JP7703141B2 - Electrodes for power storage devices, secondary batteries - Google Patents
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Description
本開示の技術は、蓄電デバイス用電極、二次電池、蓄電デバイス用電極の製造方法、および、蓄電デバイス用電極の製造装置に関する。 The technology disclosed herein relates to electrodes for electricity storage devices, secondary batteries, methods for manufacturing electrodes for electricity storage devices, and manufacturing apparatuses for electrodes for electricity storage devices.
充放電可能な蓄電デバイスとしては、例えば、二次電池が知られている。通常、蓄電デバイス用電極では、集電体の表面に、蓄電デバイスの充放電反応に関与する物質によって構成された活物質層が形成される。例えば、下記の特許文献1,2には、リチウム(Li)を含む活物質層を正極に有し、活物質としての炭素(C)を、グラファイトやカーボンナノウォール等の形態で含む活物質層を負極に有するリチウムイオン二次電池が開示されている。
For example, secondary batteries are known as chargeable and dischargeable electricity storage devices. Typically, in an electrode for an electricity storage device, an active material layer composed of a material involved in the charge and discharge reaction of the electricity storage device is formed on the surface of a current collector. For example, the following
一般に、活物質層の構成は、蓄電デバイスの電池性能に大きく影響することが知られている。例えば、特許文献1のようにグラファイトを活物質層に適用した場合よりも、特許文献2のように、カーボンナノウォールのようなカーボンナノ構造体を活物質層に適用した方が、蓄電デバイスの電池性能が向上するという技術的知見もある。
It is generally known that the configuration of the active material layer has a significant effect on the battery performance of an electricity storage device. For example, there is technical knowledge that the battery performance of an electricity storage device is improved by applying a carbon nanostructure such as a carbon nanowall to the active material layer, as in
特許文献1のようにグラファイトを活物質層に適用する従来の構成では、今後、蓄電デバイスに求められる高い電池性能の目標を十分に達成することができなくなる可能性がある。
The conventional structure in which graphite is applied to the active material layer, as in
一方、特許文献2にように、カーボンナノウォールを活物質層に適用する場合、カーボンナノウォールの製造に手間がかかり、蓄電デバイスの製造コストが著しく増大してしまう可能性がある。また、カーボンナノウォールを活物質層に適用した電極は、蓄電デバイスの製造工程において、運搬や保管のためにロール状に巻くなどしたときに、表面のカーボンナノウォールが圧縮応力やせん断応力によって破壊されたり、脱落したりする可能性がある。
On the other hand, when carbon nanowalls are applied to the active material layer as in
このように、カーボンを活物質そして利用する蓄電デバイス用電極については、依然として改良の余地があった。本開示は、従来とは異なる構造を有し、高い電池性能を実現できる活物質層を備える蓄電デバイス用電極を提供することを目的とする。 As such, there is still room for improvement in electrodes for electricity storage devices that use carbon as an active material. The purpose of this disclosure is to provide an electrode for electricity storage devices that has a structure different from conventional structures and includes an active material layer that can achieve high battery performance.
本発明の発明者は、活物質層に適用可能なカーボンナノ構造体の研究を重ねるうちに、従来とは異なる方法により容易に製造でき、電池性能を飛躍的に向上させることができる蓄電デバイス用電極の開発に成功した。本開示の技術は、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 carbon nanostructures that can be used in active material layers, the inventors of the present invention have succeeded in developing an electrode for an electricity storage device that can be easily manufactured using a method different from conventional methods and that can dramatically improve battery performance. The technology disclosed herein can be realized, for example, in the following forms:
本発明の一形態は、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、集電体を構成し、表面に微細な凹凸構造が形成された金属基板と、ナノグラフェンとアモルファスカーボンとで構成されたカーボンナノ構造体を主成分とし、前記凹凸構造の表面を緻密に覆うように形成され、前記蓄電デバイスの充放電に関与する金属原子が、前記蓄電デバイスの充電時に表面に析出する活物質層と、を備える。 One aspect of the present invention is provided as an electrode for an electricity storage device. The electrode for an electricity storage device in this aspect comprises a metal substrate constituting a current collector and having a fine uneven structure formed on its surface, and an active material layer mainly composed of a carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon, formed so as to densely cover the surface of the uneven structure, and in which metal atoms involved in the charging and discharging of the electricity storage device are precipitated on the surface when the electricity storage device is charged.
この形態の蓄電デバイス用電極によれば、ナノグラフェンとアモルファスカーボンとで構成されたカーボンナノ構造体を活物質として用いているため、蓄電デバイスの電池性能を高めることができる。また、活物質層の表面が凹凸に形成されるため、活物質層の表面積が増大され、蓄電デバイスの充電時に析出する金属の量を増大させることができ、蓄電デバイスの充電容量を高めることができる。また、その活物質層の凹凸構造にって、活物質層の表面に多数の凸部が形成されるため、蓄電デバイスの充電時に活物質層の表面における金属の析出が促進される。よって、蓄電デバイスの電池性能をさらに高めることができる。加えて、活物質層が、金属基板の表面を緻密に覆う薄膜のように形成されているため、金属基板の表面から延び出るように成長したカーボンナノウォールとは異なり、蓄電デバイスの製造工程において、破壊されたり、脱落したりすることを抑制できる。 According to this form of the electrode for the electric storage device, the carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon is used as the active material, so that the battery performance of the electric storage device can be improved. In addition, since the surface of the active material layer is formed unevenly, the surface area of the active material layer is increased, and the amount of metal precipitated during charging of the electric storage device can be increased, so that the charging capacity of the electric storage device can be increased. In addition, since the uneven structure of the active material layer forms a large number of convex parts on the surface of the active material layer, the precipitation of metal on the surface of the active material layer is promoted during charging of the electric storage device. Therefore, the battery performance of the electric storage device can be further improved. In addition, since the active material layer is formed like a thin film densely covering the surface of the metal substrate, unlike carbon nanowalls that grow to extend from the surface of the metal substrate, it is possible to suppress destruction or falling off during the manufacturing process of the electric storage device.
本発明は、蓄電デバイス用電極、二次電池、蓄電デバイス用電極の製造方法、および、蓄電デバイス用電極の製造装置以外の種々の形態で実現することが可能である。本発明は、例えば、二次電池以外の種々の蓄電デバイスや、その蓄電デバイスに用いられる活物質層、活物質層の製造方法、活物質層の製造装置等の形態で実現することができる。また、本発明は、蓄電デバイスを備える装置やシステム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, a secondary battery, a method for manufacturing an electrode for an electricity storage device, and an apparatus for manufacturing an electrode for an electricity storage device. For example, the present invention can be realized in the form of various electricity storage devices other than secondary batteries, active material layers used in the electricity storage devices, methods for manufacturing active material layers, and apparatus for manufacturing active material layers. The present invention can also be realized in the form of an apparatus or system including an electricity storage device.
以下、図を参照しながら、本発明に係る蓄電デバイス用電極、二次電池、蓄電デバイス用電極の製造方法、および、蓄電デバイス用電極の製造装置の実施形態を説明する。 Below, with reference to the drawings, we will explain embodiments of the electrode for an electricity storage device, the secondary battery, the method for manufacturing an electrode for an electricity storage device, and the manufacturing apparatus for an electrode for an electricity storage device according to the present invention.
1.実施形態:
1-1.二次電池、および、その電極の構成:
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。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を二点鎖線で図示してある。
1. Embodiments:
1-1. Secondary battery and electrode configuration:
Fig. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a
二次電池10は、充放電可能な蓄電デバイスの一態様であり、充放電にリチウム(Li)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。
The
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。
The
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、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(LiPF6)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。
In this embodiment, the
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、例えば、多孔質構造を有する樹脂フィルムや不織布などの薄膜状部材によって構成され、電気絶縁性とイオン伝導性とを有する。セパレータ15は、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金属イオンを透過する。
The
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。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。本実施形態の二次電池10では、電極20は、負極を構成する。電極20は、金属基板21と、活物質層22と、を備える。
The
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)またはCu合金の金属箔によって構成される。金属基板21を、CuまたはCu合金によって構成すれば、蓄電デバイスにおいて高い電池性能を実現することができる。
The
なお、他の実施形態では、金属基板21は、CuやCu合金以外の金属によって構成されてもよい。金属基板21は、例えば、ニッケル(Ni)や、Ni合金、アルミニウム(Al)、Al合金等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。金属基板21は、多孔質な構造を有していてもよい。
In other embodiments, the
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の構成の詳細については後述する。なお、後述するように、金属基板21の第1面21aおよび第2面21bには微細な凹凸構造が形成されているため、図1では便宜上、第1面21aおよび第2面21bを破線で図示してある。
The
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、アルミニウム(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
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、充放電に関与する金属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。
The positive electrode
本実施形態では、充放電に関与する金属原子は、Li原子である。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(LiCoO2)や、マンガン酸リチウム(LMO)、ニッケル酸リチウム(NCA)等を用いることができる。 In this embodiment, the metal atom involved in charging and discharging is a Li atom. As the positive electrode active material, for example, a ternary material such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium manganese oxide (LMO), lithium nickel oxide (NCA), etc. can be used.
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。 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を参照して、電極20の活物質層22の構成を説明する。図2は、金属基板21の厚み方向に沿った任意の切断面における金属基板21および活物質層22を模式的に示す概略断面図である。図2には、金属基板21の第1面21aが図示されているが、以下に説明する構成は、金属基板21の第1面21aと第2面21bの両方に共通する。
The configuration of the
金属基板21の第1面21aと第2面21bには、ミクロン単位の微細な凹凸構造23が形成されている。活物質層22は、その凹凸構造23の表面を緻密に覆うように薄膜状に形成されている。活物質層22の厚みの平均は、例えば、0.1μm~15.0μmとしてよい。
A fine
活物質層22は、金属基板21の凹凸構造23よりも微細な凹凸構造である表層凹凸構造24を有している。蓄電デバイスの電池性能を高めるためには、活物質層22の表面には、金属基板21の厚み方向に見たときに、幅が0.1μm以上10.0μm以下である粒状の複数の凸部24tが密に分布していていることが好ましい。「凸部24tの幅」とは、1つの凸部24tについて金属基板21の厚み方向に直交するあらゆる方向において計測した幅のうちの最大値を意味する。なお、金属基板21の凹凸構造23や活物質層22には、その形成過程において、内部に微少な空洞25が形成される場合がある。
The
活物質層22は、ナノグラフェンとアモルファスカーボンとで構成されたカーボンナノ構造体を主成分とする。活物質層22は、ナノグラフェンやアモルファスカーボンの粒子が堆積された構成を有している。ナノグラフェンやアモルファスカーボンの粒子には、球状の形状を有するものや、板片状の形状を有するものが含まれる。上述した活物質層22の凸部24tは、その粒子が単体で構成するものや、ランダムに集合して構成するものが含まれる。
The
活物質層22は、後述するプラズマ処理によって形成されるが、活物質層22の内部には、そのプラズマ処理によって混入する不純物として水酸基が残留する場合がある。活物質層22の形成方法については、後述する二次電池10の製造方法の説明の中で説明する。
The
1-2.蓄電デバイスでの充放電反応:
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LiCoO2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-xCoO2 + xLi+ + xe- ⇔ LiCoO2 …(1)
1-2. Charge/discharge reactions in electricity storage devices:
The chemical reactions occurring during charging and discharging in the
Li 1-x CoO 2 + xLi + + xe - ⇔ LiCoO 2 …(1)
充放電に関与する金属がLiである場合、負極である電極20での反応式は、下記の式(2)で表される。カーボンナノ構造体を主成分として構成された活物質層22では、二次電池10での充電の際には、式(2)が示す反応により、電極20の活物質層22の表面にLiが析出する。
Li+ + e- ⇔ Li …(2)
When the metal involved in charging and discharging is Li, the reaction formula at the
Li + + e - ⇔ Li...(2)
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(LiC6)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。
xLi+ + C6 + xe- ⇔ LixC6 …(3)
In the case of a conventional negative electrode having graphite 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 structure as a comparative example is expressed as the following formula (3).
xLi+ + C 6 + xe - ⇔ Li x C 6 ...(3)
上記の比較例の式(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る。これに対して、本実施形態の電極20を有する二次電池10によれば、上記の式(2)で示されているように、理論的には、電極20においてLiを析出させることができる限り、充電が可能である。よって、本実施形態の電極20によれば、二次電池10をはじめとする蓄電デバイスにおいてより高い充電容量を実現することができる。
As shown in formula (3) of the comparative example above, in the case of a conventional electrode using 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. In contrast, with the
また、上述したように、本実施形態の電極20では、活物質層22は、上記の通り、金属基板21の凹凸構造23の表面を覆うように形成されており、金属基板21の凹凸構造23より微細な表層凹凸構造24を有している。これによって、活物質層22の表面は、Liが析出可能な表面の面積が著しく大きくなっている。そのため、本実施形態の電極20によれば、二次電池10において高い充電容量を得ることができる。
As described above, in the
活物質層22の表面には、表層凹凸構造24を構成する多数の凸部24tが形成されている。核生成理論によれば、活物質層22の表面の凸部24tが起点となってLiが析出しやすくなるため、活物質層22の表面へのLiの析出が促進される。よって、本実施形態の電極20によれば、二次電池10の充電容量や比容量等の電池性能を高めることができる。
On the surface of the
また、活物質層22の表面に凸部24tが一様に分布していれば、Liを、活物質層22の表面に一様に析出させることができる。よって、二次電池10の充放電の繰り返しによって電極20にデンドライトが生成されることを抑制でき、デンドライトによる蓄電デバイスの損傷・劣化を抑制することができる。
Furthermore, if the
1-3.二次電池の製造方法:
図3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~P5は、電極20の製造工程である。本実施形態では、複数の電極20が連続して製造される。
1-3. Manufacturing method of secondary battery:
3 is a process flow diagram showing the manufacturing process of the
工程P1では、金属基板21の基材BMが準備される。本実施形態では、複数の電極20を連続製造可能なように、基材BMは、複数個分が連結された帯状の構成を有する。基材BMには、上述した表面の微細な凹凸構造23はまだ形成されておらず、基材BMの表面は平坦に構成されている。
In process P1, a base material BM of the
工程P2~P4では、以下に説明するプラズマ処理によって、基材BMの表面に活物質層22が形成される。このプラズマ処理では、基材BMの表面に微細な凹凸構造23が形成されるとともに、その凹凸構造23の表面を覆うように活物質層22が形成される。
In steps P2 to P4, an
本実施形態では、プラズマ処理は、第1の構成例のプラズマ処理装置50、または、第2の構成例のプラズマ処理装置50aによって実行される。プラズマ処理装置50,50aはそれぞれ、金属基板21の基材BMに活物質層22を形成する装置の一例であり、電極20の製造装置に相当する。以下では、第1の構成例のプラズマ処理装置50について説明した後に、第2の構成例のプラズマ処理装置50aについて説明し、その後に、プラズマ処理のための工程P2~P4の内容を説明する。
In this embodiment, the plasma treatment is performed by the
図4は、第1の構成例のプラズマ処理装置50の構成を示す概略図である。プラズマ処理装置50は、長手方向に搬送されていく帯状の基材BMに対して活物質層22を形成するためのプラズマ処理を実行する。プラズマ処理装置50は、反応室51と、給液部52と、排液部53と、基材搬送部55と、プラズマ発生部60と、を備える。
Figure 4 is a schematic diagram showing the configuration of a
反応室51は、内部に溶液LQを貯留可能なように液密に構成されている。また、反応室51は、貯留された溶液LQの上方の領域にプラズマを発生可能なように気密に構成されている。
The
溶液LQは、アルコール類を含有する。溶液LQのアルコール濃度は、例えば、50~100質量%程度としてよい。溶液LQに含まれるC原子は、活物質層22の活物質を構成する。溶液LQに含まれるアルコール類は、例えば、第一級アルコールでよい。本実施形態では、溶液LQに含まれるアルコールは、エタノール(C2H6O)である。
The solution LQ contains an alcohol. The alcohol concentration of the solution LQ may be, for example, about 50 to 100 mass %. The C atoms contained in the solution LQ constitute the active material of the
溶液LQのアルコールは、エタノールに限定されることはない。他の実施形態では、溶液LQのアルコールは、例えば、ブタノール(C4H10O)や、ヘキサノール(C6H14O)であってもよい。また、溶液LQは複数種類のアルコールを混合したものでもよい。溶液LQは、例えば、エタノールとメタノール(CH3OH)とを混合したものでもよい。その他に、溶液LQは、ヘキサン(C6H14)やベンゼン(C6H6)等の炭化水素にエタノール等のアルコール類を混合したものでもよい。 The alcohol of the solution LQ is not limited to ethanol. In other embodiments, the alcohol of the solution LQ may be, for example, butanol (C 4 H 10 O) or hexanol (C 6 H 14 O). The solution LQ may also be a mixture of multiple types of alcohol. The solution LQ may be, for example, a mixture of ethanol and methanol (CH 3 OH). Alternatively, the solution LQ may be a mixture of a hydrocarbon such as hexane (C 6 H 14 ) or benzene (C 6 H 6 ) with an alcohol such as ethanol.
反応室51の下部には、給液部52と排液部53とが接続されている。給液部52は、反応室51に溶液LQを供給し、排液部53は、溶液LQを反応室51の外部に排出する。プラズマ処理の際には、給液部52と排液部53とを制御することにより、反応室51に貯留される溶液LQの量と、溶液LQの濃度とが所定の目標値に制御される。
A
基材搬送部55は、金属基板21の基材BMを搬送する。上述したように、本実施形態では、金属基板21の基材BMは帯状であり、基材搬送部55は、基材BMをその長手方向に搬送する。図4には、基材BMの搬送方向MDを示す矢印が図示されている。
The
基材搬送部55は、基材供給部56と、複数の搬送ローラ57と、回収部58と、を備える。基材供給部56は、基材BMが長手方向にロール状に巻き取られたロール体BMrを格納しており、そのロール体BMrから基材BMの帯を繰り出して反応室51内へと送り出す。
The
複数の搬送ローラ57は、反応室51内に設置されており、基材BMの搬送路を構成する。基材供給部56から送り出された基材BMは、反応室51の溶液LQの上の領域に導入される。複数の搬送ローラ57は、基材BMを溶液LQ内に搬送して、溶液LQに浸漬させた後、再び、反応室51の溶液LQの上の領域へと搬送するように設置されている。また、溶液LQ中の搬送ローラ57は、プラズマ電極65の下方において、基材BMが溶液LQの液面に沿った姿勢で配置されるように設置されている。
The
詳細は後述するが、プラズマ処理装置50では、溶液LQに浸漬されている間に、上方の面に、プラズマ電極65によって発生するプラズマが照射されて活物質層22が形成される。活物質層22が形成され、搬送ローラ57によって反応室51の外部に送り出された基材BMは、回収部58によって回収される。回収部58は、活物質層22が形成された基材BMをロール状に巻き取って回収するように構成されている。
As will be described in detail later, in the
プラズマ発生部60は、反応室51の上部に設けられており、反応室51内にプラズマを発生させる。プラズマ発生部60は、ガス供給部61と、排気部62と、プラズマ電極65と、電極保持部66と、プラズマ電源部67と、を備える。
The
ガス供給部61は、反応室51の上部に接続されており、反応室51内の溶液LQの上方の領域にプラズマを発生させるための反応ガスを供給する。本実施形態では、ガス供給部61は、反応ガスとしてアルゴン(Ar)を供給する。なお、反応ガスは、アルゴンには限定されない。反応ガスとしては、例えば、水素が用いられてもよい。
The
ガス供給部61は、反応ガスを、例えば、1~10slm程度の流量で供給する。単位「slm」は、1気圧(atm)、0℃における1分間あたりの流量を示す。
The
排気部62は、反応室51の上部に接続されており、反応室51内の溶液LQの上方の領域のガスを排出する。プラズマ処理の実行中には、排気部62によって、反応室51内の気圧が所定の目標値に制御される。反応室51内の気圧の目標値は、例えば、0.5×105~1.5×105Pa程度としてよい。
The
プラズマ電極65は、反応室51内の溶液LQの上方の領域に設置されている。プラズマ電極65は、例えば、グラファイト焼結体等のカーボン基材によって構成される。プラズマ電極65は、柱状の形状を有しており、その先端が、溶液LQの液面の上方において、溶液LQに浸漬されている基材BMの表面に対向するように設置される。
The
プラズマ電極65の先端と溶液LQの液面との距離Daは、例えば、1~10mm程度よしてよい。また、プラズマ電極65の先端と、基材BMの表面との間の距離Dbは、例えば、5~20mm程度としてよい。プラズマ電極65は、電極保持部66に保持されている。電極保持部66については後述する。
The distance Da between the tip of the
溶液LQに浸漬されている搬送中の基材BMは、搬送ローラ57を介してアースされている。また、プラズマ電極65は、プラズマ電源部67に接続されている。プラズマ電源部67は、プラズマ電極65と基材BMとの間に、プラズマを発生させるための高周波電圧を印加する。高周波電圧の電圧は、例えば、5~15kVとしてよく、周波数は、50~80Hzとしてよい。なお、プラズマを発生させるための周波数としては、前述の周波数には限定されず、例えば、数Hzから数百Hzの範囲内の周波数であってもよい。また、マイクロ波に相当するGHz単位の周波数であってもよい。
The substrate BM, which is immersed in the solution LQ and being transported, is grounded via the
図5Aを参照して、第1の構成例における電極保持部66を説明する。図5Aには、上方から下方に見たときの、電極保持部66と、その下を搬送方向MDに搬送されていく基材BMとが模式的に図示されている。図5Aでは、プラズマ電極65の先端の位置が一点鎖線で図示されており、その移動方向が一点鎖線の矢印で図示されている。
The
第1の構成例のプラズマ処理装置50では、電極保持部66は、1つのプラズマ電極
プラズマ電極65を、基材BMの表面に沿って、基材BMの幅方向に移動させることができる移動機構として構成されている。これによって、基材BM上のプラズマの照射領域を基材BMの幅方向に移動させることができるため、基材BMの幅方向全体にわたって活物質層22を形成することが可能になる。
In the
第1の構成例のプラズマ処理装置50によるプラズマ処理では、プラズマ電極65を走査して基材BMの幅方向にわたって活物質層22を形成する工程と、基材搬送部55によって基材BMを搬送方向MDに搬送する工程と、が交互に繰り返される。これにより、基材BMの表面全体に活物質層22を効率良く形成することができる。
In plasma processing by the
図5Bを参照して、第2の構成例のプラズマ処理装置50aの構成を説明する。第2の構成例のプラズマ処理装置50aの構成は、複数のプラズマ電極65を備えている点と、電極保持部66aの構成が異なっている点以外は、第1の構成例のプラズマ処理装置50の構成とほぼ同じである。図5Bには、図5Aと同様に、上方から下方に見たときの、第2の構成例の電極保持部66aと、その下を搬送方向MDに搬送されていく基材BMとが模式的に図示されている。
The configuration of the
電極保持部66aは、複数のプラズマ電極65を、基材BMの幅方向に配列された状態で保持する。プラズマ電極65は、プラズマ処理において活物質層22が隙間なく形成できるように所定の間隔で配列されている。プラズマ電極65は、例えば、1~50mmの間隔で配列される。本実施形態では、プラズマ電極65は、等間隔で配列されている。
The
なお、他の実施形態では、複数のプラズマ電極65は、一列に配列されていなくてもよい。複数のプラズマ電極65は、例えば、千鳥に配列されていてもよい。また、複数のプラズマ電極65は、基材BMの幅方向に平行に配列されていなくてもよく、例えば、搬送方向MDに斜めに交差する方向に配列されていてもよい。複数のプラズマ電極65は、等間隔で配列されていなくてもよい。
In other embodiments, the
第2の構成例のプラズマ処理装置50aでは、プラズマ処理の際に、複数のプラズマ電極65のそれぞれが、基材BMとの間にプラズマを同時に発生させることができる。よって、プラズマ電極65の配列方向にわたって活物質層22を一度に形成することができる。よって、活物質層22の形成時間の短縮が可能である。
In the
第2の構成例のプラズマ処理装置50aによるプラズマ処理では、複数のプラズマ電極65によってプラズマ電極65の配列方向にわたって活物質層22を形成しながら、基材搬送部55によって基材BMを搬送方向MDに搬送する。これにより、基材BMの表面全体に活物質層22を効率良く形成することができる。
In plasma processing by the
図3に戻り、プラズマ処理装置50,50aでのプラズマ処理によって基材BMに活物質層22を形成する工程を説明する。工程P2では、基材搬送部55によって基材BMが搬送され、基材BMが反応室51の溶液LQ中に浸漬される。
Returning to FIG. 3, the process of forming an
工程P3では、プラズマ処理装置50,50aのプラズマ発生部60が反応室51内にプラズマを発生させる。まず、ガス供給部61が反応室51内に反応ガスを供給する。続いて、ガス供給部61と排気部62との制御により、反応室51内において、反応ガスの濃度が所定の濃度・圧力になったときに、プラズマ電源部67がプラズマ電極65と基材BMとの間に高周波電圧を印加してプラズマ電極65から放電を生じさせる。これによって、プラズマ電極65の先端から溶液LQ中の基材BMの表面に向かってプラズマが発生し、図4において破線で示すように、溶液LQ中の基材BMの表面にプラズマが照射される。工程P4では、そのプラズマの照射によって基材BMの表面に活物質層22が形成される。
In process P3, the
図6を参照して、基材BMへのプラズマの照射によって活物質層22が形成されるメカニズムを説明する。図6(a)~(c)は、プラズマ処理が開始された後の溶液LQおよび溶液LQ中の基材BMの表面の様子の時間変化を模式的に示している。なお、以下に説明するメカニズムは、本発明の発明者が、後述する実施例から導き出した考察に基づくものである。
With reference to Figure 6, the mechanism by which the
溶液LQ中の基材BMに対してプラズマの照射が開始されると、図6(a)に示すように、溶液LQ中のアルコールや炭化水素が分解されて、水素原子HやラジカルRDが溶液LQ中に生じる。そして、図6(b)に示すように、その水素原子HやラジカルRDによって、基材BMの表面が浸食され、微細な凹凸構造23が形成されていく。プラズマの照射されている間、水素原子HやラジカルRDによる基材BMの表面の浸食は継続され、図6(b)および図6(c)に示すように、凹凸構造23の凹部や凸部は大きくなっていく。この間に、金属基板21の内部に水素原子Hが入り込むことにより、凹凸構造23の内部に微少な空洞25が形成される場合もある。
When the plasma irradiation of the substrate BM in the solution LQ starts, as shown in FIG. 6(a), the alcohol and hydrocarbon in the solution LQ are decomposed, and hydrogen atoms H and radicals RD are generated in the solution LQ. Then, as shown in FIG. 6(b), the surface of the substrate BM is eroded by the hydrogen atoms H and radicals RD, and a fine
また、凹凸構造23の形成中には、図6(b)に示すように、プラズマの照射によるアルコールの分解によって溶液LQ中に生じた炭素原子が、ナノグラフェンやアモルファスカーボンの粒子CPとして析出し、基材BMの凹凸構造23の表面に付着し始める。そして、図6(b)および図6(c)に示すように、基材BMの表面の凹凸構造23の成長と並行して、凹凸構造23の表面を覆うように、ナノグラフェンやアモルファスカーボンの粒子CPが堆積していき、活物質層22が形成される。この成長過程において活物質層22の内部にも微少な空洞25が形成される場合もある。
During the formation of the
活物質層22の凹凸の度合いやカーボンナノ構造体の堆積量は、プラズマの照射時間によって調整することができる。活物質層22を形成するためのプラズマの照射時間は、少なくとも1秒以上であればよい。プラズマの照射時間は、例えば、1~60分程度としてよい。
The degree of unevenness of the
活物質層22は、基材BMのプラズマ電極65の直下に位置する領域ほど効率よく短時間で形成することができる。プラズマ処理装置50,50aでは、基材BMの表面におけるプラズマの照射領域の移動と、所定時間のプラズマの照射と、を交互に繰り返すことにより、活物質層22の形成領域を広げていく。
The
図4を参照する。プラズマ処理装置50,50aでは、基材BMに対する1度目のプラズマ処理により、基材BMの片方の面に活物質層22が形成される。基材BMの両面に活物質層22を形成するためには、回収部58で回収された片面のみに活物質層22が形成されている基材BMを、ロール体BMrとして基材供給部56にセットし、2度目のプラズマ処理を実行する。
Refer to FIG. 4. In the
なお、その二度目の基材BMに対するプラズマ処理の際には、一度目の搬送のときとは反対側の面が、溶液LQ中で上方を向くように搬送される。そのため、一度目のプラズマ処理の際には、回収部58では、基材BMは、基材供給部56に格納されていたロール体BMrを構成していたときとは裏表が反転するように巻かれることが好ましい。
When the substrate BM is subjected to the second plasma treatment, it is transported so that the side opposite to that of the first transport faces upward in the solution LQ. Therefore, during the first plasma treatment, in the
図3を参照する。工程P5では、活物質層22が両面に形成された帯状の基材BMから複数の第1電極20が個々に切り出される。以上の工程P1~工程P5により第1電極20が完成する。
See FIG. 3. In process P5, a plurality of
工程P6では、正極となる第2電極30が製造される。続く工程P7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。
In process P6, the
1-4.まとめ:
以上のように、本実施形態の電極20は、ナノグラフェンとアモルファスカーボンとによって構成されるカーボンナノ構造体を主成分とし、金属基板21の凹凸構造23の表面を覆うように形成された、従来にはない構造の活物質層22を備えている。この電極20によれば、後述する実施例が示すように、二次電池10の充放電性能を著しく高めることができる。
1-4. Summary:
As described above, the
また、本実施形態の電極20の製造方法、および、電極20の製造装置であるプラズマ処理装置50,50aによれば、金属基板21の凹凸構造23とともに活物質層22を、プラズマ処理によって容易に形成することができる。よって、電極20を効率よく製造することができる。第1の構成例のプラズマ処理装置50によれば、帯状の基材BMの搬送と、電極保持部66によるプラズマ電極65の移動とにより、複数の電極20を形成するための基材BMの全体に活物質層22を形成可能である。また、第2の構成例のプラズマ処理装置50aによれば、複数のプラズマ電極65のそれぞれによるプラズマ照射と、帯状の基材BMの搬送とにより、複数の電極20を形成するための基材BMの全体に活物質層22を形成可能である。よって、プラズマ処理装置50,50aを用いれば、複数の電極20の連続製造が可能であり、電極20を、より一層、効率よく製造することができる。
In addition, according to the manufacturing method of the
ここで、例えば、カーボンナノウォールの活物質層を有する従来の二次電池の製造工程では、その活物質層が形成されている電極を、運搬や保管等のためにロール状に丸めた場合に、カーボンナノウォールの一部が損傷したり、脱落したりする場合があった。これに対して、本実施形態の電極20によれば、活物質層22が薄膜状の構成を有するため、二次電池10の製造工程において、ロール状に丸められて運搬や保管がされたとしても、活物質層22の劣化や脱落が抑制される。よって、本実施形態の電極20によれば、その取り回しが容易であるため、電極20の量産化が容易になる。
Here, for example, in the manufacturing process of a conventional secondary battery having an active material layer of carbon nanowalls, when the electrode on which the active material layer is formed is rolled up for transportation, storage, etc., some of the carbon nanowalls may be damaged or fall off. In contrast, according to the
2.実施例:
2-1.プラズマ処理:
図7を参照して、上記実施形態で説明したプラズマ処理による活物質層22の形成工程の実施例を説明する。図7には、下記の表1に示す処理条件により、上記実施形態で説明したプラズマ処理を実行したときのプラズマの照射時間ごとの撮影画像を示してある。図7の各撮影画像は、金属基板21の基材BMの表面を側方から撮影したものである。各撮影画像の左上の角部には、プラズマの照射時間が表示されている。
2. Working Example:
2-1. Plasma treatment:
An example of the process for forming the
プラズマの照射が開始されたときには、基材BMの表面は平坦であった。プラズマの照射を開始して0.5分が経過すると、基材BMの表面に凹凸が形成されはじめた。これは、溶液LQ中の水素原子やラジカルの浸食によるものと推察される。プラズマの照射時間がさらに経過すると、基材BMの表面の凹凸は次第に大きくなっていった。プラズマの照射時間が10分を経過したときには、凹凸構造の中に微少な複数の空洞が見られた。なお、この実験中、プラズマの照射時間が1~10分の間には、基材BMの表面近傍においてC原子およびO原子の濃度が高まっていったことが確認された。このことは、基材BMの表面に凹凸構造23が形成されながら活物質層22が形成されていることを示している。
When the plasma irradiation started, the surface of the substrate BM was flat. 0.5 minutes after the plasma irradiation started, unevenness began to form on the surface of the substrate BM. This is presumably due to erosion by hydrogen atoms and radicals in the solution LQ. As the plasma irradiation time continued, the unevenness on the surface of the substrate BM gradually increased. When the plasma irradiation time had reached 10 minutes, several tiny cavities were observed in the uneven structure. During this experiment, it was confirmed that the concentrations of C atoms and O atoms increased near the surface of the substrate BM when the plasma irradiation time was between 1 and 10 minutes. This indicates that the
2-2.活物質層の実施例:
図8には、実施例E1としての電極20の活物質層22を金属基板21の厚み方向に撮影した撮影画像が示されている。実施例E1の活物質層22は、上記の表1で示した条件のプラズマ処理によって形成した。プラズマの照射時間は30分とした。この撮影画像に示されているように、実施例E1の活物質層22では、金属基板21の厚み方向に見たときに、幅が0.1μm以上10.0μm以下である粒状の複数の凸部24tが密に分布していた。
2-2. Examples of active material layers:
8 shows an image of the
図9には、実施例E1の活物質層22のラマン分光スペクトルを示すグラフが図示されている。このグラフでは、Dバンド(1340cm-1)およびGバンド(1580cm-1)のピークが観測された。この結果は、活物質層22がナノグラフェンやアモルファスカーボンで構成されたカーボンナノ構造体を主成分として形成されていることを示している。
9 is a graph showing the Raman spectrum of the
2-3.活物質層の比較例:
図10には、比較例C1,C2,C3の電極の撮影画像をまとめた一覧表が図示されている。
2-3. Comparative Example of Active Material Layer:
FIG. 10 shows a list of photographed images of the electrodes of the comparative examples C1, C2, and C3.
図10(a),(b)にはそれぞれ、比較例C1の電極の表面の撮影画像が示されている。図10(a)は、走査電子顕微鏡によって比較例C1の電極の表面に正対して撮影した画像である。図10(b)は、図10(a)の撮影画像よりも高い倍率で撮影した画像である。 10 (a) and (b) show images of the surface of the electrode of Comparative Example C1. Fig. 10 (a) is an image taken by a scanning electron microscope facing the surface of the electrode of Comparative Example C1. Fig. 10 (b) is an image taken at a higher magnification than the image of Fig. 10 (a).
比較例C1の電極は、活物質層を有しておらず、集電体を構成する金属基板のみによって構成した。比較例C1の金属基板は、活物質層22を形成する前の実施例E1の金属基板21の基材BMと同じ銅箔によって構成した。そのため、比較例C1の表面は、図10(a),(b)の画像に示されているように平坦な面によって構成されていた。
The electrode of Comparative Example C1 did not have an active material layer, and was composed only of a metal substrate constituting a current collector. The metal substrate of Comparative Example C1 was composed of the same copper foil as the base material BM of the
図10(c)には、比較例C2の電極の撮影画像が示されている。図10(c)は、走査電子顕微鏡によって、比較例C2の活物質層の表面に正対して撮影した画像である。比較例C2の電極は、比較例C1と同様な平坦面を有する金属基板の表面にグラファイトの活物質層を設けた構成とした。図10(c)には、その活物質層を構成する粒状のグラファイトが写っている。 Figure 10 (c) shows an image of the electrode of Comparative Example C2. Figure 10 (c) is an image taken by a scanning electron microscope facing directly on the surface of the active material layer of Comparative Example C2. The electrode of Comparative Example C2 is configured by providing a graphite active material layer on the surface of a metal substrate having a flat surface similar to that of Comparative Example C1. Figure 10 (c) shows the granular graphite that constitutes the active material layer.
図10(d),(e)には、比較例C3の電極の撮影画像が示されている。図10(d)は、走査電子顕微鏡によって比較例C1の電極の厚み方向に直交する方向から電極の表層を撮影した画像である。図10(e)は、走査電子顕微鏡によって、比較例C1の電極の表面に正対して撮影した画像である。 10 (d) and (e) show images of the electrode of Comparative Example C3. Fig. 10 (d) is an image of the surface of the electrode of Comparative Example C1 taken with a scanning electron microscope from a direction perpendicular to the thickness direction of the electrode. Fig. 10 (e) is an image of the surface of the electrode of Comparative Example C1 taken with a scanning electron microscope directly facing the electrode.
比較例C3の電極は、比較例C1と同様な平坦面を有する金属基板の表面に、活物質層としてカーボンナノウォールを設けた構成とした。図10(d)の画像における、ひだ状の白い像、および、図10(e)の画像における、網目状の白い筋状の像がカーボンナノウォールである。カーボンナノウォールは、CVD法によって、約1.0μmのほぼ一様な高さで、金属基板の表面の全体にわたってランダムな網目状に形成された。 The electrode of Comparative Example C3 was configured by providing carbon nanowalls as an active material layer on the surface of a metal substrate having a flat surface similar to that of Comparative Example C1. The pleated white image in the image of Fig. 10 (d) and the mesh-like white streaky image in the image of Fig. 10 (e) are carbon nanowalls. The carbon nanowalls were formed by the CVD method in a random mesh pattern over the entire surface of the metal substrate with a nearly uniform height of about 1.0 μm.
2-4.実施例および比較例の電池性能:
図11~図15を参照して、上記の実施例E1および比較例C1,C2,C3の電極を負極とする二次電池の電池性能の評価試験結果を説明する。
2-4. Battery performance of Examples and Comparative Examples:
11 to 15, the results of evaluation tests of the battery performance of secondary batteries using the electrodes of Example E1 and Comparative Examples C1, C2, and C3 as negative electrodes will be described.
図11には、実施例E1の電極を用いた二次電池において得られたグラフが示されている。また、図12、図13、および、図14にはそれぞれ、比較例C1,C2,C3の電極を用いた二次電池において得られたグラフが示されている。図11~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。 Figure 11 shows a graph obtained for a secondary battery using the electrode of Example E1. Figures 12, 13, and 14 show graphs obtained for secondary batteries using the electrodes of Comparative Examples C1, C2, and C3, respectively. In Figures 11 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.
図15には、実施例E1および比較例C2,C3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。 Figure 15 shows the charge capacity and specific capacity of the secondary batteries using Example E1 and Comparative Examples C2 and C3 in a bar graph. In this evaluation test, the charge current and discharge current were both set to 0.5 mA.
実施例E1および比較例C1,C2,C3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, C2, and C3 were lithium ion secondary batteries and were fabricated with the configurations shown in Table 2 below.
図11および図15に示すように、実施例E1を用いた二次電池では、充電容量が14.2[mAh]であり、比容量が10.8[mAh/cm2]であった。これに対して、図12に示すように、比較例C1の平坦面を有する金属基板のみで構成した電極を負極とした二次電池では、充放電をすることができなかった。また、図13と図15に示すように、グラファイトの活物質層を有する比較例C2を用いた二次電池では、充電容量が4.0[mAh]であり、比容量が2.0[mAh/cm2]であった。図14と図15に示すように、カーボンナノウォールの活物質層を有する比較例C3を用いた二次電池では、充電容量が12.6[mAh]であり、比容量が9.4[mAh/cm2]であった。 As shown in Fig. 11 and Fig. 15, the secondary battery using Example E1 had a charge capacity of 14.2 [mAh] and a specific capacity of 10.8 [mAh/cm 2 ]. In contrast, as shown in Fig. 12, the secondary battery using Comparative Example C1, which has an electrode made of only a metal substrate having a flat surface as the negative electrode, was unable to charge and discharge. Also, as shown in Fig. 13 and Fig. 15, the secondary battery using Comparative Example C2 having a graphite active material layer had a charge capacity of 4.0 [mAh] and a specific capacity of 2.0 [mAh/cm 2 ]. As shown in Fig. 14 and Fig. 15, the secondary battery using Comparative Example C3 having a carbon nanowall active material layer had a charge capacity of 12.6 [mAh] and a specific capacity of 9.4 [mAh/cm 2 ].
このように、実施例E1の電極20を用いた二次電池10によれば、活物質層を有さない比較例C1の電極を用いた二次電池だけでなく、カーボンの活物質層を有する比較例C2,C3を用いた二次電池よりも電池性能が著しく向上した。
Thus, the
以上のように、本発明に係る蓄電デバイス用電極によれば、二次電池をはじめとする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。また、本発明に係る蓄電デバイス用電極の製造方法および製造装置によれば、蓄電デバイス用電極を容易に製造することができる。 As described above, the electrode for an electricity storage device according to the present invention can significantly improve the battery performance of electricity storage devices, including secondary batteries. Furthermore, the manufacturing method and manufacturing apparatus for an electrode for an electricity storage device according to the present invention can easily manufacture electrodes for electricity storage devices.
3.他の実施形態:
本発明は、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、上記実施形態中で他の実施形態として説明した構成、実施例と同様に、本発明を実施するための一形態例として位置づけられる。
3. Other embodiments:
The present invention is not limited to the configurations of the above-mentioned embodiment and examples, and can be realized, for example, in the following forms. Any configurations described below as other embodiments are positioned as one example form for implementing the present invention, similar to the above-mentioned embodiment and the configurations and examples described as other embodiments within the above-mentioned embodiment.
3-1.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。
3-1. Other embodiment 1:
The secondary battery using the
3-2.他の実施形態2:
電極20では、活物質層22は、金属基板21の第1面21aと第2面21bのうちの少なくとも一方に形成されていればよく、例えば、第1面21aにのみ形成されていてもよい。電極20は、二次電池以外の他の蓄電デバイスに適用されてもよい。例えば、電極20は、キャパシタに適用されてもよい。
3-2. Other embodiment 2:
In the
3-3.他の実施形態3:
プラズマ処理装置50,50aは、複数の電極20を連続製造する構成を有していなくてもよく、電極20を1つずつ製造する構成であってもよい。この場合には、プラズマ処理装置50,50aは、帯状の基材BMを、搬送ローラ57によって搬送する構成を有していなくてもよい。例えば、プラズマ処理装置50,50aは、1枚分の金属基板21の基材BMを溶液LQ中に設置された支持部によって支持する構成であってもよい。このような構成であっても、サイズの小さい二次電池10の電極20を製造することが可能である。
3-3. Other embodiment 3:
The
3-4.他の実施形態4:
活物質層22を形成するためのプラズマ処理を実行するプラズマ処理装置の構成は、上記実施形態で説明した第1の構成例や第2の構成例に限定されることはない。プラズマ処理装置は、例えば、第2の構成例の電極保持部66aが、複数個、基材BMの搬送方向MDに配列された構成を有していてもよい。また、プラズマ処理装置は、複数のプラズマ電極65のグループを基材BMの搬送方向MDに交差する方向に移動可能に保持する移動機構を備えていてもよい。
3-4. Other embodiment 4:
The configuration of the plasma processing apparatus that performs the plasma processing to form the
3-5.他の実施形態5:
上記の実施形態で説明したプラズマ処理は、二次電池以外の蓄電デバイスの製造方法に適用されてもよい。また、当該プラズマ処理は、蓄電デバイスに限らず、様々な電極の製造方法に適用されてもよい。
3-5. Other embodiment 5:
The plasma treatment described in the above embodiment may be applied to a method for manufacturing an electric storage device other than a secondary battery. In addition, the plasma treatment may be applied to a method for manufacturing various electrodes, not limited to an electric storage device.
4.形態例:
本発明は、以下のような形態によって実現することが可能である。
4. 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形態の蓄電デバイス用電極は、集電体を構成し、表面に微細な凹凸構造が形成された金属基板と、ナノグラフェンとアモルファスカーボンとで構成されたカーボンナノ構造体を主成分とし、前記凹凸構造の表面を緻密に覆うように形成され、前記蓄電デバイスの充放電に関与する金属原子が、前記蓄電デバイスの充電時に表面に析出する活物質層と、を備える。
第1形態の蓄電デバイス用電極によれば、ナノグラフェンとアモルファスカーボンとで構成されたカーボンナノ構造体を活物質として用いているため、蓄電デバイスの電池性能を高めることができる。また、活物質層の表面が凹凸に形成されるため、活物質層の表面積が増大され、蓄電デバイスの充電時に析出する金属の量を増大させることができ、蓄電デバイスの充電容量を高めることができる。さらに、その活物質層の凹凸構造にって、活物質層の表面に多数の凸部が形成されるため、蓄電デバイスの充電時に活物質層の表面における金属の析出が促進される。よって、蓄電デバイスの電池性能をさらに高めることができる。加えて、活物質層が、金属基板の表面を緻密に覆う薄膜のように形成されているため、金属基板の表面から延び出るように成長したカーボンナノウォールとは異なり、蓄電デバイスの製造工程において、破壊されたり、脱落したりすることを抑制できる。
[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 comprises a metal substrate constituting a current collector and having a fine uneven structure formed on its surface, and an active material layer mainly composed of a carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon, formed so as to densely cover the surface of the uneven structure, and in which metal atoms involved in the charging and discharging of the electricity storage device are precipitated on the surface when the electricity storage device is charged.
According to the first embodiment of the electrode for the electric storage device, the carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon is used as the active material, so that the battery performance of the electric storage device can be improved. In addition, since the surface of the active material layer is formed unevenly, the surface area of the active material layer is increased, and the amount of metal precipitated during charging of the electric storage device can be increased, so that the charging capacity of the electric storage device can be increased. Furthermore, since the uneven structure of the active material layer forms a large number of convex portions on the surface of the active material layer, the precipitation of metal on the surface of the active material layer is promoted during charging of the electric storage device. Therefore, the battery performance of the electric storage device can be further improved. In addition, since the active material layer is formed like a thin film densely covering the surface of the metal substrate, unlike carbon nanowalls that grow to extend from the surface of the metal substrate, it is possible to suppress the active material layer from being destroyed or falling off during the manufacturing process of the electric storage device.
[第2形態]上記第1形態の蓄電デバイス用電極において、前記活物質層の表面には、前記金属基板の厚み方向に見たときに、幅が0.1μm以上10.0μm以下である複数の凸部が密に分布していてよい。
第2形態の蓄電デバイス用電極によれば、活物質層の表面積をさらに増大させることができるとともに、活物質層の表面に、さらに多くの凸部を形成することができる。よって、蓄電デバイスの電池性能を、より一層、向上させることができる。
[Second embodiment] In the electrode for an electricity storage device of the first embodiment, a surface of the active material layer may have a plurality of protrusions, each having a width of 0.1 μm or more and 10.0 μm or less, densely distributed thereon when viewed in the thickness direction of the metal substrate.
According to the second embodiment of the electrode for an electricity storage device, the surface area of the active material layer can be further increased and more protrusions can be formed on the surface of the active material layer, thereby further improving the battery performance of the electricity storage device.
[第3形態]第3形態の蓄電デバイス用電極において、前記金属基板は、銅、または、銅合金によって構成されてよい。
第3形態の蓄電デバイス用電極であれば、蓄電デバイスにおいてより高い電池性能を実現することができる。
[Third Aspect] In the electricity storage device electrode of the third aspect, the metal substrate may be made of copper or a copper alloy.
The electricity storage device electrode of the third aspect can achieve higher battery performance in an electricity storage device.
[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、電解液で満たされた容器と、電気絶縁性とイオン伝導性とを有し、前記容器の内部空間を第1電極室と第2電極室とに区画するセパレータと、前記第1電極室に収容され、上記形態のいずれか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、前記第2電極室に収容され、充電時に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、を備えてよい。
第4形態の二次電池によれば、上記形態の蓄電デバイス用電極によって、電池性能を高めることができる。
[Fourth embodiment] The fourth embodiment is provided as a secondary battery. The secondary battery of the fourth embodiment may include a container filled with an electrolytic solution, a separator having electrical insulation and ion conductivity and dividing an internal space of the container into a first electrode chamber and a second electrode chamber, a first electrode contained in the first electrode chamber and configured by the electricity storage device electrode according to any one of the above embodiments, and a second electrode contained in the second electrode chamber and containing metal atoms that are ionized and move to the first electrode during charging.
According to the secondary battery of the fourth aspect, the battery performance can be improved by the electrode for an electricity storage device of the above aspect.
[第5形態]第5形態は、蓄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、集電体を構成する金属基板の基材を、アルコール類の溶液中に浸漬させる工程と、プラズマを発生させるための反応ガスを前記溶液の上に供給しながら、前記溶液の上に配置されたプラズマ電極と前記溶液中の前記基材との間に高周波電圧を印加することにより、プラズマを発生させる工程と、前記プラズマにより、前記基材の表面に微細な凹凸構造を形成しながら、ナノグラフェンとアモルファスカーボンとで構成されたカーボンナノ構造体を主成分とし、前記蓄電デバイスの充放電に関与する金属原子が、前記蓄電デバイスの充電時に表面に析出する活物質層を、前記凹凸構造の表面を緻密に覆うように形成する工程と、を備える。
第5形態の製造方法によれば、プラズマ処理によって金属基板の表面に凹凸構造を形成しながら、カーボンナノ構造体の活物質層を形成することができる。よって、蓄電デバイスの電池性能を向上させることができる蓄電デバイス用電極を容易に、効率良く製造することができる。
[Fifth embodiment] The fifth embodiment is provided as a method for producing an electrode for an electric storage device. The fifth embodiment includes the steps of: immersing a base material of a metal substrate constituting a current collector in an alcohol solution; applying a high-frequency voltage between a plasma electrode arranged on the solution and the base material in the solution while supplying a reactive gas for generating plasma onto the solution, thereby generating plasma; and forming an active material layer, which is mainly composed of a carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon and in which metal atoms involved in the charging and discharging of the electric storage device precipitate on the surface during charging of the electric storage device, so as to densely cover the surface of the uneven structure while forming a fine uneven structure on the surface of the base material by the plasma.
According to the fifth embodiment, the active material layer of carbon nanostructures can be formed while forming a concave-convex structure on the surface of the metal substrate by plasma treatment, and thus an electrode for an electricity storage device that can improve the battery performance of the electricity storage device can be easily and efficiently produced.
[第6形態]第6形態の製造方法は、前記プラズマ電極を、前記溶液中の前記基材の表面に沿って移動させて、前記基材の表面上のプラズマの照射領域を移動させる工程をさらに備えてよい。
第6形態の製造方法によれば、基材表面上において活物質層が形成されるプラズマの照射領域を移動させていくことができるため、面積が大きい電極をより効率よく製造することができる。
[Sixth aspect] The manufacturing method of the sixth aspect may further include a step of moving the plasma electrode along the surface of the substrate in the solution to move the plasma irradiation area on the surface of the substrate.
According to the manufacturing method of the sixth embodiment, the plasma irradiated area where the active material layer is formed on the substrate surface can be moved, so that an electrode having a large area can be manufactured more efficiently.
[第7形態]第7形態は、蓄電デバイス用電極の製造装置として提供される。第7形態の製造装置は、集電体を構成する金属基板の基材が浸漬されるアルコール類の溶液が貯留されている反応室と、前記反応室内の前記溶液の上方の領域において、前記溶液に浸漬される前記基材の表面に対向するように配置されているプラズマ電極と、前記反応室内の前記溶液の上方の領域に、プラズマを発生させるための反応ガスを供給するガス供給部と、前記プラズマ電極と前記基材との間に前記プラズマを発生させるための高周波電圧を印加するプラズマ電源部と、を備え、前記プラズマ電極と前記基材との間に発生させたプラズマにより、前記基材の表面に微細な凹凸構造を形成しながら、ナノグラフェンとアモルファスカーボンとで構成されたカーボンナノ構造体を主成分とし、蓄電デバイスの充放電に関与する金属原子が前記蓄電デバイスの充電時に表面に析出する活物質層が、前記凹凸構造の表面を覆うように形成される構成を有している。
第7形態の製造装置によれば、プラズマ処理によって金属基板の表面に凹凸構造を形成しながら、カーボンナノ構造体の活物質層を形成することができる。よって、蓄電デバイスの電池性能を向上させることができる蓄電デバイス用電極を容易に製造することができる。
[Seventh embodiment] The seventh embodiment is provided as an apparatus for manufacturing an electrode for an electric storage device. The manufacturing apparatus of the seventh embodiment includes a reaction chamber in which an alcohol solution in which a base material of a metal substrate constituting a current collector is immersed is stored, a plasma electrode arranged in an area above the solution in the reaction chamber so as to face the surface of the base material immersed in the solution, a gas supply unit that supplies a reactive gas for generating plasma to an area above the solution in the reaction chamber, and a plasma power supply unit that applies a high-frequency voltage for generating the plasma between the plasma electrode and the base material, and has a configuration in which a fine uneven structure is formed on the surface of the base material by the plasma generated between the plasma electrode and the base material, and an active material layer is formed so as to cover the surface of the uneven structure, the active material layer being mainly composed of a carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon, and in which metal atoms involved in the charging and discharging of the electric storage device are precipitated on the surface during charging of the electric storage device.
According to the seventh embodiment of the manufacturing apparatus, it is possible to form an active material layer of carbon nanostructures while forming a concave-convex structure on the surface of a metal substrate by plasma treatment, and thus it is possible to easily manufacture an electrode for an electricity storage device that can improve the battery performance of the electricity storage device.
[第8形態]第7形態の製造装置は、さらに、前記プラズマ電極を前記溶液中の前記基材の表面に沿って移動させる移動機構を備えてよい。
第8形態の製造装置によれば、移動機構によってプラズマ電極を移動させることによって、基材の表面上において活物質層が形成されるプラズマの照射領域を移動させることができる。よって、電極の面積が大きい電極をより効率よく製造することができる。
[Eighth aspect] The manufacturing apparatus of the seventh aspect may further include a moving mechanism for moving the plasma electrode along the surface of the substrate in the solution.
According to the eighth embodiment of the manufacturing apparatus, the plasma electrode is moved by the moving mechanism, so that the plasma irradiation area where the active material layer is formed on the surface of the substrate can be moved. Therefore, an electrode with a large area can be manufactured more efficiently.
[第9形態]第7形態、または、第8形態の製造装置は、前記基材の表面に沿って配列された複数の前記プラズマ電極を有し、複数の前記プラズマ電極のそれぞれと前記基材との間に、同時にプラズマを発生可能なように構成されてよい。
第9形態の製造装置によれば、複数のプラズマ電極によって、基材の表面における広い領域を一度にプラズマ照射することができる。よって、電極の面積が大きい電極をより効率よく製造することができる。
[9th Form] The manufacturing apparatus of the 7th or 8th form may have a plurality of the plasma electrodes arranged along a surface of the substrate, and may be configured to be capable of simultaneously generating plasma between each of the plurality of plasma electrodes and the substrate.
According to the manufacturing apparatus of the ninth embodiment, a wide area on the surface of the base material can be irradiated with plasma at once by using a plurality of plasma electrodes, and therefore an electrode having a large area can be manufactured more efficiently.
10…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、21…金属基板、21a…第1面、21b…第2面、22…活物質層、23…凹凸構造、24…表層凹凸構造、24t…凸部、25…空洞、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、50,50a…プラズマ処理装置、51…反応室、52…給液部、53…排液部、55…基材搬送部、56…基材供給部、57…搬送ローラ、58…回収部、60…プラズマ発生部、61…ガス供給部、62…排気部、65…プラズマ電極、66,66a…電極保持部、67…プラズマ電源部、BM…基材、BMr…ロール体、CP…粒子、H…水素原子、LQ…溶液、MD…搬送方向、RD…ラジカル 10... secondary battery, 11... container, 12... electrolyte, 15... separator, 16... first electrode chamber, 17... second electrode chamber, 20... first electrode, 21... metal substrate, 21a... first surface, 21b... second surface, 22... active material layer, 23... uneven structure, 24... surface uneven structure, 24t... convex portion, 25... cavity, 30... second electrode, 31... positive electrode current collector, 31a... first surface, 31b... second surface, 32... positive electrode active material layer, 50, 50a... plasma plasmon processing device, 51... reaction chamber, 52... liquid supply section, 53... liquid drainage section, 55... substrate transport section, 56... substrate supply section, 57... transport roller, 58... recovery section, 60... plasma generation section, 61... gas supply section, 62... exhaust section, 65... plasma electrode, 66, 66a... electrode holding section, 67... plasma power supply section, BM... substrate, BMr... roll body, CP... particle, H... hydrogen atom, LQ... solution, MD... transport direction, RD... radical
Claims (4)
集電体を構成し、表面に微細な凹凸構造が形成された金属基板と、
ナノグラフェンとアモルファスカーボンとで構成されたカーボンナノ構造体を主成分とし、前記金属基板の前記凹凸構造の表面を緻密に覆うように形成され、前記ナノグラフェンの粒子と前記アモルファスカーボンの粒子とが堆積した薄膜状の構成を有し、表面に微細な凹凸構造を有し、前記蓄電デバイスの充放電に関与する金属原子が、前記蓄電デバイスの充電時に表面に析出する活物質層と、
を備える、蓄電デバイス用電極。 An electrode for an electricity storage device,
A metal substrate constituting a current collector and having a fine uneven structure formed on its surface;
an active material layer comprising a carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon as a main component, the active material layer being formed so as to densely cover the uneven surface of the metal substrate , the active material layer having a thin film configuration in which particles of the nanographene and particles of the amorphous carbon are deposited, the active material layer having a fine uneven structure on its surface , and metal atoms involved in charging and discharging of the electricity storage device being precipitated on its surface when the electricity storage device is charged;
An electrode for an electricity storage device comprising:
前記活物質層の表面には、前記金属基板の厚み方向に見たときに、幅が0.1μm以上10.0μm以下である複数の凸部が密に分布している、蓄電デバイス用電極。 The electrode for an electricity storage device according to claim 1 ,
The electrode for an electricity storage device, wherein a plurality of protrusions each having a width of 0.1 μm or more and 10.0 μm or less are densely distributed on a surface of the active material layer when viewed in a thickness direction of the metal substrate.
前記金属基板は、銅、または、銅合金によって構成されている、蓄電デバイス用電極。 The electrode for an electricity storage device according to claim 1 ,
The electrode for an electricity storage device, wherein the metal substrate is made of copper or a copper alloy.
電解液で満たされた容器と、
電気絶縁性とイオン伝導性とを有し、前記容器の内部空間を第1電極室と第2電極室とに区画するセパレータと、
前記第1電極室に収容され、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、
前記第2電極室に収容され、充電時に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 container filled with an electrolyte;
a separator having electrical insulation and ion conductivity, which divides an internal space of the container into a first electrode chamber and a second electrode chamber;
a first electrode that is accommodated in the first electrode chamber and is configured by the electricity storage device electrode according to any one of claims 1 to 3;
A second electrode that is accommodated in the second electrode chamber and includes metal atoms that are ionized and move to the first electrode upon charging;
A secondary battery comprising:
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