(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体上にリチウムと合金化する活物質からなる薄膜を堆積して形成するリチウム二次電池用電極の製造方法において、
前記薄膜が、集電体上に形成される界面層と、該界面層上に形成される活物質層とから構成され、かつ前記界面層と前記活物質層が同種の材料から形成されており、
前記界面層がスパッタリング法により形成され、前記活物質層が電子ビーム蒸着法により形成されることを特徴とするリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項２】
前記集電体の両面に前記界面層及び前記活物質層が形成されることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項３】
前記界面層及び前記活物質層のそれぞれに少なくともシリコンが含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項４】
前記界面層の厚みが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項５】
前記界面層の形成及び前記活物質層の形成が減圧雰囲気を保持したまま連続して行なわれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項６】
前記界面層の形成及び前記活物質層の形成が、同一の装置内で前記集電体を移動させながら行なわれることを特徴とする請求項５に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項７】
前記集電体の一方面に対する前記界面層及び前記活物質層の形成と、前記集電体の他方面に対する前記界面層及び前記活物質層の形成が減圧雰囲気を保持したまま連続して行なわれることを特徴とする請求項５または６に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項８】
リチウム二次電池用電極が負極であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項９】
前記集電体が、銅、銅を含む合金、ニッケル、及びステンレスから選ばれる１種から形成されるかまたは２種以上を積層したものであることを特徴とする請求項８に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項１０】
前記活物質が非晶質シリコンであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池用電極の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、研究開発が盛んに行われているリチウム二次電池は、用いられる電極により充放電電圧、充放電サイクル寿命特性、保存特性などの電池特性が大きく左右される。このことから、電極に用いる活物質を改善することにより、電池特性の向上が図られている。
【０００３】
負極活物質としてリチウム金属を用いると、重量当たり及び体積当たりともに高いエネルギー密度の電池を構成することができるが、充電時にリチウムがデンドライト状に析出し、内部短絡を引き起こすという問題があった。
【０００４】
これに対し、充電の際に電気化学的にリチウムと合金化するアルミニウム、シリコン、錫などを電極として用いるリチウム二次電池が報告されている（Solid State Ionics,113-115,p57(1998)) 。これらのうち、特にシリコンは理論容量が大きく、高い容量を示す電池用負極として有望であり、これを負極とする種々の二次電池が提案されている（特開平１０−２５５７６８号公報）。しかしながら、この種の合金負極は、電極活物質である合金自体が充放電により微粉化し集電特性が悪化することから、十分なサイクル特性は得られていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人は、シリコン等を電極活物質とし、良好な充放電サイクル特性を示すリチウム二次電池用電極として、ＣＶＤ法またはスパッタリング法などの薄膜形成方法により、集電体上に微結晶薄膜または非晶質薄膜を形成したリチウム二次電池用電極を提案している（特願平１１−３０１６４６号など）。
【０００６】
このようなリチウム二次電池用電極においては、集電体の成分が活物質薄膜に拡散することにより、集電体と活物質薄膜との密着性が保たれ、充放電サイクル特性が向上することがわかっている。従って、優れた充放電サイクル特性を得るためには、集電体と活物質薄膜との界面の形成を最適な条件で制御して行うことが好ましい。しかしながら、集電体上に形成した薄膜を活物質として用いるためには、ある程度の厚みが必要であり、上記の最適な薄膜形成条件で活物質薄膜を形成すると、薄膜形成に長時間を要し、効率的に電極を製造することができないという問題があった。また、薄膜形成時に、集電体が長時間高温にさらされると、集電体が硬化し、電池作製時の整形が困難になるなどの問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、集電体の機械的特性を低下させずに、高い成膜速度で活物質薄膜を集電体上に堆積させることができるリチウム二次電池用電極の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、集電体上にリチウムと合金化する活物質からなる薄膜を堆積して形成するリチウム二次電池用電極の製造方法であり、薄膜が、集電体上に形成される界面層と、該界面層上に形成される活物質層とから構成され、かつ界面層と活物質層が同種の材料から形成されており、界面層がスパッタリング法により形成され、活物質層が電子ビーム蒸着法により形成されることを特徴としている。
【０００９】
スパッタリング法は、プラズマにより発生した活性種を基板である集電体に衝突させることにより薄膜を堆積して形成する方法であるので、集電体との界面において良好な界面領域を形成することができ、集電体に対する薄膜の密着性を高めることができる。また、蒸着法は、スパッタリング法に比べ高い成膜速度で薄膜を形成できる方法である。本発明においては、スパッタリング法により界面層を形成し、その後蒸着法により活物質層を形成しているので、集電体との密着性が良好になる界面領域を形成することができるとともに、高い成膜速度で活物質薄膜を形成することができる。従って、充放電容量が高く、かつ充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池用電極を効率的に製造することができる。
【００１０】
本発明における蒸着法は、スパッタリング法よりも成膜速度の高いものであれば特に限定されるものではなく、電子ビーム蒸着法などの真空蒸着法やその他の蒸着法を採用することかできる。
【００１１】
本発明において活物質として用いられる材料は、リチウムを吸蔵・放出することができるものであれば、特に限定されるものではないが、リチウムと合金化することによりリチウムを吸蔵する材料が好ましく用いられる。このような材料としては、シリコン、ゲルマニウム、錫、鉛、亜鉛、マグネシウム、ナトリウム、アルミニウム、カリウム、インジウムなどが挙げられる。これらの中でも、特にシリコンがその高い理論容量から好ましく用いられる。シリコンは、非晶質シリコンまたは微結晶シリコンであることが好ましい。
【００１２】
また、集電体の両面に活物質薄膜を形成する場合には、集電体の両面に界面層及び活物質層を形成することが好ましい。
本発明において、界面層の厚みは１μｍ以下であることが好ましい。界面層の厚みが厚くなると、高い成膜速度で形成することができる活物質層の厚みが相対的に薄くなるので、全体としての薄膜形成速度が低下し、本発明の目的である高い成膜速度が得られない場合がある。界面層の厚みは０．０１μｍ以上であることが好ましい。従って、本発明における界面層の好ましい厚みの範囲は０．０１〜１μｍの範囲である。
【００１３】
本発明において、界面層を形成するスパッタリング法も、活物質層を形成する蒸着法も、いずれも減圧雰囲気下で薄膜を形成する方法である。従って、本発明においては、界面層の形成及び活物質層の形成が、減圧雰囲気を保持したまま連続して行われることが好ましい。また、大気にさらすことなく連続形成することによって、不純物の混入を防止できる。従って、同一の薄膜形成装置内で、界面層と活物質層が形成されることが好ましい。この場合、集電体を移動させながら界面層の形成及び活物質層の形成が行われることが好ましい。
【００１４】
本発明において、集電体の両面に活物質薄膜を形成する場合、集電体の一方面に対する界面層及び活物質層の形成と、集電体の他方面に対する界面層及び活物質層の形成が減圧雰囲気を保持したまま連続して行われることが好ましい。
【００１５】
本発明は、リチウム二次電池用電極を製造する方法であり、負極及び正極のいずれの製造にも適用することができるものであるが、活物質として、上記のシリコンなどの材料を用いる場合には、一般には負極として用いられる。
【００１６】
本発明において用いられる集電体は、リチウムと合金化しない金属から形成されることが好ましく、このような材料として、銅、銅を含む合金、ニッケル、ステンレスなどが挙げられる。集電体は、これらの材料の２種以上を積層したものであってもよい。
【００１７】
本発明において、界面層と活物質層は一般には同種の材料から形成されるが、
異なる材料であってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。
【００１９】
（実験１）
〔負極の作製〕
集電体として、表面に電解法で銅を析出させることにより、表面を粗面化した圧延銅箔（厚み２６μｍ）を用い、この集電体の上に図１に示す薄膜形成装置を用いて、シリコン薄膜を形成した。
【００２０】
図１に示すように、この薄膜形成装置６内には、スパッタ源４及び蒸着源５が設けられている。集電体１はローラー２及びローラー３に巻き取られており、ローラー２とローラー３の間に位置する支持ローラー７の外周面に沿ってローラー２からローラー３に、あるいはローラー３からローラー２に移動する。
【００２１】
スパッタ源４と対向する領域において、集電体１の上にスパッタリング法により薄膜が形成され、蒸着源５と対向する領域において、集電体１の上に蒸着法により薄膜が形成される。
【００２２】
スパッタ源４としては、９９．９９９％のシリコン単結晶からなるターゲットを用い、このターゲットに高周波電源を接続することによりスパッタ源４としている。蒸着源５は、電子ビーム蒸着法による蒸着源であり、蒸着材料としては９９．９９９％の小粒状シリコンを用いている。
【００２３】
まず、集電体１をローラー２に巻き取った状態としておき、集電体１を矢印Ａ方向に断続的に移動させ、ローラー３でこれを巻き取りながら、集電体１の上の所定の領域にスパッタ源４を用いてシリコン薄膜を堆積させて界面層を形成した。このときのスパッタリング条件を表１に示す。なお、雰囲気ガスとしてはアルゴン（Ａｒ）ガスを用いた。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
以上のようにして、界面層を形成した集電体１をローラー３に巻き取った後、集電体１を先程とは逆の矢印Ｂ方向に断続的に移動させ、これをローラー２で巻き取りながら、蒸着源５によりシリコン薄膜を集電体１上の界面層の上に堆積させて活物質層を形成した。このときの蒸着条件を表２に示す。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
実施例１〜４においては、表３に示す膜厚の界面層及び活物質層を形成した。また、比較例１においては、界面層を形成せずに、集電体の上に直接スパッタリング法により活物質層を表３に示す膜厚となるように形成した。比較例２においては、界面層を形成せずに、集電体の上に直接蒸着法により活物質層を表３に示す膜厚となるように形成した。
【００２８】
実施例１〜４及び比較例１〜２で形成した各シリコン薄膜についてラマン発光分析を行い、その結晶性を同定した。その結果、いずれのシリコン薄膜についても、４８０ｃｍ-1近傍のピークが実質的に認められたものの、５２０ｃｍ-1近傍のピークが実質的に認められなかった。このことから、いずれのシリコン薄膜も非晶質シリコン薄膜であることが確認された。
【００２９】
なお、シリコン薄膜は、マスクを用いて、集電体上の２．５ｃｍ×２．５ｃｍの領域に限定的に形成している。以上のようにしてシリコン薄膜を形成した集電体から、２．５ｃｍ×２．５ｃｍのシリコン薄膜の領域が含まれるように切り出し、シリコン薄膜が形成されていない集電体の領域の上に負極タブを取り付け、負極を完成した。
【００３０】
〔正極の作製〕
ＬｉＣｏＯ2粉末９０重量部、及び導電材としての人造黒鉛粉末５重量部を、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレンを５重量部含む５重量％のＮ−メチルピロリドン水溶液に混合し、正極合剤スラリーとした。このスラリーをドクターブレード法により、正極集電体であるアルミニウム箔（厚み１８μｍ）の２ｃｍ×２ｃｍの領域の上に塗布した後乾燥し、正極活物質層を形成した。正極活物質層を塗布しなかったアルミニウム箔の領域の上に正極タブを取り付け、正極を完成した。
【００３１】
〔電解液の作製〕
エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの等体積混合溶媒に、ＬｉＰＦ6を１モル／リットル溶解して電解液を調製し、これを以下の電池の作製において用いた。
【００３２】
〔電池の作製〕
図４は、作製したリチウム二次電池を示す斜視図である。図５は、作製したリチウム二次電池を示す断面模式図である。図５に示すように、アルミラミネートフィルムからなる外装体４０内に、正極及び負極が挿入されている。負極集電体４１の上には負極活物質としてのシリコン薄膜４２が設けられており、正極集電体４３の上には正極活物質層４４が設けられている。シリコン薄膜４２と正極活物質層４４は、セパレーター４５を介して対向するように配置されている。外装体４０内には、上記の電解液４６が注入されている。外装体４０の端部は溶着により封口されており、封口部４０ａが形成されている。負極集電体４１に取り付けられた負極タブ４７は、この封口部４０ａを通り外部に取り出されている。なお、図５に図示されないが、正極集電体４３に取り付けられた正極タブ４８も、同様に封口部４０ａを通り外部に取り出されている。
【００３３】
〔充放電サイクル試験〕
上記のようにして作製したリチウム二次電池について、充放電サイクル試験を行った。充放電の条件は、充電電流９ｍＡで充電終止容量９ｍＡｈとなるまで充電した後、放電電流９ｍＡで放電終止電圧２．７５Ｖとなるまで放電し、これを１サイクルの充放電として、各電池について、１サイクル目、５サイクル目、及び２０サイクル目における放電容量及び充放電効率を求めた。結果を表３に示す。
【００３４】
【表３】
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【００３５】
実施例１と比較例１との比較から明らかなように、活物質薄膜をスパッタリング法のみで形成すると、集電体が長時間高温にさらされるため、集電体が硬化することがわかる。集電体が硬化すると、電池を作製する際所定の形状に電極を変形することができなくなるなどの問題を生じる。また、実施例１と比較例２との比較から明らかなように、活物質薄膜を蒸着法のみで形成すると、良好な充放電サイクルが得られないことがわかる。これは、蒸着法で形成すると、集電体と活物質薄膜との密着性が良好でないためであると考えられる。
実施例３及び実施例４においては、集電体にわずかな硬化が認められており、界面層の厚みは１．０μｍ以下が好ましいことがわかる。
【００３６】
（実験２）
〔負極の作製〕
図２に示す薄膜形成装置を用いる以外は、実験１と同様にして集電体の上に界面層及び活物質層を形成した。
【００３７】
図２に示す薄膜形成装置１０においては、スパッタ室１１、予備室１２、及び蒸着室１３の３つの部屋に分けられている。スパッタ室１１、蒸着室１３だけでなく、予備室１２も真空排気することによって、スパッタリング用のＡｒガスが蒸着室１３に流入する量を少なくすることができる。スパッタ室１１には、スパッタ源１４が設けられており、蒸着室１３には、蒸着源１５が設けられている。スパッタ源１４及び蒸着源１５は、図１に示す装置のスパッタ源４及び蒸着源５と同様のものである。
【００３８】
集電体１は、ローラー１８に巻き取られており、スパッタ室１１から、予備室１２を通り、蒸着室１３に移動し、ローラー１９に巻き取られる。スパッタ室１１に設けられた支持ローラー１６の上で、スパッタ源１４に対向する領域にスパッタリング法によりシリコン薄膜が堆積し界面層が形成される。集電体１は矢印Ａ方向に移動し、蒸着室１３の支持ローラー１７の上において、蒸着源１５と対向する領域で集電体１上の界面層の上にシリコン薄膜が堆積され、活物質層が形成される。
【００３９】
スパッタリング条件及び蒸着条件は、上記実験１と同様の条件で行った。
表４に示すように、実施例５では、表４に示す膜厚で界面層及び活物質層をそれぞれ形成した。比較例３では、界面層を形成せずに、スパッタリング法により集電体の上に活物質層を表４に示す膜厚となるように形成した。比較例４では、界面層を形成せずに、蒸着法により集電体の上に表４に示す膜厚となるように活物質層を形成した。ここでもマスクを用いて、２．５ｃｍ×２．５ｃｍの領域に界面層及び活物質層を形成している。
【００４０】
〔電池の作製〕
実験１と同様にして正極及び電解液を作製し、上記実施例５及び比較例３〜４の電極を用いて、実験１と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
【００４１】
〔充放電サイクル試験〕
作製した各電池について、実験１と同様にして充放電サイクル試験を行い、その結果を表４に示した。
【００４２】
【表４】
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【００４３】
表４から明らかなように、本発明に従い、スパッタリング法により界面層を形成し、蒸着法によりその上に活物質層を形成することにより、集電体の機械的物性が保たれた状態で、充放電サイクル特性の良好な電極を作製することができる。
【００４４】
（実験３）
図３に示す薄膜形成装置を用いる以外は、上記実験１と同様にして集電体の上にシリコン薄膜を作製した。
【００４５】
図３に示すように、薄膜形成装置２０は、集電体１の一方面に界面層及び活物質層を形成するための、第１のスパッタ室２１、第１の予備室２２、及び第１の蒸着室２３と、集電体の他方面に界面層及び活物質層を形成するための第２のスパッタ室３１、第２の予備室３２、及び第３の蒸着室３３が設けられている。第１の蒸着室２３と、第２のスパッタ室３１の間には、第３の予備室３０が設けられている。
【００４６】
第１のスパッタ室２１には第１のスパッタ源２４が設けられており、第２のスパッタ室３１には第２のスパッタ源３４が設けられている。第１のスパッタ源２４及び第２のスパッタ源３４は、図１に示すスパッタ源４と同様のものである。また、第１の蒸着室２３には、第１の蒸着源２５が設けられており、第２の蒸着室３３には第２の蒸着源３５が設けられている。第１の蒸着源２５及び第２の蒸着源３５は、図１に示す蒸着源５と同様のものである。
【００４７】
集電体１は、第１のスパッタ室２１に設けられたローラー２８に巻き取られており、第１のスパッタ室２１、第１の予備室２２、第１の蒸着室２３、第３の予備室３０、第２のスパッタ室３１、第２の予備室３２を通り、第２の蒸着室３３のローラー３８に巻き取られる。第１のスパッタ室２１では、第１のスパッタ源２４と対向する領域の集電体１の一方面上に、スパッタリング法によりシリコン薄膜が堆積し、界面層が形成される。第１の蒸着室２３では、第１の蒸着源２５と対向する領域の集電体１の一方面上の界面層の上にシリコン薄膜が堆積し、活物質層が形成される。
【００４８】
次に、第３の予備室３０を通り、第２のスパッタ室３１に集電体１が供給されるが、このとき先程界面層及び活物質層を形成した面と反対側の面が表側となり、支持ローラー３６の上を通る。第２のスパッタ室３１では、第２のスパッタ源３４と対向する領域の集電体上にシリコン薄膜が堆積される。従って、集電体の他方面の上に界面層が形成される。界面層が形成された集電体１は第２の予備室３２を通り、第３の蒸着室３３に送られる。第３の蒸着室３３では、蒸着源３５と対向する領域の集電体１上の界面層の上にシリコン薄膜が堆積され、活物質層が形成される。
【００４９】
以上のようにして集電体の両面の所定領域にそれぞれ界面層及び活物質層が形成された後、ローラー３８に巻き取られる。
表５に示すように、実施例６では、集電体の両面上に表５に示す膜厚で界面層及び活物質層をそれぞれ形成した。比較例５は、集電体の両面上にスパッタリング法のみでシリコン薄膜を形成した。比較例６では、集電体の両面上に蒸着法のみでシリコン薄膜を形成した。ここでもマスクを用いて、２．５ｃｍ×２．５ｃｍの領域に界面層及び活物質層を形成している。
上記実験１と同様にして、実施例６及び比較例５〜６の電極を作製した。
【００５０】
〔電池の作製〕
実験１と同様にして、上記実施例６及び比較例５〜６の電極を用い、リチウム二次電池を作製した。
【００５１】
〔充放電サイクル試験〕
以上のようにして作製した各リチウム二次電池について、実験１と同様にして充放電サイクル特性を評価した。評価結果を表５に示す。
【００５２】
【表５】
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【００５３】
表５に示す結果から明らかなように、本発明に従い集電体の両面上にそれぞれスパッタリング法により界面層を形成し、蒸着法により活物質層を形成した実施例６においては、集電体の機械的特性が維持された状態で、充放電サイクル特性に優れた電極を作製することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、集電体の機械的特性を低下させずに、高い成膜速度で活物質薄膜を集電体上に堆積させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う実施例において用いた薄膜形成装置を示す模式的断面図。
【図２】本発明に従う実施例において用いた薄膜形成装置を示す模式的断面図。
【図３】本発明に従う実施例において用いた薄膜形成装置を示す模式的断面図。
【図４】本発明に従う実施例において作製したリチウム二次電池を示す斜視図。
【図５】本発明に従う実施例において作製したリチウム二次電池を示す断面模式図。
【符号の説明】
１…集電体
２，３，１８，１９，２８，３８…ローラー
４，１４，２４，３４…スパッタ源
５，１５，２５，３５…蒸着源
７，１６，１７，２６，２７，３６，３７…支持ローラー
１１，２１，３１…スパッタ室
１２，２２，３０，３２…予備室
１３，２３，３３…蒸着室
【図１】
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【図２】
0003913490.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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