JP2003303586A - 二次電池用電極 - Google Patents
二次電池用電極Info
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- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
(57)【要約】
【課題】 充放電による集電体のしわの発生を抑制する
ことができ、充放電サイクル特性に優れ、かつ体積エネ
ルギー密度が高い二次電池用電極を得る。 【解決手段】 集電体１上に活物質からなる薄膜が堆積
して形成された二次電池用電極において、薄膜にその周
囲により膜厚が厚い複数の柱状凸部３が形成されてお
り、該柱状凸部３の１つの底部における膜面方向の断面
積が２×１０-7ｍ2以下であり、さらに好ましくは７×
１０-10ｍ2以上であることを特徴としている。
ことができ、充放電サイクル特性に優れ、かつ体積エネ
ルギー密度が高い二次電池用電極を得る。 【解決手段】 集電体１上に活物質からなる薄膜が堆積
して形成された二次電池用電極において、薄膜にその周
囲により膜厚が厚い複数の柱状凸部３が形成されてお
り、該柱状凸部３の１つの底部における膜面方向の断面
積が２×１０-7ｍ2以下であり、さらに好ましくは７×
１０-10ｍ2以上であることを特徴としている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム二次電池
などの二次電池用電極に関するものである。
などの二次電池用電極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＣＶＤ法及びスパッタリング法などによ
り集電体上にシリコン系の薄膜を形成したリチウム二次
電池用電極が知られている。このような電極では、充放
電を繰り返すことにより、集電体にしわが発生し、電極
の見かけの厚みが大きくなり、このため体積エネルギー
密度が低下することが知られている。
り集電体上にシリコン系の薄膜を形成したリチウム二次
電池用電極が知られている。このような電極では、充放
電を繰り返すことにより、集電体にしわが発生し、電極
の見かけの厚みが大きくなり、このため体積エネルギー
密度が低下することが知られている。
【０００３】充放電サイクルにより集電体にしわが発生
する原因は、以下のように考えられる。すなわち、例え
ば活物質がシリコンである場合、充電時にシリコンがリ
チウムと反応して化合物を形成する。シリコンがリチウ
ムと完全に反応した状態では、充電前に比べその体積は
約４倍に増加する。この体積膨張により、集電体とシリ
コン薄膜との界面に大きな応力が発生するため、この応
力により集電体にしわが形成される。
する原因は、以下のように考えられる。すなわち、例え
ば活物質がシリコンである場合、充電時にシリコンがリ
チウムと反応して化合物を形成する。シリコンがリチウ
ムと完全に反応した状態では、充電前に比べその体積は
約４倍に増加する。この体積膨張により、集電体とシリ
コン薄膜との界面に大きな応力が発生するため、この応
力により集電体にしわが形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような集電体にお
けるしわの発生を防止する方法として、薄膜に複数の柱
状凸部を形成し、この柱状凸部の周囲に空隙を確保する
ことにより、体積膨張をこの空隙で収容し、集電体に大
きな応力がかからないようにする方法が考えられる。し
かしながら、集電体にかかる応力を低減し、しわの発生
を抑制するために、柱状凸部の大きさやその周囲の空隙
の大きさについて具体的には検討されていなかった。
けるしわの発生を防止する方法として、薄膜に複数の柱
状凸部を形成し、この柱状凸部の周囲に空隙を確保する
ことにより、体積膨張をこの空隙で収容し、集電体に大
きな応力がかからないようにする方法が考えられる。し
かしながら、集電体にかかる応力を低減し、しわの発生
を抑制するために、柱状凸部の大きさやその周囲の空隙
の大きさについて具体的には検討されていなかった。
【０００５】本発明の目的は、充放電による集電体のし
わの発生を抑制することができ、充放電サイクル特性に
優れ、かつ体積エネルギー密度が高い二次電池用電極を
提供することにある。
わの発生を抑制することができ、充放電サイクル特性に
優れ、かつ体積エネルギー密度が高い二次電池用電極を
提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、集電体上に活
物質からなる薄膜が堆積して形成された二次電池用電極
であり、薄膜にその周囲より膜厚が厚い複数の柱状凸部
が形成されており、該柱状凸部１つの底部における膜面
方向の断面積が２×１０-7ｍ2以下であることを特徴と
している。
物質からなる薄膜が堆積して形成された二次電池用電極
であり、薄膜にその周囲より膜厚が厚い複数の柱状凸部
が形成されており、該柱状凸部１つの底部における膜面
方向の断面積が２×１０-7ｍ2以下であることを特徴と
している。
【０００７】本発明において、柱状凸部１つの底部にお
ける膜面方向の断面積は、好ましくは、７×１０-10ｍ2
以上である。柱状凸部１つの底部における膜面方向の断
面積を、上記範囲に設定することにより、充放電による
集電体のしわの発生を抑制することができ、かつ大きな
充放電容量を確保して、体積エネルギー密度を高めるこ
とができる。
ける膜面方向の断面積は、好ましくは、７×１０-10ｍ2
以上である。柱状凸部１つの底部における膜面方向の断
面積を、上記範囲に設定することにより、充放電による
集電体のしわの発生を抑制することができ、かつ大きな
充放電容量を確保して、体積エネルギー密度を高めるこ
とができる。
【０００８】本発明においては、柱状凸部の底部におけ
る膜面方向の断面積が、電極面積（柱状凸部の領域と柱
状凸部以外の領域の合計の面積）に対して占める面積比
率Ｓ１が、０．２≦Ｓ１≦０．８の範囲内であることが
好ましい。このような範囲内とすることにより、充放電
による集電体のしわの発生を抑制することができ、かつ
高い体積エネルギー密度を得ることができる。
る膜面方向の断面積が、電極面積（柱状凸部の領域と柱
状凸部以外の領域の合計の面積）に対して占める面積比
率Ｓ１が、０．２≦Ｓ１≦０．８の範囲内であることが
好ましい。このような範囲内とすることにより、充放電
による集電体のしわの発生を抑制することができ、かつ
高い体積エネルギー密度を得ることができる。
【０００９】また、本発明においては、柱状凸部の領域
における薄膜の平均膜厚をβ、柱状凸部以外の領域にお
ける薄膜の平均膜厚をαとしたときの比α／βが、０≦
α／β≦０．６の範囲内であることことが好ましい。こ
のような範囲内とすることにより、充放電による集電体
のしわの発生を抑制することができ、かつ高い体積エネ
ルギー密度を得ることができる。
における薄膜の平均膜厚をβ、柱状凸部以外の領域にお
ける薄膜の平均膜厚をαとしたときの比α／βが、０≦
α／β≦０．６の範囲内であることことが好ましい。こ
のような範囲内とすることにより、充放電による集電体
のしわの発生を抑制することができ、かつ高い体積エネ
ルギー密度を得ることができる。
【００１０】本発明における薄膜の柱状凸部の形成方法
は、特に限定されるものではない。例えば、薄膜の膨張
収縮により薄膜の厚み方向に形成された切れ目によっ
て、柱状凸部が形成されてもよい。また、集電体の上に
所定の孔径を有するメッシュを配置し、そのメッシュを
通して集電体上に活物質を堆積させることにより、柱状
凸部を形成してもよい。
は、特に限定されるものではない。例えば、薄膜の膨張
収縮により薄膜の厚み方向に形成された切れ目によっ
て、柱状凸部が形成されてもよい。また、集電体の上に
所定の孔径を有するメッシュを配置し、そのメッシュを
通して集電体上に活物質を堆積させることにより、柱状
凸部を形成してもよい。
【００１１】また、薄膜を堆積させる際のリフトオフプ
ロセスにより柱状凸部を形成してもよい。すなわち、柱
状凸部以外の領域に、アルカリ溶液等で溶解するパター
ンを形成しておき、その上に薄膜を形成した後、アルカ
リ溶液等を用いてパターンを除去することにより、柱状
凸部を形成してもよい。
ロセスにより柱状凸部を形成してもよい。すなわち、柱
状凸部以外の領域に、アルカリ溶液等で溶解するパター
ンを形成しておき、その上に薄膜を形成した後、アルカ
リ溶液等を用いてパターンを除去することにより、柱状
凸部を形成してもよい。
【００１２】また、予め活物質の薄膜を集電体上に均一
に形成しておき、この薄膜の上に柱状凸部を形成しても
よい。本発明において、薄膜を堆積させる方法は、特に
限定されるものではなく、例えば、ＣＶＤ法、スパッタ
リング法、真空蒸着法等を用いることができる。
に形成しておき、この薄膜の上に柱状凸部を形成しても
よい。本発明において、薄膜を堆積させる方法は、特に
限定されるものではなく、例えば、ＣＶＤ法、スパッタ
リング法、真空蒸着法等を用いることができる。
【００１３】本発明において、柱状凸部の領域における
薄膜の平均膜厚βは、１〜２０μｍ程度であることが好
ましい。本発明において用いる活物質は、特に限定され
るものではなく、充放電によりその体積が膨張収縮する
活物質に対して本発明は有効に用いることができる。リ
チウム二次電池の場合、リチウムと合金化することによ
りリチウムを吸蔵する物質が好ましく用いられる。例え
ば、シリコン、ゲルマニウム、錫、鉛、亜鉛、マグネシ
ウム、ナトリウム、アルミニウム、カリウム、インジウ
ムなどが挙げられる。これらの中でも、特にシリコンが
その高い理論容量から好ましく用いられる。シリコン
は、非晶質シリコンまたは微結晶シリコンであることが
好ましい。
薄膜の平均膜厚βは、１〜２０μｍ程度であることが好
ましい。本発明において用いる活物質は、特に限定され
るものではなく、充放電によりその体積が膨張収縮する
活物質に対して本発明は有効に用いることができる。リ
チウム二次電池の場合、リチウムと合金化することによ
りリチウムを吸蔵する物質が好ましく用いられる。例え
ば、シリコン、ゲルマニウム、錫、鉛、亜鉛、マグネシ
ウム、ナトリウム、アルミニウム、カリウム、インジウ
ムなどが挙げられる。これらの中でも、特にシリコンが
その高い理論容量から好ましく用いられる。シリコン
は、非晶質シリコンまたは微結晶シリコンであることが
好ましい。
【００１４】本発明においては、集電体の両面に活物質
からなる薄膜が堆積して形成されていてもよい。
からなる薄膜が堆積して形成されていてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例に基づいて
さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら
限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲に
おいて適宜変更して実施することが可能なものである。
さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら
限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲に
おいて適宜変更して実施することが可能なものである。
【００１６】（実施例１）
［電極の作製］集電体として電解銅箔（厚さ２６μｍ）
を用いた。集電体上に、予めアルカリ溶液に溶解するイ
ンクを用いて、図３に示すパターンを印刷した。図３に
示すパターンにおいて、円形部分にはインクが存在して
おらず、円形部分以外の領域にインクが存在している。
円形部分の半径はｒであり、円形部分の中心間の距離は
ａである。パターンとしては、表１に示すようなｒ及び
ａを有する８種類のパターンを形成した。パターンの厚
みは２０μｍとした。
を用いた。集電体上に、予めアルカリ溶液に溶解するイ
ンクを用いて、図３に示すパターンを印刷した。図３に
示すパターンにおいて、円形部分にはインクが存在して
おらず、円形部分以外の領域にインクが存在している。
円形部分の半径はｒであり、円形部分の中心間の距離は
ａである。パターンとしては、表１に示すようなｒ及び
ａを有する８種類のパターンを形成した。パターンの厚
みは２０μｍとした。
【００１７】上記のようにパターンを形成した集電体の
上に、活物質であるシリコン薄膜を以下のようにして形
成した。４インチの単結晶シリコンをターゲットとして
用い、ＲＦマグネトロンスパッタ装置により集電体上に
活物質を堆積させた。集電体は、真空チャンバー内に設
けられた回転式ドラムに固定し、真空チャンバーは、そ
の内部を８×１０-4Ｐａ以下になるまで真空引きした。
次に、アルゴンガスを導入口から５０ｓｃｃｍの流量で
導入ながらスパッタリングを開始した。ＲＦ電力は３５
０Ｗとした。薄膜は、厚み１０μｍとなるように形成し
た。
上に、活物質であるシリコン薄膜を以下のようにして形
成した。４インチの単結晶シリコンをターゲットとして
用い、ＲＦマグネトロンスパッタ装置により集電体上に
活物質を堆積させた。集電体は、真空チャンバー内に設
けられた回転式ドラムに固定し、真空チャンバーは、そ
の内部を８×１０-4Ｐａ以下になるまで真空引きした。
次に、アルゴンガスを導入口から５０ｓｃｃｍの流量で
導入ながらスパッタリングを開始した。ＲＦ電力は３５
０Ｗとした。薄膜は、厚み１０μｍとなるように形成し
た。
【００１８】以上のようにして集電体の片面上にシリコ
ン薄膜を形成した後、５０℃に加熱した１重量％ＮａＯ
Ｈ水溶液に５分間浸漬させて、集電体上のパターンを溶
解させた。これにより、パターン上に形成されたシリコ
ン薄膜を除去し、集電体上に円柱形状を有する柱状凸部
を形成した。このようにして形成した柱状凸部が、所定
のパターンに対応した形状であることを光学顕微鏡によ
り観察して確認した。
ン薄膜を形成した後、５０℃に加熱した１重量％ＮａＯ
Ｈ水溶液に５分間浸漬させて、集電体上のパターンを溶
解させた。これにより、パターン上に形成されたシリコ
ン薄膜を除去し、集電体上に円柱形状を有する柱状凸部
を形成した。このようにして形成した柱状凸部が、所定
のパターンに対応した形状であることを光学顕微鏡によ
り観察して確認した。
【００１９】以上のようにして柱状凸部を有する薄膜を
形成した集電体を、２ｃｍ×２ｃｍの大きさに切り取
り、表１に示すように電極１〜８とした。比較例とし
て、上記のパターンを印刷しない集電体を用い、上記と
同様にしてシリコン薄膜をその厚みが６μｍとなるよう
に形成し、上記と同様にして比較例の電極とした。
形成した集電体を、２ｃｍ×２ｃｍの大きさに切り取
り、表１に示すように電極１〜８とした。比較例とし
て、上記のパターンを印刷しない集電体を用い、上記と
同様にしてシリコン薄膜をその厚みが６μｍとなるよう
に形成し、上記と同様にして比較例の電極とした。
【００２０】［充放電特性の測定］上記で得られた電極
１〜８及び比較例の電極を作用極として用い、試験セル
を作製した。対極及び参照極としては、金属リチウムを
用いた。また、電解液としては、エチレンカーボネート
とジメチルカーボネートとの等体積混合溶媒に、ＬｉＰ
Ｆ6を１モル／リットル溶解した電解液を用いた。この
単極式試験セルにおいては、作用極の還元を充電とし、
酸化を放電としている。
１〜８及び比較例の電極を作用極として用い、試験セル
を作製した。対極及び参照極としては、金属リチウムを
用いた。また、電解液としては、エチレンカーボネート
とジメチルカーボネートとの等体積混合溶媒に、ＬｉＰ
Ｆ6を１モル／リットル溶解した電解液を用いた。この
単極式試験セルにおいては、作用極の還元を充電とし、
酸化を放電としている。
【００２１】上記の各試験セルについて、２５℃にて充
放電試験を行った。電極１〜８については４ｍＡの定電
流で、比較例の電極については２ｍＡの定電流で、参照
極を基準とする電位が０Ｖに達するまで充電した後、
２．０Ｖに達するまで放電した。これを１サイクルの充
放電とし、１０サイクルの充放電を行った。１０サイク
ル目の放電容量、及び１０サイクル目の電極厚みをそれ
ぞれ測定した。電極厚みはマイクロメータで測定した。
放電試験を行った。電極１〜８については４ｍＡの定電
流で、比較例の電極については２ｍＡの定電流で、参照
極を基準とする電位が０Ｖに達するまで充電した後、
２．０Ｖに達するまで放電した。これを１サイクルの充
放電とし、１０サイクルの充放電を行った。１０サイク
ル目の放電容量、及び１０サイクル目の電極厚みをそれ
ぞれ測定した。電極厚みはマイクロメータで測定した。
【００２２】表１は、電極１〜８の作製に用いたパター
ンのｒ及びａのサイズを示している。
ンのｒ及びａのサイズを示している。
【００２３】
【表１】
【００２４】表１に示すＳ１は、パターンにおける円形
部分の面積の比率を示している。Ｓ１は、以下の式から
求めることができる。 Ｓ１＝πｒ2／（√３ａ2／２） 表１におけるＳ１／Ｎ中のＮは、１ｍ2あたりの円形部
分の個数を示している。Ｎは、以下の式により計算する
ことができる。
部分の面積の比率を示している。Ｓ１は、以下の式から
求めることができる。 Ｓ１＝πｒ2／（√３ａ2／２） 表１におけるＳ１／Ｎ中のＮは、１ｍ2あたりの円形部
分の個数を示している。Ｎは、以下の式により計算する
ことができる。
【００２５】Ｎ＝１／（√３ａ2／２）×１０-12
従って、Ｓ１／Ｎは、以下の式により計算することがで
きる。 Ｓ１／Ｎ＝πｒ2×１０-12 上述のように、集電体上に形成した柱状凸部は、パター
ンの円形部分に対応して形成されている。従って、集電
体上に形成された柱状凸部の半径はｒであり、また柱状
凸部の中心間の距離はａである。従って、柱状凸部の底
部における膜面方向の断面積は、上記パターンの円形部
分の面積に対応しており、Ｓ１は、柱状凸部の底部にお
ける膜面方向の断面積が電極面積に対して占める面積比
率となる。また、Ｎは、１ｍ2あたりの柱状凸部の個数
となる。従って、Ｓ１／Ｎは、柱状凸部１つの底部にお
ける膜面方向の断面積（単位：ｍ2）を示している。
きる。 Ｓ１／Ｎ＝πｒ2×１０-12 上述のように、集電体上に形成した柱状凸部は、パター
ンの円形部分に対応して形成されている。従って、集電
体上に形成された柱状凸部の半径はｒであり、また柱状
凸部の中心間の距離はａである。従って、柱状凸部の底
部における膜面方向の断面積は、上記パターンの円形部
分の面積に対応しており、Ｓ１は、柱状凸部の底部にお
ける膜面方向の断面積が電極面積に対して占める面積比
率となる。また、Ｎは、１ｍ2あたりの柱状凸部の個数
となる。従って、Ｓ１／Ｎは、柱状凸部１つの底部にお
ける膜面方向の断面積（単位：ｍ2）を示している。
【００２６】表２は、上記試験セルの１０サイクル目の
放電容量を示している。また、表２には、１０サイクル
後の電極の厚み、電極厚み増加率、及び放電容量で規格
した電極厚み増加率を示している。
放電容量を示している。また、表２には、１０サイクル
後の電極の厚み、電極厚み増加率、及び放電容量で規格
した電極厚み増加率を示している。
【００２７】表２において、充放電サイクル後の電極厚
みは、１０サイクル後の電極厚みである。電極厚み増加
率は、１０サイクル後の電極厚みから充電前の電極厚み
を引いた値である。電極１〜８の充電前の電極厚みは、
いずれも３６μｍであった。また、比較例の電極の充電
前の電極厚みは、３２μｍであった。
みは、１０サイクル後の電極厚みである。電極厚み増加
率は、１０サイクル後の電極厚みから充電前の電極厚み
を引いた値である。電極１〜８の充電前の電極厚みは、
いずれも３６μｍであった。また、比較例の電極の充電
前の電極厚みは、３２μｍであった。
【００２８】放電容量で規格化した電極厚み増加率は、
上記の電極厚み増加率を放電容量で割った値である。
上記の電極厚み増加率を放電容量で割った値である。
【００２９】
【表２】
【００３０】図４は、表２に示すＳ１と放電容量で規格
化した電極厚み増加率との関係を示す図である。図４か
ら明らかなように、放電容量で規格化した電極厚み増加
率が１００％／ｍＡｈとなるのは、Ｓ１が０．２≦Ｓ１
≦０．８の範囲内となるときである。従って、Ｓ１をこ
のような範囲内とすることにより、充放電による集電体
のしわの発生を抑制し、かつ体積エネルギー密度の高い
二次電池用電極とすることができる。
化した電極厚み増加率との関係を示す図である。図４か
ら明らかなように、放電容量で規格化した電極厚み増加
率が１００％／ｍＡｈとなるのは、Ｓ１が０．２≦Ｓ１
≦０．８の範囲内となるときである。従って、Ｓ１をこ
のような範囲内とすることにより、充放電による集電体
のしわの発生を抑制し、かつ体積エネルギー密度の高い
二次電池用電極とすることができる。
【００３１】また、図４と表１から明らかなように、Ｓ
１／Ｎ、すなわち柱状凸部１つの底部における膜面方向
の断面積を２×１０-7ｍ2以下とすることにより、充放
電による集電体のしわの発生を抑制し、かつ体積エネル
ギー密度を高めることができる。さらに、柱状凸部１つ
の底部における膜面方向の断面積を７×１０-10ｍ2以上
とすることが好ましいことがわかる。
１／Ｎ、すなわち柱状凸部１つの底部における膜面方向
の断面積を２×１０-7ｍ2以下とすることにより、充放
電による集電体のしわの発生を抑制し、かつ体積エネル
ギー密度を高めることができる。さらに、柱状凸部１つ
の底部における膜面方向の断面積を７×１０-10ｍ2以上
とすることが好ましいことがわかる。
【００３２】（実施例２）
［電極の作製］実施例１と同様の集電体を用い、予めこ
の集電体の上に、実施例１と同様の条件で、厚さ３μ
ｍ、５μｍ、及び８μｍの下地層となるシリコン薄膜を
形成した。次に、このシリコン薄膜の上に、実施例１と
同様にして、表１に示す電極４と同じパターンを印刷し
た。さらに、この上に、実施例１と同様の条件でシリコ
ン薄膜を形成した。シリコン薄膜の厚みは、合計で１０
μｍとなるように形成した。従って、下地層として厚さ
３μｍのシリコン薄膜を形成したものについては、厚さ
７μｍのシリコン薄膜を形成し、下地層として厚さ５μ
ｍのシリコン薄膜を形成したものについては、厚さ５μ
ｍのシリコン薄膜を形成し、下地層として厚さ８μｍの
シリコン薄膜を形成したものについては、厚さ２μｍの
シリコン薄膜を形成した。
の集電体の上に、実施例１と同様の条件で、厚さ３μ
ｍ、５μｍ、及び８μｍの下地層となるシリコン薄膜を
形成した。次に、このシリコン薄膜の上に、実施例１と
同様にして、表１に示す電極４と同じパターンを印刷し
た。さらに、この上に、実施例１と同様の条件でシリコ
ン薄膜を形成した。シリコン薄膜の厚みは、合計で１０
μｍとなるように形成した。従って、下地層として厚さ
３μｍのシリコン薄膜を形成したものについては、厚さ
７μｍのシリコン薄膜を形成し、下地層として厚さ５μ
ｍのシリコン薄膜を形成したものについては、厚さ５μ
ｍのシリコン薄膜を形成し、下地層として厚さ８μｍの
シリコン薄膜を形成したものについては、厚さ２μｍの
シリコン薄膜を形成した。
【００３３】その後、実施例１と同様にして、アルカリ
水溶液に浸漬して、パターンを除去し、柱状凸部を形成
した。実施例１と同様にして、２ｃｍ×２ｃｍの大きさ
に切り出し、電極９〜１１とした。
水溶液に浸漬して、パターンを除去し、柱状凸部を形成
した。実施例１と同様にして、２ｃｍ×２ｃｍの大きさ
に切り出し、電極９〜１１とした。
【００３４】図１は、以上のようにして形成した電極を
示す模式的断面図である。集電体１の上には下地層２と
してのシリコン薄膜が形成されており、この下地層２の
上に、柱状凸部３となるシリコン薄膜が形成されてい
る。αは下地層２のシリコン薄膜の平均膜厚を示してお
り、βは柱状凸部の領域におけるシリコン薄膜の平均膜
厚を示している。βは、下地層２の平均膜厚に、柱状凸
部３の平均膜厚を合計した値である。３ａは、柱状凸部
３の底部を示している。この底部３ａにおける膜方向の
断面積が上記のＳ１／Ｎとなる。
示す模式的断面図である。集電体１の上には下地層２と
してのシリコン薄膜が形成されており、この下地層２の
上に、柱状凸部３となるシリコン薄膜が形成されてい
る。αは下地層２のシリコン薄膜の平均膜厚を示してお
り、βは柱状凸部の領域におけるシリコン薄膜の平均膜
厚を示している。βは、下地層２の平均膜厚に、柱状凸
部３の平均膜厚を合計した値である。３ａは、柱状凸部
３の底部を示している。この底部３ａにおける膜方向の
断面積が上記のＳ１／Ｎとなる。
【００３５】［充放電特性の測定］電極９〜１１を作用
極として用いて、実施例１と同様にして試験セルを作製
し、充放電試験を行った。実施例１と同様にして、各電
極について放電容量で規格化した電極厚み増加率を求
め、表３に示した。なお、表３には、実施例１における
電極４及び比較例の値も併せて示している。
極として用いて、実施例１と同様にして試験セルを作製
し、充放電試験を行った。実施例１と同様にして、各電
極について放電容量で規格化した電極厚み増加率を求
め、表３に示した。なお、表３には、実施例１における
電極４及び比較例の値も併せて示している。
【００３６】
【表３】
【００３７】図５は、表３に示すα／βと放電容量で規
格化した電極厚み増加率との関係を示す図である。図５
から明らかなように、α／βが０≦α／β≦０．６の範
囲内であれば、充放電による集電体のしわの発生を抑制
することができ、かつ体積エネルギー密度を高めること
ができる。また、α／βは、０≦α／β≦０．５の範囲
内であることがさらに好ましいことがわかる。
格化した電極厚み増加率との関係を示す図である。図５
から明らかなように、α／βが０≦α／β≦０．６の範
囲内であれば、充放電による集電体のしわの発生を抑制
することができ、かつ体積エネルギー密度を高めること
ができる。また、α／βは、０≦α／β≦０．５の範囲
内であることがさらに好ましいことがわかる。
【００３８】上記の実施例においては、リフトオフプロ
セスにより柱状凸部を形成しているが、本発明はこれに
限定されるものではない。また、柱状凸部の形状は特に
限定されるものではなく、例えば、図２に示すような円
錐台形状の柱状凸部３であってもよい。このような場
合、円錐台形状の柱状凸部３の底部３ａにおける膜面方
向の断面積が、上記本発明の範囲内であることを満たせ
ばよい。
セスにより柱状凸部を形成しているが、本発明はこれに
限定されるものではない。また、柱状凸部の形状は特に
限定されるものではなく、例えば、図２に示すような円
錐台形状の柱状凸部３であってもよい。このような場
合、円錐台形状の柱状凸部３の底部３ａにおける膜面方
向の断面積が、上記本発明の範囲内であることを満たせ
ばよい。
【００３９】また、上記実施例においては、活物質の薄
膜としてシリコン薄膜を例示して説明したが、本発明は
これに限定されるものではなく、充放電により体積が膨
張収縮する活物質薄膜に対して、本発明を適用すること
ができる。
膜としてシリコン薄膜を例示して説明したが、本発明は
これに限定されるものではなく、充放電により体積が膨
張収縮する活物質薄膜に対して、本発明を適用すること
ができる。
【００４０】また、上記実施例では、リチウム二次電池
の例を示したが、本発明は、リチウム以外のアルカリ金
属及びアルカリ土類金属を吸蔵・放出する電極に対して
も適用することができるものである。
の例を示したが、本発明は、リチウム以外のアルカリ金
属及びアルカリ土類金属を吸蔵・放出する電極に対して
も適用することができるものである。
【００４１】
【発明の効果】本発明によれば、充放電による集電体の
しわの発生を抑制することができ、充放電サイクル特性
に優れ、かつ体積エネルギー密度の高い二次電池用電極
とすることができる。
しわの発生を抑制することができ、充放電サイクル特性
に優れ、かつ体積エネルギー密度の高い二次電池用電極
とすることができる。
【図１】本発明に従う実施例の二次電池用電極を示す模
式的断面図。
式的断面図。
【図２】本発明に従う他の実施例の二次電池用電極を示
す模式的断面図。
す模式的断面図。
【図３】本発明の実施例で用いた柱状凸部を形成するた
めのパターンを示す平面図。
めのパターンを示す平面図。
【図４】本発明の実施例におけるＳ１と放電容量で規格
化した電極厚み増加率との関係を示す図。
化した電極厚み増加率との関係を示す図。
【図５】本発明の実施例におけるα／βと放電容量で規
格化した電極厚み増加率との関係を示す図。
格化した電極厚み増加率との関係を示す図。
１…集電体
２…下地層となる活物質の薄膜
３…柱状凸部
３ａ…柱状凸部の底部
α…下地層の平均膜厚
β…柱状凸部の領域における薄膜の平均膜厚
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 5H029 AJ03 AJ05 AL11 AM03 AM05
AM07 CJ11 CJ24 CJ25 CJ28
DJ14 DJ18 HJ04 HJ07
5H050 AA07 AA08 BA17 CB11 FA10
FA15 FA20 GA24 GA25 GA27
HA04 HA07
Claims (6)
- 【請求項１】 集電体上に活物質からなる薄膜が堆積し
て形成された二次電池用電極において、 前記薄膜にその周囲より膜厚が厚い複数の柱状凸部が形
成されており、該柱状凸部１つの底部における膜面方向
の断面積が２×１０-7ｍ2以下であることを特徴とする
二次電池用電極。 - 【請求項２】 前記柱状凸部１つの底部における膜面方
向の断面積が７×１０-10ｍ2以上であることを特徴とす
る請求項１に記載の二次電池用電極。 - 【請求項３】 前記柱状凸部の底部における膜面方向の
断面積が電極面積に対して占める面積比率Ｓ１が、０．
２≦Ｓ１≦０．８の範囲内であることを特徴とする請求
項１または２に記載の二次電池用電極。 - 【請求項４】 前記柱状凸部の領域における薄膜の平均
膜厚をβ、前記柱状凸部以外の領域における薄膜の平均
膜厚をαとしたときの比α／βが、０≦α／β≦０．６
の範囲内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
か１項に記載の二次電池用電極。 - 【請求項５】 前記柱状凸部が、前記薄膜を堆積させる
際のリフトオフプロセスにより形成されていることを特
徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の二次電池
用電極。 - 【請求項６】 前記活物質がシリコンを主成分としてい
ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載
の二次電池用電極。
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| JP2003303586A true JP2003303586A (ja) | 2003-10-24 |
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