JP4911990B2 - リチウム二次電池用負極及びその製造方法並びにリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池用負極及びその製造方法並びにリチウム二次電池 Download PDF

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Description

本発明は、リチウム二次電池用負極及びその製造方法並びに該負極を用いたリチウム二次電池に関するものである。
近年、高出力及び高エネルギー密度の新型二次電池の1つとして、非水電解液を用い、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させて充放電を行うリチウム二次電池が利用されている。
このようなリチウム二次電池用負極として、リチウムと合金化する材料を負極活物質として用いたものが検討されている。特に、シリコンは理論容量が大きく、高い容量を示す電池用負極として有望であり、これらを負極とする種々の二次電池が提案されている。
本出願人は、シリコン等を活物質とし、良好な充放電サイクル特性を示すリチウム二次電池用負極として、CVD法、スパッタリング法、蒸着法などの薄膜形成方法により、集電体上に微結晶または非晶質の薄膜を形成したリチウム二次電池用負極を提案している(例えば、特許文献1など)。
このようなリチウム二次電池用負極においては、活物質薄膜を高速で形成することが製造コストの低減の上で有効である。活物質薄膜の形成方法としては、CVD法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法などの気相から薄膜を形成する方法や、メッキ法のように液相から薄膜を形成する方法などがある。これらの中で、蒸着法は、高い薄膜形成速度を実現できるとともに、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池用負極を実現することができる活物質薄膜の形成方法である(例えば、特許文献2など)。
しかしながら、CVD法、スパッタリング法、蒸着法などの薄膜形成方法によって集電体上にシリコン薄膜を形成して負極を作製した場合、その負極を空気中を放置すると、シリコン薄膜と空気との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面付近へ浸入した空気中の水分による集電体材料の腐食などにより、シリコン薄膜と集電体との密着性の低下が生じる場合がある。また、このような膜応力の変化や、集電体材料の腐食が顕著な場合には、負極からシリコン薄膜の一部が自然剥離する場合もある。
シリコン薄膜と集電体との密着性の低下は、充放電サイクル特性の劣化の原因となり、またシリコン薄膜の自然剥離は、初期充放電容量の低下も引き起こす。
国際公開第01/029912号パンフレット 特開2002−289181号公報
本発明の目的は、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができ、充放電サイクル特性を高めることができるリチウム二次電池用負極及びその製造方法並びに該負極を用いたリチウム二次電池を提供することにある。
本発明のリチウム二次電池用負極の製造方法は、集電体上にシリコンを含む薄膜を備えたリチウム二次電池用負極を製造する方法であり、集電体上にシリコンを含む薄膜を形成する工程と、シリコンを含む薄膜の表面を疎水化処理する工程とを備えることを特徴としている。
本発明の製造方法は、上記本発明のリチウム二次電池用負極を製造することができる方法である。
本発明の製造方法によれば、上記本発明のリチウム二次電池用負極を製造することができ、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができ、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池用負極とすることができる。
本発明の製造方法において、薄膜の少なくとも一部は、電子ビーム蒸着法により形成されることが好ましい。電子ビーム蒸着法などの蒸着法で形成することにより、高い薄膜形成速度を得ることができ、効率的にリチウム二次電池用負極を製造することができる。また、特に蒸着法により形成したリチウム二次電池用負極において、本発明の効果が顕著に得られる。
本発明において、疎水化処理は、シリコンを含む薄膜の表面や内部に存在する親水基を疎水基に置換できるものであれば特に限定され得るものではないが、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも1種を疎水化剤として用いる疎水化処理であることが好ましい。ジシラザン化合物としては、ヘキサメチルジシラザン、テトラメチルジシラザンなどが挙げられる。シラン化合物としては、ピペリジノメチルトリメチルシラン、3−アリールアミノプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。シロキサン化合物としては、ペンタメチル−3−ピペリジノプロピルジシロキサン、ヘキサプロピルジシロキサンなどが挙げられる。シロキシシラン化合物としては、トリス(トリメチルシロキシ)シラン、3−クロロプロピルトリス(トリメチルシロキシ)シランなどが挙げられる。
本発明において、疎水化処理は、ヘキサメチルジシラザン化合物を用いてなされるシリル化処理であることが特に好ましい。ヘキサメチルジラザンを用いてシリル化処理することにより、シリコンを含む薄膜の表面や内部に存在する親水基を簡便かつ効率的に疎水基に置換することができる。
本発明における疎水化処理の方法としては、疎水化処理に用いる疎水化剤を含む液体を塗布する方法、疎水化剤を含む液体中に薄膜を浸漬する方法、疎水化剤の蒸気を含むガス中に薄膜を挿入する方法などが挙げられる。
疎水化剤を付着させる量は、特に限定されるものではなく、上記のように、疎水化剤を含む液体の塗布や液体中への浸漬、あるいは疎水化剤の蒸気を含むガス中への挿入などによって薄膜の表面及び内部に付着する量でよい。
疎水化層における付着量は、このような方法で処理する場合、単分子層〜数分子層の厚みで付着しているものと考えられる。
本発明におけるシリコンを含む薄膜としては、シリコン薄膜及びシリコン合金薄膜などが挙げられる。シリコン合金薄膜としては、コバルトなどとの合金薄膜が挙げられる。シリコンの含有量は50重量%以上であることが好ましい。シリコン薄膜としては、非晶質シリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜が挙げられる。
本発明において用いられる集電体は、リチウムと合金化しない金属から形成されることが好ましく、このような材料として、銅、銅を含む合金、ニッケル、ステンレスなどが挙げられる。集電体は、これらの材料の2種以上を積層したものであってもよい。
本発明のリチウム二次電池は、上記本発明のリチウム二次電池用負極または上記本発明の製造方法により得られるリチウム二次電池用負極と、正極と、非水電解質とを備えることを特徴としている。
本発明のリチウム二次電池は、上記本発明による負極を用いるものであるので、良好な充放電サイクル特性を示すことができる。
本発明のリチウム二次電池に用いる非水電解質の溶媒は、特に限定されるものではないが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネートと、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートとの混合溶媒が例示される。また、上記環状カーボネートと1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンなどのエーテル系溶媒との混合溶媒も例示される。また、非水電解質の溶質としては、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C25SO2)2、LiN(CF3SO2)(C49SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiC(C25SO2)3、LiAsF6、LiClO4、Li210Cl10、Li212Cl12など及びそれらの混合物が例示される。特に、LiXFy(式中、XはP、As、Sb、B、Bi、Al、Ga、またはInであり、XがP、AsまたはSbのときyは6であり、XがBi、Al、Ga、またはInのときyは4である)、リチウムペルフルオロアルキルスルホン酸イミドLiN(Cm2m+1SO2)(Cn2n+1SO2)(式中、m及びnはそれぞれ独立して1〜4の整数である)またはリチウムペルフルオロアルキルスルホン酸メチドLiN(Cp2p+1SO2)(Cq2q+1SO2)(Cr2r+1SO2)(式中、p、q及びrはそれぞれ独立して1〜4の整数である)などの溶質が好ましく用いられる。これらの中でも、LiPF6が特に好ましく用いられる。さらに電解質として、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質が例示される。本発明のリチウム二次電池の電解質は、イオン伝導性を発現させる溶質としてのリチウム化合物とこれを溶解・保持する溶媒が電池の充電時や放電時あるいは保存時の電圧で分解しない限り、制約なく用いることができる。
本発明のリチウム二次電池の正極材料としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMn24、LiMnO2、LiCo0.5Ni0.52、LiNi0.7Co0.2Mn0.12などのリチウム含有遷移金属酸化物や、MnO2などのリチウムを含有していない金属酸化物が例示される。また、この他にも、リチウムを電気化学的に挿入、脱離する物質であれば、制限なく用いることができる。
本発明によれば、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができ、充放電サイクル特性を高めることができる。
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。
図1は、本発明におけるリチウム二次電池用負極の疎水化処理を説明するための模式的断面図である。図1(a)は、集電体11の上にシリコン薄膜12を形成した状態を示している。シリコン薄膜12は、例えば、CVD法、スパッタリング法、蒸着法などの薄膜形成方法により形成することができる。このような薄膜形成方法でシリコン薄膜は、多数の内部欠陥を有し、表面や内部に未結合手が多数存在している。このようなシリコン薄膜を空気中に置くと、未結合手に空気中の水分が吸着し、シリコン薄膜12の表面は−OH等の親水基で覆われる。
次に、本発明に従い、シリコン薄膜12の表面(本発明における「表面」には薄膜内部の表面も含まれる)に、疎水化剤として、例えばヘキサメチルジシラザン(hexamethyldisilazane,化学式:(CHSiNHSi(CH)を塗布し、疎水化処理を行う。シリコン薄膜12を疎水化処理することにより、シリコン薄膜12の表面を覆っていた親水基が疎水基に置換される。疎水化処理としてヘキサメチルジシラザンを用いて処理した場合、次式に示すシリル化反応により、シリコン薄膜12の表面を覆っていたOH基は、CH基で置換される。
2Si−OH+(CHSiNHSi(CH→2Si−O−Si−(CH+NH↑(↑は揮発性を示す)
上記のようにシリル化反応により、疎水基がシリコン薄膜12の表面に付着し、疎水化層13が形成される。シリコン薄膜の表面を覆った疎水基は、空気中で安定であり、シリコン薄膜内部への水分の浸入や吸着を阻害する働きを有する。従って、シリコン薄膜を疎水化処理し、シリコン薄膜の表面を親水基で覆うことにより、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面付近への水分の浸入による集電体材料の腐食を抑制することができ、シリコン薄膜と集電体との密着性の経時劣化やシリコン薄膜の自然剥離の発生が低減される。
このような疎水化処理による親水基の疎水基への置換は、シリコン薄膜の内部においても効率良く生じる。シリコン薄膜の内部に存在する疎水基も、上述したシリコン薄膜の表面を覆った疎水基と同様に、シリコン薄膜内部への水分の浸入及び吸着を阻害する働きを有し、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面近傍での水分の浸入による集電体材料の腐食を抑制し、シリコン薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコン薄膜の自然剥離の発生を低減する役割を果たす。
電子ビーム蒸着法は、スパッタリング法に比べて高い製膜速度でシリコン薄膜を形成することができる薄膜形成方法である。しかしながら、電子ビーム蒸着法で形成したシリコン薄膜は、スパッタリング法で形成したシリコン薄膜に比べて、多数の内部欠陥を有しており、空気中の水分と反応しやすい。
本発明は、シリコン薄膜を電子ビーム蒸着で形成した場合に、シリコン薄膜をスパッタリング法で形成した場合に比べて、より大きな充放電サイクル特性の改善効果を示す。
(実施例1〜2及び比較例1〜2)
〔負極の作製〕
集電体として、表面に電解法で銅を析出させることにより、表面を粗面化した圧延銅箔(幅340mm、厚み26μm)を用いた。この集電体表面の算術平均粗さRaは、0.5μmである。算術平均粗さRaは、日本工業規格(JIS B 0601−1994)に定められており、例えば触針式表面粗さ計により測定することができる。
この集電体の上に、図2に示す薄膜形成装置を用いて、電子ビーム蒸着法またはスパッタリング法によりシリコン薄膜を形成した。
図2に示す薄膜形成装置内には、イオン照射源4、電子ビーム蒸着源5及びスパッタリング源6が設けられている。集電体1は、ローラー2及びローラー3に巻き取られており、ローラー2とローラー3との間に位置する支持ローラー7の外周面に沿ってローラー2からローラー3に、あるいはローラー3からローラー2に移動する。
イオン照射源4と対向する領域において、集電体1の上にイオンビームが照射される。電子ビーム蒸着源5と対向する領域において、集電体1の上に電子ビーム蒸着法によりシリコン薄膜が形成される。また、スパッタリング源6と対向する領域において、集電体1の上にスパッタリング法によりシリコン薄膜が形成される。イオン照射源4、電子ビーム蒸着源5、及びスパッタリング源6の間は、それぞれのプロセスを行う領域の圧力を独立に制御するための仕切りが設けられている。
電子ビーム蒸着源5は、電子ビーム蒸着法による蒸着源であり、蒸着材料として純度99.99%のシリコンを用いている。スパッタリング源6には、シリコン単結晶からなるターゲットを用い、このターゲットに高周波電源を接続している。
先ず、集電体1をローラー2に巻き取った状態としておき、集電体1を矢印A方向に移動させ、ローラー3でこれを巻き取りながら、イオン照射源4と対向する領域において、集電体1にイオンビームを照射した。このときのイオンビーム照射条件を表1に示す。照射したイオン種としてはArを用いた。イオンビーム照射処理は、集電体に対する活物質薄膜の密着性を向上させるための工程である。
Figure 0004911990
次に、イオンビーム照射が行われた集電体1を矢印B方向に移動させ、これをローラー2で巻き取った後、集電体1を矢印A方向に移動させ、これをローラー3で巻き取りながら、集電体1上に、電子ビーム蒸着法あるいはスパッタリング法により、厚み8μmのシリコン薄膜を形成した。
電子ビーム蒸着法によるシリコン薄膜の形成条件を表2に示す。
Figure 0004911990
また、スパッタリング法によるシリコン薄膜の形成条件を表3に示す。
Figure 0004911990
集電体1の上に、電子ビーム蒸着法によりシリコン薄膜を形成する場合は、スパッタリング源6のRF電力を0Wに設定した。集電体1の上にスパッタリング法によりシリコン薄膜を形成する場合は、電子ビーム蒸着源5の電子銃電力を0Wに設定した。また、集電体1の上にスパッタリング法によりシリコン薄膜を形成する場合は、集電体1のA方向への巻き取りと、集電体1のB方向への巻き取りを繰り返すことにより、集電体1をスパッタリング源6と対向する領域に260回通過させた。
以上の方法により、集電体1の片側の面の上に、シリコン薄膜を形成し、シリコン薄膜を形成した集電体1をローラー3に巻き取り、ロール状態のまま、薄膜形成装置から取り出した。薄膜形成装置から取り出した状態のロールにおいては、ロールの内面側のみにシリコン薄膜が形成されている。
次に、薄膜形成装置から取り出したロールを、ロール反転装置を用いて、基材の内面側と外面側を反転させた後、このロールを薄膜形成装置のローラー2に取り付けた。このときのロールにはロール外側面のみにシリコン薄膜が形成されている。
次に、上述と同じ手順によって、シリコン薄膜が形成されていない側の面にイオン照射及びシリコン薄膜の形成を行った。
以上のようにして作製した負極を、300mmの長さ(薄膜形成装置内における集電体の走行方向の長さ)に切り出し、図3に示す方法により、シリコン薄膜の表面を疎水化処理した。
図3に示すように、疎水化処理は、ホットプレート31の上に負極32を置き、吹き出し板33からヘキサメチルジシラザン蒸気を含む窒素ガスを吹き出すことにより行った。ヘキサメチルジシラザン蒸気を含む窒素ガスは、液状のヘキサメチルジシラザン34を入れた容器35内に、先端がヘキサメチルジシラザン34内に浸漬されている配管36aから窒素ガスを流し、ヘキサメチルジシラザン34をバブリングすることにより調製した。このようなヘキサメチルジシラザン蒸気を含む窒素ガスを、配管36bを介して吹き出し板33へ供給している。
疎水化処理は、ホットプレート温度80℃で、負極の両面についてそれぞれ10分間行った。
以上のようにして、表4に示す実施例1〜2及び比較例1〜2の4種類の負極を作製した。実施例1及び比較例1の負極は、集電体の両面に電子ビーム蒸着法でシリコン薄膜を形成している。実施例2及び比較例2の負極は、集電体の両面にスパッタリング法でシリコン薄膜を形成している。実施例1及び2の負極は、シリコン薄膜の疎水化処理を行っているが、比較例1及び2の負極は疎水化処理を行っていない。
〔シリコン薄膜の自然剥離の評価〕
実施例1〜2及び比較例1〜2の負極を8サンプルずつ作製し、これらを空気中に放置した。シリコン薄膜形成直後、空気中放置5日後、及び空気中放置20日後におけるシリコン薄膜の自然剥離の有無を目視により観察し、その結果を表4に示す。表4に示した数値は、実施例1〜2及び比較例1〜2の負極それぞれ8サンプル中において、シリコン薄膜の自然剥離が生じたサンプルの数である。
〔充放電サイクル特性及び密着性の測定〕
(作用極の作製)
空気中に20日間放置した実施例1〜2及び比較例1〜2の負極を、20mm×20mmの大きさに切り出し、ニッケルからなるリード線を取り付けた後、110℃に2時間真空下で乾燥して、ビーカーセルに用いる作用極を作製した。比較例1の負極の切り出しは、シリコン薄膜の自然剥離が生じていない領域から行った。
(電解液の作製)
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した溶媒に、LiPFを1モル/リットルとなるように溶解して電解液を作製した。
(ビーカーセルの作製)
実施例1〜2及び比較例1〜2の負極を作用極に用いて、図4に示す3電極式のビーカーセルを作製した。図4に示すようにビーカーセルは、容器21内に入れられた電解液22に、対極23、作用極24及び参照極25を浸漬することにより構成されている。電解液22としては、上記電解液を用い、対極23及び参照極25としては、リチウム金属を用いた。
(充放電特性の評価)
作製したビーカーセルを、8mAの定電流で、作用極の電位が0V(vs.Li/Li)に達するまで充電した後、8mAの定電流で、作用極の電位が2V(vs.Li/Li)に達するまで放電し、これを1サイクルの充放電とし、1サイクル目と10サイクル目における単位面積当りの放電容量を測定した。なお、ここでは、作用極の還元を充電とし、作用極の酸化を放電としている。10サイクル目の容量維持率を表4に示す。容量維持率は以下の式により定義される値である。
容量維持率(%)=(10サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
(活物質薄膜の密着性の評価)
上述の充放電試験を行った後の負極を肉眼で観察し、集電体に対する活物質薄膜の密着性を確認した。
実施例1〜2及び比較例2の負極では、シリコン薄膜の剥離は認められなかった。これに対し、比較例1の負極では、極板内の約半分の領域でシリコン薄膜の剥離が観察された。
Figure 0004911990
表4に示すように、実施例1及び2の負極は、比較例1及び2の負極と比べて、良好な容量維持率を示している。これは、集電体上に形成したシリコン薄膜を疎水化処理してシリコン薄膜の表面を疎水基で覆うことにより、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面付近への水分の浸入による集電体材料の腐食が抑制され、シリコン薄膜と集電体との密着性の経時劣化が低減したため、充放電サイクル特性が向上したものと考えられる。
また、表4に示す通り、比較例1の負極は、空気中放置20日後において、8サンプル中の3サンプルでシリコン薄膜の自然剥離が生じた。これに対し、実施例1〜2及び比較例2の負極は、空気中20日放置後においてもシリコン薄膜の自然剥離が生じなかった。
実施例1の負極と比較例1の負極との比較から、電子ビーム蒸着法でシリコン薄膜を形成した負極において、シリコン薄膜の自然剥離発生をより低減できることがわかる。これは、集電体上に形成したシリコン薄膜を疎水化処理してシリコン薄膜の表面を疎水基で覆うことにより、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体との界面付近への水分の浸入による集電体材料の腐食が抑制されるため、シリコン薄膜の自然剥離の発生が低減したものと考えられる。
以上のように、本発明に従えば、充放電の繰り返しによる集電体からの活物質薄膜の剥離や、負極を空気中に放置したときに生じる活物質薄膜の自然剥離を抑制することができる。従って、本発明によれば、充放電サイクル特性を向上させることができる。
本発明に従うリチウム二次電池用負極の疎水化処理を説明するための模式的断面図。 本発明に従う実施例において用いた薄膜形成装置を示す模式的断面図。 本発明の実施例における疎水化処理を説明するための模式的断面図。 本発明に従う実施例において作製したビーカーセルを示す模式的断面図。
符号の説明
1…集電体
2,3…ローラー
4…イオン照射源
5…電子ビーム蒸着源
6…スパッタリング源
7…支持ローラー
8…薄膜形成装置
11…集電体
12…シリコン薄膜
13…疎水化層
21…容器
22…電解液
23…対極
24…作用極
25…参照極
31…ホットプレート
32…負極
33…吹き出し板
34…ヘキサメチルジシラザン
35…容器
36a…配管
36b…配管

Claims (5)

  1. 集電体上にシリコンを含む薄膜を備えたリチウム二次電池用負極の製造方法であって、
    集電体上にシリコンを含む薄膜を形成する工程と、
    前記シリコンを含む薄膜の表面を疎水化処理する工程とを備えることを特徴とするリチウム二次電池用負極の製造方法。
  2. 前記薄膜の少なくとも一部を電子ビーム蒸着法により形成することを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
  3. 前記疎水化処理が、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも1種によってなされることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
  4. 前記疎水化処理が、ヘキサメチルジシラザン化合物を用いてなされるシリル化処理であることを特徴とする請求項3に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載された方法で製造された負極と、正極と、非水電解質とを備えることを特徴とするリチウム二次電池。
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