(57)【要約】【課題】充放電時にリチウムが消費されてその枯渇が起こることを防止し得る非水電解液二次電池用負極を提供すること。【解決手段】本発明の非水電解液二次電池用負極１は、一対の集電用表面層４間に活物質層５及び金属リチウム層３を有することを特徴とする。負極１は、集電用表面層４と、該集電用表面層４の一面に配された活物質層５とを備えた二つの負極前駆体２を有し、各負極前駆体２における活物質層５どうしが対向し且つ集電用表面層４が外方を向くように、金属リチウム層３が両負極前駆体２間に挟持されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の集電用表面層間に活物質層及び金属リチウム層を有することを特徴とする非水電解液二次電池用負極。
【請求項２】
前記集電用表面層と、該集電用表面層の一面に配された前記活物質層とを備えた二つの負極前駆体を有し、
各負極前駆体における前記活物質層どうしが対向し且つ前記集電用表面層が外方を向くように、前記金属リチウム層が両負極前駆体間に挟持されている請求項１記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項３】
少なくとも一方の前記集電用表面層に、その表面において開孔していると共にその厚さ方向へ延び且つ非水電解液の浸透が可能な微細空隙が多数形成されている請求項１又は２記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項４】
前記微細空隙の平均開孔面積が０．１〜５０μｍ2で且つ開孔率が０．１〜２０％である請求項３記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項５】
前記活物質層においては、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が該活物質層の厚み方向全域に亘って浸透しており、負極全体が一体として集電機能を有している請求項１ないし４の何れかに記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項６】
前記活物質層が、リチウム化合物の形成能の高い活物質の粒子を含む導電性スラリーを塗布して形成されている請求項１ないし５の何れかに記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項７】
前記活物質層が、薄膜形成手段によって形成されたリチウム化合物の形成能の高い活物質の薄層からなる請求項１ないし５の何れかに記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項８】
前記集電用表面層が、電解めっきによって形成されている請求項１ないし７の何れかに記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項９】
前記集電用表面層がリチウム化合物の形成能の低い金属材料からなる請求項１ないし８の何れかに記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項１０】
請求項２記載の非水電解液二次電池用負極の製造方法であって、
キャリア箔上に電解めっきによって集電用表面層を形成し、
該集電用表面層上に活物質層を形成して、該キャリア箔上に該集電用表面層と該活物質層とをこの順で備えた負極前駆体を形成し、
各負極前駆体における前記活物質層どうしが対向するように、金属リチウム箔を両負極前駆体間に挟み込んで、該金属リチウム箔と両負極前駆体とを貼り合わせにより一体化させ、然る後、
前記キャリア箔を各負極前駆体から剥離分離することを特徴とする非水電解液二次電池用負極の製造方法。
【請求項１１】
リチウム化合物の形成能の低い金属材料からなる一対の集電用表面層間に活物質層を有し、
少なくとも一方の前記集電用表面層には、その表面において開孔していると共にその厚さ方向へ延び且つ非水電解液の浸透が可能な微細空隙が多数形成されており、
前記活物質層が、リチウムを吸蔵したリチウム化合物の形成能の高い活物質の粒子を含み、また該活物質層においては、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が該活物質層の
厚み方向全域に亘って浸透しており、
芯材としての導電性金属箔層を備えていないことを特徴とする非水電解液二次電池用負極。
【請求項１２】
前記微細空隙の平均開孔面積が０．１〜５０μｍ2で且つ開孔率が０．１〜２０％である請求項１１記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項１３】
前記集電用表面層が、電解めっきによって形成されている請求項１１又は１２記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項１４】
請求項１２記載の非水電解液二次電池用負極の製造方法であって、
キャリア箔上に電解めっきによって集電用表面層を形成し、
該集電用表面層上に、活物質の粒子を含む導電性スラリーを塗布して活物質層を形成して、該キャリア箔上に該集電用表面層と該活物質層とをこの順で備えた負極前駆体を形成し、
各負極前駆体における前記活物質層どうしが対向するように、金属リチウム箔を両負極前駆体間に挟み込んで、該金属リチウム箔と両負極前駆体とを貼り合わせにより一体化させ、
リチウムが熱拡散するに十分な温度に加熱して、前記金属リチウム箔からリチウムを前記活物質層へ拡散させ、然る後、
前記キャリア箔を各負極前駆体から剥離分離することを特徴とする非水電解液二次電池用負極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池などの非水電解液二次電池に用いられる負極に関する。また本発明は、該負極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非水電解液二次電池の負極に金属リチウムを貼付して、電池の耐過放電特性を高めることが提案されている。例えば、正極に遷移金属のリチウム含有複合酸化物を、負極に炭素材をそれぞれ用い、正極板、負極板をセパレータとともに渦巻状に巻回した非水電解液二次電池において、負極板の最外周に相当する部分で、なおかつ正極板と対向しない部分に金属リチウム箔を貼付することが提案されている（特許文献１ないし３参照）。
【０００３】
しかし前記の負極においては、非水電解液と接する面である最表面に活物質が露出しているので、リチウムイオンの吸脱蔵に起因する活物質の膨張収縮によって該活物質の脱落が起こりやすい。その結果、電池のサイクル寿命が低下しやすい。また、金属リチウムも最表面に露出しているので、場合によってはリチウムのデンドライトが生成し、それが負極から脱落して、或いはセパレータを貫通して正極と接触し、内部短絡や発火の原因となるおそれがある。
【０００４】
ところで、非水電解液二次電池においては、その製造過程で微量の水分が混入することがしばしばある。電池内において水分は非水電解液と反応し、これを分解させる。そこで、非水電解液二次電池に含まれる水分を低減させて、充放電サイクル特性を向上させることが提案されている（特許文献４参照）。しかし、水分を満足すべきレベルにまで低減させるには、過大な手間と時間がかかり経済的でない。
【０００５】
水分とは別に、集電体や活物質には不可避的に微量の酸素が含まれている。酸素は、充放電時にリチウムとの化合物を形成する。Ｌｉ−Ｏは比較的結合力が強いので、該化合物の形成によって可逆的に使用可能なリチウムの量が減少してしまう。つまり不可逆容量が大きくなってしまう。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１４４４７２号公報
【特許文献２】特開平５−１４４４７３号公報
【特許文献３】特開平７−９４２１１号公報
【特許文献４】特開２００１−２２３０３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って本発明の目的は、前述した従来技術が有する種々の欠点を解消し得る非水電解液二次電池用負極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、一対の集電用表面層間に活物質層及び金属リチウム層を有することを特徴とする非水電解液二次電池用負極を提供することにより前記目的を達成したものである。
【０００９】
また本発明は、前記負極の好ましい製造方法として、
キャリア箔上に電解めっきによって集電用表面層を形成し、
該集電用表面層上に活物質層を形成して、該キャリア箔上に該集電用表面層と該活物質層とをこの順で備えた負極前駆体を形成し、
各負極前駆体における前記活物質層どうしが対向するように、金属リチウム箔を両負極前駆体間に挟み込んで、該金属リチウム箔と両負極前駆体とを貼り合わせにより一体化させ、然る後、
前記キャリア箔を各負極前駆体から剥離分離することを特徴とする非水電解液二次電池用負極の製造方法を提供するものである。
【００１０】
更に本発明は、リチウム化合物の形成能の低い金属材料からなる一対の集電用表面層間に活物質層を有し、
少なくとも一方の前記集電用表面層には、その表面において開孔していると共にその厚さ方向へ延び且つ非水電解液の浸透が可能な微細空隙が多数形成されており、
前記活物質層が、リチウムを吸蔵したリチウム化合物の形成能の高い活物質の粒子を含み、また該活物質層においては、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が該活物質層の厚み方向全域に亘って浸透しており、
芯材としての導電性金属箔層を備えていないことを特徴とする非水電解液二次電池用負極を提供するものである。
【００１１】
更に本発明は、前記負極の好ましい製造方法として、
キャリア箔上に電解めっきによって集電用表面層を形成し、
該集電用表面層上に、活物質の粒子を含む導電性スラリーを塗布して活物質層を形成して、該キャリア箔上に該集電用表面層と該活物質層とをこの順で備えた負極前駆体を形成し、
各負極前駆体における前記活物質層どうしが対向するように、金属リチウム箔を両負極前駆体間に挟み込んで、該金属リチウム箔と両負極前駆体とを貼り合わせにより一体化させ、
リチウムが熱拡散するに十分な温度に加熱して、前記金属リチウム箔からリチウムを前記活物質層へ拡散させ、然る後、
前記キャリア箔を各負極前駆体から剥離分離することを特徴とする非水電解液二次電池用負極の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の負極によれば、充放電時にリチウムが消費されても、金属リチウム層からリチウムが溶解して供給される。従って、負極活物質の量（容量）に比較して正極活物質の量（容量）を少なくするような電池設計時に懸念される、いわゆる「リチウム枯渇」の問題が解消される。これによって、初期不可逆容量を少なくすることができ、また各充放電サイクルでの充放電効率（サイクル特性）が向上する。また、充放電開始前に活物質がリチウムを吸蔵しているので、充電時にリチウムを吸蔵することに起因する体積増加を軽減することができる。このことは、サイクル寿命の向上に大きく貢献する。
【００１３】
また、負極を始めとする電池の構成部材に微量の水分や酸素が含まれている場合であっても、該水分や酸素は金属リチウムと反応して消費されるので、電池内の水分や酸素が減少する。このことによっても、初期不可逆容量を少なくすることができ、また各充放電サイクルでの充放電効率（サイクル特性）が向上する。
【００１４】
更に、リチウムが溶解した後の金属リチウム層には空間が生じ、該空間は、充放電時の活物質の膨張・収縮に起因する応力を緩和するので、それによって活物質の微粉化が抑えられる。その上、活物質の微粉化が進行したとしても、活物質が電極の表面に露出しておらず電極の内部に包埋されているので、活物質の脱落が防止され、また充放電を繰り返しても活物質の集電性が確保される。しかも金属リチウム層は負極の表面に露出しておらず、内部に位置しているので、リチウムのデンドライトが生成することが防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図１には本発明の負極の一実施形態の構造が模式的に示されている。本実施形態の負極１は、その基本構成部材として、二つの負極前駆体２及び金属リチウム層３を有している。金属リチウム層３は、負極前駆体２の間に挟持されている。
【００１６】
負極前駆体２は、集電用表面層４と、該集電用表面層４の一面に配された活物質層５とを備えている。図１に示すように、金属リチウム層３は、各負極前駆体２における活物質層５どうしが対向し且つ集電用表面層４が外方を向くように両負極前駆体２間に挟持されている。また図１から明らかなように負極１は、従来の負極に用いられてきた集電体と呼ばれる集電用の厚膜導電体（例えば厚さ８〜３５μｍ程度の金属箔やエキスパンドメタル）を有していない。
【００１７】
集電用表面層４は集電機能を担っている。また集電用表面層４は、活物質層５に含まれる活物質がリチウムイオンを吸脱蔵することによる該活物質の膨張収縮に起因して脱落することを防止するためにも用いられている。集電用表面層４は、非水電解液二次電池の集電体となり得る金属から構成されていることが好ましい。特にリチウム二次電池の集電体となり得る金属から構成されていることが好ましい。そのような金属としては例えば、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が挙げられる。具体的には銅、ニッケル、鉄、コバルト又はこれらの金属の合金などが挙げられる。これらの金属のうち銅及びニッケル或いはそれらの合金を用いることが特に好適である。負極１の強度を高める観点からはニッケルを用いることが好ましい。２つの集電用表面層４は、その構成材料が同じであってもよく、或いは異なっていてもよい。「リチウム化合物の形成能が低い」とは、リチウムと金属間化合物若しくは固溶体を形成しないか、又は形成したとしてもリチウムが微量であるか若しくは非常に不安定であることを意味する。
【００１８】
各集電用表面層４は、従来の電極に用いられている集電用の厚膜導電体よりもその厚みが薄いものである。具体的には０．３〜１０μｍ程度、特に１〜５μｍ程度の薄層であることが好ましい。これによって、必要最小限の厚みで活物質層５をほぼ満遍なく連続的に被覆することができる。その結果、充放電に起因して微粉化した活物質の脱落を防止することができる。前記範囲の薄い集電用表面層４は、後述するように電解めっきによって形成されることが好ましい。なお２つの集電用表面層４はその厚みが同じでもよく、或いは異なっていてもよい。
【００１９】
各集電用表面層４は、その表面において開孔しており且つ活物質層５と通ずる多数の微細空隙６を有している。微細空隙６は集電用表面層４の厚さ方向へ延びるように該集電用表面層４中に存在している。微細空隙６が形成されていることで、非水電解液が活物質層５へ十分に浸透することができ、活物質との反応が十分に起こる。微細空隙６は、集電用表面層４を断面観察した場合にその幅が約０．１μｍから約１０μｍ程度の微細なものである。微細であるものの、微細空隙６は非水電解液の浸透が可能な程度の幅を有している。尤も非水電解液は水系の電解液に比べて表面張力が小さいことから、微細空隙６の幅が小さくても十分に浸透が可能である。微細空隙６は、好ましくは集電用表面層４を電解めっきで形成する際に同時に形成される。なお本実施形態においては、各集電用表面層４に微細空隙６が形成されているが、少なくとも一方の集電用表面層４に微細空隙６が形成されていれば、所望の効果が奏される。
【００２０】
集電用表面層４の表面を電子顕微鏡観察により平面視したとき、微細空隙６の平均開孔面積は、０．１〜５０μｍ2であり、好ましくは０．１〜２０μｍ2、更に好ましくは０．５〜１０μｍ2程度である。この範囲の開孔面積とすることで、非水電解液の十分な浸透を確保しつつ、活物質の脱落を効果的に防止することができる。また充放電の初期段階から充放電容量を高めることができる。活物質が粒子である場合、該粒子の脱落を一層効果的に防止する観点から、前記の平均開孔面積は、活物質の粒子の最大断面積の０．１〜５０％、特に０．１〜２０％であることが好ましい。活物質の粒子の最大断面積とは、活物質の粒子の粒径（Ｄ50値）を測定し、該粒子を、Ｄ50値の直径を有する球とみなしたときの最大断面積をいう。
【００２１】
集電用表面層４の表面を電子顕微鏡観察により平面視したときに、観察視野の面積に対する微細空隙６の開孔面積の総和の割合（この割合を開孔率という）は、０．１〜２０％であり、好ましくは０．５〜１０％である。この理由は微細空隙６の開孔面積を前記の範囲内とすることと同様の理由である。更に同様の理由により、集電用表面層４の表面を電子顕微鏡観察により平面視したときに、どのような観察視野をとっても、１００μｍ×１００μｍの正方形の視野範囲内に１個〜２万個、特に１０個〜１千個、とりわけ５０個〜５００個の微細空隙６が存在していることが好ましい。
【００２２】
集電用表面層４のすぐ内側に位置する活物質層５は、リチウム化合物の形成能の高い活物質を含んでいる。該活物質としては、例えばシリコン系材料やスズ系材料、アルミニウム系材料、ゲルマニウム系材料が挙げられる。各活物質層５は各集電用表面層４によって被覆されているので、活物質がリチウムイオンを吸脱蔵することに起因して脱落することが効果的に防止される。活物質は微細空隙６を通じて電解液と接することができるので、電極反応が妨げられることもない。
【００２３】
活物質層５は、例えば図１に示すように、活物質の粒子７を含む導電性スラリーを塗布して形成されている。スラリーを塗布する手法に代えて、ガスデポジション法を用いてもよい。ガスデポジション法とは、活物質粒子粉（Ｓｉなど）を減圧空間にてキャリアガス（窒素、アルゴンなど）と混合し、エアロゾル化させた状態で、ノズル噴射することで基板（集電箔）表面に膜を圧着形成する手法である。常温での塗膜形成が可能なことから、以下に示す薄膜形成手段に比べ、多成分系の活物質粉を用いた場合でも組成変化が少ない。また、同法の噴射条件（活物質粒子径、ガス圧など）を調整することにより、多数の空隙を有した活物質膜層を形成することができる。また活物質層５は、各種薄膜形成手段によって形成された活物質の薄層から形成されていてもよい。薄膜形成手段としては、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）、スパッタリング、電解めっきなどが挙げられる。
【００２４】
活物質層５が活物質の粒子７を含んで構成されている場合、該粒子７としては、例えばイ）シリコン単体又はスズ単体の粒子、ロ）少なくともシリコン又はスズと炭素との混合粒子、ハ）シリコン又はスズと金属との混合粒子、ニ）シリコン又はスズと金属との化合物粒子、ホ）シリコン又はスズと金属との化合物粒子と、金属の粒子との混合粒子、ヘ）シリコン単体又はスズ単体の粒子の表面に金属が被覆されてなる粒子、ト）それらの酸化物を含む粒子などが挙げられる。ロ）、ハ）、ニ）、ホ）及びヘ）の粒子を用いると、イ）のシリコン単体又はスズ単体の粒子を用いる場合に比べて、リチウムの吸脱蔵に起因するシリコン系材料の微粉化が一層抑制されるという利点がある。また半導体であり電子伝導性の乏しいシリコンに電子伝導性を付与できるという利点がある。
【００２５】
活物質の粒子７はその最大粒径が好ましくは５０μｍ以下であり、更に好ましくは２０μｍ以下である。また粒子７の粒径をＤ50値で表すと０．１〜８μｍ、特に１〜５μｍであることが好ましい。最大粒径が５０μｍ超であると、粒子７の脱落が起こりやすくなり、電極の寿命が短くなる場合がある。粒径の下限値に特に制限はなく小さいほど好ましい。粒子７の製造方法に鑑みると、下限値は０．０１μｍ程度である。粒子７の粒径は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置、電子顕微鏡観察によって測定される。
【００２６】
負極１全体に対する活物質の量が少なすぎると電池のエネルギー密度を十分に向上させにくく、逆に多すぎると活物質の脱落が起こりやすくなる傾向にある。これらを勘案すると、活物質の量は負極１全体に対して好ましくは５〜８０重量％であり、更に好ましくは１０〜５０重量％、一層好ましくは２０〜５０重量％である。活物質層５の厚みは、負極全体に対する活物質の量の割合等に応じて適宜調節することができ、本実施形態においては特に臨界的なものではない。活物質層５が活物質の粒子７を含んで構成されている場合の厚みは、一般には１〜１００μｍ、特に３〜４０μｍ程度である。
【００２７】
活物質層５に活物質の粒子７が含まれる場合、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が活物質層５の厚み方向全域に亘って浸透していることが好ましい。そして浸透した該材料中に活物質の粒子７が存在していることが好ましい。つまり活物質の粒子７は負極１の表面に実質的に露出しておらず集電用表面層４の内部に包埋されていることが好ましい。これによって、活物質層５と集電用表面層４との密着性が強固なものとなり、活物質の脱落が一層防止される。また活物質層５中に浸透した前記材料を通じて集電用表面層４と活物質との間に電子伝導性が確保されるので、電気的に孤立した活物質が生成すること、特に活物質層５の深部に電気的に孤立した活物質が生成することが効果的に防止され、集電機能が保たれる。その結果、負極としての機能低下が抑えられる。更に負極の長寿命化も図られる。このことは、活物質として半導体であり電子伝導性の乏しい材料、例えばシリコン系材料を用いる場合に特に有利である。
【００２８】
活物質層５の厚み方向全域に亘って浸透しているリチウム化合物の形成能の低い金属材料は、集電用表面層４を構成する金属材料と同種の材料であることが好ましい。しかし、リチウム化合物の形成能が低ければ、集電用表面層４を構成する金属材料と異種の材料を用いても差し支えない。
【００２９】
リチウム化合物の形成能の低い金属材料は、活物質層５をその厚み方向に貫いていることが好ましい。それによって２つの集電用表面層４は前記金属材料及び金属リチウム層３を通じて電気的に導通することになり、負極１全体としての電子伝導性が一層高くなる。つまり本実施形態の負極１は、その全体が一体として集電機能を有する。リチウム化合物の形成能の低い金属材料が活物質層５の厚み方向全域に亘って浸透していることは、該材料を測定対象とした電子顕微鏡マッピングによって求めることができる。リチウム化合物の形成能の低い金属材料を、活物質層５中に浸透させるための好ましい方法は後述する。
【００３０】
活物質層５中には活物質の粒子７に加えて導電性炭素材料又は導電性金属材料の粒子８が含まれていることが好ましい。これによって負極１に電子伝導性が一層付与される。この観点から活物質層５中に含まれる導電性炭素材料又は導電性金属材料の粒子８の量は、活物質層５を基準として０．１〜２０重量％、特に１〜１０重量％であることが好ましい。導電性炭素材料としては例えばアセチレンブラックやグラファイトなどの粒子が用いられる。これらの粒子の粒径は４０μｍ以下、特に２０μｍ以下であることが、電子伝導性の一層付与の点から好ましい。該粒子の粒径の下限値に特に制限はなく小さいほど好ましい。該粒子の製造方法に鑑みると、その下限値は０．０１μｍ程度となる。
【００３１】
二つの活物質層５間に介在配置された金属リチウム層３は、非水電解液の存在下に、活物質（負極活物質）との間に局部電池を構成する。これによって金属リチウム層３から金属リチウムが近傍の活物質中に電気化学的にインターカレートする。或いはリチウムの濃度勾配に起因してリチウムが活物質中にインターカレートする。このように、金属リチウム層３はリチウムの供給源として作用する。その結果、充放電によってリチウムが消費されても、金属リチウム層３からリチウムが供給されるので、リチウム枯渇の問題が解消される。それによって負極１の長寿命化が図られる。また、負極１を始めとする電池の構成材料（例えば正極、電解液等）に微量の水分が存在していても、該水分は金属リチウムと反応して消費されるので、電池内の水分が減少する。更に、集電体や活物質に不可避的に含まれている微量の酸素が、金属リチウムに捕捉される。これらのことによって、初期不可逆容量を少なくすることができ、また各充放電サイクルでの充放電効率（サイクル特性）が向上する。その上、金属リチウム層３は、負極１の表面に露出しておらず、負極１の内部に位置しており、またリチウムは活物質中にインターカレートするので、内部短絡や発火の原因となるリチウムのデンドライトが生成するおそれも少ない。リチウムが溶解した後の金属リチウム層３には空間が生じ、該空間は、充放電時の活物質の膨張・収縮に起因する応力を緩和するので、それによって活物質の微粉化が抑えられるという利点もある。
【００３２】
金属リチウムの量は、負極活物質の初期充電理論容量に対して０．１％以上５０％以下であることが、容量回復特性が良好になることから好ましい。更に好ましい範囲は５〜５０％、一層好ましい範囲は１０〜４０％、とりわけ好ましい範囲は２０〜４０％である。負極活物質として例えばシリコンを用いる場合、理論的にはシリコンは組成式ＳｉＬｉ4.4で表される状態までリチウムを吸蔵するので、リチウムの吸蔵量が、シリコンの初期充電理論容量に対して１００％であるとは、組成式ＳｉＬｉ4.4で表される状態までリチウムがシリコンに吸蔵されることをいう。
【００３３】
以上の構成を有する負極１全体の厚みは、負極１の強度維持やエネルギー密度を高めること考慮すると、２〜５０μｍ、特に１０〜５０μｍ程度であることが好ましい。
【００３４】
次に図１に示す負極１の好ましい製造方法を、図２を参照しながら説明する。先ず、負極前駆体２を製造する。負極前駆体２の製造には、図２（ａ）に示すようにキャリア箔１１を用意する。キャリア箔１１の材質に特に制限はない。キャリア箔１１は導電性であることが好ましい。この場合、導電性を有していれば、キャリア箔１１は金属製でなくてもよい。しかし金属製のキャリア箔１１を用いることで、負極前駆体２の製造後にキャリア箔１１を溶解・製箔してリサイクルできるという利点がある。リサイクルの容易性を考慮すると、キャリア箔１１の材質は、後述する電解めっきによって形成される集電用表面層４の材質と同じであることが好ましい。キャリア箔１１は、負極前駆体２を製造するための支持体として用いられるものであることから、製造工程においてヨレ等が生じないような強度を有していることが好ましい。従ってキャリア箔１１は、その厚みが１０〜５０μｍ程度であることが好ましい。
【００３５】
キャリア箔１１は例えば電解や圧延で製造することができる。圧延で製造することで、表面粗さの低いキャリア箔１１を得ることができる。一方キャリア箔１１を電解によって製造することで、キャリア箔１１の製造から負極前駆体２の製造までをインラインで行うことができる。インラインで行うことは、負極前駆体２の安定製造及び製造コストの低減の点から有利である。電解によってキャリア箔１１を製造する場合には、回転ドラムを陰極として用い、銅やニッケルなどの金属イオンを含む電解浴中で電解を行いドラム周面に金属を析出させる。析出した金属をドラム周面から剥離することでキャリア箔１１が得られる。
【００３６】
次に図２（ｂ）に示すように、キャリア箔１１の一面上に、集電用表面層４を構成する材料と異質の材料からなる薄層の被覆体１２を形成する。その後に集電用表面層４を電解めっきによって形成する。この操作によって、集電用表面層４に形成される微細空隙６の数や開孔面積を容易にコントロールすることができる。
【００３７】
被覆体１２は、集電用表面層４の形成面の電子伝導性を不均一な状態にすることで、集電用表面層４に多数の微細空隙を形成するために用いられる。被覆体１２は、その厚みが０．００１〜１μｍ、特に０．００２〜０．５μｍ、とりわけ０．００５〜０．２μｍとなるように形成されることが好ましい。この程度の薄さにすることで、被覆体１２は、キャリア箔の表面を不連続に、例えば島状に被覆することになるからである。
【００３８】
被覆体１２は、集電用表面層４の構成材料と異質の材料からなる。これによって剥離工程において、キャリア箔１１から集電用表面層４を首尾良く剥離することができる。特に被覆体１２は、集電用表面層４の構成材料と異質の材料であって、且つＣｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ及びＰｄのうちの少なくとも１種類の元素を含んで構成されていることが好ましい。
【００３９】
被覆体１２の形成方法に特に制限はない。例えば、集電用表面層４の形成方法との関係で、被覆体１２の形成方法を選択することができる。具体的には、集電用表面層４を電解めっきで形成する場合には、被覆体１２も電解めっきで形成することが製造効率等の点から好ましい。尤も他の方法、例えば無電解めっき、スパッタリング法、物理気相蒸着法、化学気相蒸着法、ゾルゲル法又はイオンプレーティング法によって被覆体１２を形成することも可能である。
【００４０】
電解めっきによって被覆体１２を形成する場合には、被覆体１２の構成材料に応じて適切なめっき浴やめっき条件が選択される。例えば被覆体１２をスズから構成する場合には、めっき浴として以下の組成を有するものや、ほうふっ化スズ浴を用いることができる。このめっき浴を用いる場合の浴温は１５〜３０℃程度であり、電流密度は０．５〜１０Ａ／ｄｍ2程度であることが好ましい。
・ＳｎＳＯ4              ３０〜７０ｇ／ｌ
・Ｈ2ＳＯ4              ６０〜１５０ｇ／ｌ
・クレゾールスルホン酸    ７０〜１００ｇ／ｌ
【００４１】
先に述べた通り、被覆体１２は、集電用表面層４の形成面の電子伝導性を不均一な状態にするために用いられる。従って、被覆体１２の構成材料の電子伝導性がキャリア箔１１の電子伝導性と大きく異なれば、被覆体１２を形成することで集電用表面層４の形成面の電子伝導性が直ちに不均一な状態になる。例えば被覆体１２の構成材料としてカーボンを用いるような場合である。一方、被覆体１２の構成材料として、キャリア箔１１と同程度の電子伝導性を有する材料、例えばスズ等を始めとする各種金属材料を用いた場合には、被覆体１２の形成によっては、集電用表面層４の形成面の電子伝導性が直ちに不均一な状態とはならない。そこで、そのような材料から被覆体１２を構成する場合には、被覆体１２が形成されたキャリア箔１１を、乾燥状態下に含酸素雰囲気、例えば大気中にさらすことが好ましい。これによって被覆体１２の表面（及びキャリア箔１１の露出面）を酸化させる（図２（ｃ）参照）。この操作によって、集電用表面層４の形成面の電子伝導性が不均一な状態になる。この状態下に後述する電解めっきを行うと、被覆体１２の表面とキャリア箔１１の露出面とで電析速度に差が生じ、微細空隙６を容易に形成することができる。酸化の程度は本発明において臨界的ではない。例えば、被覆体１２が形成されたキャリア箔１１を大気中に１０〜３０分程度放置しておけば十分であることが本発明者らの検討によって判明した。尤も被覆体１２が形成されたキャリア箔１１を強制的に酸化させることは妨げられない。
【００４２】
被覆体１２が形成されたキャリア箔１１を、含酸素雰囲気にさらすときにこれを乾燥状態にする理由は、酸化を効率的に行うためである。例えば電解めっきによって被覆体１２を形成した場合には、キャリア箔１１をめっき浴から引き上げた後にドライヤ等を用いてこれを乾燥させ、次いで所定時間大気中に放置すればよい。被覆体１２の形成方法としてスパッタリング法や各種蒸着法等の乾式法を用いる場合には乾燥操作は不要であり、被覆体１２の形成後、そのまま大気中に放置しておけばよい。
【００４３】
被覆体１２を酸化させた後、図２（ｄ）に示すように、その上に剥離剤１３を施す。剥離剤１３は、後述する剥離工程において、キャリア箔１１から負極前駆体２を首尾良く剥離するために用いられる。剥離剤１３としては有機化合物を用いることが好ましく、特に窒素含有化合物又は硫黄含有化合物を用いることが好ましい。窒素含有化合物としては、例えばベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）、カルボキシベンゾトリアゾール（ＣＢＴＡ）、トリルトリアゾール（ＴＴＡ）、Ｎ'，Ｎ'−ビス（ベンゾトリアゾリルメチル）ユリア（ＢＴＤ−Ｕ）及び３−アミノ−１Ｈ−１，２，４−トリアゾール（ＡＴＡ）などのトリアゾール系化合物が好ましく用いられる。硫黄含有化合物としては、メルカプトベンゾチアゾール（ＭＢＴ）、チオシアヌル酸（ＴＣＡ）および２−ベンズイミダゾールチオール（ＢＩＴ）などが挙げられる。剥離剤１３を施す工程は、あくまでも、後述する剥離工程において、キャリア箔１１から負極前駆体２を首尾良く剥離するために行われるものである。従ってこの工程を省いても、多数の微細空隙６を有する集電用表面層４を形成することができる。
【００４４】
次に図２（ｅ）に示すように、剥離剤１３を施した上に、集電用表面層４の構成材料を電解めっきによって電析させて集電用表面層４を形成する。形成された集電用表面層４には、先に述べた直径の微細空隙６が、先に述べた存在密度で多数形成されている。なお図２（ｅ）においては、被覆体１２の頂点の位置に微細空隙６が形成されているように描かれているが、これは便宜的なものであり、実際には、被覆体１２の頂点の位置に必ず微細空隙６が形成される訳ではない。めっき浴やめっき条件は、集電用表面層４の構成材料に応じて適切に選択される。例えば集電用表面層４をＮｉから構成する場合には、めっき浴として以下の組成を有するワット浴やスルファミン酸浴を用いることができる。これらのめっき浴を用いる場合の浴温は４０〜７０℃程度であり、電流密度は０．５〜２０Ａ／ｄｍ2程度であることが好ましい。
・ＮｉＳＯ4・６Ｈ2Ｏ      １５０〜３００ｇ／ｌ
・ＮｉＣｌ2・６Ｈ2Ｏ      ３０〜６０ｇ／ｌ
・Ｈ3ＢＯ3                ３０〜４０ｇ／ｌ
【００４５】
次に図２（ｆ）に示すように集電用表面層４上に、活物質の粒子を含む導電性スラリーを塗布して活物質層５を形成する。スラリーは、活物質の粒子、導電性炭素材料や導電性金属材料の粒子、結着剤及び希釈溶媒などを含んでいる。これらの成分のうち、結着剤としてはポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）などが用いられる。希釈溶媒としてはＮ−メチルピロリドン、シクロヘキサンなどが用いられる。スラリー中における活物質の量は１４〜４０重量％程度とすることが好ましい。導電性炭素材料又は導電性金属材料の粒子の量は０．４〜４重量％程度とすることが好ましい。結着剤の量は０．４〜４重量％程度とすることが好ましい。これらの成分に希釈溶媒を加えてスラリーを調製する。なお、スラリーを塗布する手法に代えて、先に述べた通り、ガスデポジション法を用いて活物質層を形成してもよい。この手法によれば希釈溶媒を使用せずに活物質層を形成することが可能なので、後の乾燥工程を必要としないという利点がある。乾燥工程は、活物質粒子の酸化、及び結着剤やスラリー希釈溶媒へ影響を及ぼす。従って乾燥工程を必要としないガスデポジション法は、負極への影響を最小限に抑制できるので好ましい手法である。
【００４６】
スラリーの塗膜が乾燥して活物質層５が形成された後、該活物質層５が形成されたキャリア箔１１を、リチウム化合物の形成能の低い金属材料を含むめっき浴中に浸漬して電解めっきを行う。めっき浴への浸漬によってめっき液が活物質層５内に浸入して、活物質層５と集電用表面層４との界面にまで達し、その状態下に電解めっきが行われる。その結果、（ａ）活物質層５の内部、及び（ｂ）活物質層５の内面側（即ち集電用表面層４と対向している面側）において、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が析出して、該材料が活物質層５の厚み方向全域に亘って浸透する。このようにして、キャリア箔１１上に負極前駆体２が形成される。
【００４７】
電解めっきの条件としては、例えばリチウム化合物の形成能の低い金属材料として銅を用いる場合、硫酸銅系溶液を用いるときには、銅の濃度を３０〜１００ｇ／ｌ、硫酸の濃度を５０〜２００ｇ／ｌ、塩素の濃度を３０ｐｐｍ以下とし、液温を３０〜８０℃、電流密度を１〜１００Ａ／ｄｍ2とすればよい。ピロ燐酸銅系溶液を用いる場合には、銅の濃度２〜５０ｇ／ｌ、ピロ燐酸カリウムの濃度１００〜７００ｇ／ｌとし、液温を３０〜６０℃、ｐＨを８〜１２、電流密度を１〜１０Ａ／ｄｍ2とすればよい。これらの電解条件を適宜調節することで、金属材料が活物質層５の厚み方向全域に亘って浸透する。
【００４８】
このようにしてキャリア箔１１上に集電用表面層４と活物質層５とをこの順で備えた負極前駆体２を形成する。これを一対用い、図２（ｇ）に示すように、各負極前駆体２における活物質層５どうしが対向するように、金属リチウム箔１４を両負極前駆体２間に挟み込む。それによって金属リチウム箔１４と両負極前駆体２とを貼り合わせにより一体化させる。この場合、金属リチウム箔１４と両負極前駆体２とを単に重ね合わせて圧着させるだけの操作でこれら三者を貼り合わせることができる。貼り合わせを強固にしたい場合には、導電性ペースト等の導電性接着材料を用いてこれら三者を貼り合わせてもよい。
【００４９】
最後に、図２（ｈ）に示すように、集電用表面層４とキャリア箔１１との界面において、負極前駆体２をキャリア箔１１から剥離分離する。これによって目的とする負極１が得られる。
【００５０】
このようにして得られた本実施形態の負極は、公知の正極、セパレータ、非水系電解液と共に用いられて非水電解液二次電池となされる。正極は、正極活物質並びに必要により導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁し、正極合剤を作製し、これを集電体に塗布、乾燥した後、ロール圧延、プレスし、さらに裁断、打ち抜きすることにより得られる。正極活物質としては、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物等の従来公知の正極活物質が用いられる。セパレーターとしては、合成樹脂製不織布、ポリエチレン又はポリプロピレン多孔質フイルム等が好ましく用いられる。非水電解液は、リチウム二次電池の場合、支持電解質であるリチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液からなる。リチウム塩としては、例えば、ＬｉＣ１Ｏ4、ＬｉＡ１Ｃｌ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＳｂＦ6、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣ１、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＣ4Ｆ9ＳＯ3等が例示される。
【００５１】
次に、本発明の第２〜第５の実施形態について図３〜図６を参照しながら説明する。これらの実施形態に関し、特に説明しない点については、図１に示す負極１に関して詳述した説明が適宜適用される。
【００５２】
図３に示す負極１は、図１に示す負極１の製造方法に関して説明した図２（ａ）〜（ｈ）に示す工程図において、図２（ｇ）に示す貼り合わせの工程後、貼り合わせ体を所定温度に加熱することによって、金属リチウム箔１４からリチウムを活物質の粒子中に熱拡散させて得られたものである。加熱温度は、リチウムが熱拡散するに十分な温度であればよく、具体的には３０〜１６０℃、特に６０〜１５０℃であることが好ましい。
【００５３】
このようにして得られた負極１においては、充電開始前から、活物質の粒子がリチウムを充分に吸蔵した状態になっている。従って、充電時にリチウムを吸蔵することに起因する体積増加を、図１に示す負極１よりも一層軽減することができる。また、活物質の粒子がリチウムを吸蔵することに起因して、金属リチウム箔１４（図２（ｇ）参照）の部分に、図１に示す負極１よりも大きな空間が形成される。その結果、活物質粒子の膨張収縮に起因する応力の発生が一層緩和される。
【００５４】
図３においては、負極１に金属リチウム箔１４（図２（ｇ）参照）が残存しておらず、活物質粒子７にすべて吸蔵されたように描かれているが、これは便宜的なものであり、金属リチウム箔は負極１内に残存していてもよく、その場合であっても所望の性能を有する負極が得られる。金属リチウム箔が負極１中に残存するか否かは、使用する金属リチウム箔と活物質との相対的な量関係、熱拡散の温度や時間に依存する。充電前に金属リチウム箔の一部が負極１内に残存していたとしても、充放電を繰り返すうちにリチウムが消費されて、その量は次第に減少していく。
【００５５】
図４に示す負極１では、一対の集電用表面層４間に一つの活物質層５及び一つの金属リチウム層３が配置されている。本実施形態の負極１は、二つの活物質層５間に金属リチウム層３が介在配置されている図１に示す実施形態の負極１において、活物質層５を一層のみ用いたものに相当する。
【００５６】
図５に示す負極１は、図１に示す実施形態の負極１に多数の孔９が形成されたものである。孔９は、負極１の各表面において開孔し且つ活物質層５及び各集電用表面層４の厚み方向に延びている。活物質層５においては、孔９の壁面において活物質層５が露出している。孔９の役割は大別して次の２つである。
【００５７】
一つは、孔９の壁面において露出した活物質層５を通じて電解液を活物質層内に供給する役割である。従って、孔９を形成した場合には、集電用表面層４に、先に述べた微細空隙６を形成しなくてもよい。孔９の壁面においては、活物質層５が露出しているが、活物質層内の活物質の粒子７間に、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が浸透しているので、該粒子７が脱落することが防止されている。
【００５８】
もう一つは、充放電に起因して活物質層内の活物質の粒子７が体積変化した場合、その体積変化に起因する応力を緩和する役割である。応力は、主として負極１の平面方向に生ずる。従って、充電によって活物質の粒子７の体積が増加して応力が生じても、その応力は、空間となっている孔９に吸収される。その結果、負極１の著しい変形が効果的に防止される。
【００５９】
孔９の他の役割として、負極内に発生したガスを、その外部に放出できるという役割がある。詳細には、負極中に微量に含まれている水分に起因して、Ｈ2、ＣＯ、ＣＯ2等のガスが発生することがある。これらのガスが負極内に蓄積すると分極が大きくなり、充放電のロスの原因となる。孔９を形成することで、これを通じて前記のガスが負極の外部に放出されるので、該ガスに起因する分極を小さくできる。更に、孔９の他の役割として、負極の放熱の役割がある。詳細には、孔９が形成されることによって負極の比表面積が増大するので、リチウムの吸蔵に伴い発生する熱が負極外部に効率よく放出される。また、活物質の粒子の体積変化に起因して応力が発生すると、それが原因で熱が発生する場合がある。孔９が形成されることで、その応力が緩和されるので、熱の発生自体が抑えられる。
【００６０】
活物質層内に電解液を十分に供給する観点及び活物質の粒子の体積変化に起因する応力を効果的に緩和する観点から、負極１の表面において開孔している孔９の開孔率、即ち孔９の面積の総和を、負極１の表面の見掛けの面積で除して１００を乗じた値は０．３〜３０％、特に２〜１５％であることが好ましい。同様の理由により、負極１の表面において開孔している孔９の開孔径は５〜５００μｍ、特に２０〜１００μｍであることが好ましい。また、孔９のピッチを好ましくは２０〜６００μｍ、更に好ましくは４５〜４００μｍに設定することで、活物質層内に電解液を十分に供給でき、また活物質の粒子７の体積変化による応力を効果的に緩和できるようになる。更に、負極１の表面における任意の部分に着目したとき、１ｃｍ×１ｃｍの正方形の観察視野内に平均して１００〜２５００００個、特に１０００〜４００００個、とりわけ５０００〜２００００個の孔９が開孔していることが好ましい。
【００６１】
孔９は負極１の厚さ方向に貫通していてもよい。しかし、活物質層内に電解液を十分に供給し、また活物質の粒子の体積変化に起因する応力を緩和するという孔９の役割に鑑みると、孔９は負極１の厚さ方向に貫通している必要はなく、負極１の表面において開孔し且つ少なくとも活物質層５にまで達していればよい。
【００６２】
本実施形態の負極１は、図２に示す製造方法に準じて製造できる。詳細には、図２（ａ）〜図２（ｆ）に示す工程を行い負極前駆体を得る。次いで所定の孔あけ加工によって負極前駆体に孔９を形成する。その後、図２（ｇ）及び（ｈ）に示す工程を行う。孔９の形成方法に特に制限はない。例えばレーザー加工によって孔９を形成することができる。或いは針やポンチによって機械的に穿孔を行うこともできる。両者を比較すると、レーザー加工を用いる方が、サイクル特性及び充放電効率が良好な負極を得やすい。この理由は、レーザ加工の場合、加工によって溶解・再凝固した金属材料が孔９の壁面に存在する活物質粒子の表面を覆うので、活物質が直接露出することが防止され、それによって活物質が孔９の壁面から脱落することが防止されるからである。レーザー加工を用いる場合には、例えば図２（ｆ）に示す工程の後、活物質層５に向けてレーザーを照射すればよい。なお、孔９の他の形成手段として、サンドブラスト加工を用いたり、フォトレジスト技術を利用して孔９を形成することもできる。孔９は、実質的に等間隔に存在するように形成されることが好ましい。そうすることによって、電極全体が均一に反応を起こすことが可能となるからである。
【００６３】
図５に示す負極の変形例として、図６に示す負極１が挙げられる。図６に示す負極においては、金属箔などの導電性箔１０の各面に金属リチウム層３が形成されたものが、一対の負極前駆体２によって挟持されている。本実施形態の負極１によれば、図５に示す負極と同様の効果が奏され、それに加えて、導電性箔１０によって負極１に一層高い強度が付与されるという効果が奏される。
【００６４】
本発明は前記実施形態に制限されない。例えば図３及び図４に示す実施形態の負極に、図５及び図６に示す実施形態の負極に形成されている孔９と同様の孔を形成してもよい。また、図６に示す負極は、これに孔９を形成せずに用いてもよい。
【００６５】
また、前記の各実施形態の負極は、これを単独で用いることも可能であり、或いは複数個を重ねて使用することも可能である。後者の場合、隣り合う負極間に、芯材となる導電性箔（例えば金属箔）を介在配置することも可能である。
【００６６】
また前記の各実施形態においては、集電用表面層４は単層構造であったが、これに代えて、少なくとも一方の表面層を２層以上の多層構造にしても良い。例えば少なくとも一方の表面層をニッケル（リチウム化合物の形成能の低い元素）及びリチウム化合物の形成能の高い元素からなる下層と、銅（リチウム化合物の形成能の低い元素）及びリチウム化合物の形成能の高い元素からなる上層の２層構造とすることで、活物質の体積変化に起因する負極の著しい変形を一層効果的に防止することができる。集電用表面層が多層構造である場合、該集電用表面層に含まれるリチウム化合物の形成能の低い金属材料の少なくとも１種を、活物質層５に浸透したリチウム化合物の形成能の低い金属材料と異種の材料とすることができる。或いは各集電用表面層に含まれるリチウム化合物の形成能の低い金属材料のすべてが、活物質層５に浸透したリチウム化合物の形成能の低い金属材料と異種の材料でもよい。
【００６７】
また集電用表面層の構成材料と、活物質層５中に浸透している材料とが異なる場合には、活物質層５中に浸透している金属材料は、活物質層５と集電用表面層との境界部まで存在していてもよい。或いは、活物質層５中に浸透している金属材料は、当該境界部を越えて集電用表面層の一部を構成していてもよい。逆に、集電用表面層の構成材料が、当該境界部を越えて活物質層５内に存在していてもよい。
【００６８】
また、活物質層５中に、リチウム化合物の形成能の低い金属材料を析出させる操作を、異なる２種以上のめっき浴を用いて行うことで、活物質層５中に析出される金属材料を、異なる２種以上の多層構造とすることができる。
【００６９】
また図２に示す製造方法においては、活物質層５を活物質の粒子を含む導電性スラリーから形成したが、これに代えて、化学気相蒸着法、物理気相蒸着法、スパッタリング、電解めっきなどの薄膜形成手段を用いて、活物質の薄層からなる活物質層５を形成してもよい。
【実施例】
【００７０】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら、本発明の範囲はかかる実施例に制限されるものではない。
【００７１】
〔実施例１〕
図５に示す負極を製造した。電解によって得られた銅製のキャリア箔（厚さ３５μｍ）を室温で３０秒間酸洗浄した。引き続き室温で３０秒間純水洗浄した。次いで以下の浴組成を有するすずめっき浴にキャリア箔を浸漬させて電解めっきを行いすずからなる被覆体を形成した。電流密度は２Ａ／ｄｍ2、浴温は３０℃とした。陽極にはすず電極を用いた。電源は直流電源を用いた。被覆体は２０ｎｍの厚さに不均一に形成した。めっき浴から引き上げた後、３０秒間純水洗浄して大気中で乾燥後、１５分間放置して被覆体の酸化を行った。
・ＳｎＳＯ4              ５０ｇ／ｌ
・Ｈ2ＳＯ4              １００ｇ／ｌ
・クレゾールスルホン酸  １００ｇ／ｌ
【００７２】
被覆体が形成されたキャリア箔を、４０℃に保たれた３ｇ／ｌのＣＢＴＡ溶液中に３０秒間浸漬した。これにより剥離層形成処理を行った。剥離層形成処理後、溶液から引き上げて１５秒間純水洗浄した。
【００７３】
次にキャリア箔を、Ｈ2ＳＯ4／ＣｕＳＯ4系のめっき浴に浸漬させて電解めっきを行った。これによって銅からなる集電用表面層を、キャリア箔における被覆体が形成された面上に形成した。めっき浴の組成は、ＣｕＳＯ4が２５０ｇ／ｌ、Ｈ2ＳＯ4が７０ｇ／ｌであった。電流密度は５Ａ／ｄｍ2とした。集電用表面層は５μｍの厚さに形成した。めっき浴から引き上げた後、３０秒間純水洗浄して大気中で乾燥させた。
【００７４】
次に、集電用表面層上に負極活物質の粒子を含むスラリーを膜厚２０μｍになるように塗布し活物質層を形成した。活物質粒子はＳｉからなり、平均粒径はＤ50＝２μｍであった。スラリーの組成は、活物質：アセチレンブラック：スチレンブタジエンラバー＝９８：２：１．７であった。
【００７５】
活物質層が形成されたにキャリア箔を、以下の浴組成を有するワット浴に浸漬させ、電解により、活物質層に対してニッケルの浸透めっきを行った。電流密度は５Ａ／ｄｍ2、浴温は５０℃、ｐＨは５であった。陽極にはニッケル電極を用いた。電源は直流電源を用いた。めっき浴から引き上げた後、３０秒間純水洗浄して大気中で乾燥させた。このようにしてキャリア箔に支持された負極前駆体を得た。電子顕微鏡像観察の結果、この負極前駆体における集電用表面層に、微細空隙が多数形成されていることを確認した。
・ＮｉＳＯ4・６Ｈ2０      ２５０ｇ／ｌ
・ＮｉＣｌ2・６Ｈ2０        ４５ｇ／ｌ
・Ｈ3ＢＯ4                  ３０ｇ／ｌ
【００７６】
負極前駆体に向けてＹＡＧレーザを照射し、該負極前駆体を貫通する孔を規則的に形成した。孔の直径は２４μｍ、ピッチは１００μｍ（１００００孔／ｃｍ2）、開孔率は４．５％とした。
【００７７】
次に、負極前駆体とは別に用意しておいた厚さ３０μｍの金属リチウム箔を、一対の負極前駆体で挟み込んだ。挟み込みは、各負極前駆体における活物質層どうしが対向するように行った。これによって各負極前駆体と金属リチウムとを貼り合わせて一体化させた。最後に、キャリア箔と集電用表面層とを剥離して目的とする負極を得た。負極における金属リチウムの量は、負極に含まれる活物質の初期充電理論容量に対して３０％であった。
【００７８】
得られた負極を用い、以下の方法で非水電解液二次電池を作製した。この電池の１サイクル後の放電容量、負極厚み変化率、及び１００サイクル後の容量維持率を以下の方法で測定、算出した。これらの結果を以下の表１に示す。
【００７９】
〔非水電解液二次電池の作製〕
実施例及び比較例で得られた負極を作用極とし、対極としてＬｉＣｏＯ2を用いた。対極は、４ｍＡｈ／ｃｍ2となるように、ＬｉＣｏＯ2を厚み２０μｍのＡｌ箔上に塗工して製造した。正極容量と負極容量との比率（前者：後者）は１：２とした。両極を、セパレータを介して対向させた。非水電解液としてＬｉＰＦ6／エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合液（１：１容量比）を用いて通常の方法によって非水電解液二次電池を作製した。
【００８０】
〔１サイクル後の放電容量〕
負極の単位面積当たりの放電容量を測定した。
【００８１】
〔負極厚み変化率〕
宝泉株式会社製ＨＳ変位セルを用いて、１サイクルにおける充電に伴う負極の厚み変化を測定した。この変位セルでは、負極＋セパレーター＋正極ＬｉＣｏＯ2の、全体の厚み変化が測定される。しかし、正極は充放電によってほとんど膨張せず、負極の厚み変化の寄与率が大きいので、測定している厚み変化は実質的に負極の厚み変化とみなせる。
【００８２】
〔１００サイクル後の容量維持率〕
１００サイクル後の放電容量を測定し、その値を最大負極放電容量で除し、１００を乗じて算出した。
【００８３】
〔比較例１〕
金属リチウム箔を用いず、一対の負極前駆体を、それらの活物質層どうしが対向するように重ね合わせた以外は実施例１と同様の方法により負極を得た。得られた負極について、実施例１と同様の評価を行った。その結果を表１に示す。
【００８４】
【表１】
2006134894.tif 000003
【００８５】
表１に示す結果から明らかなように、実施例１の負極を用いた電池は、放電容量及び容量維持率が高いことが判る。更に、負極厚みの変化率が小さいことが判る。これに対して、リチウム箔を用いない比較例１の負極を用いた電池は、負極厚みの変化率が大きく、また容量維持率が低いことが判る。
【００８６】
〔実施例２〜４及び比較例２〕
本実施例及び比較例では、負極に含まれる金属リチウムの量の違いによる負極の性能の違いを評価した。ＹＡＧレーザを用いた孔あけ加工を負極前駆体に施さず、且つ金属リチウムの量を表２に示す値とした以外は実施例１と同様にして負極を作製した。得られた負極は、図１に示す構造を有するものであった（但し比較例１を除く）。電子顕微鏡像観察の結果、集電用表面層に微細空隙が多数形成されていることを確認した。
【００８７】
得られた負極について、１サイクル後の充電容量及び放電容量を測定した。その結果を表２に示す。表２には、１サイクル後の容量可逆性も併せて記載されている。１サイクル後の容量可逆性は、１サイクル後の放電容量を、１サイクル後の充電容量で除し、それに１００を乗じた値である。なお、対極には金属リチウムを用いた。従って、対極由来の不可逆容量を含まず、負極由来の不可逆容量を主として見積もることができる。また、対極による容量規制を行わないので、負極の全容量が充放電される。
【００８８】
【表２】
2006134894.tif 000004
【００８９】
表２に示す結果から明らかなように、各実施例の負極は、比較例の負極に対して１サイクル後の容量可逆性が大きいことが判る。この理由は、各実施例の負極に含まれる金属リチウムによって、負極の性能に悪影響を及ぼす水分が除去され、また酸素が捕捉されたからであると考えられる。なお、実施例３及び４において、１サイクル後の容量可逆性が１００を超えている理由は、予め添加した金属リチウムが、充放電反応に寄与しているためである。
【００９０】
〔実施例５及び６並びに比較例３及び４〕
本実施例及び比較例では、負極に含まれる水分率の違いによる負極の性能の違いを評価した。ＹＡＧレーザを用いた孔あけ加工を負極前駆体に施さず、且つ金属リチウムの量をシリコンの初期充電理論容量に対して４０％とする以外は実施例１と同様にして負極を作製した。得られた負極は、図１に示す構造を有するものであった。電子顕微鏡像観察の結果、集電用表面層に微細空隙が多数形成されていることを確認した。得られた負極を、１６０℃の条件下、真空チャンバ内で１週間乾燥させて、水分率を３９０ｐｐｍとした（実施例５）。また、得られた負極を、１６０℃の条件下、真空チャンバ内で３時間乾燥させて、水分率を８７０ｐｐｍとした（実施例６）。
【００９１】
実施例５及び６とは別に、比較例２で得られた負極を、１６０℃の条件下、真空チャンバ内で１週間乾燥させて、水分率を３９０ｐｐｍとした（比較例３）。また、得られた負極を、１６０℃の条件下、真空チャンバ内で３時間乾燥させて、水分率を８７０ｐｐｍとした（比較例４）。
【００９２】
得られた負極を用いて電池を作製し、サイクル特性を測定した。結果を図７及び図８に示す。なお、実施例５については１００サイクルまで測定を行った。その他は５０サイクルまで測定を行った。電池における対極としては、ＬｉＣｏＯ2を、厚み２０μｍのＡｌ箔上に塗工したものを用いた。非水電解液としては、ＬｉＰＦ6／エチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合液（１：１容量比）を用いた。充放電条件は、次の通りである。
・初回充電：定電流・定電圧モード、電流密度０．４ｍＡ／ｃｍ2、カットオフ４．１５Ｖ、０．０４ｍＡ／ｃｍ2
・２サイクル目以降充電：定電流モード、電流密度１．０ｍＡ／ｃｍ2、カットオフ３．９５Ｖ
・初回放電：定電流・定電圧モード、電流密度０．４ｍＡ／ｃｍ2、カットオフ２．７Ｖ
・２サイクル目以降放電：定電流モード、電流密度１．０ｍＡ／ｃｍ2、カットオフ２．７Ｖ
【００９３】
図７及び図８に示す結果から明らかなように、各実施例の負極は、充放電を繰り返した後も容量の低下が観察されないことが判る。これに対して各比較例の負極は、充放電の繰り返しによって次第に容量が低下していくことが判る。
【００９４】
〔実施例７及び比較例５〕
本実施例及び比較例では、負極に含まれる酸素の量の違いによる負極の性能の違いを評価した。実施例５で得られた負極（水分率３９０ｐｐｍ）を、大気中での熱処理によって酸化させ、酸素濃度を４０００ｐｐｍとした（実施例７）。また、比較例４で得られた負極を更に乾燥させて水分率を３９０ｐｐｍとした後に、大気中での熱処理によって酸化させ、酸素濃度を４０００ｐｐｍとした（比較例５）。
【００９５】
実施例７及び比較例５で得られた負極の充放電特性を評価した。その結果を図９（ａ）に示す。図９（ｂ）は、図９（ａ）における充放電曲線の立ち上がり部を拡大して示す図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）に示す結果、特に図９（ｂ）に示す結果から明らかなように、比較例５の負極では、酸化された負極に特有のショルダー部が観察されるのに対し、実施例７の負極では、該ショルダー部が消失していることが判る。この理由は、実施例７の負極では、それに含まれている金属リチウムが酸素を捕捉したからであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】図１は、本発明の負極の一実施形態の構造を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｈ）は、図１に示す負極を製造する方法を示す工程図である。
【図３】図３は、本発明の負極の第２の実施形態の構造を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の負極の第３の実施形態の構造を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の負極の第４の実施形態の構造を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の負極の第５の実施形態の構造を示す模式図である。
【図７】図７は、実施例５及び６で得られた負極を用いた電池の充放電特性を示すグラフである。
【図８】図８は、比較例３及び４で得られた負極を用いた電池の充放電特性を示すグラフである。
【図９】図９は、実施例７及び比較例５で得られた負極を用いた電池の充放電特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９７】
１  非水電解液二次電池用負極
２  負極前駆体
３  金属リチウム層
４  集電用表面層
５  活物質層
６  微細空隙
７  活物質の粒子
９  孔
【図１】
2006134894.tif 000005
【図２】
2006134894.tif 000006
【図３】
2006134894.tif 000007
【図４】
2006134894.tif 000008
【図５】
2006134894.tif 000009
【図６】
2006134894.tif 000010
【図７】
2006134894.tif 000011
【図８】
2006134894.tif 000012
【図９】
2006134894.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成17年12月21日(2005.12.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の集電用表面層間に活物質層及び金属リチウム層を有する非水電解液二次電池用負極であって、該負極の各表面において開孔し且つ活物質層及び各集電用表面層の厚み方向に延びる多数の孔を有し、該孔がレーザー加工によって形成されていることを特徴とする非水電解液二次電池用負極。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明は、一対の集電用表面層間に活物質層及び金属リチウム層を有する非水電解液二次電池用負極であって、該負極の各表面において開孔し且つ活物質層及び各集電用表面層の厚み方向に延びる多数の孔を有し、該孔がレーザー加工によって形成されていることを特徴とする非水電解液二次電池用負極を提供することにより前記目的を達成したものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】