JP5321788B2 - 二次電池用集電体、二次電池用負極、二次電池および電子機器 - Google Patents
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Description
図4および図5は第1の二次電池の断面構成を表しており、図5では図4に示したV−V線に沿った断面を示している。ここで説明する二次電池は、例えば、負極22の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池である。
図6および図7は第2の二次電池の断面構成を表しており、図7では図6に示した巻回電極体40の一部を拡大して示している。この二次電池は、例えば、上記した第1の二次電池と同様にリチウムイオン二次電池であり、ほぼ中空円柱状の電池缶31の内部に、正極41および負極42がセパレータ43を介して巻回された巻回電極体40と、一対の絶縁板32,33とが収納されたものである。この電池缶31を含む電池構造は、いわゆる円筒型と呼ばれている。
図8は第3の二次電池の分解斜視構成を表しており、図9は図8に示したIX−IX線に沿った断面を拡大して示している。この二次電池は、正極リード51および負極リード52が取り付けられた巻回電極体50がフィルム状の外装部材60の内部に収納されたものである。この外装部材60を含む電池構造は、いわゆるラミネートフィルム型と呼ばれている。
以下の手順により、図8および図9に示したラミネートフィルム型の二次電池を製造した。この際、負極54の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池となるようにした。
強度比I(200)/I(111)を0.5に代えて、0.8(5kN/cm:実験例1−2)、1(10kN/cm:実験例1−3)、1.15(12.5kN/cm:実験例1−4)、1.2(15kN/cm:実験例1−5)、1.4(18kN/cm:実験例1−6)、あるいは1.5(20kN/cm:実験例1−7)としたことを除き、実験例1−1と同様の手順を経た。かっこ内の数値は、強度比I(200)/I(111)を上記した各値にするために設定したプレス線圧である。なお、実験例1−2,1−3については、X線回折により得られる銅の結晶面に起因するピークの強度比I(220)/I(200)も調べた。このX線回折の測定条件は、強度比I(200)/I(111)を測定した場合と同様である。
アニールだけを行い、プレスを行わなかったことを除き、実験例1−2,1−3と同様の手順を経た。なお、実験例1−8,1−9については、実験例1−2,1−3と同様に、X線回折により得られる銅の結晶面に起因するピークの強度比I(220)/I(200)も調べた。
強度比I(200)/I(111)を0.5に代えて、0.1(0.2kN/cm:比較例1−1)、0.3(0.5kN/cm:比較例1−2)、1.6(22.5kN/cm:比較例1−3)、1.8(25kN/cm:比較例1−4)、2(27.5kN/cm:比較例1−5)、あるいは2.5(30kN/cm:比較例1−6)としたことを除き、実験例1−1と同様の手順を経た。
6回に渡ってケイ素を堆積させて積層することにより、負極活物質粒子を6層構造となるように形成したことを除き、実験例1−1〜1−3,1−5〜1−7と同様の手順を経た。この際、堆積速度を100nm/秒とした。
実験例2−1〜2−6と同様に負極活物質粒子を6層構造となるように形成したことを除き、比較例1−2〜1−4と同様の手順を経た。
12回に渡ってケイ素を堆積させて積層することにより、負極活物質粒子を12層構造となるように形成したことを除き、実験例1−1〜1−3,1−5〜1−7と同様の手順を経た。
実験例3−1〜3−6と同様に負極活物質粒子を12層構造となるように形成したことを除き、比較例1−2〜1−4と同様の手順を経た。
銅の結晶子の断面積の最大値を50μm2 に代えて、4μm2 (60g/dm3 および0.1重量%:実験例4−1)、10μm2 (65g/dm3 および0.2重量%:実験例4−2)、20μm2 (70g/dm3 および0.4重量%:実験例4−3)、30μm2 (75g/dm3 および0.6重量%:実験例4−4)、40μm2 (80g/dm3 および0.8重量%:実験例4−5)、70μm2 (90g/dm3 および1.5重量%:実験例4−6)、85μm2 (95g/dm3 および2重量%:実験例4−7)、100μm2 (100g/dm3 および2.5重量%:実験例4−8)、あるいは120μm2 (115g/dm3 および3重量%:実験例4−9)としたことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。かっこ内の数値は、結晶子の断面積を上記した各値にするために設定した銅イオンの濃度および添加剤の含有量である。
負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを3.5μmに代えて、1μm(実験例5−1)、1.5μm(実験例5−2)、2.5μm(実験例5−3)、4.5μm(実験例5−4)、5.5μm(実験例5−5)あるいは6.5μm(実験例5−6)としたことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。この際、鍍金浴を用いた電解処理の条件として、電流比、浴温度、処理回数および浴組成などを調整することにより、十点平均粗さRzを変化させた。
原箔の厚さを18μmに代えて、7μm(実験例6−1)、10μm(実験例6−2)、25μm(実験例6−3)、あるいは30μm(実験例6−4)としたことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。
原箔の伸び率およびヤング率を変更したことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。この場合における伸び率およびヤング率は、それぞれ0.7%および6.53×109 MPa(0.5A/dm2 :実験例7−1)、1%および5.00×109 MPa(1A/dm2 :実験例7−2)、3.2%および4.01×109 MPa(3A/dm2 :実験例7−3)、4.9%および6.32×108 MPa(5A/dm2 :実験例7−4)、10%および5.00×107 MPa(7A/dm2 :実験例7−5)、10.5%および3.61×106 MPa(9A/dm2 :実験例7−6)、あるいは11.5%および1.61×106 MPa(10A/dm2 :実験例7−7)であった。かっこ内の数値は、伸び率およびヤング率を上記した各値にするために設定した電流密度である。
負極活物質粒子中における酸素の含有量を3原子数%に代えて、2原子数%(実験例8−1)、10原子数%(実験例8−2)、20原子数%(実験例8−3)、30原子数%(実験例8−4)、40原子数%(実験例8−5)、あるいは45原子数%(実験例8−6)としたことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。
チャンバ内に連続的に酸素ガス等を導入しながらケイ素を堆積させることにより負極活物質粒子に酸素を含有させる代わりに、チャンバ内に断続的に酸素ガスを導入しながらケイ素を堆積させることにより、第1の酸素含有領域とそれよりも酸素含有量が高い第2の酸素含有領域とが交互に積層されるように負極活物質粒子を形成したことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。この際、第2の酸素含有領域中における酸素含有量を3原子数%とし、その数を2(実験例9−1)、4(実験例9−2)、あるいは6(実験例9−3)とした。
電子ビーム蒸着法に代えて、RFスパッタリング法を用いてケイ素を堆積させることにより負極活物質粒子を形成したことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。この際、純度99.99%のケイ素をターゲットとして用い、堆積速度を0.5nm/秒とした。
電子ビーム蒸着法に代えて、CVD法を用いてケイ素を堆積させることにより負極活物質粒子を形成したことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。この際、原材料および励起ガスとしてそれぞれシラン(SiH4 )およびアルゴン(Ar)を用い、堆積速度および基板温度をそれぞれ1.5nm/秒および200℃とした。
実験例10−1と同様にRFスパッタリング法を用いて負極活物質粒子を形成したことを除き、比較例2−1と同様の手順を経た。
実験例10−2と同様にCVD法を用いて負極活物質粒子を形成したことを除き、比較例2−1と同様の手順を経た。
以下の手順により、ラミネートフィルム型の二次電池に代えて、図4および図5に示した角型の二次電池を製造したことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。
アルミニウム製の電池缶11に代えて、鉄製の電池缶11を用いたことを除き、実験例11−1と同様の手順を経た。
溶媒としてECに代えて、フッ素化炭酸エステル(炭酸モノフルオロエチレン)である4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)を用いたことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。
溶媒としてフッ素化炭酸エステル(炭酸ジフルオロエチレン)である4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)を加え、混合溶媒の組成を重量比でEC:DFEC:DEC=25:5:70としたことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。
電解液に溶媒として不飽和結合を有する環状炭酸エステルである炭酸ビニレン(VC:実験例12−3)あるいは炭酸ビニルエチレン(VEC:実験例12−4)を加えたことを除き、実験例12−1と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるVC,VECの含有量を10重量%とした。
電解液に溶媒としてスルトンである1,3−プロペンスルトン(PRS)を加えたことを除き、実験例12−1と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるPRSの濃度を1重量%とした。
電解液に電解質塩としてホウ素およびフッ素を有する化合物である四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )を加えたことを除き、実験例12−1と同様の手順を経た。この際、LiBF4 の含有量は溶媒に対して0.1mol/kgとした。
負極活物質粒子を形成したのちに金属材料を形成したことを除き、実験例2−2と同様の手順を経た。この金属材料を形成する場合には、負極活物質粒子が形成された負極集電体54Aの両面に、電解鍍金法によってコバルトを堆積させて金属材料を形成することにより、負極活物質粒子と共に金属材料を含むように負極活物質層54Bを形成した。この際、鍍金液として日本高純度化学株式会社製のコバルト鍍金液を用い、電流密度を2A/dm2 〜5A/dm2 とし、鍍金速度を10nm/秒とした。また、負極活物質粒子の単位面積当たりのモル数M1と金属材料の単位面積当たりのモル数M2との比(モル比)M2/M1を1/15とした。
モル比M2/M1を1/15に代えて、1/10(実験例13−2)、1/5(実験例13−3)、1/2(実験例13−4)、1/1(実験例13−5)、2/1(実験例13−6)、あるいは3/1(実験例13−7)としたことを除き、実験例13−1と同様の手順を経た。
鍍金液としてコバルト鍍金液に代えて、鉄鍍金液(実験例13−8)、ニッケル鍍金液(実験例13−9)、亜鉛鍍金液(実験例13−10)、あるいは銅鍍金液(実験例13−11)を用いたことを除き、実験例13−4と同様の手順を経た。この際、電流密度として、鉄鍍金液を用いる場合には2A/dm2 〜5A/dm2 とし、ニッケル鍍金液を用いる場合には2A/dm2 〜10A/dm2 とし、亜鉛鍍金液を用いる場合には1A/dm2 〜3A/dm2 とし、銅鍍金液を用いる場合には2A/dm2 〜8A/dm2 とした。上記した一連の鍍金液は、いずれも日本高純度化学株式会社製である。
Claims (20)
- 正極および負極と共に電解液を備え、
前記負極は集電体とそれに設けられた活物質層とを含み、
前記集電体は銅箔を含み、
X線回折により得られる銅の(200)結晶面に起因するピークの強度I(200)と(111)結晶面に起因するピークの強度I(111)との比I(200)/I(111)は0.5以上1.5以下であり、
前記集電体は複数の銅の結晶子を有し、各結晶子の断面積は100μm 2 以下であり、
前記集電体の伸び率は1%以上10%以下、ヤング率は5×10 7 MPa以上5×10 9 MPa以下である、
二次電池。 - X線回折により得られる銅の(220)結晶面に起因するピークの強度I(220)と(200)結晶面に起因するピークの強度I(200)との比I(220)/I(200)は0.7以上2.8以下であり、前記結晶子の断面積は20μm 2 以上85μm 2 以下である、請求項1記載の二次電池。
- 前記集電体の表面の十点平均粗さRzは1.5μm以上5.5μm以下である、請求項1記載の二次電池。
- 前記集電体は原箔とその表面に形成された複数の微粒子とを有し、前記原箔の厚さは10μm以上25μm以下である、請求項1記載の二次電池。
- 前記集電体は原箔とその表面に形成された複数の微粒子とを有し、前記原箔の伸び率は1%以上10%以下、ヤング率は5×107 MPa以上5×109 MPa以下である、請求項1記載の二次電池。
- 前記集電体と前記活物質層とは界面の少なくとも一部において合金化している、請求項1記載の二次電池。
- 前記活物質層はケイ素(Si)を含有する複数の活物質粒子を含む、請求項1記載の二次電池。
- 前記活物質粒子はさらに酸素(O)を含有し、前記活物質粒子中における酸素の含有量は3原子数%以上40原子数%以下である、請求項7記載の二次電池。
- 前記活物質粒子は厚さ方向においてさらに酸素を含有する酸素含有領域を有し、前記酸素含有領域における酸素の含有量はそれ以外の領域における酸素の含有量よりも高い請求項7記載の二次電池。
- 前記活物質層は前記活物質粒子間の隙間に電極反応物質と合金化しない金属元素を含有する金属材料を有する、請求項7記載の二次電池。
- 前記活物質層は前記活物質粒子の露出面の少なくとも一部に前記金属材料を有する請求項10記載の二次電池。
- 前記活物質粒子は粒子内に多層構造を有し、前記活物質層は前記活物質粒子内の隙間に前記金属材料を有する請求項10記載の二次電池。
- 前記金属元素は鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)および銅からなる群のうちの少なくとも1種である請求項10記載の二次電池。
- 前記活物質粒子の単位面積当たりのモル数M1と前記金属材料の単位面積当たりのモル数M2との比M2/M1は1/15以上3/1以下である、請求項10記載の二次電池。
- 前記活物質層の表面において前記金属材料が占める原子数の割合は2原子数%以上30原子数%以下である、請求項10記載の二次電池。
- 前記活物質粒子は気相法により形成されており、前記金属材料は液相法により形成されている、請求項10記載の二次電池。
- リチウムイオン二次電池である、請求項1記載の二次電池。
- 集電体とそれに設けられた活物質層とを含み、
前記集電体は銅箔を含み、
X線回折により得られる銅の(200)結晶面に起因するピークの強度I(200)と(111)結晶面に起因するピークの強度I(111)との比I(200)/I(111)は0.5以上1.5以下であり、
前記集電体は複数の銅の結晶子を有し、各結晶子の断面積は100μm 2 以下であり、
前記集電体の伸び率は1%以上10%以下、ヤング率は5×10 7 MPa以上5×10 9 MPa以下である、
二次電池用負極。 - 銅箔を含み、
X線回折により得られる銅の(200)結晶面に起因するピークの強度I(200)と(111)結晶面に起因するピークの強度I(111)との比I(200)/I(111)は0.5以上1.5以下であり、
複数の銅の結晶子を有し、各結晶子の断面積は100μm 2 以下であり、
伸び率は1%以上10%以下、ヤング率は5×10 7 MPa以上5×10 9 MPa以下である、
二次電池用集電体。 - 請求項1ないし請求項17のいずれか1項に記載の二次電池を用いた電子機器。
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