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JP7768524B2 - Method for manufacturing an electrode for an electric storage device and apparatus for manufacturing an electrode for an electric storage device - Google Patents
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JP7768524B2 - Method for manufacturing an electrode for an electric storage device and apparatus for manufacturing an electrode for an electric storage device - Google Patents

Method for manufacturing an electrode for an electric storage device and apparatus for manufacturing an electrode for an electric storage device

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JP7768524B2 JP2025057403A JP2025057403A JP7768524B2 JP 7768524 B2 JP7768524 B2 JP 7768524B2 JP 2025057403 A JP2025057403 A JP 2025057403A JP 2025057403 A JP2025057403 A JP 2025057403A JP 7768524 B2 JP7768524 B2 JP 7768524B2
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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。 Secondary batteries are known as chargeable and dischargeable electricity storage devices. Typically, in electrodes for electricity storage devices, an active material layer composed of substances involved in the charge and discharge reactions of the electricity storage device is formed on the surface of a current collector. For example, Patent Documents 1 and 2 listed below disclose lithium-ion secondary batteries having an active material layer containing lithium (Li) in the positive electrode and an active material layer containing carbon (C) as an active material in the form of graphite, carbon nanowalls, or the like in the negative electrode.

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 composition of the active material layer has a significant impact on the battery performance of an electricity storage device. For example, there is technical knowledge that applying a carbon nanostructure such as a carbon nanowall to the active material layer, as in Patent Document 2, improves the battery performance of an electricity storage device compared to applying graphite to the active material layer, as in Patent Document 1.

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

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 Patent Document 1, may not be able to fully achieve the high battery performance targets required for future energy storage devices.

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 Patent Document 2, the production of the carbon nanowalls is time-consuming, which may significantly increase the production costs of the electricity storage device. Furthermore, when electrodes with carbon nanowalls applied to the active material layer are rolled up for transportation or storage during the production process of the electricity storage device, the carbon nanowalls on the surface may be destroyed or fall off due to compressive stress or shear stress.

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 ones 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 non-traditional method and 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. This electrode for an electricity storage device comprises a metal substrate that constitutes a current collector and has a finely textured structure formed on its surface; and an active material layer that is primarily composed of a carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon and is formed so as to densely cover the surface of the textured 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。 This type of electrode for an electricity storage device uses a carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon as the active material, thereby improving the battery performance of the electricity storage device. Furthermore, because the surface of the active material layer is formed with irregularities, the surface area of the active material layer is increased, allowing for a greater amount of metal to precipitate during charging of the electricity storage device, thereby increasing the charge capacity of the electricity storage device. Furthermore, the irregular structure of the active material layer forms numerous protrusions on the surface of the active material layer, promoting metal precipitation on the surface of the active material layer during charging of the electricity storage device. This further improves the battery performance of the electricity storage device. Additionally, because the active material layer is formed like a thin film that densely covers the surface of the metal substrate, it is less likely to be destroyed or shed during the manufacturing process of the electricity storage device, unlike carbon nanowalls that grow to extend from the surface of the metal substrate.

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 such 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.

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. 金属基板と活物質層の構成を模式的に示す概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a metal substrate and an active material layer. 二次電池の製造工程を示す工程フロー図。FIG. 1 is a process flow diagram showing a manufacturing process of a secondary battery. プラズマ処理装置の構成を示す概略図。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a plasma processing apparatus. 第1の構成例の電極保持部の構成を示す概略図。FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of an electrode holding unit of a first configuration example. 第2の構成例の電極保持部の構成を示す概略図。FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of an electrode holding unit in a second configuration example. プラズマ処理によって活物質層が形成されるメカニズムを示す模式図。3A and 3B are schematic diagrams illustrating the mechanism by which an active material layer is formed by plasma treatment. 実施例の活物質層が形成されていく様子を撮影した撮影画像を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing photographed images of the process of forming an active material layer according to an example. 実施例の活物質層の撮影画像を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a photographed image of an active material layer according to an example. 実施例の活物質層のラマン分光スペクトルを示す説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a Raman spectrum of an active material layer according to an example. 比較例の活物質層の撮影画像の一覧表を示す説明図。FIG. 10 is an explanatory diagram showing a list of photographed images of active material layers of comparative examples. 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. 10 is an explanatory diagram showing the results of an evaluation test of the battery performance of the second comparative example. 第3の比較例の電池性能の評価試験結果を示す説明図。FIG. 10 is an explanatory diagram showing the results of an evaluation test of the battery performance of the third 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 an evaluation test of the battery performance of an example and a comparative example.

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。 Hereinafter, with reference to the drawings, embodiments of 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 according to the present invention will be described.

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. Embodiment:
1-1. Secondary battery and electrode configuration:
Fig. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a secondary battery 10 according to this embodiment. For convenience, in Fig. 1, a container 11 is shown by a dashed line and a separator 15 is shown by a two-dot chain line.

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 secondary battery 10 is a type of chargeable and dischargeable power storage device, and is a lithium-ion secondary battery in which lithium (Li) 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.

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 container 11 has an internal space filled with the electrolyte solution 12. The container 11 is liquid-tight and made of a material that is not easily reactive with the electrolyte solution 12. The electrolyte solution 12 has the property of being able to transfer metal ions involved in charging and discharging between the first electrode 20 and the second electrode 30.

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(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。 In this embodiment, the electrolyte solution 12 is a solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, and is capable of transferring lithium ions. For example, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) can be used as the lithium salt of the electrolyte solution 12. 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、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 separator 15 divides the internal space of the container 11 into a first electrode chamber 16 that houses the first electrode 20 and a second electrode chamber 17 that houses the second electrode 30. The separator 15 is made of a thin film material, such as a resin film or nonwoven fabric with a porous structure, and is electrically insulating and ion-conductive. The separator 15 electrically insulates the first electrode 20 from the second electrode 30 and allows metal ions transmitted via the electrolyte solution 12 to pass through.

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 first electrode 20 corresponds to the electrode for the electricity storage device in this embodiment. In the following description, the first electrode 20 will also be simply referred to as the "electrode 20." In the secondary battery 10 of this embodiment, the electrode 20 constitutes the negative electrode. The 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)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 metal substrate 21 constitutes a current collector. In this embodiment, the metal substrate 21 is made of a metal foil of copper (Cu) or a Cu alloy. If the metal substrate 21 is made of Cu or a Cu alloy, high battery performance can be achieved in the electricity storage device.

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 metal substrate 21 may be made of a metal other than Cu or a Cu alloy. The metal substrate 21 may be made of, for example, nickel (Ni), a Ni alloy, aluminum (Al), an Al alloy, etc. The metal substrate 21 does not have to be made of metal foil, but may be made of, for example, a thin metal plate. The metal substrate 21 does not have to be made in a flat plate shape, but may be bent into various shapes, such as a cylindrical or corrugated shape. The metal substrate 21 may have a porous structure.

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 active material layer 22 is provided on both the first surface 21a and the second surface 21b of the metal substrate 21. The configuration of the active material layer 22 will be described in detail below. As will be described below, a fine uneven structure is formed on the first surface 21a and the second surface 21b of the metal substrate 21, and therefore, for convenience, the first surface 21a and the second surface 21b are illustrated in Figure 1 with dashed lines.

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 second electrode 30 constitutes the positive electrode of the secondary battery 10. The second electrode 30 has a positive electrode current collector 31 and a positive electrode active material layer 32. The positive electrode current collector 31 is made of a metal foil such as aluminum (Al) or titanium (Ti). The positive electrode current collector 31 may be made of other metals or may have a form other than a metal foil. The positive electrode current collector 31 does not have to be made in a flat shape, and may be bent into various shapes such as a cylindrical or 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、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 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 including metal atoms involved in charging and discharging, a conductive additive, and a binder. The positive electrode active material layer 32 may also contain a thickener.

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(LiCoO)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 charge and discharge is a Li atom. As the positive electrode active material, for example, a ternary substance such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium manganese oxide (LMO), or lithium nickel oxide (NCA) 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 a conductive additive, for example, acetylene black or carbon black can be used. As a binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) or styrene butadiene rubber (SBR) can be used. As a 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 active material layer 22 of the electrode 20 will be described with reference to Figure 2. Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing the metal substrate 21 and the active material layer 22 at an arbitrary cut surface along the thickness direction of the metal substrate 21. While Figure 2 shows the first surface 21a of the metal substrate 21, the configuration described below is common to both the first surface 21a and the second surface 21b of the metal substrate 21.

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 microscopic uneven structure 23 on the micron scale is formed on the first surface 21a and second surface 21b of the metal substrate 21. The active material layer 22 is formed as a thin film so as to densely cover the surface of the uneven structure 23. The average thickness of the active material layer 22 may be, for example, 0.1 μm to 15.0 μm.

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 active material layer 22 has a surface uneven structure 24 that is finer than the uneven structure 23 of the metal substrate 21. In order to improve the battery performance of the energy storage device, it is preferable that the surface of the active material layer 22 has a dense distribution of multiple granular protrusions 24t, each having a width of 0.1 μm or more and 10.0 μm or less, when viewed in the thickness direction of the metal substrate 21. The "width of a protrusion 24t" refers to the maximum width of a single protrusion 24t measured in all directions perpendicular to the thickness direction of the metal substrate 21. Note that minute cavities 25 may be formed inside the uneven structure 23 of the metal substrate 21 and the active material layer 22 during their formation process.

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 active material layer 22 is primarily composed of a carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon. The active material layer 22 is configured by depositing nanographene and amorphous carbon particles. The nanographene and amorphous carbon particles include those with a spherical shape and those with a plate-like shape. The protrusions 24t of the active material layer 22 described above include those composed of individual particles and those composed of randomly aggregated particles.

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 active material layer 22 is formed by plasma treatment, which will be described later. However, hydroxyl groups may remain inside the active material layer 22 as impurities introduced by the plasma treatment. The method for forming the active material layer 22 will be described later in the description of the method for manufacturing the secondary battery 10.

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. Charging and discharging reactions in electricity storage devices:
The chemical reactions occurring during charging and discharging of 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 second electrode 30, which is the positive electrode, 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)

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 negative electrode 20 is expressed by the following formula (2): In the active material layer 22 mainly composed of carbon nanostructures, when the secondary battery 10 is charged, Li is precipitated on the surface of the active material layer 22 of the electrode 20 due to the reaction shown in formula (2).
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(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。
xLi+ + C + xe ⇔ Li …(3)
In the case of a conventional negative electrode having graphite as an active material disposed on the surface of a flat metal substrate, in principle, one lithium ion is absorbed per six carbon atoms during charging, forming lithium carbide (LiC 6 ). Therefore, the reaction formula for this conventional configuration, 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) in the comparative example 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 during charging is determined by the number of carbon atoms contained in the active material layer. In contrast, with a secondary battery 10 having the electrode 20 of this embodiment, as shown in formula (2) above, charging is theoretically possible as long as Li can be precipitated in the electrode 20. Therefore, the electrode 20 of this embodiment can achieve a higher charge capacity in power storage devices such as the secondary battery 10.

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。 Furthermore, as described above, in the electrode 20 of this embodiment, the active material layer 22 is formed so as to cover the surface of the uneven structure 23 of the metal substrate 21, and has a surface uneven structure 24 that is finer than the uneven structure 23 of the metal substrate 21. As a result, the surface area of the active material layer 22 on which Li can be deposited is significantly increased. Therefore, the electrode 20 of this embodiment can achieve a high charge capacity in the secondary battery 10.

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。 A large number of protrusions 24t that constitute the surface uneven structure 24 are formed on the surface of the active material layer 22. According to nucleation theory, the protrusions 24t on the surface of the active material layer 22 serve as starting points for Li precipitation, thereby promoting Li precipitation on the surface of the active material layer 22. Therefore, the electrode 20 of this embodiment can improve the battery performance of the secondary battery 10, such as the charge capacity and specific capacity.

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 protrusions 24t are uniformly distributed on the surface of the active material layer 22, Li can be uniformly precipitated on the surface of the active material layer 22. This prevents dendrites from forming on the electrode 20 due to repeated charging and discharging of the secondary battery 10, and prevents damage and deterioration of the electricity storage device caused by dendrites.

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. Secondary battery manufacturing method:
3 is a process flow diagram showing the manufacturing process of the secondary battery 10. Processes P1 to P5 are manufacturing processes for the electrode 20. In this embodiment, a plurality of electrodes 20 are manufactured continuously.

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 metal substrate 21 is prepared. In this embodiment, the base material BM has a strip-like configuration in which multiple pieces are connected together so that multiple electrodes 20 can be continuously manufactured. The above-mentioned fine uneven surface structure 23 has not yet been formed on the base material BM, and the surface of the base material BM is configured to be flat.

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 active material layer 22 is formed on the surface of the substrate BM by plasma treatment, as described below. This plasma treatment forms a fine uneven structure 23 on the surface of the substrate BM, and the active material layer 22 is formed to cover the surface of the uneven structure 23.

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, plasma treatment is performed by a plasma treatment apparatus 50 of the first configuration example or a plasma treatment apparatus 50a of the second configuration example. Each of the plasma treatment apparatuses 50 and 50a is an example of an apparatus for forming an active material layer 22 on the base material BM of a metal substrate 21, and corresponds to an electrode 20 manufacturing apparatus. Below, the plasma treatment apparatus 50 of the first configuration example will be described, followed by a description of the plasma treatment apparatus 50a of the second configuration example, and then the details of steps P2 to P4 for the plasma treatment will be described.

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 plasma processing apparatus 50 according to a first configuration example. The plasma processing apparatus 50 performs plasma processing to form an active material layer 22 on a strip-shaped substrate BM being transported in the longitudinal direction. The plasma processing apparatus 50 includes a reaction chamber 51, a liquid supply unit 52, a liquid drainage unit 53, a substrate transport unit 55, and a plasma generation unit 60.

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 reaction chamber 51 is configured to be liquid-tight so that the solution LQ can be stored inside. The reaction chamber 51 is also configured to be airtight so that plasma can be generated in the region above the stored solution LQ.

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(CO)である。 The solution LQ contains alcohols. 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 active material layer 22. The alcohol contained in the solution LQ may be, for example, a primary alcohol. In this embodiment, the alcohol contained in the solution LQ is ethanol (C 2 H 6 O).

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(C10O)や、ヘキサノール(C14O)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(CHOH)とを混合したものでもよい。その他に、溶液LQは、ヘキサン(C14)やベンゼン(C)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 liquid supply unit 52 and a liquid drainage unit 53 are connected to the bottom of the reaction chamber 51. The liquid supply unit 52 supplies solution LQ to the reaction chamber 51, and the liquid drainage unit 53 discharges the solution LQ to the outside of the reaction chamber 51. During plasma processing, the amount of solution LQ stored in the reaction chamber 51 and the concentration of the solution LQ are controlled to predetermined target values by controlling the liquid supply unit 52 and the liquid drainage unit 53.

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 substrate conveying unit 55 conveys the substrate BM of the metal substrate 21. As described above, in this embodiment, the substrate BM of the metal substrate 21 is strip-shaped, and the substrate conveying unit 55 conveys the substrate BM in its longitudinal direction. Figure 4 shows an arrow indicating the conveying direction MD of the substrate BM.

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 substrate transport unit 55 includes a substrate supply unit 56, multiple transport rollers 57, and a recovery unit 58. The substrate supply unit 56 stores a roll BMr in which substrate BM is wound in a roll shape in the longitudinal direction, and unwinds a strip of substrate BM from the roll BMr and sends it into the reaction chamber 51.

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。 Multiple transport rollers 57 are installed within the reaction chamber 51 and form a transport path for the substrate BM. The substrate BM sent out from the substrate supply unit 56 is introduced into the area above the solution LQ in the reaction chamber 51. The multiple transport rollers 57 are installed to transport the substrate BM into the solution LQ, immerse it in the solution LQ, and then transport it back to the area above the solution LQ in the reaction chamber 51. Furthermore, the transport rollers 57 in the solution LQ are installed below the plasma electrode 65 so that the substrate BM is positioned along the liquid surface of the solution LQ.

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 more detail below, in the plasma processing apparatus 50, while the substrate BM is immersed in the solution LQ, plasma generated by the plasma electrode 65 is irradiated onto the upper surface to form an active material layer 22. After the active material layer 22 is formed, the substrate BM is sent out of the reaction chamber 51 by the transport rollers 57 and collected by the collection unit 58. The collection unit 58 is configured to wind up the substrate BM on which the active material layer 22 has been formed into a roll and collect it.

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 plasma generating unit 60 is located above the reaction chamber 51 and generates plasma within the reaction chamber 51. The plasma generating unit 60 includes a gas supply unit 61, an exhaust unit 62, a plasma electrode 65, an electrode holder 66, and a plasma power supply unit 67.

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 gas supply unit 61 is connected to the top of the reaction chamber 51 and supplies a reactive gas for generating plasma to the region above the solution LQ in the reaction chamber 51. In this embodiment, the gas supply unit 61 supplies argon (Ar) as the reactive gas. Note that the reactive gas is not limited to argon. For example, hydrogen may also be used as the reactive gas.

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 gas supply unit 61 supplies the reaction gas at a flow rate of, for example, approximately 1 to 10 slm. The unit "slm" indicates the flow rate per minute at 1 atmosphere (atm) and 0°C.

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、0.5×10~1.5×10Pa程度としてよい。 The exhaust unit 62 is connected to the top of the reaction chamber 51 and exhausts gas from the region above the solution LQ inside the reaction chamber 51. During plasma processing, the exhaust unit 62 controls the air pressure inside the reaction chamber 51 to a predetermined target value. The target value of the air pressure inside the reaction chamber 51 may be, for example, approximately 0.5×10 5 to 1.5×10 5 Pa.

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 plasma electrode 65 is installed in an area above the solution LQ within the reaction chamber 51. The plasma electrode 65 is made of a carbon substrate such as a graphite sintered body. The plasma electrode 65 has a cylindrical shape, and is installed so that its tip faces the surface of the substrate BM immersed in the solution LQ above the liquid surface of the solution LQ.

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 plasma electrode 65 and the liquid surface of the solution LQ may be, for example, approximately 1 to 10 mm. Furthermore, the distance Db between the tip of the plasma electrode 65 and the surface of the substrate BM may be, for example, approximately 5 to 20 mm. The plasma electrode 65 is held by an electrode holder 66. The electrode holder 66 will be described later.

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 transport roller 57. The plasma electrode 65 is connected to a plasma power supply unit 67. The plasma power supply unit 67 applies a high-frequency voltage to generate plasma between the plasma electrode 65 and the substrate BM. The high-frequency voltage may be, for example, 5 to 15 kV, and the frequency may be 50 to 80 Hz. The frequency for generating plasma is not limited to the aforementioned frequencies and may be, for example, a frequency in the range of several Hz to several hundred Hz. It may also be a frequency in the GHz range, which corresponds to microwaves.

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 electrode holder 66 in the first configuration example will be described with reference to Figure 5A. Figure 5A schematically illustrates the electrode holder 66 viewed from above and the substrate BM being transported below it in the transport direction MD. In Figure 5A, the position of the tip of the plasma electrode 65 is indicated by a dashed line, and its movement direction is indicated by a dashed arrow.

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 plasma processing apparatus 50 of the first configuration example, the electrode holding unit 66 is configured as a moving mechanism that can move one plasma electrode 65 along the surface of the base material BM in the width direction of the base material BM. This allows the plasma irradiation area on the base material BM to be moved in the width direction of the base material BM, making it possible to form the active material layer 22 across the entire width of the base material BM.

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 using the plasma processing apparatus 50 of the first configuration example, the process of forming an active material layer 22 across the width of the substrate BM by scanning the plasma electrode 65 and the process of transporting the substrate BM in the transport direction MD by the substrate transport unit 55 are repeated alternately. This allows the active material layer 22 to be efficiently formed over the entire surface of the substrate BM.

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 plasma processing apparatus 50a of the second configuration example will be described with reference to Figure 5B. The configuration of the plasma processing apparatus 50a of the second configuration example is substantially the same as the configuration of the plasma processing apparatus 50 of the first configuration example, except that it is equipped with multiple plasma electrodes 65 and the configuration of the electrode holder 66a is different. Figure 5B, like Figure 5A, schematically illustrates the electrode holder 66a of the second configuration example when viewed from above and below, and the substrate BM being transported below it in the transport direction MD.

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 electrode holder 66a holds multiple plasma electrodes 65 arranged in the width direction of the substrate BM. The plasma electrodes 65 are arranged at a predetermined interval so that the active material layer 22 can be formed without gaps during plasma treatment. The plasma electrodes 65 are arranged at intervals of, for example, 1 to 50 mm. In this embodiment, the plasma electrodes 65 are arranged at equal intervals.

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 multiple plasma electrodes 65 do not have to be arranged in a row. The multiple plasma electrodes 65 may be arranged, for example, in a staggered pattern. Furthermore, the multiple plasma electrodes 65 do not have to be arranged parallel to the width direction of the substrate BM, and may be arranged, for example, in a direction diagonally intersecting the conveyance direction MD. The multiple plasma electrodes 65 do not have to be arranged at equal intervals.

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 second configuration example of the plasma processing apparatus 50a, during plasma processing, each of the multiple plasma electrodes 65 can simultaneously generate plasma between itself and the substrate BM. This allows the active material layer 22 to be formed simultaneously across the array direction of the plasma electrodes 65. This reduces the time required to form the active material layer 22.

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 using the plasma processing apparatus 50a of the second configuration example, the active material layer 22 is formed by the multiple plasma electrodes 65 in the arrangement direction of the plasma electrodes 65, while the substrate BM is transported in the transport direction MD by the substrate transport unit 55. This allows the active material layer 22 to be efficiently formed over the entire surface of the substrate BM.

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 Figure 3, the process of forming an active material layer 22 on the substrate BM by plasma treatment in the plasma treatment device 50, 50a will be described. In process P2, the substrate BM is transported by the substrate transport unit 55, and the substrate BM is immersed in the solution LQ in the reaction chamber 51.

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 plasma generation unit 60 of the plasma processing apparatus 50, 50a generates plasma in the reaction chamber 51. First, the gas supply unit 61 supplies a reactive gas into the reaction chamber 51. Next, through control of the gas supply unit 61 and the exhaust unit 62, when the reactive gas concentration in the reaction chamber 51 reaches a predetermined concentration and pressure, the plasma power supply unit 67 applies a high-frequency voltage between the plasma electrode 65 and the substrate BM, causing a discharge from the plasma electrode 65. This generates plasma from the tip of the plasma electrode 65 toward the surface of the substrate BM in the solution LQ, and as shown by the dashed line in Figure 4, the plasma is irradiated onto the surface of the substrate BM in the solution LQ. In process P4, an active material layer 22 is formed on the surface of the substrate BM by the plasma irradiation.

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 active material layer 22 is formed by irradiating the substrate BM with plasma will be described. Figures 6(a) to 6(c) schematically show the change over time in the appearance of the solution LQ and the surface of the substrate BM in the solution LQ after plasma treatment has begun. Note that the mechanism described below is based on the considerations of the inventors of the present invention derived from the examples described below.

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 plasma irradiation of the substrate BM in the solution LQ begins, as shown in Figure 6(a), the alcohols and hydrocarbons in the solution LQ are decomposed, generating hydrogen atoms H and radicals RD in the solution LQ. Then, as shown in Figure 6(b), the surface of the substrate BM is eroded by the hydrogen atoms H and radicals RD, forming a fine uneven structure 23. While the plasma is being irradiated, the erosion of the surface of the substrate BM by the hydrogen atoms H and radicals RD continues, and the recesses and protrusions of the uneven structure 23 become larger, as shown in Figures 6(b) and 6(c). During this time, hydrogen atoms H may enter the interior of the metal substrate 21, forming tiny cavities 25 within the uneven structure 23.

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。 Furthermore, as shown in FIG. 6(b), during the formation of the uneven structure 23, carbon atoms generated in the solution LQ by decomposition of the alcohol due to plasma irradiation precipitate as nanographene and amorphous carbon particles CP, which begin to adhere to the surface of the uneven structure 23 of the substrate BM. Then, as shown in FIGS. 6(b) and 6(c), in parallel with the growth of the uneven structure 23 on the surface of the substrate BM, nanographene and amorphous carbon particles CP are deposited to cover the surface of the uneven structure 23, thereby forming the active material layer 22. During this growth process, tiny cavities 25 may also form inside the active material layer 22.

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 active material layer 22 and the amount of carbon nanostructure deposition can be adjusted by the plasma irradiation time. The plasma irradiation time for forming the active material layer 22 should be at least 1 second. The plasma irradiation time may be, for example, approximately 1 to 60 minutes.

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 active material layer 22 can be formed more efficiently and in a shorter time in the region of the substrate BM located directly below the plasma electrode 65. In the plasma processing apparatus 50, 50a, the region where the active material layer 22 is formed is expanded by alternately shifting the plasma irradiation region on the surface of the substrate BM and irradiating the plasma for a predetermined period of time.

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。 See Figure 4. In the plasma processing device 50, 50a, the first plasma treatment is performed on the substrate BM, forming an active material layer 22 on one side of the substrate BM. To form active material layers 22 on both sides of the substrate BM, the substrate BM with the active material layer 22 formed on only one side, which has been recovered in the recovery unit 58, is set in the substrate supply unit 56 as a roll BMr, and a second plasma treatment is performed.

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 surface opposite to that of the first transport faces upward in the solution LQ. Therefore, during the first plasma treatment, it is preferable that the substrate BM is wound up in the recovery section 58 so that it is upside down compared to when it was forming the roll body BMr stored in the substrate supply section 56.

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 Figure 3. In process P5, multiple first electrodes 20 are individually cut out from a strip-shaped substrate BM with active material layers 22 formed on both sides. The first electrodes 20 are completed through processes P1 to P5.

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 second electrode 30, which will serve as the positive electrode, is manufactured. In the following process P7, 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.

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 electrode 20 of this embodiment includes an active material layer 22 having a novel structure, which is primarily composed of a carbon nanostructure formed of nanographene and amorphous carbon and is formed so as to cover the surface of the concave-convex structure 23 of the metal substrate 21. With this electrode 20, the charge-discharge performance of the secondary battery 10 can be significantly improved, as will be shown in the examples described below.

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。 Furthermore, with the electrode 20 manufacturing method and the plasma processing apparatus 50, 50a, which are the electrode 20 manufacturing apparatus of this embodiment, the active material layer 22 can be easily formed along with the uneven structure 23 on the metal substrate 21 by plasma processing. Therefore, the electrode 20 can be manufactured efficiently. With the plasma processing apparatus 50 of the first configuration example, the active material layer 22 can be formed over the entire substrate BM for forming multiple electrodes 20 by transporting the strip-shaped substrate BM and moving the plasma electrode 65 using the electrode holder 66. Furthermore, with the plasma processing apparatus 50a of the second configuration example, the active material layer 22 can be formed over the entire substrate BM for forming multiple electrodes 20 by irradiating plasma from each of the multiple plasma electrodes 65 and transporting the strip-shaped substrate BM. Therefore, using the plasma processing apparatus 50, 50a, multiple electrodes 20 can be manufactured continuously, allowing for even more efficient electrode 20 manufacturing.

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, with the electrode 20 of this embodiment, the active material layer 22 has a thin-film configuration, so deterioration and fall-off of the active material layer 22 are suppressed even when the electrode is rolled up for transportation or storage during the manufacturing process of the secondary battery 10. Therefore, the electrode 20 of this embodiment is easy to handle, facilitating mass production of the electrode 20.

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 active material layer 22 by the plasma treatment described in the above embodiment will be described with reference to Figure 7. Figure 7 shows images taken for each plasma irradiation time when the plasma treatment described in the above embodiment was performed under the treatment conditions shown in Table 1 below. Each image in Figure 7 is an image of the surface of the base material BM of the metal substrate 21 taken from the side. The plasma irradiation time is displayed in the upper left corner of each image.

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 plasma irradiation began, the surface of the substrate BM was flat. 0.5 minutes after the start of plasma irradiation, irregularities 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 irregularities on the surface of the substrate BM gradually increased. When the plasma irradiation time reached 10 minutes, several tiny cavities were observed within the irregular structure. Furthermore, during this experiment, it was confirmed that the concentrations of C atoms and O atoms increased near the surface of the substrate BM between 1 and 10 minutes of plasma irradiation. This indicates that an active material layer 22 was being formed while an irregular structure 23 was being formed on the surface of the substrate BM.

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 a photograph of the active material layer 22 of the electrode 20 of Example E1 taken in the thickness direction of the metal substrate 21. The active material layer 22 of Example E1 was formed by plasma treatment under the conditions shown in Table 1 above. The plasma irradiation time was 30 minutes. As shown in this photograph, in the active material layer 22 of Example E1, when viewed in the thickness direction of the metal substrate 21, a plurality of granular protrusions 24t having a width of 0.1 μm or more and 10.0 μm or less were densely distributed.

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 active material layer 22 of Example E1. In this graph, peaks of the D band (1340 cm −1 ) and the G band (1580 cm −1 ) were observed. This result indicates that the active material layer 22 is formed mainly from carbon nanostructures composed of nanographene and amorphous carbon.

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 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。 Figures 10(a) and (b) each show photographed images of the surface of the electrode of Comparative Example C1. Figure 10(a) is an image taken directly facing the surface of the electrode of Comparative Example C1 using a scanning electron microscope. Figure 10(b) is an image taken at a higher magnification than the image of Figure 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 that constituted the current collector. The metal substrate of Comparative Example C1 was composed of the same copper foil as the base material BM of the metal substrate 21 of Example E1 before the active material layer 22 was formed. Therefore, the surface of Comparative Example C1 was composed of a flat surface, as shown in the images of Figures 10(a) and (b).

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 directly on the surface of the active material layer of Comparative Example C2 using a scanning electron microscope. The electrode of Comparative Example C2 is configured by providing a graphite active material layer on the surface of a metal substrate with a flat surface similar to that of Comparative Example C1. Figure 10(c) shows the granular graphite that makes up 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。 Figures 10(d) and (e) show images of the electrode of Comparative Example C3. Figure 10(d) is an image of the surface layer of the electrode of Comparative Example C1 taken with a scanning electron microscope from a direction perpendicular to the thickness direction of the electrode. Figure 10(e) is an image of the surface of the electrode of Comparative Example C1 taken with a scanning electron microscope from directly facing it.

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 constructed by providing carbon nanowalls as an active material layer on the surface of a metal substrate with a flat surface similar to that of Comparative Example C1. The white folds in the image in Figure 10(d) and the white mesh-like streaks in the image in Figure 10(e) are carbon nanowalls. The carbon nanowalls were formed by CVD in a random mesh pattern across the entire surface of the metal substrate, with a nearly uniform height of approximately 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 on the battery performance of secondary batteries using the negative electrodes of Example E1 and Comparative Examples C1, C2, and C3 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 during charging and by a dashed line 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 secondary batteries using Example E1 and Comparative Examples C2 and C3, respectively, as bar graphs. In this evaluation test, the charge current and discharge current were both 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/cm]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/cm]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/cm]であった。 As shown in Figures 11 and 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 Figure 12, the secondary battery using Comparative Example C1, which had an electrode composed only of a metal substrate with a flat surface as the negative electrode, was unable to charge or discharge. As shown in Figures 13 and 15, the secondary battery using Comparative Example C2, which had 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 Figures 14 and 15, the secondary battery using Comparative Example C3, which had 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。 As such, the secondary battery 10 using the electrode 20 of Example E1 exhibited significantly improved battery performance compared not only with the secondary battery using the electrode of Comparative Example C1, which does not have an active material layer, but also with the secondary batteries using Comparative Examples C2 and C3, which have a carbon active material layer.

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 electrodes for electricity storage devices 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 electrodes for electricity storage devices 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-described embodiments and examples, and can also be realized in the following forms, for example. Any configurations described below as other embodiments are positioned as examples of forms for carrying out the present invention, similar to the above-described embodiments and the configurations and examples described as other embodiments within the above-described embodiments.

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:
A secondary battery using the electrode 20 of the above embodiment may be configured so that metal ions other than lithium ions are involved in charging and discharging. For example, a secondary battery using the electrode 20 of the above embodiment may be configured so that sodium (Na) ions, potassium (K) ions, magnesium (Mg) ions, etc. are involved in charging and discharging.

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 electrode 20, the active material layer 22 may be formed on at least one of the first surface 21 a and the second surface 21 b of the metal substrate 21, and may be formed only on the first surface 21 a, for example. The electrode 20 may be applied to an electricity storage device other than a secondary battery. For example, the electrode 20 may be applied to a capacitor.

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 plasma processing apparatus 50, 50a does not have to be configured to continuously produce multiple electrodes 20, but may be configured to produce electrodes 20 one by one. In this case, the plasma processing apparatus 50, 50a does not have to be configured to transport the strip-shaped substrate BM using the transport rollers 57. For example, the plasma processing apparatus 50, 50a may be configured to support the substrate BM of one metal substrate 21 by a support portion installed in the solution LQ. Even with such a configuration, it is possible to produce electrodes 20 for small-sized secondary batteries 10.

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 active material layer 22 is not limited to the first or second configuration examples described in the above embodiment. The plasma processing apparatus may have, for example, a configuration in which multiple electrode holders 66a of the second configuration example are arranged in the transport direction MD of the substrate BM. Furthermore, the plasma processing apparatus may include a movement mechanism that holds a group of multiple plasma electrodes 65 movably in a direction intersecting the transport direction MD of the substrate BM.

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. Furthermore, the plasma treatment is not limited to an electric storage device, and may be applied to a method for manufacturing various electrodes.

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 aspects.

[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 finely textured structure formed on its surface, and an active material layer mainly composed of a carbon nanostructure formed of nanographene and amorphous carbon, formed so as to densely cover the surface of the textured structure, and in which metal atoms involved in charging and discharging of the electricity storage device are precipitated on its surface when the electricity storage device is charged.
According to the first embodiment of the electrode for an electricity storage device, a carbon nanostructure composed of nanographene and amorphous carbon is used as the active material, thereby improving the battery performance of the electricity storage device. Furthermore, because the surface of the active material layer is formed unevenly, the surface area of the active material layer is increased, which increases the amount of metal deposited during charging of the electricity storage device and increases the charge capacity of the electricity storage device. Furthermore, the uneven structure of the active material layer forms numerous protrusions on the surface of the active material layer, which promotes metal deposition on the surface of the active material layer during charging of the electricity storage device. This further improves the battery performance of the electricity storage device. Additionally, because the active material layer is formed like a thin film that densely covers the surface of the metal substrate, it is less likely to be destroyed or detached during the manufacturing process of the electricity storage device, unlike carbon nanowalls that grow to extend from the surface of the metal substrate.

[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 plurality of protrusions each having a width of 0.1 μm or more and 10.0 μm or less may be densely distributed on the surface of the active material layer 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 third aspect of the electrode for an electricity storage device, 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 Aspect] The fourth aspect is provided as a secondary battery. The secondary battery of the fourth aspect may include a container filled with an electrolyte, an electrically insulating and ionically conductive separator that divides the interior 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 as the electricity storage device electrode according to any one of the above aspects, and a second electrode contained in the second electrode chamber and containing metal atoms that ionize and migrate to the first electrode during charging.
According to the secondary battery of the fourth aspect, the battery performance can be improved by using 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 Aspect] The fifth aspect is provided as a method for manufacturing an electrode for an electricity storage device. The manufacturing method of the fifth aspect includes the steps of: immersing a metal substrate base material constituting a current collector in an alcohol solution; generating plasma by applying a high-frequency voltage between a plasma electrode disposed above the solution and the base material in the solution while supplying a reactive gas for generating plasma onto the solution; and forming a fine uneven structure on the surface of the base material by the plasma, while forming an active material layer containing carbon nanostructures mainly composed of nanographene and amorphous carbon, the active material layer containing metal atoms involved in charging and discharging of the electricity storage device, so as to densely cover the surface of the uneven structure.
According to the fifth embodiment, the active material layer of carbon nanostructures can be formed while forming a textured structure on the surface of the metal substrate by plasma treatment, thereby enabling the easy and efficient production of an electrode for an electricity storage device that can improve the battery performance of the electricity storage device.

[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 comprise 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 sixth embodiment of the manufacturing method, the plasma irradiation area where the active material layer is formed on the surface of the substrate can be moved, so that an electrode with 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 Aspect] The seventh aspect is provided as an apparatus for manufacturing an electrode for an electricity storage device. The manufacturing apparatus of the seventh aspect includes a reaction chamber storing an alcohol solution in which a metal substrate base material constituting a current collector is immersed, a plasma electrode disposed 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 supplying a reactive gas for generating plasma to the region above the solution in the reaction chamber, and a plasma power supply unit applying a high-frequency voltage between the plasma electrode and the base material to generate the plasma. The plasma generated between the plasma electrode and the base material forms a fine uneven structure on the surface of the base material, and an active material layer is formed on the surface of the uneven structure, the active material layer mainly composed of carbon nanostructures formed of nanographene and amorphous carbon, and metal atoms involved in the charging and discharging of the electricity storage device are precipitated on the surface of the active material layer during charging of the electricity storage device.
According to the seventh embodiment, the manufacturing apparatus can form an active material layer of carbon nanostructures while forming a textured structure on the surface of a metal substrate by plasma treatment, thereby easily manufacturing 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 Mode] The manufacturing apparatus of the seventh mode may further include a moving mechanism that moves 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, thereby moving the plasma irradiation area where the active material layer is formed on the surface of the substrate, thereby enabling electrodes with a large area to 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。
[Ninth Form] The manufacturing apparatus of the seventh or eighth form may have a plurality of the plasma electrodes arranged along the surface of the substrate, and may be configured to be able to simultaneously generate 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 substrate can be irradiated with plasma at once by using a plurality of plasma electrodes, and therefore electrodes with large electrode areas 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 Plasma treatment device, 51...reaction chamber, 52...liquid supply unit, 53...liquid drainage unit, 55...substrate transport unit, 56...substrate supply unit, 57...transport roller, 58...recovery unit, 60...plasma generation unit, 61...gas supply unit, 62...exhaust unit, 65...plasma electrode, 66, 66a...electrode holder, 67...plasma power supply unit, BM...substrate, BMr...roll body, CP...particle, H...hydrogen atom, LQ...solution, MD...transport direction, RD...radical

Claims (5)

蓄電デバイス用電極の製造方法であって、
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、製造方法。
A method for manufacturing an electrode for an electricity storage device, comprising:
a step of immersing a base material of a metal substrate constituting a current collector in an alcohol solution;
generating plasma by applying a high frequency voltage between a plasma electrode disposed above the solution and the substrate in the solution while supplying a reactive gas for generating plasma onto the solution;
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 charging and discharging of the electricity storage device are deposited on the surface during charging of the electricity 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;
A manufacturing method comprising:
請求項1記載の製造方法であって、
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る、製造方法。
The manufacturing method according to claim 1,
The manufacturing method further comprises a step of moving the plasma electrode along the surface of the substrate in the solution to move a plasma irradiation area on the surface of the substrate.
蓄電デバイス用電極の製造装置であって、
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、製造装置。
An apparatus for manufacturing an electrode for an electricity storage device, comprising:
a reaction chamber storing an alcohol solution in which the base material of the metal substrate constituting the current collector is immersed;
a plasma electrode disposed in a region above the solution in the reaction chamber so as to face a surface of the substrate immersed in the solution;
a gas supply unit that supplies a reactive gas for generating plasma to a region above the solution in the reaction chamber;
a plasma power supply unit that applies a high-frequency voltage between the plasma electrode and the substrate to generate the plasma;
Equipped with
The manufacturing apparatus is configured such that a fine uneven structure is formed on the surface of the substrate by plasma generated between the plasma electrode and the substrate, and an active material layer is formed so as to cover the surface of the uneven structure, the active material layer being composed primarily of a carbon nanostructure made of nanographene and amorphous carbon, and in which metal atoms involved in the charging and discharging of the energy storage device are precipitated on the surface when the energy storage device is charged.
請求項3記載の製造装置であって、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る、製造装置。
The manufacturing apparatus according to claim 3, further comprising:
The manufacturing apparatus includes a moving mechanism that moves the plasma electrode along the surface of the substrate in the solution.
請求項3、または、請求項4記載の製造装置であって、
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いる、製造装置。

The manufacturing apparatus according to claim 3 or claim 4,
A manufacturing apparatus having a plurality of the plasma electrodes arranged along the surface of the substrate, and configured to be able to simultaneously generate plasma between each of the plurality of plasma electrodes and the substrate.

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