JPH11307102A - リチウム二次電池とその製造法 - Google Patents

リチウム二次電池とその製造法

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JPH11307102A
JPH11307102A JP10114597A JP11459798A JPH11307102A JP H11307102 A JPH11307102 A JP H11307102A JP 10114597 A JP10114597 A JP 10114597A JP 11459798 A JP11459798 A JP 11459798A JP H11307102 A JPH11307102 A JP H11307102A
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Junya Kaneda
潤也 金田
Yasuo Kondo
保夫 近藤
Takeshi Itabashi
武之 板橋
Seiji Takeuchi
瀞士 武内
Tadashi Muranaka
村中  廉
Masatoshi Inagaki
正寿 稲垣
Yasuhisa Aono
泰久 青野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、銅製負極集電体性状に起因する劣化
原因を改善した、充放電サイクル特性に優れるリチウム
二次電池及びその製造法を提供する。 【解決手段】負極活物質を接着する銅薄板表面にひげ状
の銅酸化物を形成し、次いで化学的或いは電気的に処理
して上記銅酸化物の全部若しくは一部を還元する工程
と、或いはさらにニッケルめっきを施す工程により、そ
の表面に針状の突起を有するリチウム二次電池とその製
造法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、新規なリチウム非
水系電解液二次電池とその製造法及び新規な複合部材に
関する。
【0002】
【従来の技術】電子機器の分野では、機器を携帯使用す
る要望の高まりと共に、機器の小型軽量化が進んでい
る。このため、高エネルギー密度を有す電池、特に二次
電池の開発が要求されている。この要求を満たす二次電
池の候補としてリチウム二次電池がある。リチウム二次
電池は、ニッケルカドニウム電池,鉛電池,ニッケル水
素電池に比べ、高電圧,高エネルギー密度を有し、しか
も軽量である。
【0003】リチウム二次電池の正極活物質としてリチ
ウムコバルト酸化物,リチウムニッケル酸化物,リチウ
ムマンガン酸化物、あるいはこれらの複合酸化物が使用
され、負極活物質として黒鉛や非晶質炭素等の炭素材料
が使用されている。これら正負極活物質から電流を取り
出し、それを電池端子へ導くための集電体として、金属
箔が用いられている。特に、銅箔は、リチウムと化合物
を形成せず、電気伝導性が良好で、低コストという特徴
をもち、負極集電体として用いられている。銅箔は、圧
延加工により製造される圧延箔と電解析出により製造さ
れる電解箔がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】圧延箔は、高強度であ
るが、表面が平滑であるために活物質との接着強度が弱
いという欠点をもつ。このため、充放電サイクルを重ね
ると活物質が圧延箔との接着界面で剥離し、充放電容量
の低下,サイクルの短寿命化につながる。また、電解箔
は表面がある程度粗化されているために、活物質との接
着状態は良好であるが、強度が弱く、充放電に伴い割れ
等の不具合を生じ、充放電容量の低下、サイクル寿命劣
化等の原因となる。
【0005】従来、負極集電体上に負極活物質を塗布す
る際には、樹脂を介在させることによりその接着性を保
持している。特開平8−213050 号は、表面が平滑でな
く、適度の表面粗さを有する電解金属箔、特に上記表面
状態の電解銅箔を負極集電体に用いることにより、その
アンカー効果によって活物質層との接着強度を高め、負
極活物質の負極集電体からの脱落を防止している。しか
し、電解銅箔である限り、充放電に伴い集電体自体の不
具合が発生する恐れがある。
【0006】本発明の目的は、充放電サイクル特性の優
れたリチウム二次電池とその製造法を提供するにある。
【0007】本発明の他の目的は、金属板表面への密着
性の高い無機粉末と樹脂との混合物皮膜を有する複合部
材を提供するにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、金属薄板から
なる集電体表面に充放電時にリチウムイオンを吸蔵,放
出する負極活物質を有する負極と、金属薄板からなる集
電体表面に正極活物質を有する正極と、リチウムイオン
導電性の非水系電解液又はポリマー電解質とを備えたリ
チウム二次電池において、前記負極及び正極の少なくと
も一方の集電体表面の実質表面積が見かけの表面積の2
倍以上であることを特徴とする。
【0009】本発明は、金属薄板からなる集電体表面に
充放電時にリチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質
を有する負極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活
物質を有する正極と、リチウムイオン導電性の非水系電
解液又はポリマー電解質とを備えたリチウム二次電池に
おいて、放電電流400mA,上限電圧4.2V ,下限
電圧2.5V で5サイクルの充放電を行った後の放電容
量を100%としたとき、前記充放電を200サイクル
行った後の放電容量が前記100%に対して85%以上
であることを特徴とする。
【0010】本発明は、金属薄板からなる集電体表面に
充放電時にリチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質
を有する負極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活
物質を有する正極と、リチウムイオン導電性の非水系電
解液又はポリマー電解液とを有するリチウム二次電池に
おいて、前記負極及び正極の少なくとも1つの集電体は
前記負極活物質又は正極活物質が形成される表面に前記
負極又は正極を構成する金属からなる棒状の金属層が形
成されていることを特徴とする。
【0011】本発明は、金属薄板からなる集電体表面に
充放電時にリチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質
を有する負極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活
物質を有する正極と、リチウムイオン導電性の非水系電
解液又はポリマー電解質とを備えたリチウム二次電池に
おいて、前記負極活物質は鱗片状黒鉛又は塊状非晶質炭
素粉と金属粉とを有することを特徴とする。
【0012】本発明は、金属薄板からなる集電体表面に
充放電時にリチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質
を有する負極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活
物質を有する正極と、リチウムイオン導電性の非水系電
解液又はポリマー電解質とを備えたリチウム二次電池に
おいて、前記負極及び正極の少なくとも一方の集電体は
冷間圧延されたままの金属薄板からなることを特徴とす
る。
【0013】本発明は、前記負極及び正極の少なくとも
一方の集電体はその表面に該集電体のベース金属より硬
さの大きい金属層を有するものが好ましい。
【0014】本発明は、前記負極活物質及び正極活物質
の少なくとも一方は黒鉛を有し、該黒鉛は菱面体結晶が
20重量%以下及び六方晶結晶が80重量%以上である
のが好ましい。
【0015】本発明に係るリチウム二次電池は前述の各
発明の要件が7つあるが、これらを2つ以上任意に7つ
まで各々組合せた要件を有するものが好ましい。
【0016】本発明は、金属薄板からなる集電体表面に
充放電時にリチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質
を有する負極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活
物質を有する正極と、リチウムイオン導電性の非水系電
解液又はポリマー電解質とを備えたリチウム二次電池の
製造法において、前記負極及び正極の少なくとも一方の
集電体表面に各々の前記活物質を形成する前に、前記集
電体表面にひげ状の酸化物からなる酸化層を形成後、該
酸化層を還元する処理を含むことを特徴とする。
【0017】本発明は、前記還元する処理を施した後、
該還元されたその表面に前記活物質を形成させる前に前
記集電体の金属より硬い金属の皮膜を形成することが好
ましい。
【0018】本発明は、金属薄板からなる集電体表面に
充放電時にリチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質
を有する負極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活
物質を有する正極と、リチウムイオン導電性の非水系電
解液又はポリマー電解質とを備えたリチウム二次電池の
製造法において、前記負極及び正極の少なくとも一方の
金属薄板からなる集電体を冷間圧延によって所望の厚さ
に加工した後、該加工した表面を粗面化してその表面に
前記活物質を形成することを特徴とする。
【0019】本発明の製造法は前述の3つの要件がある
が、これらを2つ又は3つ組合せることがより好まし
い。
【0020】本発明は、金属板表面に無機粉末と樹脂と
の混合物からなる薄層が形成されている複合部材におい
て、前記金属板表面の前記薄層が形成されている面に前
記金属板の金属からなる棒状の金属層が形成されている
ことを特徴とする。
【0021】本発明の複合部材の製造法は前述の集電体
と同じ製造法によって得ることができる。
【0022】銅製負極集電体性状に起因する電池特性の
劣化は、負極集電体と負極活物質の接着性の低下による
もので、この接着性を向上させることにより電池特性の
改善も図れると考え、本発明に至った。更に、本発明は
正極集電体においても同様な表面を有するものとするこ
とができる。
【0023】正極,負極活物質は、一般に粒径100μ
m以下の粒子が好ましく、集電体材料であるアルミ又は
銅と粒子の接着性を向上させることにより、上記目的は
達成できる。
【0024】金属と粒子を接着する際には、粒子を接着
する金属表面が少なくとも、予め、その表面に酸化物を
形成する工程と、化学的或いは電気的に処理して上記酸
化物の全部若しくは一部を還元する工程と、或いはさら
にニッケルめっきを施す工程により、処理されているこ
とが有効である。このような処理を施した銅表面は、処
理前に比べると粗化状態にある。また、ニッケルめっき
を施さずに処理を施した銅は銅の金属光沢を呈さず、表
面が粗化されていることによる光散乱によってこげ茶乃
至は黒の色相となる。表面粗化処理を施した銅に粒子を
接着する方法として、粒子と樹脂を混合した混合物を表
面粗化銅に塗布し、圧接加熱する方法がある。また、樹
脂を溶解させた溶媒と粒子を混練したスラリーを塗布
し、圧接加熱する方法がある。この場合、圧接と加熱
は、前後して別々に行う場合と同時に行う場合がある
が、いずれにおいても本発明は効果を発揮する。上記表
面処理により粗化されている金属は、粒子との接着性を
向上させることができるが、特に見かけ表面積に対する
実質表面積の比が2以上であることが好ましい。例え
ば、厚さ20μm,広さ100mm四方の金属箔の場合、
見かけ表面積は2表面で、20,000mm2である。見か
け表面積がS(mm2 )である金属箔の両面に、上記の処
理を施した粗化金属箔も、見かけ表面積はS(mm2 )で
ある。粗化金属箔の重さをM(g)とする。また、BET
法により測定した粗化金属箔の比表面積をρ(mm2/g)
とする。このとき、比表面積から求められる実質表面積
はρ×M(mm2)である。従って、実質表面積/見かけ表
面積の値は、(ρ×M)/Sである。
【0025】本発明における実質表面積は見かけ表面積
に対して2以上、より3以上が好ましく、安定した特性
を得るには4以上が好ましい。上限は30が好ましく、
より20以下、特に15以下とするのが好ましい。集電
体の金属箔は5〜30μm、より8〜20μmの厚さが
好ましい。
【0026】集電体としての金属箔として正極にはアル
ミ、負極には銅が用いられ、本発明の粗面化における金
属箔には圧延されたままのものを粗面化してその表面の
強度の高い形で正極,負極活物質を塗布して加圧成形し
て形成させるのが好ましい。圧延後焼鈍してもよいが、
加圧成形との方法との関係で焼鈍温度との調整を図って
その表面の硬さを調整することが好ましい。
【0027】表面が、少なくとも、予め金属表面に酸化
物を形成する工程と、化学的或いは電気的に処理して上
記酸化物の全部若しくは一部を還元する工程と、或いは
さらに好ましくはニッケルめっきを施す工程により、処
理されている金属箔を正極又は負極集電体として用い、
正極又は負極活物質との接着性を向上させた非水系電解
液二次電池では、充放電に伴う正極又は負極活物質の脱
落や剥離が生じ難く、充放電サイクル特性が良好であ
る。
【0028】集電体のベース金属の表面を強化するため
に、ベース金属より硬い金属で変形可能であれば良く、
特に、コバルト,ニッケル等をめっきにより、金属箔表
面を粗面化した後、その金属の皮膜を形成する。この金
属皮膜は正極,負極活物質の形成に際して加圧成形され
る際の平坦化を防止して密着性を高めること、更にアル
ミ,銅表面に対しては耐食性を高める点で好ましいもの
である。その厚さは0.01 〜1μmが好ましい。
【0029】負極活物質としては、リチウムイオンを吸
蔵,放出させることが可能な粒子であれば良く、黒鉛
類,非晶質炭素類,熱分解炭素類,コークス類,炭素繊
維,金属リチウム,リチウム合金(Li−Al,Li−
Pb、等),無機化合物(炭化物,酸化物,窒化物,ホ
ウ化物,ハロゲン化物,金属間化合物等),アルミや錫
等の金属粒子化合物が使用可能である。
【0030】これらの金属以外の物質は平均粒径5〜3
0μmが好ましく、特に10〜20μmが好ましい。小
さい粒子は特性を損うので、最小粒子として5μm以上
が好ましく、最大粒子として50μm以下が好ましい。
金属粉末は膜の導電性を高めるのに有効であり、平均粒
径0.1 〜100μm、より1〜50μmが好ましい。
黒鉛は菱面体結晶を20重量%以下が好ましく、特に5
〜15重量%が好ましい。
【0031】正極活物質としては、リチウムコバルト酸
化物(LixCoO2),リチウムニッケル酸化物(Li
xNiO2),リチウムマンガン酸化物(LixMn
24,LixMnO3)、およびリチウムニッケルコバルト
酸化物(LixNiyCo(1-y)2)等の複合酸化物が使用で
きる。これらの物質は平均粒径5〜30μmが好まし
く、負極活物質と同様の金属以外の粒径と同様にするこ
とが好ましい。
【0032】セパレータとしては、ポリプロピレン,ポ
リエチレンやポリオレフィン系の多孔質樹脂膜が用いら
れる。
【0033】電解液は、リチウム塩を電解質として溶解
させた有機溶媒が用いられる。有機溶媒としては、例え
ば、プロピレンカーボネート,エチレンカーボネート,
ジメチルカーボネート,メチルカーボネート、1,2−
ジメトキシエタン,ジプロピルカーボネート等あるいは
これらの2種以上の混合溶媒が用いられる。
【0034】電解質としては、六フッ化リン酸リチウム
(LiPF6),LiBF4,LiClO4等が用いられる。
【0035】前述の負極及び正極活物質として使用され
る導電材として、鱗片状黒鉛,塊状非晶質炭素,塊状黒
鉛が好ましく、平均粒径として10〜30μm以下,比
表面積で2〜300m2/g、より15〜280m2/g
が好ましく、また直径5〜10μm,長さ10〜30μ
mの炭素短繊維を用いるのが好ましい。特に、塊状黒鉛
が密着性が高い。
【0036】また、負極及び正極活物質は樹脂が2〜2
0重量%含み、この樹脂によって集電体表面に結合され
るものである。樹脂にはポリ弗化ビニリデンが用いられ
る。本発明を適用した非水系電解液二次電池は、負極集
電体表面が適度に粗化されており、平滑な表面の負極集
電体に比べるとアンカー効果が大きく、負極活物質と樹
脂を含む負極合剤との接着強度を向上させることが出来
る。これにより、充放電時の負極活物質の膨張,収縮に
伴う負極合剤の剥離や脱落を防止することができ、非水
系電解液二次電池の充放電サイクル特性を向上させるこ
とが可能となる。
【0037】本発明のリチウム二次電池は、各種携帯電
子機器に用いられ、特にノート型パソコン,ノート型ワ
ープロ,パームトップ(ポケット)パソコン,携帯電
話,PHS,携帯ファックス,携帯プリンター,ヘッド
フォンステレオ,ビデオカメラ,携帯テレビ,ポータブ
ルCD,ポータブルMD,電動髭剃り機,電子手張,ト
ランシーバー,電動工具,ラジオ,テープレコーダ,デ
ジタルカメラ,携帯コピー機,携帯ゲーム機、更に電気
自動車,ハイブリッド自動車,自動販売機,電動カー
ト,ロードレベリング用蓄電システム,家庭用蓄電器,
分散型電力貯蔵機システム(据置型電化製品に内蔵),
非常時電力供給システム等に用いることができる。
【0038】
【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した銅と粒子
の接着性および非水系電解液二次電池について、図表を
参照し説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定さ
れない。
【0039】(実施例1)厚さ0.1mm,大きさ100m
m 四方のタフピッチ銅の圧延のままの銅板を用いた。以
下の工程により、上記銅板の表面処理を実施した。
【0040】まず、上記銅板を C4000 50g/l 液温 55℃ で脱脂処理し、次いで水洗した。次に、 二硫酸アンモニウム〔(NH4)224〕 200g/l 硫酸(H2SO4) 5ml/l 液温 30℃ で処理を施した後、水洗した。次に、 硫酸(H2SO4) 3ml/l で酸洗し、次いで水洗した。次に、 塩素酸ナトリウム(NaCl3O) 109g/l リン酸ナトリウム(Na3PO4・12H2O) 30g/l カ性ソーダ(NaOH) 15g/l 液温 75℃ で酸化処理を施し、銅板表面に銅酸化物を形成させた。水洗の後、 ジメチルアミンボラン〔(CH3)2NHBH3〕 6g/l カ性ソーダ(NaOH) 5g/l 液温 45℃ で還元処理を施した。この後、純水で洗浄し、熱風で乾
燥させた。これらの処理は、それぞれ所定の時間、撹拌
されている溶液に浸漬することにより行った。
【0041】C4000は圧延後の銅板表面の汚れを除
去するもので、pH11〜13になるようにNaOHが
添加され、更に界面活性剤が添加されたものである。二
硫酸アンモニウムは銅表面を溶解し、硫酸は銅酸化物を
溶解するものである。
【0042】表面処理状態は、酸化処理の時間,温度,
溶液濃度で制御することが出来るが、ここでは種々の処
理時間の銅板を作製した。その処理時間は、60,12
0,300sec とした。処理後の銅板表面を走査型電子
顕微鏡で観察した結果、上記酸化処理時間が長くなるに
従い、表面が粗くなる傾向が確認された。また、Krガ
スを用いたBET法により比表面積を測定し、実質表面
積を求めた。銅板の見かけの表面積に対する実質表面の
比を表1に示す。ここで、No.1は比較例で、上記の一
連の処理を施さない圧延のままの銅板である。
【0043】
【表1】
【0044】表1より、酸化処理時間が長くなるに伴
い、銅板の表面粗化が進行する。比較例1で、実質表面
/見かけ表面積が1以下になっているのは、本例で用い
たBET法による比表面積測定誤差による。したがって、
それぞれのサンプルの実質表面積/見かけ表面積の値に
は、いずれもこの程度の誤差が含まれている。
【0045】図1は(実質表面積/見かけ表面積)比と
酸化処理時間との関係を示す線図である。図に示す様に
実質表面積は酸化時間の増加によってほぼ直線的に増加
し、約1分で実質表面積比は3以上となるとともに、2
00秒以上ではややゆるやかに増加する傾向を示してい
る。
【0046】本実施例で300秒の酸化処理したままの
表面を電顕で観察した結果、直径1〜30nm,長さ5
0〜200nmのひげ状の酸化物が形成された。また、
その後の還元処理によってその表面に直径5〜20nm
の棒状の皮膜がその表面に互いにややからみ合って長さ
100〜500nmのものが立って形成されていた。特
に、処理時間によってその径と長さが変るものである。
【0047】次に、銅板と粒子の接着性について記述す
る。粒子として、平均粒径が約25μmの鱗片状黒鉛、
平均粒径約15μmの塊状非晶質炭素、および平均粒径
30μmのアルミ粉末を用いた。これらそれぞれの粒子
と、ポリフッ化ビニリデンを溶解させたN−メチルピロ
リドン溶液とを混錬し、スラリーとした。このスラリー
を、表1に示す銅板に塗布した。このとき、スラリー中
の各粒子とポリフッ化ビニリデンの配合は、重量比で粒
子:ポリフッ化ビニリデン=90:10とした。上記の
スラリーを塗布した銅板は、大気中で乾燥させた後、膜
の密度を高めるために500kg/cm2 の圧力で圧接し、
更に120℃で真空乾燥した。上記手順で作製した粒子
接着銅板は、粒子接着面積が4cm2 となるように切断
し、粒子接着部全面を覆うように市販の粘着テープを貼
った。この粘着テープを剥す時に剥離する粒子の割合に
より、銅板と粒子の接着性を評価した。その結果を表2
に示す。
【0048】
【表2】
【0049】表2では、粘着テープを剥した時に剥離す
る粒子の割合が小さい程、銅板と粒子の接着性が良好で
ある。これにより、圧延のままの銅板に比べ、酸化およ
び還元工程により表面粗化処理を施した銅板は、粒子と
の接着性が良好であった。また、粒子の種類や粒径によ
り接着性に差異があるものの、表面粗化した銅板では、
圧延のままの銅板に比べ、粒子との接着性が向上した。
【0050】図2は剥離した粒子の割合と(実質表面積
/見かけ表面積)比との関係を示す線図である。図に示
す様に鱗片状黒鉛とAl粉は実質表面積比が2以上でほ
ぼ剥離率が飽和して、前者が35%以下、後者が15%
以下と小さくなる。また、非晶質炭素は実質表面積が4
以上で剥離率が25%以下となることがわかる。
【0051】(実施例2)次に、ニッケルめっきまで実
施した銅箔の処理方法および接着性評価結果について述
べる。実施例1と同様に、銅として厚さ0.1mm ,大き
さ100mm四方のタフピッチ銅の圧延のままの板を用い
た。以下の工程により、上記銅板の表面処理を実施し
た。
【0052】まず、上記銅板を C4000 50g/l 液温 55℃ で脱脂処理し、次いで水洗した。次に、 HCl 5ml/l で酸洗し、次いで (NH4)224 200g/l H2SO4 5ml/l 液温 30℃ で処理を施した後、水洗した。次に、 H2SO4 3ml/l で酸洗し、次いで水洗した。この後、60℃の温水で湯
洗し、引き続き、 NaClO3 109g/l Na3PO4・12H2O 30g/l NaOH 15g/l 液温 75℃ で酸化処理を施し、銅板表面に銅酸化物を形成させた。
水洗の後、 (CH3)2NHBH3 6g/l NaOH 5g/l 液温 45℃ で還元処理を施した。この後、水洗し、次いで、 (CH3)2NHBH3 2g/l 液温 45℃ に浸漬後、 トップケミアロイH−30 100ml/l 液温 50℃ に浸漬させた。この後、純水で洗浄し、熱風で乾燥させ
た。種々の表面処理状態の銅板を得るために、本例にお
いても、種々の酸化処理時間の銅板を作製した。その処
理時間は、実施例1と同様に20,120,300sec
とした。また、ニッケルめっきは、無電解Ni−Bめっ
き液を用いて行った。Niめっき浴は次の通りである。
【0053】 硫酸ニッケル ……0.04mol/l クエン酸ナトリウム ……0.25mol/l ジメチルアミンボラン……0.7mol/l ほう酸 ……0.5mol/l pH=9.15 液温 ……50℃ 本実施例における無電解めっき電気めっきにくらべ硬さ
の高いものが得られるので好ましい。めっき時間が長く
なると、粗化表面へニッケル粒子が堆積し、粗化状態が
失われるので、ニッケルめっき時間は120sec とし
た。処理後の銅板表面を走査型電子顕微鏡で観察した結
果、実施例1と同様に上記酸化処理時間が長くなるに従
い、表面が粗くなる傾向が確認された。また、ニッケル
めっきにより粗化状態が失われているような様子は観察
されなかった。さらに、比表面積を測定し、実質表面積
/見かけ表面積を求め、表3に示す。
【0054】図1に示す様に実質表面積比は処理時間と
ともに直線的に増加し、約1分の処理で3以上の実質表
面積比が得られることが分る。また、表面を電顕で観察
した結果は実施例1と同様であった。
【0055】
【表3】
【0056】次に、上記のニッケルめっき銅板と粒子の
接着性を評価した。評価方法は、実施例1と同一の方法
による。その結果を表4に示す。
【0057】
【表4】
【0058】ここでも、表面粗化が進行するに従い、粒
子との接着性が良好となった。また、ニッケルめっきを
施すことで、粒子との接着性が僅かに向上した。
【0059】図3は剥離した粒子の割合と(実質表面積
/見かけ表面積)比との関係を示す線図である。図に示
す様に、実質表面積比が2以上で鱗片状黒鉛が25%以
下、非晶質炭素及びAl粉が15%以下と非常に少ない
剥離であった。
【0060】(実施例3)厚さ35μmの電解銅箔に、
実施例のNo.2,4,6および7と同一の処理条件で表
面粗化処理を施したサンプルについて、走査型電子顕微
鏡による表面性状観察およびBET法による比表面積測
定を実施した。走査型電子顕微鏡による観察結果は、実
施例1および実施例2で示した圧延銅板の表面状態と同
様であった。また、比表面積より求めた実質表面積/見
かけ表面積の値を表5に示す。本実施例においても実質
表面積比は図1に示す線図とほぼ同様に酸化処理時間と
ともに増加するものであった。電解銅箔はその堆積方向
に延びた直径0.5 〜2μmの柱状晶によって形成され
ている。
【0061】
【表5】
【0062】電解銅箔にも、実施例1および実施例2と
同様に、表面粗化処理あるいは表面粗化処理にニッケル
めっき処理を施すことができ、実質表面積/見かけ表面
積も厚さ0.1mm の銅板と同程度の値であった。なお、
比較例のNo.8は、表面粗化処理を施していない電解銅
箔のそのものである。表面の状態は実施例1と同様であ
った。
【0063】次に、上記サンプルと粒子の接着性を評価
した。評価方法は、実施例1と同一の方法による。その
結果を表6に示す。
【0064】図4は剥離した粒子の割合と(実質表面積
/見かけ表面積)比との関係を示す線図である。図に示
す様に剥離率は実質表面積比で2以上とすることにより
鱗片状黒鉛及び非晶質炭素が35%以下,Al粉が25
%以下と著しく低いものであった。
【0065】
【表6】
【0066】ここでも、表面粗化が進行するに従い、粒
子との接着性が良好となった。ただし、電解銅箔の粒子
との接着性が、圧延銅板よりも良好であった。
【0067】(実施例4)以下に、本発明の銅と粒子を
接着する方法を適用し電極を作製したリチウム非水系電
解液二次電池について説明する。
【0068】本例で作製した非水系電解液二次電池の一
部断面図を図5に示す。電極体は、正極集電体1に正極
合剤2を塗布して成る正極3,負極集電体4に負極合剤
5を塗布して成る負極6、およびセパレータ7で構成さ
れ、正極3,セパレータ7,負極6,セパレータ7の順
に積層し、図6に示す様にこれを捲回して成る。電極体
の正極3,負極6にはそれぞれ正極リード8,負極リー
ド9が接続されている。この電極体は、電池缶10に収
納され、電池缶10と負極リード9、および電池蓋11
と正極リードがそれぞれ接続されている。電池蓋11
は、絶縁性のガスケット12を介して電池缶10に固定
し、電極体と電池缶10内を密封している。また、電極
体と電池缶10あるいは電池蓋11との接触を防止する
ために、絶縁板13も設けている。また、電極体が収納
された電池缶10内に、体積比でエチレンカーボネー
ト:ジメチルカーボネート=1:2の混合溶媒に六フッ
化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/l溶解させた
電解液を注入した。作製した非水系電解液二次電池の外
形は、直径18mm,高さ65mmである。電池缶10と電
池蓋11はSUS304,SUS316,耐食性コーテングを施した
軟鋼等が用いられる。
【0069】正極活物質にリチウムコバルト酸化物(L
iCoO2 )を用い、正極集電体に厚さ20μmのアル
ミ箔を用いた。リチウムコバルト酸化物,人造黒鉛、お
よびポリフッ化ビニリデンを溶解させたN−メチルピロ
リドン溶液を混錬したスラリーを、アルミ箔の両面に片
面90μmの厚さとなるように塗布し、乾燥,プレス,
切断して正極を作製した。正極合剤1の配合比は、リチ
ウムコバルト酸化物:人造黒鉛:ポリフッ化ビニリデン
=87:9:4とした。
【0070】負極活物質として鱗片状黒鉛を用い、集電
体として厚さ18μmの圧延銅箔を用いた。ポリフッ化
ビニリデンを溶解させたN−メチルピロリドン溶液と鱗
片状黒鉛を混錬したスラリーを、圧延銅箔の両面に片面
50μmの厚さとなるように塗布し、乾燥,プレス,切
断して負極6とした。負極合剤5の配合比は、鱗片状黒
鉛:ポリフッ化ビニリデン=94:6とした。
【0071】正極集電体;アルミ箔、正極活物質;リチ
ウムコバルト酸化物、負極集電体;圧延銅箔、負極活物
質;鱗片状黒鉛、の組み合わせで作製した上記の非水系
電解液二次電池を比較例のNo.13とする。
【0072】厚さ20μmの圧延のままの銅箔を実施例
1のNo.4と同様の条件で表面処理を施した表面粗化圧
延銅箔を用いて、比較例のNo.13と同様の工程および
構成で非水系電解液二次電池を作製した。これをNo.1
4とする。
【0073】厚さ20μmの圧延銅箔を実施例2のNo.
7と同様の条件で表面処理した銅箔を用いて、比較例の
No.13と同様の工程および構成で作製した非水系電解
液二次電池をNo.15とする。各々の実質表面積/見か
け表面積はNo.13が0.7,No.14が12.4,No.
15が14.1である。
【0074】以上の実施例のNo.14,15および比較
例のNo.13の非水系電解液二次電池を、充放電電流;
400mA、上限電圧;4.2V、下限電圧;2.5Vの
条件で充放電試験に供した。充放電試験の5サイクル目
の放電容量を100%とした時に、200サイクル目で
維持している放電容量の割合を容量維持率として求め
た。また、さらに300サイクルまで充放電を継続し、
放電状態で充放電を停止した非水系電解液二次電池を解
体し、負極の状態を観察した。これらの結果を表7に示
す。
【0075】
【表7】
【0076】表7より、表面粗化処理、あるいはさらに
ニッケルめっきを施した圧延銅箔を負極集電体に用いた
非水系電解液二次電池は、処理を施していない圧延銅箔
を用いたものに比べ、容量維持率が高かった。また、本
実施例では、解体後の負極状態は、比較例のNo.13で
観察された負極合剤層の剥離や脱落は観察されず、良好
であった。
【0077】図7は容量維持率と(実質表面積/見かけ
表面積)比との関係を示す線図である。図に示す様に、
実質表面積比を3以下にすると容量維持率が85%以下
と急激に低下する。また、実質表面積比を3以下とする
ことにより容量維持率が85%以上の高い値を示す。
【0078】(実施例5)図5に示した本発明のリチウ
ム二次電池を同様に、以下のようにして作製した。正極
活物質としてLiCoO2 、導電剤としてアセチレンブ
ラックを7wt%,結着剤としてポリフッ化ビニリデン
(PVDF)を5wt%添加して、これにN−メチル−
2−ピロリドンを加え混合して正極合剤のスラリーを調
製した。
【0079】同様に負極活物質として菱面体結晶5〜2
0重量%の任意の含有量を有し、80重量%以上が六方
晶結晶を有する黒鉛粉末、結着剤としてPVDFを10
wt%添加して、これにN−メチル−2−ピロリドンを
加え混合して負極合剤のスラリーを調製した。黒鉛粉末
は平均粒径が25μmであり、菱面体結晶の量を2850℃
で加熱時間を変えて調整したものである。
【0080】正極合剤を厚み25μmのアルミニウム箔
の両面に塗布し、その後120℃で1時間真空乾燥し
た。真空乾燥後、ローラープレスによって電極を加圧成
型して厚みを195μmとした。単位面積当りの合剤塗
布量は55mg/cm2 となり、幅40mm,長さ285mmの
大きさに切り出して正極を作製した。但し、正極の両端
の長さ10mmの部分は正極合剤が塗布されておらずアル
ミニウム箔が露出しており、この一方に正極タブを超音
波接合によって圧着している。
【0081】一方、負極合剤は実施例1及び2に示す酸
化処理後還元処理した厚み10μmの圧延のままの銅箔
の両面に塗布し、その後120℃で1時間真空乾燥し
た。真空乾燥後、ローラープレスによって電極を加圧成
型して厚みを175μmとした。単位面積当りの合剤塗
布量は25mg/cm2 であり、幅40mm,長さ290mmの
大きさに切り出して負極を作製した。正極と同様に、負
極の両端の長さ10mmの部分は負極合剤が塗布されてお
らず銅箔が露出しており、この一方に負極タブを超音波
接合によって圧着した。
【0082】セパレータは、厚み25μm,幅44mmの
ポリプロピレン製の微孔膜を用いた。正極,セパレー
タ,負極,セパレータの順で重ね合わせ、これを図6に
示す様に捲回して電極群とした。これを実施例5と同様
に電池缶に挿入して、負極タブを缶底溶接し正極蓋をか
しめるための絞り部を設けた。体積比が1:1のエチレ
ンカーボネートとジェチルカーボネートの混合溶媒に六
フッ化リン酸リチウムを1mol/l 溶解させた電解液を
電池缶に注入した後、正極タブを正極蓋に溶接した後、
正極蓋をかしめ付けて電池を作製した。
【0083】この電池を用いて、充放電電流300m
A,充放電終止電圧をそれぞれ4.2V,2.8V として充
放電を繰り返した。また、充電電流を300mAから90
0mAの範囲で変化させ、急速充放電を行った。
【0084】(実施例6)図8は本発明に係るコイン型
電池の断面図である。本実施例の正極及び負極に用いた
集電体、正極合剤及び負極合剤は実施例4と同様に製造
した。負極は直径14.5mm 、電極の厚さを0.4mmの
ペレットにした。正極は、直径14.5mm,電極の厚さ
を0.9mm とした。図8に示すように、予め内底面に正
極集電体が溶接によって取り付けられ、絶縁パッキンか
らなるガスケットが載置された正極缶に、正極を圧着し
た。次に、この下に微多孔性ポリプロピレンのセパレー
タを配置し、エチレンカーボネートとプロピレンカーボ
ネート,ジエチルカーボネートとの2:1:3の混合溶
媒に1mol/lのLiPF6を溶解した電解液を含浸させ
る。一方、負極缶4の内面に、負極集電体を溶接し、こ
の負極集電体に負極を圧着させる。次に前記セパレータ
に前記負極を重ね正極缶と負極缶をガスケットを介在さ
せてかしめ、コイン型電池を作製する。
【0085】(実施例7)本実施例で使用した正極活物
質は、平均粒径10μmのLiCoO2 粉末である。こ
の正極活物質と天然黒鉛,ポリフッ化ビニリデンの1−
メチル−2−ピロリドン溶液を添加し、十分に混練した
ものを正極スラリーとした。LiCoO2,天然黒鉛,
ポリフッ化ビニリデンの混合比は、重量比で90:6:
4とした。スラリーを、ドクターブレード法によって、
厚さ20μmのアルミニウム箔からなる正極集電体の表
面に塗布した。正極は、高さ70mm,幅120mmの短冊
形状である。この正極を100℃で2時間塗燥した。
【0086】負極は以下の方法で作製した。平均粒径5
μmの天然黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンを、重量比
90:10で混合し、有機溶媒として1−メチル−2−
ピロリドンを添加して、十分に混練して負極スラリーを
調製した。このスラリーを、ドクターブレード法によっ
て、厚さ10μmの圧延のままの銅箔からなり、実施例
1のNo.4と同様の条件で表面処理を施した負極集電体
の表面に塗布した。負極は、高さ70mm,幅120mmの
短冊形状である。この負極を100℃で2時間乾燥し
た。
【0087】図9は、本発明の角型リチウム二次電池の
断面図である。電池の外寸法は、高さ100mm,幅13
0mm,奥行き30mmである。袋状に加工したセパレータ
33の中に挿入した正極31,負極32を交互に積層し
た電極群を、アルミニウム製電池缶34に挿入した。各
電極の上部に溶接した正極リード35と負極リード37
は、正極端子38,負極端子39へそれぞれ接続した。
正極端子38と負極端子39は、ポリプロピレン製パッ
キン40を介して電池蓋41に挿入されている。外部ケ
ーブルと電池の接続は、正極端子38,負極端子39に
取り付けたナット20により接続可能である。電池蓋4
1には、電池内部の圧力が4〜7気圧に達したときに、
電池内部に蓄積したガスを開放するための安全弁、なら
びに電解液の注液口を設置した。安全弁はガス放出口4
2,Oリング43,封止ボルト44からなる。注液口は
注入口45,Oリング46,封止ボルト47から構成さ
れる。電池缶34と電池蓋41をレーザー溶接した後、
注入口45より電解液を導入し、注入口45を封止ボル
ト47で密閉して、リチウム二次電池を完成させた。使
用した電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカー
ボネートの等体積混合溶媒1リットルに、1モル相当の
六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を含有する溶液
である。
【0088】電池の電気化学的エネルギーは、正極端子
8と負極端子9より外部へ取り出し、再充電により蓄え
ることが可能になっている。この電池の平均放電電圧は
3.7V,定格容量は27Ah,100Whである。
【0089】上述の角型リチウム二次電池21の蓋11
を上方に向け、高さ100mm,幅130mmの側面同士が
対向するように一列に配置させて、図10に示した8直
列接続の組電池を組み立てた。
【0090】本発明では、スペーサを用いることによる
組電池の体積エネルギー密度減少率を10%程度にとど
めるために、スペーサの厚さは電池厚さの10%未満に
制限した。電池21の厚さは30mmであるので、厚さ1
0mm,幅10mm,長さ100mmのポリ4フッ化エチレン
製スペーサ22を、電池21の高さ方向に沿って、各電
池対向面の間に2本ずつ挿入した。組電池の側面と前後
に取り付けたステンレス製金属板23とポリ4フッ化エ
チレン製固定部品28をボルト29で固定して、角型リ
チウム二次電池21を内側向きに圧力が加わるように締
め付けた。電池からの熱を外部へ素早く放散させるため
に、ステンレス製金属板23にリブ状の突起部を形成さ
せた。それぞれの角型リチウム二次電池21の正極端
子,負極端子は、全電池が直列接続になるように電流ケ
ーブルで接続され、組電池の正極端子24,負極端子2
5へ結線した。さらに、各電池21の正極端子,負極端
子は、それぞれ正極電圧入力ケーブル,負極電圧入力ケ
ーブルを介して制御回路基板26に接続され、組電池の
充放電制御のために各電池21の電圧と電流を計測し
た。制御回路基板26はマイコンを装着しており、少な
くとも1個の電池21の電圧と電流の一方が設定範囲か
らはずれた際に、組電池の充放電を停止する機能をも
つ。本発明の制御回路基板は、ガラス繊維と1%のヘキ
サブロモベンゼンを添加したエポキシ樹脂からなるプリ
ント基板,ポリ4フッ化エチレンで被覆した配線ケーブ
ルを用いて、回路素子を接続しており、安全性を高めた
難燃性基板である。末端にある電池から4番目の電池の
側面に熱電対43を取り付け、温度信号を制御回路基板
26へ送り、電池温度が設定温度を超えたときに充放電
を停止するようにした。本実施例では制御回路基板26
を組電池の上部に設置したので、ガス放出口42から放
出した電解液が、制御回路基板26へ付着しないよう
に、遮蔽板27を制御回路基板26と電池21の間に挿
入した。本実施例の組電池の平均放電電圧は29.6
V,定格容量27Ah,800Wh である。本実施例
の組電池をB1と表記する。本発明の組電池に外装容器
は不要であるため、角型リチウム二次電池21を外気で
直接冷却することが可能となり、急速な充電時あるいは
高負荷率の放電時での電池の温度上昇を低減できる。
【0091】以上の説明では、電極群が短冊電極を用い
た積層式であったが、偏平で長円形状の捲回式であって
も、本実施例と同様な組電池を構成することができる。
【0092】
【発明の効果】本発明によれば、金属板として特に銅薄
板表面に粒子を接着する際に、銅薄板表面にひげ状の銅
酸化物を形成し、次いで化学的或いは電気的に上記銅酸
化物を還元する工程と、或いはさらにニッケルめっきを
施す工程により処理することにより、高い接着性が得ら
れる。その結果、非水系電解液二次電池の負極集電体に
おいては、充放電サイクル特性に優れた非水系電解液二
次電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実質表面積/見かけ表面積と酸化処理時間との
関係を示す線図。
【図2】剥離した粒子の割合と実質表面積/見かけ表面
積との関係を示す線図。
【図3】剥離した粒子の割合と実質表面積/見かけ表面
積との関係を示す線図。
【図4】剥離した粒子の割合と実質表面積/見かけ表面
積との関係を示す線図。
【図5】本発明のリチウム二次電池の断面図。
【図6】本発明のリチウム二次電池の正極,負極及びセ
パレータの組立図。
【図7】容量維持率と実質表面積/見かけ表面との関係
を示す線図。
【図8】本発明のコイン型リチウム二次電池の断面図。
【図9】本発明の角型リチウム二次電池の断面図。
【図10】本発明の組電池の斜視図。
【符号の説明】
1…正極集電体、2…正極合剤、3,31…正極、4…
負極集電体、5…負極合剤、6,32…負極、7,33
…セパレータ、8,35…正極リード、9,37…負極
リード、10,34…電池缶、11,41…電池蓋、1
2…ガスケット、13…絶縁板、21…角型リチウム二
次電池、22…スペーサ、23…ステンレス鋼製金属
板、24…組電池の正極端子、25…組電池の負極端
子、26…制御回路基板、27…遮蔽板、28…固定部
品、29…ボルト、38…正極端子、39…負極端子、
40…パッキン、42…ガス放出口、43,46…Oリ
ング、44,47…封止ボルト、45…注入口、49…
開裂弁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01M 10/40 H01M 10/40 B (72)発明者 武内 瀞士 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 村中 廉 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 稲垣 正寿 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 青野 泰久 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属薄板からなる集電体表面に充放電時に
    リチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質を有する負
    極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活物質を有す
    る正極と、リチウムイオン導電性の非水系電解液又はポ
    リマー電解質とを備えたリチウム二次電池において、前
    記負極及び正極の少なくとも一方の集電体表面の実質表
    面積が見かけの表面積の2倍以上であることを特徴とす
    るリチウム二次電池。
  2. 【請求項2】金属薄板からなる集電体表面に充放電時に
    リチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質を有する負
    極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活物質を有す
    る正極と、リチウムイオン導電性の非水系電解液又はポ
    リマー電解質とを備えたリチウム二次電池において、放
    電電流400mA,上限電圧4.2V,下限電圧2.5V
    で5サイクルの充放電を行った後の放電容量を100%
    としたとき、前記充放電を200サイクル行った後の放
    電容量が前記100%に対して85%以上であることを
    特徴とするリチウム二次電池。
  3. 【請求項3】金属薄板からなる集電体表面に充放電時に
    リチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質を有する負
    極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活物質を有す
    る正極と、リチウムイオン導電性の非水系電解液又はポ
    リマー電解液とを有するリチウム二次電池において、前
    記負極及び正極の少なくとも1つの集電体は前記負極活
    物質又は正極活物質が形成される表面に前記負極又は正
    極を構成する金属からなる棒状の金属層が形成されてい
    ることを特徴とするリチウム二次電池。
  4. 【請求項4】金属薄板からなる集電体表面に充放電時に
    リチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質を有する負
    極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活物質を有す
    る正極と、リチウムイオン導電性の非水系電解液又はポ
    リマー電解質とを備えたリチウム二次電池において、前
    記負極活物質は鱗片状黒鉛又は塊状非晶質炭素粉と金属
    粉とを有することを特徴とするリチウム二次電池。
  5. 【請求項5】金属薄板からなる集電体表面に充放電時に
    リチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質を有する負
    極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活物質を有す
    る正極と、リチウムイオン導電性の非水系電解液又はポ
    リマー電解質とを備えたリチウム二次電池において、前
    記負極及び正極の少なくとも一方の集電体は冷間圧延さ
    れたままの金属薄板からなることを特徴とするリチウム
    二次電池。
  6. 【請求項6】前記負極及び正極の少なくとも一方の集電
    体はその表面に該集電体のベース金属より硬さの大きい
    金属層を有する請求項1〜5のいずれかに記載のリチウ
    ム二次電池。
  7. 【請求項7】前記負極活物質及び正極活物質の少なくと
    も一方は黒鉛を有し、該黒鉛は菱面体結晶が20重量%
    以下及び六方晶結晶が80重量%以上である請求項1〜
    6のいずれかに記載のリチウム二次電池。
  8. 【請求項8】金属薄板からなる集電体表面に充放電時に
    リチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質を有する負
    極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活物質を有す
    る正極と、リチウムイオン導電性の非水系電解液又はポ
    リマー電解質とを備えたリチウム二次電池の製造法にお
    いて、前記負極及び正極の少なくとも一方の集電体表面
    に各々の前記活物質を形成する前に、前記集電体表面に
    ひげ状の酸化物からなる酸化層を形成後、該酸化層を還
    元する処理を含むことを特徴とするリチウム二次電池の
    製造法。
  9. 【請求項9】前記還元する処理を施した後、該還元され
    たその表面に前記活物質を形成させる前に前記集電体の
    金属より硬い金属の皮膜を形成する請求項7に記載のリ
    チウム二次電池の製造法。
  10. 【請求項10】金属薄板からなる集電体表面に充放電時
    にリチウムイオンを吸蔵,放出する負極活物質を有する
    負極と、金属薄板からなる集電体表面に正極活物質を有
    する正極と、リチウムイオン導電性の非水系電解液又は
    ポリマー電解質とを備えたリチウム二次電池の製造法に
    おいて、前記負極及び正極の少なくとも一方の金属薄板
    からなる集電体を冷間圧延によって所望の厚さに加工し
    た後、該加工した表面を粗面化してその表面に前記活物
    質を形成することを特徴とするリチウム二次電池の製造
    法。
  11. 【請求項11】金属板表面に無機粉末と樹脂との混合物
    からなる薄層が形成されている複合部材において、前記
    金属板表面の前記薄層が形成されている面に前記金属板
    の金属からなる棒状の金属層が形成されていることを特
    徴とする複合部材。
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