JP2014038798A - リチウムイオン二次電池の負極構造体及び負極構造体の製造方法 - Google Patents
リチウムイオン二次電池の負極構造体及び負極構造体の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014038798A JP2014038798A JP2012181574A JP2012181574A JP2014038798A JP 2014038798 A JP2014038798 A JP 2014038798A JP 2012181574 A JP2012181574 A JP 2012181574A JP 2012181574 A JP2012181574 A JP 2012181574A JP 2014038798 A JP2014038798 A JP 2014038798A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- negative electrode
- alloy
- electrode structure
- carbon nanotubes
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
【課題】電池容量を高めるとともに、サイクル寿命を向上することができるリチウムイオン二次電池の負極構造体及び負極構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池の負極構造体において、集電層と、集電層に対して垂直の方向に成長したカーボンナノチューブ20とを備え、カーボンナノチューブ20の表面にSn又はSn合金を担持させた。
【選択図】図2
【解決手段】リチウムイオン二次電池の負極構造体において、集電層と、集電層に対して垂直の方向に成長したカーボンナノチューブ20とを備え、カーボンナノチューブ20の表面にSn又はSn合金を担持させた。
【選択図】図2
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池の負極構造体及び負極構造体の製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池の負極には、安定性や寿命等の点から、専ら黒鉛が使用されている。最近では、高出力に対応できるハードカーボンや、リチウムイオンの挿入・脱離に伴うひずみが生じないLTO(Li4Ti5O12)を用いた負極が実用化されている。しかし、これらの負極活物質の比容量は、黒鉛が372mAh/g、ハードカーボンが約400mAh/g、LTOが175mAh/gと小さく、電気自動車等の用途では、比容量がより大きな材料が求められている。Li金属は、3850mAh/gと比容量が大きく、最も卑な電位であるためにセル電圧を高くすることができるほか、レート特性も良好である。しかし、充電時に、Li金属表面にデンドライトが形成され、セパレータを突き破り短絡するおそれがあるため、市販電池では使用されていない。
Snといった負極活物質も、Li金属に匹敵する理論容量を有する。LiとSnとの全反応「4.4Li+Sn→Li4.4Sn」において、Snの重量あたり994mAh/g、Sn体積あたりでは7253mAh/cm3の理論容量となる。これらの理論容量は、黒鉛の重量あたりの理論容量に対し2.7倍、体積あたりの理論容量に対しては8.6倍もの比容量となる。また、Snに対するLiの拡散係数が大きいため、リチウムイオン二次電池の負極活物質として適している。
ところが、Snを負極活物質とした場合、Snへのリチウムイオンの挿入により、Snが約3.6倍もの体積膨張をする。このため、リチウムイオンの挿入及び脱離に伴い、Snが膨張・収縮を繰り返すことにより活物質層が破壊され、集電体から剥離する等して、急激に容量が低下してしまう。
この体積膨張を緩和するために、Snを、Mn,Fe,Co,Ni,Cu等と合金化する方法、炭素とのナノコンポジットを作る方法等の各種方法が提案されている。例えば、特許文献1では、Sn−Co−Cからなるアモルファス負極材料が提案されている。この材料では、炭素のマトリックス中にSn−Coのアモルファスナノ粒子が存在する構造となること、Coとの合金化によりアモルファス構造が維持されることによって電池が長寿命化される。また、非特許文献1では、鋳型法で作製された銅のナノピラー集電体に、Ni3Sn4を電界めっきする構造が提案されている。この方法では、約500mAhの放電容量が200サイクル後でも劣化しないと報告されている。
J.Hassoun et al.,Adv.Master.19,1632,2007
しかし、特許文献1に記載された上記したアモルファス負極材料は、複合体であるため、黒鉛に比べて30%程度の容量増加に留まっている。電池の実用化のためには、比容量等のさらなる向上が必要である。また、非特許文献1に記載された負極構造では、ナノピラー集電体の表面積が小さく、電極として十分な量の活物質を担持することができない。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池容量を高めるとともに、サイクル寿命を向上することができるリチウムイオン二次電池の負極構造体及び負極構造体の製造方法を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、集電層と、前記集電層に対して垂直の方向に成長したカーボンナノチューブとを備え、前記カーボンナノチューブの表面にSn又はSn合金を担持させたことを要旨とする。
請求項1に記載の発明によれば、表面積が大きいカーボンナノチューブにSn又はSn合金を担持したので、活物質としてのSn又はSn合金の担持量が多くなる。このため、電池の容量を高めることができる。また、Sn又はSn合金は、リチウムイオンが挿入及び脱離することで膨張・収縮するが、カーボンナノチューブに担持させることで、必要な担持量を確保しながら薄く担持させることができる。このため、リチウムイオンの挿入・脱離によりひずみが生じても、Sn又はSn合金を厚く担持する場合に比べて、カーボンナノチューブから剥離しにくくすることができる。このため、電池の充放電の繰り返しに伴うサイクル寿命を向上することができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の負極構造体において、前記Sn合金は、Snと、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuのうち少なくとも一つとの合金であることを要旨とする。
請求項2に記載の発明によれば、Snと上記金属のうち少なくとも一つとからなる合金をカーボンナノチューブに担持させることで、Snの体積膨張を吸収することができる。即ち、負極構造体全体として膨張量を少なくすることができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池の負極構造体において、前記カーボンナノチューブに対するSn又はSn合金の重量比は、1以上10以下であることを要旨とする。
請求項3に記載の発明によれば、Sn又はSn合金の重量比が、1以上10以下であるため、担持量を確保しつつ、Sn又はSn合金をカーボンナノチューブに薄く担持させることができる。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の負極構造体において、前記カーボンナノチューブの密度は、1×1010本/cm2以上1×1012本/cm2以下で成長させることを要旨とする。
請求項4に記載の発明によれば、カーボンナノチューブの密度が、1×1010本/cm2以上1×1012本/cm2以下であるため、隣接するカーボンナノチューブの間に間隙を保持しながら、Sn又はSn合金の担持量を大きくすることができる。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の負極構造体において、先端が開口した前記カーボンナノチューブの内側面にSn又はSn合金が担持されたことを要旨とする。
請求項5に記載の発明によれば、カーボンナノチューブの先端が開口しているので、筒状のカーボンナノチューブの内側面にもSn又はSn合金が担持されているので、必要な担持量を確保しつつ、Sn又はSn合金をさらに薄く担持させることができる。
請求項6に記載の発明は、集電層と、前記集電層に対して垂直の方向に成長したカーボンナノチューブとを備えたリチウムイオン二次電池の負極構造体の製造方法において、Cu、Ni、Pt、Au、SUSの少なくとも一つからなる金属箔に対し、カーボンナノチューブを成長させる工程と、前記カーボンナノチューブに、Sn又はSn合金を電界めっきにより担持させる工程とを有することを要旨とする。
請求項6に記載の発明によれば、カーボンナノチューブにSn又はSn合金を電気めっきにより担持させるので、カーボンナノチューブに対し濡れ性が小さいSn又はSn合金であっても、めっき液をカーボンナノチューブの間に浸透させることで、Sn又はSn合金を担持させることができる。
以下、本発明のリチウムイオン二次電池の負極構造体及び負極構造体の製造方法を具体化した一実施形態を図1〜図3にしたがって説明する。
図1に示すように、リチウムイオン二次電池の負極構造体10は、負極活物質として、カーボンナノチューブを用いている。カーボンナノチューブ20を負極活物質とする負極構造体10は、金属等からなる基材11と、基材11上に形成された集電層12とを有している。この集電層12は、Cu、Ni、Pt、Au、SUS等からなる箔状の金属層からなり、その厚さは、10μm以上100μm以下である。
図1に示すように、リチウムイオン二次電池の負極構造体10は、負極活物質として、カーボンナノチューブを用いている。カーボンナノチューブ20を負極活物質とする負極構造体10は、金属等からなる基材11と、基材11上に形成された集電層12とを有している。この集電層12は、Cu、Ni、Pt、Au、SUS等からなる箔状の金属層からなり、その厚さは、10μm以上100μm以下である。
また集電層12には、Alからなる下地層13が積層され、集電層12の銅が上層側に拡散するのを抑制している。この下地層13に替えて、例えばTi,Ni,Pt等といったAl以外の金属の層を設けた場合、それらの金属層は集電層12との密着性が低く、Cuに対するバリア機能を有する層が形成できないか、若しくは形成しても剥離してしまう。このため、集電層12と中間層15との間に介在する金属層は、バリア機能及びCuとの密着性の上で、Alが好ましい。
さらに下地層13には、該下地層13に比べ膜厚が小さい中間層15が積層されている。この中間層15は、Al,Ti,V,Mo及びTaといった遷移金属、及びそれら遷移金属の窒化物のうち、少なくとも一つからなる。即ち、中間層15を、上記遷移金属単体、又は複数の遷移金属から形成してもよいし、上記遷移金属の窒化物単体又は複数の窒化物から形成してもよい。或いは、上記遷移金属の少なくとも一つと、上記遷移金属の窒化物の少なくとも一つを組み合わせて形成してもよい。
中間層15には、鉄(Fe)からなる触媒層16が積層されている。この触媒層16は、加熱により触媒金属が凝集した微粒子16Pから構成されている。この触媒層16の触媒機能は、中間層15によって、より向上される。
そして、触媒層16の上には、カーボンナノチューブ層21が形成されている。カーボンナノチューブ層21は、微粒子16Pを核として成長した多数のカーボンナノチューブ20から構成されている。カーボンナノチューブ20は、グラファイト構造を有する有蓋筒状を呈し、その長手方向が、中間層15の主面に対して垂直となるように配向している。このカーボンナノチューブ20は、2層以上のグラファイト層によって構成される、いわゆるマルチウォールナノチューブ(MWNT)であって、その直径は、1nm以上50nm以下の範囲に含まれ、長さは100μm以上500μm以下である。
図2に示すように、カーボンナノチューブ20には、Sn又はSn合金からなるSn含有層22が設けられている。Sn含有層22のSn又はSn合金は、カーボンナノチューブ20の網目状のグラフェン構造の孔を完全には埋めない程度に担持されている。Sn合金は、Snと、Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cuのうち少なくとも一つとからなる。また、カーボンナノチューブ20に対するSn又はSn合金の重量比は、1以上10以下が好ましく、1/3以上5以下がより好ましい。Sn又はSn合金の重量比を上記比率にすることにより、Sn又はSn合金の担持量を電池容量を向上可能な量にするとともに、Sn又はSn合金をカーボンナノチューブに薄く担持させることができる。このようにSn又はSn合金が担持されたカーボンナノチューブ20は、隣接するカーボンナノチューブ20に対し、間隙Gを設けた状態で形成されている。
また、カーボンナノチューブ20にSn単体ではなくSn合金を担持させる場合、Cr等の金属はリチウムイオンが吸蔵されても膨張しないため、リチウムイオンの吸蔵によりSnが膨張したとしても、Sn含有層22全体として膨張量を抑制することができる。
この積層構造を有する負極構造体10は、例えばリチウムやコバルト酸リチウム等のリチウム化合物を用いた正極構造体、セパレータ及び電解液とともにケース等に封入される。電解液は特に限定されないが、例えばテトラヒドラフラン、グライム、ジグライム、テトラグライム等のエーテル系電解液、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート等のエステル系電解液や、それらの混合液を用いることができる。また溶質として、6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、4フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、トリフルオロメチルスルホン酸(LiTFS)、リチウムビストリフルオロメタンスルホニルイミド(LiTFSI)、リチウムビスペンタフルオロエタンスルホニルイミド(LiBETI)等が使用できる。
次に、負極構造体10がリチウムイオン二次電池の負極として用いられた際の作用について説明する。図2に示すように、充放電時には、正極構造体からリチウムイオンIが放出され、該リチウムイオンIが、負極構造体10との間で移動することにより電池反応が進行する。充電時には、正極構造体から放出されたリチウムイオンの一部が、負極構造体10側へ移動し、互いに隣接する各カーボンナノチューブ20の間の間隙G等に吸蔵される。また、カーボンナノチューブ20の網目構造を介して、カーボンナノチューブ20の内側に出入りする。リチウムイオンIの移動経路を確保するために、カーボンナノチューブ20の間隙Gは、リチウムイオンが移動可能な幅を有する必要がある。一方、カーボンナノチューブ20の本数が少ない場合には、リチウムイオンの吸蔵量が低下する。従って、リチウムイオンの移動性と吸蔵量とを両立するために、負極構造体10(触媒層16)の単位面積当たりの本数は、1×1010本/cm2以上1×1012本/cm2としている。
このように、リチウムイオンIの移動経路は、少なくとも間隙Gの長手方向、即ちカーボンナノチューブ20の長手方向に沿って確保されているため、リチウムイオンIが吸蔵されやすく、放出されやすい。このため、リチウムイオンの吸蔵量や移動性に左右される電池容量が高められる。一方、黒鉛、コークス、炭素繊維等を負極活物質として用いる場合には、負極構造体内で、活物質が分散した状態となるため、電気抵抗が増大し、移動性が低下してしまう。
また、カーボンナノチューブ20に担持されたSn含有層22が厚いと、リチウムイオンIがSn含有層22に拡散するのに時間が掛かる。この場合、Sn含有層22の表層はリチウムイオンIが吸蔵されることにより膨張し、底層はリチウムイオンIが到達しないため膨張しない状態となり、上層と底層との間のひずみにより、Sn含有層22内にクラックが発生する可能性がある。また、Sn含有層22が厚い場合には、リチウムイオンIの吸蔵に時間がかかることから、ひずみが局部的に生じることがある。そして充放電に伴うリチウムイオンIの吸蔵及び脱離によりSn含有層22が膨張・収縮を繰り返すため、内部に生じたクラックや局部的なひずみ等によってSn含有層22が微粉化して剥離することがある。
一方、本実施形態ではSn含有層22はカーボンナノチューブ20に対して薄く担持されているため、リチウムイオンIがSn含有層22の厚み方向全体に速やかに吸蔵されやすい。このため、Sn含有層22が膨張しても、全体的に等しく膨張するため、クラックが生じ難い。従って、Sn含有層22が膨張・収縮を繰り返したとしても、カーボンナノチューブ20から剥離しにくい。
次に、リチウムイオン二次電池の製造方法について説明する。まず基材11に対して集電層12を積層する集電層成膜工程を行う。集電層12は、電子ビーム蒸着等の各種蒸着方法や、スパッタ等を含む物理気相成長法、熱CVD等の化学気相成長法により形成可能である。
集電層12が形成されると、下地層成膜工程を行う。下地層13は、電子ビーム蒸着等の各種蒸着方法や、スパッタ等を含む物理気相成長法、熱CVD等の化学気相成長法により形成可能である。
下地層成膜工程が完了すると、中間層成膜工程を行う。中間層15は、上記したように触媒層16の触媒機能を向上させ、カーボンナノチューブ20の成長を促進するために設けられている。その具体的な作用は、カーボンナノチューブ20の原料となる炭素含有ガスの分解を促すため、又は触媒層16を構成するFeへの炭素含有ガスへの溶解を促すためと推測される。この中間層15は、電子ビーム蒸着等の各種蒸着方法や、スパッタ等を含む物理気相成長法、熱CVD等の化学気相成長法により形成可能である。この中間層15は、図3(a)に示すように、下地層13上に島状(又は間欠的)に成膜されるが、その機能は十分に確保される。
中間層成膜工程を完了すると、基材11、集電層12、下地層13及び中間層15からなる積層体L1(図3(a)参照)に対し、触媒層成膜工程を行う。Feからなる触媒層16は、電子ビーム蒸着等の各種蒸着方法や、スパッタ等を含む物理気相成長法、熱CVD等の化学気相成長法により形成可能である。その結果、図3(b)に示すように、平面状の触媒層16が形成される。
触媒層形成工程が完了すると、その積層体L2を加熱する加熱工程を行う。この際、積層体L2は、触媒層16を形成するための装置から、カーボンナノチューブ20を形成する装置である熱CVD装置に搬送される。装置内に搬送された積層体L2は、不活性ガス(例えばAr)の供給により所定圧力(例えば1000Pa)に調整された反応室内で、Feの凝集温度(300℃〜400℃)以上に加熱される。その結果、図3(c)に示すように、Feが凝集して、多数の微粒子16Pからなる触媒層16が形成される。
加熱工程が完了すると、熱CVD法により、カーボンナノチューブ形成工程を行う。この工程では、600℃以上800℃以下のカーボンナノチューブ成長温度に反応室内を加熱しつつ、アセチレン(C2H2)ガス等、カーボンナノチューブ20の原料となる炭素含有ガスを、Ar等の希釈ガスによって希釈して反応室内に供給する。
反応室内に炭素含有ガス及び希釈ガスを供給すると、積層体の触媒層16上で、炭素含有ガスが熱分解される。原料ガスの熱分解によって生成された炭素又は炭素化合物は、微粒子16Pに吸着し、溶解する。そして、微粒子中の炭素の濃度が、微粒子に溶解可能な濃度を超えて過飽和になったとき、微粒子の該表面に炭素が析出して、グラファイト構造を有する有蓋筒状のカーボンナノチューブ20が形成される。
一旦、微粒子の外表面にカーボンナノチューブ20が形成されると、カーボンナノチューブ20の微粒子側の端部に新たな炭素が結合することで、その長手方向にカーボンナノチューブ20が延長される。その結果、図3(d)に示すように、カーボンナノチューブ20が基材11側と反対の方向に伸長していく。このように、カーボンナノチューブ20は、微粒子16Pに沿って形成され且つ成長することから、カーボンナノチューブ20の直径は、微粒子16Pの直径に略等しい大きさになる。
触媒層上にカーボンナノチューブ20を成長させると、そのカーボンナノチューブ20にSn又はSn合金を電界めっきする。ここでは、カーボンナノチューブ20が形成された負極構造体10を、めっき液に浸し、電極に電圧を印加することにより、カーボンナノチューブ20にSn又はSn合金を析出させる。Sn又はSn合金をカーボンナノチューブ20に担持するにあたって、粒状のSn又はSn合金をカーボンナノチューブ層21上に撒き、Sn又はSn合金を溶融する方法も考えられるが、溶融金属は、炭素に対して濡れ性が低く、溶融したSnはカーボンナノチューブ層21に広がりにくい。また、Sn又はSn合金は、無電界めっきすることもできるが、炭素に対しては困難である。従って、電界めっきを用いることで、カーボンナノチューブ20の間隙にもめっき液を浸透させ、その表面に対してほぼ均一にSn含有層22を形成することができる。
このように負極構造体10を製造すると、該負極構造体10と正極構造体とをセパレータを介した状態で対向させてケース内に収容する。また、ケース内に、上記溶媒と溶質からなる電解液を満たし、ケースを封止して密閉状態とする。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)上記実施形態では、表面積が大きいカーボンナノチューブ20にSn又はSn合金からなるSn含有層22を担持したので、活物質としてのSn又はSn合金の担持量を多くすることができる。このため、リチウムイオン二次電池の容量を高めることができる。また、Sn又はSn合金は、リチウムイオンが挿入及び脱離することで膨張・収縮するが、カーボンナノチューブ20に担持させることで、担持量を確保しながら薄く担持させることができる。このため、リチウムイオンの挿入・脱離によりひずみが生じても、Sn又はSn合金を厚く担持させる場合に比べて、カーボンナノチューブ20から剥離しにくくすることができる。このため、電池の充放電の繰り返しに伴うサイクル寿命を向上することができる。
(1)上記実施形態では、表面積が大きいカーボンナノチューブ20にSn又はSn合金からなるSn含有層22を担持したので、活物質としてのSn又はSn合金の担持量を多くすることができる。このため、リチウムイオン二次電池の容量を高めることができる。また、Sn又はSn合金は、リチウムイオンが挿入及び脱離することで膨張・収縮するが、カーボンナノチューブ20に担持させることで、担持量を確保しながら薄く担持させることができる。このため、リチウムイオンの挿入・脱離によりひずみが生じても、Sn又はSn合金を厚く担持させる場合に比べて、カーボンナノチューブ20から剥離しにくくすることができる。このため、電池の充放電の繰り返しに伴うサイクル寿命を向上することができる。
(2)上記実施形態では、Snと、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuのうち少なくとも一つとの合金をカーボンナノチューブ20に担持させた。このため、Snへのリチウムイオン挿入に伴う体積膨張を他の金属によって緩和することができる。即ち、負極構造体全体として膨張量を少なくし、カーボンナノチューブ20からの剥離を抑制することができる。
(3)上記実施形態では、Sn又はSn合金の重量比が、1以上10以下であるため、カーボンナノチューブ20への担持量を確保しつつ、Sn又はSn合金をカーボンナノチューブ20に薄く担持させることができる。
(4)上記実施形態では、カーボンナノチューブ20の密度を、1×1010本/cm2以上1×1012本/cm2以下としたため、隣接するカーボンナノチューブの間に間隙を保持しながら、Sn又はSn合金の担持量を大きくすることができる。
(5)上記実施形態では、カーボンナノチューブ20に対し、Sn又はSn合金を電気めっきにより担持させた。このため、カーボンナノチューブ20に対し濡れ性が小さいSn又はSn合金であっても、めっき液をカーボンナノチューブの間に浸透させることで、カーボンナノチューブ20全体に、Sn又はSn合金を担持させることができる。
尚、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・図4に示すように、触媒層16の上に形成されたカーボンナノチューブ20の先端は、開端処理されることにより、開口している。この負極構造体10は、充電時には、リチウムイオンの一部は、カーボンナノチューブ20の間隙に吸蔵され、別の一部はカーボンナノチューブ20の開口を介して、カーボンナノチューブ20内の空間に吸蔵される。このチューブ内の空間に吸蔵されたリチウムイオンは、放電時には、開口を介して、正極側に移動する。カーボンナノチューブ20の先端を開口とする場合には、触媒層16の上にカーボンナノチューブ20を成長させた後、大気中550℃以上で5分間熱処理を行って開端処理する。或いは、O2プラズマアッシングを行ってもよい。
・図4に示すように、触媒層16の上に形成されたカーボンナノチューブ20の先端は、開端処理されることにより、開口している。この負極構造体10は、充電時には、リチウムイオンの一部は、カーボンナノチューブ20の間隙に吸蔵され、別の一部はカーボンナノチューブ20の開口を介して、カーボンナノチューブ20内の空間に吸蔵される。このチューブ内の空間に吸蔵されたリチウムイオンは、放電時には、開口を介して、正極側に移動する。カーボンナノチューブ20の先端を開口とする場合には、触媒層16の上にカーボンナノチューブ20を成長させた後、大気中550℃以上で5分間熱処理を行って開端処理する。或いは、O2プラズマアッシングを行ってもよい。
・上記実施形態では、基材11を金属から形成したが、セラミックス、シリコン基材、耐熱性を有する樹脂等、他の材料から構成してもよい。
・上記実施形態では、カーボンナノチューブ20は、マルチウォールナノチューブとしたが、シングルウォールナノチューブとしてもよい。
・上記実施形態では、カーボンナノチューブ20は、マルチウォールナノチューブとしたが、シングルウォールナノチューブとしてもよい。
・上記実施形態では、基材11の上に集電層12を形成したが、集電層を有する金属板からなるケースに、集電層12を除く負極構造体10を形成してもよい。
・上記各実施形態では、基材11に、集電層12、下地層13、中間層15、触媒層16、カーボンナノチューブ層21を順に積層したが、下地層13と中間層15とを同じ金属(例えばAl)等から構成してもよいし、中間層15を省略しても良い。また、下地層13を省略した構成としてもよい。
(実施例)
以下に、上記実施形態の一実施例を説明する。
(実施例1)
まず集電層として、0.05mm厚のCu箔を、直径14mmの円形の電極形状に加工した。この集電層に対し、電子ビーム蒸着により、Alからなる下地層及び中間層と、Feからなる触媒層とを成膜した。下地層及び中間層は5nm、触媒層は、5nmとした。
・上記各実施形態では、基材11に、集電層12、下地層13、中間層15、触媒層16、カーボンナノチューブ層21を順に積層したが、下地層13と中間層15とを同じ金属(例えばAl)等から構成してもよいし、中間層15を省略しても良い。また、下地層13を省略した構成としてもよい。
(実施例)
以下に、上記実施形態の一実施例を説明する。
(実施例1)
まず集電層として、0.05mm厚のCu箔を、直径14mmの円形の電極形状に加工した。この集電層に対し、電子ビーム蒸着により、Alからなる下地層及び中間層と、Feからなる触媒層とを成膜した。下地層及び中間層は5nm、触媒層は、5nmとした。
さらに、カーボンナノチューブを、CVD装置を用いて下地層及び中間層と触媒層とを介した集電層上に直接形成した。原料ガスは、アセチレンと窒素との混合ガスとし、流量は、アセチレン200sccm、窒素1000sccmとした。成長条件は、温度750℃、1気圧下で5分間とした。ここでカーボンナノチューブ成長前後の基板の重量を測定することでカーボンナノチューブの重量を測定した。
次に、カーボンナノチューブに対する電界めっきを行った。めっき浴として、第1硫酸スズ、硫酸、クレゾールスルホン酸、ゼラチン、及びb−ナフタトールを用い、対極としてSn線を用い、ガルバノスタットで10mA/cm2の電流密度の定電流を供給した。電界めっき前後の重量変化から、カーボンナノチューブに担持されたSnの重量を求めた。カーボンナノチューブ1.41mgに対し、Sn6.16mgを担持することができた。
さらに、このように形成された構造体を正極として用いたハーフセルを作製した。実際の電池では上述した構造体は、負極として用いられるが、上記構造体の特性を調べるために、Li金属を負極とし、上述した負極構造体を正極としてある。電解液をフッ化リン酸リチウム(LiPF6)と、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートを1:1とした溶媒とを用いて作製した。セパレータとして、多孔質ポリプロピレンを用い、グローブボックスの中で2032コインセルを作製した。
図5に、充放電サイクル3回目の充放電曲線を示す。800mAh/gの放電容量が得られている。図6に、充放電サイクル100回までの放電容量のサイクル変化を示す。
(比較例1)
比較例として、40μm厚のCu箔上に、実施例1と同じ方法でSnを電界めっきした。Snの重量は、4.86mgであった。これを正極として実施例1と同じ構成でハーフセルを作製し、充放電サイクルの評価を行った。図7に示すように、700mAh/gの放電容量が得られている。
(比較例1)
比較例として、40μm厚のCu箔上に、実施例1と同じ方法でSnを電界めっきした。Snの重量は、4.86mgであった。これを正極として実施例1と同じ構成でハーフセルを作製し、充放電サイクルの評価を行った。図7に示すように、700mAh/gの放電容量が得られている。
また、図6に示すように、実施例1では、放電サイクル20回で容量は40%まで劣化するものの、比較例1に比べ、3倍の容量維持率を示している。比較例1は、充放電サイクル20回で20%まで急激に劣化している。実施例1は、比較例1に比べ、Snが剥離しにくく、Cu箔上にSnを電界めっきした場合には、Sn膜が微粉化及び剥離して急速な劣化を示したと考えられる。
10…負極構造体、12…集電層、20…カーボンナノチューブ。
Claims (6)
- 集電層と、前記集電層に対して垂直の方向に成長したカーボンナノチューブとを備え、
前記カーボンナノチューブの表面にSn又はSn合金を担持させたことを特徴とするリチウムイオン二次電池の負極構造体。 - 前記Sn合金は、Snと、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuのうち少なくとも一つとの合金である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の負極構造体。
- 前記カーボンナノチューブに対するSn又はSn合金の重量比は、1以上10以下である請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池の負極構造体。
- 前記カーボンナノチューブの密度は、1×1010本/cm2以上1×1012本/cm2以下で成長させる請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の負極構造体。
- 先端が開口した前記カーボンナノチューブの内側面にSn又はSn合金が担持された請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の負極構造体。
- 集電層と、前記集電層に対して垂直の方向に成長したカーボンナノチューブとを備えたリチウムイオン二次電池の負極構造体の製造方法において、
Cu、Ni、Pt、Au、SUSの少なくとも一つからなる金属箔に対し、カーボンナノチューブを成長させる工程と、
前記カーボンナノチューブに、Sn又はSn合金を電界めっきにより担持させる工程とを有する負極構造体の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012181574A JP2014038798A (ja) | 2012-08-20 | 2012-08-20 | リチウムイオン二次電池の負極構造体及び負極構造体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012181574A JP2014038798A (ja) | 2012-08-20 | 2012-08-20 | リチウムイオン二次電池の負極構造体及び負極構造体の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014038798A true JP2014038798A (ja) | 2014-02-27 |
Family
ID=50286769
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012181574A Pending JP2014038798A (ja) | 2012-08-20 | 2012-08-20 | リチウムイオン二次電池の負極構造体及び負極構造体の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2014038798A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015179608A (ja) * | 2014-03-19 | 2015-10-08 | 三菱マテリアル株式会社 | リチウムイオン二次電池用負極活物質及びその製造方法並びに該負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池 |
WO2015190372A1 (ja) * | 2014-06-12 | 2015-12-17 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 光学部材とその製造方法 |
WO2018051925A1 (ja) * | 2016-09-16 | 2018-03-22 | 日本ゼオン株式会社 | 複合体およびリチウムイオン二次電池用負極、並びに複合体の製造方法 |
WO2022055335A1 (ko) * | 2020-09-14 | 2022-03-17 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 전고체 전지용 음극 집전체 및 이를 포함하는 전고체 전지용 음극 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004087213A (ja) * | 2002-08-26 | 2004-03-18 | Hitachi Ltd | 電極,電極の製造方法,蓄電器及び発光素子 |
JP2008077969A (ja) * | 2006-09-21 | 2008-04-03 | Toyota Motor Corp | リチウムイオン二次電池とその製造方法 |
JP2010009837A (ja) * | 2008-06-25 | 2010-01-14 | Furukawa Electric Co Ltd:The | リチウム二次電池用合金負極材料 |
JP2011514631A (ja) * | 2008-02-25 | 2011-05-06 | アンソニー ロジェスキー ロナルド | 高容量電極 |
JP2011151279A (ja) * | 2010-01-25 | 2011-08-04 | Sony Corp | 複合体電極及びこれを用いた電子デバイス |
JP2012512505A (ja) * | 2008-12-12 | 2012-05-31 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | ハイブリッドナノカーボン層を有する3次元電池 |
-
2012
- 2012-08-20 JP JP2012181574A patent/JP2014038798A/ja active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004087213A (ja) * | 2002-08-26 | 2004-03-18 | Hitachi Ltd | 電極,電極の製造方法,蓄電器及び発光素子 |
JP2008077969A (ja) * | 2006-09-21 | 2008-04-03 | Toyota Motor Corp | リチウムイオン二次電池とその製造方法 |
JP2011514631A (ja) * | 2008-02-25 | 2011-05-06 | アンソニー ロジェスキー ロナルド | 高容量電極 |
JP2010009837A (ja) * | 2008-06-25 | 2010-01-14 | Furukawa Electric Co Ltd:The | リチウム二次電池用合金負極材料 |
JP2012512505A (ja) * | 2008-12-12 | 2012-05-31 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | ハイブリッドナノカーボン層を有する3次元電池 |
JP2011151279A (ja) * | 2010-01-25 | 2011-08-04 | Sony Corp | 複合体電極及びこれを用いた電子デバイス |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015179608A (ja) * | 2014-03-19 | 2015-10-08 | 三菱マテリアル株式会社 | リチウムイオン二次電池用負極活物質及びその製造方法並びに該負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池 |
WO2015190372A1 (ja) * | 2014-06-12 | 2015-12-17 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 光学部材とその製造方法 |
JP2016014859A (ja) * | 2014-06-12 | 2016-01-28 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 光学部材とその製造方法 |
GB2542081A (en) * | 2014-06-12 | 2017-03-08 | Nat Inst Advanced Ind Science & Tech | Optical Member and Method for Producing Same |
GB2542081B (en) * | 2014-06-12 | 2021-06-02 | Aist | Optical Member and Method for Producing Same |
WO2018051925A1 (ja) * | 2016-09-16 | 2018-03-22 | 日本ゼオン株式会社 | 複合体およびリチウムイオン二次電池用負極、並びに複合体の製造方法 |
JPWO2018051925A1 (ja) * | 2016-09-16 | 2019-06-27 | 日本ゼオン株式会社 | 複合体およびリチウムイオン二次電池用負極、並びに複合体の製造方法 |
WO2022055335A1 (ko) * | 2020-09-14 | 2022-03-17 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 전고체 전지용 음극 집전체 및 이를 포함하는 전고체 전지용 음극 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Adair et al. | Towards high performance Li metal batteries: Nanoscale surface modification of 3D metal hosts for pre-stored Li metal anodes | |
US20230299291A1 (en) | Energy-Storage Devices Having Electrodes Containing Carbon Nanotubes And Methods of Making Same | |
JP7148150B2 (ja) | 再充電可能なバッテリのための2次元物質によるリチウム金属のパッシベーション | |
JP5851756B2 (ja) | 炭素ナノ構造体、金属担持炭素ナノ構造体、リチウムイオン2次電池、炭素ナノ構造体の製造方法、及び金属担持炭素ナノ構造体の製造方法 | |
US20110104551A1 (en) | Nanotube composite anode materials suitable for lithium ion battery applications | |
Song et al. | A bottom-up synthetic hierarchical buffer structure of copper silicon nanowire hybrids as ultra-stable and high-rate lithium-ion battery anodes | |
US20110281156A1 (en) | Vertically Aligned Carbon Nanotube Augmented lithium Ion Anode for Batteries | |
JP5473576B2 (ja) | シリコン膜およびリチウム二次電池 | |
US10403889B2 (en) | High-capacity silicon nanowire based anode for lithium-ion batteries | |
JP5832729B2 (ja) | 二次電池用電極及び非水電解液電池 | |
Zhao et al. | Growth of Si nanowires in porous carbon with enhanced cycling stability for Li-ion storage | |
JP5997345B2 (ja) | 炭素ナノ構造体、金属担持炭素ナノ構造体及びリチウム二次電池 | |
JP2014038798A (ja) | リチウムイオン二次電池の負極構造体及び負極構造体の製造方法 | |
JP6265561B2 (ja) | リチウム硫黄二次電池用の正極及びその形成方法 | |
JP5766052B2 (ja) | ナトリウムイオン二次電池及びナトリウムイオン二次電池の製造方法 | |
JP5647063B2 (ja) | リチウムイオン二次電池の負極構造及びリチウムイオン二次電池の負極構造の製造方法 | |
US20230125633A1 (en) | Nanoporous electrode | |
CN116888789A (zh) | 人造固体电解质界面层材料及其用途 | |
JP6720762B2 (ja) | リチウムイオン二次電池用負極材料、およびリチウムイオン二次電池 | |
JP5610034B2 (ja) | 二次電池および二次電池用負極 | |
KR102249754B1 (ko) | 전위보호막을 포함하는 이차전지용 전극 구조 및 이의 제조방법 | |
Lu et al. | Low-Dimensional Nanostructures for Silicon-Based Anode Materials in Lithium-Ion Batteries | |
JP6046544B2 (ja) | リチウムイオン電池用電極及びその製造方法と、それを具備するリチウムイオン電池 | |
CN115642370A (zh) | 锂硫电池用夹层材料及其制备方法和应用 | |
JP2010251339A (ja) | 二次電池および二次電池用負極 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150603 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160126 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160127 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20160628 |