JP2009231072A - Lithium secondary battery and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はリチウム二次電池及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a lithium secondary battery and a method for manufacturing the same.
近年、携帯電話、ラップトップコンピューター等の移動体通信機器や携帯電子機器が数多く登場しており、その電源として主にリチウム二次電池が用いられている。リチウム二次電池は、ニッケルカドミウム電池等の他の二次電池と比較して、大きなエネルギー密度をもっているが、移動体通信機器や携帯電子機器のさらなる小型軽量化に伴い、そのエネルギー密度やサイクル特性の向上が求められている。 In recent years, many mobile communication devices such as mobile phones and laptop computers and portable electronic devices have appeared, and lithium secondary batteries are mainly used as the power source. Lithium secondary batteries have a large energy density compared to other secondary batteries such as nickel cadmium batteries, but as the mobile communication devices and portable electronic devices become smaller and lighter, their energy density and cycle characteristics. Improvement is demanded.
現在の一般的なリチウム二次電池では、負極材料として黒鉛を代表とする炭素材料が用いられている。しかしながら、黒鉛からなる負極材料では、リチウムがLiC6の組成までしか挿入できず、理論容量372mAh/gが限度であり、高容量化への障害になっている。 In current general lithium secondary batteries, a carbon material typified by graphite is used as a negative electrode material. However, in the negative electrode material made of graphite, lithium can be inserted only up to the composition of LiC 6 , and the theoretical capacity is 372 mAh / g, which is an obstacle to high capacity.
重量当たり及び体積当たりのエネルギー密度が高い負極活物質として、リチウムと合金化するアルミニウム、シリコン、錫を用いるリチウム二次電池が報告されている。これらの中でも、特にシリコンは容量が大きく、高い容量を示す電池の負極材料として有望であり、これを負極とする種々の二次電池が提案されている。 A lithium secondary battery using aluminum, silicon, or tin alloyed with lithium as a negative electrode active material having a high energy density per weight and volume has been reported. Among these, silicon is particularly promising as a negative electrode material for a battery having a large capacity and high capacity, and various secondary batteries using this as a negative electrode have been proposed.
しかしながら、この種の合金負極は、充放電する際の大きな体積変化に伴い、集電体との間に応力が生じ、活物質薄膜の脱落、電極の皺、たわみの原因になるといった問題がある。 However, this type of alloy negative electrode has a problem in that stress is generated between the negative electrode and the current collector due to a large volume change during charging and discharging, causing the active material thin film to fall off, wrinkle of the electrode, and deflection. .
この問題に対し、シリコン等を電極活物質とし、良好な充放電サイクル特性を示すリチウム二次電池用電極として、表面が粗面化された集電体上に、蒸着法またはスパッタリング法などの薄膜形成方法により、微結晶薄膜または非晶質薄膜を形成したリチウム二次電池用電極が提案されている(特許文献1)。このようなリチウム二次電池用電極においては、集電体上の薄膜が柱状を有し、これにより充放電による活物質の膨張・収縮の際の応力が緩和され、集電体から活物質薄膜が脱落するのを抑制することができる。 In order to solve this problem, a thin film such as a vapor deposition method or a sputtering method is used on a current collector whose surface is roughened as an electrode for a lithium secondary battery using silicon or the like as an electrode active material and exhibiting good charge / discharge cycle characteristics. An electrode for a lithium secondary battery in which a microcrystalline thin film or an amorphous thin film is formed by a forming method has been proposed (Patent Document 1). In such a lithium secondary battery electrode, the thin film on the current collector has a columnar shape, which relieves stress during expansion and contraction of the active material due to charge and discharge, and the active material thin film from the current collector Can be prevented from falling off.
しかしながら、さらに充放電サイクル特性が優れ、体積エネルギー密度が高いリチウム二次電池が求められている。
本発明の目的は、充放電サイクル特性に優れ、かつ体積エネルギー密度が高いリチウム二次電池及びその製造方法を提供することにある。 The objective of this invention is providing the lithium secondary battery which is excellent in charging / discharging cycling characteristics, and has a high volume energy density, and its manufacturing method.
本発明は、リチウムを吸蔵・放出する活物質からなる薄膜を、集電体上に堆積して形成した電極を用いたリチウム二次電池において、活物質薄膜が形成されている集電体の表面の十点平均粗さRzが1.5以上であり、かつ最大高さRyが十点平均粗さRzの1.39倍未満であることを特徴としている。 The present invention relates to a surface of a current collector on which an active material thin film is formed in a lithium secondary battery using an electrode formed by depositing a thin film made of an active material that occludes and releases lithium on the current collector. The ten-point average roughness Rz is 1.5 or more and the maximum height Ry is less than 1.39 times the ten-point average roughness Rz.
本発明に従い、活物質薄膜が形成されている集電体の表面の十点平均粗さRzを1.5以上とすることにより、優れた充放電サイクル特性を得ることができる。また、本発明に従い、最大高さRyを、十点平均粗さRzの1.39倍未満とすることにより、さらに優れた充放電サイクル特性を得ることができるとともに、体積エネルギー密度を高めることができる。最大高さRyは、さらに好ましくは、十点平均粗さRzの1.30倍以下である。 According to the present invention, when the ten-point average roughness Rz of the surface of the current collector on which the active material thin film is formed is 1.5 or more, excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained. Further, according to the present invention, by making the maximum height Ry less than 1.39 times the ten-point average roughness Rz, it is possible to obtain further excellent charge / discharge cycle characteristics and increase the volume energy density. it can. The maximum height Ry is more preferably 1.30 times or less of the ten-point average roughness Rz.
図3は、最大高さRyを説明するための模式図である。最大高さRyは、日本工業規格(JIS B0601−1994)に定められている。最大高さRyは、図3に示すように、基準長さLにおける最大の山頂部と最大の谷部との間の距離である。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the maximum height Ry. The maximum height Ry is defined in Japanese Industrial Standard (JIS B0601-1994). As shown in FIG. 3, the maximum height Ry is a distance between the maximum peak and the maximum valley at the reference length L.
図4は、十点平均粗さRzを説明するための模式図である。十点平均粗さRzは、日本工業規格(JIS B0601−1994)に定められている。十点平均粗さRzは、図4に示すように、基準長さlに対応する抜き取り部分の、最も高い山頂から5番目までの山頂の標高と、基準長さlに対応する抜き取り部分の、最も低い谷底から5番目までの谷底の標高から、以下の式により求めることができるものである。 FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the ten-point average roughness Rz. The ten-point average roughness Rz is defined in Japanese Industrial Standard (JIS B0601-1994). As shown in FIG. 4, the ten-point average roughness Rz is the elevation of the highest peak from the highest peak to the fifth peak of the extracted part corresponding to the reference length l, and the extracted part corresponding to the reference length l. From the elevation of the bottom valley from the lowest valley bottom to the fifth, it can be obtained by the following equation.
Rz=(|Yp1+Yp2+Yp3+Yp4+Yp5|+|Yv1+Yv2+Yv3+Yv4+Yv5|)/5
Yp1,Yp2,Yp3,Yp4,Yp5:基準長さlに対応する抜き取り部分の、最も高い山頂から5番目までの山頂の標高
Yv1,Yv2,Yv3,Yv4,Yv5:基準長さlに対応する抜き取り部分の、最も低い谷底から5番目までの谷底の標高
Rz = (| Yp1 + Yp2 + Yp3 + Yp4 + Yp5 | + | Yv1 + Yv2 + Yv3 + Yv4 + Yv5 |) / 5
Y p1 , Y p2 , Y p3 , Y p4 , Y p5 : Altitudes of the extracted parts corresponding to the reference length l from the highest peak to the fifth peak Y v1 , Y v2 , Y v3 , Y v4 , Y v5 : Elevation of the bottom from the lowest valley bottom to the fifth in the extracted portion corresponding to the reference length l
図5は、表面に凹凸を有する集電体の上に活物質薄膜を堆積して形成した電極を示す模式的断面図である。図5に示すように、集電体20の表面21には、凹凸が形成されている。この凹凸が形成された集電体20の表面21の上に、活物質薄膜22を堆積して形成すると、活物質薄膜22の表面23には、集電体20の表面21の凹凸に対応した凹凸が形成される。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an electrode formed by depositing an active material thin film on a current collector having an uneven surface. As shown in FIG. 5, irregularities are formed on the
また、活物質薄膜22の表面の谷部23aと、集電体20の表面21の谷部21aとを結ぶ活物質薄膜22の厚み方向には、低密度領域24が形成される。充放電により、活物質薄膜がリチウムを吸蔵及び放出することにより、活物質薄膜22はその体積が膨張及び収縮する。この活物質薄膜22の体積の膨張及び収縮により、低密度領域24に沿って切れ目が形成され、活物質薄膜22がこの切れ目によって分離され、柱状構造が形成される。本発明における活物質薄膜は、このように、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。このような柱状構造を形成することにより、その周りの空間部分によって、活物質薄膜の体積の変化を吸収することができ、活物質薄膜の体積の膨張及び収縮による応力を緩和することができる。このため、活物質薄膜が集電体から脱落するのを防止することができ、優れた充放電サイクル特性を得ることができる。
In addition, a
本発明に従い、図5に示す集電体20の表面21の十点平均粗さRzを1.5以上とし、かつ最大高さRyを、十点平均粗さRzの1.39倍未満とすることにより、さらに良好な充放電サイクル特性を得ることができる。
According to the present invention, the 10-point average roughness Rz of the
本発明における集電体表面の最大高さRyは、例えば、集電体をその厚み方向に加圧処理することにより調整することができる。このような加圧処理は、集電体の上に活物質薄膜を形成する前に行ってもよいし、活物質薄膜を形成した後に行ってもよい。従って、本発明においては、集電体を、その厚み方向に加圧処理することにより、最大高さRyが十点平均粗さRzの1.39倍未満、好ましくは1.30倍以下となるように調整することが好ましい。 The maximum height Ry of the current collector surface in the present invention can be adjusted, for example, by subjecting the current collector to pressure treatment in the thickness direction. Such pressure treatment may be performed before the active material thin film is formed on the current collector, or may be performed after the active material thin film is formed. Therefore, in the present invention, when the current collector is pressure-treated in the thickness direction, the maximum height Ry is less than 1.39 times, preferably 1.30 times or less, of the ten-point average roughness Rz. It is preferable to adjust so that.
本発明においては、集電体が、金属箔の上に該金属箔より引張強度が低い材料からなる粗面化層を設けた集電体であり、該粗面化層の上に活物質薄膜が形成されていることが好ましい。このような粗面化層が設けられた集電体を、上述のようにその厚み方向に加圧処理することにより、引張強度が相対的に低い材料からなる粗面化層を加圧処理で容易に変形することができ、これにより最大高さRyを容易に調整することが可能となる。このような粗面化層を形成する方法としては、めっき法及び気相成長法が挙げられる。めっき法としては、電解めっき法及び無電解めっき法が挙げられる。また気相成長法としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法などが挙げられる。 In the present invention, the current collector is a current collector in which a roughened layer made of a material having a lower tensile strength than the metal foil is provided on the metal foil, and an active material thin film is formed on the roughened layer. Is preferably formed. The current collector provided with such a roughened layer is pressed in the thickness direction as described above, so that the roughened layer made of a material having a relatively low tensile strength can be pressed. It can be easily deformed, whereby the maximum height Ry can be easily adjusted. Examples of a method for forming such a roughened layer include a plating method and a vapor phase growth method. Examples of the plating method include an electrolytic plating method and an electroless plating method. Examples of the vapor phase growth method include a sputtering method, a CVD method, and a vapor deposition method.
めっき法による粗面化法としては、銅や銅−亜鉛合金などの銅を主成分とするめっき膜を、銅箔または銅合金箔からなる基体上に形成する方法が挙げられる。 Examples of the surface roughening method by plating include a method in which a plating film mainly composed of copper such as copper or copper-zinc alloy is formed on a substrate made of copper foil or copper alloy foil.
電解めっきにより粗面化する方法としては、プリント回路用銅箔に対し一般的に用いられているめっきによる粗面化法が挙げられる。具体的には、いわゆる「やけめっき」により、粒粉状銅を形成した後、この粒粉状銅めっき層の上に、その凹凸形状を損なわないように「被せめっき」を行い、実質的に平滑なめっき層を体積させて粒粉状銅をいわゆるコブ状銅とする粗面化方法が挙げられる。 As a method of roughening by electrolytic plating, a roughening method by plating generally used for copper foil for printed circuits can be mentioned. Specifically, after forming granular copper by so-called "burn plating", "cover plating" is performed on this granular copper plating layer so as not to impair the uneven shape, and substantially An example is a roughening method in which a smooth plating layer is made into a volume so that granular copper is so-called bumpy copper.
本発明において用いる集電体としては、例えば、銅箔または銅合金箔からなる集電体が挙げられる。銅合金としては、銅を含む合金であれば特に限定されるものではないが、例えば、Cu−Ag系合金、Cu−Te、Cu−Mg、Cu−Sn、Cu−Si、Cu−Mn、Cu−Be−Co、Cu−Ti、Cu−Ni−Si、Cu−Cr、Cu−Zr、Cu−Fe、Cu−Al、Cu−Zn、Cu−Co系合金が挙げられる。 Examples of the current collector used in the present invention include a current collector made of copper foil or copper alloy foil. Although it will not specifically limit if it is an alloy containing copper as a copper alloy, For example, Cu-Ag type alloy, Cu-Te, Cu-Mg, Cu-Sn, Cu-Si, Cu-Mn, Cu -Be-Co, Cu-Ti, Cu-Ni-Si, Cu-Cr, Cu-Zr, Cu-Fe, Cu-Al, Cu-Zn, and Cu-Co-based alloys.
また、活物質薄膜を形成する際の温度変化によって、機械的強度が低下するのを防止するためには、温度変化による機械的強度の低下を防止でき、また十分な導電性を確保できる耐熱銅合金箔を用いることが好ましい。ここで、耐熱性銅合金とは、200℃1時間焼鈍後の引張強度が300MPa/cm2以上である銅合金である。このような耐熱性銅合金としては、例えば、表1に示すような耐熱性銅合金が挙げられる。 In addition, in order to prevent the mechanical strength from being lowered due to temperature changes when forming the active material thin film, the heat resistant copper can prevent the mechanical strength from being lowered due to temperature changes and ensure sufficient conductivity. It is preferable to use an alloy foil. Here, the heat resistant copper alloy is a copper alloy having a tensile strength of 300 MPa / cm 2 or more after annealing at 200 ° C. for 1 hour. Examples of such heat resistant copper alloys include heat resistant copper alloys as shown in Table 1.
なお、表1において%は、重量%である。 In Table 1, “%” means “% by weight”.
また、上述のように、金属箔の上に、粗面化層を形成する場合には、上記のような銅箔、銅合金箔、耐熱性銅合金箔の上にめっき法や気相成長法などで粗面化層を形成することができる。なお、本発明において、金属箔は、金属単体からなる箔及び合金からなる箔を含むものである。 In addition, as described above, when a roughened layer is formed on a metal foil, a plating method or a vapor phase growth method is used on the above copper foil, copper alloy foil, or heat resistant copper alloy foil. A roughened layer can be formed by, for example. In the present invention, the metal foil includes a foil made of a single metal and a foil made of an alloy.
また、集電体の表面を粗面化する方法としては、金属箔に直接エッチングや研磨法などにより表面を粗面化してもよい。 Further, as a method for roughening the surface of the current collector, the surface may be roughened by etching or polishing directly on the metal foil.
本発明における活物質薄膜は、リチウムを吸蔵・放出する薄膜であり、リチウムを合金化することによりリチウムを吸蔵する活物質であることが好ましい。このような活物質材料としては、シリコン、ゲルマニウム、錫、鉛、亜鉛、マグネシウム、ナトリウム、アルミニウム、カリウム、インジウムなどが挙げられる。これらの中でも、シリコンがその高い理論容量から好ましく用いられる。従って、本発明において用いる活物質薄膜は、シリコンを主成分とする薄膜であることが好ましい。ここでいうシリコンを主成分とする薄膜は、シリコンを50原子%以上含む薄膜である。 The active material thin film in the present invention is a thin film that occludes / releases lithium, and is preferably an active material that occludes lithium by alloying lithium. Examples of such an active material include silicon, germanium, tin, lead, zinc, magnesium, sodium, aluminum, potassium, and indium. Among these, silicon is preferably used because of its high theoretical capacity. Therefore, the active material thin film used in the present invention is preferably a thin film mainly composed of silicon. The thin film which has silicon as a main component here is a thin film which contains 50 atomic% or more of silicon.
また、本発明においては、活物質薄膜は、非晶質薄膜または微結晶薄膜であることが好ましい。従って、非晶質シリコン薄膜または微結晶シリコン薄膜であることが特に好ましい。 In the present invention, the active material thin film is preferably an amorphous thin film or a microcrystalline thin film. Therefore, an amorphous silicon thin film or a microcrystalline silicon thin film is particularly preferable.
本発明において、活物質薄膜は、蒸着法、スパッタリング法、CVD法、または溶射法により形成することができる。これらの方法の中でも、蒸着法により形成することが好ましい。 In the present invention, the active material thin film can be formed by a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, or a thermal spraying method. Among these methods, it is preferable to form by vapor deposition.
本発明における上記電極は、一般には負極として用いられる。しかしながら、例えば、リチウム金属などの電極と組み合わせることにより、正極として用いることもできる。 The electrode in the present invention is generally used as a negative electrode. However, for example, it can also be used as a positive electrode by combining with an electrode such as lithium metal.
本発明における電極を負極として用いる場合、正極としては、リチウム二次電池において一般的に用いられているコバルト酸リチウムなどのリチウム含有遷移金属複合酸化物を正極活物質とした正極を用いることができる。また、リチウム二次電池の正極活物質として用いることができるものであれば、特に制限なく用いることができる。 When the electrode in the present invention is used as a negative electrode, a positive electrode using a lithium-containing transition metal composite oxide such as lithium cobaltate generally used in lithium secondary batteries as a positive electrode can be used as the positive electrode. . Moreover, if it can use as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, it can use without a restriction | limiting in particular.
また、本発明において用いる非水電解質は、リチウム二次電池の非水電解質として用いることができるものであれば特に制限なく用いることができる。 In addition, the nonaqueous electrolyte used in the present invention can be used without particular limitation as long as it can be used as a nonaqueous electrolyte for a lithium secondary battery.
本発明の製造方法は、上記本発明のリチウム二次電池を製造することができる方法であり、集電体を準備する工程と、集電体の上に活物質薄膜を堆積して形成する工程とを備えることを特徴としている。 The production method of the present invention is a method capable of producing the lithium secondary battery of the present invention, and includes a step of preparing a current collector and a step of depositing and forming an active material thin film on the current collector It is characterized by comprising.
本発明の製造方法によれば、充放電サイクル特性に優れ、かつ体積エネルギー密度が高いリチウム二次電池を効率良く生産することができる。 According to the production method of the present invention, it is possible to efficiently produce a lithium secondary battery having excellent charge / discharge cycle characteristics and high volume energy density.
本発明の製造方法においては、活物質薄膜の形成前及び/または形成後に、集電体の厚み方向に加圧処理を施す工程をさらに備えていることが好ましい。このような加圧工程により、上述のように、最大高さRyを調整することができる。 The production method of the present invention preferably further includes a step of applying a pressure treatment in the thickness direction of the current collector before and / or after the formation of the active material thin film. By such a pressurizing step, the maximum height Ry can be adjusted as described above.
また、本発明の製造工程においては、集電体を準備する工程が、金属箔の上に上記粗面化層を形成する工程を含んでいてもよい。上述のように、金属箔より引張強度が低い材料からなる粗面化層を設けた集電体を用いることにより、粗面化層を容易に変形させることができるので、上記の加圧処理により、より容易に、最大高さRyと十点平均粗さRzの比を調整することができる。 In the production process of the present invention, the step of preparing the current collector may include the step of forming the roughened layer on the metal foil. As described above, since the roughened layer can be easily deformed by using the current collector provided with the roughened layer made of a material having a lower tensile strength than the metal foil, The ratio between the maximum height Ry and the ten-point average roughness Rz can be adjusted more easily.
本発明によれば、充放電サイクル特性に優れ、かつ体積エネルギー密度が高いリチウム二次電池とすることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can be set as the lithium secondary battery which is excellent in charging / discharging cycling characteristics and has a high volume energy density.
本発明の製造方法によれば、充放電サイクル特性に優れ、かつ体積エネルギー密度が高いリチウム二次電池を効率良く製造することができる。 According to the production method of the present invention, a lithium secondary battery having excellent charge / discharge cycle characteristics and a high volumetric energy density can be produced efficiently.
以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に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。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the present invention. .
以下の実施例及び比較例においては、以下のようにして、負極、正極、非水電解質を作製し、これらを用いてリチウム二次電池を作製した。また、作製したリチウム二次電池について、以下のようにして充放電サイクル試験を行った。 In the following examples and comparative examples, a negative electrode, a positive electrode, and a nonaqueous electrolyte were produced as follows, and a lithium secondary battery was produced using these. Moreover, the produced lithium secondary battery was subjected to a charge / discharge cycle test as follows.
(1)負極の作製
集電体の上に、図1に示す蒸着装置を用いて、非晶質シリコン薄膜を堆積した。
(1) Production of negative electrode An amorphous silicon thin film was deposited on the current collector using the vapor deposition apparatus shown in FIG.
図1に示す薄膜形成装置の真空チャンバー8内には、電子ビーム銃5、及びるつぼ3が設けられている。るつぼ3は、蒸着材料4を溶融させるるつぼである。集電体1は、ローラー6及びローラー7に巻き取られており、ローラー6とローラー7の間に位置する支持ローラー2の外周面に沿って、ローラー6からローラー7に、あるいはローラー7からローラー6に移動する。
An
るつぼ3と対向する領域において、集電体1の上に電子ビーム蒸着法によりシリコン薄膜が形成される。電子ビーム蒸着では、電子ビーム銃5から放出された電子ビームCが、蒸着材料4に照射される。蒸着材料4としては、単結晶シリコンを用いている。るつぼ3としては、水冷した銅製るつぼを用いている。
In the region facing the
まず、集電体1をローラー6に巻き取った状態としておき、集電体1を矢印A方向に移動させ、ローラー7でこれを巻き取りながら、集電体1の表面に、るつぼ5と対向する領域においてシリコン薄膜を堆積した。次に、ローラー7に巻き取られた集電体1を矢印Aと反対方向に移動させ、ローラー6でこれを巻き取りながら、集電体1の同じ領域に再度シリコン薄膜を堆積した。
First, the
電子ビーム蒸着法によるシリコン薄膜の形成条件を表2に示す。集電体1の送り速度は、0.26m/分とし、集電体の送り方向15mの領域に2度にわたってシリコン薄膜の堆積を行った。
Table 2 shows the conditions for forming the silicon thin film by the electron beam evaporation method. The feeding speed of the
以上のようにして、集電体の片方の面の上にシリコン薄膜を堆積した。シリコン薄膜を堆積した集電体1を、ローラー7に巻き取り、ロール状態のまま、薄膜形成装置から取り出した。薄膜形成装置から取り出した集電体のロールにおいては、ロールの内面側のみにシリコン薄膜が形成されている。
As described above, a silicon thin film was deposited on one surface of the current collector. The
次に、薄膜形成装置から取り出したロールを、ロール反転装置を用いて基材の内面側と外面側を反転させた後、このロールを薄膜形成装置のローラー6に取り付けた。このときのロールにおいては、ロール外面側のみにシリコン薄膜が形成されている。
Next, after the roll taken out from the thin film forming apparatus was reversed using the roll reversing device, the inner surface side and the outer surface side of the base material were reversed, and this roll was attached to the
次に、上述と同じ手順によって、シリコン薄膜が形成されていない側の面にシリコン薄膜の堆積を行った。 Next, the silicon thin film was deposited on the surface on which the silicon thin film was not formed by the same procedure as described above.
シリコン薄膜を堆積した集電体の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。シリコン薄膜の厚みを測定したところ、集電体の両側に厚み約16μmのシリコン薄膜がそれぞれ堆積されていた。従って、シリコン薄膜の堆積速度は、約2.1μm・m/分である。 The cross section of the current collector on which the silicon thin film was deposited was observed with a scanning electron microscope (SEM). When the thickness of the silicon thin film was measured, a silicon thin film having a thickness of about 16 μm was deposited on both sides of the current collector. Accordingly, the deposition rate of the silicon thin film is about 2.1 μm · m / min.
以上のようにして集電体の両面にシリコン薄膜を堆積した電極を、帯状に切り出し、これにニッケルリードを取り付けることにより負極を完成した。 As described above, the electrode in which the silicon thin film was deposited on both surfaces of the current collector was cut into a strip shape, and a nickel lead was attached thereto to complete the negative electrode.
(2)正極の作製
LiCoO2粉末90重量部、及び導電剤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オロエチレンを5重量部含む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。このスラリーをドクターブレード法により、正極集電体であるアルミニウム箔に塗布し、乾燥した後圧延した。この電極を帯状に切り出し、アルミニウムリードを取り付けることにより、正極を完成した。
(2) Preparation of positive electrode 90 parts by weight of LiCoO 2 powder and 5 parts by weight of artificial graphite powder as a conductive agent in a 5% by weight N-methylpyrrolidone solution containing 5 parts by weight of polytetrafluoroethylene as a binder It mixed and it was set as the positive mix slurry. This slurry was applied to an aluminum foil as a positive electrode current collector by a doctor blade method, dried and rolled. The electrode was cut into a strip shape, and an aluminum lead was attached to complete the positive electrode.
(3)非水電解質の作製
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを3:7の体積比で混合した溶媒に、LiPF6を1モル/リットル溶解して、非水電解質を作製した。
(3) Preparation of non-aqueous electrolyte LiPF 6 was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3: 7, and a non-aqueous electrolyte was prepared.
(4)リチウム二次電池の作製
図2に示す円筒型リチウム二次電池を作製した。図2に示すように、正極1と負極2の間にセパレータ3を挟み、さらに正極1の外側にさらに別のセパレータ3を配置し、この状態でスパイラル状に巻き付けて、電池缶内に挿入した。負極2は、負極缶4にリードによって電気的に接続されており、正極1は、正極端子5にリードにより電気的に接続されている。電池缶内には、非水電解質が注入されている。
(4) Production of Lithium Secondary Battery A cylindrical lithium secondary battery shown in FIG. 2 was produced. As shown in FIG. 2, a
(5)充放電サイクル試験
作製した電池の充放電サイクル試験を、表3に示す充放電条件で行った。
(5) Charging / discharging cycle test The charging / discharging cycle test of the produced battery was performed on charging / discharging conditions shown in Table 3.
全てのサイクルにおける最大放電容量を100%として、50サイクル目における放電容量維持率を、容量維持率(%)とした。 The maximum discharge capacity in all cycles was taken as 100%, and the discharge capacity maintenance rate at the 50th cycle was taken as the capacity maintenance rate (%).
(比較実験)
比較例1として、厚み18μmのコルソン合金圧延箔を集電体に用いて、上記のようにして負極を作製し、この負極を用いて上記のようにしてリチウム二次電池を作製した。
(Comparative experiment)
As Comparative Example 1, a negative electrode was produced as described above using a Corson alloy rolled foil having a thickness of 18 μm as a current collector, and a lithium secondary battery was produced as described above using this negative electrode.
比較例2〜5として、厚み18μmのコルソン合金圧延箔の両面に、めっき法により粗面化層として銅を堆積させた。めっき条件を変化させることにより、4種類の粗面化層を形成した。このようにして粗面化層を形成した合金箔を集電体として用いて、上記のように負極を作製し、これらの負極を用いてリチウム二次電池を作製した。 As Comparative Examples 2 to 5, copper was deposited as a roughened layer on both sides of a Corson alloy rolled foil having a thickness of 18 μm by a plating method. By changing the plating conditions, four types of roughened layers were formed. Using the alloy foil thus formed with the roughened layer as a current collector, a negative electrode was produced as described above, and a lithium secondary battery was produced using these negative electrodes.
以上のようにして作製した各リチウム二次電池について、上記のようにして充放電サイクル試験を行い、容量維持率を求めた。 About each lithium secondary battery produced as mentioned above, the charging / discharging cycle test was done as mentioned above, and the capacity | capacitance maintenance factor was calculated | required.
表4には、比較例1〜5で用いた集電体の十点平均粗さRz、最大高さRy、Ry/Rzの比、及び測定した容量維持率を示す。 Table 4 shows the ten-point average roughness Rz, the maximum height Ry, the ratio of Ry / Rz of the current collectors used in Comparative Examples 1 to 5, and the measured capacity retention ratio.
表4に示すように、粗面化層を形成していない比較例1に比べ、比較例2〜5では、十点平均粗さRz及び最大高さRyが高くなっている。なお、比較例2〜5においては、めっき条件において、電流密度を大きくすることにより、十点平均粗さRz及び最大高さRyを高めている。 As shown in Table 4, in Comparative Examples 2 to 5, the ten-point average roughness Rz and the maximum height Ry are higher than those in Comparative Example 1 in which the roughened layer is not formed. In Comparative Examples 2 to 5, the ten-point average roughness Rz and the maximum height Ry are increased by increasing the current density under the plating conditions.
表4に示す結果から明らかなように、粗面化層を形成していない比較例1においては、容量維持率が0.0%となっており、良好な充放電サイクル特性が得られていない。これは、シリコン薄膜に柱状構造が形成されず、充放電による活物質薄膜の体積変化により、活物質薄膜が集電体から脱落したためであると思われる。 As is clear from the results shown in Table 4, in Comparative Example 1 in which the roughened layer was not formed, the capacity retention rate was 0.0%, and good charge / discharge cycle characteristics were not obtained. . This is probably because the columnar structure was not formed in the silicon thin film, and the active material thin film was dropped from the current collector due to the volume change of the active material thin film due to charge / discharge.
これに対し、比較例2〜5においては、比較例1に比べ、良好な充放電サイクル特性が得られている。特に、十点平均粗さRzが1.5以上である比較例4及び比較例5において良好な充放電サイクル特性が得られている。 On the other hand, in Comparative Examples 2 to 5, better charge / discharge cycle characteristics are obtained as compared with Comparative Example 1. In particular, good charge / discharge cycle characteristics are obtained in Comparative Example 4 and Comparative Example 5 in which the ten-point average roughness Rz is 1.5 or more.
また、比較例2〜5においては、十点平均粗さRzが徐々に大きくなっているが、最大高さRyも徐々に大きくなっているため、Ry/Rzの比は、あまり変化していないことがわかる。 Further, in Comparative Examples 2 to 5, the ten-point average roughness Rz is gradually increased, but the maximum height Ry is also gradually increased, so the ratio of Ry / Rz has not changed much. I understand that.
(実験1)
以下の比較例6及び実施例1〜3においては、比較例4と同程度の十点平均粗さRz及び最大高さRyを有する集電体を用いて負極を作製した。
(Experiment 1)
In Comparative Example 6 and Examples 1 to 3 below, a negative electrode was produced using a current collector having a ten-point average roughness Rz and a maximum height Ry comparable to those in Comparative Example 4.
実施例1〜3については、集電体の上にシリコン薄膜を堆積させた後、帯状に切り出す前に、圧延ロールに通して加圧処理を行った。実施例1、実施例2及び実施例3の順に、より強い圧力が加わるように加圧処理を施した。 In Examples 1 to 3, after a silicon thin film was deposited on the current collector, it was pressed through a rolling roll before being cut into a strip shape. In the order of Example 1, Example 2, and Example 3, pressure treatment was performed so that a stronger pressure was applied.
比較例6については、集電体の上にシリコン薄膜を堆積させた後、加圧処理を行わずにそのまま負極として用いた。 In Comparative Example 6, a silicon thin film was deposited on the current collector, and then used as a negative electrode without being subjected to pressure treatment.
〔マイクロメーターによる厚みの測定〕
電極面積0.5m2について、マイクロメーターを用いて厚みを測定した。厚みの平均値、最大値、最小値、及び分散値を表5に示す。
[Measurement of thickness with micrometer]
Electrode area 0.5 m 2, thickness was measured with a micrometer. Table 5 shows the average value, the maximum value, the minimum value, and the dispersion value of the thickness.
〔Rz及びRyの測定〕
各負極の断面をSEM観察し、得られたSEM画像からRz及びRyを求めた。JIS規格で、Ry及びRzについての基準長さlは、Ry及びRzが0.1〜0.5μmの範囲である場合、0.25μmとすることが定められており、Ry及びRzが0.5〜10.0μmの範囲内である場合には、0.8μmとすることが定められている。従って、実施例1〜3及び比較例6においては、基準長さlを0.8μmとしている。
[Measurement of Rz and Ry]
The cross section of each negative electrode was observed with an SEM, and Rz and Ry were determined from the obtained SEM images. In the JIS standard, the
なお、比較実験における比較例1〜5のRz及びRyも上記のように負極の断面のSEM観察により測定している。比較例1については基準長さlを0.25μmとしており、比較例2〜5については基準長さlを0.8μmとしている。
In addition, Rz and Ry of Comparative Examples 1 to 5 in the comparative experiment are also measured by SEM observation of the cross section of the negative electrode as described above. For Comparative Example 1, the
〔引張強度の測定〕
集電体の基体として用いたコルソン合金箔について引張強度を測定した。シリコン薄膜を蒸着させる際に、集電体が加熱されるので、このような加熱後の引張強度の変化を知るため、コルソン合金箔を真空雰囲気下(1Pa以下)で、200℃1時間熱処理した。熱処理前と熱処理後の引張強度を求めた。
(Measurement of tensile strength)
Tensile strength was measured for the Corson alloy foil used as the substrate of the current collector. Since the current collector is heated when depositing the silicon thin film, the Corson alloy foil was heat-treated at 200 ° C. for 1 hour in a vacuum atmosphere (1 Pa or less) in order to know the change in tensile strength after the heating. . The tensile strength before and after heat treatment was determined.
この結果、熱処理前は828MPa/cm2であり、熱処理後は863MPa/cm2であった。 As a result, before the heat treatment was 828MPa / cm 2, after the heat treatment was 863MPa / cm 2.
また、コルソン合金箔の上にめっき法により形成した粗面化層の引張強度を求めるため、純銅箔の引張強度を測定した。この純銅箔についても、上記と同様に熱処理を行い、熱処理前及び熱処理後の引張強度を求めた。 Moreover, in order to obtain | require the tensile strength of the roughening layer formed on the Corson alloy foil by the plating method, the tensile strength of the pure copper foil was measured. This pure copper foil was also heat-treated in the same manner as described above, and the tensile strength before and after the heat treatment was determined.
この結果、熱処理前の強度は444MPa/cm2であり、熱処理後の引張強度は238MPa/cm2であった。 As a result, the strength before the heat treatment was 444 MPa / cm 2 and the tensile strength after the heat treatment was 238 MPa / cm 2 .
〔缶挿入工程〕
リチウム二次電池を作製する際に、負極、正極及びセパレータを上述のようにスパイラル状に巻き付けた巻付体を電池缶(負極缶)に挿入する際の缶挿入工程における歩留りを求めた。缶に巻付体を挿入する際に、缶に引っかからずに挿入できたものと、缶に引っかかり巻付体の一部が破壊されたものの割合を求め、歩留りとした。各実施例及び比較例について、それぞれ20個缶挿入工程を行い、缶に引っかからずに挿入できたものの全体に対する割合を歩留りとして表5に示した。電池缶としては、外径14.0mm、内径13.4mm、従って缶壁の厚みが0.3mmであり、高さが430mm(正極端子を含む)であるアルミニウム製の缶を用いた。
[Can insertion process]
When producing a lithium secondary battery, the yield in the can insertion process when inserting the wound body in which the negative electrode, the positive electrode, and the separator were spirally wound as described above into the battery can (negative electrode can) was determined. When inserting the wound body into the can, the ratio of the one that could be inserted without being caught in the can and the one that was caught in the can and part of the wound body was destroyed was determined and used as the yield. About each Example and the comparative example, 20 can insertion processes were performed, respectively, and the ratio with respect to the whole of what was able to insert without being caught in a can was shown in Table 5 as a yield. As the battery can, an aluminum can having an outer diameter of 14.0 mm, an inner diameter of 13.4 mm, a thickness of the can wall of 0.3 mm, and a height of 430 mm (including a positive electrode terminal) was used.
〔充放電試験〕
上記と同様にして、実施例1〜3及び比較例6の電池について、充放電試験を行い、容量維持率を表5に示した。
(Charge / discharge test)
In the same manner as described above, the batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Example 6 were subjected to charge / discharge tests, and the capacity retention ratios are shown in Table 5.
表5に示す結果から明らかなように、本発明に従い、十点平均粗さRzが1.5以上であり、かつRy/Rzが1.39未満である実施例1〜3においては、高い容量維持率が得られている。また、Ry/Rzが1.30以下である実施例2及び3は、さらに良好な充放電サイクル特性が得られている。 As is apparent from the results shown in Table 5, according to the present invention, in Examples 1 to 3, in which the ten-point average roughness Rz is 1.5 or more and Ry / Rz is less than 1.39, the high capacity The maintenance rate is obtained. In Examples 2 and 3 in which Ry / Rz is 1.30 or less, even better charge / discharge cycle characteristics are obtained.
また、本発明に従う実施例1〜3は、比較例6に比べ、缶挿入工程における歩留りが高くなっており、本発明に従うことにより、歩留りを高めることができ、体積エネルギー密度の高いリチウム二次電池を製造できることがわかる。 In addition, Examples 1 to 3 according to the present invention have higher yield in the can insertion process than Comparative Example 6, and according to the present invention, the yield can be increased, and the lithium secondary having a high volumetric energy density. It can be seen that the battery can be manufactured.
また、実施例1〜3においては、ベースとなるコルソン合金箔より引張強度が低い銅からなる粗面化層を設けた集電体を用い、これを加圧処理することにより、最大高さRyが十点平均粗さRzの1.39倍未満となるように調整している。従って、このような集電体を用いることにより、最大高さRyを容易に調整することができ、充放電サイクル特性に優れ、かつ体積エネルギー密度の高いリチウム二次電池を製造できることがわかる。 Moreover, in Examples 1-3, the maximum height Ry is obtained by using a current collector provided with a roughened layer made of copper having a tensile strength lower than that of the corson alloy foil serving as a base, and subjecting this to pressure treatment. Is adjusted to be less than 1.39 times the ten-point average roughness Rz. Therefore, it can be seen that by using such a current collector, the maximum height Ry can be easily adjusted, and a lithium secondary battery having excellent charge / discharge cycle characteristics and high volume energy density can be produced.
1…集電体
2…支持ローラー
3…るつぼ
4…蒸着材料
5…電子ビーム銃
6,7…ローラー
8…真空チャンバー
11…正極
12…負極
13…セパレータ
14…電極缶(負極缶)
15…正極端子
20…集電体
21…集電体の表面
21a…集電体の表面の谷部
22…活物質薄膜
23…活物質薄膜の表面
23a…活物質薄膜の表面の谷部
24…低密度領域
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記活物質薄膜が形成されている前記集電体の表面の十点平均粗さRzが1.5以上であり、かつ最大高さRyが十点平均粗さRzの1.39倍未満であることを特徴とするリチウム二次電池。 In a lithium secondary battery using an electrode formed by depositing a thin film made of an active material that occludes and releases lithium on a current collector,
The 10-point average roughness Rz of the surface of the current collector on which the active material thin film is formed is 1.5 or more, and the maximum height Ry is less than 1.39 times the 10-point average roughness Rz. A lithium secondary battery characterized by that.
前記集電体を準備する工程と、
前記集電体の上に前記活物質薄膜を堆積して形成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の製造方法。 A method for producing the lithium secondary battery according to claim 1,
Preparing the current collector;
And a step of depositing and forming the active material thin film on the current collector.
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