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JP7675352B2 - ELECTRODE FOR ELECTRIC STORAGE DEVICE, SECONDARY BATTERY, AND METHOD FOR MANUFACTURING ELECTRODE FOR ELECTRIC STORAGE DEVICE - Google Patents
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ELECTRODE FOR ELECTRIC STORAGE DEVICE, SECONDARY BATTERY, AND METHOD FOR MANUFACTURING ELECTRODE FOR ELECTRIC STORAGE DEVICE Download PDF

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Description

本願は、蓄電デバイス用電極、二次電池、および、蓄電デバイス用電極の製造方法に関する。 This application relates to an electrode for an electricity storage device, a secondary battery, and a method for manufacturing an electrode for an electricity storage device.

充放電可能な蓄電デバイスとしては、例えば、二次電池や、電気二重層キャパシタ等が知られている。それら蓄電デバイス用電極では、集電体表面に配置される活物質としてカーボンが用いられる場合がある。例えば、下記の特許文献1,2には、リチウムイオン二次電池の負極の活物質層をグラファイトやカーボンナノウォールによって構成する技術が開示されている。活物質層にカーボンナノウォールを適用した場合、グラファイトを適用した場合よりも、充電容量や充電速度等の蓄電デバイスの電池性能が向上することが期待できる。 Examples of chargeable and dischargeable electricity storage devices include secondary batteries and electric double layer capacitors. In electrodes for these electricity storage devices, carbon may be used as the active material placed on the surface of the current collector. For example, Patent Documents 1 and 2 below disclose a technique in which the active material layer of the negative electrode of a lithium ion secondary battery is made of graphite or carbon nanowalls. When carbon nanowalls are used in the active material layer, it is expected that the battery performance of the electricity storage device, such as the charging capacity and charging speed, will be improved compared to when graphite is used.

特許第2668678号公報Patent No. 2668678 特開2010-9980号公報JP 2010-9980 A

しかしながら、上述したような従来の活物質層では、依然として、蓄電デバイスに求められている高い電池性能の目標を十分に達成できてはいなかった。本願は、蓄電デバイスの性能を向上させることができる新規な活物質層を有する蓄電デバイス用電極を提供することを目的とする。 However, the conventional active material layers described above have still not been able to fully achieve the high battery performance required for electricity storage devices. The present application aims to provide an electrode for an electricity storage device having a new active material layer that can improve the performance of the electricity storage device.

本願発明の発明者らは、カーボンを活物質として用いる蓄電デバイス用電極の研究を重ねるうちに、従来のグラファイトやカーボンナノウォールとは構造が異なり、蓄電デバイスの性能を飛躍的に向上させることができる活物質層の開発に成功した。本願発明は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 Through extensive research into electrodes for electricity storage devices that use carbon as an active material, the inventors of the present invention have succeeded in developing an active material layer that has a different structure from conventional graphite and carbon nanowalls and can dramatically improve the performance of electricity storage devices. The present invention can be realized, for example, in the following forms:

本願発明の第1形態は、蓄電デバイス用電極として提供される。この形態の蓄電デバイス用電極は、集電体を構成する金属基板と、前記金属基板の表面に形成され、活物質としてカーボンを含む活物質層と、を備え、前記活物質層は、前記金属基板の厚み方向に細長く延びているグラフェンが積層された基部と、前記カーボンによって構成され、前記基部から延び出ている複数の延出部と、を有するカーボンナノ構造体によって構成されている
A first aspect of the present invention is provided as an electrode for an electricity storage device. The electrode for an electricity storage device of this aspect includes a metal substrate constituting a current collector, and an active material layer formed on a surface of the metal substrate and containing carbon as an active material, the active material layer being composed of a carbon nanostructure having a base portion formed of stacked graphene extending in an elongated manner in a thickness direction of the metal substrate, and a plurality of extension portions composed of the carbon and extending from the base portion.

この形態の蓄電デバイス用電極によれば、活物質層が新規な構造のカーボンナノ構造体によって構成される。この活物質層であれば、蓄電デバイスでの充電の際に、その表面に、充電反応に関与する金属イオンが析出した金属の層が、緻密、かつ、平坦に、状態良く形成される。よって、蓄電デバイスの電池性能を高めることができる。 In this form of electrode for an electricity storage device, the active material layer is composed of a carbon nanostructure with a novel structure. With this active material layer, when the electricity storage device is charged, a dense, flat, and well-formed metal layer is formed on the surface of the active material layer, on which metal ions involved in the charging reaction are precipitated. This makes it possible to improve the battery performance of the electricity storage device.

本願発明は、蓄電デバイス用電極以外の種々の形態で実現することが可能である。例えば、蓄電デバイス用電極を備える二次電池等の蓄電デバイス、蓄電デバイス用電極の製造方法、蓄電デバイスの製造方法、活物質層の製造方法、それらの製造方法の実行に適した製造装置、その製造装置を制御するための制御プログラム、その制御プログラムが記録された記録媒体等の形態で実現することもできる。 The present invention can be realized in various forms other than an electrode for an electricity storage device. For example, it can be realized in the form of an electricity storage device such as a secondary battery equipped with an electrode for an electricity storage device, a manufacturing method for an electrode for an electricity storage device, a manufacturing method for an electricity storage device, a manufacturing method for an active material layer, a manufacturing apparatus suitable for carrying out these manufacturing methods, a control program for controlling the manufacturing apparatus, a recording medium on which the control program is recorded, etc.

蓄電デバイス用電極を備える二次電池の構成を示す概略図。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a secondary battery including an electrode for an electricity storage device. 電極の断面構造を模式的に示す概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional structure of an electrode. カーボンナノ構造体の構成を模式的に示す概略図。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a carbon nanostructure. 充電の際に活物質層に金属原子が析出する様子を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing the deposition of metal atoms in an active material layer during charging. 二次電池の製造工程を示す工程フロー図。FIG. 2 is a process flow diagram showing a manufacturing process of a secondary battery. 第1処理装置の構成を示す概略図。FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a first processing apparatus. 第2処理装置の構成を示す概略図。FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a second processing apparatus. カーボンナノ構造体の延出部の生成過程を示す模式図。Schematic diagram showing a process of generating an extension portion of a carbon nanostructure. 実施例の撮影画像を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a photographed image in an embodiment. 実施例のカーボンナノ構造体の成長過程を撮影画像で示す説明図。1A to 1C are explanatory diagrams showing, by photographic images, the growth process of a carbon nanostructure according to an embodiment of the present invention. 実施例と比較例の撮影画像を示す説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram showing photographed images of an example and a comparative example. 実施例の電池性能の評価試験結果を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the results of an evaluation test of the battery performance of the examples. 第1の比較例の電池性能の評価試験結果を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the results of an evaluation test of the battery performance of the first comparative example. 第2の比較例の電池性能の評価試験結果を示す説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram showing the results of an evaluation test of the battery performance of the second comparative example. 実施例と比較例の電池性能の評価試験結果を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the results of evaluation tests of the battery performance of Examples and Comparative Examples. 実施例と比較例の金属原子の析出層の撮影画像を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing photographed images of precipitated layers of metal atoms in an example and a comparative example. 表面に水滴が落とされた実施例と比較例の活物質層の撮影画像を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing photographed images of active material layers of an example and a comparative example on whose surfaces water droplets have been dropped. 実施例と異なる製造方法で作製された比較例の活物質層の撮影画像を示す説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram showing a photographed image of an active material layer of a comparative example produced by a production method different from that of the example.

以下、図を参照しながら、本願発明に係る蓄電デバイス用電極の実施形態を説明する。なお、本明細書において、「蓄電デバイス」とは、例えば、二次電池や電気二重層キャパシタ等、充放電可能な蓄電体、および、その蓄電体を備える装置を意味する。 Hereinafter, an embodiment of an electrode for an electricity storage device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In this specification, the term "electricity storage device" refers to a chargeable and dischargeable electricity storage body, such as a secondary battery or an electric double layer capacitor, and an apparatus including the electricity storage body.

1.実施形態:
1-1.二次電池の構成:
図1は、本実施形態の二次電池10の構成を示す概略図である。本実施形態の二次電池10は、充放電にリチウムイオンが関与するリチウムイオン二次電池である。二次電池10は、容器11と、電解液12と、セパレータ15と、第1電極20と、第2電極30と、を備える。図1では、便宜上、容器11を一点鎖線で図示し、セパレータ15を破線で図示してある。
1. Embodiments:
1-1. Structure of secondary battery:
Fig. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a secondary battery 10 according to the present embodiment. The secondary battery 10 according to the present embodiment is a lithium ion secondary battery in which lithium ions are involved in charging and discharging. The secondary battery 10 includes a container 11, an electrolyte 12, a separator 15, a first electrode 20, and a second electrode 30. In Fig. 1, for convenience, the container 11 is shown by a dashed line, and the separator 15 is shown by a broken line.

容器11は、電解液12が満たされた内部空間を有している。容器11は、電解液12に対して反応しにくい材質の材料によって液密に構成されている。電解液12は、第1電極20と第2電極30との間で、充放電に関与する金属イオンを伝達可能な性質を有する。本実施形態では、電解液12は、リチウム塩を有機溶媒に溶解させた溶液によって構成され、第1電極20と第2電極30との間でリチウムイオンを伝達可能である。電解液12のリチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を用いることができる。また、有機溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)や、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等を用いることができる。 The container 11 has an internal space filled with the electrolyte solution 12. The container 11 is liquid-tightly formed from a material that is difficult to react with the electrolyte solution 12. The electrolyte solution 12 has a property of being capable of transmitting metal ions involved in charging and discharging between the first electrode 20 and the second electrode 30. In this embodiment, the electrolyte solution 12 is formed from a solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, and is capable of transmitting lithium ions between the first electrode 20 and the second electrode 30. For example, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) can be used as the lithium salt of the electrolyte solution 12. In addition, for example, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), etc. can be used as the organic solvent.

セパレータ15は、容器11の内部空間を、第1電極20が収容される第1電極室16と、第2電極30が収容される第2電極室17と、に区画する。セパレータ15は、電気絶縁性とイオン伝導性とを有し、第1電極20と第2電極30とを電気的に絶縁するとともに、電解液12を介して伝達されるリチウムイオンを透過する。セパレータ15は、例えば、多孔質構造を有する樹脂フィルムや不織布などによって構成される。 The separator 15 divides the internal space of the container 11 into a first electrode chamber 16 in which the first electrode 20 is accommodated, and a second electrode chamber 17 in which the second electrode 30 is accommodated. The separator 15 has electrical insulation and ion conductivity, electrically insulates the first electrode 20 from the second electrode 30, and allows the lithium ions transmitted through the electrolyte 12 to pass through. The separator 15 is made of, for example, a resin film or nonwoven fabric having a porous structure.

第1電極20は、本実施形態の蓄電デバイス用電極に相当する。本実施形態の二次電池10では、第1電極20は負極を構成する。第1電極20は、金属基板21と、活物質層22と、を備える。 The first electrode 20 corresponds to the electrode for the power storage device in this embodiment. In the secondary battery 10 of this embodiment, the first electrode 20 constitutes the negative electrode. The first electrode 20 includes a metal substrate 21 and an active material layer 22.

金属基板21は、集電体を構成する。本実施形態では、金属基板21は、銅(Cu)の金属箔によって構成される。金属基板21は、Cu以外の金属によって構成されてもよい。他の実施形態では、金属基板21は、例えば、Cu合金や、アルミニウム(Al)、Al合金のうちのいずれか1つによって構成されてもよい。金属基板21は、金属箔によって構成されていなくてもよく、例えば、金属薄板によって構成されてもよい。金属基板21は、平板状に構成されていなくてもよく、例えば、筒状や波状など、様々な形状に曲げ加工されていてもよい。 The metal substrate 21 constitutes a current collector. In this embodiment, the metal substrate 21 is made of a metal foil of copper (Cu). The metal substrate 21 may be made of a metal other than Cu. In other embodiments, the metal substrate 21 may be made of, for example, any one of a Cu alloy, aluminum (Al), and an Al alloy. The metal substrate 21 does not have to be made of a metal foil, and may be made of, for example, a thin metal plate. The metal substrate 21 does not have to be made of a flat plate, and may be bent into various shapes, such as a cylindrical shape or a corrugated shape.

活物質層22は、金属基板21の第1面21aと第2面21bの両方に設けられている。活物質層22は、活物質としてカーボン(C)を含んでいる。第1電極20の金属基板21や活物質層22の構成の詳細、および、製造方法については後述する。なお、以下の説明においては、第1電極20を、単に「電極20」とも呼ぶ。 The active material layer 22 is provided on both the first surface 21a and the second surface 21b of the metal substrate 21. The active material layer 22 contains carbon (C) as an active material. Details of the configuration of the metal substrate 21 and the active material layer 22 of the first electrode 20, as well as the manufacturing method, will be described later. In the following description, the first electrode 20 will also be simply referred to as "electrode 20."

第2電極30は、二次電池10の正極を構成する。第2電極30は、正極集電体31と、正極活物質層32と、を有する。正極集電体31は、例えば、Alやチタン(Ti)等の金属箔によって構成される。正極集電体31は、他の金属によって構成されてもよいし、金属箔以外の形態を有していてもよい。正極集電体31は、平坦な形状で構成されていなくてもよく、筒状や波状など、様々な形状に曲げ加工されていてもよい。 The second electrode 30 constitutes the positive electrode of the secondary battery 10. The second electrode 30 has a positive electrode collector 31 and a positive electrode active material layer 32. The positive electrode collector 31 is made of a metal foil such as Al or titanium (Ti). The positive electrode collector 31 may be made of other metals or may have a form other than a metal foil. The positive electrode collector 31 does not have to be made in a flat shape, and may be bent into various shapes such as a cylindrical shape or a wavy shape.

正極活物質層32は、正極集電体31の第1面31aと第2面31bのそれぞれに形成されている。正極活物質層32は、Li原子を含む正極活物質と、導電助剤と、結着剤とを含有する。正極活物質層32は、増粘剤を含んでいてもよい。正極活物質としては、例えば、三元系の物質を用いることができ、コバルト酸リチウム(LiCoO)や、マンガン酸リチウム(LMO)、ニッケル酸リチウム(NCA)を用いることができる。導電助剤としては、例えば、アセチレンブラックやカーボンブラックを用いることができる。結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やスチレンブタジエンゴム(SBR)を用いることができる。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)を用いることができる。 The positive electrode active material layer 32 is formed on each of the first surface 31a and the second surface 31b of the positive electrode current collector 31. The positive electrode active material layer 32 contains a positive electrode active material containing Li atoms, a conductive assistant, and a binder. The positive electrode active material layer 32 may contain a thickener. As the positive electrode active material, for example, a ternary substance can be used, and lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium manganate (LMO), or lithium nickel oxide (NCA) can be used. As the conductive assistant, for example, acetylene black or carbon black can be used. As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) or styrene butadiene rubber (SBR) can be used. As the thickener, for example, carboxymethyl cellulose (CMC) can be used.

図2、および、図3を順に参照して、本実施形態の電極20の構成を説明する。 The configuration of the electrode 20 of this embodiment will be described with reference to Figures 2 and 3 in order.

図2は、厚み方向に沿った任意の切断面における電極20の断面構造を模式的に例示する概略断面図である。図2には、金属基板21の第1面21a側の電極20の構成を抜き出して図示してある。金属基板21の第2面21b側の電極20の構成は図2に示す第1面21a側の構成と同様である。 Figure 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the cross-sectional structure of the electrode 20 at any cut surface along the thickness direction. In Figure 2, the configuration of the electrode 20 on the first surface 21a side of the metal substrate 21 is illustrated. The configuration of the electrode 20 on the second surface 21b side of the metal substrate 21 is the same as the configuration on the first surface 21a side shown in Figure 2.

上述したように、金属基板21の表面には、活物質層22が設けられている。活物質層22は、金属基板21の表面を覆うアモルファスカーボン層23と、アモルファスカーボン層23の上に形成されたカーボンナノ構造体25と、を有する。 As described above, an active material layer 22 is provided on the surface of the metal substrate 21. The active material layer 22 has an amorphous carbon layer 23 that covers the surface of the metal substrate 21, and a carbon nanostructure 25 formed on the amorphous carbon layer 23.

アモルファスカーボン層23は、カーボンで構成された薄膜層であり、カーボンナノ構造体25の成長の起点である。アモルファスカーボン層23が良好に形成されていることにより、カーボンナノ構造体25の形成状態が改善される。アモルファスカーボン層23の膜厚は、例えば、10nm以上300nm以下であることが好ましい。アモルファスカーボン層23の膜厚は、10nm以上100nm以下であることがより好ましく、12nm以上30nm以下であることがさらに好ましい。 The amorphous carbon layer 23 is a thin film layer made of carbon, and is the starting point for the growth of the carbon nanostructures 25. The amorphous carbon layer 23 is well formed, thereby improving the formation state of the carbon nanostructures 25. The thickness of the amorphous carbon layer 23 is preferably, for example, 10 nm or more and 300 nm or less. The thickness of the amorphous carbon layer 23 is more preferably 10 nm or more and 100 nm or less, and even more preferably 12 nm or more and 30 nm or less.

カーボンナノ構造体25は、全体がカーボンで構成された微小な構造体であり、アモルファスカーボン層23の表面全体にわたって分布するように形成されている。カーボンナノ構造体25は、金属基板21の厚み方向に細長く延びている基部26と、基部26から延び出ている複数の延出部27と、を有する。複数の延出部27の多くは、基部26の上端側において枝状に分岐するように形成されている。カーボンナノ構造体25は、グラファイト様の物質であるため、活性炭等の炭素材料に比べて高い電気伝導率を有する。 The carbon nanostructures 25 are tiny structures made entirely of carbon, and are formed so as to be distributed over the entire surface of the amorphous carbon layer 23. The carbon nanostructures 25 have a base 26 that extends in an elongated manner in the thickness direction of the metal substrate 21, and a number of extensions 27 that extend from the base 26. Many of the extensions 27 are formed so as to branch out in a branch-like manner at the upper end side of the base 26. The carbon nanostructures 25 are graphite-like substances, and therefore have a higher electrical conductivity than carbon materials such as activated carbon.

図3は、単体のカーボンナノ構造体25の構成を模式的に示す概略図である。図3では、便宜上、基部26を構成するグラフェンGSを略長方形のシート状に図示してある。また、図3では、便宜上、複数の延出部27を破線で図示してある。 Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of a single carbon nanostructure 25. For convenience, the graphene GS constituting the base 26 is shown in FIG. 3 as a roughly rectangular sheet. Also, for convenience, multiple extensions 27 are shown in FIG. 3 with dashed lines.

基部26は、複数のグラフェンGSがその厚み方向に積層された多層構造を有する。グラフェンGSは、グラフェンシートとも呼ばれ、炭素の六員環構造、つまり、炭素原子を頂点とする六角形格子構造によって構成された、炭素原子1つ分の厚みを有するシート状の物質である。 The base 26 has a multi-layer structure in which multiple graphene GS are stacked in the thickness direction. Graphene GS, also known as a graphene sheet, is a sheet-like material with a thickness of one carbon atom, composed of a six-membered carbon ring structure, that is, a hexagonal lattice structure with carbon atoms as vertices.

基部26におけるグラフェンGSの積層数は様々であり、基部26は、針状や、板片状、ひだ状に形成される。基部26は、カーボンナノウォールや、それに類するカーボンナノフレーク、カーボンナノフラワーと同種の構造体であると解釈することもできる。基部26は、後に撮影画像で示すように、金属基板21の表面上にランダムな網目状に配置される。 The number of layers of graphene GS in the base 26 varies, and the base 26 is formed in a needle, plate, or pleat shape. The base 26 can also be interpreted as a structure similar to a carbon nanowall or the similar carbon nanoflake or carbon nanoflower. The base 26 is arranged in a random mesh pattern on the surface of the metal substrate 21, as will be shown in the photographed image later.

基部26は、炭素の六員環の全面単結晶によって構成されていなくてもよい。基部26を構成するグラフェンGSは、完全なグラフェン構造でなく、六員環構造の炭素を主成分とする薄膜であってもよい。グラフェンGSは、六員環構造の炭素を主成分とするモザイク構造を有していてもよい。モザイク構造とは、炭素の六員環構造によって構成された複数の領域が離散的に配置された構成を意味する。 The base 26 does not have to be entirely made of single crystals of carbon six-membered rings. The graphene GS constituting the base 26 may not have a complete graphene structure, but may be a thin film mainly composed of carbon with a six-membered ring structure. The graphene GS may have a mosaic structure mainly composed of carbon with a six-membered ring structure. The mosaic structure means a structure in which multiple regions composed of carbon six-membered ring structures are discretely arranged.

基部26の高さHaは、基部26の金属基板21側の下端から頂点までの長さ、つまり、アモルファスカーボン層23の表面からグラフェンGSの上端までの高さに相当する。基部26の平均高さHaは、0.1μm以上であることが好ましく、0.5μm以上であることがより好ましい。基部26の平均高さHaは、0.8μm以上であることがさらに好ましい。また、基部26の平均高さHaは、50.0μm以下でよい。基部26の平均高さHaは、25.0μm以下であることが好ましく、10.0μm以下であることがより好ましい。基部26の平均高さHaは、5.0μm以下であることがさらに好ましい。基部26の平均高さHaは、2.5μm以下であることがさらに好ましく、2.0μm以下であることが、より一層、好ましい。 The height Ha of the base 26 corresponds to the length from the lower end of the base 26 on the metal substrate 21 side to the apex, that is, the height from the surface of the amorphous carbon layer 23 to the upper end of the graphene GS. The average height Ha of the base 26 is preferably 0.1 μm or more, and more preferably 0.5 μm or more. The average height Ha of the base 26 is even more preferably 0.8 μm or more. The average height Ha of the base 26 may be 50.0 μm or less. The average height Ha of the base 26 is preferably 25.0 μm or less, and more preferably 10.0 μm or less. The average height Ha of the base 26 is even more preferably 5.0 μm or less. The average height Ha of the base 26 is even more preferably 2.5 μm or less, and even more preferably 2.0 μm or less.

基部26の平均厚みWは、例えば、0.5nm以上100.0nm以下であることが好ましい。平均厚みWは、1.0nm以上50.0nm以下であることがより好ましく、1.5nm以上30.0nm以下であることがさらに好ましい。 The average thickness W of the base 26 is preferably, for example, 0.5 nm or more and 100.0 nm or less. The average thickness W is more preferably 1.0 nm or more and 50.0 nm or less, and even more preferably 1.5 nm or more and 30.0 nm or less.

各延出部27は、カーボンによって構成されており、針状や、柱状、板片状、ひだ状に形成される。各延出部27の多くは、基部26の上端部の表面上にランダムに分布する。各延出部27が基部26に形成されることにより、活物質層22の表層近くにおいてカーボンナノ構造体25同士の間の隙間が低減されている。 Each extension 27 is made of carbon and is formed in a needle, column, plate, or pleat shape. Many of the extensions 27 are randomly distributed on the surface of the upper end of the base 26. By forming each extension 27 on the base 26, the gaps between the carbon nanostructures 25 near the surface of the active material layer 22 are reduced.

カーボンナノ構造体25の高さHbは、基部26の金属基板21側の下端から延出部27の上端まで高さに相当する。カーボンナノ構造体25の高さHbは、0.5μm以上であることが好ましく、0.8μm以上であることがより好ましい。また、カーボンナノ構造体25の高さHbは、1.0μm以上であることがさらに好ましく、1.2μm以上であることがより一層、好ましい。 The height Hb of the carbon nanostructure 25 corresponds to the height from the lower end of the base 26 on the metal substrate 21 side to the upper end of the extension 27. The height Hb of the carbon nanostructure 25 is preferably 0.5 μm or more, and more preferably 0.8 μm or more. Furthermore, the height Hb of the carbon nanostructure 25 is even more preferably 1.0 μm or more, and even more preferably 1.2 μm or more.

ただし、より高いカーボンナノ構造体25を形成しようとすると、それだけ、カーボンナノ構造体25を形成するためにかかる時間が長くなる。そのため、電極20の生産性を高める観点からは、カーボンナノ構造体25の平均高さHbは10.0μm以下とすることが好ましい。カーボンナノ構造体25の平均高さHbは8.0μm以下とすることがより好ましく、5.0μm以下とすることがさらに好ましい。カーボンナノ構造体25の平均高さHbは、3.0μm以下とすることが、より一層、好ましい。 However, if one attempts to form a taller carbon nanostructure 25, the time required to form the carbon nanostructure 25 increases accordingly. Therefore, from the viewpoint of increasing the productivity of the electrode 20, it is preferable that the average height Hb of the carbon nanostructures 25 is 10.0 μm or less. It is more preferable that the average height Hb of the carbon nanostructures 25 is 8.0 μm or less, and even more preferable that the average height Hb of the carbon nanostructures 25 is 5.0 μm or less. It is even more preferable that the average height Hb of the carbon nanostructures 25 is 3.0 μm or less.

ここで、活物質層22におけるカーボンナノ構造体25の密度は大きい方が、二次電池10の電池性能を高めることができる。本明細書では、活物質層22におけるカーボンナノ構造体25の密度は、以下のようにして求めた値である。各カーボンナノ構造体25を、所定の体積ごとに複数の単位ユニットに分割する。活物質層22の表面に正対して撮影した撮影画像において単位面積あたりに存在するその単位ユニットの個数を密度として計測する。 Here, the greater the density of the carbon nanostructures 25 in the active material layer 22, the higher the battery performance of the secondary battery 10 can be. In this specification, the density of the carbon nanostructures 25 in the active material layer 22 is a value determined as follows. Each carbon nanostructure 25 is divided into a plurality of unitary units for each predetermined volume. The number of unitary units present per unit area in an image taken directly facing the surface of the active material layer 22 is measured as the density.

活物質層22において、カーボンナノ構造体25の密度は、1μmあたり50個以上であることが好ましく、1μmあたり60個以上であることがより好ましい。カーボンナノ構造体25の密度は、70個以上であることがさらに好ましい。 In the active material layer 22, the density of the carbon nanostructures 25 is preferably 50 or more per 1 μm 2 , more preferably 60 or more per 1 μm 2 , and further preferably 70 or more per 1 μm 2 .

ただし、活物質層22におけるカーボンナノ構造体25の密度を過度に大きくしようとすると、カーボンナノ構造体25の形成に時間と手間がかかり、電極20の生産性が低下する可能性がある。活物質層22におけるカーボンナノ構造体25の密度は、1μmあたり200個以下であることが好ましく、100個以下であることがより好ましい。 However, if an attempt is made to excessively increase the density of the carbon nanostructures 25 in the active material layer 22, it will take time and effort to form the carbon nanostructures 25, which may reduce the productivity of the electrode 20. The density of the carbon nanostructures 25 in the active material layer 22 is preferably 200 or less per 1 μm2, and more preferably 100 or less.

活物質層22におけるカーボンナノ構造体25の密度は、活物質層22において隣り合うカーボンナノ構造体25同士の間の平均間隔が小さいほど大きくなり、平均間隔が大きいほど小さくなる。ここでの平均間隔は、カーボンナノ構造体25を高さ方向に射影した撮影画像上において所定の複数の箇所で一定方向に直線を引き、それぞれの直線において隣り合うカーボンナノ構造体25によって区画される線分の長さの測定値の平均値として算出される値である。 The density of the carbon nanostructures 25 in the active material layer 22 increases as the average spacing between adjacent carbon nanostructures 25 in the active material layer 22 decreases, and decreases as the average spacing increases. The average spacing here is calculated as the average value of the measured lengths of the line segments partitioned by adjacent carbon nanostructures 25 on each line, by drawing straight lines in a certain direction at a number of predetermined locations on a captured image in which the carbon nanostructures 25 are projected in the height direction.

活物質層22におけるカーボンナノ構造体25の平均間隔は、40nm以下であることが好ましく、30nm以下であることがより好ましい。カーボンナノ構造体25の平均間隔は、20nm以下であることがさらに好ましい。ただし、平均間隔は、10nm以上であることが好ましい。 The average spacing of the carbon nanostructures 25 in the active material layer 22 is preferably 40 nm or less, and more preferably 30 nm or less. It is even more preferable that the average spacing of the carbon nanostructures 25 is 20 nm or less. However, it is preferable that the average spacing is 10 nm or more.

1-2.二次電池での電池反応:
二次電池10での充放電の際の化学反応は、例えば、以下のような反応式により表すことができる。正極物質がLiCoOである場合、正極である第2電極30での反応式は、下記の式(1)で表される。xは、反応する原子の割合を表し、0より大きく1未満の実数である。
Li1-xCoO + xLi + xe- ⇔ LiCoO …(1)
1-2. Battery reaction in secondary batteries:
The chemical reactions occurring during charging and discharging in the secondary battery 10 can be expressed, for example, by the following reaction formula: When the positive electrode material is LiCoO2 , the reaction formula at the positive electrode, the second electrode 30, is expressed by the following formula (1): x represents the proportion of reacting atoms and is a real number greater than 0 and less than 1.
Li 1−x CoO 2 + xLi + + xe− ⇔ LiCoO 2 …(1)

これに対して、負極である電極20での反応式は、下記の式(2)で表される。式(2)が示しているように、二次電池10での充電の際には、電極20の表層にリチウムが析出する。
Li + e ⇔ Li …(2)
In contrast, the reaction formula at the negative electrode 20 is expressed by the following formula (2): As shown in formula (2), lithium is deposited on the surface layer of the electrode 20 when the secondary battery 10 is charged.
Li + + e - ⇔ Li...(2)

ここで、平坦な金属基板の表面に活物質としてグラファイトを配置した従来の負極の構成の場合、充電の際には、原理的に、炭素原子6個に対してリチウムイオン1個が吸蔵され、炭化リチウム(LiC)が形成される。そのため、比較例としてのその従来構成での反応式は、下記の式(3)のように表される。
従来構成での反応式: xLi + C + xe ⇔ Li …(3)
Here, in the case of a conventional negative electrode configuration in which graphite is disposed as an active material on the surface of a flat metal substrate, in principle, one lithium ion is absorbed for every six carbon atoms during charging, forming lithium carbide (LiC 6 ). Therefore, the reaction formula for the conventional configuration as a comparative example is expressed as the following formula (3).
Reaction formula in conventional configuration: xLi ++ C6 +xe - ⇔LixC6 ...( 3 )

上記の式(3)が示すように、負極活物質としてグラファイトを用いている従来構成の電極の場合には、充電によって吸蔵できるリチウムイオンの数が、活物質層に含まれる炭素原子の数によって定まってくる。 As shown in formula (3) above, in the case of a conventional electrode that uses graphite as the negative electrode active material, the number of lithium ions that can be absorbed by charging is determined by the number of carbon atoms contained in the active material layer.

これに対して、本実施形態の二次電池10に用いられている電極20の場合には、上記の式(2)で示されているように、理論的には、活物質層22での炭素原子の数の制限を受けることなく、リチウムを析出させることができる限り、充電が可能である。つまり、本実施形態の電極20によれば、1度の充電または放電において、炭素原子1個あたり2個以上のリチウムイオンを充放電反応に関与させることができる。よって、本実施形態の二次電池10は、電極20を負極として備えていることにより、充電容量が高められている。 In contrast, in the case of the electrode 20 used in the secondary battery 10 of this embodiment, as shown in the above formula (2), theoretically, charging is possible as long as lithium can be precipitated without being limited by the number of carbon atoms in the active material layer 22. In other words, according to the electrode 20 of this embodiment, two or more lithium ions per carbon atom can be involved in the charge/discharge reaction in one charge or discharge. Therefore, the secondary battery 10 of this embodiment has an increased charge capacity by having the electrode 20 as the negative electrode.

さらに、本実施形態の二次電池10では、電極20の活物質層22のカーボンナノ構造体25が延出部27を有していることにより、カーボンナノ構造体25が延出部27を有していない場合よりも、電池性能が向上する。本願発明の発明者は、その理由を、以下のように推察した。 Furthermore, in the secondary battery 10 of this embodiment, the carbon nanostructures 25 of the active material layer 22 of the electrode 20 have the extensions 27, which improves the battery performance compared to a case in which the carbon nanostructures 25 do not have the extensions 27. The inventor of the present invention speculates that the reason for this is as follows.

図4(a)は、本実施形態の二次電池10において、充電により電極20の活物質層22に金属原子28が析出している様子を示す模式図である。金属原子28は、上述の通り、リチウム原子である。 Figure 4(a) is a schematic diagram showing how metal atoms 28 are precipitated in the active material layer 22 of the electrode 20 upon charging in the secondary battery 10 of this embodiment. As described above, the metal atoms 28 are lithium atoms.

図4(b)は、比較例の二次電池10aにおいて、充電により、電極20aの活物質層22aに金属原子28が析出している様子を示す模式図である。比較例の二次電池10aは、電極20aの活物質層22aが、延出部27を有しておらず、基部26に相当する部位のみで構成されたカーボンナノ構造体25aによって構成されている点以外は、本実施形態の二次電池10の構成とほぼ同じである。 Figure 4(b) is a schematic diagram showing how metal atoms 28 are precipitated in the active material layer 22a of the electrode 20a upon charging in the secondary battery 10a of the comparative example. The secondary battery 10a of the comparative example has a configuration substantially the same as that of the secondary battery 10 of the present embodiment, except that the active material layer 22a of the electrode 20a does not have an extension 27 and is composed of a carbon nanostructure 25a composed only of a portion corresponding to the base 26.

核生成理論によれば、本実施形態の二次電池10の活物質層22では、カーボンナノ構造体25が有する複数の延出部27が、金属原子28の析出を促進させる起点となる凸部として機能し得る。よって、多数の微小な凸部が存在する本実施形態の活物質層22によれば、充電の際に、金属原子28が効率よく析出する。 According to nucleation theory, in the active material layer 22 of the secondary battery 10 of this embodiment, the multiple extensions 27 of the carbon nanostructure 25 can function as protrusions that serve as starting points for promoting the precipitation of metal atoms 28. Therefore, with the active material layer 22 of this embodiment, which has many tiny protrusions, the metal atoms 28 are efficiently precipitated during charging.

これに対して、図4(b)に示すように、比較例の二次電池10aの活物質層22aを構成するカーボンナノ構造体25aは、平坦な表面が多く、本実施形態のカーボンナノ構造体25よりも金属原子28が析出する効率が低くなる。よって、本実施形態の二次電池10によれば、比較例の二次電池10aよりも、充電時に金属原子28を、効率よく、短時間で析出させることが可能になる。 In contrast, as shown in FIG. 4(b), the carbon nanostructure 25a constituting the active material layer 22a of the secondary battery 10a of the comparative example has many flat surfaces, and the efficiency of the deposition of metal atoms 28 is lower than that of the carbon nanostructure 25 of the present embodiment. Therefore, according to the secondary battery 10 of the present embodiment, it is possible to deposit metal atoms 28 more efficiently and in a shorter time during charging than the secondary battery 10a of the comparative example.

また、本実施形態の二次電池10の活物質層22では、複数の延出部27が存在することによって、各カーボンナノ構造体25の間に存在する空隙が低減されている。そのため、二次電池10の充電時には、より緻密で、より平滑な表面を有する金属原子28の層の形成が促進され、金属原子28の層の厚みが増大し、金属原子28の析出量を増大させることができる。 In addition, in the active material layer 22 of the secondary battery 10 of this embodiment, the presence of multiple extensions 27 reduces the gaps between each carbon nanostructure 25. Therefore, when the secondary battery 10 is charged, the formation of a layer of metal atoms 28 having a denser and smoother surface is promoted, the thickness of the layer of metal atoms 28 increases, and the amount of precipitation of metal atoms 28 can be increased.

これに対して、比較例の二次電池10aの活物質層22aでは、延出部27を有していない分だけ、カーボンナノ構造体25aの間の隙間が多くなる。そのため、カーボンナノ構造体25aの間に十分に金属原子28が析出せず、金属原子28の層の内部に空隙VSが生じる可能性がある。 In contrast, in the active material layer 22a of the secondary battery 10a of the comparative example, the gaps between the carbon nanostructures 25a are larger because the active material layer 22a does not have the extensions 27. Therefore, the metal atoms 28 do not precipitate sufficiently between the carbon nanostructures 25a, and there is a possibility that voids VS will occur inside the layer of the metal atoms 28.

このように、本実施形態の二次電池10によれば、同じ充電条件で充電を実施したときに、比較例の二次電池10aよりも、電極20での金属原子28の析出量を増大させることができる。そのため、本実施形態の二次電池10によれば、比較例の二次電池10aよりも、充電容量を増大させることができる。 In this way, the secondary battery 10 of this embodiment can increase the amount of metal atoms 28 precipitated at the electrode 20 compared to the secondary battery 10a of the comparative example when charging is performed under the same charging conditions. Therefore, the secondary battery 10 of this embodiment can increase the charging capacity compared to the secondary battery 10a of the comparative example.

さらに、本実施形態の二次電池10によれば、上記のように、電極20での金属原子28の析出が促進されるため、金属原子28の層を一様に形成させやすく、安定した円滑な充放電反応が可能になる。加えて、本実施形態の二次電池10によれば、金属原子28の層がより平坦に形成されるため、金属原子28の析出量が局所的に多くなることが抑制されるため、デンドライトの発生を抑制することができる。 Furthermore, according to the secondary battery 10 of this embodiment, as described above, the precipitation of the metal atoms 28 at the electrode 20 is promoted, making it easier to form a uniform layer of the metal atoms 28, and enabling stable and smooth charge and discharge reactions. In addition, according to the secondary battery 10 of this embodiment, the layer of the metal atoms 28 is formed more evenly, which prevents the amount of precipitation of the metal atoms 28 from becoming locally large, thereby suppressing the occurrence of dendrites.

1-3.二次電池の製造方法:
図5は、二次電池10の製造工程を示す工程フロー図である。工程P1,P2は、電極20の製造工程である。工程P1,P2では、2種類のCVD(checmical vapor desposition)法によって、電極20の活物質層22を構成するカーボンナノ構造体25が形成される。本実施形態の2種類のCVD法は、ラジカル注入型プラズマ(Radical-Injection Plasma-Enhanced;RI-PE)CVD法と、容量結合型プラズマ(Capacitivery Coupled Plasma;CPP)CVD法である。
1-3. Manufacturing method of secondary battery:
5 is a process flow diagram showing the manufacturing process of the secondary battery 10. Processes P1 and P2 are manufacturing processes of the electrode 20. In processes P1 and P2, the carbon nanostructures 25 constituting the active material layer 22 of the electrode 20 are formed by two types of CVD (chemical vapor deposition) methods. The two types of CVD methods in this embodiment are a radical-injection plasma-enhanced (RI-PE) CVD method and a capacitively coupled plasma (CPP) CVD method.

工程P1は、RI-PECVD装置によって、金属基板21の表面に、カーボンナノ構造体25の基部26を成長させる工程に相当する。 Step P1 corresponds to a step of growing the base 26 of the carbon nanostructure 25 on the surface of the metal substrate 21 using a RI-PECVD apparatus.

図6は、工程P1で用いられるRI-PECVD装置である第1処理装置40の構成を示す概略図である。第1処理装置40は、上段に、プラズマ生成室41と、導波路42と、石英窓43と、スロットアンテナ44と、マイクロ波発生部45と、ラジカル源供給部46と、を備える。 Figure 6 is a schematic diagram showing the configuration of the first processing apparatus 40, which is the RI-PECVD apparatus used in process P1. The first processing apparatus 40 includes, at its upper stage, a plasma generation chamber 41, a waveguide 42, a quartz window 43, a slot antenna 44, a microwave generator 45, and a radical source supply unit 46.

プラズマ生成室41は、マイクロ波により表面波プラズマ(Surface Wave Plasma;SWP)が生成される空間である。導波路42は、プラズマ生成室41にマイクロ波を伝達するための空間である。導波路42は、プラズマ生成室41の上段に石英窓43によって区画されている。石英窓43には、スロットアンテナ44が配列されている。 The plasma generation chamber 41 is a space where surface wave plasma (SWP) is generated by microwaves. The waveguide 42 is a space for transmitting microwaves to the plasma generation chamber 41. The waveguide 42 is partitioned by a quartz window 43 at the upper stage of the plasma generation chamber 41. Slot antennas 44 are arranged on the quartz window 43.

マイクロ波発生部45は、導波路42にマイクロ波MWを導入する。マイクロ波発生部45は、例えば、300~500Wの電力で、2.00~3.00GHzの周波数のマイクロ波を発生可能である。導波路42に導入されたマイクロ波MWは、スロットアンテナ44によってプラズマ生成室41へと導入される。 The microwave generating unit 45 introduces microwaves MW into the waveguide 42. The microwave generating unit 45 can generate microwaves with a frequency of 2.00 to 3.00 GHz, for example, with a power of 300 to 500 W. The microwaves MW introduced into the waveguide 42 are introduced into the plasma generation chamber 41 by the slot antenna 44.

プラズマ生成室41にマイクロ波MWが導入されると、石英窓43に高密度プラズマ(High Density Plasma;HDP)が発生する。高密度プラズマHDPは、プラズマ生成室41内に拡散し、表面波プラズマSWPとなる。 When microwaves MW are introduced into the plasma generation chamber 41, high density plasma (HDP) is generated at the quartz window 43. The high density plasma HDP diffuses into the plasma generation chamber 41 and becomes surface wave plasma SWP.

ラジカル源供給部46は、プラズマ生成室41にラジカル源となるガスを供給する。ラジカル源としては、例えば、水素を用いることができる。なお、ラジカル源となるガスは、水素には限定されず、例えば、酸素や窒素、その他の気体であってもよい。プラズマ生成室41の表面波プラズマSWPには、ラジカル源のガスのイオンが混入する。 The radical source supply unit 46 supplies a gas that serves as a radical source to the plasma generation chamber 41. For example, hydrogen can be used as the radical source. Note that the gas that serves as the radical source is not limited to hydrogen, and may be, for example, oxygen, nitrogen, or other gases. Ions of the radical source gas are mixed into the surface wave plasma SWP of the plasma generation chamber 41.

第1処理装置40は、さらに、プラズマ生成室41の下段に、反応室50と、隔壁51と、原料ガス供給部54と、電源部55と、支持基台56と、ヒーター57と、排気部58と、を備える。 The first processing device 40 further includes a reaction chamber 50, a partition wall 51, a raw material gas supply unit 54, a power supply unit 55, a support base 56, a heater 57, and an exhaust unit 58 below the plasma generation chamber 41.

反応室50は、金属製の隔壁51によってプラズマ生成室41の下段に区画されている。隔壁51には、プラズマ生成室41で生成された表面波プラズマSWPを反応室50に流入させるための複数の貫通孔52が設けられている。 The reaction chamber 50 is partitioned below the plasma generation chamber 41 by a metal partition wall 51. The partition wall 51 has a number of through holes 52 for allowing the surface wave plasma SWP generated in the plasma generation chamber 41 to flow into the reaction chamber 50.

上述した通り、プラズマ生成室41では、表面波プラズマSWPにラジカル源のイオンが混入する。ラジカル源のイオンの多くは、反応室50との間に設けられた隔壁51に衝突して中性化することによってラジカルとなり、表面波プラズマSWPとともに反応室50に導入される。 As described above, in the plasma generation chamber 41, ions of the radical source are mixed into the surface wave plasma SWP. Many of the ions of the radical source collide with the partition wall 51 provided between the reaction chamber 50 and the plasma generation chamber 41, becoming radicals by being neutralized, and are introduced into the reaction chamber 50 together with the surface wave plasma SWP.

隔壁51の内部には、反応室50に原料ガスを供給するためのガス流路53が設けられている。原料ガス供給部54は、ガス流路53に接続されており、ガス流路53を通じて、反応室50内に原料ガスを供給する。 A gas flow passage 53 for supplying raw material gas to the reaction chamber 50 is provided inside the partition wall 51. The raw material gas supply unit 54 is connected to the gas flow passage 53 and supplies the raw material gas into the reaction chamber 50 through the gas flow passage 53.

原料ガスは、カーボンナノ構造体25を構成するカーボンを含む炭素系ガスと、カーボンナノ構造体25の成長に寄与する反応寄与ガスと、を含む。図6では便宜上、詳細な図示を省略しているが、原料ガス供給部54は、図7に図示されている第2処理装置60の原料ガス供給部65と同様な構成を有しており、炭素系ガスと反応寄与ガスのそれぞれの流量を調整可能である。 The raw material gas includes a carbon-based gas containing the carbon that constitutes the carbon nanostructure 25, and a reaction contributing gas that contributes to the growth of the carbon nanostructure 25. For convenience, detailed illustration is omitted in FIG. 6, but the raw material gas supply unit 54 has a configuration similar to the raw material gas supply unit 65 of the second processing device 60 shown in FIG. 7, and the flow rates of the carbon-based gas and the reaction contributing gas can be adjusted.

炭素系ガスとしては、例えば、メタン(CH)や、六フッ化エタン(C)を用いることができる。反応寄与ガスとしては、例えば、水素(H)や、アルゴン(Ar)を用いることができる。反応寄与ガスは、プラズマ処理において、ぺニング効果により、炭素系ガスのプラズマ化を促進する。また、反応寄与ガスは、プラズマ処理において、イオン化して処理対象である金属基板21に衝突することにより、カーボンナノ構造体25の成長起点となる核を形成する。 As the carbon-based gas, for example, methane ( CH4 ) or hexafluoroethane ( C2F6 ) can be used. As the reaction contributing gas, for example, hydrogen ( H2 ) or argon (Ar) can be used. The reaction contributing gas promotes the plasmatization of the carbon-based gas by the Penning effect in the plasma processing. In addition, the reaction contributing gas is ionized in the plasma processing and collides with the metal substrate 21 to be processed, thereby forming nuclei that become the growth starting points of the carbon nanostructures 25.

電源部55は、隔壁51に接続されており、隔壁51にプラズマ処理のための高周波電圧を印加する。電源部55は、300~400Wの電力、かつ、80~120MHzの周波数の高周波電圧を印加可能である。隔壁51は、プラズマ処理のための電極として機能する。 The power supply unit 55 is connected to the partition 51 and applies a high-frequency voltage for plasma processing to the partition 51. The power supply unit 55 is capable of applying a power of 300 to 400 W and a high-frequency voltage with a frequency of 80 to 120 MHz. The partition 51 functions as an electrode for plasma processing.

支持基台56は、隔壁51の下方に設けられており、隔壁51と面する載置面56sを有する。載置面56sには、金属基板21が配置される。支持基台56は、アースされており、プラズマ処理のための電極として機能する。ヒーター57は、支持基台56の内部に設けられており、支持基台56の載置面56s上に配置された金属基板21を所定の温度で加熱する。 The support base 56 is provided below the partition wall 51 and has a mounting surface 56s facing the partition wall 51. The metal substrate 21 is placed on the mounting surface 56s. The support base 56 is earthed and functions as an electrode for plasma processing. The heater 57 is provided inside the support base 56 and heats the metal substrate 21 placed on the mounting surface 56s of the support base 56 to a predetermined temperature.

排気部58は、反応室50に接続されている。排気部58は、真空ポンプを備えており、真空ポンプによって、プラズマ処理中の反応室50内を所定の圧力に制御する。なお、第1処理装置40は、上述した各構成部の他に、図7に示す第2処理装置60の真空計81や熱電対82に相当する計測部を備えているものとしてもよい。 The exhaust unit 58 is connected to the reaction chamber 50. The exhaust unit 58 is equipped with a vacuum pump, which controls the pressure inside the reaction chamber 50 during plasma processing to a predetermined pressure. In addition to the components described above, the first processing device 40 may also be equipped with a measuring unit equivalent to the vacuum gauge 81 and thermocouple 82 of the second processing device 60 shown in FIG. 7.

工程P1では、まず、第1処理装置40の反応室50に金属基板21が配置される。金属基板21は、支持基台56の載置面56s上に配置される。ヒーター57は、例えば、600~800℃程度の温度で、金属基板21を加熱する。 In step P1, first, the metal substrate 21 is placed in the reaction chamber 50 of the first processing device 40. The metal substrate 21 is placed on the mounting surface 56s of the support base 56. The heater 57 heats the metal substrate 21 to a temperature of, for example, about 600 to 800°C.

また、工程P1では、マイクロ波発生部45は、例えば、300~500Wの電力で、2.00~3.00GHzの周波数のマイクロ波を発生させる。マイクロ波は、導波路42及びスロットアンテナ44を通じてプラズマ生成室41に導入される。プラズマ生成室41には、ラジカル源供給部46からプラズマ生成室41にラジカル源となるガスも供給される。これにより、上記のように、プラズマ生成室41において、ラジカルを含む表面波プラズマSWPが生成され、隔壁51の貫通孔52を介して反応室50に導入される。 In step P1, the microwave generator 45 generates microwaves with a frequency of 2.00 to 3.00 GHz, for example, at a power of 300 to 500 W. The microwaves are introduced into the plasma generation chamber 41 through the waveguide 42 and the slot antenna 44. A radical source gas is also supplied to the plasma generation chamber 41 from the radical source supply unit 46. As a result, a surface wave plasma SWP containing radicals is generated in the plasma generation chamber 41 as described above, and is introduced into the reaction chamber 50 through the through hole 52 in the partition wall 51.

さらに、工程P1では、原料ガス供給部54が、反応室50に、原料ガスを供給する。原料ガス供給部54は、原料ガスとして、例えば、炭素系ガスを、80~120sccmの流量で供給するとともに、反応寄与ガスを、40~60sccmの流量で供給する。反応室50内の圧力は、排気部58によって、例えば、0.5~1.5Pa程度に制御される。 Furthermore, in process P1, the raw material gas supply unit 54 supplies raw material gas to the reaction chamber 50. The raw material gas supply unit 54 supplies, as the raw material gas, for example, a carbon-based gas at a flow rate of 80 to 120 sccm, and also supplies a reaction contributing gas at a flow rate of 40 to 60 sccm. The pressure inside the reaction chamber 50 is controlled by the exhaust unit 58 to, for example, about 0.5 to 1.5 Pa.

反応室50に原料ガスを供給されている間に、電源部55は、隔壁51に高周波電圧を印加する。電源部55は、例えば、300~500Wの電力で、80~120MHzの周波数の高周波電圧を印加する。第1処理装置40でのプラズマ処理は、例えば、5~15分程度継続される。 While the raw material gas is being supplied to the reaction chamber 50, the power supply unit 55 applies a high-frequency voltage to the partition wall 51. The power supply unit 55 applies a high-frequency voltage with a frequency of 80 to 120 MHz, for example, at a power of 300 to 500 W. The plasma processing in the first processing device 40 continues for, for example, about 5 to 15 minutes.

プラズマ処理では、隔壁51と、支持基台56上の金属基板21との間に、容量結合型プラズマCCPが発生する。容量結合型プラズマCCPが発生すると、まず、金属基板21の表面全体を覆うようにアモルファスカーボン層23が形成される。その後、カーボンナノ構造体25の基部26が、金属基板21の表面全体にわたって分布するように生成される。各基部26は、アモルファスカーボン層23から上方に延びるように成長する。 In the plasma treatment, a capacitively coupled plasma (CCP) is generated between the partition wall 51 and the metal substrate 21 on the support base 56. When the capacitively coupled plasma (CCP) is generated, an amorphous carbon layer 23 is first formed to cover the entire surface of the metal substrate 21. Then, bases 26 of carbon nanostructures 25 are generated to be distributed over the entire surface of the metal substrate 21. Each base 26 grows to extend upward from the amorphous carbon layer 23.

図5に戻る。工程P2は、CCP-CVD装置によって、工程P1で生成した基部26に複数の延出部27を形成する工程に相当する。 Returning to FIG. 5, process P2 corresponds to a process of forming multiple extensions 27 on the base 26 generated in process P1 using a CCP-CVD device.

図7は、工程P2で用いられるCCP-CVD装置である第2処理装置60の構成を示す概略図である。第2処理装置60は、反応室61と、排気部62と、原料ガス供給部65と、支持基台70と、上部電極75と、電源部76と、を備える。第2処理装置60は、さらに、計測部として、真空計81と、熱電対82と、を備える。 Figure 7 is a schematic diagram showing the configuration of the second processing apparatus 60, which is a CCP-CVD apparatus used in process P2. The second processing apparatus 60 comprises a reaction chamber 61, an exhaust section 62, a source gas supply section 65, a support base 70, an upper electrode 75, and a power supply section 76. The second processing apparatus 60 further comprises a vacuum gauge 81 and a thermocouple 82 as measuring sections.

反応室61は、真空に保持可能な気密構造を有する。反応室61には、排気部62と原料ガス供給部65とが接続されている。排気部62は、真空ポンプを備えており、プラズマ処理中に、反応室61を所定の圧力(真空度)に制御する。反応室61の真空度は、真空計81により測定される。 The reaction chamber 61 has an airtight structure capable of maintaining a vacuum. The reaction chamber 61 is connected to an exhaust unit 62 and a raw material gas supply unit 65. The exhaust unit 62 is equipped with a vacuum pump, and controls the reaction chamber 61 to a predetermined pressure (degree of vacuum) during plasma processing. The degree of vacuum in the reaction chamber 61 is measured by a vacuum gauge 81.

原料ガス供給部65は、反応室61に、原料ガスを供給する。原料ガス供給部65は、貯留部66と、流量制御部67と、導入配管68と、を備える。貯留部66は、原料ガスを構成する複数種類のガスが、種類ごとに貯留されている。第2処理装置60で用いられる原料ガスは、第2処理装置60で説明したものと同じである。 The raw gas supply unit 65 supplies the raw gas to the reaction chamber 61. The raw gas supply unit 65 includes a storage unit 66, a flow control unit 67, and an introduction pipe 68. The storage unit 66 stores multiple types of gases that make up the raw gas, sorted by type. The raw gas used in the second processing device 60 is the same as that described for the second processing device 60.

貯留部66では、それら複数種類のガスがそれぞれ個別に、図示しないタンクに貯留されている。流量制御部67は、ガス送出装置67aと、流量調整弁67bと、を備える。ガス送出装置67aと流量調整弁67bとは、貯留部66に接続された複数種類のガスごとの配管にそれぞれ設けられている。ガス送出装置67aは、例えば、エジェクタやポンプによって構成され、貯留部66からガスを所定の圧力で送り出す。ガス送出装置67aにより送り出されたガスは、流量調整弁67bによってその流量が制御される。流量調整弁67bで流量が調整された各種のガスは、導入配管68において合流する。導入配管68は、それら複数種類のガスが所定の割合で混合された原料ガスを反応室61内に導入する。 In the storage section 66, the multiple types of gas are stored individually in tanks (not shown). The flow rate control section 67 includes a gas delivery device 67a and a flow rate adjustment valve 67b. The gas delivery device 67a and the flow rate adjustment valve 67b are provided in the pipes for the multiple types of gas connected to the storage section 66. The gas delivery device 67a is composed of, for example, an ejector or a pump, and delivers the gas from the storage section 66 at a predetermined pressure. The flow rate of the gas delivered by the gas delivery device 67a is controlled by the flow rate adjustment valve 67b. The various gases whose flow rates are adjusted by the flow rate adjustment valve 67b join together in the introduction pipe 68. The introduction pipe 68 delivers the raw material gas, in which the multiple types of gas are mixed in a predetermined ratio, into the reaction chamber 61.

反応室61内には、支持基台70が設けられている。支持基台70は、サセプター71と、石英カバー72と、ヒーター73と、を備える。サセプター71は、金属基板21の載置面を構成する。金属基板21は、サセプター71の上に配置される。サセプター71は、アースされている。サセプター71はフローティングされていてもよい。 A support base 70 is provided in the reaction chamber 61. The support base 70 includes a susceptor 71, a quartz cover 72, and a heater 73. The susceptor 71 constitutes a mounting surface for the metal substrate 21. The metal substrate 21 is placed on the susceptor 71. The susceptor 71 is earthed. The susceptor 71 may be floating.

サセプター71は、石英カバー72の上に配置されており、石英カバー72の下には、ヒーター73が設けられている。石英カバー72は、ヒーター73を保護する。また、石英カバー72は、サセプター71を支持するとともにヒーター73がサセプター71に直接接触することを防止する。 The susceptor 71 is placed on the quartz cover 72, and the heater 73 is provided below the quartz cover 72. The quartz cover 72 protects the heater 73. The quartz cover 72 also supports the susceptor 71 and prevents the heater 73 from directly contacting the susceptor 71.

プラズマ処理中には、金属基板21は、サセプター71を介してヒーター73の輻射熱を受けて加熱される。熱電対82は、ヒーター73の加熱温度を測定する。プラズマ処理中には、熱電対82によって測定される温度に基づいてヒーター73による金属基板21の加熱が制御される。 During plasma processing, the metal substrate 21 is heated by radiant heat from the heater 73 via the susceptor 71. The thermocouple 82 measures the heating temperature of the heater 73. During plasma processing, the heating of the metal substrate 21 by the heater 73 is controlled based on the temperature measured by the thermocouple 82.

反応室61の上部には、上部電極75が設置されている。上部電極75は、処理対象となる金属基板21と面するように、サセプター71の上に設置されている。上部電極75は、金属基板21に対してほぼ平行になるように設置されていることが好ましい。上部電極75とサセプター71との間の距離は、例えば、1~5cm程度である。上部電極75は、反応室61の外部に設けられた電源部76に接続されている。 An upper electrode 75 is installed at the top of the reaction chamber 61. The upper electrode 75 is installed on the susceptor 71 so as to face the metal substrate 21 to be processed. The upper electrode 75 is preferably installed so as to be approximately parallel to the metal substrate 21. The distance between the upper electrode 75 and the susceptor 71 is, for example, approximately 1 to 5 cm. The upper electrode 75 is connected to a power supply unit 76 installed outside the reaction chamber 61.

電源部76は、高周波電源装置である。電源部76は、例えば、2000~3000Wの電力で、12~15MHzの周波数の高周波電圧を上部電極75に印加可能である。電源部76は、貯留部66によって反応室61に原料ガスが供給されているときに、上部電極75に対して高周波電圧を印加し、反応室61内に高密度の容量結合型プラズマを発生させる。 The power supply unit 76 is a high-frequency power supply device. The power supply unit 76 can apply a high-frequency voltage with a frequency of 12 to 15 MHz, for example, with a power of 2000 to 3000 W, to the upper electrode 75. When the raw material gas is being supplied to the reaction chamber 61 by the storage unit 66, the power supply unit 76 applies a high-frequency voltage to the upper electrode 75, generating a high-density capacitively coupled plasma in the reaction chamber 61.

工程P2では、まず、反応室61内の支持基台70は、工程P1でカーボンナノ構造体25の基部26が生成された金属基板21が配置される。ヒーター73は、例えば、600~800℃の温度で、金属基板21を加熱する。 In step P2, first, the metal substrate 21 on which the base 26 of the carbon nanostructure 25 was generated in step P1 is placed on the support base 70 in the reaction chamber 61. The heater 73 heats the metal substrate 21 to a temperature of, for example, 600 to 800°C.

また、工程P2では、原料ガス供給部65が、反応室50に、原料ガスを供給する。原料ガス供給部65は、原料ガスとして、例えば、炭素系ガスを、80~120sccmの流量で供給するとともに、反応寄与ガスを、40~60sccmの流量で供給する。排気部62は、反応室50内の圧力を、例えば、5~15Paに制御する。 In step P2, the raw material gas supply unit 65 supplies raw material gas to the reaction chamber 50. The raw material gas supply unit 65 supplies, as the raw material gas, for example, a carbon-based gas at a flow rate of 80 to 120 sccm, and also supplies a reaction contributing gas at a flow rate of 40 to 60 sccm. The exhaust unit 62 controls the pressure inside the reaction chamber 50 to, for example, 5 to 15 Pa.

反応室61に原料ガスが供給されている間に、電源部76は、上部電極75に高周波電圧を印加する。電源部76は、例えば、2000~3000Wの電力で、12~15MHzの周波数の高周波電圧を印加する。電源部76は、数十秒~数分程度で、目標電力まで徐々に電力を上昇させる。 While the raw material gas is being supplied to the reaction chamber 61, the power supply unit 76 applies a high-frequency voltage to the upper electrode 75. The power supply unit 76 applies a high-frequency voltage with a frequency of 12 to 15 MHz, for example, at a power of 2000 to 3000 W. The power supply unit 76 gradually increases the power to the target power over a period of several tens of seconds to several minutes.

第2処理装置60でのプラズマ処理は、例えば、5~15分程度継続される。第2処理装置60でのプラズマ処理により、工程P1で金属基板21に形成された各基部26の表面に複数の延出部27が形成される。 The plasma treatment in the second processing device 60 continues for, for example, about 5 to 15 minutes. By the plasma treatment in the second processing device 60, multiple extensions 27 are formed on the surface of each base 26 formed on the metal substrate 21 in process P1.

図8は、工程P2でのプラズマ処理による複数の延出部27の形成過程を示す模式図である。図8では、工程P2のプラズマ処理実行中の経過時刻t1,t2,t3,t4ごとに金属基板21上の様子が模式的に示されている。 Figure 8 is a schematic diagram showing the process of forming multiple extensions 27 by plasma treatment in process P2. In Figure 8, the state of the metal substrate 21 is shown diagrammatically at elapsed times t1, t2, t3, and t4 during the plasma treatment in process P2.

時刻t1において、工程P2のプラズマ処理が開始される際には、上述したように、金属基板21上には、アモルファスカーボン層23から延び出ている基部26が形成されている。時刻t2では、基部26の表面に、カーボンによって構成された中間カーボンナノ構造物CMが形成される。中間カーボンナノ構造物CMの多くは、基部26の上端部側に形成される。時刻t3~t4では、中間カーボンナノ構造物CMから突起部PMが次第に延び出してきて延出部27となる。このようにして、金属基板21上に、本実施形態のカーボンナノ構造体25が形成される。 At time t1, when the plasma treatment of process P2 is started, as described above, a base 26 extending from the amorphous carbon layer 23 is formed on the metal substrate 21. At time t2, intermediate carbon nanostructures CM made of carbon are formed on the surface of the base 26. Most of the intermediate carbon nanostructures CM are formed on the upper end side of the base 26. Between times t3 and t4, protrusions PM gradually extend from the intermediate carbon nanostructures CM to form extensions 27. In this way, the carbon nanostructures 25 of this embodiment are formed on the metal substrate 21.

図5に戻る。工程P3では、正極となる第2電極30が製造される。工程P4では、図1に示すように、第1電極20と第2電極30とが、電解液12が満たされた容器11に組付けられる。以上の工程により、二次電池10が完成する。 Returning to FIG. 5, in process P3, the second electrode 30, which will become the positive electrode, is manufactured. In process P4, as shown in FIG. 1, the first electrode 20 and the second electrode 30 are assembled into a container 11 filled with an electrolyte 12. Through these processes, the secondary battery 10 is completed.

上記の工程によれば、基部26に複数の延出部27が形成されたカーボンナノ構造体25を形成することができ、そのカーボンナノ構造体25を電極20の活物質層22として備える二次電池10を得ることができる。上述したように、カーボンナノ構造体25が活物質層22として適用されている二次電池10であれば、その充電容量や充電速度を高めることができ、その電池性能が向上される。 The above process makes it possible to form a carbon nanostructure 25 having a plurality of extensions 27 formed on a base 26, and to obtain a secondary battery 10 having the carbon nanostructure 25 as the active material layer 22 of an electrode 20. As described above, if the carbon nanostructure 25 is used as the active material layer 22 of a secondary battery 10, the charging capacity and charging speed can be increased, and the battery performance can be improved.

図9は、上述した活物質層22の実施例E1の撮影画像を示す説明図である。図9(a1),(b1)には、工程P1によって形成されたカーボンナノ構造体25の基部26を示す撮影画像が示されている。図9(a2),(b2)には、工程P2によって延出部27が形成されたカーボンナノ構造体25を示す撮影画像が示されている。図9(a1),(a2)の撮影画像はそれぞれ、走査電子顕微鏡によって金属基板21の厚み方向に撮影したものであり、図9(a1),(a2)の撮影画像はそれぞれ、走査電子顕微鏡によって金属基板21の厚み方向に直交する方向から撮影したものである。 Figure 9 is an explanatory diagram showing photographed images of the embodiment E1 of the active material layer 22 described above. Figures 9(a1) and (b1) show photographed images showing the base 26 of the carbon nanostructure 25 formed by process P1. Figures 9(a2) and (b2) show photographed images showing the carbon nanostructure 25 with the extension 27 formed by process P2. The photographed images of Figures 9(a1) and (a2) were each taken by a scanning electron microscope in the thickness direction of the metal substrate 21, and the photographed images of Figures 9(a1) and (a2) were each taken by a scanning electron microscope in a direction perpendicular to the thickness direction of the metal substrate 21.

実施例E1では、金属基板21として銅箔を用いた。また、実施例E1は、下記の表1に示す条件で工程P1および工程P2のプラズマ処理を行うことによって製造した。なお、工程P2では、電源部76に、約1分間で0Wから2000Wまで徐々に電力を上昇させた。 In Example E1, copper foil was used as the metal substrate 21. Example E1 was produced by carrying out the plasma treatments of steps P1 and P2 under the conditions shown in Table 1 below. In step P2, the power of the power supply unit 76 was gradually increased from 0 W to 2000 W over a period of about 1 minute.

Figure 0007675352000001
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図9(b1)の撮影画像が示すように、工程P1で形成された基部26の高さHaの平均値は、約1.0μmであった。また、図9(b2)の撮影画像が示すように、工程P2で延出部27が形成されたカーボンナノ構造体25の高さHbの平均値は、約1.3μmであった。このように、カーボンナノ構造体25の高さは、延出部27が形成された分だけ、基部26に対して30%程度高くなった。 As shown in the photographed image of FIG. 9 (b1), the average height Ha of the base 26 formed in step P1 was approximately 1.0 μm. Also, as shown in the photographed image of FIG. 9 (b2), the average height Hb of the carbon nanostructure 25 in which the extension 27 was formed in step P2 was approximately 1.3 μm. In this way, the height of the carbon nanostructure 25 was approximately 30% higher than the base 26 due to the formation of the extension 27.

工程P1で形成された基部26同士の平均間隔は約73nmであり、基部26の密度は、1μmあたり約17個であった。工程P2で延出部27が形成されたことにより、カーボンナノ構造体25同士の平均間隔は、約20nmとなり、カーボンナノ構造体25の密度は、1μmあたり約74個となった。このように、基部26の平均間隔に対して、カーボンナノ構造体25同士の平均間隔は約30%程度低減され、基部26の密度に対して、カーボンナノ構造体25の密度は約50%増加した。 The average spacing between the bases 26 formed in step P1 was about 73 nm, and the density of the bases 26 was about 17 per μm 2. Due to the formation of the extensions 27 in step P2, the average spacing between the carbon nanostructures 25 became about 20 nm, and the density of the carbon nanostructures 25 became about 74 per μm 2. In this way, the average spacing between the carbon nanostructures 25 was reduced by about 30% compared to the average spacing between the bases 26, and the density of the carbon nanostructures 25 was increased by about 50% compared to the density of the bases 26.

なお、実施例E1では、カーボンナノ構造体25の下に、アモルファスカーボン層23が形成されていた。アモルファスカーボン層23の膜厚は、概ね、10nm以上300nm以下の範囲内であった。 In Example E1, an amorphous carbon layer 23 was formed under the carbon nanostructure 25. The thickness of the amorphous carbon layer 23 was generally in the range of 10 nm to 300 nm.

図10は、工程P2での延出部27の成長過程を示す撮影画像である。図10の各撮影画像は、工程P2の処理時間を変えた複数のサンプルS1~S4を撮影したものである。上段の撮影画像が、走査電子顕微鏡によって金属基板21の厚み方向に撮影したものであり、下段の撮影画像が、走査電子顕微鏡によって金属基板21の厚み方向に直交する方向から撮影したものである。工程P1,P2の処理条件は、上記の実施例E1と同じであった。 Figure 10 is a set of photographed images showing the growth process of the extension portion 27 in process P2. The photographed images in Figure 10 were taken of multiple samples S1 to S4 in which the processing time of process P2 was changed. The upper photographed image was taken with a scanning electron microscope in the thickness direction of the metal substrate 21, and the lower photographed image was taken with a scanning electron microscope in a direction perpendicular to the thickness direction of the metal substrate 21. The processing conditions for processes P1 and P2 were the same as those of Example E1 above.

サンプルS1は、工程P2を実行する前の基部26のみが形成されたものに相当する。サンプルS2は、工程P2の実行開始後、1分が経過したときの様子を示している。サンプルS2の撮影画像では、基部26の表面に図8で説明した中間カーボンナノ構造物CMが形成され始めていることが確認された。 Sample S1 corresponds to the case where only the base 26 is formed before the execution of process P2. Sample S2 shows the state one minute after the start of the execution of process P2. In the image of sample S2, it was confirmed that the intermediate carbon nanostructure CM described in Figure 8 has begun to form on the surface of the base 26.

サンプルS3は、工程P2の実行開始後、5分が経過したときの様子を示している。サンプルS3の撮影画像では、中間カーボンナノ構造物CMから図8で説明した突起部PMが形成され始めていることが確認された。サンプルS4は、工程P2の実行開始後、10分が経過したときの様子を示している。サンプルS4の撮影画像では、突起部PMが成長して延出部27となっていることが確認された。 Sample S3 shows the state 5 minutes after the start of execution of process P2. In the image of sample S3, it was confirmed that the protrusion PM described in FIG. 8 had begun to form from the intermediate carbon nanostructure CM. Sample S4 shows the state 10 minutes after the start of execution of process P2. In the image of sample S4, it was confirmed that the protrusion PM had grown to become the extension 27.

図11~図15を参照して、実施例E1と比較例C1,C2の電極を用いた二次電池の電池性能の評価結果を説明する。 Referring to Figures 11 to 15, the evaluation results of the battery performance of secondary batteries using the electrodes of Example E1 and Comparative Examples C1 and C2 are described.

図11は、実施例E1と比較例C1,C2の活物質層の撮影画像を示す説明図である。図11の撮影画像は、走査電子顕微鏡により、活物質層の表面に正対して撮影したものである。 Figure 11 is an explanatory diagram showing photographed images of the active material layers of Example E1 and Comparative Examples C1 and C2. The photographed images in Figure 11 were taken by a scanning electron microscope facing directly at the surface of the active material layer.

実施例E1は、図9で説明したものと同じである。比較例C1,C2では、金属基板として実施例E1と同様な銅箔を用いた。比較例C1は、延出部27を形成するための工程P2を実施していない点以外は、実施例E1と同じ条件で作製した。比較例C1の活物質層は、カーボンナノウォールによって構成されていた。比較例C2では、グラファイトを用いて一様な厚みの活物質層を設けた。 Example E1 is the same as that described in FIG. 9. In Comparative Examples C1 and C2, the same copper foil as in Example E1 was used as the metal substrate. Comparative Example C1 was produced under the same conditions as Example E1, except that step P2 for forming extension portion 27 was not performed. The active material layer in Comparative Example C1 was composed of carbon nanowalls. In Comparative Example C2, an active material layer of uniform thickness was provided using graphite.

図12~図14はそれぞれ、上記の実施例E1および比較例C1,C2の電極を負極とする二次電池の充放電によって得られたグラフが示されている。図12~図14では、二次電池の電圧と充電容量との関係が、充電時については実線のグラフで、放電時については一点鎖線のグラフで示されている。図15には、実施例E1と比較例C1,C2を用いた二次電池の充電容量および比容量がそれぞれ棒グラフで示されている。本評価試験では、充電電流および放電電流はいずれも0.5mAとした。 Figures 12 to 14 show graphs obtained by charging and discharging secondary batteries using the electrodes of Example E1 and Comparative Examples C1 and C2 as the negative electrodes. In Figures 12 to 14, the relationship between the voltage and charge capacity of the secondary battery is shown by a solid line graph during charging and by a dashed line graph during discharging. Figure 15 shows the charge capacity and specific capacity of secondary batteries using Example E1 and Comparative Examples C1 and C2, respectively, as bar graphs. In this evaluation test, the charge current and discharge current were both set to 0.5 mA.

実施例E1と比較例C1,C2を用いた二次電池は、リチウムイオン二次電池であり、下記の表2に示す構成で作製した。 The secondary batteries used in Example E1 and Comparative Examples C1 and C2 were lithium ion secondary batteries and were fabricated with the configurations shown in Table 2 below.

Figure 0007675352000002
Figure 0007675352000002

実施例E1を用いた二次電池によれば、充電容量が16.8[mAh]であり、比容量が12.7[mAh/cm]であった。これに対して、比較例C1を用いた二次電池によれば、充電容量が12.6[mAh]であり、比容量が9.4[mAh/cm]であった。また、比較例C2を用いた二次電池によれば、充電容量が4.0[mAh]であり、比容量が2.0[mAh/cm]であった。 The secondary battery using Example E1 had a charge capacity of 16.8 [mAh] and a specific capacity of 12.7 [mAh/ cm2 ]. In contrast, the secondary battery using Comparative Example C1 had a charge capacity of 12.6 [mAh] and a specific capacity of 9.4 [mAh/ cm2 ]. The secondary battery using Comparative Example C2 had a charge capacity of 4.0 [mAh] and a specific capacity of 2.0 [mAh/ cm2 ].

カーボンナノウォールによって活物質層が構成された比較例C1を用いた二次電池であれば、グラファイトによって活物質層が構成された比較例C2よりも、3倍以上の充電容量、および、比容量が得られた。基部26に延出部27が形成されたカーボンナノ構造体25によって活物質層が構成された実施例E1であれば、その比較例C1に対して、充電容量、および、比容量が30%以上、向上していた。このことから、上記実施形態で説明した、延出部27を有するカーボンナノ構造体25を活物質層として用いることにより、二次電池の電池性能を飛躍的に向上することがわかる。 A secondary battery using Comparative Example C1, in which the active material layer was made of carbon nanowalls, had a charge capacity and specific capacity that were more than three times higher than Comparative Example C2, in which the active material layer was made of graphite. Example E1, in which the active material layer was made of carbon nanostructures 25 with extensions 27 formed on the base 26, had charge capacity and specific capacity that were 30% or more higher than Comparative Example C1. This shows that the use of carbon nanostructures 25 with extensions 27, as described in the above embodiment, as the active material layer dramatically improves the battery performance of secondary batteries.

図16は、上記の実施例E1および比較例C1の電極の二次電池での充電を完了した後の様子を、走査電子顕微鏡によって金属基板の厚み方向に直交する方向から撮影した撮影画像である。実施例E1と比較例C1のいずれにおいても、充電反応により活物質層に析出したLiの層が確認された。ただし、これらの撮影画像からもわかる通り、実施例E1のLiの層の方が、比較例C1のLiの層よりも緻密であった。また、実施例E1のLiの層の厚みTaは約50μmであったのに対して、比較例C1のLiの層の厚みTbは約32μmであり、実施例E1の方が、比較例C1よりもLiの層の厚みが著しく大きくなった。このことからも、実施例E1の電極を用いた二次電池の方が、比較例C1の電極を用いた二次電池よりも飛躍的に充電容量が向上することがわかる。 Figure 16 shows images of the secondary batteries using the electrodes of Example E1 and Comparative Example C1 after charging was completed, taken by a scanning electron microscope in a direction perpendicular to the thickness direction of the metal substrate. In both Example E1 and Comparative Example C1, a layer of Li precipitated in the active material layer due to the charging reaction was confirmed. However, as can be seen from these images, the Li layer of Example E1 was denser than the Li layer of Comparative Example C1. In addition, the thickness Ta of the Li layer of Example E1 was about 50 μm, while the thickness Tb of the Li layer of Comparative Example C1 was about 32 μm, so that the thickness of the Li layer of Example E1 was significantly larger than that of Comparative Example C1. This also shows that the charging capacity of the secondary battery using the electrode of Example E1 is dramatically improved compared to the secondary battery using the electrode of Comparative Example C1.

以上のように、本願発明に係る蓄電デバイス用電極によれば、蓄電デバイスの電池性能を著しく向上させることができる。 As described above, the electrode for an electricity storage device according to the present invention can significantly improve the battery performance of the electricity storage device.

図17を参照して、実施例E1と比較例C3、C4の活物質層の表面についての静滴法による評価結果を説明する。比較例C3は、CCP-CVD法によってカーボンナノウォールの活物質層を形成したものに相当し、比較例C4は、RI-PECVD法によってカーボンナノウォールの活物質層を形成したものに相当する。比較例C3,C4のCVD法の条件は、表1に示されたものとほぼ同じである。 The results of evaluation of the surfaces of the active material layers of Example E1 and Comparative Examples C3 and C4 using the sessile drop method will be described with reference to Figure 17. Comparative Example C3 corresponds to an active material layer of carbon nanowalls formed by the CCP-CVD method, and Comparative Example C4 corresponds to an active material layer of carbon nanowalls formed by the RI-PECVD method. The CVD method conditions for Comparative Examples C3 and C4 are approximately the same as those shown in Table 1.

図17(a)は、静滴法による接触角の計測方法を説明するための説明図である。静滴法では、評価対象面SPに水滴LQを落とし、水滴LQの表面と評価対象面SPとの交点を通る、水滴LQの表面の接線Lと評価対象面SPとの間の水滴LQ側の角度を接触角θとして求められる。接触角θが大きいほど、評価対象面SPの撥水性が高いことを示す。 Figure 17 (a) is an explanatory diagram for explaining a method for measuring a contact angle using the sessile drop method. In the sessile drop method, a water droplet LQ is dropped onto the surface SP to be evaluated, and the contact angle θ is determined as the angle on the water droplet LQ side between the tangent L to the surface of the water droplet LQ, which passes through the intersection of the surface of the water droplet LQ and the surface SP to be evaluated. The larger the contact angle θ, the higher the water repellency of the surface SP to be evaluated.

図17(b),(c),(d)はそれぞれ、実施例E1、比較例C3、比較例C4について、活物質層の表面上に水滴LQを落としたときの様子を撮影した画像である。実施例E1での接触角θは約150°であり、比較例C3での接触角θは約138°であり、比較例C4での接触角θは約134°であった。このように、実施例E1での接触角θが最も大きく、超撥水性を示した。このような超撥水性を示すカーボンナノ構造体25であれば、例えば、油分離や防食技術等、コーティング技術への応用が可能である。 Figures 17(b), (c), and (d) are images taken of the state when a water droplet LQ was dropped onto the surface of the active material layer for Example E1, Comparative Example C3, and Comparative Example C4, respectively. The contact angle θ in Example E1 was approximately 150°, the contact angle θ in Comparative Example C3 was approximately 138°, and the contact angle θ in Comparative Example C4 was approximately 134°. Thus, the contact angle θ in Example E1 was the largest, indicating super-water repellency. Carbon nanostructures 25 that exhibit such super-water repellency can be applied to coating technologies, such as oil separation and corrosion prevention technologies.

図18は、実施例と異なる製造方法で作製された活物質層の比較例C5~C9を示す撮影画像である。比較例C5~C9の活物質層のカーボンナノ構造体は、金属基板としての銅箔の表面に、RI-PECVD法、または、CCP-CVD法によるプラズマ処理を1回、または、2回、行うことによって形成された。CVD法の処理条件は、表1に示されたものと同じである。 Figure 18 is a photograph showing Comparative Examples C5 to C9 of active material layers produced by a manufacturing method different from that of the Examples. The carbon nanostructures of the active material layers of Comparative Examples C5 to C9 were formed by performing plasma treatment once or twice by RI-PECVD or CCP-CVD on the surface of copper foil as a metal substrate. The treatment conditions for the CVD method are the same as those shown in Table 1.

比較例C5のカーボンナノ構造体は、CCP-CVD装置での1回のプラズマ処理によって形成された。比較例C5では、厚みや高さ、長さが小さく、より細かく、よりランダムな構成のカーボンナノウォールが形成された。 The carbon nanostructures of Comparative Example C5 were formed by a single plasma treatment in a CCP-CVD apparatus. In Comparative Example C5, carbon nanowalls were formed that were smaller in thickness, height, and length, and had a finer, more random structure.

比較例C6のカーボンナノ構造体は、CCP-CVD装置によって、プラズマ処理を2回行うことによって形成された。比較例C6では、2回目のプラズマ処理によって、1回目で得られたようなカーボンナノウォールの量が増えたものの、上記実施形態で説明した延出部27に相当する構成は得られなかった。 The carbon nanostructure of Comparative Example C6 was formed by performing plasma treatment twice using a CCP-CVD apparatus. In Comparative Example C6, the second plasma treatment increased the amount of carbon nanowalls obtained in the first treatment, but did not produce a structure equivalent to the extension portion 27 described in the above embodiment.

比較例C7のカーボンナノ構造体は、RI-PECVD装置での1回のプラズマ処理によって形成された。比較例C7のカーボンナノ構造体は、上記の実施形態で説明した基部26に相当する構成であった。 The carbon nanostructure of Comparative Example C7 was formed by a single plasma treatment in a RI-PECVD apparatus. The carbon nanostructure of Comparative Example C7 had a configuration corresponding to the base 26 described in the above embodiment.

比較例C8のカーボンナノ構造体は、RI-PECVD装置によって、プラズマ処理を2回行うことによって形成された。比較例C8では、2回目のプラズマ処理により、1回目のプラズマ処理で形成されたカーボンナノウォールの高さが増大したが、上記実施形態で説明した延出部27に相当する構成は得られなかった。 The carbon nanostructure of Comparative Example C8 was formed by performing plasma treatment twice using an RI-PECVD apparatus. In Comparative Example C8, the height of the carbon nanowalls formed in the first plasma treatment increased after the second plasma treatment, but a structure equivalent to the extension portion 27 described in the above embodiment was not obtained.

比較例C9のカーボンナノ構造体は、CCP-CVD装置による1回目のプラズマ処理の後に、RI-PECVD装置によって2回目のプラズマ処理を行うことによって形成された。比較例C9では、比較例C8と同様に、2回目のプラズマ処理により、カーボンナノウォールの高さが増大したが、上記実施形態で説明した延出部27に相当する構成は得られなかった。 The carbon nanostructure of Comparative Example C9 was formed by performing a first plasma treatment using a CCP-CVD apparatus followed by a second plasma treatment using a RI-PECVD apparatus. In Comparative Example C9, as in Comparative Example C8, the height of the carbon nanowalls increased due to the second plasma treatment, but a structure equivalent to the extension portion 27 described in the above embodiment was not obtained.

比較例C5~C9の結果から、上記実施形態で説明したカーボンナノ構造体25を得るためには、RI-PECVD装置によって1回目のプラズマ処理を行った後に、CPC-CVD装置によって2回目のプラズマ処理を行うことが好ましいことがわかる。 The results of Comparative Examples C5 to C9 show that in order to obtain the carbon nanostructure 25 described in the above embodiment, it is preferable to perform a first plasma treatment using an RI-PECVD apparatus and then a second plasma treatment using a CPC-CVD apparatus.

以上のように、本願発明に係る製造方法によれば、蓄電デバイスの電池性能を著しく向上させることができる蓄電デバイス用電極を得ることができる。 As described above, the manufacturing method according to the present invention makes it possible to obtain an electrode for an electricity storage device that can significantly improve the battery performance of the electricity storage device.

2.他の実施形態:
本願発明は、上述の実施形態や実施例の構成に限定されることはなく、例えば、以下のような形態で実現することもできる。以下において、他の実施形態として説明する構成はいずれも、上記の実施形態や実施例と同様に、本願発明を実施するための一形態例として位置づけられる。
2. Other embodiments:
The present invention is not limited to the configurations of the above-mentioned embodiments and examples, and can be realized, for example, in the following forms. In the following, any configuration described as another embodiment is positioned as an example form for implementing the present invention, similar to the above-mentioned embodiments and examples.

2-1.他の実施形態1:
上記実施形態の電極20を用いた二次電池は、リチウムイオン以外の金属イオンを充放電に関与させる構成であってもよい。上記実施形態の電極20を用いた二次電池は、例えば、ナトリウム(Na)イオンや、カリウム(K)イオン、マグネシウム(Mg)イオン等を充放電に関与させる構成であってもよい。
2-1. Other embodiment 1:
The secondary battery using the electrode 20 of the above embodiment may be configured to involve metal ions other than lithium ions in charging and discharging. For example, the secondary battery using the electrode 20 of the above embodiment may be configured to involve sodium (Na) ions, potassium (K) ions, magnesium (Mg) ions, etc. in charging and discharging.

2-2.他の実施形態2:
上記実施形態の電極20は、二次電池以外の蓄電デバイスに用いられてもよい。上記実施形態の電極20は、例えば、電気二重層キャパシタに用いられてもよい。この場合には、電極20は、電気二重層キャパシタの正極と負極の両方に用いられてもよい。
2-2. Other embodiment 2:
The electrode 20 of the above embodiment may be used in an electricity storage device other than a secondary battery. For example, the electrode 20 of the above embodiment may be used in an electric double layer capacitor. In this case, the electrode 20 may be used as both the positive electrode and the negative electrode of the electric double layer capacitor.

3.形態例:
本願発明は、以下のような形態によって実現することが可能である。
3. Example of form:
The present invention can be realized in the following forms.

[第1形態]第1形態は、蓄電デバイス用電極として提供される。第1実施形態の蓄電デバイス用電極は、集電体を構成する金属基板と、前記金属基板の表面に形成され、活物質としてカーボンを含む活物質層と、を備え、前記活物質層は、前記金属基板の厚み方向に細長く延びているグラフェンが積層された基部と、前記カーボンによって構成され、前記基部から延び出ている複数の延出部と、を有するカーボンナノ構造体によって構成されている。
第1形態の蓄電用デバイス用電極によれば、活物質層が新規な構造のカーボンナノ構造体によって構成される。この活物質層であれば、蓄電デバイスでの充電の際に、その充電反応に関与する金属イオンが金属として析出する量を増大させることができる。よって、蓄電デバイスの充電容量を高めることができる。
[First embodiment] The first embodiment is provided as an electrode for an electricity storage device. The electrode for an electricity storage device of the first embodiment includes a metal substrate constituting a current collector, and an active material layer formed on the surface of the metal substrate and containing carbon as an active material, the active material layer being composed of a carbon nanostructure having a base portion in which graphene extending in an elongated manner in the thickness direction of the metal substrate is laminated, and a plurality of extension portions composed of the carbon and extending from the base portion.
According to the first embodiment of the electrode for an electricity storage device, the active material layer is composed of a carbon nanostructure having a novel structure. This active material layer can increase the amount of metal ions involved in the charging reaction that precipitate as metal when the electricity storage device is charged. Thus, the charging capacity of the electricity storage device can be increased.

[第2形態]上記第1形態の蓄電デバイス用電極において、前記カーボンナノ構造体の高さは、0.5μm以上であってよい。
第2形態の蓄電デバイス用電極によれば、適用された蓄電デバイスの電池性能をさらに向上させることができる。
[Second Mode] In the electricity storage device electrode of the first mode, the carbon nanostructure may have a height of 0.5 μm or more.
According to the electricity storage device electrode of the second embodiment, the battery performance of the electricity storage device to which it is applied can be further improved.

[第3形態]上記第1形態、または、第2形態の蓄電デバイス用電極において、前記活物質層における前記カーボンナノ構造体の平均間隔は、40nm以下でよい。
第3形態の蓄電デバイス用電極によれば、活物質層におけるカーボンナノ構造体の密度が大きくなるため、適用された蓄電デバイスの電池性能をさらに向上させることができる。
[Third aspect] In the power storage device electrode of the first or second aspect, the average spacing between the carbon nanostructures in the active material layer may be 40 nm or less.
According to the third embodiment of the electrode for an electricity storage device, the density of the carbon nanostructures in the active material layer is increased, and therefore the battery performance of the electricity storage device to which it is applied can be further improved.

[第4形態]第4形態は、二次電池として提供される。第4形態の二次電池は、上記第1形態、第2形態、および、第3形態のいずれか一つに記載の蓄電デバイス用電極によって構成された第1電極と、イオン化して前記第1電極に移動する金属原子を含む第2電極と、を備える。
第4形態の二次電池によれば、新規な構造のカーボンナノ構造体によって構成された活物質層の適用により、高い電池性能を得ることができる。
[Fourth aspect] The fourth aspect is provided as a secondary battery. The secondary battery of the fourth aspect includes a first electrode constituted by the electrode for an electric storage device according to any one of the first, second and third aspects, and a second electrode containing metal atoms that are ionized and move to the first electrode.
According to the secondary battery of the fourth aspect, high battery performance can be obtained by applying an active material layer constituted by a carbon nanostructure having a novel structure.

[第5形態]第5形態は、電デバイス用電極の製造方法として提供される。第5形態の製造方法は、ラジカル注入型プラズマCVD装置によって、金属基板の表面に、前記金属基板の厚み方向に細長く延びているグラフェンが積層された基部を成長させる工程と、容量結合型プラズマCVD装置によって、前記カーボンによって構成され、前記金属基板の前記基部の表層から延び出ている複数の延出部を形成する工程と、を備える。
第5形態の製造方法によれば、新規な構造のカーボンナノ構造体によって構成された活物質層を有する電極を得ることができる。このカーボンナノ構造体によれば、延出部を有することにより、蓄電デバイスの電池性能を飛躍的に向上させることができる。
[Fifth aspect] The fifth aspect is provided as a method for producing an electrode for an electrical device, comprising the steps of growing, on a surface of a metal substrate, a base portion in which graphene is laminated and which extends in an elongated manner in a thickness direction of the metal substrate, by using a radical injection plasma CVD apparatus, and forming, by using a capacitively coupled plasma CVD apparatus, a plurality of extension portions which are made of the carbon and extend from a surface layer of the base portion of the metal substrate.
According to the fifth embodiment of the manufacturing method, it is possible to obtain an electrode having an active material layer composed of a carbon nanostructure having a novel structure. The carbon nanostructure has an extension portion, which can dramatically improve the battery performance of the power storage device.

10…二次電池、10a…比較例の二次電池、11…容器、12…電解液、15…セパレータ、16…第1電極室、17…第2電極室、20…第1電極(蓄電デバイス用電極)、20a…比較例の電極、21…金属基板、21a…第1面、21b…第2面、22…活物質層、22a…比較例の活物質層、23…アモルファスカーボン層、25…カーボンナノ構造体、25a…比較例のカーボンナノ構造体、26…基部、27…延出部、28…金属原子、30…第2電極、31…正極集電体、31a…第1面、31b…第2面、32…正極活物質層、40…第1処理装置、41…プラズマ生成室、42…導波路、43…石英窓、44…スロットアンテナ、45…マイクロ発生部、46…ラジカル源供給部、50…反応室、51…隔壁、52…貫通孔、53…ガス流路、54…原料ガス供給部、55…電源部、56…支持基台、56s…載置面、57…ヒーター、58…排気部、60…第2処理装置、61…反応室、62…排気部、65…原料ガス供給部、66…貯留部、67…流量制御部、67a…ガス送出装置、67b…流量調整弁、68…導入配管、70…支持基台、71…サセプター、72…石英カバー、73…ヒーター、75…上部電極、76…電源部、81…真空計、82…熱電対、CCP…容量結合型プラズマ、CM…中間カーボンナノ構造物、GS…グラフェン、HDP…高密度プラズマ、LQ…水滴、MW…マイクロ波、PM…突起部、SP…評価対象面、SWP…表面波プラズマ、VS…空隙

REFERENCE SIGNS LIST 10... secondary battery, 10a... comparative secondary battery, 11... container, 12... electrolyte, 15... separator, 16... first electrode chamber, 17... second electrode chamber, 20... first electrode (electrode for electricity storage device), 20a... comparative electrode, 21... metal substrate, 21a... first surface, 21b... second surface, 22... active material layer, 22a... comparative active material layer, 23... amorphous carbon layer, 25... carbon Nanostructure, 25a... carbon nanostructure of comparative example, 26... base, 27... extension, 28... metal atoms, 30... second electrode, 31... positive electrode current collector, 31a... first surface, 31b... second surface, 32... positive electrode active material layer, 40... first processing device, 41... plasma generation chamber, 42... waveguide, 43... quartz window, 44... slot antenna, 45... micro generation section, 46... radical source supply section, 5 0... reaction chamber, 51... partition wall, 52... through hole, 53... gas flow path, 54... raw material gas supply unit, 55... power supply unit, 56... support base, 56s... placement surface, 57... heater, 58... exhaust unit, 60... second processing device, 61... reaction chamber, 62... exhaust unit, 65... raw material gas supply unit, 66... storage unit, 67... flow rate control unit, 67a... gas delivery device, 67b... flow rate adjustment valve, 68... introduction pipe, 70 ...Support base, 71...susceptor, 72...quartz cover, 73...heater, 75...upper electrode, 76...power supply unit, 81...vacuum gauge, 82...thermocouple, CCP...capacitively coupled plasma, CM...intermediate carbon nanostructure, GS...graphene, HDP...high density plasma, LQ...water droplet, MW...microwave, PM...projection, SP...evaluation target surface, SWP...surface wave plasma, VS...gap

Claims (5)

蓄電デバイス用電極であって、
集電体を構成する金属基板と、
前記金属基板の表面に形成され、活物質としてカーボンを含む活物質層と、
を備え、
前記活物質層は、前記金属基板の厚み方向に細長く延びているグラフェンが積層された基部と、前記カーボンによって構成され、前記基部から延び出ている複数の延出部と、を有するカーボンナノ構造体によって構成されている、蓄電デバイス用電極。
An electrode for an electricity storage device,
A metal substrate constituting a current collector;
an active material layer formed on a surface of the metal substrate and containing carbon as an active material;
Equipped with
The active material layer is an electrode for an electricity storage device, the active material layer being composed of a carbon nanostructure having a base formed of laminated graphene extending in an elongated manner in the thickness direction of the metal substrate, and a plurality of extension portions composed of the carbon and extending from the base.
請求項1記載の蓄電デバイス用電極であって、
前記カーボンナノ構造体の高さは、0.5μm以上である、蓄電デバイス用電極。
The electrode for an electricity storage device according to claim 1 ,
The height of the carbon nanostructure is 0.5 μm or more.
請求項1記載の蓄電デバイス用電極であって、
前記活物質層における前記カーボンナノ構造体の平均間隔は、40nm以下である、蓄電デバイス用電極。
The electrode for an electricity storage device according to claim 1 ,
An electrode for an electricity storage device, wherein the average spacing between the carbon nanostructures in the active material layer is 40 nm or less.
二次電池であって、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用電極によって構成された第1電極と、
イオン化して前記第1電極に移動する金属原子を含む第2電極と、
を備える、二次電池。
A secondary battery,
A first electrode constituted by the electrode for an electricity storage device according to any one of claims 1 to 3;
a second electrode containing metal atoms that ionize and migrate to the first electrode;
A secondary battery comprising:
蓄電デバイス用電極の製造方法であって、
ラジカル注入型プラズマCVD装置によって、金属基板の表面に、前記金属基板の厚み方向に細長く延びているグラフェンが積層された基部を成長させる工程と、
容量結合型プラズマCVD装置によって、カーボンによって構成され、前記金属基板の前記基部の表層から延び出ている複数の延出部を形成する工程と、
を備える、製造方法。
A method for producing an electrode for an electricity storage device, comprising the steps of:
A step of growing a base portion on a surface of a metal substrate, the base portion being composed of graphene that is elongated in a thickness direction of the metal substrate, by using a radical injection type plasma CVD apparatus;
forming a plurality of extensions made of carbon and extending from a surface layer of the base of the metal substrate by a capacitively coupled plasma CVD apparatus;
A manufacturing method comprising:
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