JP2006004903A - Anode for nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解液二次電池用負極に関する。更に詳しくは集電性が高く、またリチウムイオンの吸脱蔵に起因する活物質の脱落が防止されサイクル寿命が向上し、更にエネルギー密度の高い非水電解液二次電池を得ることができる負極に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery. More specifically, the negative electrode has a high current collecting property, prevents the active material from falling off due to absorption and desorption of lithium ions, improves the cycle life, and can provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with higher energy density. About.
銅などのLiと合金化しない金属からなる集電体層の上に、スズなどのLiと合金化する金属からなる活物質層が設けられたリチウムイオン二次電池用負極において、該活物質層上に、Liと合金化しない金属からなる表面被覆層、又はLiと合金化しない金属とLiと合金化する金属との合金からなる表面被覆層を設けることが提案されている(特許文献1参照)。この特許文献によれば、活物質層の表面と電解液との反応を、この表面被覆層により抑制することができるので、活物質層表面の劣化を抑制することができ、充放電サイクル特性を向上させることができるとされている。 In a negative electrode for a lithium ion secondary battery in which an active material layer made of a metal alloying with Li such as tin is provided on a current collector layer made of a metal not alloyed with Li such as copper, the active material layer On top of this, it has been proposed to provide a surface coating layer made of a metal not alloyed with Li, or a surface coating layer made of an alloy of a metal not alloyed with Li and a metal alloyed with Li (see Patent Document 1). ). According to this patent document, since the reaction between the surface of the active material layer and the electrolytic solution can be suppressed by this surface coating layer, deterioration of the surface of the active material layer can be suppressed, and charge / discharge cycle characteristics can be improved. It is said that it can be improved.
しかしこの電極における表面被覆層は、活物質層上を薄く島状に被覆しているだけなので、活物質層のかなりの領域は電極の表面に露出し、電解液と直接接している。従って、充放電に伴うLiの吸脱蔵に起因する活物質の膨張収縮によって該活物質が電極から脱落しやすい。 However, since the surface coating layer in this electrode only covers the active material layer in a thin island shape, a considerable area of the active material layer is exposed on the surface of the electrode and is in direct contact with the electrolyte. Therefore, the active material is easily dropped from the electrode due to the expansion and contraction of the active material due to the absorption and desorption of Li accompanying charging and discharging.
従って本発明の目的は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得る非水電解液二次電池用負極を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that can eliminate the various drawbacks of the above-described conventional technology.
本発明は、電解液と接し且つ導電性を有する表裏一対の集電用表面層と、該表面層間に介在配置された、リチウム化合物の形成能の高い活物質の粒子を含む活物質層とを備え、少なくとも一方の表面層がリチウム化合物の形成能の低い元素及びリチウム化合物の形成能の高い元素を含んで構成されており、また集電用の厚膜導電体を有していないことを特徴とする非水電解液二次電池用負極を提供することにより前記目的を達成したものである。 The present invention comprises a pair of front and back current collecting surface layers that are in contact with an electrolytic solution and have conductivity, and an active material layer that is disposed between the surface layers and includes active material particles having a high ability to form a lithium compound. And at least one of the surface layers includes an element having a low lithium compound forming ability and an element having a high lithium compound forming ability, and does not have a thick film conductor for collecting current. The above object is achieved by providing a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
本発明の非水電解液二次電池用負極によれば、充放電によって集電用表面層に微細空隙が形成される。この微細空隙は電解液の浸透及び活物質粒子の脱落防止に十分な大きさを有するものである。その結果、活物質と電解液とが充分に接触した上で、表面層によって活物質の脱落が防止され、また充放電を繰り返しても活物質の集電性が確保される。更にこの負極を用いた二次電池は充放電を繰り返しても劣化率が低くサイクル寿命が大幅に長くなり、充放電効率も高くなる。更に、心材としての導電性金属箔層、つまり従来の負極に用いられていた集電体を用いないので、従来の負極よりも負極全体に占める活物質の割合を高くすることができる。その結果、単位体積当たり及び単位重量当たりのエネルギー密度の高い二次電池を得ることができる。 According to the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, fine voids are formed in the current collecting surface layer by charging and discharging. The fine voids are large enough to penetrate the electrolytic solution and prevent the active material particles from falling off. As a result, after the active material and the electrolytic solution are in sufficient contact, the surface layer prevents the active material from falling off, and the current collecting property of the active material is ensured even after repeated charge and discharge. Furthermore, the secondary battery using this negative electrode has a low deterioration rate even when charging and discharging are repeated, and the cycle life is greatly prolonged, and the charging and discharging efficiency is also increased. Furthermore, since the conductive metal foil layer as the core material, that is, the current collector used in the conventional negative electrode is not used, the ratio of the active material to the entire negative electrode can be made higher than that of the conventional negative electrode. As a result, a secondary battery having a high energy density per unit volume and unit weight can be obtained.
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図1には、本発明の負極の一実施形態の模式図が示されている。本実施形態の負極10は、電解液と接する表裏一対の面である第1の面1a及び第2の面1bを有している。電極10は、両面間に活物質の粒子2を含む活物質層3を備えている。活物質層3は、該層3の各面にそれぞれ形成された一対の集電用表面層4a,4bによって連続的に被覆されている。各表面層4a,4bは、第1の面1a及び第2の面1bをそれぞれ含んでいる。また図1から明らかなように電極10は、従来の電極に用いられてきた集電体と呼ばれる集電用の厚膜導電体(例えば厚さ8〜35μm程度の金属箔やエキスパンドメタル)を有していない。 The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic diagram of an embodiment of the negative electrode of the present invention. The negative electrode 10 of the present embodiment has a first surface 1a and a second surface 1b which are a pair of front and back surfaces in contact with the electrolytic solution. The electrode 10 includes an active material layer 3 including active material particles 2 between both surfaces. The active material layer 3 is continuously covered with a pair of current collecting surface layers 4 a and 4 b formed on each surface of the layer 3. Each surface layer 4a, 4b includes a first surface 1a and a second surface 1b, respectively. As is clear from FIG. 1, the electrode 10 has a current collecting thick film conductor (for example, a metal foil or expanded metal having a thickness of about 8 to 35 μm) called a current collector, which has been used for conventional electrodes. Not done.
集電用表面層4a,4bは、本実施形態の負極10における集電機能を担っている。また表面層4a,4bは、活物質層3に含まれる活物質が電極反応によって膨張及び/又は収縮することに起因して脱落することを防止するためにも用いられている。 The current collecting surface layers 4a and 4b have a current collecting function in the negative electrode 10 of the present embodiment. The surface layers 4a and 4b are also used to prevent the active material contained in the active material layer 3 from falling off due to expansion and / or contraction due to an electrode reaction.
各表面層4a,4bは、従来の電極に用いられている集電用の厚膜導電体よりもその厚みが薄いものである。具体的には0.3〜20μm程度、特に0.3〜10μm程度、とりわけ0.5〜5μm程度の薄層であることが好ましい。これによって、必要最小限の厚みで活物質層3をほぼ満遍なく連続的に被覆することができる。その結果、活物質の粒子2の脱落を防止することができる。またこの程度の薄層とすること、及び集電用の厚膜導電体を有していないことで、負極全体に占める活物質の割合が相対的に高くなり、単位体積当たり及び単位重量当たりのエネルギー密度を高めることができる。従来の電極では、電極全体に占める集電用の厚膜導電体の割合が高かったので、エネルギー密度を高めることに限界があった。前記範囲の薄い表面層4a,4bは、後述するように電解めっきによって形成されることが好ましい。なお2つの表面層4a,4bはその厚みが同じでもよく、或いは異なっていてもよい。また2つの表面層4a,4bの構成材料は同じでもよく、或いは異なっていてもよいが、少なくとも一方の表面層が、後述するように、リチウム化合物の形成能の低い元素及びリチウム化合物の形成能の高い元素を含んで構成されていることが必要である。一方の表面層が、リチウム化合物の形成能の低い元素及びリチウム化合物の形成能の高い元素を含んで構成されている場合、他方の表面層は、リチウム化合物の形成能の低い元素からなることが好ましい。好ましくは2つの表面層4a,4bが、リチウム化合物の形成能の低い元素及びリチウム化合物の形成能の高い元素を含んで構成されている。 Each of the surface layers 4a and 4b is thinner than the thick film conductor for current collection used in conventional electrodes. Specifically, a thin layer of about 0.3 to 20 μm, particularly about 0.3 to 10 μm, particularly about 0.5 to 5 μm is preferable. As a result, the active material layer 3 can be continuously coated almost uniformly with the minimum necessary thickness. As a result, dropping of the active material particles 2 can be prevented. In addition, by making such a thin layer and not having a thick film conductor for current collection, the proportion of the active material in the whole negative electrode becomes relatively high, and per unit volume and per unit weight. Energy density can be increased. In the conventional electrode, the ratio of the thick film conductor for current collection to the entire electrode is high, so there is a limit to increasing the energy density. The thin surface layers 4a and 4b in the above range are preferably formed by electrolytic plating as described later. The two surface layers 4a and 4b may have the same thickness or different thicknesses. The constituent materials of the two surface layers 4a and 4b may be the same or different, but at least one of the surface layers has a low lithium compound forming ability and a lithium compound forming ability, as will be described later. It is necessary that the composition contains a high element. When one surface layer includes an element having a low lithium compound forming ability and an element having a high lithium compound forming ability, the other surface layer may be composed of an element having a low lithium compound forming ability. preferable. Preferably, the two surface layers 4a and 4b include an element having a low lithium compound forming ability and an element having a high lithium compound forming ability.
先に述べた通り、2つの表面層4a,4bは第1の面1a及び第2の面1bをそれぞれ含んでいる。本実施形態の負極10が電池に組み込まれた場合、第1の面1a及び第2の面1bは電解液と接する。これとは対照的に、従来の電極における集電用の厚膜導電体は、その両面に活物質層が形成されている場合には電解液と接することはなく、また片面に活物質層が形成されている場合であっても一方の面しか電解液と接しない。つまり本実施形態の負極10には、従来の電極で用いられていた集電用の厚膜導電体が存在せず、電極の最外面に位置する層、即ち表面層4a,4bが集電機能と活物質の脱落を防止する機能とを兼ねている。 As described above, the two surface layers 4a and 4b include the first surface 1a and the second surface 1b, respectively. When the negative electrode 10 of the present embodiment is incorporated in a battery, the first surface 1a and the second surface 1b are in contact with the electrolytic solution. In contrast, a thick film conductor for collecting current in a conventional electrode does not come into contact with the electrolyte solution when the active material layer is formed on both sides thereof, and the active material layer is not provided on one side. Even if it is formed, only one surface is in contact with the electrolyte. That is, the negative electrode 10 of the present embodiment does not have the current collecting thick film conductor used in the conventional electrode, and the layers positioned on the outermost surface of the electrode, that is, the surface layers 4a and 4b have the current collecting function. And the function of preventing the active material from falling off.
第1の面1a及び第2の面1bをそれぞれ含む各表面層4a,4bは何れも集電機能を有しているので、本実施形態の負極10を電池に組み込んだ場合には、何れの表面層4a,4bにも電流取り出し用のリード線を接続することができるという利点がある。 Since each of the surface layers 4a and 4b each including the first surface 1a and the second surface 1b has a current collecting function, when the negative electrode 10 of this embodiment is incorporated in a battery, The surface layers 4a and 4b also have an advantage that a lead wire for extracting current can be connected.
前述した通り、少なくとも一方の表面層4a,4bはリチウム化合物の形成能の低い元素及びリチウム化合物の形成能の高い元素を含んで構成されている。各表面層4a,4bがこのような構成を有していることで、本実施形態の負極10には以下に述べる利点がある。この利点を図2を参照しながら説明する。図2は、本実施形態の負極10の要部を拡大して示す模式図である。 As described above, at least one of the surface layers 4a and 4b includes an element having a low lithium compound forming ability and an element having a high lithium compound forming ability. Since each surface layer 4a, 4b has such a configuration, the negative electrode 10 of this embodiment has the following advantages. This advantage will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an enlarged schematic view showing a main part of the negative electrode 10 of the present embodiment.
本実施形態の負極10を非水電解液二次電池に組み込み充放電を行うと、図2(a)に示すように、各表面層4a,4bに含まれているリチウム化合物の形成能の高い元素5が、リチウムを吸脱蔵することに起因して次第に微粉化してくる。これに対して各表面層4a,4bに含まれているリチウム化合物の形成能の低い元素6は、充放電が行われても変化しない。 When the negative electrode 10 of the present embodiment is incorporated into a non-aqueous electrolyte secondary battery and charged and discharged, as shown in FIG. 2A, the ability to form lithium compounds contained in the surface layers 4a and 4b is high. Element 5 gradually becomes fine due to absorption and desorption of lithium. On the other hand, the element 6 having a low lithium compound forming ability contained in each of the surface layers 4a and 4b does not change even when charging / discharging is performed.
リチウム化合物の形成能の高い元素5の微粉化が進むと、図2(b)に示すように、各表面層4a,4bの表面に亀裂が生じる。そして、その亀裂が生じた部分が多数の微細空隙7となる。 When the atomization of the element 5 having a high ability to form a lithium compound proceeds, as shown in FIG. 2B, cracks are generated on the surfaces of the surface layers 4a and 4b. And the part which the crack produced becomes many fine space | gap 7. FIG.
この亀裂が進むと微細空隙7が一層成長し、図2(c)に示すように、該微細空隙7は少なくとも一方の表面層4a,4bの厚さ方向に延びて活物質層3に到達する。微細空隙7は曲折しながら延びている。なお図2(c)においては、形成されたすべての微細空隙7が活物質層3に到達するように描かれているが、これは本発明の理解を容易にするために誇張されたものであり、実際はすべての微細空隙7が活物質層3に到達しているわけではない。 As this crack progresses, the fine void 7 further grows, and as shown in FIG. 2C, the fine void 7 extends in the thickness direction of at least one of the surface layers 4a and 4b and reaches the active material layer 3. . The fine gap 7 extends while bending. In FIG. 2 (c), all the formed fine voids 7 are drawn so as to reach the active material layer 3. However, this is exaggerated for easy understanding of the present invention. In fact, not all the fine voids 7 reach the active material layer 3.
このような微細空隙7が形成される結果、電解液が活物質層3へ十分に浸透することができ、活物質の粒子2との反応が十分に起こる。なお、非水電解液は水系の電解液に比べて表面張力が小さいことから、微細空隙7の幅が小さくても、活物質層3へ十分に浸透が可能である。このようにして微細空隙7が形成される結果、本実施形態の負極10においては、活物質層3への電解液の浸透を確保しつつ、活物質の粒子2の脱落を防止することができる。 As a result of the formation of such fine voids 7, the electrolyte can sufficiently penetrate into the active material layer 3, and the reaction with the active material particles 2 occurs sufficiently. Since the nonaqueous electrolytic solution has a smaller surface tension than the aqueous electrolytic solution, the nonaqueous electrolytic solution can sufficiently penetrate into the active material layer 3 even if the width of the fine gap 7 is small. As a result of forming the fine voids 7 in this way, in the negative electrode 10 of the present embodiment, it is possible to prevent the particles 2 of the active material from falling off while ensuring the penetration of the electrolytic solution into the active material layer 3. .
負極10における反応は、対極と対向した面を中心に起こるので、微細空隙7は、一対の表面層4a,4bのうちの少なくとも一方に形成されれば足りる。しかし、実用的な電池においては、負極の両側にセパレータ及び対極が配置されていることが多い。そのような電池に本実施形態の負極10を適用する場合には、一対の表面層4a,4bの両方に微細空隙7が形成されることが好ましい。一対の表面層4a,4bのうち一方の表面層にのみ微細空隙が形成される負極10を用いる場合には、そのような負極10を一組用意し、各負極10,10における微細空隙が形成されていない側の表面層を対向させ重ね合わせて使用することで、一対の表面層の両方に微細空隙5が形成された負極10と同様の効果を得ることができる。特に、各負極10,10における微細空隙が形成されていない側の表面層を対向させ、両負極10,10間に導電性金属箔を挟み込み、三者を接合一体化させた構成の負極とすることが好ましい。このような構成にすることで、負極全体の強度が一層向上するからである。このことは、電池を作成する際に負極を曲げる必要がある場合、曲げ応力に対する負極の強度が担保される観点から有利である。導電性金属箔は、電解銅箔、圧延銅合金箔、ステンレス箔など、リチウム形成能の低い材料からなる種々な材質のものを用いることが可能である。強度向上の効果とエネルギー密度とのバランスから、その厚さは5〜35μm程度、特に12〜18μmが好ましい。また、導電性金属箔としては、パンチングメタル等の多孔性のものや、上記に例示した各種の箔の表面にリチウム層を形成させたものも使用できる。 Since the reaction in the negative electrode 10 occurs centering on the surface facing the counter electrode, it is sufficient that the fine void 7 is formed in at least one of the pair of surface layers 4a and 4b. However, in practical batteries, a separator and a counter electrode are often disposed on both sides of the negative electrode. When the negative electrode 10 of this embodiment is applied to such a battery, it is preferable that the fine voids 7 are formed in both the pair of surface layers 4a and 4b. In the case of using the negative electrode 10 in which fine voids are formed only in one surface layer of the pair of surface layers 4a and 4b, a set of such negative electrodes 10 is prepared, and the fine voids in the negative electrodes 10 and 10 are formed. By using the surface layers on the side that is not facing each other in an overlapping manner, the same effect as that of the negative electrode 10 in which the fine voids 5 are formed in both of the pair of surface layers can be obtained. In particular, a negative electrode having a configuration in which the surface layers of the negative electrodes 10 and 10 on which the fine voids are not formed are opposed to each other, a conductive metal foil is sandwiched between the negative electrodes 10 and 10, and the three members are joined and integrated. It is preferable. This is because by adopting such a configuration, the strength of the whole negative electrode is further improved. This is advantageous from the viewpoint of ensuring the strength of the negative electrode against bending stress when it is necessary to bend the negative electrode when producing a battery. As the conductive metal foil, various materials made of a material having a low lithium forming ability such as an electrolytic copper foil, a rolled copper alloy foil, and a stainless steel foil can be used. From the balance between the effect of improving the strength and the energy density, the thickness is preferably about 5 to 35 μm, particularly 12 to 18 μm. In addition, as the conductive metal foil, a porous metal such as a punching metal or a metal foil having a lithium layer formed on the surfaces of the various foils exemplified above can be used.
微細空隙7の大きさ(孔径、長さ)は電池の充放電の回数に依存して変化する。従って微細空隙7の大きさを一義的に決定することはできない。しかし、本発明者らの検討の結果、表面層4a,4bを電子顕微鏡観察により平面視したときに、微細空隙7の開孔面積が平均して0.1〜100μm2、特に1〜30μm2程度であれば、電解液の十分な浸透を確保しつつ、活物質の粒子2の脱落を効果的に防止し得ることが判明した。また、表面層4a,4bを電子顕微鏡観察により平面視したときに、どのような観察視野をとっても、1cm×1cmの正方形の視野範囲内に1〜2万個、特に10〜1000個、とりわけ30〜500個の微細空隙7が存在していることが好ましいことが判明した(この値を分布率という)。更に、表面層4a,4bを電子顕微鏡観察により平面視したときに、観察視野の面積に対する微細空隙7の開孔面積の総和の割合(この割合を開孔率という)が0.1〜10%、特に1〜5%であることが好ましいことが判明した。微細空隙7は、表面層4a,4bを断面観察した場合にその幅が0.1〜100μm程度であるが、活物質の脱落を一層効果的に抑制するためには、0.1〜50μm、特に0.1〜10μm程度の微細なものとすることが好ましい。 The size (hole diameter, length) of the fine gap 7 varies depending on the number of times the battery is charged and discharged. Therefore, the size of the fine gap 7 cannot be uniquely determined. However, as a result of the study by the present inventors, when the surface layers 4a and 4b are viewed in plan by electron microscope observation, the average pore area of the fine voids 7 is 0.1 to 100 μm 2 , particularly 1 to 30 μm 2. It was found that the active material particles 2 could be effectively prevented from falling off while ensuring sufficient permeation of the electrolyte solution. In addition, when the surface layers 4a and 4b are viewed in plan by electron microscope observation, no matter what observation field is taken, 1 to 20,000, particularly 10 to 1000, especially 30 in the square field of view of 1 cm × 1 cm. It has been found that it is preferable that ˜500 fine voids 7 exist (this value is referred to as distribution rate). Furthermore, when the surface layers 4a and 4b are viewed in plan by electron microscope observation, the ratio of the total opening area of the fine voids 7 to the area of the observation field (this ratio is referred to as the opening ratio) is 0.1 to 10%. In particular, it has been found that 1 to 5% is preferable. The fine gap 7 has a width of about 0.1 to 100 μm when the surface layers 4 a and 4 b are observed in cross section, but in order to more effectively suppress the falling off of the active material, 0.1 to 50 μm, In particular, it is preferable to use a fine one of about 0.1 to 10 μm.
所望の微細空隙を形成するためには、各表面層4a,4bに含まれるリチウム化合物の形成能の高い元素5と、リチウム化合物の形成能の低い元素6との比率を適切な範囲とすればよいことが本発明者らの検討の結果判明した。具体的には、各表面層4a,4bは、リチウム化合物の形成能の低い元素6が50重量%以上を占めることが好ましい。特に各表面層4a,4bは、リチウム化合物の形成能の低い元素50〜99.9重量%及びリチウム化合物の形成能の高い元素0.1〜50重量%を含んで構成されていることが好ましく、とりわけリチウム化合物の形成能の低い元素70〜99重量%及びリチウム化合物の形成能の高い元素1〜30重量%を含んで構成されていることが好ましい。 In order to form a desired fine void, the ratio of the element 5 having a high lithium compound forming ability and the element 6 having a low lithium compound forming ability contained in each of the surface layers 4a and 4b should be within an appropriate range. As a result of the examination by the present inventors, it has been found that it is good. Specifically, in each of the surface layers 4a and 4b, the element 6 having a low lithium compound forming ability preferably occupies 50% by weight or more. In particular, each of the surface layers 4a and 4b preferably includes 50 to 99.9% by weight of an element having a low lithium compound forming ability and 0.1 to 50% by weight of an element having a high lithium compound forming ability. In particular, it is preferable that the composition contains 70 to 99% by weight of an element having a low ability to form a lithium compound and 1 to 30% by weight of an element having a high ability to form a lithium compound.
リチウム化合物の形成能の低い元素6としてはニッケル、銅、鉄若しくはコバルト又はこれらの合金などが好ましく用いられる。特に、ニッケル−タングステン合金を用いると、表面層4を高強度となすことができるので好ましい。一方、リチウム化合物の形成能の高い元素5としてはスズ、亜鉛、アルミニウム又はインジウムなどが好ましく用いられる。これらの元素は一種又は二種以上を組み合わせて用いることができる。 As the element 6 having a low lithium compound forming ability, nickel, copper, iron, cobalt, or an alloy thereof is preferably used. In particular, it is preferable to use a nickel-tungsten alloy because the surface layer 4 can have high strength. On the other hand, tin, zinc, aluminum, indium or the like is preferably used as the element 5 having a high lithium compound forming ability. These elements can be used alone or in combination of two or more.
再び図1に戻ると、2つの表面層4a,4b間に位置する活物質層3は、リチウム化合物の形成能の高い活物質の粒子2を含んでいる。活物質としては、例えばシリコン系材料やスズ系材料、アルミニウム系材料、ゲルマニウム系材料が挙げられる。特にシリコン系材料が好ましい。活物質層3は2つの表面層4a,4bによって被覆されているので、活物質がリチウムイオンを吸脱蔵することに起因して脱落することが効果的に防止される。また、後述する理由によって、活物質の粒子2は電解液と接することができるので、電極反応が妨げられることもない。 Returning to FIG. 1 again, the active material layer 3 positioned between the two surface layers 4a and 4b includes active material particles 2 having a high lithium compound-forming ability. Examples of the active material include silicon-based materials, tin-based materials, aluminum-based materials, and germanium-based materials. In particular, a silicon-based material is preferable. Since the active material layer 3 is covered with the two surface layers 4a and 4b, the active material is effectively prevented from falling off due to absorption and desorption of lithium ions. Moreover, since the active material particles 2 can be in contact with the electrolytic solution for the reason described later, the electrode reaction is not hindered.
活物質の粒子2はその最大粒径が好ましくは50μm以下であり、更に好ましくは20μm以下である。また粒子の粒径をD50値で表すと0.1〜8μm、特に1〜5μmであることが好ましい。最大粒径が50μm超であると、粒子の脱落が起こりやすくなり、電極の寿命が短くなる場合がある。粒径の下限値に特に制限はなく小さいほど好ましい。該粒子の製造方法に鑑みると、下限値は0.01μm程度である。粒子の粒径は、レーザー回折散乱式粒度分布測定、電子顕微鏡観察(SEM観察)によって測定される。 The active material particles 2 have a maximum particle size of preferably 50 μm or less, more preferably 20 μm or less. Moreover, when the particle diameter of the particle is expressed by a D 50 value, it is preferably 0.1 to 8 μm, particularly preferably 1 to 5 μm. If the maximum particle size is more than 50 μm, the particles are likely to fall off, and the life of the electrode may be shortened. There is no particular limitation on the lower limit of the particle size, and the smaller the better. In view of the method for producing the particles, the lower limit is about 0.01 μm. The particle size of the particles is measured by laser diffraction / scattering particle size distribution measurement and electron microscope observation (SEM observation).
負極全体に対する活物質の量が少なすぎると電池のエネルギー密度を十分に向上させにくく、逆に多すぎると活物質の脱落が起こりやすくなる傾向にある。これらを勘案すると、活物質の量は負極全体に対して好ましくは5〜80重量%であり、更に好ましくは10〜50重量%、一層好ましくは20〜50重量%である。 If the amount of the active material relative to the whole negative electrode is too small, it is difficult to sufficiently improve the energy density of the battery. Conversely, if the amount is too large, the active material tends to fall off. Considering these, the amount of the active material is preferably 5 to 80% by weight, more preferably 10 to 50% by weight, and still more preferably 20 to 50% by weight with respect to the whole negative electrode.
活物質層3の厚みは、負極全体に対する活物質の量の割合や活物質の粒径に応じて適宜調節することができ、本実施形態においては特に臨界的なものではない。一般には1〜100μm、特に3〜40μm程度である。活物質層は、後述するように、活物質の粒子を含む導電性スラリーを塗布することによって形成されることが好ましい。 The thickness of the active material layer 3 can be appropriately adjusted according to the ratio of the amount of the active material to the whole negative electrode and the particle size of the active material, and is not particularly critical in this embodiment. Generally, it is about 1 to 100 μm, particularly about 3 to 40 μm. The active material layer is preferably formed by applying a conductive slurry containing particles of the active material, as will be described later.
活物質層3においては、該層中に含まれる粒子間に、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が浸透していることが好ましい。該金属材料は、活物質層3の厚み方向全域に亘って浸透していることが好ましい。そして浸透した金属材料中に活物質の粒子2が存在していることが好ましい。つまり活物質の粒子2は負極10の表面に露出しておらず表面層4a,4bの内部に包埋されていることが好ましい。これによって、活物質層3と表面層4a,4bとの密着性が強固なものとなり、活物質の粒子2の脱落が一層防止される。また活物質層3中に浸透した前記材料を通じて表面層4a,4bと活物質の粒子2との間に電子伝導性が確保されるので、電気的に孤立した活物質が生成すること、特に活物質層3の深部に電気的に孤立した活物質が生成することが効果的に防止され、集電機能が保たれる。その結果、負極としての機能低下が抑えられる。更に負極の長寿命化も図られる。このことは、活物質として半導体であり電子伝導性の乏しい材料、例えばシリコン系材料を用いる場合に特に有利である。 In the active material layer 3, it is preferable that a metal material having a low ability to form a lithium compound penetrates between particles contained in the layer. It is preferable that the metal material penetrates over the entire thickness direction of the active material layer 3. The active material particles 2 are preferably present in the infiltrated metal material. That is, it is preferable that the active material particles 2 are not exposed on the surface of the negative electrode 10 and are embedded in the surface layers 4a and 4b. As a result, the adhesion between the active material layer 3 and the surface layers 4a and 4b becomes strong, and the dropping of the active material particles 2 is further prevented. In addition, since electronic conductivity is ensured between the surface layers 4a and 4b and the active material particles 2 through the material penetrated into the active material layer 3, it is possible to generate an electrically isolated active material, Generation of an electrically isolated active material in the deep part of the material layer 3 is effectively prevented, and the current collecting function is maintained. As a result, functional degradation as a negative electrode is suppressed. In addition, the life of the negative electrode can be extended. This is particularly advantageous when a material that is a semiconductor and has poor electron conductivity, such as a silicon-based material, is used as the active material.
活物質層3中に浸透しているリチウム化合物の形成能の低い金属材料は、少なくとも一方の表面層に含まれるリチウム化合物の形成能の低い金属材料と同種であってもよく、或いは異種であってもよい。例えば、(イ)各表面層にリチウム化合物の形成能の低い金属材料が含まれる場合、当該金属材料は、活物質層3中に浸透しているリチウム化合物の形成能の低い金属材料と同じでもよい。この場合には、各材料が同一であることから、後述する製造方法が複雑にならないという利点がある。或いは(ロ)各表面層にリチウム化合物の形成能の低い金属材料が含まれ、当該金属材料の一方が、活物質層3中に浸透しているリチウム化合物の形成能の低い金属材料と異なっていてもよい。更に、(ハ)各表面層にリチウム化合物の形成能の低い金属材料が含まれ、当該金属材料の双方が、活物質層3中に浸透しているリチウム化合物の形成能の低い金属材料と異なっていてもよい。 The metal material having a low lithium compound forming ability penetrating into the active material layer 3 may be the same as or different from the metal material having a low lithium compound forming ability contained in at least one surface layer. May be. For example, (a) when each surface layer includes a metal material having a low lithium compound forming ability, the metal material may be the same as the metal material having a low lithium compound forming ability penetrating into the active material layer 3. Good. In this case, since each material is the same, there exists an advantage that the manufacturing method mentioned later does not become complicated. Alternatively, (b) each surface layer includes a metal material having a low lithium compound forming ability, and one of the metal materials is different from the metal material having a low lithium compound forming ability penetrating into the active material layer 3. May be. Furthermore, (c) each surface layer includes a metal material having a low lithium compound forming ability, and both of the metal materials are different from the metal material having a low lithium compound forming ability penetrating into the active material layer 3. It may be.
(ハ)の場合には、各表面層に含まれるリチウム化合物の形成能の低い金属材料は同じでもよく、或いは異なっていてもよい。つまり、(i)各表面層に含まれるリチウム化合物の形成能の低い金属材料は同じで、且つ当該金属材料が、活物質層3中に浸透しているリチウム化合物の形成能の低い金属材料と異なる場合、及び(ii)各表面層に含まれるリチウム化合物の形成能の低い金属材料が異なり、且つ当該金属材料が何れも、活物質層3中に浸透しているリチウム化合物の形成能の低い金属材料と異なる場合がある。 In the case of (c), the metal material having a low ability to form a lithium compound contained in each surface layer may be the same or different. That is, (i) a metal material having a low lithium compound forming ability contained in each surface layer is the same, and the metal material has a low lithium compound forming ability penetrating into the active material layer 3; And (ii) different metal materials with low lithium compound-forming ability contained in each surface layer, and all of the metal materials have low ability to form lithium compounds penetrating into the active material layer 3 May differ from metal material.
活物質層3中に浸透しているリチウム化合物の形成能の低い金属材料は、活物質層3をその厚み方向に貫いており、両表面層4a,4bとつながっていることが好ましい。それによって2つの表面層4a,4bは前記材料を通じて電気的に導通することになり、負極全体としての電子伝導性が一層高くなる。つまり本実施形態の負極10は、全体が一体として集電機能を有する。リチウム化合物の形成能の低い金属材料が活物質層3の厚み方向全域に亘って浸透して両表面層4a,4bどうしがつながっていることは、該材料を測定対象とした電子顕微鏡マッピングによって確認することができる。リチウム化合物の形成能の低い金属材料を、活物質層3中に浸透させるための好ましい方法は後述する。 It is preferable that the metal material having a low ability of forming a lithium compound penetrating into the active material layer 3 penetrates the active material layer 3 in the thickness direction and is connected to both surface layers 4a and 4b. As a result, the two surface layers 4a and 4b are electrically connected through the material, and the electron conductivity of the whole negative electrode is further increased. That is, the negative electrode 10 of the present embodiment as a whole has a current collecting function. The fact that a metal material having a low ability to form a lithium compound penetrates over the entire thickness direction of the active material layer 3 and the surface layers 4a and 4b are connected is confirmed by electron microscope mapping using the material as a measurement target. can do. A preferred method for allowing a metal material having a low lithium compound forming ability to penetrate into the active material layer 3 will be described later.
活物質層3における活物質の粒子2の間は、リチウム化合物の形成能の低い金属材料で完全に満たされているのではなく、該粒子2間に空隙8が存在していることが好ましい(この空隙は、集電用表面層4a,4bに形成される微細空隙7とは異なるものであることに留意すべきである)。この空隙8の存在によって、活物質の粒子2がリチウムを吸脱蔵して膨張収縮することに起因する応力が緩和される。この観点から、活物質層3における空隙8の割合は5〜30体積%程度、特に5〜9体積%程度であることが好ましい。空隙8の割合は、電子顕微鏡マッピングによって求めることができる。後述するように活物質層3は活物質の粒子2を含む導電性スラリーを塗布し乾燥させることによって形成されることから、活物質層3には自ずと空隙8が形成される。従って空隙8の割合を前記範囲にするためには、例えば活物質の粒子2の粒径、導電性スラリーの組成、スラリーの塗布条件を適切に選択すればよい。またスラリーを塗布乾燥して活物質層3を形成した後、適切な条件下でプレス加工して空隙8の割合を調整してもよい。 The space between the active material particles 2 in the active material layer 3 is preferably not completely filled with a metal material having a low lithium compound forming ability, but preferably has voids 8 between the particles 2 ( It should be noted that this void is different from the fine void 7 formed in the current collecting surface layers 4a and 4b). The presence of the voids 8 relieves stress caused by the active material particles 2 absorbing and desorbing lithium and expanding and contracting. From this viewpoint, the ratio of the voids 8 in the active material layer 3 is preferably about 5 to 30% by volume, particularly about 5 to 9% by volume. The ratio of the gap 8 can be obtained by electron microscope mapping. As described later, since the active material layer 3 is formed by applying and drying a conductive slurry containing the active material particles 2, the active material layer 3 naturally has voids 8. Therefore, in order to set the ratio of the voids 8 within the above range, for example, the particle diameter of the active material particles 2, the composition of the conductive slurry, and the application conditions of the slurry may be appropriately selected. Alternatively, after the slurry is applied and dried to form the active material layer 3, the ratio of the voids 8 may be adjusted by pressing under appropriate conditions.
活物質層3中には活物質の粒子2に加えて導電性炭素材料が含まれていることが好ましい。これによって負極10に電子伝導性が一層付与される。この観点から活物質層3中に含まれる導電性炭素材料の量は0.1〜20重量%、特に1〜10重量%であることが好ましい。導電性炭素材料としては例えばアセチレンブラックやグラファイトなどの粒子が用いられる。これらの粒子の粒径は40μm以下、特に20μm以下であることが、電子伝導性の一層付与の点から好ましい。該粒子の粒径の下限値に特に制限はなく小さいほど好ましい。該粒子の製造方法に鑑みると、その下限値は0.01μm程度となる。 The active material layer 3 preferably contains a conductive carbon material in addition to the active material particles 2. This further imparts electronic conductivity to the negative electrode 10. From this viewpoint, the amount of the conductive carbon material contained in the active material layer 3 is preferably 0.1 to 20% by weight, particularly 1 to 10% by weight. For example, particles such as acetylene black and graphite are used as the conductive carbon material. The particle diameter of these particles is preferably 40 μm or less, and particularly preferably 20 μm or less from the viewpoint of further imparting electron conductivity. The lower limit of the particle size of the particles is not particularly limited and is preferably as small as possible. In view of the method for producing the particles, the lower limit is about 0.01 μm.
次に本実施形態の負極10の好ましい製造方法を、図3を参照しながら説明する。先ず図3(a)に示すようにキャリア箔11を用意する。キャリア箔11の材質に特に制限はない。例えば銅箔を用いることができる。キャリア箔11は、負極10を製造するための支持体として用いられるものであることから、製造工程においてヨレ等が生じないような強度を有していることが好ましい。従ってキャリア箔11は、その厚みが10〜50μm程度であることが好ましい。先に述べた通り、キャリア箔11の重要な役割は負極10を製造するための支持体である。従って表面層4の強度が十分である場合は必ずしもキャリア箔を用いて負極10を製造することを要しない。 Next, the preferable manufacturing method of the negative electrode 10 of this embodiment is demonstrated, referring FIG. First, a carrier foil 11 is prepared as shown in FIG. There are no particular restrictions on the material of the carrier foil 11. For example, copper foil can be used. Since the carrier foil 11 is used as a support for manufacturing the negative electrode 10, it is preferable that the carrier foil 11 has such a strength that no twist or the like occurs in the manufacturing process. Therefore, the carrier foil 11 preferably has a thickness of about 10 to 50 μm. As described above, an important role of the carrier foil 11 is a support for manufacturing the negative electrode 10. Therefore, when the strength of the surface layer 4 is sufficient, it is not always necessary to manufacture the negative electrode 10 using the carrier foil.
キャリア箔11は好ましくは電解によって製造される。具体的には、回転ドラムを陰極として用い、銅などの金属イオンを含む電解浴中で電解を行いドラム周面に金属を析出させる。析出した金属をドラム周面から剥離することでキャリア箔11が得られる。 The carrier foil 11 is preferably manufactured by electrolysis. Specifically, using a rotating drum as a cathode, electrolysis is performed in an electrolytic bath containing metal ions such as copper to deposit metal on the drum peripheral surface. The carrier foil 11 is obtained by peeling the deposited metal from the drum peripheral surface.
次に図3(b)に示すようにキャリア箔11の一面に薄い剥離層12を形成する。キャリア箔11が電解によって製造されたものである場合、キャリア箔11はその一方の面が平滑な光沢面となっており、他方の面が凹凸のあるマット面となっている。光沢面はドラム周面に対向していた面であり、マット面は析出面である。本製造方法においては光沢面およびマット面のどちらに剥離層12を形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 3B, a thin release layer 12 is formed on one surface of the carrier foil 11. When the carrier foil 11 is manufactured by electrolysis, the carrier foil 11 has a smooth glossy surface on one side and a matte surface with unevenness on the other side. The glossy surface is the surface facing the drum peripheral surface, and the matte surface is the precipitation surface. In this production method, the release layer 12 may be formed on either the glossy surface or the matte surface.
剥離層12は、例えばクロムめっき、ニッケルめっき、鉛めっき、クロメート処理等によって形成されることが好ましい。この理由は、これらの処理等によって剥離層12の表面に酸化物あるいは酸塩の層が形成され、この層は、キャリア箔11と後述する電解めっき層との密着性を低下させ剥離性を向上させる機能を有するからである。また剥離剤として有機化合物を用いることもできる。特に窒素含有化合物又は硫黄含有化合物を用いることが好ましい。窒素含有化合物としては、例えばベンゾトリアゾール(BTA)、カルボキシベンゾトリアゾール(CBTA)、トリルトリアゾール(TTA)、N’,N’−ビス(ベンゾトリアゾリルメチル)ユリア(BTD−U)及び3−アミノ−1H−1,2,4−トリアゾール(ATA)などのトリアゾール系化合物が好ましく用いられる。硫黄含有化合物としては、メルカプトベンゾチアゾール(MBT)、チオシアヌル酸(TCA)及び2−ベンズイミダゾールチオール(BIT)などが挙げられる。これらの有機化合物はアルコール、水、酸性溶媒、アルカリ性溶媒などに溶解して用いられる。例えばCBTAを用いた場合、その濃度は2〜5g/1とするのが好ましい。有機化合物からなる剥離層12の形成には、塗工法の他、浸漬法も採用できる。剥離層12の厚みは0.05〜3μmであることが、首尾良く剥離を行い得る点から好ましい。剥離層12が形成された後の該剥離層12の表面粗さRaは、キャリア箔11上に活物質層3を直接形成する場合と同様に、0.01〜3μm、特に0.01〜1μm、とりわけ0.01〜0.2μmであることが好ましい。 The release layer 12 is preferably formed by, for example, chromium plating, nickel plating, lead plating, chromate treatment, or the like. The reason for this is that an oxide or acid salt layer is formed on the surface of the release layer 12 by these treatments, and this layer lowers the adhesion between the carrier foil 11 and the later-described electrolytic plating layer and improves the peelability. It is because it has a function to make it. An organic compound can also be used as the release agent. In particular, it is preferable to use a nitrogen-containing compound or a sulfur-containing compound. Examples of nitrogen-containing compounds include benzotriazole (BTA), carboxybenzotriazole (CBTA), tolyltriazole (TTA), N ′, N′-bis (benzotriazolylmethyl) urea (BTD-U), and 3-amino. Triazole compounds such as -1H-1,2,4-triazole (ATA) are preferably used. Examples of the sulfur-containing compound include mercaptobenzothiazole (MBT), thiocyanuric acid (TCA), 2-benzimidazolethiol (BIT), and the like. These organic compounds are used by being dissolved in alcohol, water, acidic solvent, alkaline solvent or the like. For example, when CBTA is used, the concentration is preferably 2 to 5 g / 1. For the formation of the release layer 12 made of an organic compound, a dipping method can be employed in addition to the coating method. The thickness of the release layer 12 is preferably 0.05 to 3 μm because it can be successfully peeled off. The surface roughness Ra of the release layer 12 after the release layer 12 is formed is 0.01 to 3 μm, particularly 0.01 to 1 μm, as in the case where the active material layer 3 is directly formed on the carrier foil 11. In particular, the thickness is preferably 0.01 to 0.2 μm.
剥離層12が形成されたら、図3(c)に示すように剥離層12上に、リチウム化合物の形成能の低い元素及びリチウム化合物の形成能の高い元素を含む表面層4bを形成する。表面層4bの形成方法に特に制限はなく、公知の各種薄膜形成法を採用することができる。例えば電解めっき、スパッタリング、化学気相蒸着、物理気相蒸着などの方法を用いることができる。特に好ましい形成方法は電解めっきである。 After the release layer 12 is formed, as shown in FIG. 3C, a surface layer 4b containing an element having a low lithium compound forming ability and an element having a high lithium compound forming ability is formed on the release layer 12. There is no restriction | limiting in particular in the formation method of the surface layer 4b, A well-known various thin film formation method is employable. For example, methods such as electrolytic plating, sputtering, chemical vapor deposition, and physical vapor deposition can be used. A particularly preferable forming method is electrolytic plating.
引き続き、図3(d)に示すように表面層4b上に、活物質の粒子を含む導電性スラリーを塗布して活物質層3を形成する。この場合、表面層4bが電解めっきによって形成されていると、導電性スラリーが塗布される表面層4bの表面は析出面、つまりマット面であり、表面の粗度が高くなっているので、そのような表面状態になっている表面層4bの表面に導電性スラリーを塗布することで、活物質の粒子と表面層4bとの密着性が向上するという利点がある。 Subsequently, as shown in FIG. 3 (d), an active material layer 3 is formed on the surface layer 4 b by applying a conductive slurry containing active material particles. In this case, when the surface layer 4b is formed by electrolytic plating, the surface of the surface layer 4b to which the conductive slurry is applied is a precipitation surface, that is, a mat surface, and the surface roughness is high. By applying the conductive slurry to the surface of the surface layer 4b in such a surface state, there is an advantage that the adhesion between the active material particles and the surface layer 4b is improved.
スラリーは、活物質の粒子、導電性炭素材料の粒子、結着剤及び希釈溶媒などを含んでいる。これらの成分のうち、活物質の粒子及び導電性炭素材料の粒子については先に説明した通りである。結着剤としてはスチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレン(PE)、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)などが用いられる。希釈溶媒としてはN−メチルピロリドン、シクロヘキサンなどが用いられる。スラリー中における活物質の粒子の量は14〜40重量%程度とすることが好ましい。導電性炭素材料の粒子の量は0.4〜4重量%程度とすることが好ましい。結着剤の量は0.4〜4重量%程度とすることが好ましい。また希釈溶媒の量は60〜85重量%程度とすることが好ましい。 The slurry contains active material particles, conductive carbon material particles, a binder, a diluting solvent, and the like. Among these components, the particles of the active material and the particles of the conductive carbon material are as described above. As the binder, styrene butadiene rubber (SBR), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene (PE), ethylene propylene diene monomer (EPDM), or the like is used. As a diluting solvent, N-methylpyrrolidone, cyclohexane or the like is used. The amount of the active material particles in the slurry is preferably about 14 to 40% by weight. The amount of the conductive carbon material particles is preferably about 0.4 to 4% by weight. The amount of the binder is preferably about 0.4 to 4% by weight. Moreover, it is preferable that the quantity of a dilution solvent shall be about 60 to 85 weight%.
スラリーの乾燥によって形成された活物質層3は、粒子間に多数の微小空間を有する。活物質層3が形成された後、図3(e)に示すように該活物質層3上に、リチウム化合物の形成能の低い元素及びリチウム化合物の形成能の高い元素を含む表面層4aを形成する。表面層4aの形成方法は、先に説明した表面層4bの形成方法と同様とすることができる。特に、表面層4aを構成する材料が活物質層3の厚み方向全域に亘って浸透して両表面層4a,4bが電気的に導通するようにするためには、表面層4aを電解めっきによって形成することが有利である。つまり、少なくとも一方の表面層を電解めっきによって形成することが有利である(以下、この電解めっきを浸透めっきともいう)。活物質層3が形成されたキャリア箔11を、めっき浴へ浸漬することによって、めっき液が活物質層3内の前記微小空間に浸入して、活物質層3と表面層4bとの界面にまで達し、その状態下に電解めっきが行われる。浸透めっきの条件の条件は、リチウム化合物の形成能の低い金属材料を活物質層3中に析出させるために重要である。例えば、表面層4aが電解めっきから形成される場合、該表面層4aが例えば銅(リチウム化合物の形成能の低い元素)及びスズ(リチウム化合物の形成能の高い元素)から構成されているときの電解条件は次の通りである。めっき浴としては、通常の文献にある組成のもの、一般的にはシアン浴、ピロりん酸浴、ほう弗化浴などが使用可能である。このうち、シアン化浴の浴組成及び電解条件の一例を以下に示す。
・CuCN :35g/l
・Na2SnO3・2H2O :60g/l
・NaCN :25g/l
・電流密度 :5A/dm2
・浴温 :65℃
このめっき浴を用いると、浸透めっきによって、活物質層3における活物質の粒子間に、銅(リチウム化合物の形成能の低い元素)及びスズ(リチウム化合物の形成能の高い元素)が析出する。更に、活物質層3上に銅及びスズを構成材料とする表面層4aが形成される。
The active material layer 3 formed by drying the slurry has a large number of minute spaces between the particles. After the active material layer 3 is formed, a surface layer 4a containing an element having a low lithium compound forming ability and an element having a high lithium compound forming ability is formed on the active material layer 3 as shown in FIG. Form. The method for forming the surface layer 4a can be the same as the method for forming the surface layer 4b described above. In particular, in order for the material constituting the surface layer 4a to permeate throughout the thickness direction of the active material layer 3 so that the surface layers 4a and 4b are electrically connected, the surface layer 4a is formed by electrolytic plating. It is advantageous to form. That is, it is advantageous to form at least one surface layer by electrolytic plating (hereinafter, this electrolytic plating is also referred to as permeation plating). By immersing the carrier foil 11 on which the active material layer 3 is formed in the plating bath, the plating solution enters the minute space in the active material layer 3 and enters the interface between the active material layer 3 and the surface layer 4b. In this state, electrolytic plating is performed. The conditions of the osmotic plating are important in order to deposit a metal material having a low lithium compound forming ability in the active material layer 3. For example, when the surface layer 4a is formed by electrolytic plating, the surface layer 4a is made of, for example, copper (an element having a low lithium compound forming ability) and tin (an element having a high lithium compound forming ability). The electrolysis conditions are as follows. As the plating bath, one having a composition described in ordinary literature, generally a cyan bath, a pyrophosphate bath, a borofluoride bath, or the like can be used. Among these, an example of the bath composition and electrolysis conditions of the cyanide bath is shown below.
CuCN: 35 g / l
・ Na 2 SnO 3 .2H 2 O: 60 g / l
・ NaCN: 25 g / l
・ Current density: 5 A / dm 2
・ Bath temperature: 65 ° C
When this plating bath is used, copper (an element having a low ability to form a lithium compound) and tin (an element having a high ability to form a lithium compound) are deposited between particles of the active material in the active material layer 3 by osmotic plating. Furthermore, a surface layer 4 a having copper and tin as constituent materials is formed on the active material layer 3.
また表面層を、例えばニッケル(リチウム化合物の形成能の低い元素)及びシリコン(リチウム化合物の形成能の高い元素)から構成する場合には、ニッケルを含む電解めっき液にシリコン酸化物の粒子を懸濁させ、めっき液を攪拌しながら電解めっきを行い、表面層にシリコンを取り込むことで、所望の表面層を得ることができる。この場合には、浸透めっきによって、活物質層3における活物質の粒子間にニッケル(リチウム化合物の形成能の低い元素)のみが析出する。 Further, when the surface layer is made of, for example, nickel (an element having a low lithium compound forming ability) and silicon (an element having a high lithium compound forming ability), silicon oxide particles are suspended from an electrolytic plating solution containing nickel. A desired surface layer can be obtained by turbidity, performing electrolytic plating while stirring the plating solution, and incorporating silicon into the surface layer. In this case, only nickel (an element having a low ability to form a lithium compound) is deposited between the active material particles in the active material layer 3 by osmotic plating.
最後に、図3(f)に示すようにキャリア箔11を表面層4bから剥離分離する。これによって負極10が得られる。なお、剥離に際して剥離層12はその厚さや剥離処理剤の種類によってキャリア箔11側に残る場合もあれば、表面層4b側に残る場合もある。或いはこれら双方に残る場合もある。何れの場合であっても、剥離層12はその厚みが極めて薄いので、得られる負極10の性能に何ら影響はない。 Finally, the carrier foil 11 is peeled and separated from the surface layer 4b as shown in FIG. Thereby, the negative electrode 10 is obtained. Note that the release layer 12 may remain on the carrier foil 11 side or may remain on the surface layer 4b side depending on the thickness and type of the release treatment agent. Or it may remain in both of them. In any case, since the thickness of the release layer 12 is extremely thin, there is no influence on the performance of the obtained negative electrode 10.
上述の方法においては、両表面層4a,4bが、リチウム化合物の形成能の低い元素及びリチウム化合物の形成能の高い元素を含んで構成される。これに代えて、一方の表面層がリチウム化合物の形成能の低い元素及びリチウム化合物の形成能の高い元素を含んで構成され、他方の表面層がリチウム化合物の形成能の低い元素からなるようにすることもできる。この場合には、リチウム化合物の形成能の低い元素及びリチウム化合物の形成能の高い元素を含むめっき浴と、リチウム化合物の形成能の低い元素を含むめっき浴の2種類のめっき浴を用いて電解めっきを行えばよい。 In the above-described method, both surface layers 4a and 4b are configured to include an element having a low lithium compound forming ability and an element having a high lithium compound forming ability. Instead, one surface layer is composed of an element having a low lithium compound forming ability and an element having a high lithium compound forming ability, and the other surface layer is made of an element having a low lithium compound forming ability. You can also In this case, electrolysis is performed using two types of plating baths: a plating bath containing an element having a low lithium compound forming ability and an element having a high lithium compound forming ability and a plating bath containing an element having a low lithium compound forming ability. Plating may be performed.
また、上述の方法においては、活物質層3への浸透めっきと、活物質層3の表面に表面層を形成する操作の2つの操作を同時に行った。この場合には、活物質層3中に析出したリチウム化合物の形成能の低い金属材料と、表面層に含まれるリチウム化合物の形成能の低い金属材料とが同じになる。これらの操作に代えて、2つの操作を別個に行っても良い。即ち、活物質層3への浸透めっきの操作を行った後に、活物質層3が形成されたキャリア箔11を別のめっき浴に浸漬させて、電解めっきによって活物質層3上に表面層を形成してもよい。この操作を行うことで、各表面層に含まれるリチウム化合物の形成能の低い金属材料と、活物質層3中に析出したリチウム化合物の形成能の低い金属材料とを異種のものにすることができる。 Moreover, in the above-mentioned method, two operations, ie, an osmotic plating on the active material layer 3 and an operation of forming a surface layer on the surface of the active material layer 3 were performed simultaneously. In this case, the metal material having a low ability to form a lithium compound deposited in the active material layer 3 is the same as the metal material having a low ability to form a lithium compound contained in the surface layer. Instead of these operations, the two operations may be performed separately. That is, after performing the osmotic plating operation on the active material layer 3, the carrier foil 11 on which the active material layer 3 is formed is immersed in another plating bath, and the surface layer is formed on the active material layer 3 by electrolytic plating. It may be formed. By carrying out this operation, the metal material having a low ability to form a lithium compound contained in each surface layer and the metal material having a low ability to form a lithium compound deposited in the active material layer 3 can be made different. it can.
本製造方法によれば、活物質層の形成操作を1回行うだけで、負極の両面を電極反応に用い得る負極が得られる。従来の負極においては、電極の両面を電極反応に用いるためには、集電体の両面にそれぞれ活物質層を形成する必要があった。つまり活物質層の形成操作を2回行う必要があった。従って、本製造方法によれば負極の製造効率が極めて向上する。また本製造方法によれば、負極10を電池に組み込むまではキャリア箔11を剥離せず、組み込む直前においてキャリア箔11を剥離することで、薄くて皺になりやすくロール搬送が困難な負極10を、ハンドリング性良く搬送することができるという利点もある。 According to this manufacturing method, the negative electrode which can use both surfaces of a negative electrode for an electrode reaction is obtained only by forming the active material layer once. In the conventional negative electrode, in order to use both surfaces of the electrode for the electrode reaction, it is necessary to form active material layers on both surfaces of the current collector. In other words, it was necessary to perform the operation of forming the active material layer twice. Therefore, according to this production method, the production efficiency of the negative electrode is greatly improved. Further, according to the present manufacturing method, the carrier foil 11 is not peeled until the negative electrode 10 is incorporated into the battery, and the carrier foil 11 is peeled off just before the incorporation, so that the negative electrode 10 that is thin and easily wrinkled is difficult to roll. There is also an advantage that it can be transported with good handling properties.
なお、本製造方法の別法として、剥離層12を形成したキャリア箔11上に表面層4bを形成せずに直接活物質層3を形成し、然る後に活物質層3全体を電解めっきすることによって、活物質層3とキャリア箔11との間に表面層4bを形成すると共に、活物質層3上に表面層4aを形成することもできる。この場合の電解めっきの条件は前述した条件と同様とすることができる。この別法によれば、電解めっきを一回行うだけの操作で各表面層を形成することができるので、負極10の製造を効率化することができる。 As another method of this manufacturing method, the active material layer 3 is formed directly on the carrier foil 11 on which the release layer 12 is formed without forming the surface layer 4b, and then the entire active material layer 3 is electroplated. Accordingly, the surface layer 4 b can be formed between the active material layer 3 and the carrier foil 11, and the surface layer 4 a can be formed on the active material layer 3. The electrolytic plating conditions in this case can be the same as those described above. According to this alternative method, each surface layer can be formed by a single operation of electrolytic plating, so that the production of the negative electrode 10 can be made efficient.
このようにして得られた負極10は、公知の正極、セパレータ、非水系電解液と共に用いられて非水電解液二次電池となされる。正極は、正極活物質並びに必要により導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁し、正極合剤を作製し、これを集電体に塗布、乾燥した後、ロール圧延、プレスし、さらに裁断、打ち抜きすることにより得られる。正極活物質としては、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物等の従来公知の正極活物質が用いられる。セパレーターとしては、合成樹脂製不織布、ポリエチレン又はポリプロピレン多孔質フイルム等が好ましく用いられる。非水電解液は、リチウム二次電池の場合、支持電解質であるリチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液からなる。リチウム塩としては、例えば、LiBF4、LiClO4、LiAlCl4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiSCN、LiCl、LiBr、LiI、LiCF3SO3、LiC4F9SO3等が例示される。 The negative electrode 10 thus obtained is used with a known positive electrode, separator, and non-aqueous electrolyte solution to form a non-aqueous electrolyte secondary battery. The positive electrode is prepared by suspending a positive electrode active material and, if necessary, a conductive agent and a binder in an appropriate solvent to prepare a positive electrode mixture, applying this to a current collector, drying it, then rolling and pressing, and further cutting. It is obtained by punching. As the positive electrode active material, conventionally known positive electrode active materials such as lithium nickel composite oxide, lithium manganese composite oxide, and lithium cobalt composite oxide are used. As the separator, a synthetic resin nonwoven fabric, polyethylene, polypropylene porous film, or the like is preferably used. In the case of a lithium secondary battery, the nonaqueous electrolytic solution is a solution in which a lithium salt that is a supporting electrolyte is dissolved in an organic solvent. Examples of the lithium salt, LiBF 4, LiClO 4, LiAlCl 4, LiPF 6, LiAsF 6, LiSbF 6, LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, etc. LiCF 3 SO 3, LiC 4 F 9 SO 3 are exemplified.
本発明の負極の別の実施形態として、図4に示すように、表面層4a,4bの形成時にすでに該表面層4a,4bに微細空隙7が形成されている負極10’が挙げられる。この負極10’においては、充放電を行う前において既に表面層4a,4bに微細空隙7が形成されており、更に充放電によって微細空隙7が成長する。図4に示す負極10’の製造方法を説明すると図5の通りとなる。 As another embodiment of the negative electrode of the present invention, as shown in FIG. 4, there is a negative electrode 10 ′ in which fine voids 7 are already formed in the surface layers 4 a and 4 b when the surface layers 4 a and 4 b are formed. In the negative electrode 10 ', the fine voids 7 are already formed in the surface layers 4a and 4b before charging and discharging, and the fine voids 7 are further grown by charging and discharging. A method of manufacturing the negative electrode 10 'shown in FIG. 4 will be described with reference to FIG.
先ず図5(a)に示すようにキャリア箔11を用意する。キャリア箔11としては、図3(a)に示されるものと同様のものを用いることができる。次に図5(b)に示すように、キャリア箔11の一面上に、表面層4bを構成する材料と異質の材料からなる薄層の被覆体13を形成する。その後に表面層4bを電解めっきによって形成する。この操作によって、表面層4bに微細空隙7を形成することができ、該微細空隙7の数や開孔面積を容易にコントロールすることができる。 First, a carrier foil 11 is prepared as shown in FIG. As the carrier foil 11, the same one as shown in FIG. 3A can be used. Next, as shown in FIG. 5B, a thin layer covering 13 made of a material different from the material constituting the surface layer 4 b is formed on one surface of the carrier foil 11. Thereafter, the surface layer 4b is formed by electrolytic plating. By this operation, the fine voids 7 can be formed in the surface layer 4b, and the number of fine voids 7 and the opening area can be easily controlled.
被覆体13は、表面層4bの形成面の電子伝導性を不均一な状態にすることで、表面層4bに多数の微細空隙7を形成するために用いられる。被覆体13は、その厚みが0.001〜1μm、特に0.002〜0.5μm、とりわけ0.005〜0.2μmとなるように形成されることが好ましい。この程度の薄さにすることで、被覆体13は、キャリア箔11の表面を不連続に、例えば島状に被覆することになるからである。 The covering 13 is used to form a large number of fine voids 7 in the surface layer 4b by making the electron conductivity of the surface on which the surface layer 4b is formed nonuniform. The covering 13 is preferably formed to have a thickness of 0.001 to 1 μm, particularly 0.002 to 0.5 μm, especially 0.005 to 0.2 μm. This is because the covering 13 covers the surface of the carrier foil 11 in a discontinuous manner, for example, in an island shape.
被覆体13は、表面層4bの構成材料と異質の材料からなる。これによって剥離工程において、キャリア箔11から表面層4bを首尾良く剥離することができる。特に被覆体13は、表面層4bの構成材料と異質の材料であって、且つCu、Ni、Co、Mn、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Ag、Au、C、Al、Si、Ti及びPdのうちの少なくとも1種類の元素を含んで構成されていることが好ましい。 The covering 13 is made of a material different from the constituent material of the surface layer 4b. Thus, the surface layer 4b can be successfully peeled from the carrier foil 11 in the peeling step. In particular, the covering 13 is a material different from the constituent material of the surface layer 4b, and Cu, Ni, Co, Mn, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Ag, Au, C, Al, Si, Ti And at least one element selected from Pd.
被覆体13の形成方法に特に制限はない。例えば、表面層4bの形成方法との関係で、被覆体13の形成方法を選択することができる。具体的には、表面層4bを電解めっきで形成する場合には、被覆体13も電解めっきで形成することが製造効率等の点から好ましい。尤も他の方法、例えば無電解めっき、スパッタリング法、物理気相蒸着法、化学気相蒸着法、ゾルゲル法又はイオンプレーティング法によって被覆体13を形成することも可能である。 There is no restriction | limiting in particular in the formation method of the covering body 13. FIG. For example, the formation method of the covering 13 can be selected in relation to the formation method of the surface layer 4b. Specifically, when the surface layer 4b is formed by electrolytic plating, it is preferable from the viewpoint of manufacturing efficiency and the like that the covering 13 is also formed by electrolytic plating. However, the covering 13 can also be formed by other methods such as electroless plating, sputtering, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, sol-gel, or ion plating.
電解めっきによって被覆体13を形成する場合には、被覆体13の構成材料に応じて適切なめっき浴やめっき条件が選択される。例えば被覆体13をスズから構成する場合には、めっき浴として以下の組成を有するものや、ほうふっ化スズ浴を用いることができる。このめっき浴を用いる場合の浴温は15〜30℃程度であり、電流密度は0.5〜10A/dm2程度であることが好ましい。
・SnSO4 30〜70g/l
・H2SO4 60〜150g/l
・クレゾールスルホン酸 70〜100g/l
When forming the covering 13 by electrolytic plating, an appropriate plating bath and plating conditions are selected according to the constituent material of the covering 13. For example, when the covering 13 is made of tin, a plating bath having the following composition or a tin fluoride bath can be used. When this plating bath is used, the bath temperature is preferably about 15 to 30 ° C., and the current density is preferably about 0.5 to 10 A / dm 2 .
・ SnSO 4 30-70 g / l
・ H 2 SO 4 60-150 g / l
・ Cresol sulfonic acid 70-100g / l
先に述べた通り、被覆体13は、表面層4bの形成面の電子伝導性を不均一な状態にするために用いられる。従って、被覆体13の構成材料の電子伝導性がキャリア箔11の電子伝導性と大きく異なれば、被覆体13を形成することで表面層4bの形成面の電子伝導性が直ちに不均一な状態になる。例えば被覆体13の構成材料としてカーボンを用いるような場合である。一方、被覆体13の構成材料として、キャリア箔11と同程度の電子伝導性を有する材料、例えばスズ等を始めとする各種金属材料を用いた場合には、被覆体13の形成によっては、表面層4bの形成面の電子伝導性が直ちに不均一な状態とはならない。そこで、そのような材料から被覆体13を構成する場合には、被覆体13が形成されたキャリア箔11を、乾燥状態下に含酸素雰囲気、例えば大気中にさらすことが好ましい。これによって被覆体13の表面(及びキャリア箔11の露出面)を酸化させる(図5(c)参照)。この操作によって、表面層4bの形成面の電子伝導性が不均一な状態になる。この状態下に後述する電解めっきを行うと、被覆体13の表面とキャリア箔11の露出面とで電析速度に差が生じ、微細空隙7を容易に形成することができる。酸化の程度は本発明において臨界的ではない。例えば、被覆体13が形成されたキャリア箔11を大気中に10〜30分程度放置しておけば十分であることが本発明者らの検討によって判明した。尤も被覆体13が形成されたキャリア箔11を強制的に酸化させることは妨げられない。 As described above, the covering 13 is used to make the electron conductivity of the surface on which the surface layer 4b is formed nonuniform. Therefore, if the electron conductivity of the constituent material of the covering 13 is significantly different from the electron conductivity of the carrier foil 11, the formation of the covering 13 immediately causes the surface of the surface layer 4b to have a non-uniform electronic conductivity. Become. For example, carbon is used as a constituent material of the covering body 13. On the other hand, when a material having the same degree of electronic conductivity as that of the carrier foil 11, for example, various metal materials such as tin, is used as the constituent material of the covering body 13, The electronic conductivity of the surface on which the layer 4b is formed does not immediately become uneven. Therefore, when the covering 13 is made of such a material, the carrier foil 11 on which the covering 13 is formed is preferably exposed to an oxygen-containing atmosphere, for example, air, in a dry state. As a result, the surface of the covering 13 (and the exposed surface of the carrier foil 11) is oxidized (see FIG. 5C). By this operation, the electronic conductivity of the surface on which the surface layer 4b is formed becomes nonuniform. When electrolytic plating described later is performed in this state, a difference in electrodeposition rate occurs between the surface of the covering 13 and the exposed surface of the carrier foil 11, and the fine voids 7 can be easily formed. The degree of oxidation is not critical in the present invention. For example, the inventors have found that it is sufficient to leave the carrier foil 11 with the covering 13 formed in the atmosphere for about 10 to 30 minutes. However, forcibly oxidizing the carrier foil 11 on which the covering 13 is formed is not hindered.
被覆体13が形成されたキャリア箔11を、含酸素雰囲気にさらすときにこれを乾燥状態にする理由は、酸化を効率的に行うためである。例えば電解めっきによって被覆体13を形成した場合には、キャリア箔11をめっき浴から引き上げた後にドライヤ等を用いてこれを乾燥させ、次いで所定時間大気中に放置すればよい。被覆体13の形成方法としてスパッタリング法や各種蒸着法等の乾式法を用いる場合には乾燥操作は不要であり、被覆体13の形成後、そのまま大気中に放置しておけばよい。 The reason why the carrier foil 11 on which the covering 13 is formed is dried when exposed to an oxygen-containing atmosphere is to efficiently oxidize. For example, when the covering 13 is formed by electrolytic plating, the carrier foil 11 is lifted from the plating bath, dried using a dryer or the like, and then left in the atmosphere for a predetermined time. When a dry method such as a sputtering method or various vapor deposition methods is used as a method for forming the covering body 13, a drying operation is not necessary, and the covering body 13 may be left as it is in the air after the formation.
被覆体13を酸化させた後、図5(d)に示すように、その上に剥離層12を形成する。剥離剤としては、図3(b)に示すものと同様のものを用いることができる。剥離層12を形成する工程は、あくまでも、後述する剥離工程(図5(i))において、キャリア箔11から負極10’を首尾良く剥離するために行われるものである。従って、この工程を省いても表面層4bに微細空隙を形成することができる。次に図5(e)に示すように、剥離剤12を施した上に、表面層4bの構成材料を電解めっきによって電析させて表面層4bを形成する。形成された表面層4bには、微細空隙7が多数形成されている。なお図5(e)においては、被覆体13の頂点の位置に微細空隙7が形成されているように描かれているが、これは便宜的なものであり、実際には、被覆体13の頂点の位置に必ず微細空隙7が形成される訳ではない。 After oxidizing the covering 13, a release layer 12 is formed thereon as shown in FIG. 5 (d). As the release agent, the same one as shown in FIG. 3B can be used. The step of forming the release layer 12 is merely performed in order to successfully release the negative electrode 10 ′ from the carrier foil 11 in the later-described release step (FIG. 5 (i)). Therefore, even if this step is omitted, fine voids can be formed in the surface layer 4b. Next, as shown in FIG.5 (e), after providing the release agent 12, the constituent material of the surface layer 4b is electrodeposited by electrolytic plating, and the surface layer 4b is formed. A large number of fine voids 7 are formed in the formed surface layer 4b. In FIG. 5 (e), the fine void 7 is drawn at the position of the apex of the covering 13, but this is for convenience. The minute gap 7 is not necessarily formed at the position of the apex.
次に図5(f)に示すように表面層4b上に、活物質の粒子を含む導電性スラリーを塗布して活物質層3を形成する。導電性スラリーの配合組成及び活物質層3の形成については、図3(d)に関する説明が適宜適用される。 Next, as shown in FIG. 5 (f), an active material layer 3 is formed on the surface layer 4 b by applying a conductive slurry containing active material particles. Regarding the composition of the conductive slurry and the formation of the active material layer 3, the description regarding FIG.
活物質層3が形成されたら、図5(g)に示すように、その上に導電性ポリマーを含む塗工液を塗布し乾燥させて塗膜14を形成する。塗工液は、導電性ポリマーが揮発性の有機溶媒に溶解してなるものである。 When the active material layer 3 is formed, as shown in FIG. 5G, a coating liquid containing a conductive polymer is applied thereon and dried to form a coating film 14. The coating liquid is obtained by dissolving a conductive polymer in a volatile organic solvent.
導電性ポリマーとしては、その種類に特に制限はなく、従来公知のものを用いることができる。例えばポリフッ化ビリニデン(PVDF)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリルニトリル(PAN)及びポリメチルメタクリレート(PMMA)等が挙げられる。特に、リチウムイオン伝導性ポリマーを用いることが好ましい。また、導電性ポリマーはフッ素含有の導電性ポリマーであることが好ましい。フッ素含有ポリマーは、熱的及び化学的安定性が高く、機械的強度に優れているからである。これらのことを考慮すると、リチウムイオン伝導性を有するフッ素含有ポリマーであるポリフッ化ビリニデンを用いることが特に好ましい。 There is no restriction | limiting in particular as a conductive polymer, A conventionally well-known thing can be used. Examples thereof include poly (vinylidene fluoride) (PVDF), polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), and polymethyl methacrylate (PMMA). In particular, it is preferable to use a lithium ion conductive polymer. The conductive polymer is preferably a fluorine-containing conductive polymer. This is because the fluorine-containing polymer has high thermal and chemical stability and excellent mechanical strength. Considering these, it is particularly preferable to use poly (vinylidene fluoride), which is a fluorine-containing polymer having lithium ion conductivity.
導電性ポリマーを溶解させる前記有機溶媒としては、導電性ポリマーとして例えばポリフッ化ビニリデンを用いる場合には、N−メチルピロリドンなどを用いることができる。 As the organic solvent for dissolving the conductive polymer, for example, when polyvinylidene fluoride is used as the conductive polymer, N-methylpyrrolidone or the like can be used.
先に述べた通り、塗工液は活物質層3上に塗工される。活物質層3は活物質の粒子を含む層であるから、その表面は凹凸状態となっている。従って塗工液は活物質層3の表面の凹部に溜まりやすくなる。この状態で溶媒が揮発すると、塗膜14の厚みは不均一になる。つまり活物質層3表面の凹部に対応する塗膜の厚みは大きく、凸部に対応する塗膜の厚みは小さくなる。本製造方法においては、塗膜14の厚みの不均一性を利用して表面層4aに多数の微細空隙を形成している。 As described above, the coating liquid is applied onto the active material layer 3. Since the active material layer 3 is a layer containing particles of the active material, the surface thereof is uneven. Accordingly, the coating liquid tends to accumulate in the recesses on the surface of the active material layer 3. When the solvent volatilizes in this state, the thickness of the coating film 14 becomes non-uniform. That is, the thickness of the coating film corresponding to the concave portion on the surface of the active material layer 3 is large, and the thickness of the coating film corresponding to the convex portion is small. In the present manufacturing method, a large number of fine voids are formed in the surface layer 4a by utilizing the thickness non-uniformity of the coating film 14.
本製造方法において、表面層4aに多数の微細空隙が形成されるメカニズムは次のように考えられる。塗膜12が形成されたキャリア箔11は電解めっき処理に付されて、塗膜14が形成されたキャリア箔11は電解めっき処理に付されて、図5(h)に示すように塗膜14上に表面層4aが形成される。この状態を図5(h)の要部拡大図である図6に示す。塗膜14を構成する導電性ポリマーは、金属ほどではないが電子伝導性を有する。従って塗膜14はその厚みに応じて電子伝導性が異なる。その結果、導電性ポリマーを含む塗膜14の上に電解めっきによって金属を析出させると、電子伝導性に応じて電析速度に差が生じ、その電析速度の差によって表面層4aに微細空隙7が形成される。つまり、電析速度の小さい部分、換言すれば塗膜14の厚い部分が微細空隙7になりやすい。 In the present manufacturing method, the mechanism by which many fine voids are formed in the surface layer 4a is considered as follows. The carrier foil 11 on which the coating film 12 is formed is subjected to an electrolytic plating process, and the carrier foil 11 on which the coating film 14 is formed is subjected to an electrolytic plating process, as shown in FIG. A surface layer 4a is formed thereon. This state is shown in FIG. 6 which is an enlarged view of the main part of FIG. Although the conductive polymer which comprises the coating film 14 is not like a metal, it has electronic conductivity. Accordingly, the coating film 14 has different electron conductivity depending on its thickness. As a result, when a metal is deposited by electrolytic plating on the coating film 14 containing a conductive polymer, a difference occurs in the deposition rate according to the electron conductivity, and the surface layer 4a has a fine void due to the difference in the deposition rate. 7 is formed. That is, a portion where the electrodeposition rate is low, in other words, a portion where the coating film 14 is thick is likely to become the fine void 7.
塗工液に含まれる導電性ポリマーの濃度によって微細空隙7の孔径や存在密度をコントロールできる。例えば導電性ポリマーの濃度が薄い場合には孔径は小さくなる傾向にあり、存在密度も小さくなる傾向にある。逆に、導電性ポリマーの濃度が濃い場合には孔径は大きくなる傾向にある。この観点から、塗工液における導電性ポリマーの濃度は0.05〜5重量%、特に1〜3重量%であることが好ましい。なお、導電性ポリマーは、塗工法の他、浸漬法によっても活物質層3上に施すことができる。 The pore size and density of the fine voids 7 can be controlled by the concentration of the conductive polymer contained in the coating liquid. For example, when the concentration of the conductive polymer is low, the pore diameter tends to be small and the existence density tends to be small. Conversely, when the concentration of the conductive polymer is high, the pore diameter tends to increase. From this viewpoint, the concentration of the conductive polymer in the coating solution is preferably 0.05 to 5% by weight, particularly 1 to 3% by weight. The conductive polymer can be applied on the active material layer 3 by a dipping method in addition to a coating method.
このようにして負極10’が得られる。最後に図5(i)に示すように、負極10’をキャリア箔11から剥離分離する。 In this way, the negative electrode 10 'is obtained. Finally, as shown in FIG. 5 (i), the negative electrode 10 ′ is peeled and separated from the carrier foil 11.
本発明は前記実施形態に制限されない。例えば、活物質粒子と電解液との反応活性点を増やすために、レーザやポンチ、針等を用いて負極の少なくとも一方の表面において開孔し且つ活物質層の少なくとも一部にまで達する孔、或いは負極の厚さ方向に延びる貫通孔を形成してもよい。 The present invention is not limited to the embodiment. For example, in order to increase the reaction active point between the active material particles and the electrolytic solution, a hole that opens on at least one surface of the negative electrode using a laser, a punch, a needle, or the like and reaches at least a part of the active material layer, Or you may form the through-hole extended in the thickness direction of a negative electrode.
また前記実施形態においては表面層4a,4bは単層構造であったが、これに代えて、少なくとも一方の表面層を2層以上の多層構造にしても良い。例えば少なくとも一方の表面層をニッケル(リチウム化合物の形成能の低い元素)及びリチウム化合物の形成能の高い元素からなる下層と、銅(リチウム化合物の形成能の低い元素)及びリチウム化合物の形成能の高い元素からなる上層の2層構造とすることで、活物質の体積変化に起因する負極の著しい変形を一層効果的に防止することができる。表面層が多層構造である場合、該表面層に含まれるリチウム化合物の形成能の低い金属材料の少なくとも1種を、活物質層3に浸透したリチウム化合物の形成能の低い金属材料と異種の材料とすることができる。或いは各表面層に含まれるリチウム化合物の形成能の低い金属材料のすべてが、活物質層3に浸透したリチウム化合物の形成能の低い金属材料と異種の材料でもよい。 In the above-described embodiment, the surface layers 4a and 4b have a single layer structure, but instead, at least one surface layer may have a multilayer structure of two or more layers. For example, at least one surface layer has a lower layer made of nickel (an element having a low lithium compound forming ability) and an element having a high lithium compound forming ability, and a copper (an element having a low lithium compound forming ability) and a lithium compound forming ability. By adopting an upper two-layer structure composed of high elements, significant deformation of the negative electrode due to the volume change of the active material can be more effectively prevented. When the surface layer has a multi-layer structure, at least one metal material having a low lithium compound forming ability contained in the surface layer is different from the metal material having a low lithium compound forming ability penetrating into the active material layer 3. It can be. Alternatively, all of the metal material having a low lithium compound forming ability contained in each surface layer may be a different material from the metal material having a low lithium compound forming ability penetrating into the active material layer 3.
また表面層の構成材料と、活物質層3中に浸透している材料とが異なる場合には、活物質層3中に浸透している材料は、活物質層3と表面層との境界部まで存在していてもよい。或いは、活物質層3中に浸透している材料は、当該境界部を越えて表面層の一部を構成していてもよい。逆に、表面層の構成材料が、当該境界部を越えて活物質層3内に存在していてもよい。 In addition, when the constituent material of the surface layer is different from the material penetrating into the active material layer 3, the material penetrating into the active material layer 3 is the boundary portion between the active material layer 3 and the surface layer. May exist. Alternatively, the material penetrating into the active material layer 3 may constitute a part of the surface layer beyond the boundary portion. Conversely, the constituent material of the surface layer may exist in the active material layer 3 beyond the boundary.
また、活物質層4中に、リチウム化合物の形成能の低い材料を析出させる操作を、異なる2種以上のめっき浴を用いて行うことで、活物質層4中に析出される金属材料を、異なる2種以上の多層構造とすることができる。 Moreover, the metal material deposited in the active material layer 4 is obtained by performing the operation of precipitating a material having a low ability to form a lithium compound in the active material layer 4 using two or more different plating baths. Two or more different multilayer structures can be used.
また図5に示す製造方法においては、表面層4bの形成に際して被覆体13を形成せず、それに代えて、キャリア箔11(又は剥離層12)の上に、先に述べた導電性ポリマーを含む塗工液を塗布してその上に表面層4bを形成することで、該表面層4bに多数の微細空隙を形成することもできる。その場合、キャリア箔11の表面粗さRa(JIS B 0601)は0.05〜5μm、特に0.2〜0.8μmであることが、所望の径及び存在密度を有する微細空隙を容易に形成し得る点から好ましい。 Further, in the manufacturing method shown in FIG. 5, the covering 13 is not formed when the surface layer 4b is formed, and instead, the conductive polymer described above is included on the carrier foil 11 (or the release layer 12). Many fine voids can be formed in the surface layer 4b by applying the coating liquid and forming the surface layer 4b thereon. In that case, the surface roughness Ra (JIS B 0601) of the carrier foil 11 is 0.05 to 5 μm, particularly 0.2 to 0.8 μm, so that a fine void having a desired diameter and density can be easily formed. It is preferable from the point which can do.
1a 第1の面
1b 第2の面
2 活物質の粒子
3 活物質層
4a,4b 集電用表面層
5 リチウム化合物の形成能の高い元素
6 リチウム化合物の形成能の低い元素
7 微細空隙
8 空隙
10,10’ 負極
11 キャリア箔
12 剥離層
13 被覆体
14 導電性ポリマーの塗膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a 1st surface 1b 2nd surface 2 Active material particle | grains 3 Active material layer 4a, 4b Current collecting surface layer 5 Element with high lithium compound formation ability 6 Element with low lithium compound formation ability 7 Fine void 8 Void 10, 10 'Negative electrode 11 Carrier foil 12 Release layer 13 Cover 14 Conductive polymer coating
Claims (13)
At least one of the surface layers has a multilayer structure of two or more layers, and at least one of the constituent materials of each layer in the surface layer of the multilayer structure has a low ability to form a lithium compound penetrating into the active material layer The electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 10, wherein the electrode is a material different from the material.
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