リチウム二次電池用負極及びその製造方法並びにリチウム二次電池
【課題】シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができ、充放電サイクル特性を高めることができるリチウム二次電池用負極及びその製造方法並びに該負極を用いたリチウム二次電池を得る。
【解決手段】集電体１１上にシリコンを含む薄膜１２を備えたリチウム二次電池用負極であり、シリコンを含む薄膜１２の上に疎水化層１３が形成されていることを特徴としており、疎水化層１３は、好ましくは、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも１種によって形成されている。
【解決手段】集電体１１上にシリコンを含む薄膜１２を備えたリチウム二次電池用負極であり、シリコンを含む薄膜１２の上に疎水化層１３が形成されていることを特徴としており、疎水化層１３は、好ましくは、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも１種によって形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム二次電池用負極及びその製造方法並びに該負極を用いたリチウム二次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力及び高エネルギー密度の新型二次電池の１つとして、非水電解液を用い、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させて充放電を行うリチウム二次電池が利用されている。
【０００３】
このようなリチウム二次電池用負極として、リチウムと合金化する材料を負極活物質として用いたものが検討されている。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、これらを負極とする種々の二次電池が提案されている。
【０００４】
本出願人は、シリコン等を活物質とし、良好な充放電サイクル特性を示すリチウム二次電池用負極として、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法などの薄膜形成方法により、集電体上に微結晶または非晶質の薄膜を形成したリチウム二次電池用負極を提案している（例えば、特許文献１など）。
【０００５】
このようなリチウム二次電池用負極においては、活物質薄膜を高速で形成することが製造コストの低減の上で有効である。活物質薄膜の形成方法としては、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法などの気相から薄膜を形成する方法や、メッキ法のように液相から薄膜を形成する方法などがある。これらの中で、蒸着法は、高い薄膜形成速度を実現できるとともに、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池用負極を実現することができる活物質薄膜の形成方法である（例えば、特許文献２など）。
【０００６】
しかしながら、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法などの薄膜形成方法によって集電体上にシリコン薄膜を形成して負極を作製した場合、その負極を空気中を放置すると、シリコン薄膜と空気との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面付近へ浸入した空気中の水分による集電体材料の腐食などにより、シリコン薄膜と集電体との密着性の低下が生じる場合がある。また、このような膜応力の変化や、集電体材料の腐食が顕著な場合には、負極からシリコン薄膜の一部が自然剥離する場合もある。
【０００７】
シリコン薄膜と集電体との密着性の低下は、充放電サイクル特性の劣化の原因となり、またシリコン薄膜の自然剥離は、初期充放電容量の低下も引き起こす。
【特許文献１】国際公開第０１／０２９９１２号パンフレット
【特許文献２】特開２００２−２８９１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができ、充放電サイクル特性を高めることができるリチウム二次電池用負極及びその製造方法並びに該負極を用いたリチウム二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のリチウム二次電池用負極は、集電体上にシリコンを含む薄膜を備えたリチウム二次電池用負極であり、シリコンを含む薄膜の上に疎水化層が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
本発明に従いシリコンを含む薄膜の表面に疎水化層を形成することにより、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができる。この結果として、充放電サイクル特性を高めることができる。
【００１１】
本発明における疎水化層は、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも１種によって形成されるものであることが好ましい。
【００１２】
本発明のリチウム二次電池用負極の製造方法は、集電体上にシリコンを含む薄膜を備えたリチウム二次電池用負極を製造する方法であり、集電体上にシリコンを含む薄膜を形成する工程と、シリコンを含む薄膜の表面を疎水化処理する工程とを備えることを特徴としている。
【００１３】
本発明の製造方法は、上記本発明のリチウム二次電池用負極を製造することができる方法である。
【００１４】
本発明の製造方法によれば、上記本発明のリチウム二次電池用負極を製造することができ、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができ、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池用負極とすることができる。
【００１５】
本発明の製造方法において、薄膜の少なくとも一部は、電子ビーム蒸着法により形成されることが好ましい。電子ビーム蒸着法などの蒸着法で形成することにより、高い薄膜形成速度を得ることができ、効率的にリチウム二次電池用負極を製造することができる。また、特に蒸着法により形成したリチウム二次電池用負極において、本発明の効果が顕著に得られる。
【００１６】
本発明において、疎水化処理は、シリコンを含む薄膜の表面や内部に存在する親水基を疎水基に置換できるものであれば特に限定され得るものではないが、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも１種を疎水化剤として用いる疎水化処理であることが好ましい。ジシラザン化合物としては、ヘキサメチルジシラザン、テトラメチルジシラザンなどが挙げられる。シラン化合物としては、ピペリジノメチルトリメチルシラン、３−アリールアミノプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。シロキサン化合物としては、ペンタメチル−３−ピペリジノプロピルジシロキサン、ヘキサプロピルジシロキサンなどが挙げられる。シロキシシラン化合物としては、トリス（トリメチルシロキシ）シラン、３−クロロプロピルトリス（トリメチルシロキシ）シランなどが挙げられる。
【００１７】
本発明において、疎水化処理は、ヘキサメチルジシラザン化合物を用いてなされるシリル化処理であることが特に好ましい。ヘキサメチルジラザンを用いてシリル化処理することにより、シリコンを含む薄膜の表面や内部に存在する親水基を簡便かつ効率的に疎水基に置換することができる。
【００１８】
本発明における疎水化処理の方法としては、疎水化処理に用いる疎水化剤を含む液体を塗布する方法、疎水化剤を含む液体中に薄膜を浸漬する方法、疎水化剤の蒸気を含むガス中に薄膜を挿入する方法などが挙げられる。
【００１９】
疎水化剤を付着させる量は、特に限定されるものではなく、上記のように、疎水化剤を含む液体の塗布や液体中への浸漬、あるいは疎水化剤の蒸気を含むガス中への挿入などによって薄膜の表面及び内部に付着する量でよい。
【００２０】
疎水化層における付着量は、このような方法で処理する場合、単分子層〜数分子層の厚みで付着しているものと考えられる。
【００２１】
本発明におけるシリコンを含む薄膜としては、シリコン薄膜及びシリコン合金薄膜などが挙げられる。シリコン合金薄膜としては、コバルトなどとの合金薄膜が挙げられる。シリコンの含有量は５０重量％以上であることが好ましい。シリコン薄膜としては、非晶質シリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜が挙げられる。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明のリチウム二次電池は、上記本発明のリチウム二次電池用負極または上記本発明の製造方法により得られるリチウム二次電池用負極と、正極と、非水電解質とを備えることを特徴としている。
【００２４】
本発明のリチウム二次電池は、上記本発明による負極を用いるものであるので、良好な充放電サイクル特性を示すことができる。
【００２５】
本発明のリチウム二次電池に用いる非水電解質の溶媒は、特に限定されるものではないが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネートと、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートとの混合溶媒が例示される。また、上記環状カーボネートと１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタンなどのエーテル系溶媒との混合溶媒も例示される。また、非水電解質の溶質としては、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2)2、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2)2、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2)(Ｃ4Ｆ9ＳＯ2)、ＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2)3、ＬｉＣ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2)3、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＣｌＯ4、Ｌｉ2Ｂ10Ｃｌ10、Ｌｉ2Ｂ12Ｃｌ12など及びそれらの混合物が例示される。特に、ＬｉＸＦy（式中、ＸはＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂ、Ｂｉ、Ａｌ、Ｇａ、またはＩｎであり、ＸがＰ、ＡｓまたはＳｂのときｙは６であり、ＸがＢｉ、Ａｌ、Ｇａ、またはＩｎのときｙは４である）、リチウムペルフルオロアルキルスルホン酸イミドＬｉＮ（ＣmＦ2m+1ＳＯ2)(ＣnＦ2n+1ＳＯ2）（式中、ｍ及びｎはそれぞれ独立して１〜４の整数である）またはリチウムペルフルオロアルキルスルホン酸メチドＬｉＮ（ＣpＦ2p+1ＳＯ2)(ＣqＦ2q+1ＳＯ2)(ＣrＦ2r+1ＳＯ2）（式中、ｐ、ｑ及びｒはそれぞれ独立して１〜４の整数である）などの溶質が好ましく用いられる。これらの中でも、ＬｉＰＦ6が特に好ましく用いられる。さらに電解質として、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質が例示される。本発明のリチウム二次電池の電解質は、イオン伝導性を発現させる溶質としてのリチウム化合物とこれを溶解・保持する溶媒が電池の充電時や放電時あるいは保存時の電圧で分解しない限り、制約なく用いることができる。
【００２６】
本発明のリチウム二次電池の正極材料としては、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＭｎＯ2、ＬｉＣｏ0.5Ｎｉ0.5Ｏ2、ＬｉＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ｍｎ0.1Ｏ2などのリチウム含有遷移金属酸化物や、ＭｎＯ2などのリチウムを含有していない金属酸化物が例示される。また、この他にも、リチウムを電気化学的に挿入、脱離する物質であれば、制限なく用いることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができ、充放電サイクル特性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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。
【００２９】
図１は、本発明におけるリチウム二次電池用負極の疎水化処理を説明するための模式的断面図である。図１（ａ）は、集電体１１の上にシリコン薄膜１２を形成した状態を示している。シリコン薄膜１２は、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法などの薄膜形成方法により形成することができる。このような薄膜形成方法でシリコン薄膜は、多数の内部欠陥を有し、表面や内部に未結合手が多数存在している。このようなシリコン薄膜を空気中に置くと、未結合手に空気中の水分が吸着し、シリコン薄膜１２の表面は−ＯＨ等の親水基で覆われる。
【００３０】
次に、本発明に従い、シリコン薄膜１２の表面（本発明における「表面」には薄膜内部の表面も含まれる）に、疎水化剤として、例えばヘキサメチルジシラザン（hexamethyldisilazane，化学式：（ＣＨ３）３ＳｉＮＨＳｉ（ＣＨ３）３）を塗布し、疎水化処理を行う。シリコン薄膜１２を疎水化処理することにより、シリコン薄膜１２の表面を覆っていた親水基が疎水基に置換される。疎水化処理としてヘキサメチルジシラザンを用いて処理した場合、次式に示すシリル化反応により、シリコン薄膜１２の表面を覆っていたＯＨ基は、ＣＨ３基で置換される。
【００３１】
２Ｓｉ−ＯＨ＋（ＣＨ３）３ＳｉＮＨＳｉ（ＣＨ３）３→２Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−（ＣＨ３）３＋ＮＨ３↑（↑は揮発性を示す）
上記のようにシリル化反応により、疎水基がシリコン薄膜１２の表面に付着し、疎水化層１３が形成される。シリコン薄膜の表面を覆った疎水基は、空気中で安定であり、シリコン薄膜内部への水分の浸入や吸着を阻害する働きを有する。従って、シリコン薄膜を疎水化処理し、シリコン薄膜の表面を親水基で覆うことにより、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面付近への水分の浸入による集電体材料の腐食を抑制することができ、シリコン薄膜と集電体との密着性の経時劣化やシリコン薄膜の自然剥離の発生が低減される。
【００３２】
このような疎水化処理による親水基の疎水基への置換は、シリコン薄膜の内部においても効率良く生じる。シリコン薄膜の内部に存在する疎水基も、上述したシリコン薄膜の表面を覆った疎水基と同様に、シリコン薄膜内部への水分の浸入及び吸着を阻害する働きを有し、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面近傍での水分の浸入による集電体材料の腐食を抑制し、シリコン薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコン薄膜の自然剥離の発生を低減する役割を果たす。
【００３３】
電子ビーム蒸着法は、スパッタリング法に比べて高い製膜速度でシリコン薄膜を形成することができる薄膜形成方法である。しかしながら、電子ビーム蒸着法で形成したシリコン薄膜は、スパッタリング法で形成したシリコン薄膜に比べて、多数の内部欠陥を有しており、空気中の水分と反応しやすい。
【００３４】
本発明は、シリコン薄膜を電子ビーム蒸着で形成した場合に、シリコン薄膜をスパッタリング法で形成した場合に比べて、より大きな充放電サイクル特性の改善効果を示す。
【００３５】
（実施例１〜２及び比較例１〜２）
〔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（幅３４０ｍｍ、厚み２６μｍ）を用いた。この集電体表面の算術平均粗さＲａは、０．５μｍである。算術平均粗さＲａは、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４）に定められており、例えば触針式表面粗さ計により測定することができる。
【００３６】
この集電体の上に、図２に示す薄膜形成装置を用いて、電子ビーム蒸着法またはスパッタリング法によりシリコン薄膜を形成した。
【００３７】
図２に示す薄膜形成装置内には、イオン照射源４、電子ビーム蒸着源５及びスパッタリング源６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と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。
【００３８】
イオン照射源４と対向する領域において、集電体１の上にイオンビームが照射される。電子ビーム蒸着源５と対向する領域において、集電体１の上に電子ビーム蒸着法によりシリコン薄膜が形成される。また、スパッタリング源６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シリコン薄膜が形成される。イオン照射源４、電子ビーム蒸着源５、及びスパッタリング源６の間は、それぞれのプロセスを行う領域の圧力を独立に制御するための仕切りが設けられている。
【００３９】
電子ビーム蒸着源５は、電子ビーム蒸着法による蒸着源であり、蒸着材料として純度９９．９９％のシリコンを用いている。スパッタリング源６には、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している。
【００４０】
先ず、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方向に移動させ、ローラー３でこれを巻き取りながら、イオン照射源４と対向する領域において、集電体１にイオンビームを照射した。このときのイオンビーム照射条件を表１に示す。照射したイオン種としてはＡｒを用いた。イオンビーム照射処理は、集電体に対する活物質薄膜の密着性を向上させるための工程である。
【００４１】
【表１】
【００４２】
次に、イオンビーム照射が行われた集電体１を矢印Ｂ方向に移動させ、これをローラー２で巻き取った後、集電体１を矢印Ａ方向に移動させ、これをローラー３で巻き取りながら、集電体１上に、電子ビーム蒸着法あるいはスパッタリング法により、厚み８μｍのシリコン薄膜を形成した。
【００４３】
電子ビーム蒸着法によるシリコン薄膜の形成条件を表２に示す。
【００４４】
【表２】
【００４５】
また、スパッタリング法によるシリコン薄膜の形成条件を表３に示す。
【００４６】
【表３】
【００４７】
集電体１の上に、電子ビーム蒸着法によりシリコン薄膜を形成する場合は、スパッタリング源６のＲＦ電力を０Ｗに設定した。集電体１の上にスパッタリング法によりシリコン薄膜を形成する場合は、電子ビーム蒸着源５の電子銃電力を０Ｗに設定した。また、集電体１の上にスパッタリング法によりシリコン薄膜を形成する場合は、集電体１のＡ方向への巻き取りと、集電体１のＢ方向への巻き取りを繰り返すことにより、集電体１をスパッタリング源６と対向する領域に２６０回通過させた。
【００４８】
以上の方法により、集電体１の片側の面の上に、シリコン薄膜を形成し、シリコン薄膜を形成した集電体１をローラー３に巻き取り、ロール状態のまま、薄膜形成装置から取り出した。薄膜形成装置から取り出した状態のロールにおいては、ロールの内面側のみにシリコン薄膜が形成されている。
【００４９】
次に、薄膜形成装置から取り出したロールを、ロール反転装置を用いて、基材の内面側と外面側を反転させた後、このロールを薄膜形成装置のローラー２に取り付けた。このときのロールにはロール外側面のみにシリコン薄膜が形成されている。
【００５０】
次に、上述と同じ手順によって、シリコン薄膜が形成されていない側の面にイオン照射及びシリコン薄膜の形成を行った。
【００５１】
以上のようにして作製した負極を、３００ｍｍの長さ（薄膜形成装置内における集電体の走行方向の長さ）に切り出し、図３に示す方法により、シリコン薄膜の表面を疎水化処理した。
【００５２】
図３に示すように、疎水化処理は、ホットプレート３１の上に負極３２を置き、吹き出し板３３からヘキサメチルジシラザン蒸気を含む窒素ガスを吹き出すことにより行った。ヘキサメチルジシラザン蒸気を含む窒素ガスは、液状のヘキサメチルジシラザン３４を入れた容器３５内に、先端がヘキサメチルジシラザン３４内に浸漬されている配管３６ａから窒素ガスを流し、ヘキサメチルジシラザン３４をバブリングすることにより調製した。このようなヘキサメチルジシラザン蒸気を含む窒素ガスを、配管３６ｂを介して吹き出し板３３へ供給している。
【００５３】
疎水化処理は、ホットプレート温度８０℃で、負極の両面についてそれぞれ１０分間行った。
【００５４】
以上のようにして、表４に示す実施例１〜２及び比較例１〜２の４種類の負極を作製した。実施例１及び比較例１の負極は、集電体の両面に電子ビーム蒸着法でシリコン薄膜を形成している。実施例２及び比較例２の負極は、集電体の両面にスパッタリング法でシリコン薄膜を形成している。実施例１及び２の負極は、シリコン薄膜の疎水化処理を行っているが、比較例１及び２の負極は疎水化処理を行っていない。
【００５５】
〔シリコン薄膜の自然剥離の評価〕
実施例１〜２及び比較例１〜２の負極を８サンプルずつ作製し、これらを空気中に放置した。シリコン薄膜形成直後、空気中放置５日後、及び空気中放置２０日後におけるシリコン薄膜の自然剥離の有無を目視により観察し、その結果を表４に示す。表４に示した数値は、実施例１〜２及び比較例１〜２の負極それぞれ８サンプル中において、シリコン薄膜の自然剥離が生じたサンプルの数である。
【００５６】
〔充放電サイクル特性及び密着性の測定〕
（作用極の作製）
空気中に２０日間放置した実施例１〜２及び比較例１〜２の負極を、２０ｍｍ×２０ｍｍの大きさに切り出し、ニッケルからなるリード線を取り付けた後、１１０℃に２時間真空下で乾燥して、ビーカーセルに用いる作用極を作製した。比較例１の負極の切り出しは、シリコン薄膜の自然剥離が生じていない領域から行った。
【００５７】
（電解液の作製）
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比３：７の割合で混合した溶媒に、ＬｉＰＦ６を１モル／リットルとなるように溶解して電解液を作製した。
【００５８】
（ビーカーセルの作製）
実施例１〜２及び比較例１〜２の負極を作用極に用いて、図４に示す３電極式のビーカーセルを作製した。図４に示すようにビーカーセルは、容器２１内に入れられた電解液２２に、対極２３、作用極２４及び参照極２５を浸漬することにより構成されている。電解液２２としては、上記電解液を用い、対極２３及び参照極２５としては、リチウム金属を用いた。
【００５９】
（充放電特性の評価）
作製したビーカーセルを、８ｍＡの定電流で、作用極の電位が０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）に達するまで充電した後、８ｍＡの定電流で、作用極の電位が２Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）に達するまで放電し、これを１サイクルの充放電とし、１サイクル目と１０サイクル目における単位面積当りの放電容量を測定した。なお、ここでは、作用極の還元を充電とし、作用極の酸化を放電としている。１０サイクル目の容量維持率を表４に示す。容量維持率は以下の式により定義される値である。
【００６０】
容量維持率（％）＝（１０サイクル目の放電容量／１サイクル目の放電容量）×１００
【００６１】
（活物質薄膜の密着性の評価）
上述の充放電試験を行った後の負極を肉眼で観察し、集電体に対する活物質薄膜の密着性を確認した。
【００６２】
実施例１〜２及び比較例２の負極では、シリコン薄膜の剥離は認められなかった。これに対し、比較例１の負極では、極板内の約半分の領域でシリコン薄膜の剥離が観察された。
【００６３】
【表４】
【００６４】
表４に示すように、実施例１及び２の負極は、比較例１及び２の負極と比べて、良好な容量維持率を示している。これは、集電体上に形成したシリコン薄膜を疎水化処理してシリコン薄膜の表面を疎水基で覆うことにより、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面付近への水分の浸入による集電体材料の腐食が抑制され、シリコン薄膜と集電体との密着性の経時劣化が低減したため、充放電サイクル特性が向上したものと考えられる。
【００６５】
また、表４に示す通り、比較例１の負極は、空気中放置２０日後において、８サンプル中の３サンプルでシリコン薄膜の自然剥離が生じた。これに対し、実施例１〜２及び比較例２の負極は、空気中２０日放置後においてもシリコン薄膜の自然剥離が生じなかった。
【００６６】
実施例１の負極と比較例１の負極との比較から、電子ビーム蒸着法でシリコン薄膜を形成した負極において、シリコン薄膜の自然剥離発生をより低減できることがわかる。これは、集電体上に形成したシリコン薄膜を疎水化処理してシリコン薄膜の表面を疎水基で覆うことにより、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体との界面付近への水分の浸入による集電体材料の腐食が抑制されるため、シリコン薄膜の自然剥離の発生が低減したものと考えられる。
【００６７】
以上のように、本発明に従えば、充放電の繰り返しによる集電体からの活物質薄膜の剥離や、負極を空気中に放置したときに生じる活物質薄膜の自然剥離を抑制することができる。従って、本発明によれば、充放電サイクル特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に従うリチウム二次電池用負極の疎水化処理を説明するための模式的断面図。
【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】本発明の実施例における疎水化処理を説明するための模式的断面図。
【図４】本発明に従う実施例において作製したビーカーセルを示す模式的断面図。
【符号の説明】
【００６９】
１…集電体
２，３…ローラー
４…イオン照射源
５…電子ビーム蒸着源
６…スパッタリング源
７…支持ローラー
８…薄膜形成装置
１１…集電体
１２…シリコン薄膜
１３…疎水化層
２１…容器
２２…電解液
２３…対極
２４…作用極
２５…参照極
３１…ホットプレート
３２…負極
３３…吹き出し板
３４…ヘキサメチルジシラザン
３５…容器
３６ａ…配管
３６ｂ…配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム二次電池用負極及びその製造方法並びに該負極を用いたリチウム二次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高出力及び高エネルギー密度の新型二次電池の１つとして、非水電解液を用い、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させて充放電を行うリチウム二次電池が利用されている。
【０００３】
このようなリチウム二次電池用負極として、リチウムと合金化する材料を負極活物質として用いたものが検討されている。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、これらを負極とする種々の二次電池が提案されている。
【０００４】
本出願人は、シリコン等を活物質とし、良好な充放電サイクル特性を示すリチウム二次電池用負極として、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法などの薄膜形成方法により、集電体上に微結晶または非晶質の薄膜を形成したリチウム二次電池用負極を提案している（例えば、特許文献１など）。
【０００５】
このようなリチウム二次電池用負極においては、活物質薄膜を高速で形成することが製造コストの低減の上で有効である。活物質薄膜の形成方法としては、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法、溶射法などの気相から薄膜を形成する方法や、メッキ法のように液相から薄膜を形成する方法などがある。これらの中で、蒸着法は、高い薄膜形成速度を実現できるとともに、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池用負極を実現することができる活物質薄膜の形成方法である（例えば、特許文献２など）。
【０００６】
しかしながら、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法などの薄膜形成方法によって集電体上にシリコン薄膜を形成して負極を作製した場合、その負極を空気中を放置すると、シリコン薄膜と空気との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面付近へ浸入した空気中の水分による集電体材料の腐食などにより、シリコン薄膜と集電体との密着性の低下が生じる場合がある。また、このような膜応力の変化や、集電体材料の腐食が顕著な場合には、負極からシリコン薄膜の一部が自然剥離する場合もある。
【０００７】
シリコン薄膜と集電体との密着性の低下は、充放電サイクル特性の劣化の原因となり、またシリコン薄膜の自然剥離は、初期充放電容量の低下も引き起こす。
【特許文献１】国際公開第０１／０２９９１２号パンフレット
【特許文献２】特開２００２−２８９１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができ、充放電サイクル特性を高めることができるリチウム二次電池用負極及びその製造方法並びに該負極を用いたリチウム二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のリチウム二次電池用負極は、集電体上にシリコンを含む薄膜を備えたリチウム二次電池用負極であり、シリコンを含む薄膜の上に疎水化層が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
本発明に従いシリコンを含む薄膜の表面に疎水化層を形成することにより、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができる。この結果として、充放電サイクル特性を高めることができる。
【００１１】
本発明における疎水化層は、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも１種によって形成されるものであることが好ましい。
【００１２】
本発明のリチウム二次電池用負極の製造方法は、集電体上にシリコンを含む薄膜を備えたリチウム二次電池用負極を製造する方法であり、集電体上にシリコンを含む薄膜を形成する工程と、シリコンを含む薄膜の表面を疎水化処理する工程とを備えることを特徴としている。
【００１３】
本発明の製造方法は、上記本発明のリチウム二次電池用負極を製造することができる方法である。
【００１４】
本発明の製造方法によれば、上記本発明のリチウム二次電池用負極を製造することができ、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができ、充放電サイクル特性に優れたリチウム二次電池用負極とすることができる。
【００１５】
本発明の製造方法において、薄膜の少なくとも一部は、電子ビーム蒸着法により形成されることが好ましい。電子ビーム蒸着法などの蒸着法で形成することにより、高い薄膜形成速度を得ることができ、効率的にリチウム二次電池用負極を製造することができる。また、特に蒸着法により形成したリチウム二次電池用負極において、本発明の効果が顕著に得られる。
【００１６】
本発明において、疎水化処理は、シリコンを含む薄膜の表面や内部に存在する親水基を疎水基に置換できるものであれば特に限定され得るものではないが、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも１種を疎水化剤として用いる疎水化処理であることが好ましい。ジシラザン化合物としては、ヘキサメチルジシラザン、テトラメチルジシラザンなどが挙げられる。シラン化合物としては、ピペリジノメチルトリメチルシラン、３−アリールアミノプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。シロキサン化合物としては、ペンタメチル−３−ピペリジノプロピルジシロキサン、ヘキサプロピルジシロキサンなどが挙げられる。シロキシシラン化合物としては、トリス（トリメチルシロキシ）シラン、３−クロロプロピルトリス（トリメチルシロキシ）シランなどが挙げられる。
【００１７】
本発明において、疎水化処理は、ヘキサメチルジシラザン化合物を用いてなされるシリル化処理であることが特に好ましい。ヘキサメチルジラザンを用いてシリル化処理することにより、シリコンを含む薄膜の表面や内部に存在する親水基を簡便かつ効率的に疎水基に置換することができる。
【００１８】
本発明における疎水化処理の方法としては、疎水化処理に用いる疎水化剤を含む液体を塗布する方法、疎水化剤を含む液体中に薄膜を浸漬する方法、疎水化剤の蒸気を含むガス中に薄膜を挿入する方法などが挙げられる。
【００１９】
疎水化剤を付着させる量は、特に限定されるものではなく、上記のように、疎水化剤を含む液体の塗布や液体中への浸漬、あるいは疎水化剤の蒸気を含むガス中への挿入などによって薄膜の表面及び内部に付着する量でよい。
【００２０】
疎水化層における付着量は、このような方法で処理する場合、単分子層〜数分子層の厚みで付着しているものと考えられる。
【００２１】
本発明におけるシリコンを含む薄膜としては、シリコン薄膜及びシリコン合金薄膜などが挙げられる。シリコン合金薄膜としては、コバルトなどとの合金薄膜が挙げられる。シリコンの含有量は５０重量％以上であることが好ましい。シリコン薄膜としては、非晶質シリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜が挙げられる。
【００２２】
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。
【００２３】
本発明のリチウム二次電池は、上記本発明のリチウム二次電池用負極または上記本発明の製造方法により得られるリチウム二次電池用負極と、正極と、非水電解質とを備えることを特徴としている。
【００２４】
本発明のリチウム二次電池は、上記本発明による負極を用いるものであるので、良好な充放電サイクル特性を示すことができる。
【００２５】
本発明のリチウム二次電池に用いる非水電解質の溶媒は、特に限定されるものではないが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネートと、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートとの混合溶媒が例示される。また、上記環状カーボネートと１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタンなどのエーテル系溶媒との混合溶媒も例示される。また、非水電解質の溶質としては、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＣＦ3ＳＯ3、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2)2、ＬｉＮ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2)2、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2)(Ｃ4Ｆ9ＳＯ2)、ＬｉＣ（ＣＦ3ＳＯ2)3、ＬｉＣ（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2)3、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＣｌＯ4、Ｌｉ2Ｂ10Ｃｌ10、Ｌｉ2Ｂ12Ｃｌ12など及びそれらの混合物が例示される。特に、ＬｉＸＦy（式中、ＸはＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂ、Ｂｉ、Ａｌ、Ｇａ、またはＩｎであり、ＸがＰ、ＡｓまたはＳｂのときｙは６であり、ＸがＢｉ、Ａｌ、Ｇａ、またはＩｎのときｙは４である）、リチウムペルフルオロアルキルスルホン酸イミドＬｉＮ（ＣmＦ2m+1ＳＯ2)(ＣnＦ2n+1ＳＯ2）（式中、ｍ及びｎはそれぞれ独立して１〜４の整数である）またはリチウムペルフルオロアルキルスルホン酸メチドＬｉＮ（ＣpＦ2p+1ＳＯ2)(ＣqＦ2q+1ＳＯ2)(ＣrＦ2r+1ＳＯ2）（式中、ｐ、ｑ及びｒはそれぞれ独立して１〜４の整数である）などの溶質が好ましく用いられる。これらの中でも、ＬｉＰＦ6が特に好ましく用いられる。さらに電解質として、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質が例示される。本発明のリチウム二次電池の電解質は、イオン伝導性を発現させる溶質としてのリチウム化合物とこれを溶解・保持する溶媒が電池の充電時や放電時あるいは保存時の電圧で分解しない限り、制約なく用いることができる。
【００２６】
本発明のリチウム二次電池の正極材料としては、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＭｎＯ2、ＬｉＣｏ0.5Ｎｉ0.5Ｏ2、ＬｉＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ｍｎ0.1Ｏ2などのリチウム含有遷移金属酸化物や、ＭｎＯ2などのリチウムを含有していない金属酸化物が例示される。また、この他にも、リチウムを電気化学的に挿入、脱離する物質であれば、制限なく用いることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、シリコンを含む薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコンを含む薄膜の集電体からの剥離を抑制することができ、充放電サイクル特性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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。
【００２９】
図１は、本発明におけるリチウム二次電池用負極の疎水化処理を説明するための模式的断面図である。図１（ａ）は、集電体１１の上にシリコン薄膜１２を形成した状態を示している。シリコン薄膜１２は、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法、蒸着法などの薄膜形成方法により形成することができる。このような薄膜形成方法でシリコン薄膜は、多数の内部欠陥を有し、表面や内部に未結合手が多数存在している。このようなシリコン薄膜を空気中に置くと、未結合手に空気中の水分が吸着し、シリコン薄膜１２の表面は−ＯＨ等の親水基で覆われる。
【００３０】
次に、本発明に従い、シリコン薄膜１２の表面（本発明における「表面」には薄膜内部の表面も含まれる）に、疎水化剤として、例えばヘキサメチルジシラザン（hexamethyldisilazane，化学式：（ＣＨ３）３ＳｉＮＨＳｉ（ＣＨ３）３）を塗布し、疎水化処理を行う。シリコン薄膜１２を疎水化処理することにより、シリコン薄膜１２の表面を覆っていた親水基が疎水基に置換される。疎水化処理としてヘキサメチルジシラザンを用いて処理した場合、次式に示すシリル化反応により、シリコン薄膜１２の表面を覆っていたＯＨ基は、ＣＨ３基で置換される。
【００３１】
２Ｓｉ−ＯＨ＋（ＣＨ３）３ＳｉＮＨＳｉ（ＣＨ３）３→２Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−（ＣＨ３）３＋ＮＨ３↑（↑は揮発性を示す）
上記のようにシリル化反応により、疎水基がシリコン薄膜１２の表面に付着し、疎水化層１３が形成される。シリコン薄膜の表面を覆った疎水基は、空気中で安定であり、シリコン薄膜内部への水分の浸入や吸着を阻害する働きを有する。従って、シリコン薄膜を疎水化処理し、シリコン薄膜の表面を親水基で覆うことにより、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面付近への水分の浸入による集電体材料の腐食を抑制することができ、シリコン薄膜と集電体との密着性の経時劣化やシリコン薄膜の自然剥離の発生が低減される。
【００３２】
このような疎水化処理による親水基の疎水基への置換は、シリコン薄膜の内部においても効率良く生じる。シリコン薄膜の内部に存在する疎水基も、上述したシリコン薄膜の表面を覆った疎水基と同様に、シリコン薄膜内部への水分の浸入及び吸着を阻害する働きを有し、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面近傍での水分の浸入による集電体材料の腐食を抑制し、シリコン薄膜と集電体との密着性の経時劣化や、シリコン薄膜の自然剥離の発生を低減する役割を果たす。
【００３３】
電子ビーム蒸着法は、スパッタリング法に比べて高い製膜速度でシリコン薄膜を形成することができる薄膜形成方法である。しかしながら、電子ビーム蒸着法で形成したシリコン薄膜は、スパッタリング法で形成したシリコン薄膜に比べて、多数の内部欠陥を有しており、空気中の水分と反応しやすい。
【００３４】
本発明は、シリコン薄膜を電子ビーム蒸着で形成した場合に、シリコン薄膜をスパッタリング法で形成した場合に比べて、より大きな充放電サイクル特性の改善効果を示す。
【００３５】
（実施例１〜２及び比較例１〜２）
〔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（幅３４０ｍｍ、厚み２６μｍ）を用いた。この集電体表面の算術平均粗さＲａは、０．５μｍである。算術平均粗さＲａは、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−１９９４）に定められており、例えば触針式表面粗さ計により測定することができる。
【００３６】
この集電体の上に、図２に示す薄膜形成装置を用いて、電子ビーム蒸着法またはスパッタリング法によりシリコン薄膜を形成した。
【００３７】
図２に示す薄膜形成装置内には、イオン照射源４、電子ビーム蒸着源５及びスパッタリング源６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と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。
【００３８】
イオン照射源４と対向する領域において、集電体１の上にイオンビームが照射される。電子ビーム蒸着源５と対向する領域において、集電体１の上に電子ビーム蒸着法によりシリコン薄膜が形成される。また、スパッタリング源６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シリコン薄膜が形成される。イオン照射源４、電子ビーム蒸着源５、及びスパッタリング源６の間は、それぞれのプロセスを行う領域の圧力を独立に制御するための仕切りが設けられている。
【００３９】
電子ビーム蒸着源５は、電子ビーム蒸着法による蒸着源であり、蒸着材料として純度９９．９９％のシリコンを用いている。スパッタリング源６には、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している。
【００４０】
先ず、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方向に移動させ、ローラー３でこれを巻き取りながら、イオン照射源４と対向する領域において、集電体１にイオンビームを照射した。このときのイオンビーム照射条件を表１に示す。照射したイオン種としてはＡｒを用いた。イオンビーム照射処理は、集電体に対する活物質薄膜の密着性を向上させるための工程である。
【００４１】
【表１】
【００４２】
次に、イオンビーム照射が行われた集電体１を矢印Ｂ方向に移動させ、これをローラー２で巻き取った後、集電体１を矢印Ａ方向に移動させ、これをローラー３で巻き取りながら、集電体１上に、電子ビーム蒸着法あるいはスパッタリング法により、厚み８μｍのシリコン薄膜を形成した。
【００４３】
電子ビーム蒸着法によるシリコン薄膜の形成条件を表２に示す。
【００４４】
【表２】
【００４５】
また、スパッタリング法によるシリコン薄膜の形成条件を表３に示す。
【００４６】
【表３】
【００４７】
集電体１の上に、電子ビーム蒸着法によりシリコン薄膜を形成する場合は、スパッタリング源６のＲＦ電力を０Ｗに設定した。集電体１の上にスパッタリング法によりシリコン薄膜を形成する場合は、電子ビーム蒸着源５の電子銃電力を０Ｗに設定した。また、集電体１の上にスパッタリング法によりシリコン薄膜を形成する場合は、集電体１のＡ方向への巻き取りと、集電体１のＢ方向への巻き取りを繰り返すことにより、集電体１をスパッタリング源６と対向する領域に２６０回通過させた。
【００４８】
以上の方法により、集電体１の片側の面の上に、シリコン薄膜を形成し、シリコン薄膜を形成した集電体１をローラー３に巻き取り、ロール状態のまま、薄膜形成装置から取り出した。薄膜形成装置から取り出した状態のロールにおいては、ロールの内面側のみにシリコン薄膜が形成されている。
【００４９】
次に、薄膜形成装置から取り出したロールを、ロール反転装置を用いて、基材の内面側と外面側を反転させた後、このロールを薄膜形成装置のローラー２に取り付けた。このときのロールにはロール外側面のみにシリコン薄膜が形成されている。
【００５０】
次に、上述と同じ手順によって、シリコン薄膜が形成されていない側の面にイオン照射及びシリコン薄膜の形成を行った。
【００５１】
以上のようにして作製した負極を、３００ｍｍの長さ（薄膜形成装置内における集電体の走行方向の長さ）に切り出し、図３に示す方法により、シリコン薄膜の表面を疎水化処理した。
【００５２】
図３に示すように、疎水化処理は、ホットプレート３１の上に負極３２を置き、吹き出し板３３からヘキサメチルジシラザン蒸気を含む窒素ガスを吹き出すことにより行った。ヘキサメチルジシラザン蒸気を含む窒素ガスは、液状のヘキサメチルジシラザン３４を入れた容器３５内に、先端がヘキサメチルジシラザン３４内に浸漬されている配管３６ａから窒素ガスを流し、ヘキサメチルジシラザン３４をバブリングすることにより調製した。このようなヘキサメチルジシラザン蒸気を含む窒素ガスを、配管３６ｂを介して吹き出し板３３へ供給している。
【００５３】
疎水化処理は、ホットプレート温度８０℃で、負極の両面についてそれぞれ１０分間行った。
【００５４】
以上のようにして、表４に示す実施例１〜２及び比較例１〜２の４種類の負極を作製した。実施例１及び比較例１の負極は、集電体の両面に電子ビーム蒸着法でシリコン薄膜を形成している。実施例２及び比較例２の負極は、集電体の両面にスパッタリング法でシリコン薄膜を形成している。実施例１及び２の負極は、シリコン薄膜の疎水化処理を行っているが、比較例１及び２の負極は疎水化処理を行っていない。
【００５５】
〔シリコン薄膜の自然剥離の評価〕
実施例１〜２及び比較例１〜２の負極を８サンプルずつ作製し、これらを空気中に放置した。シリコン薄膜形成直後、空気中放置５日後、及び空気中放置２０日後におけるシリコン薄膜の自然剥離の有無を目視により観察し、その結果を表４に示す。表４に示した数値は、実施例１〜２及び比較例１〜２の負極それぞれ８サンプル中において、シリコン薄膜の自然剥離が生じたサンプルの数である。
【００５６】
〔充放電サイクル特性及び密着性の測定〕
（作用極の作製）
空気中に２０日間放置した実施例１〜２及び比較例１〜２の負極を、２０ｍｍ×２０ｍｍの大きさに切り出し、ニッケルからなるリード線を取り付けた後、１１０℃に２時間真空下で乾燥して、ビーカーセルに用いる作用極を作製した。比較例１の負極の切り出しは、シリコン薄膜の自然剥離が生じていない領域から行った。
【００５７】
（電解液の作製）
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比３：７の割合で混合した溶媒に、ＬｉＰＦ６を１モル／リットルとなるように溶解して電解液を作製した。
【００５８】
（ビーカーセルの作製）
実施例１〜２及び比較例１〜２の負極を作用極に用いて、図４に示す３電極式のビーカーセルを作製した。図４に示すようにビーカーセルは、容器２１内に入れられた電解液２２に、対極２３、作用極２４及び参照極２５を浸漬することにより構成されている。電解液２２としては、上記電解液を用い、対極２３及び参照極２５としては、リチウム金属を用いた。
【００５９】
（充放電特性の評価）
作製したビーカーセルを、８ｍＡの定電流で、作用極の電位が０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）に達するまで充電した後、８ｍＡの定電流で、作用極の電位が２Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）に達するまで放電し、これを１サイクルの充放電とし、１サイクル目と１０サイクル目における単位面積当りの放電容量を測定した。なお、ここでは、作用極の還元を充電とし、作用極の酸化を放電としている。１０サイクル目の容量維持率を表４に示す。容量維持率は以下の式により定義される値である。
【００６０】
容量維持率（％）＝（１０サイクル目の放電容量／１サイクル目の放電容量）×１００
【００６１】
（活物質薄膜の密着性の評価）
上述の充放電試験を行った後の負極を肉眼で観察し、集電体に対する活物質薄膜の密着性を確認した。
【００６２】
実施例１〜２及び比較例２の負極では、シリコン薄膜の剥離は認められなかった。これに対し、比較例１の負極では、極板内の約半分の領域でシリコン薄膜の剥離が観察された。
【００６３】
【表４】
【００６４】
表４に示すように、実施例１及び２の負極は、比較例１及び２の負極と比べて、良好な容量維持率を示している。これは、集電体上に形成したシリコン薄膜を疎水化処理してシリコン薄膜の表面を疎水基で覆うことにより、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体の界面付近への水分の浸入による集電体材料の腐食が抑制され、シリコン薄膜と集電体との密着性の経時劣化が低減したため、充放電サイクル特性が向上したものと考えられる。
【００６５】
また、表４に示す通り、比較例１の負極は、空気中放置２０日後において、８サンプル中の３サンプルでシリコン薄膜の自然剥離が生じた。これに対し、実施例１〜２及び比較例２の負極は、空気中２０日放置後においてもシリコン薄膜の自然剥離が生じなかった。
【００６６】
実施例１の負極と比較例１の負極との比較から、電子ビーム蒸着法でシリコン薄膜を形成した負極において、シリコン薄膜の自然剥離発生をより低減できることがわかる。これは、集電体上に形成したシリコン薄膜を疎水化処理してシリコン薄膜の表面を疎水基で覆うことにより、シリコン薄膜と空気中の水分との反応による膜応力の変化や、シリコン薄膜と集電体との界面付近への水分の浸入による集電体材料の腐食が抑制されるため、シリコン薄膜の自然剥離の発生が低減したものと考えられる。
【００６７】
以上のように、本発明に従えば、充放電の繰り返しによる集電体からの活物質薄膜の剥離や、負極を空気中に放置したときに生じる活物質薄膜の自然剥離を抑制することができる。従って、本発明によれば、充放電サイクル特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に従うリチウム二次電池用負極の疎水化処理を説明するための模式的断面図。
【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】本発明の実施例における疎水化処理を説明するための模式的断面図。
【図４】本発明に従う実施例において作製したビーカーセルを示す模式的断面図。
【符号の説明】
【００６９】
１…集電体
２，３…ローラー
４…イオン照射源
５…電子ビーム蒸着源
６…スパッタリング源
７…支持ローラー
８…薄膜形成装置
１１…集電体
１２…シリコン薄膜
１３…疎水化層
２１…容器
２２…電解液
２３…対極
２４…作用極
２５…参照極
３１…ホットプレート
３２…負極
３３…吹き出し板
３４…ヘキサメチルジシラザン
３５…容器
３６ａ…配管
３６ｂ…配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体上にシリコンを含む薄膜を備えたリチウム二次電池用負極であって、
前記シリコンを含む薄膜の上に疎水化層が形成されていることを特徴とするリチウム二次電池用負極。
【請求項２】
前記疎水化層が、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも１種によって形成されてい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負極。
【請求項３】
集電体上にシリコンを含む薄膜を備えたリチウム二次電池用負極の製造方法であって、
集電体上にシリコンを含む薄膜を形成する工程と、
前記シリコンを含む薄膜の表面を疎水化処理する工程とを備えることを特徴とするリチウム二次電池用負極の製造方法。
【請求項４】
前記薄膜の少なくとも一部を電子ビーム蒸着法により形成することを特徴とする請求項３に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
【請求項５】
前記疎水化処理が、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも１種によってなされることを特徴とする請求項３または４に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
【請求項６】
前記疎水化処理が、ヘキサメチルジシラザン化合物を用いてなされるシリル化処理であ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負極の製造方法。
【請求項７】
請求項１または２に記載された負極または請求項３〜６のいずれか１項に記載された方法で製造された負極と、正極と、非水電解質とを備えることを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項１】
集電体上にシリコンを含む薄膜を備えたリチウム二次電池用負極であって、
前記シリコンを含む薄膜の上に疎水化層が形成されていることを特徴とするリチウム二次電池用負極。
【請求項２】
前記疎水化層が、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも１種によって形成されてい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負極。
【請求項３】
集電体上にシリコンを含む薄膜を備えたリチウム二次電池用負極の製造方法であって、
集電体上にシリコンを含む薄膜を形成する工程と、
前記シリコンを含む薄膜の表面を疎水化処理する工程とを備えることを特徴とするリチウム二次電池用負極の製造方法。
【請求項４】
前記薄膜の少なくとも一部を電子ビーム蒸着法により形成することを特徴とする請求項３に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
【請求項５】
前記疎水化処理が、ジシラザン化合物、シラン化合物、シロキサン化合物及びシロキシシラン化合物から選ばれる少なくとも１種によってなされることを特徴とする請求項３または４に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
【請求項６】
前記疎水化処理が、ヘキサメチルジシラザン化合物を用いてなされるシリル化処理であ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負極の製造方法。
【請求項７】
請求項１または２に記載された負極または請求項３〜６のいずれか１項に記載された方法で製造された負極と、正極と、非水電解質とを備えることを特徴とするリチウム二次電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−２３４２５５（Ｐ２００７−２３４２５５Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１１１２（Ｐ２００６−５１１１２）
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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