JP2011071113A - Negative electrode for lithium secondary battery, method of manufacturing negative electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】リチウム二次電池の充放電サイクル特性を改善する。
【解決手段】
集電体1と、集電体1の表面に形成された負極活物質層5とを備えたリチウム二次電池用負極100であって、負極活物質層5はケイ素と炭素とを主成分とし、負極活物質層5におけるケイ素に対する炭素の原子数の比xは0.03以上1.0以下であり、負極活物質層5の炭素−炭素結合の結合数に対するケイ素−炭素結合の結合数の割合Rは0より大きく、2.5未満である。
【選択図】図1An object of the present invention is to improve the charge / discharge cycle characteristics of a lithium secondary battery.
[Solution]
A negative electrode 100 for a lithium secondary battery comprising a current collector 1 and a negative electrode active material layer 5 formed on the surface of the current collector 1, wherein the negative electrode active material layer 5 is mainly composed of silicon and carbon. The ratio x of the number of carbon atoms to silicon in the negative electrode active material layer 5 is 0.03 or more and 1.0 or less, and the number of bonds of silicon-carbon bonds to the number of carbon-carbon bonds in the negative electrode active material layer 5 is The ratio R is greater than 0 and less than 2.5.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、リチウム二次電池用負極、リチウム二次電池用負極の製造方法、およびリチウム二次電池用負極を用いたリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery, a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery using the negative electrode for a lithium secondary battery.
携帯用通信機器などの小型電子・電気機器の需要は近年ますます増大しており、それらに使用される二次電池の生産量も増加している。なかでも、エネルギー密度の高いリチウム二次電池の生産量の増大は顕著である。 The demand for small electronic / electrical devices such as portable communication devices has been increasing in recent years, and the production of secondary batteries used for them has also increased. Especially, the increase in the production amount of a lithium secondary battery with a high energy density is remarkable.
小型電子・電気機器の用途が多様化し、さらなる小型化が図られるにつれて、リチウム二次電池の性能向上が要望されている。具体的には、放電容量の増大と寿命の延長がますます求められている。 As the applications of small electronic / electrical equipment are diversified and further miniaturization is attempted, it is desired to improve the performance of lithium secondary batteries. Specifically, there is an increasing demand for increased discharge capacity and extended life.
現在市販されているリチウム二次電池は、正極にLiCoO2などのリチウム含有複合酸化物を用い、負極に黒鉛を用いている。しかし、黒鉛からなる負極材料では、LiC6の組成までしかリチウムイオンを吸収できず、リチウムイオンの吸蔵および放出の容量の最大値は372mAh/g、835mAh/cm3である。この値は金属リチウムの理論容量(3878mAh/g、1939mAh/cm3)に比べて小さい。 Currently available lithium secondary batteries use a lithium-containing composite oxide such as LiCoO 2 for the positive electrode and graphite for the negative electrode. However, the negative electrode material made of graphite can only absorb lithium ions up to the composition of LiC 6 , and the maximum values of lithium ion storage and release are 372 mAh / g and 835 mAh / cm 3 . This value is smaller than the theoretical capacity of metallic lithium (3878 mAh / g, 1939 mAh / cm 3 ).
一方、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、As、Sb、Biといった金属元素あるいはそれらの合金は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出することができる元素として知られている。これらの元素の理論的な容量は、
Si:4192mAh/g、9767mAh/cm3(Si―Li4.4Si)、
Ge:1621mAh/g、8625mAh/cm3(Ge−Li4.4Ge)、
Sn: 958mAh/g、6973mAh/cm3(Sn−Li4.25Sn)、
Al:2231mAh/g、6024mAh/cm3(Al−Li2.25Al)、
Sb: 659mAh/g、4410mAh/cm3(Sb−Li3Sb)、
Bi: 384mAh/g、3745mAh/cm3(Bi−Li3Bi)、
Pb: 426mAh/g、4837mAh/cm3(Pb−Li3.3Pb)
であり、黒鉛などの炭素質材料の理論容量よりはるかに大きい。
On the other hand, metal elements such as Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, and Bi or alloys thereof are known as elements capable of reversibly inserting and extracting lithium ions. The theoretical capacity of these elements is
Si: 4192 mAh / g, 9767 mAh / cm 3 (Si—Li 4.4 Si),
Ge: 1621 mAh / g, 8625 mAh / cm 3 (Ge-Li 4.4 Ge),
Sn: 958 mAh / g, 6973 mAh / cm 3 (Sn—Li 4.25 Sn),
Al: 2231 mAh / g, 6024 mAh / cm 3 (Al—Li 2.25 Al),
Sb: 659 mAh / g, 4410 mAh / cm 3 (Sb—Li 3 Sb),
Bi: 384 mAh / g, 3745 mAh / cm 3 (Bi-Li 3 Bi),
Pb: 426 mAh / g, 4837 mAh / cm 3 (Pb—Li 3.3 Pb)
It is much larger than the theoretical capacity of carbonaceous materials such as graphite.
しかしながら、上記のような金属元素を用いた負極活物質は、充放電の際にリチウムイオンを吸蔵および放出することによって大きく膨張・収縮する。従って、シート状の集電体に上記のような負極活物質を含む負極活物質層を形成した構造を有する負極では、充放電を繰り返すと、負極活物質層と集電体との界面近傍に大きな応力が発生して歪みが生じる。このため、負極のしわや切れ、負極活物質層の剥がれ等を引き起こす可能性がある。その結果、活物質層と集電体との電気的接合が保持できなくなって容量が減少する。従って、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池が得られないという課題がある。 However, the negative electrode active material using the metal element as described above greatly expands and contracts by inserting and extracting lithium ions during charge and discharge. Therefore, in a negative electrode having a structure in which a negative electrode active material layer containing the negative electrode active material as described above is formed on a sheet-like current collector, when charge and discharge are repeated, the negative electrode active material layer and the current collector are in the vicinity of the interface. Large stress is generated and distortion occurs. For this reason, the negative electrode may be wrinkled or cut, or the negative electrode active material layer may be peeled off. As a result, the electrical connection between the active material layer and the current collector cannot be maintained, and the capacity is reduced. Therefore, there is a problem that a lithium secondary battery excellent in charge / discharge cycle characteristics cannot be obtained.
この課題に対して、特許文献1は、炭素、酸素、窒素、アルゴンおよびフッ素などの不純物を含むケイ素材料を負極活物質として用いることを提案している。特許文献1では、ケイ素の材料であるモノシランガスと、炭素の材料であるメタンガスとを、高周波電力で生成するArプラズマ中で分解し、集電体として用いる銅箔上に堆積させることによって、ケイ素および炭素の混合物からなる負極活物質層を形成している。以下、プラズマ中で材料ガスを分解して成膜する方法を「プラズマCVD法」という。また、特許文献1には、負極活物質層におけるケイ素に対する炭素の原子数比xが2%以下の実施例では、リチウム二次電池の1サイクル目充電容量に対する1サイクル目放電容量の比(容量維持率)は87%以上と高い値を示すが、上記原子数比xが50%の実施例では、容量維持率は40%に低下することも記載されている。
For this problem,
一方、リチウム二次電池への応用事例ではないが、特許文献2および3には、ケイ素および炭素を含む薄膜の形成方法が開示されている。特許文献2では、テトラメチルシランに代表されるケイ素―炭素結合を内部に有するガスを用い、特許文献1と同様に、プラズマCVD法でケイ素―炭素混合膜を形成することが提案されている。
On the other hand, although not applied to a lithium secondary battery,
また、特許文献3では、モノシランおよびメタンを材料ガスとして用い、プラズマCVD法によってSiC膜を形成する手法が示されている。
特許文献4では、ケイ素および炭素を含む原料を用いて、活物質膜を気相成長させる手法が示されている。例えば、ケイ素に炭素を添加した原料を1650℃以上2500℃以下で加熱して蒸発させることにより、ケイ素と炭素とを含む活物質膜を集電体上に形成している。また、炭素材からなる坩堝にケイ素を収容して加熱することにより、気相成長されたケイ素中に炭素を混入させることも提案されている。
特許文献5は、ケイ素と炭素と酸素とを含む負極活物質層を設けることを開示している。この負極活物質層では、炭素の含有率は0.2〜10原子%、酸素の含有率は0.5〜40原子%であり、ケイ素の0.1〜17.29%が炭素と結合している(Si−C結合)。特許文献5では、上記の負極活物質層を、ケイ素と炭素とを含む蒸発源を用いて、蒸着処理槽に酸素ガスを導入しながら蒸着を行うことによって形成している。
本発明者は、特許文献1〜3に開示されているように、ケイ素および炭素を含む負極活物質層をプラズマCVD法で形成すると、次のような問題があることを見出した。
As disclosed in
プラズマCVD法によって形成された負極活物質層を用いたリチウム二次電池では、初期充電容量に対する、その直後に計測した放電容量の比(以下、「初期充放電効率」という。)は40%程度と低くなる。その後の充放電容量も40%程度に留まり、体積当たり容量密度も2300mAh/cm3程度に留まる。 In a lithium secondary battery using a negative electrode active material layer formed by plasma CVD, the ratio of the discharge capacity measured immediately thereafter to the initial charge capacity (hereinafter referred to as “initial charge / discharge efficiency”) is about 40%. And lower. Thereafter, the charge / discharge capacity remains at about 40%, and the capacity density per volume also remains at about 2300 mAh / cm 3 .
この原因について本発明者が検討したところ、第1に、プラズマCVD法で形成した負極活物質層には水素が多く残留しており、最初の充放電において電荷がリチウムの吸蔵だけでなく水素ガスの生成にも使われる。この結果、水素ガスが生成された分だけ充電容量(初期充電容量)が大きくなるからと考えられる。第2に、プラズマCVD法で作製した負極活物質層は、リチウムを吸蔵しないか、吸蔵しても放出しないSiCを多く含んでいる。このため、その後の放電容量が小さくなり、その結果、従来よりも初期充放電効率および容量密度が低下すると考えられる。 The present inventor examined this cause. First, a large amount of hydrogen remained in the negative electrode active material layer formed by the plasma CVD method, and in the first charge / discharge, the charge was not only occluded by lithium but also hydrogen gas. Also used to generate As a result, it is considered that the charge capacity (initial charge capacity) is increased by the amount of hydrogen gas generated. Secondly, the negative electrode active material layer produced by the plasma CVD method contains a large amount of SiC that does not occlude lithium or does not release even if occluded. For this reason, subsequent discharge capacity becomes small, and as a result, it is thought that initial stage charge-and-discharge efficiency and capacity density fall rather than before.
一方、特許文献4および5に開示された方法では、ケイ素と炭素とを含む混合物を原料として蒸着を行うので、上述したような問題は生じにくい。
On the other hand, in the methods disclosed in
しかしながら、本発明者が検討したところ、上記混合物を原料として蒸着を行って負極活物質層を形成すると、二次電池の容量維持率が大きく低下し、充放電サイクル特性を十分に高めることは困難であることがわかった。 However, as a result of investigation by the present inventors, when the negative electrode active material layer is formed by vapor deposition using the above mixture as a raw material, the capacity retention rate of the secondary battery is greatly reduced, and it is difficult to sufficiently improve the charge / discharge cycle characteristics. I found out that
後述する実験結果によると、ケイ素と炭素との混合粉末(原子数比で炭素:ケイ素=1:1)を蒸着させて得られる負極活物質層を用いると、充放電に伴って二次電池の容量が著しく低下し、わずか5回の充放電後の容量維持率は79%に留まった。ここで「容量維持率」とは、二次電池の充放電サイクル試験において観測される最大充電容量を基準容量として、基準容量に対する各サイクルにおける放電容量の割合をいう。 According to the experimental results to be described later, when a negative electrode active material layer obtained by vapor-depositing a mixed powder of silicon and carbon (carbon: silicon = 1: 1 by atomic ratio) is used, the secondary battery is charged and discharged. The capacity was remarkably lowered, and the capacity retention rate after only 5 charging / discharging stayed at 79%. Here, the “capacity maintenance ratio” refers to the ratio of the discharge capacity in each cycle to the reference capacity, with the maximum charge capacity observed in the charge / discharge cycle test of the secondary battery as the reference capacity.
なお、このような問題は、ケイ素と炭素とを含む混合物を原料とする場合のみでなく、特許文献4に記載されているように、炭素材からなる容器内にケイ素を収容して炭素およびケイ素を蒸発させる場合にも同様に生じると考えられる。
In addition, such a problem is not only in the case of using a mixture containing silicon and carbon as a raw material, but as described in
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、初期充放電効率および容量密度を確保しつつ、高容量で充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a lithium secondary battery having high capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics while ensuring initial charge / discharge efficiency and capacity density. is there.
本発明のリチウム二次電池用負極は、集電体と、前記集電体の表面に形成された負極活物質層とを備えたリチウム二次電池用負極であって、前記負極活物質層は、ケイ素と炭素とを主成分とし、前記負極活物質層におけるケイ素に対する炭素の原子数の比xは0.03以上1.0以下であり、前記負極活物質層の炭素−炭素結合の結合数に対するケイ素−炭素結合の結合数の割合Rは0より大きく、2.5未満である。 The negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention is a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a current collector and a negative electrode active material layer formed on a surface of the current collector, wherein the negative electrode active material layer is The ratio x of the number of carbon atoms to silicon in the negative electrode active material layer is 0.03 or more and 1.0 or less, and the number of carbon-carbon bond bonds in the negative electrode active material layer. The ratio R of the number of silicon-carbon bonds to R is greater than 0 and less than 2.5.
ある好ましい実施形態において、前記炭素−炭素結合の結合数に対するケイ素−炭素結合の結合数の割合Rは1.0以下である。 In a preferred embodiment, a ratio R of the number of silicon-carbon bonds to the number of carbon-carbon bonds is 1.0 or less.
前記炭素−炭素結合の結合数に対するケイ素−炭素結合の結合数の割合Rは、光電子分光分析法によって求めた値であってもよい。 The ratio R of the number of silicon-carbon bonds to the number of carbon-carbon bonds may be a value determined by photoelectron spectroscopy.
ある好ましい実施形態において、前記負極活物質層におけるケイ素に対する炭素の原子数の比xは0.18より大きい。 In a preferred embodiment, the ratio x of the number of carbon atoms to silicon in the negative electrode active material layer is greater than 0.18.
本発明の他のリチウム二次電池用負極は、集電体と、前記集電体の表面に形成された負極活物質層とを備えたリチウム二次電池用負極であって、前記負極活物質層は、ケイ素と炭素とを含む蒸着膜であり、前記蒸着膜は、ケイ素を主成分とする負極活物質材料を蒸発させる第1蒸発源と、前記第1蒸発源とは別個に設けられ、炭素を主成分とする炭素材料を蒸発させる第2蒸発源とを用い、前記第1および第2蒸発源からケイ素および炭素をそれぞれ蒸発させ、前記集電体の表面に入射させることによって形成されている。 Another negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention is a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a current collector and a negative electrode active material layer formed on a surface of the current collector, wherein the negative electrode active material The layer is a vapor deposition film containing silicon and carbon, and the vapor deposition film is provided separately from the first evaporation source for evaporating the negative electrode active material mainly composed of silicon and the first evaporation source, A second evaporation source that evaporates a carbon material containing carbon as a main component, and silicon and carbon are evaporated from the first and second evaporation sources, respectively, and incident on the surface of the current collector. Yes.
本発明のリチウム二次電池用負極の製造方法は、集電体と、前記集電体の表面に形成された負極活物質層とを備えたリチウム二次電池用負極の製造方法であって、ケイ素を主成分とする負極活物質材料と炭素を成分とする炭素材料とを蒸発させて、前記集電体の表面に入射させることによって、前記集電体の表面にケイ素および炭素とを含む負極活物質層を蒸着する工程を含み、前記負極活物質層を蒸着する工程は、前記負極活物質材料を蒸発させる第1蒸発源と、前記第1蒸発源とは別個に設けられ、前記炭素材料を蒸発させる第2蒸発源とを用いて行われる。 A method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention is a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a current collector and a negative electrode active material layer formed on a surface of the current collector, A negative electrode containing silicon and carbon on the surface of the current collector by evaporating a negative electrode active material comprising silicon as a main component and a carbon material containing carbon as a component and allowing the material to enter the surface of the current collector A step of depositing the active material layer, wherein the step of depositing the negative electrode active material layer is provided separately from the first evaporation source for evaporating the negative electrode active material and the first evaporation source, and the carbon material And a second evaporation source for evaporating the water.
ある好ましい実施形態において、前記負極活物質層を蒸着する工程において、前記第1蒸発源の前記負極活物質材料を1600℃以上2200℃以下の温度に加熱し、前記第2蒸発源の前記炭素材料を2600℃以上3200℃以下の温度に加熱する。 In a preferred embodiment, in the step of depositing the negative electrode active material layer, the negative electrode active material of the first evaporation source is heated to a temperature of 1600 ° C. or more and 2200 ° C. or less, and the carbon material of the second evaporation source is used. Is heated to a temperature of 2600 ° C. or higher and 3200 ° C. or lower.
ある好ましい実施形態において、前記負極活物質層を蒸着する工程において、前記ケイ素および炭素を同時に蒸発させる。 In a preferred embodiment, in the step of depositing the negative electrode active material layer, the silicon and carbon are evaporated simultaneously.
前記炭素材料はグラファイトであってもよい。 The carbon material may be graphite.
ある好ましい実施形態において、前記負極活物質材料および前記炭素材料を電子ビームで照射することによって、前記負極活物質材料および前記炭素材料を蒸発させる。 In a preferred embodiment, the negative electrode active material and the carbon material are evaporated by irradiating the negative electrode active material and the carbon material with an electron beam.
ある好ましい実施形態において、前記負極活物質層の炭素−炭素結合の結合数に対するケイ素−炭素結合の結合数の割合Rは0より大きく、2.5未満である。 In a preferred embodiment, a ratio R of the number of silicon-carbon bonds to the number of carbon-carbon bonds in the negative electrode active material layer is greater than 0 and less than 2.5.
ある好ましい実施形態において、前記炭素−炭素結合の結合数に対するケイ素−炭素結合の結合数の割合Rは1.0以下である。 In a preferred embodiment, a ratio R of the number of silicon-carbon bonds to the number of carbon-carbon bonds is 1.0 or less.
前記炭素−炭素結合の結合数に対するケイ素−炭素結合の結合数Rは、光電子分光分析法によって求めた値であってもよい。 The number R of silicon-carbon bonds relative to the number of carbon-carbon bonds may be a value determined by photoelectron spectroscopy.
ある好ましい実施形態において、前記負極活物質層におけるケイ素に対する炭素の原子数の比xは0.03以上1.0以下である。 In a preferred embodiment, the ratio x of the number of carbon atoms to silicon in the negative electrode active material layer is 0.03 or more and 1.0 or less.
ある好ましい実施形態において、前記負極活物質層におけるケイ素に対する炭素の原子数の比xは0.18より大きい。 In a preferred embodiment, the ratio x of the number of carbon atoms to silicon in the negative electrode active material layer is greater than 0.18.
本発明の他のリチウム二次電池用負極は、上記に記載のいずれかの方法によって製造されたリチウム二次電池用負極である。 The other negative electrode for lithium secondary batteries of this invention is a negative electrode for lithium secondary batteries manufactured by one of the methods as described above.
本発明のリチウム二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極と、上記のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極と、前記正極と前記リチウム二次電池用負極との間に配置されたセパレータと、リチウムイオン伝導性を有する電解質とを含む。 A lithium secondary battery of the present invention is disposed between a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode for a lithium secondary battery as described above, and the positive electrode and the negative electrode for a lithium secondary battery. And an electrolyte having lithium ion conductivity.
本発明によると、ケイ素および炭素を含む負極活物質層において、炭素を骨材として機能させることにより、充放電の繰り返しに伴う負極活物質層の膨張・収縮を抑えて、負極活物質層の剥離や負極の変形を防止できる。したがって、初期充放電効率および容量密度を確保しつつ、高容量かつ充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池を実現できる。 According to the present invention, in a negative electrode active material layer containing silicon and carbon, carbon is made to function as an aggregate, thereby suppressing expansion and contraction of the negative electrode active material layer due to repeated charge and discharge, and peeling of the negative electrode active material layer And deformation of the negative electrode can be prevented. Therefore, it is possible to realize a lithium secondary battery having high capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics while ensuring initial charge / discharge efficiency and capacity density.
また、本発明のリチウム二次電池用負極の製造方法を用いると、上記の負極活物質層を簡便に形成できる。 Moreover, if the manufacturing method of the negative electrode for lithium secondary batteries of this invention is used, said negative electrode active material layer can be formed simply.
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら、本発明によるリチウム二次電池用負極(以下、単に「負極」という)の第1の実施形態を説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of a negative electrode for a lithium secondary battery (hereinafter simply referred to as “negative electrode”) according to the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、図1を参照する。図1は、本実施形態のリチウム二次電池用負極の模式的な断面図である。 First, refer to FIG. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode for a lithium secondary battery according to this embodiment.
負極100は、集電体1と、集電体1の上に形成されたケイ素および炭素からなる負極活物質層5とを備えている。本実施形態における負極活物質層5は、複数の柱状の負極活物質体2を有している。集電体1の表面には複数の凸部3が配列されており、各負極活物質体2は各凸部3上に形成されている。
The
本実施形態によると、負極活物質層5は、充放電の際にリチウムを吸蔵・放出する機能を有し、理論容量の高いケイ素に加えて、リチウムの吸蔵および放出による体積変化の小さい炭素を含んでいる。炭素のリチウムを吸蔵放出する機能はケイ素よりも小さいが、炭素は、ケイ素が膨張収縮した際にケイ素が集電体から脱落することを防止する骨材として機能する。本実施形態における負極活物質層5は、ケイ素および炭素を主成分として含んでいるが、他の成分(例えば酸素等)をさらに含んでいてもよい。
According to the present embodiment, the negative electrode
このように、充放電過程において体積変化をせずに形状を保持する炭素が負極活物質体2内部に含まれているので、負極活物質層5全体としての充放電による体積変化率を減少させることができる。この結果、負極活物質層の体積変化に起因する充放電サイクル特性の低下を抑制できる。
In this way, since the negative electrode
本実施形態の負極活物質層5(すなわち負極活物質体2)では、ケイ素に対する炭素の原子数の比(組成比)xは、0.03以上1.0以下(0.03≦x≦1.0)に制御されることが好ましい。xが1.0よりも大きいと(x>1.0)、負極活物質体2内のリチウムの移動度が著しく低下して、負極として用いることが困難となる。また、xが0.03未満では(x<0.03)、炭素によってケイ素の膨張・収縮を抑えることが困難となり、負極活物質体2の形状を十分に保持できなくなる可能性がある。
In the negative electrode active material layer 5 (that is, the negative electrode active material body 2) of the present embodiment, the ratio of carbon atoms to silicon (composition ratio) x is 0.03 or more and 1.0 or less (0.03 ≦ x ≦ 1). .0) is preferably controlled. When x is larger than 1.0 (x> 1.0), the mobility of lithium in the negative electrode
本発明者がさらに詳細に分析した結果、リチウムを吸蔵・放出しにくい炭素の骨材としての機能は、リチウムを吸蔵・放出して体積を増加・減少させるケイ素の骨材としての機能よりも大きい。また、負極活物質体2に含まれる炭素のうち、炭素−ケイ素結合を構成している炭素よりも、炭素−炭素結合を構成している炭素の方が優れた骨材機能を示すという知見を得た。
As a result of further detailed analysis by the present inventor, the function of carbon as an aggregate that hardly absorbs and releases lithium is larger than the function as an aggregate of silicon that increases and decreases the volume by inserting and extracting lithium. . Moreover, the knowledge that the carbon which comprises the carbon-carbon bond among the carbon contained in the negative electrode
そこで、本発明者は、上記知見に基づいて、負極活物質層5(すなわち負極活物質体2)に存在する炭素−炭素結合の結合数NC-Cに対するケイ素−炭素結合NSi-Cの結合数の割合R(=NSi-C/NC-C)と、充放電サイクル特性との関係を調べた。鋭意検討の結果、高容量であり、かつ、充放電サイクル特性に優れた二次電池得るためには、負極活物質層5の上記割合Rを0より大きく、2.5未満(0<R<2.5)の範囲内にすることが重要であることがわかった。
Therefore, based on the above findings, the present inventor has determined that the number of silicon-carbon bonds N Si—C with respect to the number of carbon-carbon bonds N CC present in the negative electrode active material layer 5 (that is, the negative electrode active material body 2). The relationship between the ratio R (= N Si-C / N CC ) and the charge / discharge cycle characteristics was examined. As a result of intensive studies, in order to obtain a secondary battery having a high capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics, the ratio R of the negative electrode
後述するが、負極活物質層5の炭素−炭素結合の結合数NC-Cに対するケイ素−炭素結合の結合数NSi-Cの割合Rは、例えば光電子分光分析法によって計測することができる。
As will be described later, the ratio R of the number of silicon-carbon bonds N Si-C to the number of carbon-carbon bonds N CC in the negative electrode
結合数の割合Rが0では(R=0)、ケイ素が炭素と結合していない状態であるため、炭素は骨材としての機能を有していても、ケイ素に対してその機能を発揮することができない。一方、割合Rが2.5以上になると(R≧2.5)、炭素−炭素結合を構成する炭素の割合が少なくなるので、骨材機能が低下し、ケイ素の膨張・収縮による脱落を十分に抑制できないおそれがある。 When the ratio R of the number of bonds is 0 (R = 0), since silicon is not bonded to carbon, even if carbon has a function as an aggregate, the function is exerted on silicon. I can't. On the other hand, when the ratio R is 2.5 or more (R ≧ 2.5), the ratio of carbon constituting the carbon-carbon bond is decreased, so that the aggregate function is lowered and the silicon is sufficiently dropped by expansion / contraction. May not be able to be suppressed.
割合Rは、好ましくは1以下である(0<R≦1)。これにより、炭素―炭素結合を構成する炭素の割合が大きくなるので、より強固な骨材機能を確保できる。 The ratio R is preferably 1 or less (0 <R ≦ 1). Thereby, since the ratio of carbon constituting the carbon-carbon bond is increased, a stronger aggregate function can be ensured.
0<R<2.5を満たす負極活物質体2(負極活物質層5)は、例えばケイ素蒸発源と炭素蒸発源とを個別に設けて蒸着を行うことによって形成できる。蒸着の際には、各蒸発源に含まれる材料を、その材料が蒸発する温度(蒸発温度)まで加熱する。炭素蒸発源に含まれる炭素材料の加熱温度(蒸発温度)TCは、ケイ素蒸発源に含まれるケイ素材料の加熱温度TSiよりも高くなるように設定される。 The negative electrode active material body 2 (negative electrode active material layer 5) satisfying 0 <R <2.5 can be formed, for example, by performing deposition by separately providing a silicon evaporation source and a carbon evaporation source. At the time of vapor deposition, the material contained in each evaporation source is heated to a temperature at which the material evaporates (evaporation temperature). The heating temperature (evaporation temperature) T C of the carbon material contained in the carbon evaporation source is set to be higher than the heating temperature T Si of the silicon material contained in the silicon evaporation source.
具体例を示すと、ケイ素の融点は1414℃であるのに対し、炭素の融点は3000〜3500℃である。従って、ケイ素蒸発源の温度TSiは、ケイ素の融点以上の温度、例えば1400℃以上2200℃以下に設定される。好ましくは1600℃以上2200℃以下に設定される。炭素を主成分とする炭素蒸発源の温度TSiは、例えば2600℃以上3200℃以下に設定される。これにより、各蒸発源からケイ素および炭素が蒸発し、集電体上にケイ素および炭素を含む蒸着膜(負極活物質層5)を形成できる。 As a specific example, the melting point of silicon is 1414 ° C., whereas the melting point of carbon is 3000 to 3500 ° C. Accordingly, the temperature T Si of the silicon evaporation source is set to a temperature equal to or higher than the melting point of silicon, for example, 1400 ° C. to 2200 ° C. Preferably, it is set to 1600 ° C. or higher and 2200 ° C. or lower. The temperature T Si of the carbon evaporation source containing carbon as a main component is set to, for example, 2600 ° C. or more and 3200 ° C. or less. Thereby, silicon and carbon evaporate from each evaporation source, and the vapor deposition film (negative electrode active material layer 5) containing silicon and carbon can be formed on the current collector.
この方法によると、炭素蒸発源における炭素―炭素結合を有する炭素を、その結合状態を維持した状態で蒸発させることが可能になるので、負極活物質層5における炭素―炭素結合の割合を高めることができる。
According to this method, it becomes possible to evaporate carbon having a carbon-carbon bond in the carbon evaporation source while maintaining the bonded state, so that the ratio of carbon-carbon bonds in the negative electrode
なお、上記の蒸着方法では、各蒸発源の加熱は同時に行われる。すなわち、炭素およびケイ素がそれぞれの蒸発源から同時に蒸発し、集電体の表面近傍に蒸発した炭素およびケイ素が同時に存在する状態となるように、各蒸発源を加熱する。 In the above vapor deposition method, each evaporation source is heated at the same time. That is, each evaporation source is heated so that carbon and silicon are simultaneously evaporated from the respective evaporation sources, and the evaporated carbon and silicon are simultaneously present in the vicinity of the surface of the current collector.
炭素蒸発源として、グラファイトを用いることが好ましい。グラファイトは層状構造を有し、約3000℃で昇華する性質を有している。グラファイトは、炭素−炭素結合を維持した状態で蒸発する。グラファイトから昇華して飛散する炭素は、50個以上の炭素原子からなる塊(炭素クラスタ)となる。従って、多数の炭素原子からなる炭素クラスタと、ケイ素蒸発源から蒸発したケイ素とが、連続的に集電体1に飛来して負極活物質体2が形成される。このようにして形成された負極活物質体2では、炭素クラスタに由来する炭素−炭素結合が引き継がれるので、炭素−炭素結合の割合をさらに高めることが可能になる。
It is preferable to use graphite as the carbon evaporation source. Graphite has a layered structure and has the property of sublimating at about 3000 ° C. Graphite evaporates while maintaining the carbon-carbon bond. The carbon that sublimates and disperses from graphite becomes a lump (carbon cluster) composed of 50 or more carbon atoms. Accordingly, carbon clusters composed of a large number of carbon atoms and silicon evaporated from a silicon evaporation source continuously fly to the
前述した特許文献4および5に開示された方法のように、ケイ素粉と炭素粉とを接触させて1箇所から蒸発させる場合、ケイ素−炭素結合を構成する炭素しか蒸着させることができない。この理由を以下に説明する。
When silicon powder and carbon powder are brought into contact with each other and evaporated from one place as in the methods disclosed in
上述したように、炭素の融点は、ケイ素の蒸着に適した温度域(例えば1600〜2200℃)よりも遥かに高いことから、炭素およびケイ素を含む原料を上記温度域まで加熱しても、炭素自体がガス化することはないと考えられる。このとき、炭素が飛散する過程は2つ考えられる。1つは炭素が溶解したケイ素熔湯から蒸発する過程であり、他の1つは炭化ケイ素を形成した後、炭化ケイ素として昇華する過程である。しかしながら、どちらの過程によっても、飛散する炭素の形態は、他の原子と結合していない状態(1原子単位)の炭素か、あるいはケイ素−炭素結合を保持した状態の炭素となる。飛散する炭素のうち、炭素―炭素結合を構成する炭素の割合は極めて低い。 As described above, since the melting point of carbon is much higher than the temperature range suitable for silicon deposition (for example, 1600 to 2200 ° C.), even if the raw material containing carbon and silicon is heated to the above temperature range, It is thought that it does not gasify itself. At this time, two processes of carbon scattering are considered. One is a process of evaporating from a silicon melt in which carbon is dissolved, and the other is a process of forming silicon carbide and then sublimating as silicon carbide. However, by either process, the form of carbon that is scattered becomes carbon that is not bonded to other atoms (one atomic unit) or carbon that holds a silicon-carbon bond. The proportion of carbon that forms a carbon-carbon bond is extremely low.
例えば、炭素およびケイ素の混合物を収容した容器(蒸発源)を加熱すると、炭素が溶解したケイ素熔湯が得られる。このケイ素熔湯を上記温度域(1600〜2200℃)の温度に維持すると、ケイ素と、ケイ素と結合した炭素とは昇華するが、炭素―炭素結合を構成する炭素の蒸発はほとんど起こらない。 For example, when a container (evaporation source) containing a mixture of carbon and silicon is heated, a silicon melt in which carbon is dissolved is obtained. When this silicon melt is maintained at a temperature in the above temperature range (1600 to 2200 ° C.), silicon and carbon bonded to silicon sublimate, but evaporation of carbon constituting the carbon-carbon bond hardly occurs.
従って、特許文献4および5に開示されているように、ケイ素および炭素を含む材料を加熱してケイ素および炭素の蒸着を行うと、得られた蒸着膜では、炭素―炭素結合の数よりもケイ素−炭素結合の数が著しく多くなり、結合数の割合Rは2.5以上(R≧2.5)となる。
Therefore, as disclosed in
なお、ケイ素および炭素の混合物を有する蒸発源から炭素−炭素結合を構成する炭素を蒸発させるために、上記混合物を炭素の融点(3000〜3500℃)以上まで加熱すると、ケイ素が爆発的に蒸発してしまうので実用的ではない。 In order to evaporate carbon constituting the carbon-carbon bond from an evaporation source having a mixture of silicon and carbon, when the above mixture is heated to a temperature higher than the melting point of carbon (3,000 to 3500 ° C.), silicon explosively evaporates. This is not practical.
上述したように、本実施形態の負極活物質層5(すなわち負極活物質体2)では、ケイ素に対する炭素の原子数の比(組成比)xは、0.03以上1.0以下(0.03≦x≦1.0)に制御される。ケイ素に対する炭素の組成比xは、ケイ素蒸発源と炭素蒸発源とを用いて負極活物質体2を形成する場合には、各蒸発源の蒸発速度を調整することによって自在に制御できる。
As described above, in the negative electrode active material layer 5 (that is, the negative electrode active material body 2) of this embodiment, the ratio of carbon atoms to silicon (composition ratio) x is 0.03 or more and 1.0 or less (0. 03 ≦ x ≦ 1.0). The composition ratio x of carbon to silicon can be freely controlled by adjusting the evaporation rate of each evaporation source when the negative electrode
また、ケイ素蒸発源と炭素蒸発源とを別個に加熱して負極活物質体2を形成すると、負極活物質体2に含まれる炭化ケイ素の割合は、CVD法を用いて形成されたケイ素および炭素を含む従来の負極活物質層(例えば特許文献1)における炭化ケイ素の割合よりも大幅に低くなる。したがって、本実施形態によると、炭化ケイ素の生成による放電容量の低下を抑制できる。負極活物質体2は炭化ケイ素を実質的に含まないことが好ましいが、放電容量を大きく低下させない程度に炭化ケイ素が含まれていてもよい。
Further, when the negative electrode
本実施形態における集電体1の表面には凹凸が設けられている方が好ましい。これによって、斜め蒸着を利用して、集電体1の表面に、間隔を空けて複数の負極活物質体2を形成することが可能になる。したがって、隣接する負極活物質体2の間に負極活物質体2の膨張のための空間を形成できる。より好ましくは、集電体1は、表面に規則的に配列された凸部3を有する。これにより、凸部3の形状、大きさ、配列ピッチなどを適宜調整することにより、負極活物質体2の大きさ、および、隣接する負極活物質体2の間の間隔を制御できる。この結果、隣接する負極活物質体2の間に膨張のための空間をより確実に確保でき、負極活物質体2と集電体1との界面にかかる膨張応力を効果的に緩和できる。このような凸部3の形成方法については後述する。
The surface of the
なお、集電体1は、表面に複数の凸部3を有していればよく、例えば、集電体1として、様々なサイズ・形状の凸部がランダムに設けられた金属箔を用いることもできる。この場合でも、斜め蒸着を利用すると、負極活物質体2を凸部3上に間隔を空けて形成できるので、隣接する負極活物質体2の間に空隙を確保できる。
The
負極活物質層5の厚さHは、例えば5μm以上100μm以下であることが好ましく、より好ましくは5μm以上50μm以下である。負極活物質層5の厚さHが5μm以上であれば、十分なエネルギー密度を確保できる。また、負極活物質層5の厚さHが100μmを超えると、負極活物質体2の形成が困難となるだけでなく、負極活物質体2のアスペクト比が大きくなるために、負極活物質体2の折れ等の破損が起こりやすくなり、容量低下やレート特性低下の要因となる。本実施形態では、厚さHは負極活物質体2の高さに相当する。「負極活物質体2の高さ」とは、集電体1の凸部3の上面または頂点から、集電体1の法線方向に沿った負極活物質体2の高さを指す。
The thickness H of the negative electrode
集電体1および負極活物質層5の構造は図1に示す構造に特に限定されない。例えば図2に示す負極200のように、集電体1は略平滑な表面を有し、その表面に負極活物質層5が形成されていてもよい。この場合、負極活物質層5は、集電体1の表面の法線方向からケイ素および炭素を蒸着させることによって形成された連続膜であってもよい。
The structures of the
<炭素−炭素結合の結合数NC-Cに対するケイ素−炭素結合NSi-Cの結合数の割合R(=NSi-C/NC-C)の計測方法>
負極活物質層5におけるケイ素と炭素との結合状態を光電子分光分析法で評価する方法の一例を説明する。この方法では、例えばアルバックPHI社製PHI Quantera SXM等のX線光電子分光分析装置を使用することができる。
<Carbon - Measurement method of carbon bonds N Si-C bond number ratio R (= N Si-C / N CC) - silicon to bond number N CC carbon bonds>
An example of a method for evaluating the bonding state between silicon and carbon in the negative electrode
まず、ケイ素蒸発源および炭素蒸発源を用いて集電体上にケイ素および炭素を蒸着させることにより、負極活物質層を形成する。 First, a negative electrode active material layer is formed by vapor-depositing silicon and carbon on a current collector using a silicon evaporation source and a carbon evaporation source.
負極活物質層の最表面には空気中の成分やチリなどの付着が考えられることから、最表面をエッチングで除去する。ここでは、エッチャントとしてアルゴン(Ar)を用いて、最表面から20nmの深さまでをエッチングする。この後、露出した表面(測定表面)に対して、測定を開始する。 Since adhesion of components in the air and dust is considered on the outermost surface of the negative electrode active material layer, the outermost surface is removed by etching. Here, argon (Ar) is used as an etchant to etch from the outermost surface to a depth of 20 nm. Thereafter, measurement is started on the exposed surface (measurement surface).
次いで、光電子分光分析法によって、測定表面にX線を照射して放出される光電子のエネルギーを測定し、炭素1s軌道電子に由来するエネルギーを求める。求めたエネルギーの波形を、ピーク座標が284.7eVである波形(炭素−炭素結合に由来する波形)WC-Cと、ピーク座標が283.4eVである波形(ケイ素−炭素結合に由来する波形)WSi-Cとに分離する。これらの波形の面積比(WSi-Cの面積)/(WC-Cの面積)を算出し、結合数の割合Rとする。 Next, the energy of photoelectrons emitted by irradiating the measurement surface with X-rays is measured by photoelectron spectroscopy to obtain energy derived from carbon 1s orbital electrons. The obtained energy waveform is a waveform having a peak coordinate of 284.7 eV (a waveform derived from a carbon-carbon bond) W CC and a waveform having a peak coordinate of 283.4 eV (a waveform derived from a silicon-carbon bond) W. Separated into Si-C . The area ratio of these waveforms (area of W Si-C ) / (area of W CC ) is calculated and is defined as the ratio R of the number of bonds.
<負極100の製造方法>
次に、本実施形態の負極100の製造方法の一例を説明する。
<Method for Manufacturing
Next, an example of the manufacturing method of the
まず、金属箔の表面に凹凸パターンを形成することにより、表面に複数の凸部3を有するシート状の集電体を作製する。
First, a concavo-convex pattern is formed on the surface of the metal foil to produce a sheet-like current collector having a plurality of
金属箔として、例えば表面が粗化された銅箔を用いることができる。銅箔は、主成分としての銅の他にジルコニウム、チタンなどのリチウムと反応しない元素や、酸素、セレン、テルル等の混入不可避元素が含まれていてもよい。ここでは、例えば厚さが35μm、表面粗さRaが2.0μmの銅箔(古河サーキットフォイル(株)製)を用いる。なお、「表面粗さRa」とは、日本工業規格(JISB 0601―1994)に定められた「算術平均粗さRa」を指し、例えば表面粗さ計や共焦点式レーザ顕微鏡などを用いて測定できる。 As the metal foil, for example, a copper foil whose surface is roughened can be used. The copper foil may contain elements that do not react with lithium such as zirconium and titanium, and inevitable elements such as oxygen, selenium, and tellurium in addition to copper as a main component. Here, for example, a copper foil (manufactured by Furukawa Circuit Foil Co., Ltd.) having a thickness of 35 μm and a surface roughness Ra of 2.0 μm is used. “Surface roughness Ra” refers to “arithmetic mean roughness Ra” defined in Japanese Industrial Standard (JISB 0601-1994), and is measured using, for example, a surface roughness meter or a confocal laser microscope. it can.
集電体は、金属箔の表面に、切削法を用いて所定のパターンの溝を設けることによって作製してもよいし、メッキ法または転写法により、金属箔の表面に複数の凸部を形成することによって作製してもよい。凸部3の形状、高さ、配列ピッチなどの好適な範囲については後述する。なお、集電体として、市販されている表面粗さの大きい金属箔(凹凸箔)を用いることもできる。
The current collector may be produced by providing grooves with a predetermined pattern on the surface of the metal foil using a cutting method, or a plurality of convex portions are formed on the surface of the metal foil by a plating method or a transfer method. You may produce by doing. Suitable ranges such as the shape, height, and arrangement pitch of the
次いで、蒸着によって、ケイ素および炭素からなる負極活物質体を集電体の表面に形成する。 Next, a negative electrode active material body made of silicon and carbon is formed on the surface of the current collector by vapor deposition.
図3は、負極活物質体を形成する際に用いる蒸着装置の構成を例示する模式的な断面図である。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a vapor deposition apparatus used when forming the negative electrode active material body.
蒸着装置300は、チャンバー30と、チャンバー30を排気するための排気ポンプ(図示せず)とを備えている。
The
チャンバー30の内部には、集電体1を固定するための固定台40と、固定台40に固定された集電体1の表面にケイ素を供給するためのケイ素蒸発源31と、固定台40に固定された集電体1の表面に炭素を供給するための炭素蒸発源32と、固定台40に設置された集電体1を加熱するための集電体加熱用ヒータ35とが設置されている。
Inside the
ケイ素蒸発源31および炭素蒸発源32は、例えば電子ビーム銃加熱式の銅ルツボである。電子ビーム銃は、加速電圧5〜10kV、照射電流0.3〜1A程度の出力があれば良く、例えば、日本電子株式会社製JEBG−203UB型電子銃、JEBG−303UA型電子銃等が使用できる。特に、JEBG−303UA型電子銃は、ケイ素蒸発源31と炭素蒸発源32に対してそれぞれ照射する電子ビームのパワーを調整できるため好ましい。
The
なお、本明細書では、蒸発源とは、蒸着原料を収容するルツボなどの容器と、蒸着原料を蒸発させるための加熱装置とを含む。蒸着材料および容器は適宜着脱可能に構成されていてもよい。蒸着を行う際には、ルツボ内に収容された蒸着原料(ここではケイ素および炭素)が上記加熱装置によって加熱されて、その上面(蒸発面)から蒸発し、集電体1の表面に供給される。
Note that in this specification, the evaporation source includes a container such as a crucible for storing a deposition material and a heating device for evaporating the deposition material. The vapor deposition material and the container may be configured to be detachable as appropriate. When vapor deposition is performed, the vapor deposition raw materials (here, silicon and carbon) accommodated in the crucible are heated by the heating device, evaporate from the upper surface (evaporation surface), and are supplied to the surface of the
固定台40と、ケイ素蒸発源31および炭素蒸発源32の蒸発面との間には、シャッター38が配置されている。また、使用する蒸発源と、シャッター38との間には、蒸発速度を制御するためのレートモニタ36、37が配置されている。ここでは、ケイ素の蒸発速度を制御する際にはレートモニタ36を用い、炭素の蒸発速度を制御する際にはレートモニタ37を用いる。
A
図示しないが、必要に応じて、チャンバー30に酸素を導入する酸素導入管およびアルゴンを導入するアルゴン導入管が設けられており、これを用いてチャンバー30にアルゴンを供給することによりチャンバー30のガス圧を調整してもよい。
Although not shown, an oxygen introduction pipe for introducing oxygen and an argon introduction pipe for introducing argon are provided in the
例えば蒸発源31、32から蒸発するケイ素量および炭素量は、チャンバー30のガス圧によって変化するので、チャンバー30に所定量のアルゴンを導入して、チャンバー30のガス圧を1×10-4Pa〜1×10-2Paの範囲で一定に保ってもよい。
For example, since the amount of silicon and the amount of carbon evaporated from the
蒸着装置300を用いて、負極活物質体2を形成する方法を具体的に説明する。
A method of forming the negative electrode
まず、図3に示すように、ケイ素蒸発源31および炭素蒸発源32を固定台40の下方に配置する。固定台40は、水平面45に対して所定の角度θ(0°<θ<90°、好ましくは20°以上85°以下)だけ傾斜させる。なお、固定台40の水平面45からの傾斜方向によって、集電体1の法線方向Nに対するケイ素および炭素の入射方向E(すなわち蒸着方向)を調整することができる。傾斜角度θの絶対値は、固定台40に設置された集電体1に対するケイ素および炭素の入射方向Eと集電体1の法線方向Nとのなす角度(ケイ素および炭素の入射角度)αと等しくなる。従って、固定台40の傾斜角度θを調整することにより、集電体1の表面に成長させる負極活物質体2の成長方向Sを制御できる。
First, as shown in FIG. 3, the
次いで、シャッター38を閉じた状態で、ケイ素蒸発源31からケイ素を、炭素蒸発源32から炭素を蒸発させる。レートモニタ36によって集電体1に入射するケイ素の成膜速度を、レートモニタ37によって集電体1に入射する炭素の成膜速度をそれぞれモニタリングし、電子ビームの電流を調整することでそれぞれ所定の値となったことを確認した後、シャッター38を開放し、集電体1の表面にケイ素および炭素の蒸気を入射させる。
Next, with the
ケイ素および炭素の蒸気は、集電体1の表面の法線方向Nに対して上述した角度αだけ傾斜した方向から、集電体1の表面に入射する。
Silicon and carbon vapors are incident on the surface of the
このとき、蒸発させたケイ素原子および炭素原子は、集電体1の法線方向Nから傾斜した方向Eから集電体1の表面に入射するために、集電体1の表面における凸部の上に蒸着しやすく、従って、ケイ素酸化物は凸部の上で柱状に成長する。このため、集電体1の表面には、凸部や柱状に成長していくケイ素酸化物の影となり、ケイ素原子が入射せずにケイ素酸化物が蒸着しない領域が形成される(シャドウイング効果)。したがって、集電体1の表面に、間隔を空けて複数の負極活物質体を形成することができる。このようにして、本実施形態の負極100が得られる。
At this time, the evaporated silicon atoms and carbon atoms are incident on the surface of the
なお、上記では、図1に示す負極100を形成する方法を説明したが、上記蒸着装置300を用いて、図2に示す負極200を形成することもできる。この場合、略平坦な表面を有する集電体1を固定台40に設置し、固定台40を傾斜角θが0°となるように固定する。次いで、集電体1の法線方向Nからケイ素および炭素の蒸気を入射させて、集電体1の表面に負極活物質層を形成してもよい。
Note that, although the method for forming the
ケイ素蒸発源31は、ケイ素の占める比率が50%以上であるケイ素材料であれば特に制限がない。上記比率が50%より低いと、負極活物質層におけるケイ素の比率が低くなるので、リチウムの移動度が低下し、負極として動作しなくなる可能性があるからである。ただし、ケイ素蒸発源31に含まれるケイ素以外の含有物が、ケイ素蒸発源31を蒸発させる温度(1400〜2200℃)において、十分に低い蒸気圧を示し、実質的に負極活物質層に含まれない場合は、その限りではない。
The
ケイ素蒸発源31は、多少の炭素を含んでいてもよいが、炭素を含まない方が好ましい。前述したように、ケイ素蒸発源31に含まれる炭素は、ケイ素溶融液から蒸発するか、ケイ素と反応して炭化ケイ素を形成した後に蒸発することになり、1原子単位あるいはケイ素−炭素結合を保持した状態で飛散する。このため、ケイ素蒸発源31に炭素が含まれていると、骨材機能の低いケイ素―炭素結合の割合を増加させる要因となるからである。ケイ素−炭素結合の割合の高い(すなわちR≧2.5)負極活物質層を有する負極を用いると、後述するように、リチウム二次電池の充放電サイクル試験における容量維持率が急速に低下する。
The
ケイ素蒸発源31のケイ素材料の加熱温度は例えば2200℃である。2200℃を超えるとケイ素が突沸するおそれがある。図4に示すケイ素と炭素との相状態図によると、ケイ素蒸発源31の加熱温度を2200℃とすると、原子数比にして炭素15%、ケイ素85%が原子レベルで混合した溶湯ができる。従って、これに電子ビームを照射することによって、ケイ素および炭素の両方を蒸発させることは可能である。
The heating temperature of the silicon material of the
しかしながら、ケイ素および炭素の両方を蒸発させる手法によると、負極活物質体2に含まれるケイ素に対する炭素の組成比xには上限値が存在する。炭素/ケイ素組成比xの上限値は、ケイ素と炭素との溶湯の組成をほぼ反映した値(炭素15%、ケイ素85%、x=0.18)となる。すなわち、ケイ素に対する炭素の組成比xが0<x≦0.18の範囲であれば、ケイ素蒸発源31の中に炭素を溶かし込むことによって、ケイ素および炭素を蒸発させる単一の蒸発源のみを用いて形成できることがわかる。
However, according to the technique of evaporating both silicon and carbon, there is an upper limit for the composition ratio x of carbon to silicon contained in the negative electrode
逆に、上記よりも炭素濃度の高い膜(x>0.18)を形成する場合には、ケイ素を主成分とするケイ素材料を含むケイ素蒸発源と、炭素を主成分とする炭素材料を含む炭素蒸発源とを用いる必要がある。ケイ素および炭素を含む単一の蒸発源のみを用いて、xが0.18以上となるような組成の蒸着膜を形成できないからである。なお、x≦0.18の場合であっても、ケイ素蒸発源とは別個に、炭素蒸発源を用いることができる。炭素蒸発源およびケイ素蒸発源を分離して設けることにより、各蒸発源からの蒸発速度を独立して制御できるので、負極活物質層の組成をより高精度に制御できる。 Conversely, when a film having a higher carbon concentration (x> 0.18) than the above is formed, a silicon evaporation source containing a silicon material containing silicon as a main component and a carbon material containing carbon as a main component are included. It is necessary to use a carbon evaporation source. This is because it is impossible to form a deposited film having a composition such that x is 0.18 or more using only a single evaporation source containing silicon and carbon. Even if x ≦ 0.18, a carbon evaporation source can be used separately from the silicon evaporation source. By separately providing the carbon evaporation source and the silicon evaporation source, the evaporation rate from each evaporation source can be controlled independently, so that the composition of the negative electrode active material layer can be controlled with higher accuracy.
炭素蒸発源32に含まれる材料は特に限定しないが、グラファイトのような六方晶の炭素を用いることが好ましい。立方晶の炭素(融点:3550℃、沸点:4800℃)を用いると、その蒸気圧は極めて低いので、炭素蒸発源32を加熱する際に3800℃程度まで昇温する必要がある。これに対し、六方晶の炭素の昇華温度は3370℃であり、比較的低い温度で炭素を蒸発させることができ、実用的である。
The material contained in the
ケイ素蒸発源31及び炭素蒸発源32を加熱する方法としては、タングステンフィラメントによる抵抗加熱、電子ビーム照射による加熱等を好適に適用できる。特に電子ビーム照射によって蒸発源31、32の加熱を行うと、負極活物質層へのタングステンの混入を低く抑えることができるので好ましい。
As a method for heating the
次いで、集電体1に形成される凸部3の形状および大きさを説明する。集電体1の表面に複数の凸部3を形成する場合、各凸部3は例えば上面が菱形の四角柱であってもよい。あるいは、集電体1の法線方向Nから見た凸部3の正投影像は、菱形、正方形、長方形、台形および平行四辺形などの多角形、円形、楕円形などであってもよい。集電体1の法線方向Nに平行な断面の形状は正方形、長方形、多角形、半円形、およびこれらを組み合わせた形状であってもよい。また、集電体1の表面に対して垂直な断面における凸部3の形状は、例えば多角形、半円形、弓形などであってもよい。なお、集電体1に形成された凹凸パターンの断面が曲線で構成された形状を有する場合など、凸部3と凸部以外の部分(溝、凹部などともいう)との境界が明確でないときには、凹凸パターンを有する表面全体の平均高さ以上の部分を「凸部3」とし、平均高さ未満の部分を「溝」または「凹部」する。
Next, the shape and size of the
凸部3の高さは、斜め蒸着の際にシャドウイング効果によって空隙を確保するためには3μm以上であることが好ましい。一方、凸部3の強度を確保するためには20μm以下であることが好ましく、より好ましくは15μm以下である。凸部3の上面の幅(最大幅)は、特に限定されないが、50μm以下が好ましく、これにより、負極活物質体2の膨張応力による負極100の変形をより効果的に抑制できる。より好ましくは20μm以下である。一方、凸部3の上面の幅が小さすぎると、負極活物質体2と集電体1との接触面積を十分に確保できない可能性があるため、凸部3の上面の幅は1μm以上であることが好ましい。
The height of the
さらに、凸部3が、集電体1の表面に垂直な側面を有する柱状体である場合には、隣接する凸部3の間の距離、すなわち溝の幅は、好ましくは凸部3の幅の30%以上、より好ましくは50%以上である。これにより、負極活物質体2の間に十分な空隙を確保して膨張応力を大幅に緩和できる。一方、隣接する凸部3の間の距離が大きすぎると、容量を確保するために負極活物質体2の高さが増大してしまうため、距離は凸部3の幅の250%以下であることが好ましく、より好ましくは200%以下である。なお、凸部3の上面の幅および隣接する凸部3の距離は、それぞれ、集電体1の表面に垂直で、かつ、負極活物質体2の成長方向を含む断面における幅および距離を指すものとする。
Furthermore, when the
各凸部3の上面は平坦であってもよいが、凹凸を有することが好ましく、その表面粗さRaは0.3μm以上5.0μm以下であることが好ましい。凸部3の上面が、表面粗さRaが0.3μm以上の凹凸を有していれば、凸部3の上に負極活物質体2が成長しやすく、その結果、負極活物質体2の間に十分な空隙を確実に形成できる。一方、凸部3の表面粗さRaが大きすぎると集電体1が厚くなってしまうため、表面粗さRaは5.0μm以下であることが好ましい。さらに、集電体1の表面粗さRaが上記範囲内(0.3μm以上5.0μm以下)であれば、集電体1と負極活物質体2との付着力を十分に確保できるので、負極活物質体2の剥離を防止できる。
Although the upper surface of each
<リチウム二次電池の構成>
次に、図面を参照しながら、本実施形態の負極100を適用して得られるサンプルセルの構成の一例を説明する。
<Configuration of lithium secondary battery>
Next, an example of the configuration of a sample cell obtained by applying the
図5は、負極100を用いたコイン型のリチウムイオン二次電池を例示する模式的な断面図である。リチウムイオン二次電池600は、正極62と、負極64と、負極64および正極62の間に設けられたセパレータ63とを有する電極群とを有しており、電極群にはリチウムイオン伝導性を有する電解質(図示せず)が含浸されている。正極62は、正極端子を兼ねた正極ケース61と電気的に接続されており、負極64は、負極端子を兼ねた封口板66と電気的に接続されている。また、正極ケース61の開口端部は、封口板66の周縁部に設けられたガスケット65にかしめられ、これによって電池全体が密閉されている。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating a coin-type lithium ion secondary battery using the
なお、図5ではコイン型電池の一例を示したが、本発明のリチウム二次電池の形状は、コイン型に限定されず、ボタン型、シート型、シリンダー型、扁平型、角型などであってもよい。また、本発明のリチウム二次電池は、図1および図2を参照しながら上述したような負極100あるいは負極200を備えていればよく、負極以外の構成要素は特に限定されない。正極の集電体の材料としては、Al、Al合金、Tiなどを用いることができる。また、正極の負極活物質層(正極負極活物質層)には、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)などのリチウム含有遷移金属酸化物を用いることができる。正極負極活物質層は、正極負極活物質のみで構成されていてもよいし、正極負極活物質と結着剤と導電剤を含む合剤を含んでいてもよい。さらに、正極負極活物質層を複数の柱状の負極活物質体から構成することもできる。リチウムイオン伝導性の電解質には、様々なリチウムイオン伝導性の固体電解質や非水電解液が用いられる。非水電解液には、非水溶媒にリチウム塩を溶解したものが好ましく用いられる。非水電解液の組成は特に限定されない。さらに、セパレータ63の材料も特に限定されず、様々な形態のリチウム二次電池に用いられている材料を適用できる。
Note that FIG. 5 shows an example of a coin-type battery, but the shape of the lithium secondary battery of the present invention is not limited to the coin type, and may be a button type, a sheet type, a cylinder type, a flat type, a square type, or the like. May be. Moreover, the lithium secondary battery of this invention should just be equipped with the
(実施例および比較例)
本発明による負極の実施例および比較例を説明する。本実施例1〜3では、ケイ素および炭素の各蒸発源を各個に適切な温度に加熱して蒸着することによって、ケイ素と炭素の組成比率xが0.4、0.03、1.0となるケイ素および炭素からなる負極活物質体を集電体上に形成し、サンプル負極を作製した。
(Examples and Comparative Examples)
Examples of the negative electrode according to the present invention and comparative examples will be described. In the first to third embodiments, the silicon and carbon evaporation sources are heated and vapor-deposited to an appropriate temperature, so that the silicon-carbon composition ratio x is 0.4, 0.03, 1.0. A negative electrode active material body made of silicon and carbon was formed on a current collector to prepare a sample negative electrode.
一方、比較例1では、実施例で使用したものと同一の集電体の上に、プラズマCVD法でケイ素および炭素からなる負極活物質層を形成することによって、サンプル負極を作製した。 On the other hand, in Comparative Example 1, a negative electrode active material layer made of silicon and carbon was formed by the plasma CVD method on the same current collector as that used in the example, thereby preparing a sample negative electrode.
比較例2、3では、ケイ素と炭素との混合物を単一の蒸発源として加熱して蒸着することによって、ケイ素と炭素の組成比率xが0.03、0.05となるケイ素および炭素からなる負極活物質体を集電体上に形成し、サンプル負極を作製した。 In Comparative Examples 2 and 3, a mixture of silicon and carbon is heated and deposited as a single evaporation source, thereby forming silicon and carbon having a composition ratio x of silicon and carbon of 0.03 and 0.05. A negative electrode active material body was formed on the current collector to produce a sample negative electrode.
比較例4、5では、ケイ素と炭化ケイ素の混合物を単一の蒸発源として加熱して蒸着することによって、ケイ素と炭素の組成比率xが0.4、0.7となるケイ素および炭素からなる負極活物質体を集電体上に形成し、サンプル負極を作製した。 In Comparative Examples 4 and 5, a mixture of silicon and silicon carbide is heated and deposited as a single evaporation source, thereby forming silicon and carbon having a silicon to carbon composition ratio x of 0.4 and 0.7. A negative electrode active material body was formed on the current collector to produce a sample negative electrode.
比較例6では、炭化ケイ素を蒸発源として加熱して蒸着することによって、ケイ素と炭素の組成比率が1:1である負極活物質体を集電体上に形成し、サンプル負極を作製した。 In Comparative Example 6, a negative electrode active material body having a composition ratio of silicon and carbon of 1: 1 was formed on a current collector by heating and depositing silicon carbide as an evaporation source, and a sample negative electrode was produced.
得られたこれらのサンプル負極を用いて、図5に示す構造を有するサンプルセルを作製し、その特性を評価した。 Using these obtained sample negative electrodes, sample cells having the structure shown in FIG. 5 were prepared, and their characteristics were evaluated.
以下に、実施例および比較例のサンプル負極の作製方法、評価用のサンプルセルの作製方法、およびサンプルセルの評価方法および評価結果を説明する。 Below, the preparation methods of the sample negative electrode of an Example and a comparative example, the preparation method of the sample cell for evaluation, and the evaluation method and evaluation result of a sample cell are demonstrated.
<サンプル負極の作製方法>
(i)実施例1
実施例1では、集電体として、芯材厚さが35μmの電解銅箔(古河サーキットフォイル(株)製、Ra:2.0μm)を用いた。この電解銅箔の上に、図3に示す蒸着装置300を用いて、負極活物質体2の形成を行った。
<Method for producing sample negative electrode>
(I) Example 1
In Example 1, as the current collector, an electrolytic copper foil having a core material thickness of 35 μm (manufactured by Furukawa Circuit Foil Co., Ltd., Ra : 2.0 μm) was used. On this electrolytic copper foil, the negative electrode
再び図3を参照する。まず、蒸着装置300のケイ素蒸発源31には、純度が99.9999%のケイ素を50g、炭素蒸発源32には、純度が99.9%のグラファイトを40g収容した。また、固定台40に集電体1を設置し、集電体1の法線方向Nに平行にケイ素が集電体1の表面に入射するように(α=90°)、固定台の傾斜角度θを調整した(θ=0°)。この後、チャンバー30の蓋を閉めた。
Refer to FIG. 3 again. First, the
チャンバー30の内部を7×10-5Paまで減圧した後、マスフローコントローラを通じて酸素を導入し、チャンバー30内の圧力が4.5×10-3Paとなるように調整した。また、集電体加熱用ヒータ35を用いて集電体1が300℃となるように加熱した。
After reducing the pressure inside the
次に、ケイ素蒸発源31に対して電子を照射してケイ素を加熱・蒸発させ、また、炭素蒸発源32に対して電子を照射してグラファイトを加熱・昇華させた。ケイ素蒸発源31の加熱温度を1600℃、炭素蒸発源32の加熱温度を2800℃とした。また、レートモニタ36、37でそれぞれの蒸発速度、昇華速度を調節することにより、ケイ素に対する炭素の原子数比xが0.4の実施例1のサンプル負極を得た。
Next, the
(ii)実施例2
ケイ素に対する炭素の原子数比xが0.03となるように、ケイ素蒸発源31および炭素蒸発源32への電子照射量を調節したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2のサンプル負極を得た。
(Ii) Example 2
The sample of Example 2 in the same manner as in Example 1 except that the amount of electron irradiation to the
(iii)実施例3
ケイ素に対する炭素の原子数比xが1.0となるように、ケイ素蒸発源31および炭素蒸発源32への電子照射量を調節したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2のサンプル負極を得た。
(Iii) Example 3
Sample of Example 2 in the same manner as in Example 1 except that the amount of electron irradiation to the
(iv)比較例1
比較例1では、集電体として、実施例で使用したものと同様の電解銅箔を用いた。この電解銅箔の上に、図6に示すペニング放電プラズマガン式プラズマCVD装置(神港精機株式会社製プラズマCVD装置AAPIG−16110DS)500を用いて、以下に説明する方法で、負極活物質体2の形成を行った。
(Iv) Comparative Example 1
In Comparative Example 1, an electrolytic copper foil similar to that used in the examples was used as the current collector. A negative electrode active material body is formed on the electrolytic copper foil by a method described below using a Penning discharge plasma gun type plasma CVD apparatus (plasma CVD apparatus AAPIG-16110DS manufactured by Shinko Seiki Co., Ltd.) 500 shown in FIG. 2 was formed.
まず、基板ホルダ53に集電体1を装着し、真空容器50の扉を閉めて同容器内を10-4Paまで減圧する。次に、集電体加熱用ヒータ55に通電して基板を150℃に保つように加熱し、プラズマガンのプラズマ出射部51aにArガスを導入して真空容器50の内圧が0.1Paに保った状態でフィラメントに通電し、かつアノードに電圧を印加することにより真空容器50の内部にプラズマを励起する。続いて、パルス電源54により、基板ホルダ53に−550Vの電圧を繰り返し周波数1000パルス/秒、パルス幅20μ秒で印加しながら、真空容器50内にテトラメチルシラン(TMS)を導入する。真空容器50の内圧を0.14Paとし、この状態で30分間保つことにより、集電体1の表面に厚さが0.5μmのケイ素と炭素とからなる負極活物質層を形成した。負極活物質体形成中プラズマガンの出力は約1kW(アノード電圧60V、熱電子電流17A)であった。このようにして、比較例1のサンプル負極を得た。
First, the
(v)比較例2
集電体として、実施例1で使用したものと同様の電解銅箔を用いた。また、蒸着装置として、実施例1と同じ装置を用いた。比較例2では、ケイ素蒸発源31に、蒸発材料として、Si粉28gに炭素粉8gを加えたものを収容し、炭素蒸発源32には何も入れなかった。また、蒸着の際には、ケイ素蒸発源31を電子ビームを照射して1800℃の温度に加熱し、炭素蒸発源32には電子ビームを照射しなかった。これらの点以外は、実施例1と同様にして、集電体の上に負極活物質体を形成し比較例2のサンプル負極を得た。
(V) Comparative Example 2
As the current collector, the same electrolytic copper foil as that used in Example 1 was used. Moreover, the same apparatus as Example 1 was used as a vapor deposition apparatus. In Comparative Example 2, the
(vi)比較例3
ケイ素蒸発源31に、蒸発材料として、ケイ素粉20gに炭素粉8gを加えたものを収容したこと以外は、比較例2と同様にして比較例3のサンプル負極を得た。
(Vi) Comparative Example 3
A sample negative electrode of Comparative Example 3 was obtained in the same manner as Comparative Example 2 except that the
(vii)比較例4
ケイ素蒸発源31に、蒸発材料として、ケイ素粉20gに炭化ケイ素粉20gを加えたものを収容したこと以外は、比較例2と同様にして比較例4のサンプル負極を得た。
(Vii) Comparative Example 4
A sample negative electrode of Comparative Example 4 was obtained in the same manner as Comparative Example 2 except that the
(viii)比較例5
ケイ素蒸発源31に、蒸発材料として、ケイ素粉12gに炭化ケイ素粉60gを加えたものを収容したこと以外は、比較例2と同様にして比較例5のサンプル負極を得た。
(Viii) Comparative Example 5
A sample negative electrode of Comparative Example 5 was obtained in the same manner as Comparative Example 2, except that the
(ix)比較例6
ケイ素蒸発源31に、蒸発材料として、炭化ケイ素粉を収容し、炭化ケイ素粉を1400℃の温度に加熱したこと以外は、比較例2と同様にして比較例6のサンプル負極を得た。
(Ix) Comparative Example 6
A sample negative electrode of Comparative Example 6 was obtained in the same manner as Comparative Example 2 except that silicon carbide powder was housed in the
<負極活物質体の組成>
実施例1〜3および比較例1〜6における負極活物質層に含まれるケイ素の量を誘導結合プラズマ分光分析法で計測し、炭素の量を燃焼―赤外線吸収法によってそれぞれ計測した。この結果から、負極活物質層を構成するケイ素と炭素との原子数の比(炭素の原子数/ケイ素の原子数)xを算出した。結果を、表1〜3に示す。
<Composition of negative electrode active material>
The amount of silicon contained in the negative electrode active material layers in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6 was measured by inductively coupled plasma spectroscopy, and the amount of carbon was measured by a combustion-infrared absorption method. From this result, the ratio (number of carbon atoms / number of silicon atoms) x of silicon and carbon constituting the negative electrode active material layer was calculated. The results are shown in Tables 1-3.
<負極活物質体に含まれる炭素の結合状態の分析>
次いで、実施例1〜3、比較例2〜6の負極活物質層の炭素の結合状態を調べた。
<Analysis of bonding state of carbon contained in negative electrode active material>
Subsequently, the carbon bonding state of the negative electrode active material layers of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2 to 6 was examined.
各負極活物質層に対し、光電子分光分析法で結合エネルギーを計測し、計測結果に基づいて、負極活物質体に存在する炭素−炭素結合の結合数に対するケイ素−炭素結合の結合数の割合Rを算出した。以下、分析方法をより具体的に説明する。 For each negative electrode active material layer, the binding energy is measured by photoelectron spectroscopy, and the ratio R of the number of silicon-carbon bonds to the number of carbon-carbon bonds present in the negative electrode active material body R based on the measurement result R Was calculated. Hereinafter, the analysis method will be described more specifically.
まず、各負極活物質層の最表面から20nmの深さまでをArでエッチングし、測定表面を露出させた。負極活物質層の最表面には空気中の成分やチリなどが付着している可能性があり、その場合には正確な測定が困難となるからである。 First, Ar was etched from the outermost surface of each negative electrode active material layer to a depth of 20 nm with Ar to expose the measurement surface. This is because components in the air or dust may adhere to the outermost surface of the negative electrode active material layer, which makes accurate measurement difficult.
次いで、光電子分光分析装置(例えばアルバックPHI社製PHI Quantera SXM等)を用いて、測定表面にX線を照射することによって放出される光電子のエネルギーを測定し、炭素1s軌道電子に由来するエネルギーを求めた。 Next, using a photoelectron spectrometer (for example, PHI Quantera SXM manufactured by ULVAC PHI), the energy of photoelectrons emitted by irradiating the measurement surface with X-rays is measured, and the energy derived from carbon 1s orbital electrons is measured. Asked.
図8(a)は、実施例1の負極活物質層の炭素1s軌道電子に由来するエネルギーの測定結果を示すグラフである。結合エネルギーの絶対値(横軸)は、Ar2p軌道電子に由来する信号波形ピークを243.3eVとして校正した値である。 FIG. 8A is a graph showing measurement results of energy derived from carbon 1s orbital electrons of the negative electrode active material layer of Example 1. FIG. The absolute value (horizontal axis) of the binding energy is a value obtained by calibrating the signal waveform peak derived from Ar2p orbital electrons as 243.3 eV.
図8に示すグラフから、炭素−炭素結合に由来する284.7eV近傍のピークと、これよりも小さなエネルギーを示すケイ素−炭素結合に由来する283.4eV近傍のピークとを確認できる。 From the graph shown in FIG. 8, a peak near 284.7 eV derived from a carbon-carbon bond and a peak near 283.4 eV derived from a silicon-carbon bond showing energy smaller than this can be confirmed.
図8(a)に示す波形を、ピーク座標がそれぞれ284.7eVと283.4eVである2つのVoigt関数を用いて波形分離すると、図8(b)に示すように、炭素−炭素結合に由来する波形WC-Cと、ケイ素―炭素結合に由来する波形WSi-Cとが得られた。これらの波形の面積比、すなわち波形WC-Cの面積に対する波形WSi-Cの面積の割合を算出し、結合数の割合Rとした。 When the waveform shown in FIG. 8A is separated using two Voigt functions having peak coordinates of 284.7 eV and 283.4 eV, respectively, as shown in FIG. 8B, the waveform is derived from a carbon-carbon bond. Waveform W CC and a waveform W Si-C derived from a silicon-carbon bond were obtained. The area ratio of these waveforms, that is, the ratio of the area of the waveform W Si-C to the area of the waveform W CC was calculated and used as the ratio R of the number of bonds.
図9(a)および(b)は、それぞれ、実施例3および比較例4の負極活物質層の炭素1s軌道電子に由来するエネルギーの測定結果を示すグラフである。これらの実施例についても、上記と同様の方法で波形分離を行い、分離した2つの波形の面積比(波形WSi-Cの面積/波形WC-Cの面積)を算出して、結合数の割合Rとした。 FIGS. 9A and 9B are graphs showing measurement results of energy derived from carbon 1s orbital electrons of the negative electrode active material layers of Example 3 and Comparative Example 4, respectively. Also in these examples, waveform separation is performed in the same manner as described above, and the area ratio of the two separated waveforms (the area of the waveform W Si-C / the area of the waveform W CC ) is calculated, and the ratio of the number of couplings R.
図示しないが、他の実施例および比較例についても、上記と同様の方法で光電子分光分析により結合数の割合Rを求めた。 Although not shown, for other examples and comparative examples, the ratio R of the number of bonds was determined by photoelectron spectroscopic analysis in the same manner as described above.
得られた結合数の割合Rの値を表1〜3に示す。この結果からわかるように、実施例1〜3では0<R<2.5であったが、比較例2〜6ではRは2.5以上であった。このことから、ケイ素と炭素とを別個の容器に収容し、それぞれの融点以上の温度で加熱すると、ケイ素と炭素との混合粉や炭化ケイ素粉をケイ素の蒸着温度で加熱する場合よりも、炭素―炭素結合の割合の高い活物質層が形成されることが確認できた。なお、比較例1ではRは0.04であったが、これは、ケイ素に対する炭素の割合(組成比x)が高いからと考えられる。 Tables 1 to 3 show the values of the obtained ratio R of the number of bonds. As can be seen from these results, 0 <R <2.5 in Examples 1 to 3, but R was 2.5 or more in Comparative Examples 2 to 6. Therefore, when silicon and carbon are contained in separate containers and heated at a temperature equal to or higher than their melting points, the carbon and silicon carbide powders mixed with silicon and carbon are heated more than when heated at the deposition temperature of silicon. -It was confirmed that an active material layer having a high carbon bond ratio was formed. In Comparative Example 1, R was 0.04. This is considered to be because the ratio of carbon to silicon (composition ratio x) is high.
<評価用のサンプルセルの作製方法>
上記方法で作製した実施例および比較例のサンプル負極を、それぞれ、直径が略11.2mmの円形に切り出して、セル用負極とした。各セル用負極を用いて、図5を参照しながら前述した構成を有する評価用のサンプルセルを作製した。各サンプルセルでは、正極として、直径が13mmの金属リチウム板を用いた。また、電解液として、1モルのLiPF6を、30体積%のエチレンカーボネートと50体積%のメチルエチルカーボネートと20体積%のジエチルカーボネートとの混合溶媒に溶解させて1リットルに調整した非水電解液を用いた。
<Method for producing sample cell for evaluation>
The sample negative electrodes of Examples and Comparative Examples prepared by the above methods were cut into circles each having a diameter of approximately 11.2 mm to obtain cell negative electrodes. A sample cell for evaluation having the configuration described above with reference to FIG. 5 was produced using the negative electrode for each cell. In each sample cell, a metal lithium plate having a diameter of 13 mm was used as the positive electrode. Further, as an electrolytic solution, 1 mol of LiPF6 was dissolved in a mixed solvent of 30% by volume of ethylene carbonate, 50% by volume of methyl ethyl carbonate, and 20% by volume of diethyl carbonate to adjust to 1 liter. Was used.
<サンプルセルの評価方法および結果>
(I)実施例1〜3および比較例1〜6のサンプルセルの評価
上記方法で得られた実施例および比較例のサンプルセルに対して、下記の条件で充放電サイクル試験を行い、サイクル数と容量維持率の関係を測定した。
<Evaluation method and result of sample cell>
(I) Evaluation of sample cells of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6 The sample cells of Examples and Comparative Examples obtained by the above methods were subjected to charge / discharge cycle tests under the following conditions, and the number of cycles. And the capacity retention rate were measured.
充放電サイクル試験では、表4に示すモード1およびモード2の充放電をこの順で実施して1サイクルとし、これを繰り返した。また、各サイクルにおいて、モード1およびモード2の充電あるいは放電で終止電圧に達するまでの電気量をそれぞれ計測し、これらの電気量を合算した値をそのサイクルにおける実測充電容量あるいは実測放電容量とした。また、これらの容量の実測値に基づいて容量維持率を算出した。ここで、「容量維持率」とは、充放電サイクル試験において観測される実測充電容量の最大値を基準容量として、基準容量に対する各サイクルにおける放電容量の割合をいう。
In the charge / discharge cycle test, the charge /
各サンプルのサイクル毎の容量維持率を表1〜3に示す。表1〜3において、「充電」欄の数値は体積当たり充電容量密度、「放電」欄の数値は体積当たり放電容量密度をそれぞれ示している。 Tables 1 to 3 show the capacity retention ratio of each sample for each cycle. In Tables 1 to 3, the numerical value in the “Charge” column indicates the charge capacity density per volume, and the numerical value in the “Discharge” column indicates the discharge capacity density per volume.
また、実施例および比較例のサイクル数と容量維持率との関係を図6に示す。 Further, FIG. 6 shows the relationship between the number of cycles and the capacity retention rate in the examples and comparative examples.
表1〜3および図6の結果からわかるように、実施例1〜3では、5サイクル目の容量維持率が80%以上であり、どの比較例よりも高い値を示している。これは、炭素―炭素結合の数に対するケイ素−炭素結合の数の割合Rを0<R<2.5の範囲にしたことにより、炭素−炭素結合による骨材機能が十分に作用しているからと思われる。 As can be seen from the results of Tables 1 to 3 and FIG. 6, in Examples 1 to 3, the capacity retention rate at the fifth cycle is 80% or more, which is higher than any comparative example. This is because the aggregate function by the carbon-carbon bond is sufficiently functioning by setting the ratio R of the number of silicon-carbon bonds to the number of carbon-carbon bonds in the range of 0 <R <2.5. I think that the.
特に、実施例3では、容量維持率の低下が大幅に抑制されている。これは、炭素−炭素結合の割合が他の実施例よりも高いからと考えられる。 In particular, in Example 3, the decrease in the capacity maintenance rate is greatly suppressed. This is presumably because the ratio of carbon-carbon bonds is higher than in the other examples.
比較例2〜5では、容量維持率は比較的高いものの、サイクル毎の低下割合が大きい。これは、炭素−炭素結合の割合が低く(R≧2.5)、炭素−炭素結合による骨材機能が発揮されていないからと思われる。 In Comparative Examples 2 to 5, the capacity retention rate is relatively high, but the rate of decrease for each cycle is large. This is probably because the carbon-carbon bond ratio is low (R ≧ 2.5), and the aggregate function due to the carbon-carbon bond is not exhibited.
比較例1については、炭素原子の含有量がケイ素原子の約2倍と極めて多かったことから、充放電のメカニズムが明確でないが、その後に続く放電容量密度が、充電容量密度の約40%程度しかなかったことを考慮すると、第1サイクル目の充電容量密度は、リチウムの吸蔵量とは異なるものを反映している可能性もある。 In Comparative Example 1, the carbon atom content was about twice as high as that of silicon atoms, so the charge / discharge mechanism was not clear, but the subsequent discharge capacity density was about 40% of the charge capacity density. Considering this, there is a possibility that the charge capacity density in the first cycle reflects a value different from the storage amount of lithium.
比較例6では、負極活物質体に、リチウムを吸蔵しても放出しないSiCが他の実施例や比較例よりも多く含まれるために、第1サイクル目の容量維持率がかなり低くなっている。この後の充放電サイクルで、容量維持率はさらに大きく低下するが、これは炭素―炭素結合を構成する炭素が少なく、炭素の骨材機能が十分に発揮されていないからと考えられる。 In Comparative Example 6, since the negative electrode active material body contains more SiC that does not release even when lithium is occluded than in other Examples and Comparative Examples, the capacity maintenance rate at the first cycle is considerably low. . In the subsequent charge / discharge cycle, the capacity retention rate is further greatly reduced. This is probably because the carbon constituting the carbon-carbon bond is small and the aggregate function of carbon is not fully exhibited.
本発明の負極は、様々な形態のリチウム二次電池に適用することができるが、特に、高い充放電サイクル特性が要求されるリチウム二次電池に適用すると有利である。また、リチウムイオン移動型の電気化学キャパシタの極板としても有用である。 The negative electrode of the present invention can be applied to various forms of lithium secondary batteries, but is particularly advantageous when applied to lithium secondary batteries that require high charge / discharge cycle characteristics. It is also useful as an electrode plate of a lithium ion migration type electrochemical capacitor.
本発明を適用可能なリチウム二次電池の形状は、特に限定されず、例えばコイン型、ボタン型、シート型、円筒型、偏平型、角型などの何れの形状であってもよい。また、正極、負極およびセパレータからなる極板群の形態は、捲回型でも積層型でもよい。さらに、電池の大きさは、小型携帯機器などに用いる小型であっても、電気自動車等に用いる大型であってもよい。本発明によるリチウム二次電池は、例えば携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、自動二輪車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の電源に用いることができるが、用途は特に限定されない。 The shape of the lithium secondary battery to which the present invention is applicable is not particularly limited, and may be any shape such as a coin shape, a button shape, a sheet shape, a cylindrical shape, a flat shape, and a square shape. Further, the form of the electrode plate group including the positive electrode, the negative electrode, and the separator may be a wound type or a laminated type. Further, the size of the battery may be a small size used for a small portable device or the like, or a large size used for an electric vehicle or the like. The lithium secondary battery according to the present invention can be used for a power source of, for example, a portable information terminal, a portable electronic device, a small electric power storage device for home use, a motorcycle, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, etc., but the application is not particularly limited.
1、11 集電体
2、12 負極活物質体
3 突起部
100、200 負極
300 蒸着装置
30 チャンバー
31 ケイ素蒸発源
32 炭素蒸発源
35 集電体加熱用ヒータ
36 ケイ素蒸発速度計測用レートモニタ
37 炭素蒸発速度計測用レートモニタ
38 シャッター
40 固定台
45 水平面
500 プラズマCVD装置
51a ペニング放電型プラズマガンのプラズマ出射部
51b ペニング放電型プラズマガンのプラズマ反射部
52 プラズマ反射板
53 固定台(基板ホルダ)
54 パルス電源
55 集電体加熱用ヒータ
60 コイン型電池
61 正極ケース
62 正極
63 セパレータ
64 負極
65 ガスケット
66 封口板
600 コイン型リチウムイオン二次電池
DESCRIPTION OF
54
Claims (17)
前記負極活物質層は、ケイ素と炭素とを主成分とし、
前記負極活物質層におけるケイ素に対する炭素の原子数の比xは0.03以上1.0以下であり、
前記負極活物質層の炭素−炭素結合の結合数に対するケイ素−炭素結合の結合数の割合Rは0より大きく、2.5未満であるリチウム二次電池用負極。 A negative electrode for a lithium secondary battery comprising a current collector and a negative electrode active material layer formed on a surface of the current collector,
The negative electrode active material layer is mainly composed of silicon and carbon,
The ratio x of the number of carbon atoms to silicon in the negative electrode active material layer is 0.03 or more and 1.0 or less,
The negative electrode for a lithium secondary battery, wherein a ratio R of the number of silicon-carbon bonds to the number of carbon-carbon bonds in the negative electrode active material layer is greater than 0 and less than 2.5.
前記負極活物質層は、ケイ素と炭素とを含む蒸着膜であり、
前記蒸着膜は、ケイ素を主成分とする負極活物質材料を蒸発させる第1蒸発源と、前記第1蒸発源とは別個に設けられ、炭素を主成分とする炭素材料を蒸発させる第2蒸発源とを用い、前記第1および第2蒸発源からケイ素および炭素をそれぞれ蒸発させ、前記集電体の表面に入射させることによって形成されているリチウム二次電池用負極。 A negative electrode for a lithium secondary battery comprising a current collector and a negative electrode active material layer formed on a surface of the current collector,
The negative electrode active material layer is a deposited film containing silicon and carbon,
The vapor deposition film is provided separately from the first evaporation source for evaporating the negative electrode active material mainly composed of silicon, and the second evaporation for evaporating the carbon material mainly composed of carbon. A negative electrode for a lithium secondary battery, which is formed by evaporating silicon and carbon from the first and second evaporation sources and making them enter the surface of the current collector.
ケイ素を主成分とする負極活物質材料と炭素を成分とする炭素材料とを蒸発させて、前記集電体の表面に入射させることによって、前記集電体の表面にケイ素および炭素とを含む負極活物質層を蒸着する工程を含み、
前記負極活物質層を蒸着する工程は、前記負極活物質材料を蒸発させる第1蒸発源と、前記第1蒸発源とは別個に設けられ、前記炭素材料を蒸発させる第2蒸発源とを用いて行われるリチウム二次電池用負極の製造方法。 A method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery comprising a current collector and a negative electrode active material layer formed on a surface of the current collector,
A negative electrode containing silicon and carbon on the surface of the current collector by evaporating a negative electrode active material comprising silicon as a main component and a carbon material containing carbon as a component and allowing the material to enter the surface of the current collector Including a step of depositing an active material layer,
The step of depositing the negative electrode active material layer uses a first evaporation source that evaporates the negative electrode active material and a second evaporation source that is provided separately from the first evaporation source and evaporates the carbon material. The manufacturing method of the negative electrode for lithium secondary batteries performed.
請求項1から5および16のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極と、
前記正極と前記リチウム二次電池用負極との間に配置されたセパレータと、
リチウムイオン伝導性を有する電解質と
を含むリチウム二次電池。 A positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions;
A negative electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 5 and 16,
A separator disposed between the positive electrode and the negative electrode for a lithium secondary battery;
A lithium secondary battery comprising an electrolyte having lithium ion conductivity.
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| JP2010189783A JP2011071113A (en) | 2009-08-27 | 2010-08-26 | Negative electrode for lithium secondary battery, method of manufacturing negative electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20130089796A1 (en) * | 2010-04-27 | 2013-04-11 | Yang-Kook Sun | Lithium air battery |
| CN116207244A (en) * | 2022-07-06 | 2023-06-02 | 广东凯金新能源科技股份有限公司 | High-density high-purity silicon-carbon negative electrode material and preparation method thereof |
-
2010
- 2010-08-26 JP JP2010189783A patent/JP2011071113A/en active Pending
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