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JP7576785B2 - Carbon nanowall electrode and its manufacturing method - Google Patents
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Description

特許法第30条第2項適用 集会名:第62回電池討論会、開催日:2021年11月30日(要旨集の公開日は2021年11月29日)、開催場所:〒220-0012横浜市西区みなとみらい1-1-1パシフィコ横浜・ノースArticle 30, paragraph 2 of the Patent Act applies. Meeting name: 62nd Battery Symposium, Date: November 30, 2021 (Abstracts will be published on November 29, 2021), Venue: Pacifico Yokohama North, 1-1-1 Minatomirai, Nishi-ku, Yokohama, 220-0012

本発明は、基板上にカーボンナノウォールが立設されたカーボンナノウォール電極及びその製造方法に関する。また、それらを用いた全固体二次電池及びその製造方法に関する。The present invention relates to a carbon nanowall electrode in which carbon nanowalls are erected on a substrate and a method for manufacturing the same. It also relates to an all-solid-state secondary battery using the same and a method for manufacturing the same.

近年、カーボンからなるナノ材料の一種であるカーボンナノウォールが注目され、多くの研究がなされている。カーボンナノウォールは、多層グラフェンが基板上に立設されたナノ構造体であり、電池、キャパシタ,バイオセンサ、電気化学センサなどの電極としての応用が期待されている(例えば、非特許文献1、2)。In recent years, carbon nanowalls, a type of nanomaterial made of carbon, have attracted attention and have been the subject of much research. Carbon nanowalls are nanostructures in which multilayer graphene is erected on a substrate, and are expected to be used as electrodes in batteries, capacitors, biosensors, electrochemical sensors, and the like (e.g., Non-Patent Documents 1 and 2).

さらに、特許文献1では、カーボンナノチップス電極を負極とするリチウムイオン二次電池が記載されている。ここでカーボンナノチップス電極とは、基板からグラフェンシートが様々な方向に傾斜して成長した電極と定義される。この二次電池は正極活物質としてLi1-xCoO2を用い、電解液としてエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合溶媒にLiPF6を溶解させた溶液を用いており、カーボンの単位重量当たりの充放電容量がグラファイトの理論容量を超え、かつ充放電の繰り返しによる劣化が少ないことが見出されている。 Furthermore, Patent Document 1 describes a lithium ion secondary battery with a carbon nanochips electrode as the negative electrode. Here, the carbon nanochips electrode is defined as an electrode in which graphene sheets are grown from a substrate at an inclination in various directions. This secondary battery uses Li1 -xCoO2 as the positive electrode active material and a solution in which LiPF6 is dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate as the electrolyte, and it has been found that the charge/discharge capacity per unit weight of carbon exceeds the theoretical capacity of graphite and that there is little deterioration due to repeated charge/discharge.

WO2014/069310WO2014/069310

M. Hiramatsu, K. Takeda, H. Kondo and M. Hori J. Plasma Fusion Res. Vol.98, No.4 (2022)158-164M. Hiramatsu, K. Takeda, H. Kondo and M. Hori J. Plasma Fusion Res. Vol.98, No.4 (2022)158-164 B. Li, S. Yang et. al. Nano Lett. 2015, 15, 5, 3073-3079.B. Li, S. Yang et. al. Nano Lett. 2015, 15, 5, 3073-3079.

しかしながら、上記従来のカーボンナノウォール電極では、銅基板とカーボンナノウォールとの間で剥離が生じ易く、機械的強度が不十分であるという問題があった。また、特許文献1に記載のカーボンナノチップス電極では、グラフェンシートが基板から様々な方向に傾斜して成長しているため、固体電解質を用いた全固体二次電池に用いた場合、固体電解質が最表面のグラフェンシートとしか接触できないという問題があった。このため、固体電解質とカーボンナノチップスの接触面積が小さくなり、負極材の単位体積当たり(あるいは単位重量当たり)の電池容量が小さくなるという問題があった。However, the conventional carbon nanowall electrodes described above had problems such as peeling easily occurring between the copper substrate and the carbon nanowalls, and insufficient mechanical strength. In addition, in the carbon nanochips electrode described in Patent Document 1, the graphene sheets grow at an angle in various directions from the substrate, so when used in an all-solid-state secondary battery using a solid electrolyte, the solid electrolyte can only come into contact with the outermost graphene sheet. This reduces the contact area between the solid electrolyte and the carbon nanochips, resulting in a problem of reduced battery capacity per unit volume (or unit weight) of the negative electrode material.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、基板とカーボンナノウォールとの間で剥離が生じ難く、固体電解質を用いた全固体電池に適用した場合においても、負極材の単位体積当たり(あるいは単位重量当たり)の電池容量が大きくなるカーボンナノウォール電極を提供することを解決すべき課題としている。The present invention has been made in consideration of the above-mentioned conventional situation, and aims to provide a carbon nanowall electrode that is less susceptible to peeling between the substrate and the carbon nanowalls, and that, even when applied to an all-solid-state battery using a solid electrolyte, has a large battery capacity per unit volume (or unit weight) of the negative electrode material.

上記の課題を解決すべく、本発明者らは、カーボンナノウォール電極について研究を行った。その結果、マイクロ波プラズマCVD法を用いて基板上にグラフェンシートを形成させれば、グラフェンシートが基板上にほぼ垂直に成長することが分かった。また、基板に鉄、ニッケル等の元素を含む材料を用いることにより、基板表面近傍において基板との密着性に優れたカーバイド(すなわち、炭素と陽性元素の化合物である炭化物(以下同様))層が形成されることを見出した。そして、さらには、このカーバイド層の形成によって、カーボンナノウォールと基板との間で剥離が生じ難くなり、機械的強度が大きくて耐久性に優れたカーボンナノウォール電極となることを見出した。また、このカーボンナノウォール電極を固体電解質を用いた全固体二次電池に適用すれば、負極材の単位体積当たり(あるいは単位重量当たり)の容量を極めて大きくできるということが分かった。In order to solve the above problems, the present inventors conducted research on carbon nanowall electrodes. As a result, they found that if a graphene sheet is formed on a substrate using a microwave plasma CVD method, the graphene sheet grows almost vertically on the substrate. They also found that by using a material containing elements such as iron and nickel for the substrate, a carbide (i.e., a carbide (hereinafter the same) which is a compound of carbon and an electropositive element) layer with excellent adhesion to the substrate is formed near the substrate surface. They further found that the formation of this carbide layer makes it difficult for the carbon nanowall to peel off from the substrate, resulting in a carbon nanowall electrode with high mechanical strength and excellent durability. They also found that if this carbon nanowall electrode is applied to an all-solid-state secondary battery using a solid electrolyte, the capacity per unit volume (or per unit weight) of the negative electrode material can be extremely increased.

すなわち、本発明のカーボンナノウォール電極は、カーボンナノウォールが基板上に立設されており、基板表面近傍にはX線光電子分光法(XPS)分析におけるC1sのナロースキャンにおいて、カーバイドに基づくピークが存在することを特徴とする。カーバイドに基づくピークの結合エネルギーの中心値はカーバイトの種類によって僅かに異なるが、281.0eV ~284.0eVの範囲の値となる。That is, the carbon nanowall electrode of the present invention is characterized in that carbon nanowalls are erected on a substrate, and that a peak based on carbide is present near the substrate surface in a narrow scan of C1s in an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis. The central value of the binding energy of the peak based on carbide varies slightly depending on the type of carbide, but falls within the range of 281.0 eV to 284.0 eV.

本発明のカーボンナノウォール電極では、基板表面近傍にはX線光電子分光法(XPS)分析におけるC1sのナロースキャンにおいて、カーバイドに基づくピークが存在する(換言すれば、基板表面近傍にカーバイド層が存在する)。基板とカーボンナノウォールとの密着性を良好とするという観点から、X線光電子分光法(XPS)分析におけるC1sにおける、カーバイドに基づくピークの面積は、C1sスペクトルにおける全ピーク面積の2%以上であることが好ましい。In the carbon nanowall electrode of the present invention, a peak based on carbide is present near the substrate surface in a narrow scan of C1s in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis (in other words, a carbide layer is present near the substrate surface). From the viewpoint of improving adhesion between the substrate and the carbon nanowall, it is preferable that the area of the peak based on carbide in C1s in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis is 2% or more of the total peak area in the C1s spectrum.

基板の材料としては、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、アルミニウム、ケイ素、タングステン、モリブデン、マンガン、チタン及びタンタルの少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。これらの元素は炭素と反応して容易にカーバイドを形成するからである。例えば、基板として純鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、鉄合金からなる薄板や箔等を用いることができる。また、基板は集電体を兼ね備える材料でもよく、集電体からなる材料の表面にこれらの元素を含む皮膜層を積層させたものであってもよい。オーステナイト系ステンレスやフェライト系ステンレスやマルテンサイト系ステンレスは、カーバイドの形成が容易な鉄やクロムやニッケルを含有しており、しかも腐食しにくいため、特に好ましい。The substrate material preferably contains at least one of the elements iron, nickel, chromium, cobalt, aluminum, silicon, tungsten, molybdenum, manganese, titanium, and tantalum. These elements react with carbon to easily form carbide. For example, a thin plate or foil made of pure iron, carbon steel, stainless steel, or an iron alloy can be used as the substrate. The substrate may also be a material that doubles as a current collector, or may be a material made of a current collector with a coating layer containing these elements laminated on its surface. Austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, and martensitic stainless steel are particularly preferred because they contain iron, chromium, and nickel, which easily form carbide, and are resistant to corrosion.

また、隣接するカーボンナノウォール間の平均距離は1.2μm以上とされていることが好ましい。カーボンナノウォール電極を全固体型リチウムイオン電池に利用する場合、カーボンナノウォール間の平均距離が1.2μm未満だと、固体電解質がカーボンナノウォール間の隙間に充填し難くなり、カーボンとリチウムの接触面積が減ることにより充電容量が小さくなるからである。In addition, it is preferable that the average distance between adjacent carbon nanowalls is 1.2 μm or more. When using a carbon nanowall electrode in an all-solid-state lithium-ion battery, if the average distance between the carbon nanowalls is less than 1.2 μm, it becomes difficult for the solid electrolyte to fill the gaps between the carbon nanowalls, and the contact area between the carbon and lithium is reduced, resulting in a smaller charging capacity.

本発明のカーボンナノウォール電極は次の様にして製造することができる。
すなわち本発明のカーボンナノウォール電極の製造方法は、少なくとも水素及び炭化水素を含む混合ガスを供給しながらマイクロ波プラズマCVD法を行うことによって基板上にカーボンナノウォールを形成させるCVD工程を含み、前記基板を載置する台の温度は400~600℃とされていることを特長とする。混合ガスには水素及び炭化水素以外にヘリウムガスやアルゴンガスなどの希ガスを含んでいてもよい。
The carbon nanowall electrode of the present invention can be produced as follows.
That is, the method for producing a carbon nanowall electrode of the present invention is characterized in that it includes a CVD step of forming carbon nanowalls on a substrate by performing a microwave plasma CVD method while supplying a mixed gas containing at least hydrogen and a hydrocarbon, and the temperature of a stage on which the substrate is placed is set to 400 to 600° C. The mixed gas may contain a rare gas such as helium gas or argon gas in addition to hydrogen and a hydrocarbon.

このカーボンナノウォール電極の製造方法によれば、基板上にカーバイドを含有するカーボン層を形成させることができる。こうして形成されたカーバイドを含有するカーボン層は薄くて密着性も良好であるため、基板とカーボン層との熱膨張係数の違いによるひずみによってカーボン層が剥離したり曲がったりすることを防止することができる。なお、基板を載置する台の温度を400℃未満とすると、プラズマからの輻射熱によって基板の表面側が裏面側に比べて相対的に強く加熱されるため、基板を載置する台の温度より高くなる。このため、基板の厚み方向に温度差が発生し、このため、基板が曲がったり反ったりするという問題が発生する。 According to this method for manufacturing a carbon nanowall electrode, a carbon layer containing carbide can be formed on a substrate. The carbide-containing carbon layer thus formed is thin and has good adhesion, so that it is possible to prevent the carbon layer from peeling off or bending due to distortion caused by the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the carbon layer. If the temperature of the table on which the substrate is placed is set to less than 400°C, the front side of the substrate is heated relatively more strongly than the back side by the radiant heat from the plasma, and the temperature becomes higher than that of the table on which the substrate is placed. This causes a temperature difference in the thickness direction of the substrate, which causes the substrate to bend or warp.

本発明の全固体二次電池は、本発明のカーボンナノウォール電極を二次電池用負極として用いることを特徴とする。本発明の全固体二次電池は、基板上にグラフェンシートが立設されたカーボンナノウォール電極を用いているために、固体電解質が各カーボンナノウォールのグラフェンシート表面に接触することにより、接触面積が大きくなる。また、充電過程においてインターカレーションによりカーボンナノウォールの層間にリチウムが吸蔵されるだけでなく、カーボンナノウォール表面においてもリチウムが数層にわたって析出する。このため、負極材の単位体積当たり、あるいは単位重量当たりの電池容量が顕著に大きくなる。The all-solid-state secondary battery of the present invention is characterized in that the carbon nanowall electrode of the present invention is used as the negative electrode for the secondary battery. The all-solid-state secondary battery of the present invention uses a carbon nanowall electrode in which graphene sheets are erected on a substrate, so that the solid electrolyte comes into contact with the graphene sheet surface of each carbon nanowall, thereby increasing the contact area. In addition, not only is lithium absorbed between the layers of the carbon nanowall by intercalation during the charging process, but lithium is also precipitated in several layers on the carbon nanowall surface. As a result, the battery capacity per unit volume or unit weight of the negative electrode material becomes significantly large.

本発明の全固体二次電池の製造方法は、本発明のカーボンナノウォール電極上に固体電解質層を物理的蒸着法で形成する工程と、前記固体電解質上に正極物質層を物理的蒸着法で形成する工程とを有することを特徴とする。
本発明の全固体二次電池の製造方法によれば、各製造工程を真空装置で行うために大気中の水分や不純物の混入のおそれがなく、自動化による製造が可能となる。
The method for producing an all-solid-state secondary battery of the present invention is characterized by comprising the steps of forming a solid electrolyte layer on the carbon nanowall electrode of the present invention by a physical vapor deposition method, and forming a positive electrode material layer on the solid electrolyte by a physical vapor deposition method.
According to the method for producing an all-solid-state secondary battery of the present invention, each production step is performed in a vacuum device, so there is no risk of contamination with moisture or impurities from the atmosphere, and production can be automated.

本発明者らは、本発明のカーボンナノウォール電極を用いて全固体型リチウムイオン電池を作製し、優れた電池特性を示すことを確認している。この全固体型リチウムイオン電池は、電解液を用いる場合に比べ、作動温度を高めることができ、液漏れのおそれもなく安全という利点を有している。
固体電解質としては、LiPON等を用いることができる。また、正極活物質としてはLiMnO等、電解液を用いたリチウムイオン電池において通常使用されている正極活物質を用いることができる。
The inventors have fabricated an all-solid-state lithium ion battery using the carbon nanowall electrode of the present invention and confirmed that it exhibits excellent battery characteristics. This all-solid-state lithium ion battery has the advantages of being able to operate at a higher temperature and being safer without the risk of electrolyte leakage, compared to batteries using a liquid electrolyte.
The solid electrolyte may be LiPON, etc. The positive electrode active material may be LiMnO, etc., which is a positive electrode active material that is commonly used in lithium ion batteries that use an electrolyte.

基板上でのカーボンナノウォール成長の過程を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the process of carbon nanowall growth on a substrate. 実施例において用いたマイクロ波プラズマCVD装置の模式断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a microwave plasma CVD apparatus used in the examples. 実施例1のカーボンナノウォール電極の表面及び断面の走査型電子顕微鏡写真である。2A and 2B are scanning electron microscope photographs of the surface and cross section of the carbon nanowall electrode of Example 1. 実施例1のカーボンナノウォール電極におけるカーボンナノウォールの断面の透過型電子顕微鏡写真である。2 is a transmission electron microscope photograph of a cross section of a carbon nanowall in the carbon nanowall electrode of Example 1. 実施例1のカーボンナノウォール電極及びグラファイトのX線光電子分光スペクトル(XPS)測定結果である。1 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurement of the carbon nanowall electrode and graphite of Example 1. 実施例4のカーボンナノウォール電極のアルゴンエッチング前、及びアルゴンエッチング後(5分後及び10分後)におけるX線光電子分光スペクトル(XPS)の測定結果である。1 shows the results of measuring X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the carbon nanowall electrode of Example 4 before and after argon etching (5 minutes and 10 minutes after etching). カーボンナノウォール電極の模式断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a carbon nanowall electrode. 実施例1のカーボンナノウォール電極についてのラマンスペクトルである。1 shows a Raman spectrum of the carbon nanowall electrode of Example 1. 実施例5-4,実施例5-5及び実施例5-6のカーボンナノウォール電極表面の走査型電子顕微鏡写真である。11 shows scanning electron microscope photographs of the carbon nanowall electrode surfaces of Examples 5-4, 5-5, and 5-6. 実施例6-1、実施例6-2及び実施例6-3のカーボンナノウォール電極表面の走査型電子顕微鏡写真である。1 shows scanning electron microscope photographs of the surfaces of carbon nanowall electrodes in Examples 6-1, 6-2, and 6-3. 比較例2のカーボンナノウォール電極表面の走査型電子顕微鏡写真である。1 is a scanning electron microscope photograph of the surface of the carbon nanowall electrode of Comparative Example 2. プラズマ照射前及び後における基板の重量変化についてのグラフである。1 is a graph showing the change in weight of a substrate before and after plasma exposure. 実施例7-1~7-4で作製したカーボンナノウォール電極表面の走査型電子顕微鏡写真及びラマンスペクトルのグラフである。1 shows scanning electron microscope photographs and Raman spectrum graphs of the surfaces of the carbon nanowall electrodes produced in Examples 7-1 to 7-4. 実施例7-1で作製したカーボンナノウォール電極のXPS測定結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of XPS measurement of the carbon nanowall electrode prepared in Example 7-1. リチウムイオン全固体二次電池の模式断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a lithium-ion all-solid-state secondary battery. リチウムイオン全固体二次電池の充放電特性を示すグラフである。1 is a graph showing charge/discharge characteristics of a lithium-ion all-solid-state secondary battery. リチウムイオン全固体二次電池の断面の走査電子顕微鏡写真である。1 is a scanning electron microscope photograph of a cross section of a lithium-ion all-solid-state secondary battery.

本発明のカーボンナノウォール電極は、基板上にカーボンナノウォールが立設されている。カーボンナノウォールは、ナノサイズのグラファイト結晶子から構成されている比較的完全性の高い結晶であり、グラフェンシートが数枚から100枚程度重なっている板状のナノ構造物である。The carbon nanowall electrode of the present invention has carbon nanowalls standing on a substrate. Carbon nanowalls are relatively perfect crystals composed of nano-sized graphite crystallites, and are plate-like nanostructures in which several to about 100 graphene sheets are stacked.

基板の材料としては、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、アルミニウム、ケイ素、タングステン、モリブデン、マンガン、チタン、及びタンタルの少なくとも一つの元素を含む材料を用いることができる。また、従来集電体として用いられている銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、鉄合金、ステンレス鋼、モリブデン、タングステン、及びタンタル等の金属基板の表面にめっきや蒸着等の表面処理法により鉄、ニッケル、クロム、コバルト、アルミニウム、ケイ素、タングステン、モリブデン、マンガン、チタン及びタンタルの少なくとも一つの元素からなる皮膜を形成したものでもよい。The substrate may be made of a material containing at least one of the elements iron, nickel, chromium, cobalt, aluminum, silicon, tungsten, molybdenum, manganese, titanium, and tantalum. Alternatively, the substrate may be made of a metal substrate such as copper, copper alloy, nickel, nickel alloy, iron, iron alloy, stainless steel, molybdenum, tungsten, or tantalum that has been conventionally used as a current collector, and a coating of at least one of the elements iron, nickel, chromium, cobalt, aluminum, silicon, tungsten, molybdenum, manganese, titanium, or tantalum formed on the surface of the substrate by a surface treatment method such as plating or vapor deposition.

基板の素材として鉄、ニッケル及びクロムを含んだオーステナイト系ステンレスやマルテンサイト系ステンレス、鉄及びクロムを含んだフェライト系ステンレスは耐腐食性に優れているため、特に好ましい。例えば、JIS G4305:2005「冷間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯」に規定されるオーステナイト系(SUS304,SUS304-L,SUS302,SUS301,SUS310S,SUS321,SUS316,SUS316-L等)、フェライト系(SUS430,SUS434等)、マルテンサイト系(SUS410S,SUS420J2等)、析出硬化系(SUS631,ASL-350等)ステンレス鋼等、いずれの鋼種のステンレス鋼でも使用できる。また、Si、SiC、AlGaAs、AlGaN等の半導体基板であってもよい。As substrate materials, austenitic stainless steel, martensitic stainless steel containing iron, nickel and chromium, and ferritic stainless steel containing iron and chromium are particularly preferred because they have excellent corrosion resistance. For example, any type of stainless steel can be used, such as austenitic stainless steel (SUS304, SUS304-L, SUS302, SUS301, SUS310S, SUS321, SUS316, SUS316-L, etc.), ferritic stainless steel (SUS430, SUS434, etc.), martensitic stainless steel (SUS410S, SUS420J2, etc.), and precipitation hardened stainless steel (SUS631, ASL-350, etc.) stainless steel, as specified in JIS G4305:2005 "Cold-rolled stainless steel sheets and strips." Semiconductor substrates such as Si, SiC, AlGaAs, and AlGaN may also be used.

基板の厚みについては特に限定されないが、電極の重量を小さくする観点から1mm程度以下であることが好ましく、集電体として従来用いられている5μm~100μm程度の箔材料であればより好ましく、実用的には5μm~20μmの箔材料がさらに好ましい。There are no particular limitations on the thickness of the substrate, but it is preferable that it be less than about 1 mm in order to reduce the weight of the electrode, and a foil material of about 5 μm to 100 μm that is conventionally used as a current collector is more preferable, and from a practical standpoint, a foil material of 5 μm to 20 μm is even more preferable.

また、本発明のカーボンナノウォール電極における基板表面近傍には、X線光電子分光法(XPS)分析におけるC1sのナロースキャンにおいて、カーバイドに基づくピークが存在することが要件とされる。ここで基板表面近傍とは、基板表面から100nm以内の範囲をいう。マイクロ波プラズマCVD法を用いて基板上にカーボンナノウォールを成長させた場合、カーバイドは基板表面近傍に生成し、このことが基板とカーボンナノウォールとの密着性を高める役割を担っている。密着性を高める観点から、カーバイドに基づくピークの面積は、C1sスペクトルにおける全ピーク面積の2%以上であることが好ましく、さらに好ましいのは3%以上、最も好ましいのは5%以上である。In addition, in the carbon nanowall electrode of the present invention, a peak based on carbide must be present in the vicinity of the substrate surface in a narrow scan of C1s in an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis. Here, the vicinity of the substrate surface refers to a range within 100 nm from the substrate surface. When carbon nanowalls are grown on a substrate using a microwave plasma CVD method, carbide is generated in the vicinity of the substrate surface, which plays a role in increasing the adhesion between the substrate and the carbon nanowall. From the viewpoint of increasing the adhesion, the area of the peak based on carbide is preferably 2% or more of the total peak area in the C1s spectrum, more preferably 3% or more, and most preferably 5% or more.

隣接するカーボンナノウォール間の平均距離は1.2μm以上とされていることが好ましい。カーボンナノウォール電極を全固体型リチウムイオン電池に利用する場合、カーボンナノウォール間の平均距離が1.2μm未満だと、固体電解質がカーボンナノウォール間の狭い隙間に充填し難くなり、カーボンとリチウムの接触面積が減ることにより充電容量が低下するからである。It is preferable that the average distance between adjacent carbon nanowalls is 1.2 μm or more. When using a carbon nanowall electrode in an all-solid-state lithium-ion battery, if the average distance between the carbon nanowalls is less than 1.2 μm, it becomes difficult for the solid electrolyte to fill the narrow gaps between the carbon nanowalls, and the contact area between the carbon and lithium is reduced, resulting in a decrease in charging capacity.

<カーボンナノウォール電極の製造方法>
次に、本発明のカーボンナノウォール電極の製造方法について説明する。
まず、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、アルミニウム、ケイ素、タングステン、モリブデン、マンガン、チタン及びタンタルの少なくとも一つの元素を含む基板を用意し、必要な大きさに切断し、表面を洗浄する。洗浄方法としては界面活性剤による洗浄や、有機溶剤による洗浄や、アルカリ液中での電解洗浄や、プラズマ処理などの手法を用いることができる。
次に、洗浄が完了した基板をマイクロ波プラズマCVD装置の試料台に載置し、マイクロ波プラズマCVD法を行う。ここでマイクロ波プラズマCVD法とは、化学反応を活性化させるため、マイクロ波電力により原料ガスをプラズマ化させて化学気相成長を行う方法をいう。マイクロ波プラズマ発生のための励起方法は特に限定はないが、例えばマイクロ波表面波プラズマCVD法、マイクロ波とECR磁界を印加するECRプラズマCVD法等が挙げられる。
<Method of Manufacturing Carbon Nanowall Electrode>
Next, a method for producing the carbon nanowall electrode of the present invention will be described.
First, a substrate containing at least one element selected from the group consisting of iron, nickel, chromium, cobalt, aluminum, silicon, tungsten, molybdenum, manganese, titanium, and tantalum is prepared, cut to a required size, and the surface is cleaned. The cleaning method may be a method using a surfactant, an organic solvent, electrolytic cleaning in an alkaline solution, or plasma treatment.
Next, the cleaned substrate is placed on the sample stage of the microwave plasma CVD apparatus, and the microwave plasma CVD method is performed. Here, the microwave plasma CVD method refers to a method in which a raw material gas is turned into plasma by microwave power to activate a chemical reaction, and chemical vapor deposition is performed. There is no particular limitation on the excitation method for generating microwave plasma, but examples include microwave surface wave plasma CVD method and ECR plasma CVD method in which microwaves and an ECR magnetic field are applied.

マイクロ波プラズマCVDにおける供給ガスはアルゴン等の不活性ガスにカーボンナノウォールの炭素源となる炭化水素ガス(メタン、エタン、アセチレン等)と水素とを混合したガスを用いることができる。プラズマCVD装置のチャンバー内に流入した供給ガスは、アルゴンイオンやカルボニウムイオンとなり、さらにそれらのイオンが反応して、アルゴンガスと水素とカーボンナノウォールに変化すると推定している。図1に基板上におけるカーボンナノウォールの成長過程を示す。まず初め(おおよそ30秒から2分の間)に、基板100の表面上を横方向に成長した数層のカーボン層101が形成された後(図1a参照)、その表面の一部分が核となって垂直方向にカーボン層102が成長することにより、カーボンナノウォールが形成される(図1b参照)。ここで、カーバイドはカーボン層101中に島状に離れて存在するのか、あるいはカーボン層101と基板100の間にカーバイド層として存在しているのかは問わない。いずれにしてもカーバイドの形成が基板100とカーボン層101、102との密着性を向上させる要因となる。 The supply gas in microwave plasma CVD can be a mixture of an inert gas such as argon, a hydrocarbon gas (methane, ethane, acetylene, etc.) that serves as a carbon source for carbon nanowalls, and hydrogen. It is estimated that the supply gas that flows into the chamber of the plasma CVD device becomes argon ions and carbonium ions, and these ions further react to turn into argon gas, hydrogen, and carbon nanowalls. Figure 1 shows the growth process of carbon nanowalls on a substrate. First (approximately 30 seconds to 2 minutes), several carbon layers 101 are formed by growing laterally on the surface of the substrate 100 (see Figure 1a), and then a carbon layer 102 grows vertically from a part of the surface as a nucleus, forming a carbon nanowall (see Figure 1b). Here, it does not matter whether the carbide exists in the carbon layer 101 as islands or as a carbide layer between the carbon layer 101 and the substrate 100. In any case, the formation of carbide is a factor in improving the adhesion between the substrate 100 and the carbon layers 101 and 102 .

<全固体型リチウムイオン電池>
本発明のカーボンナノウォール電極を用い、これにリチウムイオンの移動が可能な固体電解質を接触させ、さらに従来からリチウムイオン電池で用いられている正極材料及び集電体を積層させることにより、全固体型リチウムイオン電池を構成することができる。リチウムイオンの移動が可能な固体電解質としては、リチウム系酸化物(例えば、窒化リン酸リチウム(LiPON)、Li3PO4、LiBO3など)等を用いることができる。また、正極活物質としては、リチウム系酸化物(例えば、マンガン酸リチウム(LiMnO)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)等)を用いることができる。これら固体電解質及び正極活物質は、スパッタ法や蒸着法などの物理的蒸着法を用いて真空装置で形成される。スパッタ法によってカーボンナノウォール電極の上に固体電解質を積層させる場合、リチウム系酸化物等をターゲット電極として用いることができる。スパッタ法におけるターゲット面積当りの出力は、カーボンナノウォールと固体電解質との密着性を考慮して適宜選択することができるが、通常0.2~5 W/cm2程度とすることが好ましい。
<All-solid-state lithium-ion battery>
A solid-state lithium ion battery can be constructed by contacting the carbon nanowall electrode of the present invention with a solid electrolyte capable of transferring lithium ions, and further laminating a cathode material and a current collector that have been conventionally used in lithium ion batteries. As the solid electrolyte capable of transferring lithium ions, lithium oxides (e.g., lithium phosphate oxynitride (LiPON), Li 3 PO 4 , LiBO 3 , etc.) can be used. As the cathode active material, lithium oxides (e.g., lithium manganate (LiMnO), lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), etc.) can be used. These solid electrolytes and cathode active materials are formed in a vacuum device using a physical vapor deposition method such as a sputtering method or a vapor deposition method. When a solid electrolyte is laminated on a carbon nanowall electrode by a sputtering method, a lithium oxide or the like can be used as a target electrode. The output per target area in the sputtering method can be appropriately selected in consideration of the adhesion between the carbon nanowall and the solid electrolyte, but it is usually preferable to set it to about 0.2 to 5 W/cm 2 .

本発明のカーボンナノウォール電極を用いた全固体型リチウムイオン電池は、充放電の繰り返しによっても負極表面の構造はほとんど変化せず安定している。
また、この電池は充電過程においてインターカレーションによりカーボンナノウォールの層間にリチウムが吸蔵されるだけでなく、カーボンナノウォール表面においてもリチウムが数層にわたって析出する。このため、層間に吸蔵されたリチウムのみならず、カーボンナノウォール表面において析出したリチウムも充放電量に寄与することとなり、層間に吸蔵されるリチウムの量から理論的に計算された充放電量を遥かに凌ぐこととなる。このため、電池の大幅なコンパクト化、軽量化が可能となる。
また、従来のリチウムイオン二次電池と同様、3.2Vから4.2V付近での高電位駆動が可能である。
さらに、固体電解質を用いているために、液漏れの心配がなく、作動温度も高くすることができる。
In an all-solid-state lithium ion battery using the carbon nanowall electrode of the present invention, the structure of the negative electrode surface remains stable and hardly changes even after repeated charge and discharge.
In addition, in the charging process, not only is lithium absorbed between the carbon nanowalls by intercalation, but lithium is also precipitated over several layers on the surface of the carbon nanowalls. Therefore, not only the lithium absorbed between the layers but also the lithium precipitated on the surface of the carbon nanowalls contributes to the charge and discharge capacity, far exceeding the charge and discharge capacity theoretically calculated from the amount of lithium absorbed between the layers. This allows the battery to be significantly more compact and lightweight.
Moreover, like conventional lithium ion secondary batteries, it is possible to operate at a high potential in the range of about 3.2 V to 4.2 V.
Furthermore, since a solid electrolyte is used, there is no need to worry about liquid leakage, and the operating temperature can be made higher.

<カーボンナノウォール電極の作製>
(実施例1)
SUS304からなる厚さ40μmのステンレス箔を用意し、これを50mm×50mmに切断したものを基板とした。SUS304はオーステナイト系ステンレスの一種である。この基板を図2に示すマイクロ波表面波プラズマCVD装置200の反応容器1内のサセプタ6上に置き、次の条件でマイクロ波プラズマCVDを行った後、反応容器1内に窒素を入れて大気圧に戻してから基板を取り出し、これをリチウムイオン二次電池用負極とした。
フローガス CH4:H2:Ar=5:3:3の混合ガス
サセプタ6の温度:500℃、プロセス圧:10Pa、
プラズマ照射時間:3分、8分及び10分、印加マイクロ波出力:1kW、
印加マイクロ波周波数:2.45GHz、
プラズマ励振板から基板までの距離:55mm
<Fabrication of carbon nanowall electrodes>
Example 1
A 40 μm thick stainless steel foil made of SUS304 was prepared and cut to 50 mm x 50 mm to serve as a substrate. SUS304 is a type of austenitic stainless steel. This substrate was placed on the susceptor 6 in the reaction vessel 1 of the microwave surface wave plasma CVD device 200 shown in Figure 2, and microwave plasma CVD was performed under the following conditions. After that, nitrogen was introduced into the reaction vessel 1 to return it to atmospheric pressure, and the substrate was removed, and this was used as a negative electrode for a lithium ion secondary battery.
Flow gas: CH4 : H2 :Ar=5:3:3 mixed gas. Temperature of susceptor 6: 500°C, process pressure: 10 Pa.
Plasma irradiation time: 3 minutes, 8 minutes and 10 minutes, applied microwave power: 1 kW,
Applied microwave frequency: 2.45 GHz,
Distance from plasma excitation plate to substrate: 55 mm

(プラズマCVD装置200の構造)
プラズマCVD装置200は、反応容器1と、CVD反応容器1の上部に配設された導波管2とが設けられている。CVD反応容器1と導波管2との間には、石英から成るプラズマ励振板3が設けられており、プラズマ励振板3のCVD反応容器1側には多数の微小な凹部30が形成されている。この凹部30に電界が集中することにより、凹部30がプラズマの発生起点となり、低電力でのプラズマの発生が容易になる。導波管2の下側にはスロットアンテナ4が設けられている。導波管2には図示しないマイクロ波発信機から2.45GHzのマイクロ波が供給され、スロットアンテナ4を介して、CVD反応容器1の内部及びプラズマ励振板3に電磁波が供給されるようになっている。
CVD反応容器1の内部には、基板5を載置させるためのサセプタ6及びサセプタ6を加熱するための加熱装置7が設けられている。混合ガス中の供給量は、各ガス成分の図示しないマスフローコントローラにより供給量が調整されており、CVD反応容器1の上部側面に設けられた導入口11 からCVD反応容器1内に導入される。CVD反応容器1の側面下部には、ガスを排出するための排出口12が設けられている。また、CVD反応容器1の内部は、図示しない真空ポンプにより10- 3 torr程度に減圧できるようになっている。
(Structure of Plasma CVD Apparatus 200)
The plasma CVD device 200 is provided with a reaction vessel 1 and a waveguide 2 disposed above the CVD reaction vessel 1. A plasma excitation plate 3 made of quartz is provided between the CVD reaction vessel 1 and the waveguide 2, and a number of minute recesses 30 are formed on the plasma excitation plate 3 on the CVD reaction vessel 1 side. By concentrating an electric field in the recesses 30, the recesses 30 become the plasma generation starting points, making it easy to generate plasma at low power. A slot antenna 4 is provided below the waveguide 2. A microwave of 2.45 GHz is supplied to the waveguide 2 from a microwave generator (not shown), and electromagnetic waves are supplied to the inside of the CVD reaction vessel 1 and the plasma excitation plate 3 via the slot antenna 4.
A susceptor 6 for placing a substrate 5 thereon and a heating device 7 for heating the susceptor 6 are provided inside the CVD reaction vessel 1. The supply amounts of the mixed gas are adjusted by mass flow controllers (not shown) for each gas component, and the gases are introduced into the CVD reaction vessel 1 through an inlet 11 provided on the upper side of the CVD reaction vessel 1. An outlet 12 for discharging the gas is provided at the lower part of the side of the CVD reaction vessel 1. The inside of the CVD reaction vessel 1 can be depressurized to about 10-3 torr by a vacuum pump (not shown).

(CVDによるカーボンナノウォールの形成)
次に、カーボンナノウォールを基板5上に形成させる方法について説明する。
基板5をメタノール中で超音波洗浄し、さらにアセトン中で超音波洗浄した後、乾燥し、サセプタ6の上に設置した。真空ポンプによってCVD反応容器1内を所定の圧力に減圧した後、加熱装置7をON状態とし、サセプタ6の温度が所定の温度となる様に制御した。この状態でCVD反応容器1の内部にメタンと水素とアルゴンのそれぞれのガス流量を、マスフローコントローラにより制御しながら供給し、CVD反応容器1の内部が所定の圧力となるように制御した。次に、マイクロ波発信機を駆動して2.45GHzのマイクロ波を導波管2に供給し、CVD反応容器1の内部において混合気体のプラズマを発生させた。プラズマは基板5の上方にマイクロ波表面波プラズマが生成された。所定時間経過後マイクロ波発信機の駆動を停止し、加熱装置7をOFF状態とした後、一定時間経過後、CVD反応容器1の内部を大気圧に戻し、表面にカーボンナノウォールが形成された基板5を取り出し、これを実施例1のカーボンナノウォール電極とした。
(Formation of Carbon Nanowalls by CVD)
Next, a method for forming carbon nanowalls on the substrate 5 will be described.
The substrate 5 was ultrasonically cleaned in methanol, and then ultrasonically cleaned in acetone, and then dried and placed on the susceptor 6. After the pressure inside the CVD reaction vessel 1 was reduced to a predetermined pressure by the vacuum pump, the heating device 7 was turned on, and the temperature of the susceptor 6 was controlled to a predetermined temperature. In this state, the gas flow rates of methane, hydrogen, and argon were supplied to the inside of the CVD reaction vessel 1 while being controlled by the mass flow controller, and the inside of the CVD reaction vessel 1 was controlled to a predetermined pressure. Next, the microwave generator was driven to supply microwaves of 2.45 GHz to the waveguide 2, and plasma of the mixed gas was generated inside the CVD reaction vessel 1. As for the plasma, microwave surface wave plasma was generated above the substrate 5. After a predetermined time, the microwave generator was stopped to drive, and the heating device 7 was turned off, and after a certain time, the inside of the CVD reaction vessel 1 was returned to atmospheric pressure, and the substrate 5 on whose surface the carbon nanowalls were formed was taken out, and this was used as the carbon nanowall electrode of Example 1.

(実施例2)
実施例2では、実施例1と同様のSUS304製基板を用い、マイクロ波プラズマCVDにおける条件を次の通りとした。その他の工程については実施例1と同様であり説明を省略する。
・フローガス アセチレン:水素:アルゴン=3:20:20の混合ガス、
・サセプタ6の温度:500℃、プロセス圧 7Pa、
・プラズマ照射時間:5分、
・印加マイクロ波出力 1.5kW、印加マイクロ波周波数 2.45GHz、
・プラズマ励振板から基板までの距離 50mm
Example 2
In Example 2, the same SUS304 substrate as in Example 1 was used, and the conditions for microwave plasma CVD were as follows: The other steps were the same as in Example 1, and therefore the description will be omitted.
Flow gas: Acetylene: Hydrogen: Argon = 3:20:20 mixed gas,
Temperature of susceptor 6: 500° C., process pressure: 7 Pa,
Plasma exposure time: 5 minutes
Applied microwave power: 1.5 kW, applied microwave frequency: 2.45 GHz,
・Distance from plasma excitation plate to substrate: 50 mm

(実施例3)
実施例3では基板として厚さ40μmのオーステナイト系ステンレス(SUS316)箔を用いた。その他の工程については実施例2と同様であり説明を省略する。
Example 3
In Example 3, an austenitic stainless steel (SUS316) foil having a thickness of 40 μm was used as the substrate. The other steps were the same as those in Example 2, and therefore the description thereof will be omitted.

(実施例4)
実施例4では基板として厚さ50μmのフェライト系ステンレス(SUS430)箔を用いた。その他の工程については実施例2と同様であり説明を省略する。
Example 4
A ferritic stainless steel (SUS430) foil having a thickness of 50 μm was used as the substrate in Example 4. The other steps were the same as those in Example 2, and therefore the description thereof will be omitted.

(比較例1)
比較例1では基板として厚さ40μmの銅箔を用いた。その他の工程については実施例1と同様であり説明を省略する。
(Comparative Example 1)
A copper foil having a thickness of 40 μm was used as the substrate in Comparative Example 1. The other steps were the same as those in Example 1, and therefore the description thereof will be omitted.

-評 価-
以上の様にして作製した実施例1~4及び比較例1のカーボンナノウォール電極について、以下に示す分析を行った。
-evaluation-
The carbon nanowall electrodes of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 prepared as described above were subjected to the following analyses.

・走査型電子顕微鏡による観察
実施例1のカーボンナノウォール電極(プラズマ照射時間:8分間)について、表面及び断面の走査型電子顕微鏡写真を図3に示す。これから、カーボンナノウォールに特徴的な、扁平なカーボンの結晶が基板表面に対しておおよそ垂直方向に成長していることがわかる。実施例2、実施例3及び実施例4についても同様のカーボンナノウォールが観測され、カーボンナノウォールの剥離は生じなかった。
一方、銅箔を基板とした比較例1では、カーボンナノウォールを銅箔上に形成できたが、その後の基板加工の段階で基板から剥離していることが観測され、カーボンナノウォール電極としての利用は困難であることが示された。
Observation by Scanning Electron Microscope Scanning electron microscope photographs of the surface and cross section of the carbon nanowall electrode of Example 1 (plasma exposure time: 8 minutes) are shown in Figure 3. From these, it can be seen that flat carbon crystals, which are characteristic of carbon nanowalls, grow in a direction approximately perpendicular to the substrate surface. Similar carbon nanowalls were observed in Examples 2, 3, and 4, and no peeling of the carbon nanowalls occurred.
On the other hand, in Comparative Example 1, in which copper foil was used as the substrate, carbon nanowalls were formed on the copper foil, but they were observed to peel off from the substrate during the subsequent substrate processing stage, indicating that they would be difficult to use as a carbon nanowall electrode.

・透過型電子顕微鏡による観察
実施例1のカーボンナノウォール電極について、基板1からカーボンナノウォールを剥離し、硬化剤で固めた後、さらにミクロトーム等によって断面を観察可能となるように薄膜化した試料を作製し、透過型電子顕微鏡写真を撮影した(図4参照)。その結果、カーボンナノウォールの厚みはおよそ4.5nmであり、グラフェンシートが10数枚程度重なっていることが分かった。また、実施例2、実施例3及び実施例4についても同様のカーボンナノウォールが観測された。
Observation by Transmission Electron Microscope For the carbon nanowall electrode of Example 1, the carbon nanowalls were peeled off from the substrate 1, solidified with a hardener, and then thinned to enable cross-section observation using a microtome or the like to prepare a sample, and a transmission electron microscope photograph was taken (see FIG. 4). As a result, it was found that the thickness of the carbon nanowall was about 4.5 nm, and that about 10 or so graphene sheets were overlapped. Similar carbon nanowalls were also observed in Examples 2, 3, and 4.

・X線光電子分光分析(XPS)による測定
プラズマ照射時間を3分又は10分とし、その他の条件は実施例1と同様の条件で2種類のカーボンナノウォール電極を作製し、X線光電子分光スペクトル(XPS)測定を行った。また、比較として高結晶化グラファイトも測定した。
測定結果を図5に示す。プラズマ照射時間が3分の場合には283~284eV付近にブロードなピークが認められた。このブロードなピークは高結晶化グラファイトでは検出されなかったこと、及びケミカルシフトの値から、C1sにおけるカーバイドに基づくピークであることが分かった。また、波形分離を行って283~284eV付近にブロードなピークの面積を求めたところ、C1sスペクトルにおける全ピーク面積の2.5%であった。これに対して、プラズマ照射時間が10分の場合には283~284eV付近のカーバイドに基づくピークは認められなかった。以上の結果から、カーバイドはカーボンナノウォールにおける基板表面から100nm以内の範囲に存在していることが分かった。
実施例2~4の試料については、XPS装置内でアルゴンイオンエッチングを行うことにより、その場でカーボンナノウォールをエッチング除去してXPS測定を行った。実施例4(プラズマ照射時間は5分)における測定結果を図6に示す。エッチングする前の試料では、グラファイトと同様なピークであったことから、カーボンナノウォールからなることが分かった。この試料表面をアルゴンスパッタエッチングした場合、エッチング時間の経過とともに、284.4eVに現れていたC1sスペクトルにおけるカーボンナノウォールに基づくピークが小さくなり、カーバイドに基づくピークが283.2eVに現れてくることが分かった。実施例2及び実施例3についても同様の結果となった。このことからも、カーバイドは基板の極表面付近に存在することが分かった。
一方、銅箔を基板とした比較例1では、C1sスペクトルにおけるカーバイドに基づくピークは全く観測されなかった。
Measurement by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) Two types of carbon nanowall electrodes were prepared under the same conditions as in Example 1, except that the plasma exposure time was set to 3 or 10 minutes, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements were performed. For comparison, highly crystallized graphite was also measured.
The measurement results are shown in Figure 5. When the plasma exposure time was 3 minutes, a broad peak was observed around 283 to 284 eV. This broad peak was not detected in highly crystallized graphite, and from the chemical shift value, it was found to be a peak due to carbide in C1s. In addition, when the area of the broad peak around 283 to 284 eV was calculated by waveform separation, it was 2.5% of the total peak area in the C1s spectrum. In contrast, when the plasma exposure time was 10 minutes, no peak due to carbide was observed around 283 to 284 eV. From the above results, it was found that carbide exists within a range of 100 nm from the substrate surface in the carbon nanowalls.
For the samples of Examples 2 to 4, the carbon nanowalls were etched away in situ by argon ion etching in the XPS apparatus, and XPS measurements were performed. The measurement results for Example 4 (plasma exposure time 5 minutes) are shown in FIG. 6. The sample before etching had a peak similar to that of graphite, and it was found to be made of carbon nanowalls. When the surface of this sample was argon sputter etched, it was found that the peak due to carbon nanowalls in the C1s spectrum, which appeared at 284.4 eV, became smaller with the passage of etching time, and a peak due to carbide appeared at 283.2 eV. The same results were obtained for Examples 2 and 3. This also showed that carbide was present near the very surface of the substrate.
On the other hand, in Comparative Example 1 in which a copper foil was used as the substrate, no peaks due to carbide were observed in the C1s spectrum.

・エネルギー分散型X線分析(EDX)による測定
実施例1~4について、エネルギー分散型X線分析(EDX)を行った結果、カーボン以外にFe、Crが検出された。
以上の結果及びXPS測定結果から、実施例1~4では、基板表面近傍のカーボンナノウォール中において、FeやCrがカーボンと結びついてカーバイドが形成されていることが分かった。
Measurement by Energy Dispersive X-ray Analysis (EDX) As a result of carrying out energy dispersive X-ray analysis (EDX) on Examples 1 to 4, Fe and Cr were detected in addition to carbon.
From the above results and the XPS measurement results, it was found that in Examples 1 to 4, Fe and Cr were bonded to carbon in the carbon nanowalls near the substrate surface to form carbides.

X線光電子分光分析(XPS)による測定及びエネルギー分散型X線分析(EDX)による測定の結果から、図7に示すように、基板であるステンレス箔20とカーボンナノウォール21との界面付近においてカーバイド含有カーボン層22が形成されることが分かった。ステンレス箔20とカーボンナノウォール21の密着性が良好なのは、このカーバイド含有カーボン層22形成に起因する。 The results of measurements using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and energy dispersive X-ray analysis (EDX) showed that a carbide-containing carbon layer 22 was formed near the interface between the stainless steel foil 20 substrate and the carbon nanowalls 21, as shown in Figure 7. The good adhesion between the stainless steel foil 20 and the carbon nanowalls 21 is due to the formation of this carbide-containing carbon layer 22.

・ラマンスペクトルの測定
実施例1の試料について、顕微レーザラマン分光装置(レニショー製InVia Raman microscope)を用いてラマンスペクトルを測定した。レーザー光は波長532nmのアルゴンレーザーである。図8に測定結果を示す。1350cm-1、1580 cm-1及び2682 cm-1の付近おいて、それぞれ、D、G及び2Dで示したピークが観測された。ここでGはグラファイト構造に由来するピークであり、このピークの肩に小さなピークであるG´ピークが観測された。このG´ピークは、成膜したカーボンナノウォールが基板に対して垂直方向に伸びていることを示している。
Measurement of Raman spectrum The Raman spectrum of the sample of Example 1 was measured using a microscopic laser Raman spectrometer (Renishaw InVia Raman microscope). The laser light was an argon laser with a wavelength of 532 nm. The measurement results are shown in FIG. 8. Peaks indicated by D, G, and 2D were observed near 1350 cm -1 , 1580 cm -1 , and 2682 cm -1 , respectively. Here, G is a peak derived from the graphite structure, and a small peak, G' peak, was observed on the shoulder of this peak. This G' peak indicates that the formed carbon nanowalls extend in a direction perpendicular to the substrate.

<マイクロ波プラズマCVDにおけるガス組成の影響>
マイクロ波プラズマCVDにおけるガス組成の影響を調べるために、以下の実験を行った。
(実施例5-1~5-6)
実施例5-1~5-6では、実施例1と同様のSUS304製基板を用い、マイクロ波プラズマCVDにおける条件をいろいろと変化させてその影響を調べた。
フローガス条件:表1に示す。

Figure 0007576785000001
<Effect of Gas Composition in Microwave Plasma CVD>
In order to investigate the effect of gas composition in microwave plasma CVD, the following experiment was carried out.
(Examples 5-1 to 5-6)
In Examples 5-1 to 5-6, the same SUS304 substrate as in Example 1 was used, and the conditions in the microwave plasma CVD were variously changed to examine the effects thereof.
Flow gas conditions: as shown in Table 1.

Figure 0007576785000001

以下の条件は実施例5-1~5-6とも同じである。
サセプタ6の温度:500℃、プロセス圧:10Pa、
プラズマ照射時間:10分
印加マイクロ波出力:1kW、印加マイクロ波周波数:2.45GHz、
プラズマ励振板から基板までの距離:55mm
The following conditions were the same for Examples 5-1 to 5-6.
Temperature of susceptor 6: 500° C., process pressure: 10 Pa,
Plasma exposure time: 10 minutes
Applied microwave power: 1 kW, applied microwave frequency: 2.45 GHz,
Distance from plasma excitation plate to substrate: 55 mm

-結 果-
(走査型電子顕微鏡による観察)
図9に実施例5-4、実施例5-5及び実施例5-6で作製したカーボンナノウォール表面の走査型電子顕微鏡写真を示す。これらの写真から、隣接するカーボンナノウォール間の平均距離を算出した結果、実施例5-4では1.2μm、実施例5-5では1.5μm、実施例5-6では1.9μmとなった。これらの結果から、プラズマCVDの供給ガスにおけるCH4/H2の値を制御することにより、隣接するカーボンナノウォール間の距離を制御できることが分かった。
-Results-
(Observation by scanning electron microscope)
9 shows scanning electron microscope photographs of the surfaces of the carbon nanowalls produced in Examples 5-4, 5-5, and 5-6. From these photographs, the average distance between adjacent carbon nanowalls was calculated to be 1.2 μm in Example 5-4, 1.5 μm in Example 5-5, and 1.9 μm in Example 5-6. From these results, it was found that the distance between adjacent carbon nanowalls can be controlled by controlling the CH4 / H2 ratio in the plasma CVD supply gas.

(実施例6-1~6-3及び比較例2,3)
実施例6-1~6-3及び比較例2,3ではSUS304を基板として用い、サセプタ6の温度を様々な温度とし(実施例6-1では400℃、実施例6-2では500℃、実施例6-3では600℃、比較例2では200℃、比較例3では700℃)、マイクロ波プラズマCVDにおけるプラズマ照射時間を10分とした。その他については実施例1と同様であり説明を省略する。
(Examples 6-1 to 6-3 and Comparative Examples 2 and 3)
In Examples 6-1 to 6-3 and Comparative Examples 2 and 3, SUS304 was used as the substrate, the temperature of the susceptor 6 was varied (400° C. in Example 6-1, 500° C. in Example 6-2, 600° C. in Example 6-3, 200° C. in Comparative Example 2, and 700° C. in Comparative Example 3), and the plasma irradiation time in microwave plasma CVD was 10 minutes. The rest is the same as in Example 1, and the description will be omitted.

<結 果>
実施例6-1、実施例6-2及び実施例6-3、並びに比較例2で作製したカーボンナノウォール電極表面の走査型電子顕微鏡写真を図10及び図11示す。サセプタ6の温度を200℃とした比較例2では、図11に示すようにカーボンナノウォールの層は形成されるが、歪によって基板が反ってしまうという不具合が生じ、カーボンナノウォールの層も剥離し易かった。また、サセプタ6の温度を700℃とした比較例3においても、歪によって基板が反ってしまうという不具合が生じた。
一方、サセプタ6の温度が400~600℃の範囲で作製された場合には、剥離しにくいカーボンナノウォールの層が形成され、歪によって基板が反ってしまうこともなかった。
また、プラズマ照射前及び後における基板の重量変化についてのグラフを図12に示す。
<Results>
Scanning electron microscope photographs of the surfaces of the carbon nanowall electrodes prepared in Examples 6-1, 6-2, and 6-3, and Comparative Example 2 are shown in Figures 10 and 11. In Comparative Example 2, in which the temperature of the susceptor 6 was set to 200°C, a layer of carbon nanowalls was formed as shown in Figure 11, but the substrate was warped due to distortion, and the carbon nanowall layer was also easily peeled off. In Comparative Example 3, in which the temperature of the susceptor 6 was set to 700°C, the substrate was warped due to distortion, and this was also a problem.
On the other hand, when the temperature of the susceptor 6 was in the range of 400 to 600° C., a layer of carbon nanowalls that was not easily peeled off was formed, and the substrate was not warped due to distortion.
FIG. 12 shows a graph of the weight change of the substrate before and after plasma exposure.

(実施例7-1~7-4)
実施例7-1~7-4では基板として厚さ100μmのアルミニウム板を用い、基板を載置する台の温度、及びマイクロ波プラズマCVDにおけるプラズマ照射時間を表2に示す条件とした。その他については実施例2と同様であり説明を省略する。
(Examples 7-1 to 7-4)
In Examples 7-1 to 7-4, an aluminum plate having a thickness of 100 μm was used as the substrate, and the temperature of the table on which the substrate was placed and the plasma exposure time in microwave plasma CVD were set as conditions shown in Table 2. The rest of the conditions were the same as in Example 2, and therefore a description thereof will be omitted.

Figure 0007576785000002
Figure 0007576785000002

<結 果>
実施例7-1~7-4で作製したカーボンナノウォール電極表面の走査型電子顕微鏡写真を図13に示す。図13における走査型電子顕微鏡写真から、基板としてアルミニウム板を用いた場合にも、カーボンナノウォールは形成されることが分かった。実施例7-1~7-4で作製したカーボンナノウォール電極は歪によって変形することもなく、カーボンナノウォールの層が剥離することもなかった。
また、実施例7-1で作製したカーボンナノウォール電極表面のXPS測定結果を図14に示す。アルゴンスパッタエッチング前のXPSでは、グラファイトと同様なピークであり、カーボンナノウォールからなることが分かった。一方アルゴンスパッタエッチングした場合、エッチング時間の経過とともに、284.4eVに現れていたC1sスペクトルにおけるカーボンナノウォールに基づくピークが小さくなり、カーバイドに基づくピークが282eVに現れてくることが分かった。このことから、カーバイドは基板の極表面付近に存在することが分かった。
<Results>
Scanning electron microscope photographs of the surfaces of the carbon nanowall electrodes prepared in Examples 7-1 to 7-4 are shown in Figure 13. The scanning electron microscope photograph in Figure 13 shows that carbon nanowalls are formed even when an aluminum plate is used as the substrate. The carbon nanowall electrodes prepared in Examples 7-1 to 7-4 were not deformed by strain, and the carbon nanowall layer was not peeled off.
14 shows the results of XPS measurement of the surface of the carbon nanowall electrode prepared in Example 7-1. In the XPS before argon sputter etching, the peak was similar to that of graphite, and it was found that the electrode was made of carbon nanowalls. On the other hand, when argon sputter etching was performed, it was found that the peak due to carbon nanowalls in the C1s spectrum, which appeared at 284.4 eV, became smaller with the passage of etching time, and a peak due to carbide appeared at 282 eV. This shows that carbide is present near the very surface of the substrate.

<リチウムイオン全固体二次電池の作製>
上記のようにして作製した実施例1のリチウムイオン二次電池用負極を用い、次の工程により全固体リチウムイオン二次電池を作製した。
マグネトロンスパッタ装置のチャンバー内の試料台に、実施例1のリチウムイオン二次電池用負極をカーボンナノウォールが上側となるように載置し、スパッタリングによって固体電解質を積層させた。スパッタリングのターゲットにはリン酸リチウム焼結体を使用し、スパッタガスにはアルゴン(Ar)と窒素(N2)を使用し、ガス導入量はそれぞれ30sccm、30sccmとし、ターゲット面積当りの出力が2W/cm2とし、スパッタリングの時間は20時間とした。こうして、実施例1のリチウムイオン二次電池用負極であるカーボンナノウォール上にリチウムイオンの移動が可能な固体電解質である窒化リン酸リチウム系セラミックス(以下LiPON層という)を積層させた。
<Preparation of Lithium-Ion All-Solid-State Secondary Battery>
Using the negative electrode for a lithium ion secondary battery of Example 1 prepared as described above, an all-solid-state lithium ion secondary battery was prepared by the following steps.
The negative electrode for lithium ion secondary battery of Example 1 was placed on a sample stage in a chamber of a magnetron sputtering device with the carbon nanowalls facing up, and a solid electrolyte was laminated by sputtering. A lithium phosphate sintered body was used as the sputtering target, argon (Ar) and nitrogen ( N2 ) were used as the sputtering gas, the gas introduction rates were 30sccm and 30sccm, respectively, the output per target area was 2W/ cm2 , and the sputtering time was 20 hours. In this way, a lithium phosphate nitride ceramic (hereinafter referred to as LiPON layer), which is a solid electrolyte capable of lithium ion migration, was laminated on the carbon nanowalls, which are the negative electrode for lithium ion secondary battery of Example 1.

次に、LiPON層の上にスパッタリングによって正極を積層させた。スパッタリングのターゲットにはマンガン酸リチウム(LiMnO)焼結体を使用し、スパッタガスにはArを使用し、ガス導入量は60sccmとし、ターゲット面積当りの出力が2W/cm2とし、スパッタリングの時間は6時間とした。
こうして、LiPON層の上に正極活物質であるLiMnOをさらに積層させたのち、蒸着装置内でLiMnOの上に金蒸着を行い、全固体リチウムイオン二次電池を得た。この電池の構成を図15に示す。すなわち、この電池はステンレスSUS304からなる基板20上にカーバイド含有カーボン層22を挟んで介してカーボンナノウォール21が立設されており、さらにLiPON層23、LiMnO層24、金蒸着層25の順に積層されている。基板20が負極側の集電体であり、カーボンナノウォール21が負極活物質であり、LiPON層23がリチウムイオンが移動可能な固体電解質であり、金蒸着膜25が正極側の集電体となっている。
固体電解質であるLiPON層23は、カーボンナノウォールの壁面と接触できるように、カーボンナノウォールの壁面と壁面との間隔をある程度開けることによって成膜できるようにしている。最後に正極表面に金電極を形成して全固体電池構造が完成した。
Next, a positive electrode was laminated on the LiPON layer by sputtering. A sintered lithium manganese oxide (LiMnO) was used as the sputtering target, Ar was used as the sputtering gas, the gas introduction rate was 60 sccm, the output per target area was 2 W/cm2, and the sputtering time was 6 hours.
In this way, LiMnO, a positive electrode active material, was further laminated on the LiPON layer, and then gold was evaporated on the LiMnO in an evaporation device to obtain an all-solid-state lithium-ion secondary battery. The structure of this battery is shown in Fig. 15. That is, in this battery, carbon nanowalls 21 are erected on a substrate 20 made of stainless steel SUS304 with a carbide-containing carbon layer 22 sandwiched therebetween, and a LiPON layer 23, a LiMnO layer 24, and a gold evaporated layer 25 are further laminated in this order. The substrate 20 is a negative electrode side current collector, the carbon nanowalls 21 are a negative electrode active material, the LiPON layer 23 is a solid electrolyte in which lithium ions can move, and the gold evaporated film 25 is a positive electrode side current collector.
The LiPON layer 23, which is a solid electrolyte, is formed by leaving a certain amount of space between the walls of the carbon nanowalls so that it can come into contact with the walls of the carbon nanowalls. Finally, a gold electrode is formed on the surface of the positive electrode to complete the all-solid-state battery structure.

-電池特性の評価-
(充放電特性)
上記のようにして作製したリチウムイオン全固体二次電池について、充放電特性を測定した。
・測定条件
25℃の温度下、5μAの定電流で充放電を行った。電圧範囲は0.5Vから4.2Vとし、充放電を15回繰り返した。
・測定結果
測定結果を図16に示す。充放電特性は繰り返しに対して比較的安定な特性であり、放電容量は14.4μAh/cmとなった。カーボンナノウォールの質量は13μg/cmであることから、放電容量に基づいた負極材の単位重量当たりの放電容量は、1100mAh/gと算出された。この単位重量当たりの放電容量は、グラフェンシートの層間にインターカレートできるリチウムの量(炭素原子6個についてリチウム原子1個)から計算された炭素原料の理論放電容量372mAh/gを大きく超える値である。この理由としては、グラフェンだけが関与する充放電反応だけではなく、グラフェン表面上に析出したリチウムが充放電反応に関与することが考えられる。
- Evaluation of battery characteristics -
(Charge/discharge characteristics)
The charge/discharge characteristics of the lithium ion all-solid-state secondary battery prepared as described above were measured.
Measurement conditions: Charge and discharge were performed at a constant current of 5 μA at a temperature of 25° C. The voltage range was from 0.5 V to 4.2 V, and charge and discharge were repeated 15 times.
Measurement results The measurement results are shown in FIG. 16. The charge/discharge characteristics were relatively stable against repetition, and the discharge capacity was 14.4 μAh/cm 2. Since the mass of the carbon nanowalls was 13 μg/cm 2 , the discharge capacity per unit weight of the negative electrode material based on the discharge capacity was calculated to be 1100 mAh/g. This discharge capacity per unit weight is a value that greatly exceeds the theoretical discharge capacity of the carbon raw material, 372 mAh/g, calculated from the amount of lithium that can be intercalated between the layers of the graphene sheet (one lithium atom per six carbon atoms). The reason for this is that not only the charge/discharge reaction involving graphene, but also the lithium precipitated on the graphene surface is thought to be involved in the charge/discharge reaction.

(電池断面の走査電子顕微鏡による観察)
上記のようにして作製したリチウムイオン全固体二次電池について、イオンミリング法を用いてエッチングして表出させた断面を走査電子顕微鏡で観察した。結果を図17に示す。基板であるステンレスの上にカーボンナノウォール、LiPON、LiMnO及び金がそれぞれ積層されていることがわかった。また、ステンレスとカーボンナノウォールとの間に剥離は観測されなかった。全固体電池の工程及び充放電動作においても密着性が良好であることが分かった。
また、カーボンナノウォールは基板に対してほぼ垂直に立設することが望ましいが、斜め方向から固体電解質の成膜の回り込みも可能であることから、基板に対して45度程度の傾きであってもよいことが、図17からわかった。
(Scanning electron microscope observation of battery cross section)
The cross section of the lithium ion all-solid-state secondary battery prepared as described above, which was etched by ion milling, was observed with a scanning electron microscope. The results are shown in FIG. 17. It was found that the carbon nanowalls, LiPON, LiMnO, and gold were laminated on the stainless steel substrate. In addition, no peeling was observed between the stainless steel and the carbon nanowalls. It was found that the adhesion was good during the process of the all-solid-state battery and the charge and discharge operation.
Furthermore, it is desirable to set the carbon nanowalls almost vertically relative to the substrate, but since it is also possible for the solid electrolyte film to be formed from an oblique direction, it is also possible to set the carbon nanowalls at an angle of about 45 degrees relative to the substrate, as shown in FIG. 17 .

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。This invention is not limited in any way to the above description of the embodiment of the invention. Various modifications that do not deviate from the scope of the claims and that can be easily conceived by a person skilled in the art are also included in this invention.

本発明のカーボンナノウォール電極は、従来のバインダーや導電助剤を全く使用せずにカーボン材料であるカーボンナノウォールだけからなる負極活物質とすることができる。このため、製造工程が簡単であり、従来のグラファイトの負極よりも電池容量を上げることができることから、小型で容量が大きい電池とすることができる。また、キャパシタの電極に利用した場合においても、電極の表面積が大きくなることから、容量の大きなキャパシタとなる。The carbon nanowall electrode of the present invention can be made into a negative electrode active material consisting of only carbon nanowalls, which are carbon materials, without using any conventional binders or conductive additives. This simplifies the manufacturing process, and allows for a higher battery capacity than conventional graphite negative electrodes, making it possible to produce a small, high-capacity battery. Furthermore, when used as a capacitor electrode, the electrode has a large surface area, resulting in a capacitor with a large capacity.

100…基板,101,102…カーボン層,200…プラズマCVD装置,1…CVD反応容器,2…導波管,3…プラズマ励振板,30…凹部,4…スロットアンテナ,5…基板,6…サセプタ(基板を載置する台),7…加熱装置,11…導入口,12…排出口,20…ステンレス箔,21…カーボンナノウォール,22…カーバイド含有カーボン層,23…LiPON層,24…マンガン酸リチウム層,25…金蒸着層 100...substrate, 101, 102...carbon layer, 200...plasma CVD device, 1...CVD reaction vessel, 2...waveguide, 3...plasma excitation plate, 30...recess, 4...slot antenna, 5...substrate, 6...susceptor (table for placing substrate), 7...heating device, 11...inlet, 12...outlet, 20...stainless steel foil, 21...carbon nanowall, 22...carbide-containing carbon layer, 23...LiPON layer, 24...lithium manganate layer, 25...gold vapor deposition layer

Claims (9)

カーボンナノウォールが基板上に立設されており、基板表面近傍にはX線光電子分光法(XPS)分析におけるC1sのナロースキャンにおいて、カーバイドに基づくピークが存在しており、前記基板はオーステナイト系ステンレス、フェライト系ステンレス、及びアルミニウムのいずれかであるカーボンナノウォール電極。 A carbon nanowall electrode in which carbon nanowalls are erected on a substrate, and a peak due to carbide is present near the substrate surface in a narrow scan of C1s in an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, and the substrate is any one of austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, and aluminum . カーボンナノウォールが基板上に立設されており、基板表面近傍にはX線光電子分光法(XPS)分析におけるC1sのナロースキャンにおいて、カーバイドに基づくピークが存在しており、隣接するカーボンナノウォール間の平均距離が1.2μm以上であるカーボンナノウォール電極。 A carbon nanowall electrode in which carbon nanowalls are erected on a substrate, a peak due to carbide is present in a narrow scan of C1s in an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis near the substrate surface , and the average distance between adjacent carbon nanowalls is 1.2 μm or more . 前記基板は鉄、ニッケル、クロム、コバルト、アルミニウム、ケイ素、タングステン、モリブデン、マンガン、チタン及びタンタルの少なくとも一つの元素を含む請求項に記載のカーボンナノウォール電極。 3. The carbon nanowall electrode of claim 2 , wherein the substrate comprises at least one element selected from the group consisting of iron, nickel, chromium, cobalt, aluminum, silicon, tungsten, molybdenum, manganese, titanium, and tantalum. 前記カーバイドは前記基板表面近傍のカーボンナノウォール中に存在している請求項1又は2に記載のカーボンナノウォール電極。 3. The carbon nanowall electrode according to claim 1, wherein the carbide is present in the carbon nanowalls in the vicinity of the substrate surface. 前記カーバイドに基づくピークの面積は、C1sスペクトルにおける全ピーク面積の2%以上である請求項1又は2に記載のカーボンナノウォール電極。 3. The carbon nanowall electrode of claim 1, wherein the area of the peak due to the carbide is 2% or more of the total peak area in the C1s spectrum. カーボンナノウォールが基板上に立設されており、基板表面近傍にはX線光電子分光法(XPS)分析におけるC1sのナロースキャンにおいて、カーバイドに基づくピークが存在するカーボンナノウォール電極の製造方法であって、
少なくとも水素及び炭化水素を含む混合ガスを供給しながらマイクロ波プラズマCVD法を行うことによって基板上にカーボンナノウォールを形成させるCVD工程を含み、
前記基板を載置する台の温度は400~600℃とされているカーボンナノウォール電極の製造方法。
A method for producing a carbon nanowall electrode, comprising: a substrate having carbon nanowalls standing on the substrate; and a peak due to carbide present in a narrow scan of C1s in an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis in the vicinity of the substrate surface, the method comprising the steps of :
The method includes a CVD process of forming carbon nanowalls on a substrate by performing a microwave plasma CVD process while supplying a mixed gas containing at least hydrogen and a hydrocarbon,
The temperature of the table on which the substrate is placed is set to 400 to 600° C.
カーボンナノウォールが基板上に立設されており、基板表面近傍にはX線光電子分光法(XPS)分析におけるC1sのナロースキャンにおいて、カーバイドに基づくピークが存在するカーボンナノウォール電極を二次電池用負極として用いた全固体二次電池。 An all-solid-state secondary battery that uses a carbon nanowall electrode as the negative electrode for the secondary battery, in which carbon nanowalls are erected on a substrate and a carbide-based peak is present in a narrow scan of C1s in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis near the substrate surface. カーボンナノウォールが基板上に立設されており、基板表面近傍にはX線光電子分光法(XPS)分析におけるC1sのナロースキャンにおいて、カーバイドに基づくピークが存在するカーボンナノウォール電極上に固体電解質層を物理的蒸着法で形成する工程と、
前記固体電解質上に正極物質層を物理的蒸着法で形成する工程と、
を有する全固体二次電池の製造方法。
forming a solid electrolyte layer on a carbon nanowall electrode by physical vapor deposition, the carbon nanowall electrode having a substrate on which a carbon nanowall is erected and a carbide-based peak is present in a narrow scan of C1s in an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis in the vicinity of the substrate surface;
forming a positive electrode material layer on the solid electrolyte by physical vapor deposition;
A method for producing an all-solid-state secondary battery comprising the steps of:
請求項に記載の製造方法によってカーボンナノウォール電極を形成する工程と、
前記カーボンナノウォール電極上に固体電解質層を物理的蒸着法で形成する工程と、
前記固体電解質上に正極物質層を物理的蒸着法で形成する工程と、
を有する全固体二次電池の製造方法。
forming a carbon nanowall electrode by the method of claim 6 ;
forming a solid electrolyte layer on the carbon nanowall electrode by physical vapor deposition;
forming a positive electrode material layer on the solid electrolyte by physical vapor deposition;
A method for producing an all-solid-state secondary battery comprising the steps of:
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