JP5666839B2 - 2次電池用負極、負極集電体、2次電池及びこれらの製造方法 - Google Patents
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Description
(1)銅箔または銅合金箔を用いた集電体基材の片面または両面に、シリコン系活物質が皮膜状に形成されている、非水電解質を用いる2次電池用の負極であって、前記集電体基材上に、1g/m2〜14g/m2のシリコン系活物質皮膜が形成され、前記シリコン系活物質が形成された負極表面のXYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値が15〜50であり、かつ日本工業規格(JIS B0601−1994 十点平均粗さ)で規定される表面粗さ(十点平均粗さ)Rzが1.0μm以上4.5μm以下であることを特徴とする2次電池用負極。
(2)前記シリコン系活物質は、リンおよび/または酸素を含有することを特徴とする、(1)に記載の2次電池用負極。
(3)前記シリコン系活物質は、さらに水素を含有することを特徴とする(1)または(2)に記載の2次電池用負極。
(4)前記集電体基材の活物質形成面上に、ニッケルを0.01〜0.2g/m2含有する層または亜鉛を0.003〜0.05g/m2含有する層の少なくとも一方が形成された耐熱性層を有することを特徴とする、(1)〜(3)のいずれかに記載の2次電池用負極。
(5)さらに前記耐熱性層の上層に防錆層および/またはシランカップリング処理層が形成され、さらにその上層に前記シリコン系活物質皮膜が形成されていることを特徴とする(4)に記載の2次電池用負極。
(6)前記耐熱性層における亜鉛が、前記集電体基材、前記ニッケル層または前記シリコン系活物質皮膜に拡散していることを特徴とする、(4)または(5)に記載の2次電池用負極。
(7)銅箔または銅合金箔製であり、片面または両面に、シリコン系活物質が皮膜状に形成される、非水電解質を用いる2次電池負極用の集電体であって、前記活物質が形成される形成面が、平滑でないか、または光沢を有さず、前記活物質が形成される形成面の、日本工業規格(JIS B0601−1994 十点平均粗さ)で規定される表面粗さ(十点平均粗さ)Rzが2.0μm以上5.0μm以下であり、前記集電体の引っ張り強度が300MPa以上1000MPa以下であり、前記活物質の形成される表面の、XYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値が10〜40であることを特徴とする2次電池用負極集電体。
(8)銅箔または銅合金箔製であり、片面または両面に、微粒子状のシリコン系活物質が、スラリー塗工により層状に固化形成される、非水電解質を用いる2次電池負極用の集電体であって、前記活物質が形成される形成面が平滑でないか、または光沢を有さず、前記活物質が形成される形成面の、日本工業規格(JIS B0601−1994 十点平均粗さ)で規定される表面粗さ(十点平均粗さ)Rzが0.6μm以上3.5μm以下であり、前記集電体の引っ張り強度が300MPa以上1000MPa以下であり、前記活物質の形成される表面の、XYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値が20〜50であることを特徴とする2次電池用負極集電体。
(9)前記集電体基材の活物質形成面上に、ニッケルを0.01〜0.2g/m2含有する層または亜鉛を0.003〜0.05g/m2含有する層の少なくとも一方が形成された耐熱性層を有することを特徴とする、(7)または(8)に記載の2次電池用負極集電体。
(10)さらに前記耐熱性層の上層に防錆層および/またはシランカップリング処理層を有することを特徴とする(9)に記載の負極集電体。
(11)(1)〜(6)のいずれか1項に記載の負極または(7)〜(10)のいずれかに記載の負極集電体を用いたことを特徴とする非水電解質を用いた2次電池。
(12)前記非水電解質にフッ素を含む非水溶媒を含有する電解液を用いることを特徴とする(11)に記載の2次電池。
(13)(7)〜(10)のいずれか1項に記載の負極集電体の片面または両面に、シリコン系の活物質皮膜を形成する、非水電解質を用いる2次電池用負極の製造方法であって、前記負極集電体上に少なくともシリコンまたは、シリコンとリン、酸素または水素を含むシリコン系活物質を、CVD(化学的気相成長)法、EB(電子ビーム)蒸着法、スパッタリング法またはスラリー塗布・焼成法によって1g/m2〜14g/m2となるように形成する工程を有し、前記シリコン系活物質皮膜が形成された負極表面のXYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値が15〜50であり、かつ日本工業規格(JIS B0601−1994 十点平均粗さ)で規定される表面粗さ(十点平均粗さ)Rzが1.0μm以上4.5μm以下であることを特徴とする2次電池用負極の製造方法。
(14)(7)〜(10)のいずれかに記載の、非水電解質を用いる2次電池用負極集電体の製造方法であって、引っ張り強度が300MPa以上1000MPa以下である集電体基材用銅箔の活物質形成面に、電気めっきにより少なくとも銅から成る微粒子状めっきと平滑状めっきを施して粗面形状を得る工程と、粗面化した活物質形成面上に、少なくともニッケルまたは亜鉛を有する表面処理層を、電気めっきまたは浸漬処理により形成する工程と、を備えることを特徴とする、2次電池用負極集電体の製造方法。
(15)前記表面処理層が、さらにクロメート層および/またはシランカップリング層を有することを特徴とする(14)に記載の2次電池用負極集電体の製造方法。
また、粒子状の活物質材料をカーボンブラックなどの導電剤とポリイミドやポリフッ化ビニリデンなどの結着剤と共に十分に混合し、溶媒を加えて混練したスラリーを前記集電体に塗布・乾燥または焼成することにより活物質層を形成することもできる。前記の集電体銅箔の微細粗面上に、単位面積あたりの質量で1〜14g/m2(0.5μm〜6μm相当)の厚さのシリコン系活物質層が形成され、形成後の負極表面のXYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値45〜75であることを必要とする。なお、スラリーを塗工して形成される活物質層は、スラリーの塗工により形成されるため、集電体銅箔表面よりも、活物質層の表面は滑らかになり、高い明度を有することが多い。
例えば、CVD法などにより皮膜状の活物質が形成された負極の表面の明度Y値が高すぎる場合、集電体基材の表面と活物質の接触する面積が小さく、集電体基材と活物質の密着性が悪化するなどして好ましくない。
つまり、負極表面を、所定の範囲の明度と表面粗さを有するようにすることで、集電体と活物質との良好な密着性が得られ、その負極表面形状からLiイオンの活物質への挿入脱離可能なミクロなサイトを確保できるため、充放電サイクル寿命が長く維持される。
集電体銅箔原箔1の山状粗面を、新たに粗面化処理をすることなくそのまま集電体基材として用いる。この表面に耐熱性層と防錆処理層またはシランカップリング処理層の2を形成したのち、シリコン系活物質皮膜3が設けられている。
集電体銅箔原箔1の山状粗面に、さらに微細銅粒子4による粗面化処理を施したものを集電体基材として用いる。この表面に耐熱性層と防錆処理層またはシランカップリング処理層の2を形成したのち、シリコン系活物質皮膜3が設けられている。
集電体銅箔原箔5の両面平滑または光沢の片方の面に、さらに微細銅粒子4による粗面化処理を施したものを集電体基材として用いる。この表面に耐熱性層と防錆処理層またはシランカップリング処理層の2を形成したのち、シリコン系活物質皮膜3が設けられている。
集電体銅箔原箔5の両面平滑または光沢の両方の面に、さらに微細銅粒子4による粗面化処理を施したものを集電体基材として用いる。この両方の粗面化表面に耐熱性層と防錆処理層またはシランカップリング処理層の2をそれぞれ形成したのち、それぞれの面にシリコン系活物質皮膜3が設けられており、図3の片面皮膜構成を両面に構成した形態である。
まず、試験評価用の本発明によるシリコン系負極試料と、これに用いる負極集電体、および比較に用いるシリコン系負極試料を以下のように作製した。
集電体銅箔に用いる銅箔原箔(表面処理していない銅箔基体)には、各種厚みの圧延銅箔(日本製箔製)と電解銅箔(古河電工製)を用いた。圧延箔原箔は両面光沢タイプ12μmを、電解箔原箔は両面光沢タイプの12μm、並びに片面光沢タイプ12μmを使用した。これらの原箔の表面を粗面化する場合には、プリント回路用途銅箔において公知の硫酸銅系水溶液を用いた銅めっきである(a)銅微粒子生長めっき(限界電流密度以上か、それに近い高電流密度で行う、いわゆる焼けめっき)と(b)通常の銅平滑状めっき(付与微粒子が脱落しないように限界電流密度未満で行う、一般の銅めっき)、による粗化処理を行った。また、耐熱性層を設ける処理として、(c)公知の硫酸ニッケル系めっき液を用いたニッケルめっき、または(d)公知の硫酸亜鉛系めっき液による亜鉛めっきを実施した。さらに、防錆処理には(e)ベンゾトリアゾール水溶液への浸漬か、(f)三酸化クロム水溶液中での電解を用い、シランカップリング処理には(g)シランカップリング剤水溶液への浸漬処理とした。これらの銅箔を集電体として用いるため、シリコン系活物質を製膜する前に3ヶ月間室内保管をした。なお、これら集電体用銅箔の室温及び180℃に5分間保持したテンシロン試験機による引張試験測定を行い、表面粗さRzをJIS B0601(1994年版)に従った触針式粗さ試験機(小坂研究所製)にて測定した。耐熱性層の亜鉛とニッケル量は、単位面積当たりの試料表面皮膜を溶解した水溶液をICP(誘導結合プラズマ)発光分光分析することにより測定した。シリコン系活物質皮膜の製膜を、下記(h)〜(l)の方法により実施し、実施例1〜43、比較例1〜15とした。シリコンの製膜は、予め求めた製膜速度に基づいた製膜厚さと製膜時間の関係から各試料に付き、所定時間製膜を行い、製膜後にサンプル断面のSEM(電子顕微鏡)像観察から確認を行った。また、シリコンの製膜前後での単位面積当たりの質量測定から、負極活物質であるシリコン製膜量を求めた。(そして、製膜したシリコン皮膜をFT−IR(フーリエ変換赤外分光光度計)を用いた分析から、水素の結合状態分析を行った。)なお、集電体銅箔および活物質表面の明度は、SMカラーメーター(スガ試験機製)にて、JIS Z 8722に規定の拡散受光方式の光学条件(45°照明0°受光)により測定した。以上の、各試料に用いた集電体銅箔の仕様を表1に、また製膜前の室内保管後の外観異常と製膜仕様を表2に、それぞれ後掲した。
(f)防錆処理2:70g/dm3三酸化クロム水溶液、pH12、1C/dm3の条件にてカソード電解を行った。
(g)シランカップリング処理:クリロキシ系シランカップリング剤(信越化学製)4g/dm3水溶液への浸漬
(i)シリコン製膜法2:シャワーヘッド構造のプラズマ電極を備えた平行平板型CVD(PECVD)装置(放電周波数60MHz)により、水素希釈10%のシランガス100sccm供給流量、集電体温度200℃、にて製膜した。
(j)シリコン製膜法3:EB(電子ビーム)ガンとシリコン蒸発源を備えた蒸着装置(アルバック社製)により、高純度シリコン原料をEBにより200W加熱昇華させて集電体上に堆積させた。
(k)シリコン製膜法4:高純度の酸化ケイ素とシリコン、スパッタカソードを備えた反応性スパッタリング装置(アルバック社製)により、アルゴンガス(スパッタガス)80sccm、必要に応じて酸素ガスを供給して濃度調整した雰囲気内にて、高周波出力1kWにて集電体上に付着形成させた。
(l)シリコン製膜法5:
平均粒径5μmのシリコン粉末(高純度化学研究所製)85重量部と、バインダとしてポリフッ化ビニリデン樹脂(ダイキン工業株式会社製ネオフロンVDF VP−850)を10重量部と、分散剤としてN−メチルピロリドンを225重量部とを配合した。次いで、その配合物を分散機により攪拌混合することにより負極活物質の塗工用スラリーを調製した。上記の負極活物質の塗工用スラリーを、集電体上にダイコータを用いて連続的に塗布し、100℃で乾燥させることにより、集電体上に負極活物質膜を形成した。
次に、前記のように作製した、本発明によるシリコン系負極試料、および比較に用いるシリコン系負極試料の試験評価を、次のように実施した。
前記の負極試料を20mm径に打ち抜き、これを試験極とし、リチウム箔を対極と参照極に用いた3極式セルを、非水溶媒電解液に、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を3:7の容量比の溶媒に、1Mの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた電解液を用いて、湿度7%以下の乾燥雰囲気25℃に密閉セルとして組み立てた。但し、一部にフッ素をその化学構造に含む非水溶媒である、フルオロエチレンカーボネート(FEC)とメチルトリフルオロエチルカーボネート(MFEC)を1:3の容量比を有する溶媒を用いた。初回充電処理は、0.1Cレートで定電流で、リチウムの酸化還元電位を基準として+0.02Vの電位まで行い、このとき得られた初回充電容量を各試料に付き試験測定し、活物質シリコンの単位質量当たりに換算した。これに続く、初回放電処理には、0.1Cレート定電流で、前記の同じリチウム電位基準に対して1.5Vまで放電させ、同様にその初回放電容量をそれぞれに付き測定し、シリコン単位質量当たりに換算した。また、先に測定しておいたシリコン活物質の製膜質量と放電電流量から、初回の実放電容量値を求めた。初回充放電処理終了後に、充放電レートを0.2Cとして、前記の初回充放電処理の各終了電位まで、充放電を繰り返すサイクルを50回実施した。50サイクル終了時の放電容量をそれぞれの試料に付き求め、単位質量当たりに換算した。以上の、初回の充放電容量と実放電容量値、並びに50サイクル後の放電容量値を、各試料について表3に示した。
各試料の初回充電容量、放電容量、並びに50サイクル後の放電容量を比較すると、本発明例による試料の充放電特性が良好であることが判る。例えば、圧延銅箔を用いた実施例1と比較例1では、集電体の表面粗さRzが1.5μmと小さい比較例1では、集電体表面の実面積と凹凸が不充分なことから集電体表面明度が高くなって、50サイクル後の容量が400mAh/gを割る結果になっている。活物質の充放電繰り返しの体積膨張収縮による集電性等の劣化を生じたものとみられる。所定内の集電体表面の粗さと明度を有する実施例1では、600mAh/g以上の50サイクル後の放電容量を示す。他方、同じ両面光沢箔の電解箔を用いた比較例2と実施例2は、集電体の表面粗さまたは明度が規定値から外れているが、皮膜形成後の活物質皮膜の明度が規定外の比較例2では、サイクル試験後400mAh/gを割るが、活物質皮膜の明度が規定内に入る実施例2は600mAh/gを越える容量を維持する。実施例3は集電体表面のRzは4.7μmで、集電体と皮膜表面の明度が規定内に入る実施例3では、50サイクル後放電容量が1000mAh/g以上となっている。他方、集電体Rzが5.4μmで、1μmSi皮膜形成後の明度が規定の50を超える比較例3は初期容量が低くなり、サイクル後の容量も600mAh/gを下回っている。しかし、明度が規定内の実施例4〜5では1千mAh/g前後を保持する容量を示した。また、集電体は規定を満たすものの、活物質皮膜が規定厚さを超えるか、規定厚さに満たない皮膜形成の比較例4〜5では、明度が規定を超えるか、皮膜が薄すぎることにより、50サイクル容量が低く、しかも比較例5は実放電容量が低すぎて、実用に不向きであった。実施例6〜7は規定内仕様により良好であるが、比較例6は明度値に満たないことから低いサイクル容量を示した。
2 耐熱性層と防錆処理層またはシランカップリング処理層
3 シリコン系活物質皮膜
4 粗化処理により粗面化した銅系微細粒子
5 集電体銅箔基材(両面平滑箔または光沢箔)
Claims (13)
- 銅箔または銅合金箔を用いた、引っ張り強度が300MPa以上1000MPa以下である集電体基材の片面または両面に、シリコン系活物質がCVD(化学的気相成長)法、EB(電子ビーム)蒸着法、スパッタリング法により形成した皮膜状に形成されている、非水電解質を用いる2次電池用の負極であって、
前記集電体基材上に、1g/m2〜14g/m2のシリコン系活物質皮膜が形成され、
前記シリコン系活物質が形成された負極表面のXYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値が15〜50であり、かつ日本工業規格(JIS B0601−1994 十点平均粗さ)で規定される表面粗さ(十点平均粗さ)Rzが1.0μm以上4.5μm以下であることを特徴とする2次電池用負極。 - 前記シリコン系活物質は、リンおよび/または酸素を含有することを特徴とする、請求項1に記載の2次電池用負極。
- 前記シリコン系活物質は、さらに水素を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の2次電池用負極。
- 前記集電体基材の活物質形成面上に、ニッケルを0.01〜0.2g/m2含有する層または亜鉛を0.003〜0.05g/m2含有する層の少なくとも一方が形成された耐熱性層を有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の2次電池用負極。
- さらに前記耐熱性層の上層に防錆層および/またはシランカップリング処理層が形成され、さらにその上層に前記シリコン系活物質皮膜が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の2次電池用負極。
- 前記耐熱性層における亜鉛が、前記集電体基材、前記ニッケル層または前記シリコン系活物質皮膜に拡散していることを特徴とする、請求項4または5に記載の2次電池用負極。
- 銅箔または銅合金箔製であり、
片面または両面に、シリコン系活物質がCVD(化学的気相成長)法、EB(電子ビーム)蒸着法、スパッタリング法により形成した皮膜状に形成される、前記シリコン系活物質が形成された負極表面のXYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値が15〜50であり、かつ日本工業規格(JIS B0601−1994 十点平均粗さ)で規定される表面粗さ(十点平均粗さ)Rzが1.0μm以上4.5μm以下であることを特徴とする非水電解質を用いる2次電池負極用の集電体であって、
前記活物質が形成される形成面が、平滑でないか、または光沢を有さず、
前記活物質が形成される形成面の、日本工業規格(JIS B0601−1994 十点平均粗さ)で規定される表面粗さ(十点平均粗さ)Rzが2.0μm以上5.0μm以下であり、
前記集電体の引っ張り強度が300MPa以上1000MPa以下であり、
前記活物質の形成される表面の、XYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値が10〜40であることを特徴とする2次電池用負極集電体。 - 銅箔または銅合金箔を用いた、引っ張り強度が300MPa以上1000MPa以下である集電体基材の片面または両面に、微粒子状のシリコン系活物質が、スラリー塗工により層状に固化形成される、非水電解質を用いる2次電池用負極であって、
前記負極表面のXYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値が45〜75であり、かつ日本工業規格(JIS B0601−1994 十点平均粗さ)で規定される表面粗さ(十点平均粗さ)Rzが0.2μm以上1.5μm以下である2次電池用負極。 - 銅箔または銅合金箔製であり、
片面または両面に、微粒子状のシリコン系活物質が、スラリー塗工により層状に固化形成される、非水電解質を用いる2次電池負極用の集電体であって、
前記負極表面のXYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値が45〜75であり、かつ日本工業規格(JIS B0601−1994 十点平均粗さ)で規定される表面粗さ(十点平均粗さ)Rzが0.2μm以上1.5μm以下であって、
前記活物質が形成される形成面が平滑でないか、または光沢を有さず、
前記活物質が形成される形成面の、日本工業規格(JIS B0601−1994 十点平均粗さ)で規定される表面粗さ(十点平均粗さ)Rzが0.6μm以上3.5μm以下であり、
前記集電体の引っ張り強度が300MPa以上1000MPa以下であり、
前記活物質の形成される表面の、XYZ表色系(CIE1931標準表色系)における明度Y値が20〜50であることを特徴とする2次電池用負極集電体。 - 前記集電体基材の活物質形成面上に、ニッケルを0.01〜0.2g/m2含有する層または亜鉛を0.003〜0.05g/m2含有する層の少なくとも一方が形成された耐熱性層を有することを特徴とする、請求項7または9に記載の2次電池用負極集電体。
- さらに前記耐熱性層の上層に防錆層および/またはシランカップリング処理層を有することを特徴とする請求項10に記載の負極集電体。
- 請求項1〜6、8のいずれか1項に記載の負極または請求項7、9〜11のいずれか1項に記載の負極集電体を用いたことを特徴とする非水電解質を用いた2次電池。
- 前記非水電解質にフッ素を含む非水溶媒を含有する電解液を用いることを特徴とする請求項12に記載の2次電池。
Priority Applications (6)
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