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JP2006059714A - Negative electrode and battery - Google Patents

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JP2006059714A
JP2006059714A JP2004241261A JP2004241261A JP2006059714A JP 2006059714 A JP2006059714 A JP 2006059714A JP 2004241261 A JP2004241261 A JP 2004241261A JP 2004241261 A JP2004241261 A JP 2004241261A JP 2006059714 A JP2006059714 A JP 2006059714A
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JP
Japan
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layer
negative electrode
tin
lithium
current collector
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004241261A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomoo Takada
智雄 高田
Kensuke Yamamoto
健介 山本
Isamu Konishiike
勇 小西池
Yukiko Iijima
由紀子 飯嶋
Kenichi Kawase
賢一 川瀬
Yukio Miyaki
幸夫 宮木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode capable of improving cycle characteristics and a battery using the same. <P>SOLUTION: The negative electrode active material layer 12 has a tin-contained layer 12A containing Sn. A first layer 12B which contains an element capable of electrochemical reaction with Li and having a coefficient of expansion different from Sn at the time of alloy-forming with Li is provided between the tin-contained layer 12A and a negative electrode current collector 11. Furthermore, also in the tin-contained layer 12A, a second layer 12C which contains an element capable of reaction electrochemically with Li and having a coefficient of expansion different from Sn at the time of alloy-forming with Li is provided. Thereby, the stress generated by expansion and contraction accompanied with charge and discharge can be moderated, and collapse of shape of the negative electrode active material 12 and deterioration of conductivity accompanied with it can be suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、負極集電体に負極活物質層が設けられた負極、およびそれを用いた電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode in which a negative electrode active material layer is provided on a negative electrode current collector, and a battery using the same.

近年、モバイル機器の高性能化および多機能化に伴い、それらの電源である二次電池の高容量化が切望されている。この要求に応える二次電池としてリチウム二次電池がある。しかし、現在におけるリチウム二次電池の代表的な形態である、正極にコバルト酸リチウム、負極に黒鉛を用いた場合の電池容量は飽和状態にあり、大幅な高容量化は極めて困難な状況である。そこで、古くから負極に金属リチウム(Li)を用いることが検討されているが、この負極を実用化するには、リチウムの析出溶解効率の向上およびデンドライト状の析出形態の制御などを図る必要がある。   2. Description of the Related Art In recent years, as mobile devices have higher performance and more functions, there is an urgent need to increase the capacity of secondary batteries, which are their power sources. There is a lithium secondary battery as a secondary battery that meets this requirement. However, when lithium cobaltate is used for the positive electrode and graphite is used for the negative electrode, which is a typical form of the present lithium secondary battery, the battery capacity is in a saturated state, and it is extremely difficult to increase the capacity significantly. . Therefore, the use of metallic lithium (Li) for the negative electrode has been studied for a long time. However, in order to put this negative electrode into practical use, it is necessary to improve the precipitation and dissolution efficiency of lithium and control the dendrite-like precipitation form. is there.

その一方で、最近、ケイ素(Si)あるいはスズ(Sn)などを用いた高容量の負極の検討が盛んに行われている。しかし、これらの負極は充放電を繰り返すと、活物質の激しい膨張および収縮により粉砕して微細化し、集電性が低下したり、表面積の増大に起因して電解液の分解反応が促進され、サイクル特性は極めて劣悪であった。そこで、気相法、液相法、焼成法あるいは溶射法などにより負極集電体に負極活物質層を形成した負極も検討されている(例えば、特許文献1,特許文献2,特許文献3参照)。これによれば、粒子状の活物質およびバインダーなどを含むスラリーを塗布した従来の塗布型負極に比べて微細化を抑制することができると共に、負極集電体と負極活物質層とを一体化することができるので負極における電子伝導性が極めて良好となり、容量的にもサイクル寿命的にも高性能化が期待されている。また、従来は負極中に存在した導電剤、バインダーおよび空隙などを低減または排除することができるので、本質的に負極を薄膜化することが可能となる。
特開平8−50922号公報 特許第2948205号公報 特開平11−135115号公報
On the other hand, high-capacity negative electrodes using silicon (Si) or tin (Sn) have recently been actively studied. However, when these negative electrodes are repeatedly charged and discharged, they are pulverized and refined by vigorous expansion and contraction of the active material, current collection is reduced, or decomposition reaction of the electrolyte is promoted due to an increase in surface area, The cycle characteristics were extremely poor. Therefore, negative electrodes in which a negative electrode active material layer is formed on a negative electrode current collector by a gas phase method, a liquid phase method, a firing method, a thermal spraying method, or the like have been studied (for example, see Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3). ). According to this, compared with the conventional coating type negative electrode which apply | coated the slurry containing a particulate-form active material and a binder, refinement | miniaturization can be suppressed and a negative electrode collector and a negative electrode active material layer are integrated. Therefore, the electron conductivity in the negative electrode becomes extremely good, and high performance is expected in terms of capacity and cycle life. In addition, since the conductive agent, binder, voids, and the like that were conventionally present in the negative electrode can be reduced or eliminated, the negative electrode can be made essentially thin.
JP-A-8-50922 Japanese Patent No. 2948205 Japanese Patent Laid-Open No. 11-135115

しかしながら、この負極でも、充放電に伴い負極活物質層の微細化などの形状崩壊や、それによる導電性の低下が起こり、サイクル特性などの電池特性が十分でないという問題があった。   However, this negative electrode also has a problem that the battery characteristics such as the cycle characteristics are not sufficient due to the collapse of the shape such as the refinement of the negative electrode active material layer due to charge / discharge and the resulting decrease in conductivity.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、負極活物質層の形状崩壊を抑制し、サイクル特性などの電池特性を向上させることができる負極およびそれを用いた電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a negative electrode capable of suppressing shape collapse of the negative electrode active material layer and improving battery characteristics such as cycle characteristics and a battery using the same. There is to do.

本発明による負極は、負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを備え、負極活物質層は、スズを含むスズ含有層を有すると共に、このスズ含有層と負極集電体との間に、リチウムと電気化学的に反応可能であり、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素を含む第1層と、スズ含有層の中に、リチウムと電気化学的に反応可能であり、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素を含む第2層とを有するものである。   A negative electrode according to the present invention includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer includes a tin-containing layer containing tin, Between the negative electrode current collector, a first layer containing an element capable of electrochemically reacting with lithium and having an expansion coefficient different from that of tin at the time of forming an alloy with lithium, lithium in the tin-containing layer, and The second layer contains an element that is electrochemically reactive and has an expansion coefficient different from that of tin at the time of forming an alloy with lithium.

本発明による電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極は、負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを備え、負極活物質層は、スズを含むスズ含有層を有すると共に、このスズ含有層と負極集電体との間に、リチウムと電気化学的に反応可能であり、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素を含む第1層と、スズ含有層の間に、リチウムと電気化学的に反応可能であり、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素を含む第2層とを有するものである。   The battery according to the present invention includes an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector, An element having a tin-containing layer containing tin, and capable of electrochemically reacting with lithium between the tin-containing layer and the negative electrode current collector, and having an expansion coefficient different from that of tin when forming an alloy with lithium And a second layer containing an element that is capable of electrochemically reacting with lithium and having an expansion coefficient different from that of tin at the time of forming an alloy with lithium. .

本発明の負極によれば、スズ含有層と負極集電体との間にリチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素を含む第1層を設けるようにしたので、充放電に伴い負極活物質層が膨張収縮することにより負極集電体にかかる応力を緩和することができ、負極活物質層が負極集電体から剥離してしまうことを抑制することができる。また、スズ含有層の間にリチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素を含む第2層を設けるようにしたので、充放電に伴う膨張収縮により負極活物質層が形状崩壊することも抑制することができる。よって、サイクル特性などの電池特性を向上させることができる。   According to the negative electrode of the present invention, the first layer containing an element having an expansion coefficient different from that of tin at the time of alloy formation with lithium is provided between the tin-containing layer and the negative electrode current collector. The stress applied to the negative electrode current collector can be relaxed by the expansion and contraction of the negative electrode active material layer, and the negative electrode active material layer can be prevented from peeling from the negative electrode current collector. In addition, since the second layer containing an element having an expansion coefficient different from that of tin is provided between the tin-containing layers and forming an alloy with lithium, the shape of the negative electrode active material layer is collapsed due to expansion / contraction associated with charge / discharge. Can also be suppressed. Therefore, battery characteristics such as cycle characteristics can be improved.

特に、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素として、アルミニウム(Al),ケイ素(Si), 亜鉛(Zn),銀(Ag),インジウム(In),アンチモン(Sb)および鉛(Pb)からなる群のうちの少なくとも1種を含むようにすれば、または、第1層の厚みよりも前記第2層の厚みの方を大きくするようにすれば、より高い効果を得ることができる。   In particular, as an element whose expansion coefficient at the time of alloy formation with lithium is different from that of tin, aluminum (Al), silicon (Si), zinc (Zn), silver (Ag), indium (In), antimony (Sb) and lead ( If at least one of the group consisting of Pb) is included, or if the thickness of the second layer is larger than the thickness of the first layer, a higher effect can be obtained. it can.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施の形態に係る負極10の概略構成を表すものである。負極10は、例えば、負極集電体11に負極活物質層12が設けられた構造を有している。負極集電体11の構成材料としては、例えば、銅(Cu)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)あるいはステンレス、またはそれらの少なくとも1種を含むリチウムとの反応性が低い金属材料が好ましい。リチウムとの反応性が高いと、充放電に伴い負極集電体11が膨張収縮して破壊してしまうからである。中でも、価格の観点からは、銅、鉄、ニッケル、ステンレスまたはそれらの少なくとも1種を含む金属材料が好ましく、更に導電性の観点からは、銅または銅を含む金属材料がより好ましい。なお、負極集電体11は単層により構成してもよいが、複数層により構成してもよい。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a negative electrode 10 according to an embodiment of the present invention. The negative electrode 10 has a structure in which, for example, a negative electrode current collector 11 is provided with a negative electrode active material layer 12. As a constituent material of the negative electrode current collector 11, for example, copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni), titanium (Ti), stainless steel, or reactivity with lithium including at least one of them is low. Metal materials are preferred. This is because if the reactivity with lithium is high, the negative electrode current collector 11 expands and contracts due to charge / discharge and is destroyed. Among these, from the viewpoint of price, a metal material containing copper, iron, nickel, stainless steel or at least one of them is preferable, and from the viewpoint of conductivity, a metal material containing copper or copper is more preferable. The negative electrode current collector 11 may be composed of a single layer, but may be composed of a plurality of layers.

負極活物質層12は、スズを含むスズ含有層12Aを有している。スズは単体として含まれていてもよく、また合金あるいは化合物として含まれていてもよい。これらスズの単体,合金あるいは化合物は負極活物質として機能するものであり、これによりこの負極10では高容量が得られるようになっている。スズの合金あるいは化合物としては、例えば、スズと、長周期型周期表における4〜11族の元素とを含む合金あるいは化合物が挙げられ、中でも、マンガン(Mn),鉄,コバルト(Co),ニッケル,および銅からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。導電性およびサイクル特性に優れ、かつ価格の安価で毒性も低いからである。   The negative electrode active material layer 12 has a tin-containing layer 12A containing tin. Tin may be included as a simple substance, or may be included as an alloy or a compound. These simple substances, alloys, or compounds of tin function as a negative electrode active material, so that the negative electrode 10 can obtain a high capacity. As an alloy or compound of tin, for example, an alloy or compound containing tin and an element of Group 4 to 11 in the long-period periodic table can be cited. Among them, manganese (Mn), iron, cobalt (Co), nickel And at least one selected from the group consisting of copper is preferred. This is because it has excellent conductivity and cycle characteristics, is inexpensive and has low toxicity.

負極活物質層12は、また、スズ含有層12Aと負極集電体11との間に、リチウムと電気化学的に反応可能であり、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素(以下、スズと膨張率が異なる元素という) を含む第1層12Bを有している。これにより、負極活物質層12の膨張収縮に伴い負極集電体にかかる応力を緩和し、負極活物質層12が負極集電体11から剥離してしまうことを抑制することができるようになっている。   The negative electrode active material layer 12 is also capable of electrochemically reacting with lithium between the tin-containing layer 12A and the negative electrode current collector 11, and has an expansion coefficient different from that of tin when forming an alloy with lithium ( Hereinafter, the first layer 12B containing an element having an expansion coefficient different from that of tin is included. Thereby, the stress applied to the negative electrode current collector as the negative electrode active material layer 12 expands and contracts can be relieved, and the negative electrode active material layer 12 can be prevented from peeling off from the negative electrode current collector 11. ing.

スズと膨張率が異なる元素としては、アルミニウム,ケイ素, 亜鉛,銀,インジウム,アンチモンあるいは鉛が好ましく、中でも、1原子当たりのリチウムとの反応量がスズとは異なるアルミニウム,亜鉛,銀あるいはアンチモンがより好ましい。膨張率の差をより大きくすることができるからである。更に、価格および毒性の観点からは、アルミニウムあるいは亜鉛が好ましい。スズと膨張率が異なる元素は、単体として含まれていてもよく、また合金あるいは化合物として含まれていてもよい。合金あるいは化合物として含まれる場合には、上述したスズと膨張率が異なる元素を2種以上含むものでもよく、また他の元素を含むものでもよい。   Aluminum, silicon, zinc, silver, indium, antimony or lead are preferred as the elements whose expansion coefficient is different from that of tin. Among them, aluminum, zinc, silver or antimony whose amount of reaction with lithium per atom is different from that of tin. More preferred. This is because the difference in expansion coefficient can be further increased. Furthermore, aluminum or zinc is preferable from the viewpoint of price and toxicity. An element having an expansion coefficient different from that of tin may be included as a simple substance, or may be included as an alloy or a compound. When it is contained as an alloy or a compound, it may contain two or more elements different from the above-described tin and may contain other elements.

負極活物質層12は、更に、スズ含有層12Aの中に、上述したスズと膨張率が異なる元素を含む第2層12Cを有している。これにより、負極活物質層12の膨張収縮で負極活物質層自体が形状崩壊してしまうことを抑制することができるようになっている。スズと膨張率が異なる元素は、第1層12Bと同様に、単体として含まれていてもよく、また合金あるいは化合物として含まれていてもよい。スズと膨張率が異なる元素の種類は、第1層12Bと同一でもよく、異なっていてもよい。また、第2層12Cは、図1では1層の場合を示しているが、スズ含有層12Aの中に、間隔を開けて複数層設けるようにしてもよい。   The negative electrode active material layer 12 further includes a second layer 12C containing an element having an expansion coefficient different from that of the above-described tin in the tin-containing layer 12A. Thereby, it is possible to suppress the negative electrode active material layer itself from being collapsed by the expansion and contraction of the negative electrode active material layer 12. The element having an expansion coefficient different from that of tin may be included as a single element, or may be included as an alloy or a compound, like the first layer 12B. The type of element having a different expansion coefficient from that of tin may be the same as or different from that of the first layer 12B. Moreover, although the case where the second layer 12C is a single layer is shown in FIG. 1, a plurality of layers may be provided in the tin-containing layer 12A at intervals.

これら第1層12Bおよび第2層12Cの厚みは、それぞれ0.05μm以上であることが好ましく、0.5μm以上であればより好ましい。また、第1層12Bの厚みと、第2層12Cの厚みとの関係は、第2層12Cが1層の場合には、その厚みが第1層12Bよりも厚いことが好ましい。第2層12Cが複数の場合には、その合計の厚みが第1層12Bよりも厚いことが好ましく、第2層12Cの各層の厚みは第1層12Bよりも薄くても厚くてもよい。応力をより効果的に緩和することができるからである。   The thicknesses of the first layer 12B and the second layer 12C are each preferably 0.05 μm or more, and more preferably 0.5 μm or more. Further, regarding the relationship between the thickness of the first layer 12B and the thickness of the second layer 12C, when the second layer 12C is one layer, the thickness is preferably thicker than the first layer 12B. When there are a plurality of second layers 12C, the total thickness is preferably thicker than that of the first layer 12B, and each layer of the second layer 12C may be thinner or thicker than the first layer 12B. This is because the stress can be relaxed more effectively.

更に、負極活物質層12におけるスズの原子数と、上述したスズと膨張率が異なる元素の原子数との比率は、スズの原子数をX、スズと膨張率が異なる元素の原子数をY、X+Y=100とすると、十分な応力緩和効果を得るためには、Y≧4であることが好ましい。   Further, the ratio between the number of tin atoms in the negative electrode active material layer 12 and the number of atoms of the element having an expansion coefficient different from that of tin described above is X, and the number of atoms of the element having an expansion coefficient different from that of tin is Y. When X + Y = 100, it is preferable that Y ≧ 4 in order to obtain a sufficient stress relaxation effect.

なお、負極活物質層12、すなわちスズ含有層12A,第1層12Bおよび第2層12Cは、気相法、液相法、焼成法、または溶射法により形成されたものであることが好ましく、これらの2以上を組み合わせて形成されたものでもよい。負極活物質層12の膨張収縮による形状崩壊を抑制することができると共に、負極集電体11と負極活物質層12とを一体化することができ、負極10における電子伝導性を向上させることができるからである。また、従来の塗布型負極と異なり、結着剤および空隙などを低減または排除でき、薄膜化することもできるからである。   The negative electrode active material layer 12, that is, the tin-containing layer 12A, the first layer 12B, and the second layer 12C are preferably formed by a gas phase method, a liquid phase method, a firing method, or a thermal spray method, It may be formed by combining two or more of these. The shape collapse due to the expansion and contraction of the negative electrode active material layer 12 can be suppressed, the negative electrode current collector 11 and the negative electrode active material layer 12 can be integrated, and the electron conductivity in the negative electrode 10 can be improved. Because it can. In addition, unlike conventional coating-type negative electrodes, binders and voids can be reduced or eliminated, and a thin film can be formed.

また、負極活物質層12は、スズ含有層12Aと第1層12Bとの界面の少なくとも一部、およびスズ含有層12Aと第2層12Cとの界面の少なくとも一部において、それらの構成元素が相互に拡散し、合金化していることが好ましい。更に、負極活物質層12は、負極集電体11との界面の少なくとも一部においてそれらの構成元素が相互に拡散し、合金化していることが好ましい。負極活物質層12の膨張収縮による形状崩壊をより抑制することができるからである。   In addition, the negative electrode active material layer 12 includes at least part of the interface between the tin-containing layer 12A and the first layer 12B and at least part of the interface between the tin-containing layer 12A and the second layer 12C. It is preferable that they are mutually diffused and alloyed. Furthermore, it is preferable that the negative electrode active material layer 12 is alloyed by diffusing constituent elements thereof at least at a part of the interface with the negative electrode current collector 11. This is because shape collapse due to expansion and contraction of the negative electrode active material layer 12 can be further suppressed.

すなわち、この拡散によりスズ含有層12Aには上述したスズと膨張率が異なる元素も含まれ、第1層12Bおよび第2層12Cにはスズも含まれる。よって、スズ含有層12Aは第1層12Bおよび第2層12Cよりもスズの含有量が多い層を意味し、第1層12Bおよび第2層12Cはスズ含有層12Aよりも上述したスズと膨張率が異なる元素の含有量が多い層を意味している。   That is, due to this diffusion, the tin-containing layer 12A contains an element having an expansion coefficient different from that of the above-mentioned tin, and the first layer 12B and the second layer 12C contain tin. Therefore, the tin-containing layer 12A means a layer having a higher tin content than the first layer 12B and the second layer 12C, and the first layer 12B and the second layer 12C expand with the above-described tin rather than the tin-containing layer 12A. It means a layer with a high content of elements with different rates.

この負極10は、例えば、次のようにして製造することができる。   This negative electrode 10 can be manufactured as follows, for example.

まず、負極集電体11を用意し、負極集電体11に例えば第1層12B,スズ含有層12A,第2層12C,スズ含有層12Aを順に形成する。これら第1層12B,スズ含有層12Aおよび第2層12Cは、気相法、液相法、焼成法、または溶射法により形成することが好ましく、これらの2以上を組み合わせてもよい。気相法としては、物理堆積法あるいは化学堆積法が挙げられ、具体的には真空蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法,レーザーアブレーション法,熱CVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)法あるいはプラズマCVD法などのいずれを用いてもよい。液相法としては、電解メッキ法あるいは無電解メッキ法などのいずれを用いてもよい。焼成法というのは、原料に粒子状の物質を用い、必要に応じてバインダあるいは溶剤などと混合して成形したのち、加熱する方法を意味している。焼成の方法は、雰囲気焼成法,反応焼成法あるいはホットプレス焼成法などのいずれを用いてもよい。溶射法としては、プラズマ溶射法,高速ガスフレーム溶射法あるいはアーク溶射法などのいずれを用いてもよい。   First, the negative electrode current collector 11 is prepared, and for example, a first layer 12B, a tin-containing layer 12A, a second layer 12C, and a tin-containing layer 12A are sequentially formed on the negative electrode current collector 11. The first layer 12B, the tin-containing layer 12A, and the second layer 12C are preferably formed by a vapor phase method, a liquid phase method, a firing method, or a thermal spray method, and two or more of these may be combined. Examples of the vapor deposition method include physical deposition method and chemical deposition method. Specifically, vacuum deposition method, sputtering method, ion plating method, laser ablation method, thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Or any of plasma CVD method etc. may be used. As the liquid phase method, either an electrolytic plating method or an electroless plating method may be used. The firing method means a method in which a particulate material is used as a raw material, mixed with a binder or a solvent as necessary, and then heated. As a firing method, any of an atmosphere firing method, a reaction firing method, a hot press firing method, and the like may be used. As the thermal spraying method, any of a plasma spraying method, a high-speed gas flame spraying method, an arc spraying method, or the like may be used.

次いで、第1層12B,スズ含有層12Aおよび第2層12Cを形成した負極集電体11を例えば真空雰囲気中,大気雰囲気中,還元雰囲気中,酸化雰囲気中または不活性雰囲気中において熱処理することが好ましい。これにより、負極集電体11の構成元素が負極活物質層12に拡散すると共に、第1層12B,スズ含有層12Aおよび第2層12Cの構成元素が互いに拡散する。なお、焼成法による場合には、焼成とこれらの拡散とを同時に行うようにしてもよい。これにより図1に示した負極10が得られる。   Next, the negative electrode current collector 11 on which the first layer 12B, the tin-containing layer 12A, and the second layer 12C are formed is heat-treated in, for example, a vacuum atmosphere, an air atmosphere, a reducing atmosphere, an oxidizing atmosphere, or an inert atmosphere. Is preferred. Thereby, the constituent elements of the negative electrode current collector 11 diffuse into the negative electrode active material layer 12, and the constituent elements of the first layer 12B, the tin-containing layer 12A, and the second layer 12C diffuse into each other. In the case of the firing method, firing and diffusion thereof may be performed simultaneously. Thereby, the negative electrode 10 shown in FIG. 1 is obtained.

この負極10は、例えば、次のような二次電池の負極に用いられる。   This negative electrode 10 is used for the negative electrode of the following secondary batteries, for example.

図2は、その二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、いわゆるコイン型といわれるものであり、外装カップ21内に収容された負極10と、外装缶22内に収容された正極23とが、セパレータ24を介して積層されたものである。外装カップ21および外装缶22の周縁部は絶縁性のガスケット25を介してかしめることにより密閉されている。外装カップ21および外装缶22は、例えば、ステンレスあるいはアルミニウムなどの金属によりそれぞれ構成されている。   FIG. 2 shows the configuration of the secondary battery. This secondary battery is a so-called coin-type battery, in which the negative electrode 10 accommodated in the outer cup 21 and the positive electrode 23 accommodated in the outer can 22 are stacked via a separator 24. is there. The peripheral portions of the outer cup 21 and the outer can 22 are sealed by caulking through an insulating gasket 25. The exterior cup 21 and the exterior can 22 are made of, for example, a metal such as stainless steel or aluminum.

正極23は、例えば、正極集電体23Aと、正極集電体23Aに設けられた正極活物質層23Bとを有している。正極集電体23Aは、例えば、アルミニウム,ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。   The positive electrode 23 includes, for example, a positive electrode current collector 23A and a positive electrode active material layer 23B provided on the positive electrode current collector 23A. The positive electrode current collector 23A is made of, for example, aluminum, nickel, stainless steel, or the like.

正極活物質層23Bは、例えば、正極活物質としてリチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電剤およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料としては、例えば、一般式Lix MIO2 で表されるリチウム含有金属複合酸化物が好ましい。高容量化を図ることができるからである。なお、MIは1種類以上の遷移金属であり、例えばコバルト,ニッケルおよびマンガンからなる群のうちの少なくとも1種が好ましい。xは電池の充放電状態によって異なり、通常0.05≦x≦1.10の範囲内の値である。このようなリチウム含有金属複合酸化物の具体例としては、LiCoO2 あるいはLiNiO2 などが挙げられる。リチウムを吸蔵および離脱することが可能な正極材料としては、また例えば、単体硫黄あるいは硫黄化合物も好ましい。これらによっても高容量を得ることができるからである。 The positive electrode active material layer 23B includes, for example, any one or more of positive electrode materials capable of inserting and extracting lithium as a positive electrode active material, and a conductive agent such as a carbon material and the like as necessary. A binder such as polyvinylidene fluoride may be included. As the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, a lithium-containing metal composite oxide represented by the general formula Li x MIO 2 is preferable. This is because the capacity can be increased. MI is one or more transition metals, and for example, at least one of the group consisting of cobalt, nickel and manganese is preferable. x varies depending on the charge / discharge state of the battery and is usually a value in the range of 0.05 ≦ x ≦ 1.10. Specific examples of such a lithium-containing metal composite oxide include LiCoO 2 and LiNiO 2 . As the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, for example, elemental sulfur or a sulfur compound is also preferable. This is because a high capacity can be obtained also by these.

セパレータ24は、負極10と正極23とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものであり、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンにより構成されている。   The separator 24 separates the negative electrode 10 and the positive electrode 23 and allows lithium ions to pass through while preventing a short circuit of current due to contact between both electrodes, and is made of, for example, polyethylene or polypropylene.

セパレータ24には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、例えば、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩であるリチウム塩とを含んでおり、必要に応じて各種添加剤を含んでいてもよい。このように電解液を用いるようにすれば、高いイオン伝導率を得ることができるので好ましい。溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート,プロピレンカーボネート,ジメチルカーボネート,ジエチルカーボネートあるいはエチルメチルカーボネート等の有機溶媒が挙げられる。溶媒は、いずれか1種を用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。   The separator 24 is impregnated with an electrolytic solution that is a liquid electrolyte. This electrolytic solution contains, for example, a solvent and a lithium salt that is an electrolyte salt dissolved in this solvent, and may contain various additives as necessary. It is preferable to use the electrolytic solution in this way because high ionic conductivity can be obtained. Examples of the solvent include organic solvents such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. Any 1 type may be used for a solvent and 2 or more types may be mixed and used for it.

リチウム塩としては、例えば、LiPF6 あるいはLiClO4 が挙げられる。リチウム塩は、いずれか1種を用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the lithium salt include LiPF 6 and LiClO 4 . Any one lithium salt may be used, or two or more lithium salts may be mixed and used.

この二次電池は、例えば、正極23、電解液が含浸されたセパレータ24および負極10を積層して、外装缶22と外装カップ21との中に入れ、それらをかしめることにより製造することができる。   This secondary battery can be manufactured, for example, by laminating the positive electrode 23, the separator 24 impregnated with the electrolyte, and the negative electrode 10, placing them in the outer can 22 and the outer cup 21, and caulking them. it can.

この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極23からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して負極10に吸蔵される。放電を行うと、例えば、負極10からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して正極23に吸蔵される。その際、負極10は、スズと膨張率が異なる元素を含む第1層12Bおよび第2層12Cを、スズ含有層12Aと負極集電体11との間またはスズ含有層12Aの中に有しているので、膨張収縮による応力が緩和され、負極活物質層12の構造破壊およびそれに伴う導電性の低下が抑制される。   In this secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the positive electrode 23 and inserted in the negative electrode 10 through the electrolytic solution. When the discharge is performed, for example, lithium ions are released from the negative electrode 10 and inserted in the positive electrode 23 through the electrolytic solution. At that time, the negative electrode 10 has the first layer 12B and the second layer 12C containing an element having an expansion coefficient different from that of the tin between the tin-containing layer 12A and the negative electrode current collector 11 or in the tin-containing layer 12A. Therefore, the stress due to the expansion and contraction is relieved, and the structural breakdown of the negative electrode active material layer 12 and the accompanying decrease in conductivity are suppressed.

本実施の形態に係る負極は、次のようにして二次電池に用いてもよい。   The negative electrode according to the present embodiment may be used for a secondary battery as follows.

図3は、その二次電池を分解して表すものである。この二次電池は、正極リード31および負極リード32が取り付けられた電極巻回体30をフィルム状の外装部材40の内部に収容したものであり、小型化,軽量化および薄型化が可能となっている。   FIG. 3 is an exploded view of the secondary battery. In this secondary battery, the electrode winding body 30 to which the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 are attached is accommodated in the film-shaped exterior member 40, and can be reduced in size, weight, and thickness. ing.

正極リード31および負極リード32は、それぞれ、外装部材40の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。正極リード31および負極リード32は、例えば、アルミニウム,銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。   The positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 are led out from the inside of the exterior member 40 to the outside, for example, in the same direction. The positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 are each made of a metal material such as aluminum, copper, nickel, or stainless steel, and each have a thin plate shape or a mesh shape.

外装部材40は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材40は、例えば、ポリエチレンフィルム側と電極巻回体30とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム33が挿入されている。密着フィルム33は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。   The exterior member 40 is made of, for example, a rectangular aluminum laminated film in which a nylon film, an aluminum foil, and a polyethylene film are bonded together in this order. The exterior member 40 is disposed, for example, so that the polyethylene film side and the electrode winding body 30 face each other, and the outer edge portions are in close contact with each other by fusion or an adhesive. An adhesion film 33 is inserted between the exterior member 40 and the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 to prevent intrusion of outside air. The adhesion film 33 is made of a material having adhesion to the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32, for example, a polyolefin resin such as polyethylene, polypropylene, modified polyethylene, or modified polypropylene.

なお、外装部材40は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。   The exterior member 40 may be made of a laminated film having another structure, a polymer film such as polypropylene, or a metal film instead of the above-described aluminum laminated film.

図4は、図3に示した電極巻回体30のI−I線に沿った断面構造を表すものである。電極巻回体30は、負極10と正極34とをセパレータ35および電解質層36を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ37により保護されている。   FIG. 4 shows a cross-sectional structure taken along line II of the electrode winding body 30 shown in FIG. The electrode winding body 30 is obtained by laminating and winding the negative electrode 10 and the positive electrode 34 via the separator 35 and the electrolyte layer 36, and the outermost peripheral portion is protected by a protective tape 37.

正極34は、正極集電体34Aの片面あるいは両面に正極活物質層34Bが設けられた構造を有している。負極10も、負極集電体11の片面あるいは両面に負極活物質層12が設けられた構造を有している。正極集電体34A,正極活物質層34Bおよびセパレータ35の構成は、それぞれ上述した正極集電体23A,正極活物質層23Bおよびセパレータ24と同様である。   The positive electrode 34 has a structure in which a positive electrode active material layer 34B is provided on one or both surfaces of a positive electrode current collector 34A. The negative electrode 10 also has a structure in which a negative electrode active material layer 12 is provided on one side or both sides of a negative electrode current collector 11. The configurations of the positive electrode current collector 34A, the positive electrode active material layer 34B, and the separator 35 are the same as those of the positive electrode current collector 23A, the positive electrode active material layer 23B, and the separator 24 described above.

電解質層36は、保持体に電解液を保持させたいわゆるゲル状の電解質により構成されている。ゲル状の電解質は高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液あるいは高温における膨れを防止することができるので好ましい。電解液(すなわち溶媒および電解質塩)の構成は、図4に示したコイン型の二次電池と同様である。   The electrolyte layer 36 is configured by a so-called gel electrolyte in which an electrolytic solution is held in a holding body. A gel electrolyte is preferable because it can obtain high ionic conductivity and can prevent battery leakage or swelling at high temperatures. The configuration of the electrolytic solution (that is, the solvent and the electrolyte salt) is the same as that of the coin-type secondary battery shown in FIG.

保持体は、例えば高分子化合物により構成されている。高分子化合物としては、例えばブロック共重合体であるポリフッ化ビニリデンが挙げられる。   The holding body is made of, for example, a polymer compound. Examples of the polymer compound include polyvinylidene fluoride which is a block copolymer.

この二次電池は例えば次のようにして製造することができる。   This secondary battery can be manufactured, for example, as follows.

まず、正極34および負極10のそれぞれに、保持体に電解液が保持された電解質層36を形成する。そののち、正極集電体34Aの端部に正極リード31を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体11の端部に負極リード32を溶接などにより取り付ける。   First, the electrolyte layer 36 in which the electrolytic solution is held in the holding body is formed on each of the positive electrode 34 and the negative electrode 10. After that, the positive electrode lead 31 is attached to the end of the positive electrode current collector 34A by welding or the like, and the negative electrode lead 32 is attached to the end of the negative electrode current collector 11 by welding or the like.

次いで、電解質層36が形成された正極34と負極10とをセパレータ35を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ37を接着して電極巻回体30を形成する。   Next, the positive electrode 34 and the negative electrode 10 on which the electrolyte layer 36 is formed are laminated through a separator 35 to form a laminated body, and then the laminated body is wound in the longitudinal direction, and a protective tape 37 is adhered to the outermost peripheral portion. Thus, the electrode winding body 30 is formed.

最後に、例えば、外装部材40の間に電極巻回体30を挟み込み、外装部材40の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間には密着フィルム33を挿入する。これにより、図3,4に示した二次電池が完成する。   Finally, for example, the electrode winding body 30 is sandwiched between the exterior members 40, and the outer edges of the exterior members 40 are sealed and sealed by heat fusion or the like. At that time, the adhesion film 33 is inserted between the positive electrode lead 31 and the negative electrode lead 32 and the exterior member 40. Thereby, the secondary battery shown in FIGS. 3 and 4 is completed.

この二次電池の作用および効果は、図2に示したコイン型の二次電池と同様である。   The operation and effect of this secondary battery are the same as those of the coin-type secondary battery shown in FIG.

このように本実施の形態によれば、スズと膨張率が異なる元素を含む第1層12Bおよび第2層12Cを、スズ含有層12Aと負極集電体11との間またはスズ含有層12Aの中に有するようにしたので、充放電に伴う膨張収縮により発生する応力を緩和することができ、負極活物質層12の形状崩壊およびそれに伴う導電性の低下を抑制することができる。   As described above, according to the present embodiment, the first layer 12B and the second layer 12C containing an element having an expansion coefficient different from that of the tin are disposed between the tin-containing layer 12A and the negative electrode current collector 11 or the tin-containing layer 12A. Since it has in it, the stress which generate | occur | produces by the expansion / contraction accompanying charging / discharging can be relieved, and the shape collapse of the negative electrode active material layer 12 and the electroconductive fall accompanying it can be suppressed.

特に、スズと膨張率が異なる元素として、アルミニウム,ケイ素, 亜鉛,銀,インジウム,アンチモンおよび鉛からなる群のうちの少なくとも1種を含むようにすれば、または、第1層12Bの厚みよりも前記第2層12Cの厚みの方を大きくするようにすれば、より高い効果を得ることができる。   In particular, the element having an expansion coefficient different from that of tin includes at least one selected from the group consisting of aluminum, silicon, zinc, silver, indium, antimony and lead, or more than the thickness of the first layer 12B. If the thickness of the second layer 12C is increased, a higher effect can be obtained.

更に、本発明の具体的な実施例について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例では、上記実施の形態において用いた符号および記号をそのまま対応させて用いる。   Further, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following examples, the symbols and symbols used in the above embodiment are used in correspondence.

(実施例1)
図1に示した負極10を作製した。まず、表面粗さ(算術平均粗さRa)が0.5μm、厚みが15μmの銅箔を負極集電体11として用い、この負極集電体11の表面に真空蒸着法によりスズと膨張率が異なる元素である亜鉛の層を1μmの厚みで形成した。次いで、この亜鉛の層の上に、真空蒸着法によりスズの層を2μmの厚みで形成した。続いて、このスズの層の上に、真空蒸着法により亜鉛の層を1μmの厚みで形成し、更にその上に、真空蒸着法によりスズの層を2μmの厚みで形成した。そののち、真空雰囲気中において200℃で12時間熱処理し、実施例1の負極10を得た。
Example 1
The negative electrode 10 shown in FIG. 1 was produced. First, a copper foil having a surface roughness (arithmetic average roughness Ra) of 0.5 μm and a thickness of 15 μm is used as the negative electrode current collector 11, and the surface of the negative electrode current collector 11 has a tin and expansion coefficient by vacuum deposition. A layer of zinc, which is a different element, was formed with a thickness of 1 μm. Next, a tin layer having a thickness of 2 μm was formed on the zinc layer by vacuum deposition. Subsequently, a zinc layer having a thickness of 1 μm was formed on the tin layer by vacuum vapor deposition, and a tin layer having a thickness of 2 μm was further formed thereon by vacuum vapor deposition. After that, heat treatment was performed in a vacuum atmosphere at 200 ° C. for 12 hours to obtain the negative electrode 10 of Example 1.

実施例1に対する比較例1−1〜1−5として、比較例1−1では厚み4μmのスズの層を蒸着したことを除き、比較例1−2では厚み4μmのスズの層と厚み1μmの亜鉛の層とをこの順に蒸着したことを除き、比較例1−3では厚み1μmの亜鉛の層と厚み4μmのスズの層とをこの順に蒸着したことを除き、比較例1−4では厚み2μmのスズの層と厚み1μmの亜鉛の層と厚み2μmのスズの層とをこの順に蒸着したことを除き、比較例1−5では厚み2μmのスズの層と厚み1μmの亜鉛の層と厚み2μmのスズの層と厚み1μmの亜鉛の層とをこの順に蒸着したことを除き、他は実施例1と同様にして負極を作製した。   As Comparative Examples 1-1 to 1-5 for Example 1, in Comparative Example 1-1, a 4 μm thick tin layer was vapor-deposited. In Comparative Example 1-2, a 4 μm thick tin layer and a 1 μm thick layer were used. Except that the zinc layers were deposited in this order, in Comparative Example 1-3, a 1 μm thick zinc layer and a 4 μm thick tin layer were deposited in this order, and Comparative Example 1-4 had a thickness of 2 μm. In Comparative Example 1-5, a tin layer having a thickness of 2 μm, a zinc layer having a thickness of 1 μm, a zinc layer having a thickness of 1 μm, and a thickness of 2 μm were obtained except that a tin layer of 1 μm, a zinc layer having a thickness of 1 μm, and a tin layer having a thickness of 2 μm were deposited in this order A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the tin layer and the 1 μm thick zinc layer were deposited in this order.

作製した実施例1の負極10について、XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy;X線光電子分光法),AES( Auger Electron Spectroscopy;オージェ電子分光法),EDX(Energy Dispersive X-Ray Spectroscope;エネルギー分散型X線検出器),TEM(Transmission Electron Microscope;透過型電子顕微鏡)およびXRD( X-Ray Diffraction;X線回折法)により分析したところ、負極集電体11の構成元素が負極活物質層12に拡散していることが確認された。また、負極活物質層12においては、スズと亜鉛とが相互に拡散していることが確認された。なお、比較例1−1〜1−5の負極についても調べたところ、同様の結果が確認された。   About the produced negative electrode 10 of Example 1, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy; X-ray photoelectron spectroscopy), AES (Auger Electron Spectroscopy; Auger electron spectroscopy), EDX (Energy Dispersive X-Ray Spectroscope; energy dispersion type X) X-ray diffraction (X-ray diffraction) and TEM (Transmission Electron Microscope), TEM (Transmission Electron Microscope), and the constituent elements of the negative electrode current collector 11 diffused into the negative electrode active material layer 12 It was confirmed that Moreover, in the negative electrode active material layer 12, it was confirmed that tin and zinc diffused mutually. In addition, when the negative electrodes of Comparative Examples 1-1 to 1-5 were also examined, similar results were confirmed.

また、作製した実施例1および比較例1−1〜1−5の負極10を用いて、図2に示した直径20mm、厚み1.6mmのコイン型の二次電池を作製した。その際、正極23は、平均粒径5μmのコバルト酸リチウム(LiCoO2 )粉末とカーボンブラックとポリフッ化ビニリデンとを92:3:5の質量比で混合し、これをN−メチル−2−ピロリドン中に投入してスラリー状とし、厚み20μmのアルミニウム箔よりなる正極集電体23Aに塗布して乾燥させたのちプレスを行って正極活物質層23Bを形成することにより作製した。電解液には、エチレンカーボネート40質量%とジメチルカーボネート60質量%とを混合した溶媒に、LiPF6 を1.0mol/lとなるように溶解させたものを用いた。セパレータ24には厚み25μmのポリプロピレン製微多孔膜を用いた。 Further, using the produced negative electrode 10 of Example 1 and Comparative Examples 1-1 to 1-5, a coin-type secondary battery having a diameter of 20 mm and a thickness of 1.6 mm shown in FIG. 2 was produced. At that time, the positive electrode 23 was prepared by mixing lithium cobaltate (LiCoO 2 ) powder having an average particle diameter of 5 μm, carbon black, and polyvinylidene fluoride in a mass ratio of 92: 3: 5, and mixing this with N-methyl-2-pyrrolidone. The positive electrode active material layer 23 </ b> B was formed by applying the slurry to a positive electrode current collector 23 </ b> A made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm and drying it. As the electrolytic solution, a solution in which LiPF 6 was dissolved at 1.0 mol / l in a solvent in which 40% by mass of ethylene carbonate and 60% by mass of dimethyl carbonate were mixed was used. As the separator 24, a polypropylene microporous film having a thickness of 25 μm was used.

作製した実施例1および比較例1−1〜1−5の二次電池について、上限電圧4.2V、電流密度1mA/cm2 の条件で定電流定電圧充電を行ったのち、電流密度1mA/cm2 、終止電圧2.5Vの条件で定電流放電を行うという充放電を繰り返し、初期放電容量を100%として15サイクル目の容量維持率を求めた。その結果を表1に示す。 For the fabricated secondary batteries of Example 1 and Comparative Examples 1-1 to 1-5, after performing constant-current constant-voltage charging under the conditions of an upper limit voltage of 4.2 V and a current density of 1 mA / cm 2 , a current density of 1 mA / The charge and discharge of performing constant current discharge under the conditions of cm 2 and a final voltage of 2.5 V was repeated, and the capacity retention rate at the 15th cycle was determined with the initial discharge capacity as 100%. The results are shown in Table 1.

Figure 2006059714
Figure 2006059714

表1から分かるように、実施例1によれば、比較例1−1〜1−5に比べて高い容量維持率が得られた。すなわち、スズ含有層12Aと負極集電体11との間にスズと膨張率が異なる元素を含む第1層12Bを設けると共に、スズ含有層12Aの中にスズと膨張率が異なる元素を含む第2層12Cを設けるようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。   As can be seen from Table 1, according to Example 1, a high capacity retention rate was obtained as compared with Comparative Examples 1-1 to 1-5. That is, the first layer 12B containing an element having an expansion coefficient different from that of tin is provided between the tin-containing layer 12A and the negative electrode current collector 11, and the tin-containing layer 12A includes an element having an expansion coefficient different from that of tin. It was found that the cycle characteristics can be improved by providing the two layers 12C.

(実施例2−1〜2−5)
第1層12Bおよび第2層12Cの厚みを実施例2−1〜2−5で表2に示したように変化させたことを除き、他は実施例1と同様にして負極10および二次電池を作成した。実施例2−1〜2−5の負極10についても実施例1と同様にして分析したところ、負極集電体11の構成元素が負極活物質層12に拡散していることが確認され、負極活物質層12においては、スズと亜鉛とが相互に拡散していることが確認された。また、スズ含有層12A,第1層12Bおよび第2層12Cの厚みを成膜中に水晶発振式成膜コントローラで測定し、得られた膜厚とスズおよび亜鉛の理論密度から負極活物質層12におけるスズと亜鉛の含有量(原子%)を算出した。
(Examples 2-1 to 2-5)
Except that the thickness of the first layer 12B and the second layer 12C was changed as shown in Table 2 in Examples 2-1 to 2-5, the negative electrode 10 and the secondary were the same as in Example 1. A battery was created. The negative electrode 10 of Examples 2-1 to 2-5 was analyzed in the same manner as in Example 1. As a result, it was confirmed that the constituent elements of the negative electrode current collector 11 were diffused in the negative electrode active material layer 12. In the active material layer 12, it was confirmed that tin and zinc were mutually diffused. Further, the thickness of the tin-containing layer 12A, the first layer 12B, and the second layer 12C was measured with a crystal oscillation type film formation controller during film formation, and the negative electrode active material layer was determined from the obtained film thickness and the theoretical density of tin and zinc. The tin and zinc contents (atomic%) in 12 were calculated.

実施例2−1〜2−5の二次電池についても、実施例1と同様にして充放電を行い、15サイクル目の容量維持率を求めた。それらの結果を実施例1および比較例1−1と合わせて表2に示す。なお、実施例1および比較例1−1についても同様にして負極活物質層12におけるスズと亜鉛の含有量を算出した。   For the secondary batteries of Examples 2-1 to 2-5, charge and discharge were performed in the same manner as in Example 1, and the capacity retention ratio at the 15th cycle was obtained. The results are shown in Table 2 together with Example 1 and Comparative Example 1-1. In addition, about Example 1 and Comparative Example 1-1, content of tin and zinc in the negative electrode active material layer 12 was calculated in the same manner.

Figure 2006059714
Figure 2006059714

表2に示したように、第1層12Bおよび第2層12Cの厚みを0.05μm以上、またはスズと膨張率が異なる元素の含有量をスズとの合計に対する割合で4原子%以上とすれば、その効果を明確に確認することができた。また、実施例2−2と実施例2−3、および実施例2−4と実施例2−5とを比較すれば分かるように、第1層12Bの厚みよりも第2層12Cの厚みを大きくした方が容量維持率をより向上させることができた。   As shown in Table 2, the thickness of the first layer 12B and the second layer 12C should be 0.05 μm or more, or the content of the element having an expansion coefficient different from that of tin should be 4 atomic% or more with respect to the total of tin. The effect could be clearly confirmed. Moreover, as can be seen from a comparison between Example 2-2 and Example 2-3, and Example 2-4 and Example 2-5, the thickness of the second layer 12C is made larger than the thickness of the first layer 12B. Increasing the capacity improved the capacity maintenance rate.

すなわち、第1層12Bおよび第2層12Cの厚みを0.05μm以上、またはスズの原子数をX、スズと膨張率が異なる元素の原子数をY、X+Y=100とすると、Y≧4以上とすることが好ましく、第1層12Bの厚みよりも第2層12Cの厚みを大きくした方がより好ましいことが分かった。   That is, if the thickness of the first layer 12B and the second layer 12C is 0.05 μm or more, the number of tin atoms is X, the number of atoms of an element having a different expansion coefficient from tin is Y, and X + Y = 100, Y ≧ 4 or more It is preferable that the thickness of the second layer 12C is larger than the thickness of the first layer 12B.

(実施例3−1〜3−8)
実施例3−1〜3−7では、スズと膨張率が異なる元素の種類を表3に示したように変えたことを除き、他は実施例2−4と同様にして負極10および二次電池を作成した。具体的には、亜鉛の層に代えて、実施例3−1ではアルミニウムの層を蒸着し、実施例3−2ではケイ素の層を蒸着し、実施例3−3では銀の層を蒸着し、実施例3−4ではインジウムの層を蒸着し、実施例3−5ではアンチモンの層を蒸着し、実施例3−5では鉛の層を蒸着し、実施例3−7では亜鉛とインジウムとの合金層を蒸着した。
(Examples 3-1 to 3-8)
In Examples 3-1 to 3-7, the negative electrode 10 and the secondary electrode were the same as in Example 2-4 except that the type of the element having an expansion coefficient different from that of tin was changed as shown in Table 3. A battery was created. Specifically, instead of the zinc layer, an aluminum layer is deposited in Example 3-1, a silicon layer is deposited in Example 3-2, and a silver layer is deposited in Example 3-3. In Example 3-4, an indium layer is deposited; in Example 3-5, an antimony layer is deposited; in Example 3-5, a lead layer is deposited; in Example 3-7, zinc and indium An alloy layer was deposited.

また、実施例3−8では、スズの層に代えて、銅−スズ合金の層を蒸着したことを除き、他は実施例2−4と同様にして負極10および二次電池を作成した。   In Example 3-8, the negative electrode 10 and the secondary battery were produced in the same manner as in Example 2-4, except that a copper-tin alloy layer was deposited instead of the tin layer.

実施例3−1〜3−8の負極10についても実施例1と同様にして分析したところ、負極集電体11の構成元素が負極活物質層12に拡散していることが確認され、負極活物質層12においては、各層の構成元素が相互に拡散していることが確認された。また、実施例3−1〜3−8の二次電池についても、実施例2−4と同様にして充放電を行い、15サイクル目の容量維持率を求めた。その結果を実施例2−4の結果と合わせて表3に示す。   The negative electrode 10 of Examples 3-1 to 3-8 was also analyzed in the same manner as in Example 1. As a result, it was confirmed that the constituent elements of the negative electrode current collector 11 were diffused in the negative electrode active material layer 12. In the active material layer 12, it was confirmed that the constituent elements of each layer were diffused. Moreover, also about the secondary battery of Examples 3-1 to 3-8, it charged / discharged similarly to Example 2-4, and calculated | required the capacity maintenance rate of the 15th cycle. The results are shown in Table 3 together with the results of Example 2-4.

Figure 2006059714
Figure 2006059714

表3から分かるように、実施例3−1〜3−8についても、実施例2−4と同様に、高い容量維持率が得られた。すなわち、スズと膨張率が異なる元素として、亜鉛、アルミニウム、ケイ素、銀、インジウム、アンチモンおよび鉛からなる群のうちの少なくとも1種を含むようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。また、スズ含有層12Aがスズ合金などを含む場合においても、高いサイクル特性を得られることが分かった。   As can be seen from Table 3, in Examples 3-1 to 3-8, a high capacity retention rate was obtained as in Example 2-4. That is, it is understood that the cycle characteristics can be improved by including at least one member selected from the group consisting of zinc, aluminum, silicon, silver, indium, antimony, and lead as an element having a coefficient of expansion different from that of tin. It was. It was also found that high cycle characteristics can be obtained even when the tin-containing layer 12A contains a tin alloy or the like.

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、液状の電解質である電解液、またはいわゆるゲル状の電解質を用いる場合について説明したが、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、イオン伝導性を有する固体電解質、固体電解質と電解液とを混合したもの、あるいは固体電解質とゲル状の電解質とを混合したものが挙げられる。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the case where an electrolytic solution which is a liquid electrolyte or a so-called gel electrolyte is used has been described, but another electrolyte may be used. Examples of other electrolytes include solid electrolytes having ionic conductivity, a mixture of a solid electrolyte and an electrolyte solution, and a mixture of a solid electrolyte and a gel electrolyte.

なお、固体電解質には、例えば、イオン伝導性を有する高分子化合物に電解質塩を分散させた高分子固体電解質、またはイオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などよりなる無機固体電解質を用いることができる。高分子固体電解質の高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、ポリメタクリレートなどのエステル系高分子化合物、アクリレート系高分子化合物を単独あるいは混合して、または共重合させて用いることができる。また、無機固体電解質としては、窒化リチウムあるいはリン酸リチウムなどを含むもの用いることができる。   As the solid electrolyte, for example, a polymer solid electrolyte in which an electrolyte salt is dispersed in a polymer compound having ion conductivity, or an inorganic solid electrolyte made of ion conductive glass or ionic crystals can be used. Examples of the polymer compound of the solid polymer electrolyte include, for example, an ether polymer compound such as polyethylene oxide or a crosslinked product containing polyethylene oxide, an ester polymer compound such as polymethacrylate, and an acrylate polymer compound. Or can be copolymerized. In addition, as the inorganic solid electrolyte, one containing lithium nitride or lithium phosphate can be used.

また、上記実施の形態および実施例では、負極集電体11に負極活物質層12を形成するようにしたが、負極集電体と負極活物質層との間に他の層を形成するようにしてもよく、また、負極活物質層12の上に、イオン伝導性を有する被膜を形成するようにしてもよい。   Moreover, in the said embodiment and Example, although the negative electrode active material layer 12 was formed in the negative electrode collector 11, it seems that another layer may be formed between a negative electrode collector and a negative electrode active material layer. Alternatively, a film having ion conductivity may be formed on the negative electrode active material layer 12.

更に、上記実施の形態および実施例では、コイン型または巻回ラミネート型の二次電池について説明したが、本発明は、円筒型,角型,ボタン型,薄型,大型あるいは積層ラミネート型などの他の形状を有する二次電池についても同様に適用することができる。加えて、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。   Further, in the above embodiments and examples, a coin type or wound laminate type secondary battery has been described. However, the present invention is not limited to a cylindrical type, a square type, a button type, a thin type, a large size, or a laminated laminate type. The present invention can be similarly applied to a secondary battery having the shape. In addition, the present invention can be applied not only to secondary batteries but also to primary batteries.

本発明の第1の実施の形態に係る負極の構成を簡略化して表す断面図である。It is sectional drawing which simplifies and represents the structure of the negative electrode which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1に示した負極を用いた二次電池の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure of the secondary battery using the negative electrode shown in FIG. 図1に示した負極を用いた他の二次電池の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure of the other secondary battery using the negative electrode shown in FIG. 図3に示した二次電池のI−I線に沿った構造を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure along the II line of the secondary battery shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10…負極、11…負極集電体、12…負極活物質層、21…外装カップ、22…外装缶、23,34…正極、23A,34A…正極集電体、23B,34B…正極活物質層、24,35…セパレータ、25…ガスケット、30…電極巻回体、31…正極リード、32…負極リード、33…密着フィルム、36…電解質層、37…保護テープ、40…外装部材   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Negative electrode, 11 ... Negative electrode collector, 12 ... Negative electrode active material layer, 21 ... Outer cup, 22 ... Outer can, 23, 34 ... Positive electrode, 23A, 34A ... Positive electrode collector, 23B, 34B ... Positive electrode active material Layer, 24, 35 ... separator, 25 ... gasket, 30 ... electrode winding, 31 ... positive electrode lead, 32 ... negative electrode lead, 33 ... adhesion film, 36 ... electrolyte layer, 37 ... protective tape, 40 ... exterior member

Claims (15)

負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを備え、
前記負極活物質層は、スズを含むスズ含有層を有すると共に、このスズ含有層と前記負極集電体との間に、リチウム(Li)と電気化学的に反応可能であり、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズ(Sn)と異なる元素を含む第1層と、前記スズ含有層の中に、リチウムと電気化学的に反応可能であり、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素を含む第2層とを有することを特徴とする負極。
A negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer has a tin-containing layer containing tin, and is capable of electrochemically reacting with lithium (Li) between the tin-containing layer and the negative electrode current collector, and is an alloy with lithium. The first layer containing an element having an expansion coefficient different from that of tin (Sn) and the tin-containing layer can electrochemically react with lithium, and the expansion coefficient when forming an alloy with lithium is tin. And a second layer containing a different element.
前記第1層および前記第2層は、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素として、アルミニウム(Al),ケイ素(Si), 亜鉛(Zn),銀(Ag),インジウム(In),アンチモン(Sb)および鉛(Pb)からなる群のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1記載の負極。   The first layer and the second layer are formed of an element having an expansion coefficient different from that of tin at the time of forming an alloy with lithium, such as aluminum (Al), silicon (Si), zinc (Zn), silver (Ag), indium (In ), At least one selected from the group consisting of antimony (Sb) and lead (Pb). 前記第1層の厚みよりも前記第2層の厚みの方が大きいことを特徴とする請求項1記載の負極。   The negative electrode according to claim 1, wherein the thickness of the second layer is larger than the thickness of the first layer. 前記負極集電体、前記スズ含有層、前記第1層、および前記第2層の構成元素は、それらの界面において相互に拡散していることを特徴とする請求項1記載の負極。   2. The negative electrode according to claim 1, wherein constituent elements of the negative electrode current collector, the tin-containing layer, the first layer, and the second layer are diffused to each other at an interface thereof. 前記スズ含有層は前記第1層および前記第2層よりもスズを多く含み、前記第1層および前記第2層は前記スズ含有層よりもリチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素を多く含むことを特徴とする請求項4記載の負極。   The tin-containing layer contains more tin than the first layer and the second layer, and the first layer and the second layer have an expansion coefficient different from that of tin when forming an alloy with lithium than the tin-containing layer. The negative electrode according to claim 4, comprising a large amount of elements. 前記負極集電体は、銅(Cu),鉄(Fe),ニッケル(Ni),チタン(Ti)およびステンレスからなる群のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1記載の負極。   2. The negative electrode according to claim 1, wherein the negative electrode current collector includes at least one selected from the group consisting of copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni), titanium (Ti), and stainless steel. . 正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
前記負極は、負極集電体と、この負極集電体に設けられた負極活物質層とを備え、
前記負極活物質層は、スズを含むスズ含有層を有すると共に、このスズ含有層と前記負極集電体との間に、リチウム(Li)と電気化学的に反応可能であり、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズ(Sn)と異なる元素を含む第1層と、前記スズ含有層の間に、リチウムと電気化学的に反応可能であり、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素を含む第2層とを有することを特徴とする電池。
A battery comprising an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode,
The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer has a tin-containing layer containing tin, and is capable of electrochemically reacting with lithium (Li) between the tin-containing layer and the negative electrode current collector, and is an alloy with lithium. Between the first layer containing an element having an expansion coefficient different from that of tin (Sn) and the tin-containing layer, it can electrochemically react with lithium, and the expansion coefficient when forming an alloy with lithium is tin. And a second layer containing a different element.
前記第1層および前記第2層は、リチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素として、アルミニウム(Al),ケイ素(Si), 亜鉛(Zn),銀(Ag),インジウム(In),アンチモン(Sb)および鉛(Pb)からなる群のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項7記載の電池。   The first layer and the second layer are formed of an element having an expansion coefficient different from that of tin at the time of forming an alloy with lithium, such as aluminum (Al), silicon (Si), zinc (Zn), silver (Ag), indium (In ), At least one selected from the group consisting of antimony (Sb) and lead (Pb). 前記第1層の厚みよりも前記第2層の厚みの方が大きいことを特徴とする請求項7記載の電池。   8. The battery according to claim 7, wherein the thickness of the second layer is larger than the thickness of the first layer. 前記負極集電体、前記スズ含有層、前記第1層、および前記第2層の構成元素は、それらの界面において相互に拡散していることを特徴とする請求項7記載の電池。   The battery according to claim 7, wherein the constituent elements of the negative electrode current collector, the tin-containing layer, the first layer, and the second layer are diffused to each other at their interfaces. 前記スズ含有層は前記第1層および前記第2層よりもスズを多く含み、前記第1層および前記第2層は前記スズ含有層よりもリチウムとの合金形成時の膨張率がスズと異なる元素を多く含むことを特徴とする請求項10記載の電池。   The tin-containing layer contains more tin than the first layer and the second layer, and the first layer and the second layer have an expansion coefficient different from that of tin when forming an alloy with lithium than the tin-containing layer. The battery according to claim 10, comprising a large amount of elements. 前記負極集電体は、銅(Cu),鉄(Fe),ニッケル(Ni),チタン(Ti)およびステンレスからなる群のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項7記載の電池。   8. The battery according to claim 7, wherein the negative electrode current collector includes at least one selected from the group consisting of copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni), titanium (Ti), and stainless steel. . 前記電解質は、保持体と、溶媒と、電解質塩とを含むことを特徴とする請求項7記載の電池。   The battery according to claim 7, wherein the electrolyte includes a holding body, a solvent, and an electrolyte salt. 更に、前記正極、前記負極および前記電解質を収容するフィルム状の外装部材を備えたことを特徴とする請求項7記載の電池。   The battery according to claim 7, further comprising a film-shaped exterior member that accommodates the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte. 前記正極は、リチウム含有金属複合酸化物を含むことを特徴とする請求項7記載の電池。
The battery according to claim 7, wherein the positive electrode includes a lithium-containing metal composite oxide.
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