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JP2008293970A - Electrode for electrochemical element and method of manufacturing the same - Google Patents

Electrode for electrochemical element and method of manufacturing the same Download PDF

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JP2008293970A JP2008114319A JP2008114319A JP2008293970A JP 2008293970 A JP2008293970 A JP 2008293970A JP 2008114319 A JP2008114319 A JP 2008114319A JP 2008114319 A JP2008114319 A JP 2008114319A JP 2008293970 A JP2008293970 A JP 2008293970A
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active material
material layer
lithium
electrode
current collector
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Japanese (ja)
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Kokukiyo Kashiwagi
克巨 柏木
Toshitada Sato
俊忠 佐藤
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Panasonic Corp
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Panasonic Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately compensate lithium equivalent to irreversible capacity in an active material layer of an electrode for an electrochemical element. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the electrode for the electrochemical element, includes (i) a first step of supplying an active material on a surface of a collector to form an active material layer without lithium compensated, (ii) a second step of spraying moisture removal gas onto the active material layer without lithium compensated in decompressed atmosphere, (iii) after the second step, a third step of making the active material layer without lithium compensated absorb lithium to obtain an active material layer with lithium compensated. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気化学素子用電極およびその製造方法に関し、詳しくは不可逆容量に相当するリチウムを短時間で精度良く活物質層の前駆体に補填する技術に関する。   The present invention relates to an electrode for an electrochemical device and a method for producing the same, and more particularly to a technique for supplementing lithium corresponding to an irreversible capacity with a precursor of an active material layer with high accuracy in a short time.

近年、電子機器のポータブル化および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、電力貯蔵装置や電気自動車用の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、高電圧でエネルギー密度が高い電気化学素子、とりわけ非水電解質二次電池が、これらの用途の電源として期待されている。   2. Description of the Related Art In recent years, electronic devices have become rapidly portable and cordless, and there is an increasing demand for secondary batteries that are small, light, and have high energy density as power sources for driving these devices. In addition to small-sized consumer applications, technological developments for large-sized secondary batteries that require long-term durability and safety for power storage devices and electric vehicles are also accelerating. From such a viewpoint, an electrochemical element having a high voltage and a high energy density, particularly a nonaqueous electrolyte secondary battery, is expected as a power source for these applications.

非水電解質二次電池は、正極、負極、これらの間に介在するセパレータ、および非水電解質を具備する。正極には、活物質として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)などが用いられている。セパレータには、主としてポリオレフィン製の微多孔膜が用いられている。非水電解質には、LiBF4、LiPF6等のリチウム塩を非プロトン性の有機溶媒に溶解した非水電解液などが用いられている。 The non-aqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed therebetween, and a non-aqueous electrolyte. For the positive electrode, lithium cobalt oxide (for example, LiCoO 2 ) having a high potential with respect to lithium as an active material, excellent in safety, and relatively easy to synthesize is used. For the separator, a microporous membrane made mainly of polyolefin is used. As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte solution in which a lithium salt such as LiBF 4 or LiPF 6 is dissolved in an aprotic organic solvent is used.

負極には、活物質として黒鉛などの炭素材料が用いられている。しかし、黒鉛は、理論上、炭素原子6個に対してリチウム原子を1個しか吸蔵できないため、黒鉛の理論容量密度は372mAh/gである。よって、不可逆容量による容量ロスを勘案すると、黒鉛は310〜330mAh/g程度の容量しか有さない。不可逆容量は、充電時に負極活物質に吸蔵されたままで、放電時に正極活物質に戻れないリチウムに相当する。   For the negative electrode, a carbon material such as graphite is used as an active material. However, since graphite can occlude only one lithium atom with respect to six carbon atoms in theory, the theoretical capacity density of graphite is 372 mAh / g. Therefore, considering capacity loss due to irreversible capacity, graphite has a capacity of only about 310 to 330 mAh / g. The irreversible capacity corresponds to lithium that is stored in the negative electrode active material during charging and cannot return to the positive electrode active material during discharge.

一方、理論容量密度の高い活物質として、リチウムと合金化する珪素(Si)、錫(Sn)もしくはゲルマニウム(Ge)が期待されている。Si、SnおよびGeの単体、酸化物、合金などが検討されているが、中でも安価なSiおよびSi酸化物が幅広く検討されている。   On the other hand, silicon (Si), tin (Sn), or germanium (Ge) that is alloyed with lithium is expected as an active material having a high theoretical capacity density. Si, Sn, and Ge simple substances, oxides, alloys, and the like have been studied. Among them, inexpensive Si and Si oxides have been widely studied.

しかし、SiおよびSi酸化物は、不可逆容量が大きいため、正極に不可逆容量に相当する量の活物質をさらに追加する必要があり、電池設計容量は思うほど高くならない。そこで、不可逆容量に相当するリチウムを補填する技術が提案されている。
例えば、正極の活物質層と対向していない負極の活物質層の表面に、金属リチウムを貼り付けることにより、不可逆容量に相当するリチウムを補填できる(特許文献1参照)。
また、正極、負極、セパレータのうち少なくとも一つの表面に、リチウム粉末層を形成する技術が提案されている(特許文献2参照)。
さらに、真空蒸着法あるいはイオンプレーティング法などの乾式成膜法により、リチウム金属層を負極上に形成し、乾燥雰囲気中あるいは電解液中で保存して負極の活物質層にリチウムを吸蔵させ、初回の充放電効率を向上させる技術が提案されている(特許文献3参照)。
特開2002−075454号公報 特開2005−317551号公報 特開2005−038720号公報
However, since Si and Si oxide have a large irreversible capacity, it is necessary to further add an active material in an amount corresponding to the irreversible capacity to the positive electrode, and the battery design capacity is not increased as expected. Thus, a technique for compensating for lithium corresponding to the irreversible capacity has been proposed.
For example, lithium corresponding to an irreversible capacity can be compensated by attaching metallic lithium to the surface of the negative electrode active material layer not facing the positive electrode active material layer (see Patent Document 1).
Further, a technique for forming a lithium powder layer on at least one surface of a positive electrode, a negative electrode, and a separator has been proposed (see Patent Document 2).
Furthermore, a lithium metal layer is formed on the negative electrode by a dry film-forming method such as a vacuum deposition method or an ion plating method, and is stored in a dry atmosphere or in an electrolytic solution to store lithium in the active material layer of the negative electrode. A technique for improving the initial charge / discharge efficiency has been proposed (see Patent Document 3).
JP 2002-075454 A JP 2005-317551 A JP 2005-038720 A

Si、Si酸化物などの不可逆容量は、大きいとはいえ、リチウム層の厚さに換算すると1〜20μm程度の量である。これを踏まえると、局部的にリチウムを多量に設けた特許文献1や、リチウム粉末の分散性に疑問がある特許文献2と比べて、特許文献3は負極に均一にリチウムを補填する技術として有望と思われる。しかし、特許文献3の技術を用いても、不可逆容量を補填して初回の充放電効率を十分に向上させることは困難である。   Although the irreversible capacity of Si, Si oxide, etc. is large, it is about 1 to 20 μm in terms of the thickness of the lithium layer. Based on this, Patent Document 3 is promising as a technology for uniformly filling lithium in the negative electrode, compared to Patent Document 1 in which a large amount of lithium is locally provided and Patent Document 2 in which the dispersibility of lithium powder is questionable. I think that the. However, even using the technique of Patent Document 3, it is difficult to sufficiently improve the initial charge / discharge efficiency by compensating for the irreversible capacity.

本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、不可逆容量に相当するリチウムを効率的に補填でき、かつ量産に適した電極の製造方法を提供することを目的とする。本発明は、非水電解質二次電池などの電気化学素子を高容量化するために、高容量な活物質を用いる場合に特に有効である。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an electrode manufacturing method that can efficiently compensate for lithium corresponding to irreversible capacity and is suitable for mass production. The present invention is particularly effective when a high-capacity active material is used to increase the capacity of an electrochemical element such as a non-aqueous electrolyte secondary battery.

本発明は、導電性を有する集電体と、集電体の表面に配置されたリチウムを吸蔵および放出する活物質層と、を有する電極の製造方法であって、
(i)集電体の表面に活物質を供給して、リチウム未補填の活物質層を形成する第1の工程と、
(ii)減圧雰囲気中でリチウム未補填の活物質層に水分除去用気体を吹き付ける第2の工程と、
(iii)第2の工程の後、リチウム未補填の活物質層にリチウムを吸蔵させて、リチウムが補填された活物質層を得る第3の工程と、を含む電気化学素子用電極の製造方法に関する。
The present invention is a method of manufacturing an electrode having a conductive current collector, and an active material layer that occludes and releases lithium disposed on the surface of the current collector,
(I) a first step of supplying an active material to the surface of the current collector to form an active material layer not filled with lithium;
(Ii) a second step of spraying a moisture removal gas on the active material layer not filled with lithium in a reduced-pressure atmosphere;
(Iii) after the second step, a third step of obtaining an active material layer filled with lithium by occluding lithium in the active material layer not filled with lithium, and a method for producing an electrode for an electrochemical device About.

第2の工程では、水分除去用気体の温度を、100℃以上、300℃以下に設定することが好ましい。
第2の工程では、リチウム未補填の活物質層を冷却しながら、活物質層に気体を吹き付けることが好ましい。
リチウム未補填の活物質層に吹き付ける水分除去用気体は、非酸化性の気体であることが好ましい。
本発明は、活物質が、珪素、錫およびゲルマニウムよりなる群から選択される少なくとも1種を含む場合に、特に有効である。
第2の工程は、減圧雰囲気の圧力が613Pa以下である状態で行うことが好ましい。
本発明は、更に、上記の製造方法により得られた電気化学素子用電極に関する。
In the second step, the temperature of the moisture removing gas is preferably set to 100 ° C. or higher and 300 ° C. or lower.
In the second step, it is preferable to blow a gas onto the active material layer while cooling the lithium-unfilled active material layer.
It is preferable that the moisture removing gas sprayed on the active material layer not filled with lithium is a non-oxidizing gas.
The present invention is particularly effective when the active material contains at least one selected from the group consisting of silicon, tin, and germanium.
The second step is preferably performed in a state where the pressure in the reduced-pressure atmosphere is 613 Pa or less.
The present invention further relates to an electrode for an electrochemical device obtained by the above production method.

活物質層の表面に水分が吸着した場合、吸着水分とリチウムとが反応し、一部のリチウムが不活性化する。そのため、投入したリチウムの全てが不可逆容量の補填に用いられなくなる。さらに、水分により不活性化するリチウムの量を把握し、制御することは極めて困難である。そこで、第2の工程において、リチウム未補填の活物質層に、水分除去用気体(例えば熱風)を吹き付ける。これにより、活物質層に吸着した水分を円滑に除去することができ、第3の工程において、不活性化するリチウム量を低減することができる。すなわち、不可逆容量に相当するリチウムを、精度良く、活物質層に吸蔵させることができる。   When moisture is adsorbed on the surface of the active material layer, the adsorbed moisture reacts with lithium, and a part of lithium is inactivated. For this reason, all of the supplied lithium is not used to compensate for the irreversible capacity. Furthermore, it is extremely difficult to grasp and control the amount of lithium that is inactivated by moisture. Therefore, in the second step, moisture removal gas (for example, hot air) is blown onto the lithium-unfilled active material layer. Thereby, the water | moisture content adsorb | sucked to the active material layer can be removed smoothly, and the amount of lithium inactivated in a 3rd process can be reduced. That is, lithium corresponding to the irreversible capacity can be stored in the active material layer with high accuracy.

本発明によれば、不可逆容量に相当するリチウムを、精度良く、活物質層に補填できる。よって、活物質にSi、Si酸化物などの高容量な材料を用いる場合でも、精度良く、電気化学素子用電極を量産することが可能になる。   According to the present invention, lithium corresponding to the irreversible capacity can be accurately supplemented to the active material layer. Therefore, even when a high-capacity material such as Si or Si oxide is used for the active material, it is possible to mass-produce the electrodes for electrochemical elements with high accuracy.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ここでは、電気化学素子として非水電解質二次電池を、電極として負極を例にとって説明する。
まず、第1の工程について説明する。
第1の工程では、集電体の表面に活物質を供給して、リチウム未補填の活物質層を形成する。この工程は、図1に示すような装置を用いて行うことができる。
図1の装置は、真空ポンプ17により内部を減圧可能なチャンバ16と、その中に設置された蒸着システムとを具備する。
蒸着システムは、集電体19を供給する巻出しロール11、第1蒸着ゾーンを形成する成膜ロールA14a、成膜ロールAの下部に設置された蒸着ソース13a、第2蒸着ゾーンを形成する成膜ロールB14b、成膜ロールBの下部に設置された蒸着ソース13b、両面に活物質層が形成された集電体を回収する巻取りロール15を具備する。
集電体19は、巻出しロール11から巻取りロール15に向けて走行する。巻出しロール11から供給された集電体19は、搬送ロール10aを通過し、成膜ロールAの周面に沿って走行する。第1蒸着ゾーンでは、集電体の第1表面が成膜ロールAの周面と接した状態で、第2表面が蒸発材料に暴露される。
集電体19は、第1蒸着ゾーンを通過した後、搬送ロール10b、10c、10d、10eを通過し、その間に裏返しになり、その後、成膜ロールBの周面に沿って走行する。第2蒸着ゾーンでは、集電体の第2表面が成膜ロールBの周面と接した状態で、第1表面が蒸発材料に暴露される。
蒸着ソース13a、13bは、それぞれ、るつぼ13x、13yに充填されている。電子ビーム照射、抵抗加熱などの方法で、蒸着ソース13a、13bを蒸発させることにより、第1蒸着ゾーン、第2蒸着ゾーンに蒸発材料を供給する。
図1の装置では、第1蒸着ゾーン、第2蒸着ゾーンに、それぞれ所定の開口を有するマスク12a、12bを設置することにより、活物質層を形成する集電体面積を制御している。蒸発材料は、各ゾーンで集電体の表面に堆積し、リチウム未補填の活物質層を形成する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a nonaqueous electrolyte secondary battery will be described as an example of an electrochemical element, and a negative electrode will be described as an example of an electrode.
First, the first step will be described.
In the first step, an active material is supplied to the surface of the current collector to form an active material layer not filled with lithium. This step can be performed using an apparatus as shown in FIG.
The apparatus of FIG. 1 includes a chamber 16 whose inside can be decompressed by a vacuum pump 17 and a vapor deposition system installed therein.
The vapor deposition system includes an unwinding roll 11 for supplying a current collector 19, a film forming roll A 14 a for forming a first vapor deposition zone, a vapor deposition source 13 a installed under the film forming roll A, and a component for forming a second vapor deposition zone. A film roll B14b, a vapor deposition source 13b installed below the film formation roll B, and a winding roll 15 for collecting a current collector having active material layers formed on both sides are provided.
The current collector 19 travels from the unwinding roll 11 toward the winding roll 15. The current collector 19 supplied from the unwinding roll 11 passes along the transport roll 10 a and travels along the peripheral surface of the film forming roll A. In the first vapor deposition zone, the second surface is exposed to the evaporation material while the first surface of the current collector is in contact with the peripheral surface of the film forming roll A.
After passing through the first vapor deposition zone, the current collector 19 passes through the transport rolls 10b, 10c, 10d, and 10e, turns inside out, and then travels along the peripheral surface of the film forming roll B. In the second vapor deposition zone, the first surface is exposed to the evaporation material while the second surface of the current collector is in contact with the peripheral surface of the film forming roll B.
The vapor deposition sources 13a and 13b are filled in crucibles 13x and 13y, respectively. By evaporating the vapor deposition sources 13a and 13b by methods such as electron beam irradiation and resistance heating, an evaporation material is supplied to the first vapor deposition zone and the second vapor deposition zone.
In the apparatus of FIG. 1, the current collector area for forming the active material layer is controlled by installing masks 12a and 12b having predetermined openings in the first vapor deposition zone and the second vapor deposition zone, respectively. The evaporation material is deposited on the surface of the current collector in each zone to form an active material layer that is not filled with lithium.

蒸着ゾーン付近にガスノズル18a、18bを設置し、ガスノズルから反応性気体を蒸発材料に流入させることにより、蒸発材料と反応性気体とを反応させ、反応生成物で構成された活物質層を形成することもできる。例えば、ガスノズル18から反応性気体として酸素を導入する。この場合、蒸着ソース13から供給される材料の酸化物を、集電体19の表面に蒸着させることができ、酸化物からなる活物質層を得ることができる。   Gas nozzles 18a and 18b are installed in the vicinity of the vapor deposition zone, and a reactive gas is allowed to flow into the evaporation material from the gas nozzle, whereby the evaporation material and the reactive gas are reacted to form an active material layer composed of a reaction product. You can also For example, oxygen is introduced as a reactive gas from the gas nozzle 18. In this case, the oxide of the material supplied from the vapor deposition source 13 can be vapor-deposited on the surface of the current collector 19, and an active material layer made of the oxide can be obtained.

次に、第2の工程について説明する。第2の工程では、減圧雰囲気中で、リチウム未補填の活物質層に水分除去用気体を吹き付ける。この工程は、図2に示すような装置を用いて行うことができる。
図2の装置は、真空ポンプ31により内部を減圧可能なチャンバ30と、その中に設置された水分除去システムと、蒸着システムとを具備する。
水分除去システムは、両面に活物質層が形成された集電体(以下、電極前駆体23)を供給する巻出しロール21と、水分除去用気体を噴射するガスノズル24とを有する。
巻出しロール11から供給された電極前駆体23は、搬送ロール20a、20bを通過した後、ガスノズル24の近傍を通過する。その際、ガスノズル24から吹き出した水分除去用気体が活物質層に衝突し、活物質層から水分が円滑に除去される。活物質層に吸着した水分を除去することにより、続く第3の工程において、後述するように、不活性化するリチウム量を低減することができる。
水分除去用気体は、ヒーター25で加熱し、熱風として活物質層に吹き付けることが好ましい。水分除去用気体を昇温する場合、昇温しない場合に比べて、水分の除去がより円滑に行われる。
Next, the second step will be described. In the second step, moisture removal gas is sprayed on the active material layer not filled with lithium in a reduced-pressure atmosphere. This step can be performed using an apparatus as shown in FIG.
The apparatus of FIG. 2 includes a chamber 30 whose inside can be decompressed by a vacuum pump 31, a water removal system installed therein, and a vapor deposition system.
The moisture removal system includes an unwinding roll 21 that supplies a current collector (hereinafter referred to as an electrode precursor 23) having an active material layer formed on both sides, and a gas nozzle 24 that injects a moisture removal gas.
The electrode precursor 23 supplied from the unwinding roll 11 passes through the vicinity of the gas nozzle 24 after passing through the transport rolls 20a and 20b. At that time, the moisture removing gas blown from the gas nozzle 24 collides with the active material layer, and the moisture is smoothly removed from the active material layer. By removing the water adsorbed on the active material layer, the amount of lithium to be deactivated can be reduced in the subsequent third step, as will be described later.
The moisture removing gas is preferably heated by the heater 25 and sprayed on the active material layer as hot air. When the temperature of the moisture removing gas is raised, the moisture is removed more smoothly than when the temperature is not raised.

第3の工程は、第2の工程に引き続き、図2の装置内で行われる。第3の工程では、リチウム未補填の活物質層にリチウムを吸蔵させる操作が行われる。
水分除去用気体が吹き付けられた後、電極前駆体23は、搬送ロール20c、20d、20e、20fを通過し、蒸着システムに送られる。
蒸着システムは、蒸着ゾーンを形成する成膜ロール27、成膜ロール27の下部に設置された蒸着ソース28、リチウムが補填された電極を回収する巻取りロール22を具備する。
電極前駆体23は、搬送ロール20fを通過した後、成膜ロール27の周面に沿って走行する。蒸着ゾーンでは、集電体の一方の表面に形成された活物質層が成膜ロールの周面と接した状態で、他方の表面に形成された活物質層がリチウムの蒸気に暴露される。
図2の装置では、蒸着ゾーンに、所定の開口を有するマスク29を設置することにより、リチウムを吸蔵させる活物質層の面積を制御している。
リチウムの蒸気を供給する蒸着ソース28は、るつぼ28xに充填されている。蒸着ソース28には、金属リチウムを用いることができる。電子ビーム照射、抵抗加熱などの方法で、蒸着ソース28を蒸発させることにより、蒸着ゾーンにリチウムの蒸気を供給する。
集電体を裏返し、第2の工程および第3の工程を繰り返すことにより、反対側の活物質層にもリチウムを補填することができる。
The third step is performed in the apparatus of FIG. 2 following the second step. In the third step, an operation of occluding lithium in the active material layer not filled with lithium is performed.
After the moisture removing gas is sprayed, the electrode precursor 23 passes through the transport rolls 20c, 20d, 20e, and 20f and is sent to the vapor deposition system.
The vapor deposition system includes a film forming roll 27 that forms a vapor deposition zone, a vapor deposition source 28 installed under the film forming roll 27, and a winding roll 22 that collects an electrode supplemented with lithium.
The electrode precursor 23 travels along the peripheral surface of the film forming roll 27 after passing through the transport roll 20f. In the vapor deposition zone, the active material layer formed on one surface of the current collector is exposed to lithium vapor while the active material layer formed on the other surface is in contact with the peripheral surface of the film-forming roll.
In the apparatus of FIG. 2, the area of the active material layer that occludes lithium is controlled by installing a mask 29 having a predetermined opening in the vapor deposition zone.
The evaporation source 28 for supplying lithium vapor is filled in the crucible 28x. Metallic lithium can be used for the vapor deposition source 28. By evaporating the vapor deposition source 28 by a method such as electron beam irradiation or resistance heating, lithium vapor is supplied to the vapor deposition zone.
By flipping the current collector and repeating the second and third steps, lithium can be supplemented to the active material layer on the opposite side.

第3の工程において、活物質層の表面に水分が存在すると、吸着された水分とリチウムとが反応し、活物質層の表面に反応生成物からなる被膜が形成されることがある。一旦この被膜が形成されると、引き続き蒸着ソース28から供給されるリチウムは、この被膜の上に堆積するだけで、活物質層に吸蔵されない。そのため、不可逆容量に相当するリチウムが活物質層に補填されないという不具合が生じる。
また、被膜が形成された電極を用いて電池を構成し、充放電を行うと、反応面積が減少するため、容量が低下する。
更に、真空蒸着法でリチウムを吸蔵させる場合、蒸着する時の熱で、活物質層に付着した水分が水蒸気となり、その一部が活物質層に到達する前のリチウムと反応する。よって、リチウムの一部が不活性化してしまい、投入したリチウムの全てが不可逆容量の補填に用いられなくなる。
In the third step, when moisture is present on the surface of the active material layer, the adsorbed moisture and lithium may react to form a film made of a reaction product on the surface of the active material layer. Once this film is formed, the lithium supplied from the vapor deposition source 28 is only deposited on this film and is not occluded in the active material layer. For this reason, there arises a problem that lithium corresponding to the irreversible capacity is not supplemented in the active material layer.
In addition, when a battery is configured using an electrode on which a film is formed and charging / discharging is performed, the reaction area decreases, and thus the capacity decreases.
Further, in the case where lithium is occluded by a vacuum deposition method, moisture attached to the active material layer becomes water vapor due to heat during vapor deposition, and a part thereof reacts with lithium before reaching the active material layer. Therefore, a part of lithium is inactivated, and all of the charged lithium is not used for irreversible capacity compensation.

一方、活物質層に吸着した水分を除去することにより、活物質層に補填されないリチウム量や、不活性化するリチウム量を低減することができる。すなわち、不可逆容量に相当するリチウムを、精度良く、活物質層に吸蔵させることができるようになる。   On the other hand, by removing moisture adsorbed on the active material layer, it is possible to reduce the amount of lithium that is not compensated for in the active material layer and the amount of lithium that is inactivated. That is, lithium corresponding to the irreversible capacity can be stored in the active material layer with high accuracy.

第2の工程では、水分除去用気体の温度を、100℃以上、300℃以下に設定することが好ましく、200〜300℃に設定することが更に好ましい。水分除去用気体の温度が100℃未満になると、昇温による効果、すなわち活物質層からの水分除去を促進する効果が低減する。一方、気体の温度が300℃を超えると、活物質層を保持する集電体が軟化する場合がある。その結果、電気化学素子を構成して充放電を繰り返した場合に、活物質層の膨張収縮による応力の影響を受けやすくなる。
活物質層に吹き付ける水分除去用気体の温度は、例えばエアノズルの先端に熱電対を設置することにより測定できる。この場合、気体の温度は、エアノズルの先端近傍の温度と同一と見なすことができる。
In the second step, the temperature of the moisture removing gas is preferably set to 100 ° C. or more and 300 ° C. or less, and more preferably 200 to 300 ° C. When the temperature of the moisture removing gas is less than 100 ° C., the effect of increasing the temperature, that is, the effect of promoting moisture removal from the active material layer is reduced. On the other hand, when the temperature of the gas exceeds 300 ° C., the current collector that holds the active material layer may be softened. As a result, when the electrochemical device is configured and charging / discharging is repeated, it becomes susceptible to the stress due to the expansion and contraction of the active material layer.
The temperature of the moisture removing gas sprayed on the active material layer can be measured, for example, by installing a thermocouple at the tip of the air nozzle. In this case, the temperature of the gas can be regarded as the same as the temperature near the tip of the air nozzle.

第2の工程では、リチウム未補填の活物質層を冷却しながら、活物質層に水分除去用気体を吹き付けることが好ましい。活物質層に熱風を吹き付けると、活物質層および集電体自体の温度が上昇して、集電体が軟化し、不具合が生じやすくなる。
例えば、図2のように、冷却キャン26で活物質層23を冷却することにより、活物質層23の温度上昇を抑えながら水分を除去できる。そのため、集電体19の軟化を防いで強度を保ちつつ、効率的に水分を除去できる。
In the second step, it is preferable to spray the moisture removing gas on the active material layer while cooling the lithium-unfilled active material layer. When hot air is blown onto the active material layer, the temperature of the active material layer and the current collector itself rises, the current collector is softened, and defects are likely to occur.
For example, as shown in FIG. 2, by cooling the active material layer 23 with the cooling can 26, moisture can be removed while suppressing the temperature rise of the active material layer 23. Therefore, moisture can be removed efficiently while preventing the current collector 19 from being softened and maintaining strength.

活物質層に吹き付ける気体は、非酸化性の気体であることが好ましい。酸化性の気体を用いた場合、集電体表面が酸化し、活物質と集電体との間の密着性が低下する場合がある。集電体表面の酸化は、気体の温度が高いほど起こりやすい。非酸化性の気体としては、不活性ガス(アルゴン、ヘリウム、窒素など)、還元性ガス(水素など)を用いることができる。活物質層に吹き付ける気体として、水素や窒素を用いる場合、活物質層や集電体の還元や窒化に留意する必要がある。よって、アルゴンやヘリウムを用いることがより好ましい。   The gas sprayed on the active material layer is preferably a non-oxidizing gas. When an oxidizing gas is used, the current collector surface may be oxidized, and the adhesion between the active material and the current collector may be reduced. The oxidation of the current collector surface is more likely to occur as the gas temperature increases. As the non-oxidizing gas, an inert gas (such as argon, helium, or nitrogen) or a reducing gas (such as hydrogen) can be used. When hydrogen or nitrogen is used as the gas blown to the active material layer, attention must be paid to reduction or nitridation of the active material layer or the current collector. Therefore, it is more preferable to use argon or helium.

例えば、非水電解質二次電池の負極を製造する場合、活物質としては、リチウム金属、リチウム合金、炭素材料(黒鉛、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素など)等を用いることができる。ただし、本発明は、活物質が、珪素、錫およびゲルマニウムよりなる群から選択される少なくとも1種を含む場合に、特に有効である。これらの活物質は、高容量である上に、リチウムとの反応性も高い。よって、第3の工程では、活物質層の中にリチウムを迅速に吸蔵させることができる。また、珪素、錫、およびゲルマニウムは、親水性であるため、黒鉛に比べて水分を吸着し易い。よって、活物質層に気体を吹き付けることによる水分除去の効果が大きくなる。これらの活物質は、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。   For example, when manufacturing the negative electrode of a nonaqueous electrolyte secondary battery, lithium metal, a lithium alloy, a carbon material (such as graphite, graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon) can be used as the active material. However, the present invention is particularly effective when the active material contains at least one selected from the group consisting of silicon, tin, and germanium. These active materials have high capacity and high reactivity with lithium. Therefore, in the third step, lithium can be quickly occluded in the active material layer. In addition, silicon, tin, and germanium are hydrophilic and thus easily adsorb moisture compared to graphite. Therefore, the effect of removing moisture by blowing gas on the active material layer is increased. These active materials may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

珪素を含む活物質としては、例えば珪素(単体)、SiOx(0.05<x<1.95)のような珪素酸素物、珪素酸素物の珪素の一部をMg、Ni、Ti、Mo、Co、Ca、Cr、Cu、Fe、Mn、Nb、Ta、V、W、Zn、C、NおよびSnよりなる群から選択される少なくとも1種で置換した化合物などを用いることができる。
錫を含む活物質としては、Ni2Sn4、Mg2Sn、SnOx(0<x<2)、SnO2、SnSiO3、LiSnOなどを用いることができる。
As the active material containing silicon, for example, silicon (simple substance), a silicon oxygen substance such as SiO x (0.05 <x <1.95), a part of silicon of the silicon oxygen substance may be Mg, Ni, Ti, Mo. A compound substituted with at least one selected from the group consisting of Co, Ca, Cr, Cu, Fe, Mn, Nb, Ta, V, W, Zn, C, N, and Sn can be used.
As the active material containing tin, Ni 2 Sn 4 , Mg 2 Sn, SnO x (0 <x <2), SnO 2 , SnSiO 3 , LiSnO, or the like can be used.

珪素酸化物は、酸素含有率が高くなると、水分を吸着し易くなる傾向がある。その原因として、活物質中の酸素が水分と水素結合を形成しやすく、より親水性が増すことが挙げられる。また、反応性蒸着により、例えば珪素酸化物からなる活物質層を形成する場合、酸素をチャンバ内に導入するため、成膜時のチャンバ内の圧力が上昇する。そのため、蒸発ソースから蒸発させた珪素の平均自由工程が短くなり、直進性が低下する。結果として、成膜された活物質層の表面平滑性が低下し、比表面積が大きくなり、水分を吸着し易くなる。   Silicon oxide tends to adsorb moisture as the oxygen content increases. The cause is that oxygen in the active material easily forms hydrogen bonds with moisture, and the hydrophilicity increases. Further, when an active material layer made of, for example, silicon oxide is formed by reactive vapor deposition, oxygen is introduced into the chamber, so that the pressure in the chamber during film formation increases. For this reason, the mean free path of silicon evaporated from the evaporation source is shortened, and the straightness is reduced. As a result, the surface smoothness of the formed active material layer is reduced, the specific surface area is increased, and moisture is easily adsorbed.

図2の装置を用いる場合は、第2の工程に引き続き、減圧されたチャンバ30内で第3の工程を行うが、第2の工程を大気中で行った後、減圧雰囲気中で第3の工程を行っても良い。この場合、工程は煩雑になるが、同様の結果が得られる。ただし、第2の工程の後、活物質層による新たな水分吸着を抑えるために、活物質層を形成した集電体を保存する環境の水分管理を徹底する必要がある。例えば、Arなどの不活性ガス雰囲気中、真空中、露点が−40℃以下の環境で活物質層を形成した集電体を保存することが望ましい。   When the apparatus shown in FIG. 2 is used, the third step is performed in the decompressed chamber 30 after the second step. After the second step is performed in the air, the third step is performed in a reduced pressure atmosphere. A process may be performed. In this case, the process becomes complicated, but the same result can be obtained. However, after the second step, in order to suppress new moisture adsorption by the active material layer, it is necessary to thoroughly manage the moisture in the environment in which the current collector on which the active material layer is formed is stored. For example, it is desirable to store a current collector formed with an active material layer in an atmosphere of an inert gas such as Ar, in a vacuum, and in an environment with a dew point of −40 ° C. or lower.

第2の工程は、減圧雰囲気の圧力が613Pa以下の状態で行うことが好ましい。613Paでは、水の沸点が0℃になる。よって、613Pa以下の条件で第2の工程を行うと、活物質層に含まれる水分が蒸発し易くなり、不活性化するリチウム量を効率良く低減することができる。ここで、第2の工程における圧力の下限値は特に規定されない。   The second step is preferably performed in a state where the pressure in the reduced-pressure atmosphere is 613 Pa or less. At 613 Pa, the boiling point of water is 0 ° C. Therefore, when the second step is performed under a condition of 613 Pa or less, moisture contained in the active material layer is easily evaporated, and the amount of lithium to be deactivated can be efficiently reduced. Here, the lower limit value of the pressure in the second step is not particularly defined.

本発明は、更に、上記の製造方法により得られた電気化学素子用電極に関する。以下、電気化学素子用電極について、更に詳述する。
活物質層の形成方法については特に限定はなく、各種の方法を用いることができる。ただし、第3の工程において、真空蒸着法でリチウムを活物質層に吸蔵させる場合、活物質層中に活物質以外の材料(例えば結着剤や導電剤など)が存在すると、リチウムの吸蔵が妨げられる傾向がある。これを踏まえると、本発明においては、活物質層に含まれる活物質以外の材料は、少ない方が好ましく、活物質のみで活物質層を形成することがより好ましい。活物質のみで活物質層を形成する方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法などの乾式成膜法が挙げられる。
The present invention further relates to an electrode for an electrochemical device obtained by the above production method. Hereinafter, the electrode for an electrochemical element will be described in more detail.
There is no particular limitation on the method for forming the active material layer, and various methods can be used. However, in the third step, when lithium is occluded in the active material layer by a vacuum deposition method, if a material other than the active material (for example, a binder or a conductive agent) exists in the active material layer, the occlusion of lithium is prevented. There is a tendency to be disturbed. In view of this, in the present invention, it is preferable that the number of materials other than the active material contained in the active material layer is small, and it is more preferable that the active material layer is formed of only the active material. Examples of the method of forming the active material layer using only the active material include dry film forming methods such as vacuum deposition, sputtering, and ion plating.

活物質層は、結着剤、導電剤などの任意成分を含むことができる。
結着剤には、例えばポリフッ化ビニリデン(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、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、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、アクリル酸およびヘキサジエンよりなる群から選択された2種以上の材料の共重合体を用いてもよい。結着剤は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。
The active material layer can contain optional components such as a binder and a conductive agent.
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, aramid resin, polyamide, polyimide, polyamideimide, polyacrylonitrile, polyacrylic acid, polyacrylic acid methyl ester, and polyacrylic acid. Ethyl ester, polyacrylic acid hexyl ester, polymethacrylic acid, polymethacrylic acid methyl ester, polymethacrylic acid ethyl ester, polymethacrylic acid hexyl ester, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, polyether, polyethersulfone, hexafluoropolypropylene, Styrene butadiene rubber, carboxymethyl cellulose and the like can be used. Also selected from the group consisting of tetrafluoroethylene, hexafluoroethylene, hexafluoropropylene, perfluoroalkyl vinyl ether, vinylidene fluoride, chlorotrifluoroethylene, ethylene, propylene, pentafluoropropylene, fluoromethyl vinyl ether, acrylic acid and hexadiene. Further, a copolymer of two or more kinds of materials may be used. A binder may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

導電剤には、例えば天然黒鉛、人造黒鉛などのグラファイト類、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、フッ化カーボン、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。   Examples of the conductive agent include graphites such as natural graphite and artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black, and conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber. Metal powders such as carbon fluoride, aluminum, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and organic conductive materials such as phenylene derivatives.

集電体には、導電性基板が使用される。集電体は、金属箔のように無孔体であってもよく、パンチングメタルやスポンジメタルのように多孔体であってもよい。集電体の材質としては、例えばステンレス鋼、ニッケル、銅などが用いられる。集電体の厚さは、特に限定されないが、5〜100μmが好ましく、8〜50μmがより好ましい。集電体の厚さがこの範囲であれば、電極の引張強度を保持しつつ、電極を軽量化することができる。   A conductive substrate is used for the current collector. The current collector may be a non-porous material such as a metal foil, or may be a porous material such as punching metal or sponge metal. As the material of the current collector, for example, stainless steel, nickel, copper or the like is used. Although the thickness of a collector is not specifically limited, 5-100 micrometers is preferable and 8-50 micrometers is more preferable. If the thickness of the current collector is within this range, the electrode can be reduced in weight while maintaining the tensile strength of the electrode.

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
《実施例1》
(i)第1の工程
図1に示す装置を用いて、集電体の表面に活物質を供給して、リチウム未補填の活物質層を形成した。
集電体19には、帯状の銅箔(厚さ30μm、平均表面粗さRa=0.125μm、日立電線(株)製)を用いた。
真空容器16の内部を、圧力3.5Paのアルゴン雰囲気とした。
蒸着ソース13には、Si(スクラップシリコン:純度99.999%)を用いた。
蒸着ソース13、るつぼ、および電子ビーム発生装置を含む蒸着ユニットからSi蒸気を発生させた。その際、電子ビーム発生装置からの電子ビームは、偏光ヨークで偏光させてから、蒸着ソース13に照射した。Si蒸気は、マスク12の開口を通過して、集電体19の両面に堆積した。
活物質層の成膜速度は2nm/秒となるように制御した。
こうして、両面に活物質層を有する集電体19からなる電極前駆体23(厚み50μm)を作製した。
Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
Example 1
(I) First Step Using the apparatus shown in FIG. 1, an active material was supplied to the surface of the current collector to form an active material layer that was not supplemented with lithium.
A strip-shaped copper foil (thickness 30 μm, average surface roughness Ra = 0.125 μm, manufactured by Hitachi Cable, Ltd.) was used for the current collector 19.
The inside of the vacuum vessel 16 was an argon atmosphere with a pressure of 3.5 Pa.
Si (scrap silicon: purity 99.999%) was used for the vapor deposition source 13.
Si vapor was generated from a vapor deposition unit including a vapor deposition source 13, a crucible, and an electron beam generator. At that time, the electron beam from the electron beam generator was polarized by the polarization yoke and then irradiated to the vapor deposition source 13. The Si vapor passed through the opening of the mask 12 and was deposited on both sides of the current collector 19.
The film formation rate of the active material layer was controlled to be 2 nm / second.
Thus, an electrode precursor 23 (thickness 50 μm) made of the current collector 19 having active material layers on both sides was produced.

(ii)第2の工程
図2に示す装置を用いて、減圧雰囲気中で、リチウム未補填の活物質層に気体を吹き付けた。
真空容器30の内部圧力は613Paに調整した。
ヒーター25で100℃となるように昇温したアルゴン(99.999%)を、10sccmの流量で、ガスノズル24から電極前駆体23に向けて吹き付けた。その際、5℃の水を導入した冷却キャン26により、電極前駆体23を冷却した。
(Ii) Second Step Using the apparatus shown in FIG. 2, gas was blown onto the active material layer not supplemented with lithium in a reduced pressure atmosphere.
The internal pressure of the vacuum vessel 30 was adjusted to 613 Pa.
Argon (99.999%) heated to 100 ° C. by the heater 25 was sprayed from the gas nozzle 24 toward the electrode precursor 23 at a flow rate of 10 sccm. At that time, the electrode precursor 23 was cooled by a cooling can 26 introduced with 5 ° C. water.

(iii)第3の工程
第2の工程に引き続き、図2の装置内で、リチウム未補填の活物質層にリチウムを吸蔵させて、リチウムが補填された活物質層を得た。
蒸着ソース28には、リチウム金属(本城金属(株)製)を用いた。
蒸着ソース28をタングステンボード上に設置して、抵抗加熱により蒸発させた。
Li蒸気は、マスク29の開口を通過して、活物質層の表面に付着し、活物質層に吸蔵された。このとき、厚み換算で12μmに相当する量のリチウムを吸蔵させた。リチウム量は原子吸光質量分析法(ICP)で測定し、空隙率を0%と仮定して厚みに換算した。
(Iii) Third Step Following the second step, lithium was occluded in the active material layer not supplemented with lithium in the apparatus of FIG. 2 to obtain an active material layer supplemented with lithium.
Lithium metal (Honjo Metal Co., Ltd.) was used for the vapor deposition source 28.
The evaporation source 28 was placed on a tungsten board and evaporated by resistance heating.
The Li vapor passed through the opening of the mask 29, adhered to the surface of the active material layer, and occluded in the active material layer. At this time, an amount of lithium corresponding to 12 μm in terms of thickness was occluded. The amount of lithium was measured by atomic absorption mass spectrometry (ICP) and converted to thickness assuming a porosity of 0%.

《実施例2〜5》
第2の工程において、ヒーター25の温度を50℃(実施例2)、200℃(実施例3)、300℃(実施例4)および400℃(実施例5)としたこと以外、実施例1と同じ方法で電極を作製した。
<< Examples 2 to 5 >>
Example 1 except that the temperature of the heater 25 was set to 50 ° C. (Example 2), 200 ° C. (Example 3), 300 ° C. (Example 4) and 400 ° C. (Example 5) in the second step. An electrode was prepared in the same manner as in Example 1.

《実施例6》
図1に示すガスノズル18から酸素を10sccmの流量で導入したこと以外、実施例1と同じ条件で、集電体の両面に活物質層を形成し、電極前駆体23を作製した。
酸素を導入することにより、SiとO2とが反応し、反応生成物が活物質として集電体19の表面に堆積した。
活物質層の組成を原子吸光質量分析法により測定した結果、SiO0.5であった。
こうして得られた電極前駆体を用い、実施例1と同じ方法で電極を作製した。
Example 6
An active material layer was formed on both surfaces of the current collector under the same conditions as in Example 1 except that oxygen was introduced at a flow rate of 10 sccm from the gas nozzle 18 shown in FIG.
By introducing oxygen, Si and O 2 reacted, and the reaction product was deposited on the surface of the current collector 19 as an active material.
As a result of measuring the composition of the active material layer by atomic absorption mass spectrometry, it was SiO 0.5 .
Using the electrode precursor thus obtained, an electrode was produced in the same manner as in Example 1.

《実施例7》
酸素流量を20sccmとしたこと以外、実施例6と同じ方法で電極を作製した。
Example 7
An electrode was produced in the same manner as in Example 6 except that the oxygen flow rate was 20 sccm.

《実施例8〜11》
第2の工程において、ヒーター25の温度を50℃(実施例8)、200℃(実施例9)、300℃(実施例10)および400℃(実施例11)としたこと以外、実施例6と同じ方法で電極を作製した。
<< Examples 8 to 11 >>
Example 6 except that the temperature of the heater 25 was set to 50 ° C. (Example 8), 200 ° C. (Example 9), 300 ° C. (Example 10) and 400 ° C. (Example 11) in the second step. An electrode was prepared in the same manner as in Example 1.

《実施例12》
第2の工程において、水冷キャン26に接触しないように電極前駆体23を走行させたこと以外、実施例4と同じ方法で電極を作製した。
Example 12
In the second step, an electrode was produced in the same manner as in Example 4 except that the electrode precursor 23 was run so as not to contact the water-cooled can 26.

《実施例13》
図2に示す装置の真空容器30の内部圧力を1×104Paに調整したこと以外、実施例1と同じ方法で電極を作製した。
Example 13
An electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the internal pressure of the vacuum vessel 30 of the apparatus shown in FIG. 2 was adjusted to 1 × 10 4 Pa.

《比較例1》
第2の工程を施さなかったこと以外、実施例1と同じ方法で電極を作製した。
<< Comparative Example 1 >>
An electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the second step was not performed.

《比較例2》
第2の工程を施さなかったこと以外、実施例6と同じ方法で電極を作製した。
各実施例および比較例に関し、以下の評価を行った。
結果を表1に示す。
<< Comparative Example 2 >>
An electrode was produced in the same manner as in Example 6 except that the second step was not performed.
The following evaluations were performed for each example and comparative example.
The results are shown in Table 1.

(比表面積測定)
両面に活物質層が形成されている集電体部分を切り出し、測定試料とした。気相吸着法(BET法)用い、測定試料の比表面積を求めた。測定は、第1の工程の直後、第2および3の工程を行う前に行った。
(Specific surface area measurement)
A current collector portion having an active material layer formed on both sides was cut out and used as a measurement sample. The specific surface area of the measurement sample was determined using a gas phase adsorption method (BET method). The measurement was performed immediately after the first step and before performing the second and third steps.

(水分量測定)
第2の工程の後、露点が−30℃以上にならないように管理された雰囲気で、電極前駆体23を取り出し、同雰囲気中で、カールフィッシャー法により水分量を測定した。測定試料の大きさは、2cm×5cm(10cm2)とした。具体的には、アルゴンを流入させながら電極前駆体23を300℃まで加熱して5分間保持し、この5分間で発生した水分量を計測した。
(Moisture content measurement)
After the second step, the electrode precursor 23 was taken out in an atmosphere controlled so that the dew point would not be −30 ° C. or higher, and the moisture content was measured by the Karl Fischer method in the same atmosphere. The size of the measurement sample was 2 cm × 5 cm (10 cm 2 ). Specifically, the electrode precursor 23 was heated to 300 ° C. and held for 5 minutes while flowing in argon, and the amount of water generated in this 5 minutes was measured.

(引張強度)
第2の工程の後、電極前駆体23の引張強度を測定した。電極前駆体23を幅6mm、長さ60mmに切り出して、測定試料とした。試料の長手方向の両端を固定し、長手方向に引張応力を加えて、試料が切れるまでの最大応力を測定した。この最大応力[N]を試料の断面積[mm2]で除した値を、引張強度[N/mm2]とした。
(Tensile strength)
After the second step, the tensile strength of the electrode precursor 23 was measured. The electrode precursor 23 was cut into a width of 6 mm and a length of 60 mm to obtain a measurement sample. Both ends in the longitudinal direction of the sample were fixed, tensile stress was applied in the longitudinal direction, and the maximum stress until the sample was cut was measured. The value obtained by dividing the maximum stress [N] by the cross-sectional area [mm 2 ] of the sample was taken as the tensile strength [N / mm 2 ].

(リチウム吸蔵度合)
第3の工程の後、核磁気共鳴法(NMR)により、電極のリチウム吸蔵度合を評価した。具体的には、電極の活物質層をサンプリングし、NMR測定を行い、金属リチウムに帰属される265ppmのピーク強度を求め、これを所定値で除した値を「リチウム吸蔵度合」とした。
活物質がSiである実施例1〜5、12および13の電極については、測定されたピーク強度を比較例1のピーク強度で除した。
活物質がSiO 0.5 である実施例6、8〜11の電極については、測定されたピーク強度を比較例2のピーク強度で除した。
活物質がSiO0.9である実施例7の電極については、測定されたピーク強度を比較例3のピーク強度で除した。
(Degree of lithium storage)
After the third step, the degree of lithium occlusion of the electrode was evaluated by nuclear magnetic resonance (NMR). Specifically, the active material layer of the electrode was sampled, NMR measurement was performed, a peak intensity of 265 ppm attributed to metallic lithium was determined, and a value obtained by dividing the peak intensity by a predetermined value was defined as a “lithium occlusion degree”.
For the electrodes of Examples 1 to 5, 12 and 13 in which the active material was Si, the measured peak intensity was divided by the peak intensity of Comparative Example 1.
For the electrodes of Examples 6 and 8 to 11 in which the active material was SiO 0.5 , the measured peak intensity was divided by the peak intensity of Comparative Example 2.
For the electrode of Example 7 in which the active material was SiO 0.9 , the measured peak intensity was divided by the peak intensity of Comparative Example 3.

Figure 2008293970
Figure 2008293970

表1の結果から、第2の工程を施すことにより、電極前駆体23の水分量が大幅に減少することがわかる。また、第2の工程において活物質層に吹き付ける気体の温度を高めることにより、この効果が更に顕著になることがわかる。
単純に水分量を比較すると、活物質中の珪素に対する酸素の存在割合が大きくなるほど、水分が多く含まれている。これは、酸化物中の酸素と水とが、水素結合を形成しやすいためと考えられる。また、酸素の存在割合が大きくなるほど、活物質層の比表面積が大きくなることが、水分量に影響していると考えられる。
NMR評価(リチウム吸蔵度合)からは、水分量が減少することにより、第3の工程において、リチウムが活物質層に吸蔵されやすくなっていることがわかる。
以上より、本発明によれば、活物質層に、不可逆容量に相当するリチウムを効率的に補填できることがわかる。
From the results in Table 1, it can be seen that the water content of the electrode precursor 23 is significantly reduced by performing the second step. Moreover, it turns out that this effect becomes more remarkable by raising the temperature of the gas sprayed on the active material layer in the second step.
When the amount of water is simply compared, the greater the proportion of oxygen present with respect to silicon in the active material, the more water is contained. This is presumably because oxygen and water in the oxide easily form hydrogen bonds. Further, it is considered that the greater the proportion of oxygen present, the greater the specific surface area of the active material layer affects the moisture content.
From the NMR evaluation (the degree of occlusion of lithium), it can be understood that lithium is easily occluded in the active material layer in the third step by reducing the water content.
From the above, it can be seen that according to the present invention, the active material layer can be efficiently supplemented with lithium corresponding to the irreversible capacity.

第2の工程において、活物質層に吹き付ける気体の温度が高くなると、引張強度がやや低下する。これは電極前駆体23の温度が高まり、集電体19を軟化させたためである。この現象が顕著化すると、電気化学素子(例えば非水電解質二次電池)を構成し、充放電を行った場合、活物質の膨張収縮に追従して集電体19が延び縮みし、電極にシワが生じるおそれがある。
一方、冷却キャン26で電極前駆体23を冷却しながら第2の工程を施す場合、気体の温度が300℃以内の範囲では、良好な引張強度を保持することができる。
ただし、気体の温度が100℃未満になると、水分が減少しにくくなり、活物質層に吸蔵されないリチウムの割合が増している。
In the second step, when the temperature of the gas sprayed on the active material layer increases, the tensile strength slightly decreases. This is because the temperature of the electrode precursor 23 has increased and the current collector 19 has been softened. When this phenomenon becomes prominent, when an electrochemical device (for example, a nonaqueous electrolyte secondary battery) is configured and charged and discharged, the current collector 19 expands and contracts following the expansion and contraction of the active material, and the electrode Wrinkles may occur.
On the other hand, when the second step is performed while the electrode precursor 23 is cooled by the cooling can 26, good tensile strength can be maintained in the range where the gas temperature is within 300 ° C.
However, when the temperature of the gas is lower than 100 ° C., it is difficult for moisture to decrease, and the proportion of lithium that is not occluded in the active material layer increases.

本発明の方法で製造された電極を含む電気化学素子は、容量が大きい上、特性に優れているので、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、更には高出力が要求される電力貯蔵装置や電気自動車の電源として有用である。本発明の製造方法は、Siを含む材料など、高容量な活物質を用いる場合に特に有効であるが、黒鉛を含む活物質層を有する電極に適用した場合でも、同様の効果が得られる。   An electrochemical device including an electrode manufactured by the method of the present invention has a large capacity and excellent characteristics, so that it can drive a drive source of electronic equipment such as a notebook computer, a mobile phone, and a digital still camera, and also has a high output. It is useful as a power source for required power storage devices and electric vehicles. The production method of the present invention is particularly effective when a high-capacity active material such as a material containing Si is used, but the same effect can be obtained even when applied to an electrode having an active material layer containing graphite.

第1の工程を実施する装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the apparatus which implements a 1st process. 第2および第3の工程を実施する装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the apparatus which implements a 2nd and 3rd process.

符号の説明Explanation of symbols

10a、10b、10c、10d、10e、10f 搬送ロール
11 巻出しロール
12a、12b マスク
13a、13b 蒸着ソース
13x、13y るつぼ
14a 成膜ロールA
14b 成膜ロールB
15 巻取りロール
16 チャンバ
17 真空ポンプ
18a、18b ガスノズル
19 集電体
20a、20b、20c、20d、20e、20f、20g 搬送ロール
21 巻出しロール
22 巻取りロール
23 電極前駆体
24 ガスノズル
25 ヒーター
26 冷却キャン
27 成膜ロール
28 蒸着ソース
28x るつぼ
29 マスク
30 チャンバ
31 真空ポンプ
10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f Transport roll 11 Unwind roll 12a, 12b Mask 13a, 13b Deposition source 13x, 13y Crucible 14a Film forming roll A
14b Deposition roll B
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Winding roll 16 Chamber 17 Vacuum pump 18a, 18b Gas nozzle 19 Current collector 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g Conveying roll 21 Unwinding roll 22 Winding roll 23 Electrode precursor 24 Gas nozzle 25 Heater 26 Cooling Can 27 Film forming roll 28 Deposition source 28x Crucible 29 Mask 30 Chamber 31 Vacuum pump

Claims (7)

導電性を有する集電体と、前記集電体の表面に配置されたリチウムを吸蔵および放出する活物質層と、を有する電極の製造方法であって、
(i)集電体の表面に活物質を供給して、リチウム未補填の活物質層を形成する第1の工程と、
(ii)減圧雰囲気中で前記リチウム未補填の活物質層に水分除去用気体を吹き付ける第2の工程と、
(iii)第2の工程の後、前記リチウム未補填の活物質層にリチウムを吸蔵させて、リチウムが補填された活物質層を得る第3の工程と、を含む電気化学素子用電極の製造方法。
A method for producing an electrode comprising: a conductive current collector; and an active material layer that occludes and releases lithium disposed on a surface of the current collector,
(I) a first step of supplying an active material to the surface of the current collector to form an active material layer not filled with lithium;
(Ii) a second step of spraying a moisture removing gas on the active material layer not filled with lithium in a reduced-pressure atmosphere;
(Iii) after the second step, a third step of obtaining an active material layer supplemented with lithium by occluding lithium in the active material layer not filled with lithium to produce an electrode for an electrochemical device Method.
第2の工程において、前記水分除去用気体の温度を、100℃以上、300℃以下に設定する、請求項1記載の電気化学素子用電極の製造方法。   The method for producing an electrode for an electrochemical element according to claim 1, wherein, in the second step, the temperature of the moisture removing gas is set to 100 ° C or higher and 300 ° C or lower. 第2の工程において、前記リチウム未補填の活物質層を冷却しながら、前記活物質層に前記水分除去用気体を吹き付ける、請求項1または2記載の電気化学素子用電極の製造方法。   3. The method for producing an electrode for an electrochemical element according to claim 1, wherein, in the second step, the moisture removing gas is sprayed onto the active material layer while cooling the lithium-unfilled active material layer. 前記水分除去用気体が、非酸化性の気体である、請求項1〜3のいずれかに記載の電気化学素子用電極の製造方法。   The method for producing an electrode for an electrochemical element according to claim 1, wherein the moisture removing gas is a non-oxidizing gas. 前記活物質が、珪素、錫およびゲルマニウムよりなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項1〜4のいずれかに記載の電気化学素子用電極の製造方法。   The manufacturing method of the electrode for electrochemical elements in any one of Claims 1-4 in which the said active material contains at least 1 sort (s) selected from the group which consists of silicon, tin, and germanium. 第2の工程において、前記減圧雰囲気の圧力が、613Pa以下である、請求項1〜5のいずれかに記載の電気化学素子用電極の製造方法。   The method for producing an electrode for an electrochemical element according to any one of claims 1 to 5, wherein, in the second step, the pressure of the reduced-pressure atmosphere is 613 Pa or less. 請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法により得られた電気化学素子用電極。   The electrode for electrochemical elements obtained by the manufacturing method in any one of Claims 1-6.
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