗さ R a が 0 . 2 μ ιη以上である導電性金属箔を集電体とし、 ケィ素及び/また はケィ素合金を含む活物質粒子の層を集電体の表面上で非酸化性雰囲気 下に焼結して得られることを特徴としている。

本発明の第 3の局面に従うリチウム二次電池用負極の製造方法は、 表 面粗さ R aが 0 . 2 μ πι以上である導電性金属箔の表面上に、 ケィ素及 ぴノまたはケィ素合金を含む活物質粒子と導電性金属粉末の混合物の層 を形成する工程と、 該混合物の層を導電性金属箔の表面上に配置した状 態で非酸化性雰囲気下で焼結する工程とを備えることを特徴としている。 本発明の第 4の局面に従うリチウム二次電池用負極の製造方法は、 表 面粗さ R aが 0 . 2 μ πι以上である導電性金属箔の表面上に、 ケィ素及 ぴ Ζまたはケィ素合金を含む活物質粒子の層を形成する工程と、 該活物 質粒子の層を導電性金属箔の表面上に配置した状態で非酸化性雰囲気下 で焼結する工程とを備えることを特徴としている。

本発明の第 5の局面に従うリチウム二次電池用電極は、 リチウムと合 金化する材料からなる活物質粒子の層が集電体上に設けられており、 活 物質粒子の層において活物質粒子が焼結によって互いに結合されており、 かつ活物質粒子中にリチウムと合金化しない成分が拡散していることを 特徴としている。

本発明の第 6の局面に従うリチウム二次電池用負極は、 導電性金属箔 を集電体とし、 ゲイ素及び Ζまたはケィ素合金を含む活物質材料と導電 性金属粉末の混合物を集電体の表面上で還元性雰囲気下に焼結して得ら れることを特徴としている。

本発明の第 7の局面に従うリチウム二次電池用負極の製造方法は、 導 電性金属箔の表面上に、 ケィ素及び/またはケィ素合金を含む活物質材 料と導電性金属粉末の混合物を配置する工程と、 該混合物を上記導電性 金属箔の表面上に配置した状態で還元性雰囲気下に焼結させる工程とを 備えることを特徴としている。

本発明のリチウム二次電池は、 上記本発明の第 1、 第 2、 または第 6 の局面の負極、 本発明の第 3、 第 4、 または第 7の局面の方法から製造 された負極、 または本発明の第 5の局面の電極からなる負極と、 正極活 物質を含む正極と、 非水電解質とからなることを特徴としている。

以下、 本発明の第 1〜第 7の局面において共通する事項については、 「本発明」 として説明する。 本発明においては、 表面粗さ R aが 0 . 2 μ m以上である導電性金属 箔を集電体として用いることが好ましい。 この表面粗さ R aの値は、 焼 結する前の値である。 このような表面粗さ R aを有する導電性金属箔を 集電体として用いることにより、 活物質粒子と導電性金属粉末の混合物 と金属箔表面との接触面積が大きくなるため、 非酸化性雰囲気下及び還 元性雰囲気下での焼結が効果的に起こり、 活物質粒子と導電性金属粉末 と集電体との密着性が大きく向上する。 このため、 充放電反応において リチウムを吸蔵 ·放出する際に生じる活物質の大きな体積膨張及び収縮 と、 微粉化による活物質の集電体からの剥離が抑制される。 また、 導電 性金属粉末を混合せずに、 活物質粒子のみを用いた場合にも、 集電体と の接触面積を大きくすることができ、 活物質粒子と集電体との密着性を 高めることができる。

導電性金属箔の表面粗さ R aの上限は、 特に限定されるものではない 力 後述するように、 導電性金属箔の厚みが 1 0〜 1 0 0 mの範囲に あることが好ましいので、 実質的には表面粗さ R aの上限は 1 0 / m以 下である。

また、 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。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 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。

また、 本発明において、 導電性金属粉末を活物質粒子に混合した状態 で焼結した場合、 活物質粒子の周囲に導電性金属粉末による強固な導電 性のネットワークが形成される。 このため、 微粉化が生じても集電性が 保たれ、 接触抵抗が大きくなるのを抑制することができる。

本発明において集電体として用いる導電性金属箔としては、例えば銅、 ニッケル、 鉄、 チタン、 コバルト等の金属またはこれらの組み合わせか らなる合金のものを挙げることができる。 特に、 活物質粒子中に拡散し 易い金属元素を含有するものが好ましい。 このような観点からは、 銅箔 または銅合金箔であることが好ましい。 銅元素は、 熱処理により活物質 粒子中に拡散し易く、 焼結における活物質粒子との結合性の向上を期待 することができる。表面粗さ R aが 0 . 2 μ ιη以上である銅箔としては、 例えば、 電解銅箔及び電解銅合金箔が挙げられる。 電解銅箔及び電解銅 合金箔は、 銅箔の表面に電解法により、 銅または銅合金を析出させたも のである。 また、 表面に電解法による銅または銅合金を形成したその他 の金属箔であってもよい。 このようなものとして、 ニッケル箔の表面に 電解法により銅または銅合金を析出させたものを挙げることができる。 また、 本発明において、 活物質粒子と混合する導電性金属粉末として は、 上記導電性金属箔と同様の材質のものを好ましく用いることができ る。 具体的には、 銅、 ニッケル、 鉄、 チタン、 コバルト等の金属または これらの組み合わせからなる合金または混合物である。 特に、 導電性金 属粉末としては銅粉末が好ましく用いられる。 活物質粒子と導電性金属 粉末の混合物を集電体の表面上で焼結することにより、 導電性金属箔及 び ζまたは導電性金属粉末中の金属成分が活物質粒子中に拡散し、 活物 質粒子の周辺にこの金属成分が偏在した状態になると考えられる。 金属 成分として、 銅などのような、 リチウムと合金化しない金属成分を用い ることにより、 この金属成分が偏在した箇所において充放電反応時の体 積の膨張収縮が抑制されるため、 集電体からの活物質の剥離及ぴ集電体 材料の微粉化が抑制され、 充放電サイクル特性に優れたものとすること ができる。

本発明において用いる活物質粒子として、 ケィ素及び/またはケィ素 合金の粉末が挙げられる。 ケィ素合金としては、 ケィ素と他の 1種以上 の元素との固溶体、 ケィ素と他の 1種以上の元素との金属間化合物、 ケ ィ素と他の 1種以上の元素との共晶合金などが挙げられる。 合金の作製 方法としては、 アーク溶解法、 液体急冷法、 メカニカルァロイング法、 スパッタリング法、 化学気相成長法、 焼成法などが挙げられる。 特に、 液体急冷法としては、 単ロール急冷法、 双ロール急冷法、 及びガスアト マイズ法、 水アトマイズ法、 ディスクアトマイズ法などの各種アトマイ ズ法が挙げられる。

また、 本発明において用いる活物質粒子としては、 ケィ素及び/また はケィ素合金の粒子表面を金属等で被覆したものを用いてもよい。 被覆 方法としては、 無電解めつき法、 電解めつき法、 化学還元法、 蒸着法、 スパッタリング法、 化学気相成長法などが挙げられる。 粒子表面を被覆 する金属としては、 導電性金属箔ゃ導電性金属粉末と同じ金属であるこ とが好ましい。 導電性金属箔及び導電性金属粉末と同じ金属を、 被覆す ることにより、 焼結の際の集電体及び導電性金属粉末との結合性が大き く向上し、 さらに優れた充放電サイクル特性を得ることができる。

本発明において用いる活物質粒子として、 リチウムと合金化する材料 からなる粒子を用いてもよい。 リチウムを合金化する材料としては、 上 記のケィ素及ぴケィ素合金の他に、 ゲルマニウム、 錫、 鉛、 亜鉛、 マグ ネシゥム、 ナトリウム、 アルミニウム、 ガリウム、 インジウム及ぴこれ らの合金などが挙げられる。

本発明において用いる活物質粒子の平均粒径は、特に限定されないが、 効果的な焼結を生じるためには、 1 0 0 z m以下であることが好ましく、 さらに好ましくは 5 0 μ ιη以下、 最も好ましくは 1 0 // m以下である。 活物質粒子の平均粒径が小さいほど、 良好なサイクル特性が得られる傾 向にある。 また、 本発明において用いる導電性金属粉末の平均粒径も、 特に限定されるものではないが、 1 0 0 μ πι以下であることが好ましく、 さらに好ましくは 5 0 μ m以下であり、 さらに好ましくは 1 0 μ m以下 である。

本発明において導電性金属粉末の混合割合は、 重量比で活物質粒子 1 に対して、 0 . 0 5〜 5 0の範囲内であることが好ましい。 導電性金属 粉末の混合割合が少な過ぎると、 良好な充放電サイクル特性が得られな い場合があり、 多過ぎると、 活物質粒子の混合割合が相対的に少なくな るので、 充放電容量が小さくなる。

しかしながら、 活物質粒子の平均粒径が小さい場合には、 導電性金属 粉末が混合されていなくとも、 すなわち活物質粒子のみでも良好な充放 電サイクル特性が得られる場合がある。

本発明において、 導電性金属箔の厚みは特に限定されるものではない 力 1 0 μ π!〜 1 0 0 mの範囲であることが好ましい。 また、 導電性 金属箔上の活物質粒子と導電性金属粉末の混合物の層または活物質粒子 の層からなる焼結体の厚みは、 特に限定されるものではないが、 1 0 0 0 μ m以下が好ましく、さらに好ましくは 1 0 μ m〜 1 0 0 μ mである。 本発明における非酸化性雰囲気下での焼結は、 例えば、 窒素雰囲気下 またはアルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で行う。 水素雰囲気などの還 元性雰囲気下で行ってもよい。 焼結する際の熱処理の温度は、 導電性金 属箔、 導電性金属粉末及び活物質粒子の融点以下の温度であることが好 ましい。 例えば、 導電性金属箔及ぴ導電性金属粉末として銅を用いた場 合には、 融点である 1 0 8 3 °C以下であることが好ましく、 さらに好ま しくは 2 0 0〜 5 0 0 °Cであり、 さらに好ましくは 3 0 0〜 4 5 0 °Cで ある。 焼結する方法として、 放電プラズマ焼結法やホットプレス法を用 いてもよレヽ。

活物質粒子として、ケィ素及び/またはケィ素合金を含む粉末を用い、 活物質粒子中に銅元素を拡散させる場合、 焼結する際の熱処理の温度を 高くすると、 多量の銅元素が活物質粒子中に拡散し、 ケィ素と銅の金属 間化合物であるケィ化銅が形成される場合がある。 ケィ化銅が形成され ると、 充放電サイクル特性が悪くなる傾向にあるので、 X線回折でケィ 化銅の析出が検出されないような条件で焼結することが好ましい。

以上のような観点から、 上記温度範囲で焼結することが好ましい。 · また、 本発明においては、 活物質粒子と導電性金属粉末とバインダー を含むスラリー、 または活物質粒子及びバインダーを含むスラリーを塗 布して、 集電体である導電性金属箔の上に、 混合物の層または活物質粒 子の層を形成することができる。 バインダーは、 焼結のための熱処理後 も完全に分解せずに残存していることが好ましい。 熱処理後もパインダ 一が分解せずに残存していることにより、 焼結による活物質粒子と集電 体との間の密着性の向上及ぴ活物質粒子間の密着性の向上に加え、 パイ ンダ一による結着力も加わり、 密着性をさらに高めることができる。 従 つて、 活物質粒子の微粉化及び活物質粒子の集電体からの剥離が抑制さ れ、 さらに良好な充放電サイクル特性を得ることができる。

本発明におけるバインダーとしては、 ポリイミ ドが好ましく用いられ る。 ポリイミ ドは、 例えばポリアミ ド酸を熱処理することによって得る ことできる。 この熱処理によりポリアミ ド酸が脱水縮合して、 ポリイミ ドが生成する。 本発明においては、 ポリイミ ドのイミ ド化率が 8 0 %以 上のものが好ましい。 ポリイミ ドのイミ ド化率が 8 0 %未満であると、 活物質粒子及ぴ集電体との密着性が良好でなくなる場合がある。ここで、 イミ ド化率とは、 ポリイミ ド前駆体に対する生成したポリイミ ドのモ ル%である。 イミ ド化率 8 0以上のものは、 例えば、 ポリアミド酸の N M P ( N—メチルピロリ ドン) 溶液を 1 0 0 °C〜 4 0 0 °Cの温度で 1時 間以上熱処理することにより得ることができる。 例えば、 3 5 0 °Cで熱 処理する場合、 熱処理時間が約 1時間でィミ ド化率が約 8 0 %となり、 約 3時間でィミ ド化率は約 1 0 0 %となる。 本発明では、 焼結のための 熱処理後もパインダ一は完全に分解せずに残存しているものであること が好ましいので、 バインダーとしてポリイミ ドを用いる場合には、 ポリ イミ ドが完全に分解しない 6 0 0 °C以下の温度で焼結することが好まし レ、。

また、 バインダーとして、 フッ素原子を含むバインダーも好ましく用 いることができる。 フッ素原子を含むバインダーとしては、 ポリフッ化 ビニリデン及びポリテトラフルォロエチレンが特に好ましい。 ポリフッ 化ビニリデンまたはポリテトラフルォロエチレンをバインダーとして用 い、 バインダ一が完全に分解しないような温度で焼結のための熱処理を 行なうことにより、 さらに良好な充放電サイクル特性を得ることができ る。 ' 以上のような観点から、 焼結の際の熱処理温度は、 上述のように、 2 · 0 0〜 5 0 0 °Cが好ましく、さらに好ましくは 3 0 0〜 4 5 0 °Cである。 また、 本発明においては、 集電体としての導電性金属箔の上に、 活物 質粒子と導電性金属粉末の混合物の層または活物質粒子の層を形成した 後、 焼結する前に、 これらの層を導電性金属箔とともに圧延することが 好ましい。 このような圧延により、 混合物の層または活物質粒子の層に おける充填密度を高めることができ、 粒子間の密着性及び粒子と集電体 との密着性を高めることができるので、 良好な充放電サイクル特性を得 ることができる。

また、 本発明においては、 導電性金属箔の表面の凹部に活物質粒子及 ぴ /またはバインダ一が入り込んでいることが好ましい。 導電性金属箔 表面の凹部に活物質粒子及び/またはパインダ一が入り込むことにより、 混合物の層または活物質粒子の層と集電体との密着性をさらに高めるこ とができる。

本発明のリチウムニ次電池は、 上記本発明の負極もしくは上記本発明 の電極からなる負極または上記本発明の製造方法により製造された負極 と、 正極活物質を含む正極と、 非水電解質とからなることを特徴として いる。

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 カーボネート、 ジェチルカーボネートなどの鎖状カーボネ ー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 —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 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 CF3 S03、 L i N (C F3 S 02)2、 L i N (C2 F 5 S 02)2 、 L i N (C F3 S 02)( C4 F9 S 02)、 L i C (C F3 S 02)3、 L i C (C2 F5 S 02)3 など及ぴ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な どのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質や、 L i I、 L i 3 N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リチウム化 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。

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〇2 、 L i N i〇2 、 L i Mn2 04 、 L i Mn 02 、 L i C o 0·5 N i 05 02 、 L i N i 07 C o0.2 Mn01 02 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揷入 ·脱離する物質であれ ば、 制限なく用いることができる。

図 2は、 本発明のリチウム二次電池用負極の一例を示す模式的断面図 である。 導電性金属箔 1 1の上には、 活物質粒子 1 2と導電性金属粉末 1 3が設けられており、 これらは焼結されている。活物質粒子 1 2には、 導電性金属箔 1 1からの金属成分が拡散した領域 1 2 a及び導電性金属 粉末 1 3からの金属成分が拡散した領域 1 2 bが形成されている。 導電 性金属箔 1 1から拡散する金属成分、 及び導電性金属粉末 1 3から拡散 する金属成分が、 リチウムと合金化しない金属成分である場合、 これら の拡散領域 1 2 a及ぴ 1 2 bにおいては、 活物質粒子 1 2がリチウムを 吸蔵する際に生じる体積の膨張が小さくなる。 従って、 活物質粒子 1 2 の導電性金属箔 1 1からの剥離や、 導電性金属粉末 1 3からの剥離が抑 制され、 さらに活物質粒子 1 2自身の微粉化も抑制されるので、 充放電 サイクル特性を向上させることができると考えられる。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明に従う実施例において作製したリチウム二次電池を示 す模式的断面図である。

図 2は、 本発明に従う一例のリチウム二次電池用負極を示す模式的断 面図である。

図 3は、 実施例において作製した電池 A 1 8及ぴ A 2 0の負極の X線 回折プロファイルを示す図である。

図 4は、 実施例において作製した電池 A 2 0の負極の断面の走査型電 子顕微鏡写真を示す図 (倍率 1 0 0 0倍) である。

図 5は、 実施例において作製した電池 A 2 0の負極の断面の走查型電 子顕微鏡写真を示す図 (倍率 5 0 0 0倍) である。

図 6は、 実施例において作製した電池 C 1及び C 3の負極の X線回折 プロファイルを示す図である。 発明を実施するための最良の形態

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 以下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 )

〔負極の作製〕

導電性金属粉末としての平均粒径 1 0 / mのフレーク状銅粉末と、 活 物質粒子としての平均粒径 5 0 mのケィ素粉末とを、 重量比で 4 : 1 (= 1 : 0. 2 5 ) となるように秤量し、 乳鉢で乾式混合した。 この混 合物 9 0重量部を、 結着剤としてのポリフッ化ビニリデン 1 0重量部を 含む 8重量%のN—メチルピロリ ドン溶液に混合し、 負極合剤スラリー とした。

この負極合剤スラリーを、 集電体である表面粗さ R aが 0. 5 μ πιで ある電解銅箔 (厚み 1 5 /i m) の片面に塗布し、 乾燥した後これを圧延 した。 得られたものを、 直径 2 O mmの円板状に切り抜き、 これをアル ゴン雰囲気下で 7 0 0°C 1 0時間熱処理し、 焼結して負極とした。 焼結 体の厚み (集電体は含まない) は 5 0 μ πιであった。

〔正極の作製〕

出発原料として、 L i 2 C 03 及び C o C 03 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、 8 0 0°C 2 4時間焼成し、 L i C o〇2 の焼成体を得た。 これを乳鉢で粉砕し、 平 均粒径 2 0 μ mに調製した。

得られた L i C o 02 粉末 9 0重量部と、 導電剤として人口黒鉛粉末 5重量部を、 結着剤としてのポリフッ化ビニリデン 5重量部を含む 5重 量%の N—メチルピロリ ドン溶液に混合し、 正極合剤スラリーとした。

2 この正極合剤スラリーを、集電体であるアルミニウム箔の上に塗布し、 乾燥した後圧延した。得られたものを直径 2 0 m mの円板状に切り抜き、 正極とした。

〔電解液の作製〕

電解液として、 エチレンカーボネートとジエチレンカーボネートとの 等体積混合溶媒に、 L i P F 6 を 1モル/リットル溶解したものを作製 した。

〔電池の作製〕

上記の正極、 負極、 及び電解液を用いて、 扁平型のリチウム二次電池 A 1を作製した。

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。

正極 1及ぴ負極 2は、 セパレーター 3を介して対向している。 これら は正極缶 4及び負極缶 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ぴ放電が可 能な構造となっている。

(実験 2 )

ケィ素と、 ニッケルまたは銅を原子比で 9 : 1となるように混合し、 単ロール急冷法により、 S i 9 N i合金及び S i 9 C u合金を作製した。 これらの合金を乳鉢で平均粒径 5 0 // mとなるように粉砕した。 実験 1 において、 ケィ素粉末の代わりに、 これらの合金粉末を用いる以外は、 実験 1と同様にして電池 A 2及ぴ A 3を作製した。 電池 A 2は S i 9 N i合金を用いたものであり、 電池 A 3は S i 9 C u合金を用いたもので ある。

3 (実験 3 )

平均粒径 50 μ mのケィ素粉末の表面を、 無電解めつき法によりニッ ケルで被覆した。 得られたものについて原子吸光法 ( I CP) で確認し たところ、 ニッケルによるケィ素粉末の被覆量は、 全体に対して 0.' 5 重量%であった。

実験 1において、 ケィ素粉末の代わりに、 このニッケルを被覆したケ ィ素粉末を用いる以外は、 実験 1と同様にして電池 A4を作製した。

(実験 4)

ニッケル箔及ぴステンレス箔の表面に電解法により、 銅を析出させ、 銅被覆ニッケル箔 (厚み 1 及ぴ銅被覆ステンレス箔 (厚み 15 μ m) を作製した。 これらの表面粗さ R aは、 いずれも 0. 5 /zmであ つた。

実験 1において、 電解銅箔の代わりに、 これらの銅被覆ニッケル箔及 ぴ銅被覆ステンレス箔を用いる以外は、 実験 1と同様にして、 電池 A5 及ぴ A 6を作製した。電池 A 5は銅被覆ニッケル箔を用いたものであり、 電池 A 6は銅被覆ステンレス箔を用いたものである。

また、 表面粗さ R aが 0. 5 mである電解ニッケル箔及ぴ電解鉄箔 を、 実験 1において電解銅箔の代わりに用いる以外は、 実験 1と同様に して電池 A 7及ぴ A 8を作製した。 電池 A 7は電解ニッケル箔を用いた ものであり、 電池 A 8は電解鉄箔を用いたものである。

(実験 5 )

実験 1において、 フレーク状銅粉末の代わりに、 平均粒径 l O jumの フレーク状ニッケル粉末または平均粒径 10 /zmのフレーク状鉄粉末を 用いる以外は、 実験 1と同様にして電池 A 9及び A 10を作製した。 電 池 A 9はフレーク状ニッケル粉末を用いたものであり、 電池 A10はフ レーク状鉄粉末を用いたものである。 また、 実験 1で用いたフレーク状銅粉末と、 平均粒径 1 0 μπιのフレ ーク状ニッケル粉末を等重量で混合したものを作製し、 これを実験 1に おいてフレーク状銅粉末の代わりに用いる以外は、 実験 1と同様にして 電池 A 1 1を作製した。

(実験 6)

実験 1において、 表面粗さ R aが 0. 5 μ mである電解銅箔の代わり に、 表面粗さ R aが 0. 2 μ mである電解銅箔を用いて、 電池 A 1 2を 作製した。

また、 実験 1において、 表面粗さ R aが 0. 5 / mである電解銅箔の 代わりに、 表面粗さ R aが 0. 1 μ mである圧延銅箔を用いて、 電池 B 1を作製した。

〔充放電サイクル特性の評価〕

上記の電池 A 1〜A1 2及ぴ B 1について、 充放電サイクル特性を評 価した。 各電池を、 25 °Cにおいて、 電流値 1mAで 4. 2 Vまで充電 した後、 電流値 1 mAで 2. 7 Vまで放電し、 これを 1サイクルの充放 電とした。 1サイクル目の放電容量の 80%に達するまでのサイクル数 を測定し、 サイクル寿命とした。 結果を表 1に示す。 なお、 各電池のサ イタル寿命は、 電池 A 1のサイクル寿命を 1 00とした指数である。

【表 1】

表 1から明らかなように、 表面粗さ R aが 0. 2 μπι以上である金属 箔を用いた電池 A 1〜Α 1 2は、 表面粗さ R aが 0· l ^mである金属 箔を用いた電池 B 1に比べ、サイクル寿命が長いことがわかる。 これは、 表面粗さ R aが 0 . 2 j m以上の金属箔を用いることにより、 活物質粒 子と導電性金属粉末及び導電性金属箔との焼結が効果的に生じ、 活物質 粒子の集電体に対する密着性が多く向上したためと考えられる。

(実験 7 )

ここでは、 サイクル特性に与える焼結の影響について検討した。

実験 1において、 負極合剤スラリーを電解銅箔に塗布し、 乾燥して圧 延した後、 熱処理を行わなかった負極を作製し、 これを用いて電池 B 2 を作製した。 この電池について、上記と同様にサイクル特性を評価した。 なお、 サイクル寿命は電池 A 1のサイクル寿命を 1 0 0 .とした指数であ る。 表 2には、 電池 A 1のサイクル寿命も併せて示す。

【表 2】

表 2から明らかなように、 熱処理を行った電池 A 1の方が、 熱処理を 行わなかった電池 B 2に比べ、遥かに優れたサイクル特性を示している。 これは、 熱処理を行うことにより、 活物質粒子と導電性金属粉末及び導 電性金属箔の密着性が向上するとともに、 導電性金属箔及ぴ導電性金属 粉末からの金属成分が活物質粒子中に拡散し、 この拡散領域のネットヮ ークが形成され、 集電性が向上したことによるものと考えられる。

(実験 8 )

ここでは、 導電性金属粉末の混合量とサイクル特性との闋係を検討し た。

実験 1において、 フレーク状銅粉末の混合量を、 重量比で、 ケィ素粉

7 末 1に対して、 1 (銅粉末量 5 0重量%) 、 0 . 5 (銅粉末量 3 3 . 3 重量。/。) 、 0 . 1 2 5 (銅粉末量 1 1 . 1重量%) 、 及び 0 (銅粉末量 0重量%) となるように変化させた以外は、 実験 1と同様にして、 電池 A 1 3、 電池 A 1 4、 電池 A 1 5、 及び電池 A 1 6を作製した。

これらの電池について、 上記と同様にサイクル特性を評価した。 結果 を表 3に示す。 なお、 各電池のサイクル寿命は、 電池 A 1のサイクル寿 命を 1 0 0とした指数である。

【表 3】

表 3から明らかなように、 フレーク状銅粉末を混合した電池 A 1及び A 1 3〜A 1 5は、 フレーク状銅粉末を混合していない電池 A 1 6に比 ベ、 遥かに良好なサイクル寿命を示していることがわかる。 これは、 銅 粉末を混合することにより、 活物質粒子であるケィ素粉末の密着性が向 上し、 さらにはケィ素粉末の周りに銅粉末による強固な導電性のネット ワークが形成されるため、 集電性が向上したものと考えられる。

(実験 9 )

ここでは、 熱処理温度、 ケィ素粉末の平均粒径、 及び導電性金属粉末 の平均粒径とサイクル寿命との関係を検討した。

実験 1において、 熱処理条件、 ケィ素粉末の平均粒径、 及ぴ導電性金 属粉末の平均粒径及び種類を、 表 4に示すように変更した以外は、 実験 1と同様にして、 電池 A 1 7〜A 2 4を作製した。 これらの電池につい て、 実験 1 と同様にしてサイクル特性を評価した。 結果を表 4に示す。 なお、 各電池のサイクル寿命は、 電池 A 1のサイクル寿命を 1 0 0とし た指数である。

【表 4】

表 4から明らかなように、 熱処理温度を 2 0 0 °C〜5 0 0 °Cの範囲と することにより、 サイクル特性が著しく向上することがわかる。 熱処理 温度としては、 4 0 0 °C程度が特に好ましいことがわかる。 また、 電池 A 1と電池 A 1 8及ぴ電池 A 1 7と電池 A 2 0との比較から明らかなよ うに、 ケィ素粉末の平均粒径を 5 0 // mから 3 ju mに小さくすることに より、 著しくサイクル特性が向上している。

9 図 3は、 電池 A 1 8及び電池 A 2 0の負極の X線回折プロファイルを 示す図である。 図 3から明らかなように、 熱処理を 4 0 0 °Cで行った電 池 A 2 0の電極では、ケィ化銅のピークは認められていないが、 7 0 0 °C で熱処理を行った電池 A 1 8の電極では、 ケィ化銅のピークが認められ る。 従って、 7 0 0 °Cの温度で熱処理することにより、 ケィ素粉末に過 剰の銅元素が拡散しケィ化銅が析出しているものと思われる。 従って、 より良好なサイクル特性を得るためには、 ケィ化銅が生じないような熱 処理条件で焼結することが好ましいことがわかる。

図 4及び図 5は、 電池 A 2 0に用いた負極の断面を示す走查型電子顕 微鏡 (S E M) 写真である。 図 4の倍率は 1 0 0 0倍であり、 図 5の倍 率は 5 0 0 0倍である。 なお、観察に用いたサンプルは、樹脂で包埋し、 スライスしたものである。

図 4及ぴ図 5から明らかなように、 ケィ素粉末及び導電性粉末が密に 充填した状態で、 電解銅箔の表面に接触していることがわかる。

また、 電解銅箔表面の凹部にケィ素粉末及びバインダーが密に入り込 んでいることがわかる。

また、 パインダ一として用いたポリフッ化ビニリデン (P V d F ) を、 4 0 0 °C及び 7 0 0 °Cで熱処理し、熱処理後の赤外線吸収スぺク トル( I Rスぺク トル) を観察した。 4 0 0 °Cで熱処理したものにおいては、 P V d F及びその分解生成物のピークが検出されたが、 7 0 0 °Cで熱処理 したものにおいては、 P V d Fのピークは完全に消失していた。従って、 熱処理を 4 0 0 °Cで行った電極を用いた電池において優れたサイクル特 性が得られた原因として、 焼結によるケィ素粒子間及びケィ素粒子と銅 箔間の密着性の向上に加え、 残存したパインダーによる結着力が働いて いることにより、 ケィ素粒子間及びケィ素粒子と銅箔間の密着性がさら に高まっていることが考えられる。 (実験 1 0 )

ここでは、 パインダ一の種類とサイクル寿命との関係を検討した。 実験 1において、 パインダ一としてポリビュルピロリ ドン (PVP) を用い、 ケィ素粉末として平均粒径 3 mのものを用い、 熱処理温度を 400°C1 0時間とする以外は、 実験 1と同様にして、 電池 A 25を作 製した。 この電池を用いてサイクル特性の評価を同様にして行い、 その 結果を表 5に示した。 表 5には、 電池 A 1及ぴ電池 A 2 1の結果も併せ て示す。 なお、 各電池のサイクル寿命は、 電池 A 1のサイクル寿命を 1 00とした指数である。

【表 5】

表 5から明らかなように、 パインダ一としてフッ素原子を含む PV d Fを用いることにより、 サイクル特性が良好になることがわかる。

なお、 バインダーとして PV d Fを用い、 400°Cで熱処理した電池 A2 1の電極において、 活物質であるケィ素粉末の表面に、 ケィ素のフ ッ化物が存在することが、 電子分光分析 (XP S) により確かめられて レ、る。

(実験 1 1 )

ここでは、導電性金属粉末の種類とサイクル寿命との関係を検討した。 実験 1において、 ケィ素粉末として平均粒径 3 μ mのものを用い、 導

2 電性金属粉末として表 6に示すものを用い、 熱処理温度を 4 .0 0 °C、 3 0時間としたこと以外は実験 1 と同様にして電池 A 2 6〜A 3 2を作製 した。 また、 導電性金属粉末の代わりにケッチェンブラックを用いて電 池 B 3を作製した。 これらの電池を用いて同様に、 サイクル特性の評価 を行なった。 その結果を表 6に示す。 なお、 サイクル寿命は電池 A Γの サイクル寿命を 1 0 0とした指数である。 表 6には、 電池 A 1 9及ぴ電 池 A 2 4の結果も併せて示す。

【表 6】

表 6から明らかなように、 いずれの導電性金属粉末を用いた電極にお いても、 優れたサイクル特性を示すことがわかる。 これは、 導電性金属 粉末によりケィ素粉末の周りに導電性のネットワークが形成され、 高い 集電性が得られているためと考えられる。 しかし、 導電性金属粉末の代 わりにケッチェンブラックを用いた場合では、 サイクル寿命が短くなつ ていることがわかる。 これは、 ケッチェンブラックの密度が小さく、 か さ高いため、 他の電池と同重量分のバインダー量では、 粒子間の結着力 を得るには不十分な量であったためと考えられる。

(実験 1 2 )

ここでは、 電極作製工程における圧延の有無とサイクル寿命との関係 を検討した。

実験 1において、 電解銅箔の表面上に負極材料のスラリーを塗布した 後、 圧延しなかったこと以外は、 実験 1と同様にして、 電池 A 3 3を作 製した。 この電池を用いて同様に、 サイクル特性の評価を行った。 評価 結果を表 7に示した。 表 7に示すサイクル寿命は、 電池 A 1のサイクル 寿命を 1 0 0とした指数である。

【表 7】

表 7から明らかなように、 電極作製工程において圧延を行うことによ り、 サイクル特性が良好になっていることがわかる。 これは、 圧延を行 うことにより、 活物質粒子がさらに密に充填され、 活物質粒子間の接触 が良好になるとともに、 活物質粒子と導電性金属粉末及び集電体との接 触面積が増大し、 効果的に焼結が行われるとともに、 集電特性が高めら れたためと考えられる。

(実験 1 3 ) ここでは、 導電性金属粉末であるフレーク状銅粉末を混合せずに、 ケ ィ素粉末のみを用いて電極を作製した。 表 8に示す銅箔及び平均粒径の ケィ素粉末を用い、 表 8に示す熱処理条件とする以外は、 実験 1と同様 にして、 電池 C 1〜C 3及び B 4を作製した。 これらの電池を用いて、 サイクル特性を評価した。 その結果を表 8に示す。 なお、 各電池のサイ クル寿命は、 電池 A 1のサイクル寿命を 1 0 0とした指数である。 【表 8】

表 8から明らかなように、 平均粒径の小さなケィ素粉末を用い、 熱処 理温度を 4 0 0 °Cとすることにより、 サイクル特性を飛躍的に向上でき ることがわかる。 これは、 小さな平均粒径のケィ素粉末を用いることに より、 焼結が効果的に生じ、 ケィ素粒子間及ぴケィ素粒子と銅箔間の密 着性が向上したためと考えられる。

また、 電池 C 1と電池 B 4との比較から明らかなように、 表面粗さ R aが 0 . 2 μ ιη以上の金属箔を用いることにより、 サイクル特性が良好 になることがわかる。

図 6は、 電池 C 1及ぴ電池 C 3の負極の X線回折プロファイルを示す 図である。 図 6から明らかなように、 4 0 0 °Cで熱処理した電池 C 1の 電極ではケィ化銅のピークは認められないが、 700°Cで熱処理した電 池 C 3の電極ではケィ化銅のピークが認められている。 従って、 導電性 金属粉末を混合せずにケィ素粉末のみを用いた場合においても、 X線回 折でケィ化銅の析出が検出されないような熱処理温度で焼結することが 好ましいことがわかる。

(実験 1 4)

ここでは、 導電性金属粉末であるフレーク状銅粉末を混合せずに、 ケ ィ素粉末のみを用いた電極におけるバインダーの種類とサイクル寿命の 関係について検討した。 実験 1において、 平均粒径 3 /mのケィ素粉末 を用い、 フレーク状銅粉末を混合せず、 熱処理条件及びバインダーを表 9に示すものとしたこと以外は実験 1と同様にして電池 D 1〜D 5を作 製した。 なお、 バインダーとしてポリイミ ドを用いる場合は、 ケィ素粉 末 90重量部を、 ポリアミ ド酸 1 0重量部を含む 1 8重量%の N—メチ ルピロリ ドン溶液に混合したものを負極合剤スラリーとし、 塗布後、 熱 処理し、 電極の作製を行なった。 電極における 400°Cでの熱処理後の ポリイミ ドのィミ ド化率は 1 00%であった。また、パインダ一として、 スチレンブタジェンゴム (S B R)及びポリテトラフルォロエチレン(P TFE) を用いる場合は、 増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース (CMC) 1重量部を含む 3重量%の水溶液と、 スチレンブタジエンゴ ム (S BR) 1 0重量部を含む 48重量%の水性分散液またはポリテト ラフルォロエチレン (PTFE) 1 0重量部を含む 60重量%の水性分 散液との混合物にケィ素粉末 90重量部を混合したものを負極合剤スラ リーとして用い、 電極の作製を行なった。 また、 バインダーとしてポリ ビニルピロ リ ドン (PVP) を用いる場合は、 ケィ素粉末 90重量部を、 ポリビニルピロリ ドン (P VP) 1 0重量部を含む 8重量%の^^—メチ ルピロリ ドン溶液に混合したものを負極合剤スラリーとして用い、 電極 の作業を行った。

これらの電極を用いて実験 1と同様にして電池 D 1〜D 5を作製し、 サイクル特性の評価を行なった。 その結果を表 9に示す。 なお、 各電池 のサイクル寿命は、電池 A 1のサイクル寿命を 1 0 0とした指数である。 バインダ一の熱分解開始温度は、 バインダ一の熱重量測定において、 重量が減少し始めた温度とした。

【表 9】

表 9からわかるように、 分解開始温度の高いバインダーを用いた方が 優れたサイクル特性を示すことがわかる。 これは、 熱処理後もパインダ 一が完全に分解せずに残存していることにより、 焼結による活物質と集 電体間及ぴ活物質粒子間の密着性の向上に加え、 バインダーによる結着 力も加わり、 さらに密着性の高い電極が得られたためと考えられる。

(実験 1 5 )

ここでは、 導電性金属粉末であるフレーク状銅粉末を混合せずに、 ケ ィ素粉末のみを用いた電極におけるケィ素粉末粒径とサイクル寿命の関 係について検討した。 実験 1 4でのバインダーとしてポリイミ ドを用い た場合において、 熱処理条件及びケィ素粉末の平均粒径を表 1 0に示す ものとしたこと以外は実験 1と同様にして電池 D 6〜D 1 0を作製した c これらの電池を用いて実験 1と同様に、サイクル特性の評価を行なった。 その結果を表 1 0に示す。 各電池のサイクル寿命は、 電池 A 1のサイク ル寿命を 1 0 0とした指数である。 なお、 表 1 0には電池 A 1及ぴ電池 C 2の結果も併せて示す。

【表 1 0】

表 1 0から明らかなように、 平均粒径 1 0 μ m以下のケィ素粉末を用 いた方が優れたサイクル特性を示していることがわかる。

(実験 1 6 )

' ここでは、 導電性金属粉末であるフレーク状銅粉末を混合せずに、 ケ ィ素粉末のみを用いた電極におけるバインダー量とサイクル特性の関係 について検討した。 実験 1において、 平均粒径 3 μ mのケィ素粉末を用 いフレーク状銅粉末を混合せず、 熱処理条件及びバインダーを表 1 1に 示すものとしたこと以外は実験 1 と同様にして電池 D 1 1〜D 1 6を作 製した。 なお、 バインダーとして、 ポリイミ ドを用いた場合は、 実験 1 4でのバインダーとしてポリィミ ドを用いた場合と同様にして電極を作 製した。 これらの電池を用いて実験 1 と同様に、 サイクル特性の評価を 行なった。 その結果を表 1 1に示す。 各電池のサイクル寿命は、 電池 A

1のサイクル寿命を 1 0 0とした指数である。 なお、 電池 A l、 D 1及 び D 2の結果も併せて表 1 1に示す。

【表 1 1】

表 1 1から明らかなように、 バインダー量が 5 . 3重量%以上、 好ま しくは 1 0重量%以上のものが優れたサイクル特性を示していることが わかる。 これは、 L i吸蔵放出時の活物質粒子の大きな体積変化の際に も活物質粒子と集電体間及び活物質'粒子間の密着性を保つのに、 充分な 量のパインダ一が存在するためと考えられる。

以下、 本発明の第 6及ぴ第 7の局面に従う実施例について説明する。

(実験 1 7 )

〔負極の作製〕

導電性金属粉末としての平均粒径 1 0 / mのフレーク状銅粉末と、 活 物質材料としての平均粒径 50 μ mのケィ素粉末とを、 重量比で 4 : 1 (= 1 : 0. 25) となるように秤量し、 乳鉢で乾式混合した。 この混 合物 90重量部を、 結着剤としてのポリフッ化ビニリデン 10重量部を 含む 8重量%の1^一メチルピロリ ドン溶液に混合し、 負極合剤スラリー とした。

この負極合剤スラリーを、 集電体である表面粗さ R aが 0. 5 /zmで ある電解銅箔 (厚み 1 5 / m) の片面に塗布し、 乾燥した後これを圧延 した。 得られたものを、 直径 2 Ommの円板状に切り抜き、 これを水素 雰囲気下で 6 00°C 1 0時間熱処理し、 焼結して負極とした。 焼結体の 厚み (集電体は含まない) は 5 であった。

〔正極の作製〕

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°C2 4時間焼成し、 L i C o 02 の焼成体を得た。 これを乳鉢で粉砕し、 平 均粒径 2 0 μ mに調製した。

得られた L i C o 02 粉末 90重量部と、 導電剤として人口黒鉛粉末 5重量部を、 結着剤としてのポリフッ化ビニリデン 5重量部を含む 5重 量0 /0の N—メチルピロリ ドン溶液に混合し、 正極合剤スラリーとした。 この正極合剤スラリーを、集電体であるアルミニウム箔の上に塗布し、 乾燥した後圧延した。得られたものを直径 2 0 mmの円板状に切り抜き、 正極と.した。 '

〔電解液の作製〕

電解液として、 エチレンカーボネートとジエチレンカーボネートとの 等体積混合溶媒に、 L i P F 6 を 1モル/リ ッ トル溶解したものを作製 した。

〔電池の作製〕

上記の正極、 負極、 及ぴ電解液を用いて、 図 1に示す扁平型のリチウ ムニ次電池 E 1を作製した。

(実験 1 8 )

ケィ素と、 ニッケルまたは銅を原子比で 9 : 1となるように混合し、 単ロール急冷法により、 S 1^ 1合金及ぴ3 i 9 C u合金を作製した。 これらの合金を乳鉢で平均粒径 5 0 /z mとなるように粉枠した。 実験 1 7において、ケィ素粉末の代わりに、 これらの合金粉末を用いる以外は、 実験 1 7と同様にして電池 E 2及び E 3を作製した。 電池 E 2は S i 9 N i合金を用いたものであり、 電池 E 3は S i 9 C u合金を用いたもの である。

(実験 1 9 )

平均粒径 5 0 μ mのケィ素粉末の表面を、 無電解めつき法によりニッ ケルで被覆した。 得られたものについて原子吸光法 (I C P ) で確認し たところ、 ニッケルによるケィ素粉末の被覆量は、 全体に対して 0 . 5 重量%であった。

実験 1 7において、 ケィ素粉末の代わりに、 このニッケルを被覆した ケィ素粉末を用いる以外は、実験 1 7と同様にして電池 E 4を作製した。

(実験 2 0 )

ニッケル箔及ぴステンレス箔の表面に電解法により、 銅を析出させ、 銅被覆ニッケル箔 (厚み 1 5 μ πι) 及び銅被覆ステンレス箔 (厚み 1 5 μ m) を作製した。 これらの表面粗さ R aは、 いずれも 0 . であ つた。

実験 1 7において、 電解銅箔の代わりに、 これらの銅被覆二ッケル箔 及ぴ銅被覆ステンレス箔を用いる以外は、 実験 1 7と同様にして、 電池 E 5及び E 6を作製した。 電池 E 5は銅被覆ニッケル箔を用いたもので あり、 電池 E 6は銅被覆ステンレス箔を用いたものである。

また、 表面粗さ R aが 0 . 5 mである電解ニッケル箔を、 実験 1 7 において電解銅箔の代わりに用いる以外は、 実験 1 7と同様して電池 E 7を作製した。

(実験 2 1 )

実験 1 7において、 フレーク状銅粉末の代わりに、 平均粒径 1 Ο μ ηι のフレーク状ニッケル粉末または平均粒径 1 0 μ mのフレーク状鉄粉末 を用いる以外は、 実験 1 7と同様にして電池 E 8及び E 9を作製した。 電池 E 8はフレーク状ニッケル粉末を用いたものであり、 電池 E 9はフ レーク状鉄粉末を用いたものである。

また、 実験 1 7で用いたフレーク状銅粉末と、 平均粒径 1 0 /z mのフ レーク状ニッケル粉末を等重量で混合したものを作製し、 これを実験 1

7においてフレーク状銅粉末の代わりに用いる以外は、 実験 1 7と同様 にして電池 E 1 0を作製した。

(実験 2 2 )

実験 1 7において、 焼結のための熱処理条件をアルゴン雰囲気下、 6 0 0 °C 1 0時間としたこと以外は、実験 1 7と同様にして負極を作製し、 電池 F 1を作製した。 また、 実験 1 7において、 負極合剤スラリーを電 解銅箔に塗布し、 乾燥して圧延した後、 熱処理を行なわなかった負極を 作製し、 これを用いて実験 1 7と同様にして電池 F 2を作製した。 〔充放電サイクル特性の評価〕

上記の電池 E 1〜E 1 0及び F:!〜 F 2について、 充放電サイクル特 性を評価した。 各電池を、 25°Cにおいて、 電流値 1mAで 4. 2Vま で充電した後、 電流値 1 mAで 2. 7 Vまで放電し、 これを 1サイクル の充放電とした。 1サイクル目の放電容量の 80%に達するまでのサイ クル数を測定し、 サイクル寿命とした。 結果を表 1 2に示す。 なお、 各 電池のサイクル寿命は、 電池 E 1のサイクル寿命を 1 00とした指数で める。

【表 1 2】

表 1 2から明らかなように、 水素雰囲気下で熱処理した電池 Ε 1は、 アルゴン雰囲気下で熱処理した電池 F 1、 及び熱処理を行なわなかった 電池 F 2に比べて、 優れたサイクル特性を示している。 これは、 水素雰 囲気下で熱処理を行なうことにより、 銅箔と.活物質材料及び銅粉末との 間の密着性がさらに向上し、 集電性が向上したためと考えられる。

(実験 2 3 )

ここでは、 集電体の表面粗さ R aとサイクル特性との関係について検 討した。

実験 1 7において、 表面粗さ R aが 0 . 5 μ mである電解銅箔の代わ りに、 表面粗さ R aが 0 . 2 μ mである電解銅箔、 及ぴ表面粗さ R aが 0 . 1 mである圧延銅箔を用いたこと以外は、 実験 1 7と同様にして 電池 E l 1及ぴ電池 E 1 2を作製した。 これらの電池について、 上記と 同様にサイクル特性を評価した。 なお、 サイクル寿命は電池 E 1のサイ クル寿命を 1 0 0とした指数である。 表 1 3には、 電池 E 1のサイクル 寿命も併せて示す。

【表 1 3】

表 1 3から明らかなように、 表面粗さ R aが 0 . 2 // m以上である銅 箔を用いた電池 E 1及び E 1 1では、 表面粗さ R aが小さい銅箔を用い た電池 E 1 2に比較して、サイクル寿命が長くなつていることがわかる。 これらのことから表面粗さ R aが大きい金属箔を集電体として用いるこ とにより、金属箔と活物質材料及び銅粉末との間の焼結が効果的に生じ、 密着性が向上するものと考えられる。

(実験 2 4 )

ここでは、 導電性金属粉末の混合量とサイクル特性との関係を検討し た。

実験 1 7において、 フレーク状銅粉末の混合量を、 重量比で、 ケィ素 粉末 1に対して、 1 · (銅粉末量 5 0重量%) 、 0 . 5 (銅粉末量 3 3 . 3重量0 /0) 、 及ぴ 0 . 1 2 5 (銅粉末量 1 1 . 1重量0 /。) となるように 変化させた以外は、 実験 1 7と同様にして、 電池 E 1 3、 電池 E 1 4、 及び電池 E 1 5を作製した。 また、 比較として、 フレーク状銅粉末を混 合せずに、 ケィ素粉末のみを用いる以外は、 実験 1 7と同様にして電池 F 3を作製した。

これらの電池について、 上記と同様にサイクル特性を評価した。 結果 を表 1 4に示す。 なお、 各電池のサイクル寿命は、 電池 E 1のサイクル 寿命を 1 0 0とした指数である。

【表 1 4】

表 1 4から明らかなように、 フレーク状銅粉末を混合した電池 E 1及 ぴ E 1 3〜E 1 5は、 フレーク状銅粉末を混合していない電池 F 3に比 ベ、 遥かに良好なサイクル寿命を示していることがわかる。 これは、 銅 粉末を混合することにより、 活物質材料であるケィ素粉末の密着性が向 上し、 さらにはケィ素粉末の周りに銅粉末による強固な導電性のネット ワークが形成されるため、 集電性が向上したものと考えられる。 産業上の利用可能性

本発明によれば、 充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池用負 極及びリチウム二次電池とすることができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 表面粗さ R aが 0 . 2 m以上である導電性金属箔を集電体とし、 ケィ素及び/またはケィ素合金を含む活物質粒子と導電性金属粉末の混 合物の層を前記集電体の表面上で非酸化性雰囲気下に焼結して得られる ことを特徴とするリチウム二次電池用負極。
2 . 前記導電性金属箔及ぴノまたは前記導電性金属粉末中の金属成分 が、 前記活物質粒子中に拡散していることを特徵とする請求項 1に記載 のリチウム二次電池用負極。
3 . 前記導電性金属粉末が銅または銅合金を含む粉末であることを特 徴とする請求項 1または 2に記載のリチウム二次電池用負極。
4 . 表面粗さ R aが 0 . 2 / m以上である導電性金属箔を集電体とし、 ケィ素及び/またはケィ素合金を含む活物質粒子の層を前記集電体の表 面上で非酸化性雰囲気下に焼結して得られることを特徴と.するリチウム 二次電池用負極。
5 . 前記導電性金属箔中の金属成分が、 前記活物質粒子中に拡散して いることを特徴とする請求項 4に記載のリチウム二次電池用負極。
6 . 前記導電性金属箔が、 銅箔もしくは銅合金箔、 または表面に銅層 を設けた金属箔もしくは表面に銅合金層を設けた金箔層であることを特 徴とする請求項 1〜 5のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用負極 c
7 . 前記導電性金属箔が、 電解銅箔もしくは電解銅合金箔、 または表 面に電解銅を設けた金属箔もしくは表面に電解銅合金を設けた金属箔で あることを特徴とする請求項 1〜6のいずれか 1項に記載のリチウム二 次電池用負極。
8 . 前記活物質粒子に拡散する金属成分が銅であることを特徴とする 請求項 2、 3及ぴ 5〜 7のいずれか 1項に記載のリチウムニ次電池用負 極。
9. 前記導電性金属箔表面の凹部分に前記活物質粒子が入り込んでい ることを特徴とする請求項 1〜 8のいずれか 1項に記載のリチゥム二次 電池用負極。
1 0. 前記混合物の層または前記活物質粒子の層にバインダーが含ま れていることを特徴とする請求項 1〜 9のいずれか 1項に記載のリチウ ムニ次電池用負極。
1 1. 前記バインダーが、 焼結のための熱処理後に残存しているパイ ンダ一であることを特徴とする請求項 10に記載のリチウムニ次電池用 負極。
1 2. 前記バインダーが、 ポリイミ ドであることを特徴とする請求項 1 0または 1 1に記載のリチウム二次電池用負極。
1 3. 前記ポリイミ ドが、 ポリアミ ド酸を熱処理することにより縮合 させて得られたポリイミ ドであることを特徴とする請求項 12に記載の リチウム二次電池用負極。
14. 前記パインダ一が、 フッ素原子を含むバインダーの熱処理後の ものであることを特徴とする請求項 1 1に記載のリチウム二次電池用負 極。
1 5. 前記バインダーが、 ポリフッ化ビニリデンまたはポリテトラフ ルォロエチレンの熱処理後のものであることを特徴とする請求項 14に 記載のリチゥム二次電池用負極。
1 6. 前記導電性金属箔表面の凹部分に前記活物質粒子及ぴ または 前記バインダーが入り込んでいることを特徴とする請求項 10〜1 5に 記載のリチウム二次電池用負極。
1 7. 前記活物質粒子の平均粒径が 10 μ m以下であることを特徴と する請求項 1〜 1 6のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用負極。
1 8 . 前記活物質粒子に金属成分が拡散した領域において X線回折で ケィ化銅が検出されないことを特徴とする請求項 1〜1 7のいずれか 1 項に記載のリチウム二次電池用負極。
1 9 . 前記活物質粒子がケィ素粉末であることを特徴とする請求項 1 〜1 8のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用負極。
2 0 . 前記焼結のための熱処理温度が 2 0 0 °C〜5 0 0 °Cの範囲内で あることを特徴とする請求項 1〜 1 9のいずれか 1項に記載のリチウム 二次電池用負極。
2 1 . 表面粗さ R aが 0 . 2 μ m以上である導電性金属箔の表面上に、 ケィ素及び Zまたはケィ素合金を含む活物質粒子と導電性金属粉末の混 合物の層を形成する工程と、
前記混合物の層を前記導電性金属箔の表面上に配置した状態で非酸化 性雰囲気下に焼結する工程とを備えることを特徴とするリチウム二次電 池用負極の製造方法。
2 2 . 前記活物質粒子、 前記導電性金属粉末、 及びバインダーを含む スラリ一を前記導電性金属箔の表面上に塗布することにより、 前記活物 質粒子及び前記導電性金属粉末の混合物の層を前記導電性金属箔の表面 上に形成することを特徴とする請求項 2 1に記載のリチウム二次電池用 負極の製造方法。
2 3 . 前記導電性粉末が、 銅及び/または銅合金を含む粉末であるこ とを特徴とする請求項 2 1または 2 2に記載のリチウム二次電池用負極 の製造方法。
2 4 . 表面粗さ R aが 0 . 2 μ m以上である導電性金属箔の表面上に、 ケィ素及ぴ Zまたはケィ素合金を含む活物質粒子の層を形成する工程と、 前記活物質粒子の層を前記導電性金属箔の表面上に配置した状態で非 酸化性雰囲気下に焼結する工程とを備えることを特徴とするリチウム二 次電池用負極の製造方法。
2 5 . 前記活物質粒子及ぴバインダーを含むスラリーを前記導電性金 属箔の表面上に塗布することにより、 前記活物質粒子の層を前記導電性 金属箔の表面上に形成することを特徴とする請求項 2 4に記載のリチウ ムニ次電池用負極の製造方法。 .
2 6 . 前記焼結工程の前に、 前記混合物の層または前記活物質粒子の 層を前記導電性金属箔の表面上に配置した状態で圧延することを特徴と する請求項 2 1〜2 5のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用負極 の製造方法。
2 7 . 前記導電性金属箔が、 銅箔もしくは銅合金箔、 または表面に銅 層を設けた金属箔もしくは表面に銅合金層を設けた金属箔であることを 特徴とする請求項 2 1〜2 6のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池 用負極の製造方法。
2 8 . 前記導電性金属箔が、 銅電解箔もしくは電解銅合金箔、 または 表面に電解銅を設けた金属箔もしくは表面に電解銅合金を設けた金属箔 であることを特徴とする請求項 2:!〜 2 7のいずれか 1項に記載のリチ ゥム二次電池用負極の製造方法。
2 9 . 前記焼結によって、 前記導電性金属箔及び/または前記導電性 粉末の金属成分が、 前記活物質粒子中に拡散することを特徴とする請求 項 2 1〜 2 8のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用負極の製造方 法。
3 0 . X線回折で前記金属成分とケィ素との金属間化合物の析出が検 出されないような条件で焼結することを特徴とする請求項 2 9に記載の リチウムニ次電池用負極の製造方法。
3 1 . 前記活物質粒子中に拡散する金属成分が銅元素であることを特 徴とする請求項 2 9または 3 0に記載のリチウム二次電池用負極の製造 方法。
3 2 . X線回折でケィ化銅の析出が検出されないような条件で焼結す ることを特徴とする請求項 3 1に記載のリチウム二次電池用負極の製造 方法。
3 3 . 前記バインダ一が熱処理後に残存する条件で焼結することを特 ^[とする請求項 2 2, 2 3及び 2 5〜 3 2のいずれか 1項に記載のリチ ゥム二次電池用負極の製造方法。
3 4 . 2 0 0 °C〜 5 0 0 °Cの範囲内の温度で熱処理して焼結すること を特徴とする請求項 2 1〜3 3のいずれか 1項に記載のリチウム二次電 池用負極の製造方法。
3 5 . 前記バインダーが、 ポリイミ ドであることを特徴とする請求項
2 2, 2 3及び 2 5〜3 4のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用 負極の製造方法。
3 6 . 前記ポリィミ ドが、 ポリアミ ド酸を熱処理することにより縮合 させて得られたポリイミ ドであることを特徴とする請求項 3 5に記載の リチウムニ次電池用負極の製造方法。
3 7 . 前記バインダ一がフッ素原子を含むバインダ一であることを特 徴とする請求項 2 2、 2 3及ぴ 2 5〜3 4のいずれか 1項に記載のリチ ゥム二次電池用負極の製造方法。
3 8 . 前記バインダーがポリフッ化ビニリデンまたはポリテトラフル ォロエチレンであることを特徴とする請求項 3 7に記載のリチウム二次 電池用負極の製造方法。
3 9 . 前記活物質粒子の平均粒径が 1 0 // m以下であることを特徴と する請求項 2 1 ~ 3 8のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用負極 の製造方法。
4 0 . 前記活物質粒子がケィ素粉末であることを特徴とする請求項 2 1〜 3 9のいずれか 1項に記載のリチウムニ次電池用負極め製造方法。
4 1 . 請求項 1〜 2 0のいずれか 1項に記載の負極または請求項 2 1 〜4 0のいずれか 1項に記載の方法により製造された負極と、 正極活物 質を含む正極と、 非水電解質とからなることを特徴とするリチウム Z1次
4 2 . リチウムと合金化する材料からなる活物質粒子の層が集電体上 に設けられており、 前記活物質粒子の層において前記活物質粒子が焼結 によって互いに結合されており、 かつ前記活物質粒子中にリチウムと合 金化しない成分が拡散していることを特徴とするリチウム二次電池用電 極。
4 3 . リチウムと合金化しない成分が前記集電体から拡散しているこ とを特徴とする請求項 4 2に記載のリチウム二次電池用電極。
4 4 . 前記'活物質粒子の層にリチウムと合金化しない材料からなる導 電性粉末が混合されていることを特徴とする請求項 4 2または 4 3に記 载のリチウム二次電池用電極。
4 5 . リチウムと合金化しない成分が前記導電性粉末から拡散してい ることを特徴とする請求項 4 2〜4 4のいずれか 1項に記載のリチウム 二次電池用電極。
4 6 . リチウムと合金化しない成分が拡散している前記活物質粒子中 の領域において、 前記リチウムと合金化する成分と前記リチウムと合金 化しない成分との金属間化合物が X線回折で検出されないことを特徴と する請求項 4 2〜4 5のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用電極。
4 7 . 前記活物質粒子の層にバインダ一が含まれていることを特徴と する請求項 4 2〜4 6のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用電極。
4 8 . 前記バインダーが、 焼結のための熱処理後に残存しているバイ ンダ一であることを特徴とする請求項 4 7に記載のリチゥム二次電池用
4 9 . 前記バインダーがポリイミ ドであることを特徴とする請求項 4 7または 4 8に記載のリチウム二次電池用電極。
5 0 . 前記ポリィミ ドがポリアミ ド酸を熱処理することにより縮合さ せて得られたポリイミ ドであることを特徴とする請求項 4 9に記載のリ チウムニ次電池用電極。
5 1 . 前記バインダーが、 フッ素原子を含むバインダーの熱処理後の ものであることを特徴とする請求項 4 7または 4 8に記載のリチウム二 次電池用電極。
5 2 . 前記バインダーが、 ポリフッ化ビニリデンまたはポリテトラフ ルォロエチレンの熱処理後のものであることを特徴とする請求項 5 1に 記載のリチウム二次電池用電極。
5 3 . 前記導電性金属箔表面の凹部分に前記活物質粒子及び/または 前記バインダーが入り込んでいることを特徴とする請求項 4 2〜5 2の いずれか 1項に記載のリチウム二次電池用電極。
5 4 . 前記活物質粒子の平均粒径が 1 0 μ πι以下であることを特徴と する請求項 4 2〜5 3のいずれか 1項に基のリチウム二次電池用電極。
5 5 . 前記活物質粒子がリチウムと合金化する材料としてケィ素及び /またはケィ素合金を含むことを特徴とする請求項 4 2〜5 4のいずれ か 1項に記載のリチウム二次電池用電極。
5 6 . 前記活物質粒子がケィ素粉末であることを特徴とする請求項 5 5に記載のリチウム二次電池用電極。
5 7 . 前記活物質粒子に拡散する成分が銅元素であることを特徴とす る請求項 4 2〜5 6のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用電極。
5 8 . 前記集電体が、 銅箔もしくは銅合金箔、 または表面に銅層を設 けた金属箔もしくは表面に銅合金層を設けた金属箔であることを特徴と する請求項 4 2〜5 7のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用電極。
5 9 . 前記集電体が、 電解銅箔もしくは電解銅合金箔、 または表面に 電解銅を設けた金属箔もしくは表面に電解銅合金を設けた金属箔である ことを特徴とする請求項 4 2〜 5 8のいずれか 1項に記載のリチウム二 次電池用電極。
6 0 . 前記集電体の表面粗さ R aが、 0 . 2 m以上であることを特 徴とする請求項 4 2〜5 9のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用
6 1 . 前記導電性粉末が、 銅及び Zまたは銅合金を含む粉末であるこ とを特徴とする請求項 4 4〜6 0のいずれか 1項に記載のリチウム二次 電池用電極。
6 2 . 前記活物質粒子がケィ素及び/またはケィ素合金を含み、 かつ 前記活物質粒子に拡散する成分が銅元素である電極であって、 該電極の 銅元素が拡散している領域において、 X線回折でケィ化銅が検出されな いことを特徴とする請求項 4 2〜6 1のいずれか 1項に記載のリチウム 二次電池用電極。
6 3 . 請求項 4 2〜6 2のいずれか 1項に記載の電極からなる負極と、 正極活物質を含む正極と、 非水電解質とからなることを特徴とするリチ ゥム二次電池。
6 4 . 導電性金属箔を集電体とし、 ケィ素及び Zまたはケィ素合金を 含む活物質材料と導電性金属粉末の混合物を前記集電体の表面上で還元 性雰囲気下に焼結して得られることを特徴とするリチゥム二次電池用負 極。
6 5 . 前記導電性金属箔及び/または前記導電性金属粉末中の金属成 分が、 前記活物質材料中に拡散していることを特徴とする請求項 6 4に 記載のリチウム二次電池用負極。
6 6 . 前記導電性金属箔の表面粗さ R aが 0 . 2 / m以上であること を特徴とする請求項 6 4または 6 5に記載のリチウム二次電池用負極。
6 7 . 前記還元性雰囲気が水素を含む雰囲気であることを特徴とする 請求項 6 4〜6 6のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用負極。
6 8 . 前記導電性金属箔が、 銅電解箔もしくは電解銅合金箔、 または 表面に電解銅を設けた金属箔もしくは表面に電解銅合金を設けた金属箔 であることを特徴とする請求項 6 4〜6 7のいずれか 1項に記載のリチ ゥム二次電池用負極。
6 9 . 導電性金属箔の表面上に、 ケィ素及び/またはケィ素合金を含 む活物質材料と導電性金属粉末の混合物を配置する工程と、
前記混合物を前記導電性金属箔の表面上に配置した状態で還元性雰囲 気下に焼結する工程とを備えることを特徴とするリチウム二次電池用負 極の製造方法。
7 0 . 前記活物質材料、 前記導電性金属粉末、 及びバインダーを含む スラリーを前記導電性金属箔の表面上に塗布することにより、 前記活物 質材料及び前記導電性金属粉末を前記導電性金属箔の表面上に配置する ことを特徴とする請求項 6 9に記載のリチウムニ次電池用負極の製造方 法。
7 1 . 前記導電性金属箔の表面粗さ R aが 0 . 2 m以上であること を特徴とする請求項 6 9または 7 0に記載のリチウム二次電池用負極の 製造方法。
7 2 . 前記還元性雰囲気が水素を含む雰囲気であることを特徴とする 請求項 6 9〜7 1のいずれか 1項に記載のリチウム二次電池用負極の製 造方法。
7 3 : 前記導電性金属箔が、 銅電解箔もしくは電解銅合金箔、 または 表面に電解銅を設けた金属箔もしくは表面に電解銅合金を設けた金属箔 であることを特徴とする請求項 6 9〜7 2いずれか 1項に記載のリチウ ムニ次電池用負極の製造方法。
7. 4 . 請求項 6 4〜6 8のいずれか 1項に記載の負極または請求項 6 9〜7 3のいずれか 1項に記載の方法により製造された負極と、 正極活 物質を含む正極と、 非水電解質とからなることを特徴とするリチウム二 次電池。
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