(57)【要約】【課題】リチウムイオンを吸蔵・放出可能な電気化学素子用の電極に不可逆容量を補填するために付与する電極の単位面積当たりのリチウムの量を管理し、高容量かつ長寿命な電気化学素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明による電気化学素子用の電極の製造方法は、リチウム蒸気と、リチウムよりも原子量が大きく電極の構成材料以外の元素の蒸気とを用いて負極前駆体４１にリチウムと上記元素とを付与する工程を含む。このような製造方法により作製した負極前駆体４１では、負極前駆体４１の単位面積当たりのリチウム付与量を推定することができる。これによりリチウム付与量を管理することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な電気化学素子用の電極の製造方法であって、
リチウム蒸気と、リチウムよりも原子量が大きく前記電極の構成材料以外の元素の蒸気とを用いて前記電極にリチウムと前記元素とを付与する工程を含む電気化学素子用の電極の製造方法。
【請求項２】
前記電極における前記元素の単位面積当たりの量を測定することで前記電極における単位面積当たりのリチウム付与量を推定する請求項１記載の電気化学素子用の電極の製造方法。
【請求項３】
測定した前記電極における前記元素の単位面積当たりの量または推定した前記電極における単位面積当たりのリチウム付与量を基に、前記リチウム蒸気の発生量または輸送量、または前記電極の移動速度を制御する請求項２記載の電気化学素子用の電極の製造方法。
【請求項４】
前記元素がカリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、スズ、亜鉛、鉛、ビスマスおよびリンから選ばれる少なくとも１種を含む請求項１記載の電気化学素子用の電極の製造方法。
【請求項５】
蒸気供給源となる前記元素とリチウムと、前記電極とが配置された雰囲気を減圧し、前記蒸気供給源を加熱する請求項１記載の電気化学素子用の電極の製造方法。
【請求項６】
前記元素を予めリチウムに規定量を混入させた合金を加熱するか、またはリチウムに規定量の前記元素を添加してから加熱するかのいずれかを行う請求項５記載の電気化学素子用の電極の製造方法。
【請求項７】
集電体上に活物質層を設け、電極前駆体を作製し、前記電極前駆体にリチウムを付与する請求項１記載の電気化学素子用の電極の製造方法。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の電気化学素子用の電極の製造方法により製造した第１電極と、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在する電解質とを備えた電気化学素子。
【請求項９】
リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な電気化学素子用の電極のリチウム化処理方法であって、
リチウム蒸気と、リチウムよりも原子量が大きく前記電極の構成材料以外の元素の蒸気とを用いて前記電極にリチウムを付与する電気化学素子用の電極のリチウム化処理方法。
【請求項１０】
前記電極における前記元素の単位面積当たりの量を測定することで前記電極における単位面積当たりのリチウム付与量を推定する請求項９記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理方法。
【請求項１１】
測定した前記電極における前記元素の単位面積当たりの量または推定した前記電極における単位面積当たりのリチウム付与量を基に、前記リチウム蒸気の発生量または輸送量、または前記電極の移動速度を制御する請求項１０記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理方法。
【請求項１２】
前記元素がカリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、スズ、亜鉛、鉛、ビスマスおよびリンから選ばれる少なくとも１種を含む請求項９記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理方法。
【請求項１３】
蒸気供給源となる前記元素とリチウムと、前記電極とが配置された雰囲気を減圧し、前記蒸気供給源の前記リチウムを加熱する請求項９記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理方法。
【請求項１４】
前記元素を予めリチウムに規定量を混入させた合金を加熱するか、またはリチウムに規定量の前記元素を添加してから加熱するかを行う請求項１３記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理方法。
【請求項１５】
請求項９から１４のいずれか一項に記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理方法により処理したリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な第１電極と、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に介在する電解質とを備えた電気化学素子。
【請求項１６】
リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な電気化学素子用の電極のリチウム化処理装置であって、
リチウム蒸気と、リチウムよりも原子量が大きく前記電極の構成材料以外の元素の蒸気とを用いて前記電極にリチウムと前記元素とを付与するリチウム付与部と、
前記リチウム付与部を収納する容器と、を備えた電気化学素子用の電極のリチウム化処理装置。
【請求項１７】
前記電極における前記元素の単位面積当たりの量を測定することで前記電極における単位面積当たりのリチウム付与量を推定する計測部をさらに備えた請求項１６記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理装置。
【請求項１８】
測定した前記電極における前記元素の単位面積当たりの量または前記計測部で推定した前記電極における単位面積当たりのリチウム付与量を基に、前記リチウム蒸気の発生量または輸送量、または前記電極の移動速度を制御する制御部をさらに備えた請求項１７記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理装置。
【請求項１９】
前記リチウム付与部は前記元素としてカリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、スズ、亜鉛、鉛、ビスマスおよびリンから選ばれる少なくとも１種を用いる請求項１６記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理装置。
【請求項２０】
前記リチウム蒸気と前記元素の蒸気とを生成するための供給源となる前記元素とリチウムとを加熱するために前記容器内に設けた加熱部と、
前記容器内を減圧する真空ポンプと、をさらに備えた請求項１６記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理装置。
【請求項２１】
前記加熱部は、前記元素を予めリチウムに規定量を混入させた合金を加熱するか、またはリチウムに規定量の前記元素を添加してから加熱するかのいずれかを行う請求項２０記載の電気化学素子用の電極のリチウム化処理装置。
【請求項２２】
リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な電気化学素子用の電極の製造装置であって、
リチウム蒸気と、リチウムよりも原子量が大きく前記電極の構成材料以外の元素の蒸気とを用いて前記電極にリチウムと前記元素とを付与するリチウム付与部と、
少なくとも前記リチウム付与部を収納する容器と、を備えた電気化学素子用の電極の製造装置。
【請求項２３】
前記電極における前記元素の単位面積当たりの量を測定することで前記電極における単位面積当たりのリチウム付与量を推定する計測部をさらに備えた請求項２２記載の電気化学素子用の電極の製造装置。
【請求項２４】
前記計測部で測定した前記電極における前記元素の単位面積当たりの量または推定した前記電極における単位面積当たりのリチウム付与量を基に前記リチウム蒸気の発生量または輸送量、または前記電極の移動速度を制御する制御部をさらに備えた請求項２３記載の電気化学素子用の電極の製造装置。
【請求項２５】
前記リチウム付与部は前記元素としてカリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、スズ、亜鉛、鉛、ビスマスおよびリンから選ばれる少なくとも１種を用いる請求項２２記載の電気化学素子用の電極の製造装置。
【請求項２６】
前記リチウム蒸気と前記元素の蒸気とを生成するための供給源となる前記元素とリチウムとを加熱するために前記容器内に設けた加熱部と、
前記容器内を減圧する真空ポンプと、をさらに備えた請求項２２記載の電気化学素子用の電極の製造装置。
【請求項２７】
前記加熱部は、前記元素を予めリチウムに規定量を混入させた合金を加熱するか、またはリチウムに規定量の前記元素を添加してから加熱するかのいずれかを行う請求項２６記載の電気化学素子用の電極の製造装置。
【請求項２８】
集電体上に活物質層を設け、電極前駆体を作製する活物質層作製部をさらに備え、
前記リチウム付与部は前記電極前駆体にリチウムを付与する請求項２２記載の電気化学素子用の電極の製造装置。
【請求項２９】
リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な電気化学素子用の電極であって、リチウムが付与され、かつ、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、スズ、亜鉛、鉛、ビスマスおよびリンから選ばれる少なくとも１種を含むことを特徴とする電気化学素子用の電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学素子の電極の活物質層にリチウムを付与する処理を含む製造方法とリチウム化処理装置を含む製造装置、ならびにそれを用いて製造した電極と、それを用いた電気化学素子に関する。より詳しくは、非水電解質二次電池用の負極にリチウムを付与する処理方法と、それを含む製造方法とリチウム化処理装置を含む製造装置、それを用いて製造した負極と、それを用いた非水電解質二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望も高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車といった長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術展開も加速してきている。このような観点から、高電圧であり、かつ高エネルギー密度を有する非水電解質二次電池、特にリチウム二次電池が電子機器用、電力貯蔵用、あるいは電気自動車の電源として期待されている。
【０００３】
非水電解質二次電池は、正極と負極と、それらの間に介在するセパレータと非水電解質とを有する。セパレータは主としてポリオレフィン製の微多孔膜から構成される。非水電解質には、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６などのリチウム塩を非プロトン性の有機溶媒に溶解した液状の非水電解質液（非水電解液）が用いられている。また正極の活物質としては、リチウムに対する電位が高く、安全性に優れ、比較的合成が容易であるリチウムコバルト酸化物（例えばＬｉＣｏＯ２）が用いられている。負極の活物質としては、黒鉛などの種々の炭素材料が用いられている。このような構成の非水電解質二次電池が実用化されている。
【０００４】
負極の活物質として用いられている黒鉛は、理論上、炭素原子６個に対してリチウム原子１個を吸蔵できるため黒鉛の理論容量密度は３７２ｍＡｈ／ｇである。しかしながら不可逆容量による容量ロスなどのため、実際の放電容量密度は３１０〜３３０ｍＡｈ／ｇ程度に低下する。そのため基本的には、この容量密度以上でリチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材料を得ることは困難である。
【０００５】
そこで、さらに高エネルギー密度の電池が求められる中、理論容量密度の大きい負極活物質として、リチウムと合金化するケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）やこれらの酸化物、合金などが期待されている。中でも特に安価なＳｉおよびその酸化物は幅広く検討されている。
【０００６】
しかし、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅや、これらの酸化物もしくは合金は、リチウムイオンを吸蔵するときに結晶構造が変化し、その体積が増加する。充電時に活物質が大きく膨張すると、活物質と集電体との間に接触不良が生じるため、充放電サイクル寿命が短くなる。そこで、以下のような提案がなされている。
【０００７】
例えば膨張による活物質と集電体との接触不良を改良する観点から、集電体表面に活物質を薄膜状に成膜する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。さらには集電体表面に柱状かつ傾斜した状態で活物質を成膜する方法が提案されている（例えば、特許文献２）。これらの提案によれば、活物質を集電体と強く金属結合させることで安定な集電が確保される。特に後者では柱状の活物質の周囲に膨張を吸収するのに必要十分な空間を有する。そのため活物質の膨張・収縮による負極自体の破壊を防止し、かつ接するセパレータや正極への圧迫応力を削減することにより、特に充放電サイクル特性を向上させることができる。
【０００８】
しかしながら、ケイ素酸化物（ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２））を活物質に用いた場合、初回の充電で発生する不可逆容量は非常に大きい。そのためそのまま正極と組み合わせた場合は正極の可逆容量の多くを不可逆容量に費やしてしまう。そのためケイ素酸化物を活物質として負極に用いて高容量な電池を実現するためには正極以外からリチウムを補填することが必要である。
【０００９】
そこでリチウム補填の手段として負極上に金属リチウムを付与し、固相反応によって吸蔵させるという手段が数多く提案されている。例えば負極表面上にリチウムを蒸着させる工程、さらに保存する工程を備える方法が提案されている（例えば、特許文献３）。
【特許文献１】特開２００２−８３５９４号公報
【特許文献２】特開２００５−１９６９７０号公報
【特許文献３】特開２００５−３８７２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１、２に記されるような方法で活物質を成膜し、かつ特許文献３に記されるように負極表面上にリチウムを蒸着させる場合、リチウムの蒸着量は、例えば負極の代わりに平滑な集電体を用いて実際にリチウムを蒸着させ、その蒸着量を測定することで測定することができる。しかしながら、この方法ではリチウム蒸気の発生量が変化した場合に、この変化を検知できず、リチウムの蒸着量がばらつく。これに対し、装置内においてリチウム蒸着処理前後の膜厚をレーザー変位計や接触式変位計で計測すれば測定することができる。しかしながら、蒸着後のリチウムは活物質層に短時間で吸蔵されるため、変位計を蒸着箇所の直後に設ける必要があり、装置内の配置自由度が制限されるとともに、吸蔵ばらつきにより測定精度が低下する。
【００１１】
本発明は、これらの課題を解決し、リチウム付与量を把握するとともに、リチウム付与量を安定化して高容量な電気化学素子用の電極を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明による電気化学素子用の電極の製造方法は、リチウム蒸気とリチウムよりも原子量が大きく、電極の構成材料以外の元素の蒸気とを用いて電極にリチウムを付与する工程を含む。このようにリチウムよりも原子量が大きく、電極の構成材料以外の元素をリチウムとともに電極に付与することによって、電極の単位面積当たりのリチウム付与量を推定することができる。これによりリチウム付与量を管理することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電気化学素子用の電極においてリチウム付与量を管理することができる。そのためその電極に起因する不可逆容量を確実に補填された高容量な電気化学素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の第１の発明は、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な電気化学素子用の電極の製造方法であって、リチウム蒸気と、リチウムよりも原子量が大きく電極の構成材料以外の元素の蒸気とを用いて電極にリチウムと上記元素とを付与する工程を含む電気化学素子用の電極の製造方法である。この方法では、リチウムよりも原子量が大きく、電極の構成材料以外の元素をリチウムとともに電極に付与することによって、電極の単位面積当たりのリチウム付与量を推定することができる。これによりリチウム付与量を管理することができる。そのため、適切な量で電極をリチウム化することができ、安定な特性を有する電気化学素子を製造することができる。
【００１５】
本発明の第２の発明は、第１の発明において、リチウムとともに付与する元素の、電極における単位面積当たりの量を測定することで、単位面積当たりのリチウム付与量を推定する電気化学素子用の電極の製造方法である。具体的にはこの方法によりリチウム付与量を管理することができる。
【００１６】
本発明の第３の発明は、第２の発明において、測定した電極における単位面積当たりのリチウムとともに付与した元素の測定量または推定した電極における単位面積当たりのリチウム付与量を基にリチウム蒸気の発生量または輸送量、または電極の移動速度を制御する電気化学素子用の電極の製造方法である。このようにリチウムとともに付与した元素の測定量または推定したリチウム付与量をフィードバックすることで必要なリチウム量を付与し、かつその量を均一にすることができる。
【００１７】
本発明の第４の発明は、第１の発明において、リチウムとともに付与する添加元素がカリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、スズ、亜鉛、鉛、ビスマスおよびリンから選ばれる少なくとも１種を含む電気化学素子用の電極の製造方法である。カリウム、カルシウムはリチウムとともに蒸気にしやすい。また電極材料として珪素またはその化合物を用いる場合に珪素よりも重元素であるため検出しやすい。ナトリウムやマグネシウムもまたリチウムとともに蒸気にしやすい。また、アルミニウム、スズ、亜鉛、鉛、ビスマスおよびリンは融点が比較的低くかつ蒸気圧も高いことからリチウムとともに蒸気にしやすく、かつリチウムよりも重元素であるため検出しやすい。したがってこれらの元素から選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。
【００１８】
本発明の第５の発明は、第１の発明において、蒸気供給源となる、リチウムよりも原子量が大きく電極の構成材料以外の元素とリチウムと、電極とが配置された雰囲気を減圧し、この蒸気供給源を加熱する電気化学素子用の電極の製造方法である。リチウムを付与するために真空蒸着法は有効な方法である。
【００１９】
本発明の第６の発明は第５の発明において、真空蒸着法を用いる上でリチウムと電極構成材料以外の元素とを予め規定量混合させた合金を加熱するか、あるいはリチウムに対して電極構成材料以外の元素を添加してから加熱するかのいずれかを行う電気化学素子用の電極の製造方法である。この方法を用いることによって、付与するリチウムに元素を一定に混入させることができる。
【００２０】
本発明の第７の発明は、第１の発明において、集電体上に活物質層を設け、電極前駆体を作製し、この電極前駆体にリチウムを付与する電気化学素子用の電極の製造方法である。
【００２１】
本発明の第８の発明は、第１から第７の発明による製造方法によって作製した第１電極と、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な第２電極と、第１電極と第２電極との間に介在する電解質と、を備えた電気化学素子である。また本発明の第９から第１４の発明は第１から第６の発明による製造方法における電気化学素子用の電極のリチウム化処理方法であり、本発明の第１５の発明は、第９から第１４の発明によるリチウム化処理方法により処理したリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な第１電極と、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な第２電極と、第１電極と第２電極との間に介在する電解質と、を備えた電気化学素子である。さらに本発明の第１６から第２１の発明は第９から第１４の発明によるリチウム化処理方法を実施するための電気化学素子用の電極のリチウム化処理装置、本発明の第２２から第２８の発明は第１から第７の発明による製造方法を実施するための電気化学素子用の電極の製造装置である。また本発明の第２９の発明は、第１の発明によって製造した電極、または第１２の発明によってリチウム化処理した電極である。
【００２２】
なお電気化学素子が非水電解質二次電池であり、電極が、活物質層が集電体上に設けられた負極である場合、集電体上に柱状構造を有する複数の活物質塊として活物質層を形成することが好ましい。活物質が柱状構造の場合、柱間の空間で活物質の膨張を吸収することができるため、平滑な膜状構造に比べて活物質の膨張・収縮に対して非常に有効である。また活物質塊を集電体の厚み方向に対して傾きを有するように形成することがさらに好ましい。このように集電体の厚み方向に対し活物質塊が傾斜することによって効果的に負極活物質の膨張・収縮を空間内に吸収することが可能であり、負極の充放電サイクル特性が改善される。また高速に成膜可能な形状であることから量産性の見地からも好ましい。また活物質塊をＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）とすることが好ましい。これにより、電極反応効率が高く、高容量で比較的安価な非水電解質二次電池が得られる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、電気化学素子として非水電解質二次電池を例に、その電極として負極を例にして、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００２４】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態による非水電解質二次電池の縦断面図である。ここでは円筒形電池を一例として説明する。この非水電解質二次電池は、金属製のケース１とケース１内に収容された電極群９とを含む。ケース１はステンレス鋼やニッケルめっきした鉄から作製されている。電極群９は第１電極である負極６と第２電極である正極５とをセパレータ７を介して渦巻状に捲回することにより構成されている。電極群９の上部には上部絶縁板８Ａが、下部には下部絶縁板８Ｂが配置されている。ケース１の開口端部は、ガスケット３を介して封口板２に対しケース１をかしめることにより封口されている。また、正極５にはアルミニウム製の正極リード５Ａの一端が取り付けられている。正極リード５Ａの他端は、正極端子を兼ねる封口板２に接続されている。負極６にはニッケル製の負極リード６Ａの一端が取り付けられている。負極リード６Ａの他端は、負極端子を兼ねるケース１に接続されている。また電極群９には電解質である図示しない非水電解質が含浸している。すなわち、正極５と負極６との間には非水電解質が介在している。
【００２５】
正極５は、通常、正極集電体とそれに担持された正極合剤から構成されている。正極合剤は、正極活物質の他に、結着剤、導電剤などを含むことができる。正極５は、例えば、正極活物質と任意成分からなる正極合剤を液状成分と混合して正極合剤スラリーを調製し、得られたスラリーを正極集電体に塗布し、乾燥させて作製する。
【００２６】
非水電解質二次電池の正極活物質としては、リチウム複合金属酸化物を用いることができる。例えば、ＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＮｉＯ２、ＬｉｘＭｎＯ２、ＬｉｘＣｏｙＭ１−ｙＯｚ、ＬｉｘＮｉ１−ｙＭｙＯｚ、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２−ｚＭｚＯ４、ＬｉＭＰＯ４、Ｌｉ２ＭＰＯ４Ｆが挙げられる。ここでＭはＮａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂのうち少なくとも１種であり、０≦ｘ≦１．２、０≦ｙ≦０．９、０≦ｚ≦１．９である。なお、リチウムのモル比を示すｘ値は、活物質作製直後の値であり、充放電により増減する。さらにこれら含リチウム化合物の一部を異種元素で置換してもよい。金属酸化物、リチウム酸化物、導電剤などで表面処理してもよく、表面を疎水化処理してもよい。
【００２７】
正極合剤の結着剤には、例えばポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリロニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ヘキシル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ヘキシル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースなどが使用可能である。また、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエンより選択された２種以上の材料の共重合体を用いてもよい。またこれらのうちから選択された２種以上を混合して用いてもよい。
【００２８】
また導電剤には、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維類、アルミニウムなどの金属粉末類、酸化亜鉛やチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、フェニレン誘導体などの有機導電性材料などが用いられる。
【００２９】
正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、それぞれ、正極活物質を８０〜９７重量％、導電剤を１〜２０重量％、結着剤を２〜７重量％の範囲とすることが望ましい。
【００３０】
正極集電体には、長尺の多孔性構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板が使用される。導電性基板に用いられる材料としては、例えばステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどが用いられる。集電体の厚さは、特に限定されないが、１〜５００μｍが好ましく、５〜２０μｍがより望ましい。集電体厚さを上記範囲とすることにより、極板の強度を保持しつつ軽量化することができる。
【００３１】
セパレータ７としては、大きなイオン透過度を持ち、所定の機械的強度と、絶縁性とを兼ね備えた微多孔薄膜、織布、不織布などが用いられる。セパレータ７の材質としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンが耐久性に優れ、かつシャットダウン機能を有しているため、非水電解質二次電池の安全性の観点から好ましい。セパレータ７の厚さは、一般的に１０〜３００μｍであるが、４０μｍ以下とすることが望ましい。また、５〜３０μｍの範囲とするのがより好ましく、さらに好ましくは１０〜２５μｍである。さらに微多孔フィルムは、１種の材料からなる単層膜であってもよく、２種以上の材料からなる複合膜または多層膜であってもよい。また、セパレータ７の空孔率は、３０〜７０％の範囲であることが好ましい。ここで空孔率とは、セパレータ７の表面積に占める孔部の面積比を示す。セパレータ７の空孔率のより好ましい範囲は３５〜６０％である。
【００３２】
非水電解質としては、液状、ゲル状または固体（高分子固体電解質）状の物質を使用することができる。液状の非水電解質（非水電解液）は、非水溶媒に電解質（例えば、リチウム塩）を溶解させることにより得られる。また、ゲル状非水電解質は、液状の非水電解質と、この液状の非水電解質を保持する高分子材料とを含む。高分子材料としては、例えば、ＰＶＤＦ、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキサイド、ポリ塩化ビニル、ポリアクリレート、ポリビニリデンフルオライドヘキサフルオロプロピレンなどが好適に使用される。
【００３３】
非水溶媒としては、公知の非水溶媒を使用することが可能である。この非水溶媒の種類は特に限定されない。例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステルなどが用いられる。環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）などが挙げられる。鎖状炭酸エステルとしては、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）などが挙げられる。環状カルボン酸エステルとしては、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、γ−バレロラクトン（ＧＶＬ）などが挙げられる。非水溶媒は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００３４】
非水溶媒に溶解させる溶質には、例えばＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＡｓＦ６、低級脂肪族カルボン酸リチウム、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、クロロボランリチウム、ホウ酸塩類、イミド塩類などを用いることができる。ホウ酸塩類としては、ビス（１，２−ベンゼンジオレート（２−）−Ｏ，Ｏ’）ホウ酸リチウム、ビス（２，３−ナフタレンジオレート（２−）−Ｏ，Ｏ’）ホウ酸リチウム、ビス（２，２’−ビフェニルジオレート（２−）−Ｏ，Ｏ’）ホウ酸リチウム、ビス（５−フルオロ−２−オレート−１−ベンゼンスルホン酸−Ｏ，Ｏ’）ホウ酸リチウムなどが挙げられる。イミド塩類としては、ビストリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウム（（ＣＦ３ＳＯ２）２ＮＬｉ）、トリフルオロメタンスルホン酸ノナフルオロブタンスルホン酸イミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２））、ビスペンタフルオロエタンスルホン酸イミドリチウム（（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２ＮＬｉ）などが挙げられる。溶質は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００３５】
また非水電解質には、添加剤として負極６上で分解してリチウムイオン伝導性の高い被膜を形成し、充放電効率を高くすることができる材料を含んでいてもよい。このような機能を持つ添加剤としては、例えば、ビニレンカーボネート、４−メチルビニレンカーボネート、４，５−ジメチルビニレンカーボネート、４−エチルビニレンカーボネート、４，５−ジエチルビニレンカーボネート、４−プロピルビニレンカーボネート、４，５−ジプロピルビニレンカーボネート、４−フェニルビニレンカーボネート、４，５−ジフェニルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネートなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。これらのうちでは、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、およびジビニルエチレンカーボネートよりなる群から選ばれる少なくとも１種が好ましい。なお、上記化合物は、その水素原子の一部がフッ素原子で置換されていてもよい。非水電解液に対する溶解量は、０．１重量％以上１５重量％以下の範囲内とすることが望ましい。
【００３６】
さらに、非水電解質には、過充電時に分解して正極５上に被膜を形成し、電池を不活性化する公知のベンゼン誘導体を含有させてもよい。このようなベンゼン誘導体としては、フェニル基およびこのフェニル基に隣接する環状化合物基を有するものが好ましい。環状化合物基としては、フェニル基、環状エーテル基、環状エステル基、シクロアルキル基、フェノキシ基などが好ましい。ベンゼン誘導体の具体例としては、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、ジフェニルエーテルなどが挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。ただし、ベンゼン誘導体の含有量は、非水溶媒全体の１０体積％以下であることが好ましい。
【００３７】
次に負極６とその製造方法について説明する。負極６は集電体とその表面に設けられたリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な活物質層とを有する。特に活物質層には炭素材料以外に、ケイ素（Ｓｉ）やスズ（Ｓｎ）などのようにリチウムイオンを大量に吸蔵・放出可能な材料を用いることができる。この種の活物質の放電状態における体積Ｂに対する充電状態における体積Ａの比Ａ／Ｂは、１．２以上である。体積は、例えば充電前後の厚みを測定することで決定する。このような材料であれば、単体、合金、化合物、固溶体および含ケイ素材料や含スズ材料を含む複合活物質のいずれであっても、本発明の効果を発揮させることは可能である。すなわち、含ケイ素材料として、Ｓｉ、ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）、またはこれらのいずれかにＢ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ、Ｃ、Ｎ、Ｓｎからなる群から選択される少なくとも１つ以上の元素でＳｉの一部を置換した合金や化合物、または固溶体などを用いることができる。含スズ材料としてはＮｉ２Ｓｎ４、Ｍｇ２Ｓｎ、ＳｎＯｘ（０＜ｘ＜２）、ＳｎＯ２、ＳｎＳｉＯ３、ＬｉＳｎＯなどを適用できる。
【００３８】
複数種の材料により活物質層を構成する例として、Ｓｉと酸素と窒素とを含む化合物やＳｉと酸素とを含み、Ｓｉと酸素との構成比率が異なる複数の化合物の複合物などが挙げられる。この中でもＳｉＯｘ（０．３≦ｘ≦１．３）は、放電容量密度が大きく、かつ充電時の膨張率がＳｉ単体より小さいため好ましい。
【００３９】
またこれらの材料は集電体上に活物質粉末を結着剤および導電剤などと混合後、塗布・乾燥・圧延などの工程を経ることで活物質層を形成してもよく、あるいは集電体上に真空蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などの方法を用いて直接、活物質からなる薄膜を形成してもよい。特に後者は高容量であるが膨張・収縮の大きな活物質にとって、常に集電を確保できるため充放電サイクル特性を良好する特徴を有する。
【００４０】
集電体には、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンなどの金属箔、炭素や導電性樹脂の薄膜などが利用可能である。さらに、カーボン、ニッケル、チタンなどで表面処理を施してもよい。正極の場合と同様に、集電体の厚さは特に限定されないが、１〜５００μｍが好ましく、５〜２０μｍがより望ましい。集電体厚さを上記範囲とすることにより、極板の強度を保持しつつ軽量化することができる。
【００４１】
次に図２から図６を参照しながら電解銅箔を集電体とし、活物質層がケイ素酸化物（ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２））で構成された負極６を作製する手順と製造装置全体およびリチウム化処理装置であるリチウム付与部について説明する。図２は本発明の実施の形態における非水電解質二次電池用負極の製造装置の負極の前駆体を作製するための活物質層作製部の概略構成図、図３は同リチウム付与部の概略構成図である。図４は図３に示すリチウム付与部における要部拡大断面図である。この製造装置は図２に示す活物質層作製部２０と図３に示すリチウム付与部３０とを有する。活物質層作製部２０は容器２６Ａに、リチウム付与部３０は容器２６Ｂにそれぞれ収納されている。容器２６Ａ内は真空ポンプ２７Ａにより減圧され、容器２６Ｂ内は真空ポンプ２７Ｂにより減圧されている。
【００４２】
図２に示すように、活物質層作製部２０は、巻き出しロール２１と、成膜ロール２４Ａ、２４Ｂと、マスク２２Ａ、２２Ｂと、蒸着ユニット２３Ａ、２３Ｂと、ノズル２８Ａ、２８Ｂと、巻き取りロール２５とを有する。集電体１１は巻き出しロール２１から成膜ロール２４Ａ、２４Ｂを経て巻き取りロール２５へと送られる。蒸着ユニット２３Ａ、２３Ｂでは蒸着ソース、坩堝、電子ビーム発生装置がユニット化されている。この装置を用いて集電体１１の上に負極６の活物質層を形成する手順をまず説明する。
【００４３】
集電体１１としては、例えば厚み３０μｍの電解銅箔を用いる。容器２６Ａの内部は、真空に近い不活性雰囲気になっている。例えば圧力１０−３Ｐａ程度のアルゴン雰囲気とする。蒸着時には、電子ビーム発生装置により発生させた電子ビームを偏向ヨークにより偏光させ、蒸着ソースに照射する。蒸着ソースには、例えば半導体ウェハを形成する際に生じるＳｉの端材（スクラップシリコン：純度９９．９９９％）を用いる。一方、高純度（例えば９９．７％）の酸素を成膜ロール２４Ａの近傍に配置したノズル２８Ａから容器２６Ａ内に導入する。このようにして蒸着ユニット２３Ａから発生したＳｉ蒸気とノズル２８Ａから導入された酸素とが反応して集電体１１上にＳｉＯｘが堆積し、活物質層が形成される。このように、蒸着ユニット２３Ａ、ノズル２８Ａ、成膜ロール２４Ａは酸素を含む雰囲気中でＳｉを用いて気相法により集電体１１の表面にＳｉＯｘからなる活物質層を形成する。
【００４４】
なおマスク２２Ａの開口部はＳｉ蒸気が集電体１１の面にできるだけ垂直に入射するようになっている。さらにマスク２２Ａを開閉させることによって活物質層を形成せず集電体１１が露出した部分を形成する。
【００４５】
その後、集電体１１は成膜ロール２４Ｂに送られ、ノズル２８Ｂから酸素を容器２６Ｂ内に導入しつつ、蒸着ユニット２３ＢからＳｉ蒸気を発生させて、もう一方の面にも活物質層を形成する。この方法によって集電体１１の両面上にＳｉＯｘからなる活物質層を形成した負極前駆体４１は巻き取りロール２５に巻き取られる。巻き取られた負極前駆体４１は、容器２６Ａ内にアルゴンまたはドライエアを導入して容器２６Ａ内を大気圧に戻した後、容器２６Ａから取り出されて次にリチウム付与部３０の巻き出しロール２９にセットされる。なお、負極活物質としてＳｉを用いる場合には、ノズル２８Ａ、２８Ｂから酸素を導入しなければよい。あるいは図２においてノズル２８Ａ、２８Ｂを設けなければよい。
【００４６】
次に負極前駆体４１の活物質層にリチウムを付与する手順を図３、図４を用いて説明する。リチウム付与部３０は巻き出しロール２９と、加熱部であるロッドヒータ３３を組み込んだ銅坩堝３４Ａ、３４Ｂと、リチウム蒸着ノズル３５Ａ、３５Ｂと、冷却ＣＡＮ３２Ａ、３２Ｂと、巻き取りロール３９とを有する。なお銅坩堝３４Ｂ、リチウム蒸着ノズル３５Ｂ、冷却ＣＡＮ３２Ｂの構成は銅坩堝３４Ａ、リチウム蒸着ノズル３５Ａ、冷却ＣＡＮ３２Ａとそれぞれ同様であるので説明を省略する。
【００４７】
巻き出しロール２９にセットされた負極前駆体４１を、例えば２０℃にした冷却ＣＡＮ３２Ａ、３２Ｂを介して巻き取りロール３９に送るように設置する。そしてロッドヒータ３３を組み込んだ銅坩堝３４Ａに、負極６の構成材料以外でリチウムよりも原子量の大きい元素を含むリチウム合金を投入する。あるいはこのような元素とリチウムとを所定の重量比で投入してもよい。このようにリチウム付与部３０は、真空蒸着法を用いる上でリチウムと電極構成材料以外の元素とを予め規定量混合させた合金を加熱するか、あるいはリチウムに対してこの元素を添加してから加熱する。この方法を用いることによって、付与するリチウムに元素を一定に混入させることができる。
【００４８】
そしてロッドヒータ３６を組み込んだリチウム蒸着ノズル３５Ａを銅坩堝３４Ａに組み付ける。容器２６Ｂ内は真空ポンプ２７Ｂにより、例えば３×１０−３Ｐａに減圧されている。すなわち、負極前駆体４１と蒸気供給源のリチウム合金またはリチウムを含む金属混合物を配置した雰囲気は減圧されている。そして、リチウム蒸気と上記元素の蒸気とを生成するために加熱量制御部７０がロッドヒータ３３に通電して銅坩堝３４Ａ内の蒸気供給源３１を加熱する。また蒸気がリチウム蒸着ノズル３５Ａの内部で冷えてリチウムが析出しないよう、ロッドヒータ３６にも通電することが好ましい。銅坩堝３４Ａ、リチウム蒸着ノズル３５Ａの温度は熱電対３８でモニターしながら、例えば５８０℃に制御する。ここでリチウム蒸着ノズル３５Ａは蒸気の移動経路を制限する。リチウム蒸気はリチウム蒸着ノズル３５Ａを経て負極前駆体４１に供給され、負極前駆体４１の活物質層にはリチウムが付与される。このようにリチウム蒸気の移動経路を制限することで、効率的に活物質層に蒸気を供給することができる。
【００４９】
片側の活物質層にリチウムと上記元素とが付与された負極前駆体４１は冷却ＣＡＮ３２Ｂに送られ、反対面の活物質層にも銅坩堝３４Ｂ、リチウム蒸着ノズル３５Ｂからリチウムが付与される。このようにして両面の活物質層にリチウムと上記元素とが付与された負極前駆体４１は巻き取りロール３９に巻き取られる。その後、容器２６Ｂ内にアルゴンやドライエアを導入して大気圧に戻し、所定の寸法に切断され、負極リード６Ａが接続されて負極６が作製される。
【００５０】
なお容器２６Ａと容器２６Ｂとを通路で連結し、活物質層作製部２０とリチウム付与部３０とを一体の容器に収納してもよい。この場合、容器２６Ａ、２６Ｂおよび通路内は真空ポンプ２７Ａにより減圧する。そして巻き取りロール２５と巻き出しロール２９とを設けずに活物質層作製部２０で作製した負極前駆体４１を減圧下でリチウム付与部３０へ送る。
【００５１】
次に負極前駆体４１の活物質層への、単位面積当たりのリチウム付与量を推定する方法について図３、図５を用いて説明する。図５は図３に示すリチウム付与部に組み込まれた計測部である蛍光Ｘ線分析装置（ＸＲＦ）周辺の構成を示す図である。図３に示すように計測部３７Ａ、３７Ｂはそれぞれ冷却ＣＡＮ３２Ａ、３２Ｂの後に配置されている。計測部３７Ｂは計測部３７Ａと同様の構成であるので、以下、代表して計測部３７Ａの機能と作用について説明する。
【００５２】
図５に示すように、計測部３７ＡはＸ線発生部７１と測定部７２と算出部７３とを有する。Ｘ線発生部７１は活物質層４０にＸ線を照射し、測定部７２は活物質層４０から発生する蛍光Ｘ線を受ける。算出部７３は測定部７２の受けた蛍光Ｘ線のうち、リチウムとともに活物質層４０に付与された元素４５のＫα線の強度を算出する。
【００５３】
元素４５の原子量はリチウムより大きい。したがって活物質層４０に取り込まれる速度はリチウムに比べて小さい。あるいは活物質層４０に取り込まれず図５に示すように活物質層４０の表面に残る。そこで元素４５のＫα線の強度を算出することにより負極前駆体４１の単位面積当たりに付与された元素４５の量を算出することができる。そこでリチウム蒸着ノズル３５Ａから放出される蒸気に含まれるリチウムと元素４５との比率を予め確認することで間接的に負極前駆体４１の単位面積当たりに付与されたリチウム量を推定することができる。
【００５４】
さらにこの推定量または単位面積当たりに付与された元素４５の量を加熱量制御部７０にフィードバックしてロッドヒータ３３への加熱量を制御することにより蒸気の発生量を制御して負極前駆体４１の単位面積当たりのリチウム付与量を制御することができる。すなわち必要なリチウム量を付与し、かつその量を均一にすることができる。
【００５５】
あるいは、図６に示すような構成で蒸気の輸送量を制限してもよい。図６は図３に示すリチウム付与部の他の構成を示す要部拡大図である。この構成では、ノズル７６とガス量制御部７７とが設けられている。ノズル７６はリチウム蒸着ノズル３５Ａの内部に開口し蒸気の移動経路にアルゴンを流すために設けられている。
【００５６】
そして銅坩堝３４Ａから蒸気が発生し始めるまでに、ノズル７６からリチウム蒸気の移動経路にアルゴンを流し始める。このときの流量は、例えば１００ｓｃｃｍとする。アルゴンの代わりに他の希ガスや水素、またはその混合ガスを流してもよい。このようにリチウム蒸気の移動経路であるリチウム蒸着ノズル３５Ａ内にアルゴンを流すことにより、ガスを流さない場合に比べてリチウム蒸気の輸送量を制限することができる。そして計測部３７Ａによる元素４５の量の測定結果またはリチウム付与量の推定結果をガス量制御部７７にフィードバックしアルゴンの流量を制御することにより負極前駆体４１の単位面積当たりのリチウム付与量を制御することができる。なおアルゴンの代わりに他の希ガスや水素、またはその混合ガスをノズル７６から流してもよい。
【００５７】
なお、図６においてノズル７６はリチウム蒸着ノズル３５Ａ内のリチウム蒸気の移動方向に平行な方向にアルゴンを流すように設けられているが、加熱された蒸気供給源３１に向かってアルゴンを流すように設けてもよい。
【００５８】
また巻き出しロール２９、巻き取りロール３９の回転速度を制御して負極前駆体４１の移動速度を制御してもよい。すなわちこのような回転速度制御部を設けてもよい。この方法でも負極前駆体４１の単位面積当たりのリチウム付与量を制御することができる。ただしこの場合、図３のように連続して負極前駆体４１の両面にリチウムを付与する場合にはリチウム蒸着ノズル３５Ａ、３５Ｂから放出される蒸気量が同じ場合にのみ適用可能である。そのためこの方法を適用する場合には、負極前駆体４１の片面にリチウムを付与して一旦巻き取るほうがよい。
【００５９】
以上のように本実施の形態による非水電解質二次電池用負極の製造装置では単位面積当たりのリチウム付与量をほぼ一定に保つことができる。なお、例えば液晶パネルなどの表示器に単位面積当たりのリチウム付与量を表示したり、所定の範囲を逸脱した場合にアラームを鳴らしたりするようにしてもよい。これにより作業者はその製造ロットのリチウム付与量が適正範囲内かどうかを判断することができる。
【００６０】
元素４５としては、カリウムやカルシウム、あるいはその混合物や合金を用いることが好ましい。これらの金属はリチウムとともに蒸気にしやすい。また電極材料として珪素またはその化合物を用いる場合に珪素よりも重元素であるためＸＲＦにより検出しやすい。また元素４５としてナトリウムやマグネシウムを用いてもよい。ナトリウムやマグネシウムもまたリチウムとともに蒸気にしやすい。さらにアルミニウム、スズ、亜鉛、鉛、ビスマスおよびリンから選ばれる少なくとも１種であることが望ましい。これらの元素は融点が比較的低くかつ蒸気圧も高いことからリチウムとともに蒸気にしやすく、かつリチウムよりも重元素であるため検出しやすい。
【００６１】
また本実施の形態では負極前駆体４１と蒸気供給源３１とを含む雰囲気を真空ポンプ２７Ｂで減圧し、ロッドヒータ３３で蒸気供給源３１を加熱している。リチウムを付与するためにはこのような真空蒸着法は有効な方法である。
【００６２】
次に、図７を用いてより好ましい形態の活物質層を形成する活物質層作製部を説明する。図７は傾斜した柱状構造を有する活物質の製造に用いる本発明の実施の形態による非水電解質二次電池用負極の製造装置の他の活物質層作製部の概略構成図、図８は図７に示す活物質層作製部を用いて作製した非水電解質二次電池用負極の断面図である。
【００６３】
図７に示す活物質層作製部２０は、巻き出しロール２１と支点ロール５４Ａ、５４Ｂと、マスク２２Ａ、２２Ｂと、蒸着ユニット２３Ａ、２３Ｂと、ノズル２８Ａ、２８Ｂと、巻き取りロール２５とを有する。支点ロール５４Ａ、５４Ｂ以外は図２の構成と同様であるので説明を省略する。この構成では集電体１１Ａが巻き出しロール２１から支点ロール５４Ａ、５４Ｂを経て巻き取りロール２５へと送られる間に蒸着ユニット２３Ａ、２３ＢからのＳｉ蒸気とノズル２８Ａ、２８Ｂからの酸素とによりＳｉＯｘからなる活物質層４３が両面に生成する。これらのロールと蒸着ユニット２３Ａ、２３Ｂとは容器２６Ａの中に設けられている。容器２６Ａ内は真空ポンプ２７Ａにより減圧される。
【００６４】
図８に示すように集電体１１Ａは、表面に多数の突起４４を有する。例えば、電解めっきにより平均表面粗さ２．０μｍの凹凸を設けた厚さ３０μｍの電解銅箔を集電体１１Ａとして用いる。なお、集電体１１Ａの両面に突起４４が設けられているが、簡略化して説明するため図８では片面のみを示している。
【００６５】
容器２６Ａの内部は、低圧の不活性ガス雰囲気にする。例えば圧力３．５Ｐａのアルゴン雰囲気とする。蒸着時には、電子ビーム発生装置により発生させた電子ビームを偏向ヨークにより偏光させ、蒸着ソースに照射する。なおマスク２２Ａ、２２Ｂの開口部の形状を調整することで、蒸着ユニット２３Ａ、２３Ｂから発生したＳｉ蒸気が集電体１１Ａの面に垂直に入射しないようにしている。
【００６６】
このようにして集電体１１Ａの面にＳｉ蒸気を供給しつつ集電体１１Ａを巻き出しロール２１から巻き取りロール２５へと送り、Ｓｉ蒸気の入射方向と所定の角度をなすようにノズル２８Ａを設け、ノズル２８Ａから容器２６Ａ内に酸素を導入するとＳｉＯｘからなる活物質塊４２が突起４４を基点として生成する。このとき、例えば所定の角度を６５°に設定し、純度９９．７％の酸素ガスをノズル２８Ａから容器２６Ａ内に導入し、約２０ｎｍ／ｓｅｃの成膜速度で形成すると、集電体１１Ａの突起４４に厚さ２１μｍのＳｉＯ０．４からなる柱状体である活物質塊４２が生成する。なお支点ロール５４Ａの手前で片面に活物質塊４２を形成した後、集電体１１Ａを支点ロール５４Ｂに送り、同様の方法によりもう一方の面にも活物質塊４２を形成することができる。以上のようにして集電体１１Ａの両面に活物質層４３を形成した負極前駆体４１Ａを作製する。
【００６７】
なお集電体１１Ａの両面に予め等間隔に耐熱テープを貼り付けておく。成膜後このテープを剥離することによって負極リード６Ａを溶接するための集電体露出部を形成することができる。この後、図４に示すリチウム付与部３０を用いて両面の活物質層４３にリチウムを付与する。
【００６８】
このように集電体１１Ａ上に柱状構造を有する複数の活物質塊４２として活物質層４３を形成することが好ましい。上記の方法以外に、特開２００３−１７０４０号公報や特開２００２−２７９９７４号公報に開示されている方法によって集電体１１Ａとその表面に設けられた複数の柱状の活物質塊とを有する負極６を作製してもよい。活物質が柱状構造の場合、柱間の空間で活物質の膨張を吸収することができるため、平滑な膜状構造に比べて活物質の膨張・収縮に対して非常に有効である。
【００６９】
また活物質塊４２を集電体１１Ａの厚み方向に対して傾きを有するように形成することがさらに好ましい。このように集電体１１Ａの厚み方向に対し活物質塊４２が傾斜することによって効果的に活物質の膨張・収縮を空間内に吸収することが可能であり、負極６の充放電サイクル特性が改善される。明確ではないが理由の一つとして、例えば以下のようなことが考えられる。リチウムイオン吸蔵性を有する元素はリチウムイオンを吸蔵・放出する際に膨張・収縮する。この膨張・収縮に伴って生じる応力が、集電体１１Ａの活物質塊４２を形成した面に平行な方向と垂直な方向とに分散される。そのため、集電体１１Ａの皺や、活物質塊４２の剥離の発生が抑制されるため、充放電サイクル特性が改善されると考えられる。また高速に成膜可能な形状であることから量産性の見地からも好ましい。
【００７０】
次に、図９を用いてさらに好ましい形態の活物質層を形成する活物質層作製部を説明する。図９は屈曲点を持つ柱状構造を有する活物質の製造に用いる本発明の実施の形態による非水電解質二次電池用負極の製造装置のさらに他の活物質層作製部の概略構成図、図１０は図９に示す活物質層作製部で作製した非水電解質二次電池用負極の断面図である。なお、簡略化のため図１０は負極６の片面のみ示している。これらの図面に示す集電体１１Ａは図７、図８で示した集電体１１Ａと同様である。
【００７１】
図９に示す活物質層作製部２０は、巻き出しロール５１と、第１支点部である支点ロール５５Ａ、第２支点部である支点ロール５５Ｂ、第３支点部である支点ロール５５Ｃと、マスク５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄと、蒸着ユニット５３Ａ、５３Ｂと、ノズル５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃ、５８Ｄと、巻き取りロール５６とを有する。これらは容器２６Ａの中に設けられている。容器２６Ａ内は真空ポンプ２７Ａにより減圧される。蒸着ユニット５３Ａ、５３Ｂは図３や図６における蒸着ユニット２３Ａ、２３Ｂと同様である。
【００７２】
次に図１０に示すように集電体１１Ａの上に片側の負極の活物質層である活物質層６２を形成する手順を説明する。容器２６Ａの内部は、真空に近い不活性雰囲気になっている。例えば圧力３．５Ｐａのアルゴン雰囲気とする。蒸着時には、電子ビーム発生装置により発生させた電子ビームを偏向ヨークにより偏光させ、蒸着ソースに照射する。この蒸着ソースには、例えばＳｉの端材を用いる。蒸着ユニット５３Ａは、支点ロール５５Ａから支点ロール５５Ｂとの間の位置で集電体１１ＡにＳｉ蒸気が斜めに入射するように配置されている。これにより蒸着ユニット５３Ａから発生したＳｉ蒸気は集電体１１Ａの面に垂直に入射しない。同様に蒸着ユニット５３Ｂは、支点ロール５５Ｂから支点ロール５５Ｃとの間の位置で集電体１１ＡにＳｉ蒸気が斜めに入射するように配置されている。
【００７３】
マスク５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄはそれぞれノズル５８Ａ、５８Ｂ、５８Ｃ、５８Ｄを覆っている。このようにして集電体１１Ａの面に蒸着ユニット５３ＡからＳｉ蒸気を供給しつつ集電体１１Ａを巻き出しロール５１から送る。このときノズル５８Ａ、５８Ｂから、集電体１１Ａに向けて高純度の酸素を導入すると蒸着ユニット５３Ａから発生したＳｉ蒸気と導入された酸素とが反応して集電体１１Ａ上に突起４４を基点としてＳｉＯｘからなる第１柱状体部６１Ａが生成する。
【００７４】
次に、第１柱状体部６１Ａが形成された集電体１１Ａは蒸着ユニット５３ＢからＳｉ蒸気を供給される位置に移動する。このときノズル５８Ｃ、５８Ｄから、集電体１１Ａに向けて高純度の酸素を導入すると蒸着ユニット５３Ｂから発生したＳｉ蒸気と導入された酸素とが反応して第１柱状体部６１Ａを基点としてＳｉＯｘからなる第２柱状体部６１Ｂが生成する。このとき、集電体１１Ａに対する蒸着ユニット５３Ｂの位置から、図１０に示すように第２柱状体部６１Ｂは第１柱状体部６１Ａとは反対の方向に成長する。
【００７５】
すなわち、蒸着ユニット５３Ａ、ノズル５８Ａ、５８Ｂ、支点ロール５５Ａ、５５Ｂは少なくとも片面に複数の突起４４を有する集電体１１Ａの表面に、突起４４から斜立するＳｉＯｘからなる第１柱状体部６１Ａを形成する第１形成部を構成している。一方、蒸着ユニット５３Ｂ、ノズル５８Ｃ、５８Ｄ、支点ロール５５Ｂ、５５Ｃは第１柱状体部６１Ａから斜立するＳｉＯｘからなる第２柱状体部６１Ｂを形成して活物質層６２の層厚を増す第２形成部を構成している。
【００７６】
この状態で巻き出しロール５１と巻き取りロール５６の回転方向を反転させると、蒸着ユニット５３Ａから発生したＳｉ蒸気と導入された酸素とが反応して第２柱状体部６１Ｂを基点としてＳｉＯｘからなる第３柱状体部６１Ｃが生成する。この場合も図１０に示すように第３柱状体部６１Ｃは第２柱状体部６１Ｂとは反対の方向に成長する。このようにして屈曲点を持つ柱状構造を有する活物質塊６１からなる活物質層６２を形成することができる。さらに巻き出しロール５１と巻き取りロール５６の回転方向を反転させて第３柱状体部６１Ｃの上に第４柱状体を作製することもできる。すなわち屈曲点の数は自由にコントロールすることができる。
【００７７】
以上のように、図９に示す活物質層作製部２０で、屈曲点を持つ柱状構造を有する活物質塊６１からなる活物質層６２を形成した負極前駆体４１Ｂに、図３に示すリチウム付与部３０のうち、冷却ＣＡＮ３２Ｂ、銅坩堝３４Ｂ、リチウム蒸着ノズル３５Ｂを用いない構成のリチウム付与部を用いて活物質層６２にリチウムを付与する。このようにして集電体１１Ａの片面に作製された活物質層６２にリチウムが付与された負極前駆体４１Ｂは巻き取りロール３９に巻き取られる。その後、容器２６Ｂ内にアルゴンやドライエアを導入して大気圧に戻し、必要に応じて集電体１１Ａのもう一方の面に活物質層６２を作製しリチウムを付与するために、巻き出しロール２１に再びセットする。
【００７８】
このように屈曲点を持つ柱状構造を有する活物質塊６１からなる活物質層６２を形成した負極６では、充電時に活物質塊６１が膨張しても図８に示す活物質塊４２と比較してさらに活物質塊同士が立体的に干渉しにくい。そのため充放電サイクル特性の観点から図８に示す構造の負極よりもさらに好ましい。
【００７９】
なお、上記実施の形態では円筒形の電池を例に説明したが、角形などの形状の電池を用いても同様の効果が得られる。また集電体１１、１１Ａの片面にのみ活物質層を形成し、コイン型電池を作製してもよい。また上記実施の形態では非水電解質二次電池を例に説明したが、キャパシタなどの電気化学素子でも、リチウムイオンを電荷媒体とし、少なくとも一方の電極が不可逆容量を有する場合には本発明を適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の製造方法においてリチウム化処理した電極を用いた電気化学素子は、高容量かつ長寿命である。したがってこの電気化学素子の１種である非水電解液二次電池は、ノートパソコン、携帯電話、デジタルスチルカメラなどの電子機器の駆動源、さらには高出力を要求される電力貯蔵用や電気自動車の電源として有用である。上記のような電気化学素子を製造する上で本発明は不可逆容量の補填量を管理できるので非常に重要でありかつ有効な手段である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態による非水電解質二次電池の縦断面図
【図２】本発明の実施の形態における非水電解質二次電池用負極の製造装置の活物質層作製部の概略構成図
【図３】本発明の実施の形態における非水電解質二次電池用負極の製造装置のリチウム付与部の概略構成図
【図４】図３に示すリチウム付与部の要部拡大断面図
【図５】図３に示すリチウム付与部に組み込まれた計測部である蛍光Ｘ線分析装置周辺の構成を示す図
【図６】図３に示すリチウム付与部の他の構成を示す要部拡大図
【図７】本発明の実施の形態による非水電解質二次電池用負極の製造装置の他の活物質層作製部の概略構成図
【図８】図７に示す活物質層作製部を用いて作製した非水電解質二次電池用負極の断面図
【図９】本発明の実施の形態による非水電解質二次電池用負極の製造装置のさらに他の活物質層作製部の概略構成図
【図１０】図９に示す活物質層作製部で作製した非水電解質二次電池用負極の断面図
【符号の説明】
【００８２】
１    ケース
２    封口板
３    ガスケット
５    正極
５Ａ    正極リード
６    負極
６Ａ    負極リード
７    セパレータ
８Ａ    上部絶縁板
８Ｂ    下部絶縁板
９    電極群
１１，１１Ａ    集電体
２０    活物質層作製部
２１，２９，５１    巻き出しロール
２２Ａ，２２Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ    マスク
２３Ａ，２３Ｂ，５３Ａ，５３Ｂ    蒸着ユニット
２４Ａ，２４Ｂ    成膜ロール
２５，３９，５６    巻き取りロール
２６Ａ，２６Ｂ    容器
２７Ａ，２７Ｂ    真空ポンプ
２８Ａ，２８Ｂ，５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃ，５８Ｄ    ノズル
３０    リチウム付与部
３１    蒸気供給源
３２Ａ，３２Ｂ    冷却ＣＡＮ
３３，３６    ロッドヒータ
３４Ａ，３４Ｂ    銅坩堝
３５Ａ，３５Ｂ    リチウム蒸着ノズル
３７Ａ，３７Ｂ    計測部
３８    熱電対
４０，４３，６２    活物質層
４１，４１Ａ，４１Ｂ    負極前駆体
４２，６１    活物質塊
４４    突起
４５    元素
５４Ａ，５４Ｂ，５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃ    支点ロール
６１Ａ    第１柱状体部
６１Ｂ    第２柱状体部
６１Ｃ    第３柱状体部
７０    加熱量制御部
７１    Ｘ線発生部
７２    測定部
７３    算出部
７６    ノズル
７７    ガス量制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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