(57)【要約】  本発明は、高容量かつ優れた初回充放電特性を有し、しかもサイクル特性とハイレート特性に優れ、さらに安全性にも優れた、低環境負担であり、低コストな蓄電デバイス用負極材料およびそれを用いてなる蓄電デバイス用負極を提供することを目的とする。  本発明は、酸化物材料を含む負極活物質と、水溶性高分子からなる結着剤とを含有する蓄電デバイス用負極材料およびそれを用いてなる蓄電デバイス用負極である。そして、水溶性高分子としては、セルロース誘導体またはポリビニルアルコールを用いることができる。
2012063745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物材料を含む負極活物質と、水溶性高分子からなる結着剤とを含有することを特徴とする蓄電デバイス用負極材料。
【請求項２】
水溶性高分子が、セルロース誘導体またはポリビニルアルコールであることを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス用負極材料。
【請求項３】
結着剤を２〜３０質量％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電デバイス用負極材料。
【請求項４】
酸化物材料が、Ｐ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３を含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の蓄電デバイス用負極材料。
【請求項５】
酸化物材料が、Ｐ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３とＳｎＯとを含有する化合物からなることを特徴とする請求項４に記載の蓄電デバイス用負極材料。
【請求項６】
酸化物材料が、組成としてモル％で、ＳｎＯ  ４５〜９５％、Ｐ２Ｏ５  ５〜５５％を含有することを特徴とする請求項５に記載の蓄電デバイス用負極材料。
【請求項７】
酸化物材料が、組成としてモル％で、ＳｎＯ  １０〜８５％、Ｂ２Ｏ３  ３〜９０％、Ｐ２Ｏ５  ０〜５５％（ただし、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５  １５％以上）を含有することを特徴とする請求項５に記載の蓄電デバイス用負極材料。
【請求項８】
負極活物質が、さらに、Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｌおよびこれらのうちいずれかを含む合金から選択される少なくとも１種の金属材料を含有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の蓄電デバイス用負極材料。
【請求項９】
さらに、導電助剤を含有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の蓄電デバイス用負極材料。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の蓄電デバイス用負極材料が集電体表面に塗布されてなることを特徴とする蓄電デバイス用負極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯型電子機器や電気自動車に用いられるリチウムイオン非水二次電池等の蓄電デバイス用負極材料（以下、単に「負極材料」ともいう）およびこれを用いた蓄電デバイス用負極に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯用パソコンや携帯電話に加え車載用途等への普及に伴い、リチウムイオン二次電池等の蓄電デバイスの高容量化と小サイズ化に対する要望が高まっている。蓄電デバイスの高容量化が進めば電池材料の小サイズ化も容易となるため、蓄電デバイス用電極材料の高容量化へ向けての開発が急務となっている。また、デジタルカメラ等の携帯電子機器の電源用では約３Ｃレート放電、ハイブリッド電気自動車等の車載用では約１０Ｃレート放電以上における使用が見込まれるため、高速放電（ハイレート）特性も望まれる。【０００３】
例えば、リチウムイオン二次電池用の正極材料には高電位型のＬｉＣｏＯ２、ＬｉＣｏ１−ｘＮｉｘＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４等が広く用いられている。一方、負極材料には一般に炭素質材料が用いられている。これらの材料は充放電によってリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出する電極活物質として機能し、非水電解液あるいは固体電解質によって電気化学的に連結されたいわゆるロッキングチェア型の二次電池を構成する。【０００４】
負極材料に用いられる炭素質材料には、黒鉛質炭素材料、ピッチコークス、繊維状カーボン、低温で焼成される高容量型のソフトカーボンなどがある。しかしながら、炭素材料はリチウム挿入容量が比較的小さいため、容量が低いという問題がある。具体的には、化学量論量のリチウム挿入容量を実現できたとしても、炭素材料の容量は約３７２ｍＡｈ／ｇが限界である。【０００５】
そこで、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能であり、カーボン系材料を超える高容量密度を有する負極活物質として、Ｓｉ、Ｓｎ等の金属やＳｎＯを含有する負極活物質が提案されている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２８８７６３２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】M.Winter, J.O.Besenhard, Electrochimica Acta, 45(1999), p.31
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
Ｓｉ、Ｓｎ等の金属やＳｎＯを含有する負極活物質は、初回充放電効率（初回の充電容量に対する放電容量の比率）に優れるものの、充放電時におけるリチウムイオンの吸蔵および放出反応に起因する体積変化が著しく大きいため、繰り返し充放電した際に負極材料が構造劣化して亀裂が生じやすくなる。亀裂が進行すると、場合によっては負極材料中に空洞が形成され、微粉化してしまうこともある。負極材料に亀裂が生じると、電子伝導網が分断されるため、繰り返し充放電した後の放電容量（サイクル特性）の低下が問題となっていた。【０００９】
また上記文献に記載の負極材料には、各負極活物質同士を結着させるため、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの熱可塑性直鎖状高分子やスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の高分子が使用されている。通常、これらの高分子は水に分散されて用いられるが、水に不溶であるため電極ペーストを作製する際に、水中で電極材料が分離して沈降しやすく、均一に分散させることが困難であった。【００１０】
また、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、ＳＢＲなどの高分子は非極性材料であるため、水中で疎水基同士に相互作用が働き、時間が経つにつれ凝集が起こるという問題があった。結果的に、高分子が負極活物質を十分に包括することができず、結着力が低下するため、繰り返し充放電した際に著しく容量が低下するという問題があった。加えて、結着剤が凝集すると、凝集部分が電極において電気絶縁部となる。この電極を用いた蓄電デバイスを充放電すると、電極にて不均一な電気の流れが生じ、ハイレート特性が低下するだけでなく電荷集中箇所で異常発熱が起こる要因となっていた。【００１１】
上記理由により、上記の高分子をＮ−メチルピロリジノンなどの非極性有機溶媒に溶解して使用する場合もあるが、有機溶媒を使用すると環境への負荷が大きい。また、これら熱可塑性高分子や有機溶媒は高価であるため、蓄電デバイスが高コストになるという問題もあった。【００１２】
したがって、本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであり、高容量かつ優れた初回充放電特性を有し、しかもサイクル特性とハイレート特性に優れ、さらに安全性にも優れた、低環境負荷であり、低コストな蓄電デバイス用負極材料およびそれを用いてなる蓄電デバイス用負極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者等は種々の検討を行った結果、特定の酸化物材料を含有する負極活物質と、特定の物質からなる結着剤とを含む負極材料により前記課題を解決できることを見出し、本発明として提案するものである。【００１４】
すなわち、本発明は、酸化物材料を含む負極活物質と、水溶性高分子からなる結着剤とを含有することを特徴とする蓄電デバイス用負極材料に関する。【００１５】
本発明では結着剤として水溶性高分子を用いることを特徴としている。これにより、充放電した際に負極活物質がその体積変化により負極材料中から剥離することを防止できる。つまり、酸化物材料を含む負極活物質は、最表面に水酸基（−ＯＨ）を有しているのに対し、水溶性高分子も水酸基を有している。これにより、負極活物質最表面の水酸基と水溶性高分子における水酸基とが脱水縮合し、負極材料中において負極活物質同士を強固に結着させることができるため、負極材料から負極活物質が剥離することを抑制できる。また、メカニズムの詳細は不明であるが、結着剤として水溶性高分子を用いることにより負極の低抵抗化が達成され、ハイレート特性を向上させることが可能となる。【００１６】
なお、水溶性高分子は水に対する溶解性が高いため、既述の熱可塑性直鎖状高分子やＳＢＲ等の高分子と異なり、非極性有機溶媒を使用しなくても溶媒中に均一に分散させることが可能である。よって、環境負荷が少なく、低コストであり、かつ安全性に優れた負極材料を作製することが可能である。【００１７】
第二に、本発明の蓄電デバイス用負極材料は、水溶性高分子が、セルロース誘導体またはポリビニルアルコールであることを特徴とする。【００１８】
水溶性高分子のうちセルロース誘導体（セルロースエステル、セルロースエーテル等）は、グルコースユニットにより強固な骨格を構成し、側鎖の一部に水酸基やカルボキシル基(−ＣＯＯＨ)を有する。また、ポリビニルアルコールは側鎖に水酸基を多く有している。そのため、これらの水溶性高分子は負極活物質表面に対する親和性に優れ、強固な結合を形成しやすい。このため、負極活物質同士が強固に結合され、充放電に伴う負極活物質の体積変化により負極材料が剥離することを抑制できる。また、結着剤としてセルロース誘導体およびポリビニルアルコールを使用することで、負極の低抵抗化によるハイレート特性を向上の効果が特に得られやすくなる。さらに、セルロース誘導体およびポリビニルアルコールは特に環境負荷が少なく、かつ大量生産されているため低コストである。【００１９】
第三に、本発明の蓄電デバイス用負極材料は、結着剤を２〜３０質量％含有することを特徴とする。【００２０】
第四に、本発明の蓄電デバイス用負極材料は、酸化物材料が、Ｐ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３を含有することを特徴とする。【００２１】
Ｐ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３を含有する酸化物材料を含む負極活物質は、最表面に水酸基を多く有しているため、水溶性高分子との結合サイトが多くなり、負極材料中における負極活物質同士の結着を非常に強固なものとすることができる。また後述するように、Ｐ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３を含有する酸化物材料を含む負極活物質は、充放電反応に伴う負極活物質の体積変化が小さいため、負極集電体からの負極活物質の剥がれも防止できる。【００２２】
第五に、本発明の蓄電デバイス用負極材料は、酸化物材料が、Ｐ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３とＳｎＯとを含有する化合物からなることを特徴とする。【００２３】
例えば蓄電デバイスである非水二次電池の一例として、リチウムイオン二次電池は充放電の際、負極にて以下のような反応が起こることが知られている。【００２４】
Ｓｎｘ＋＋ｘｅ−→Ｓｎ      ・・・（１）
Ｓｎ＋ｙＬｉ＋＋ｙｅ−←→ＬｉｙＳｎ      ・・・（２）【００２５】
まず初回の充電時に、Ｓｎｘ＋イオンが電子を受容して金属Ｓｎが生成する反応が不可逆的に起こる（式（１））。続いて、生成した金属Ｓｎは正極から電解液または固体電解質を通って移動したリチウムイオンと回路から供給された電子と結合し、Ｓｎ−Ｌｉ合金を形成する反応が起こる。当該反応は、充電時には右方向に反応が進み、放電時には左方向に進む可逆反応として起こる（式（２））。【００２６】
ここで初回の充電時に生じる式（１）の反応に着目すると、当該反応に要するエネルギーが小さければ小さいほど、初回充電容量が小さくなり、結果として初回充放電効率に優れることになる。したがって、Ｓｎｘ＋イオンの価数が小さいほど、還元に必要な電子が少なくて済むため、二次電池の初回充放電効率を向上させるために有利である。【００２７】
ところで、初回充電時にＳｎｘ＋イオンからＬｉｙＳｎの合金形成が起こるとき、負極材料は、正極材料から放出されたｙ個のリチウムイオンを吸蔵し体積膨張を起こす。この体積変化は結晶構造学の観点から見積もることができる。例えば、ＳｎＯ結晶は結晶単位格子の長さが３．８０２Å×３．８０２Å×４．８３６Åの正方晶系であるため、結晶単位体積は６９．９Å３となる。この結晶単位格子内にＳｎ原子は２個存在するので、Ｓｎ１原子あたりの占有体積は３４．９５Å３となる。一方、充電時に形成されるＬｉｙＳｎ合金としては、Ｌｉ２．６Ｓｎ、Ｌｉ３．５Ｓｎ、Ｌｉ４．４Ｓｎなどが知られている。例えば充電時にＬｉ４．４Ｓｎの合金が形成された場合を考えると、Ｌｉ４．４Ｓｎ（立方晶系、空間郡Ｆ２３）の単位格子の長さは１９．７８Å×１９．７８Å×１９．７８Åであるため、格子単位体積は７７３９Å３となる。この単位格子内にＳｎ原子は８０個存在するので、Ｓｎ１原子あたりの占有体積は９６．７Å３となる。このため、負極材料にＳｎＯ結晶を用いると、初回充電時にＳｎ原子の占有体積が２．７７倍（９６．７Å３／３４．９５Å３）膨張することになる。【００２８】
次に、放電時は前記反応式（２）が左方向に進み、ＬｉｙＳｎ合金からリチウムイオンと電子がそれぞれｙ個放出されて金属Ｓｎが形成されるため、負極材料は体積収縮する。この場合の収縮率を既述のように結晶学的観点から求める。金属Ｓｎの単位格子の長さは５．８３１Å×５．８３１Å×３．１８２Åの正方晶系であり、単位格子体積は１０８．２Å３になる。この格子内にＳｎ原子は４個存在するため、Ｓｎ１原子あたりの占有体積は２７．０５Å３になる。このため、ＬｉｙＳｎ合金がＬｉ４．４Ｓｎである場合、負極材料中の放電反応が進行して金属Ｓｎが生成されると、Ｓｎ原子の占有体積は０．２８倍（２７．５Å３／９６．７Å３）に収縮する。【００２９】
また、２回目以降の充電時は反応式（２）が右方向に進み、金属Ｓｎがｙ個のリチウムイオンと電子をそれぞれ吸蔵し、ＬｉｙＳｎの合金が形成されるため、負極材料は体積膨張する。このとき、金属ＳｎからＬｉ４．４Ｓｎが形成される場合、Ｓｎ原子の占有体積が３．５２倍（９６．７Å３／２７．５Å３）に膨張する。【００３０】
このように、ＳｎＯを含有する負極材料は充放電の際に著しく体積変化を伴うため、繰り返し充放電した際に負極材料に亀裂が生じやすくなる。亀裂が進行すると、場合によっては負極材料中に空洞が形成され、微粉化してしまうこともある。負極材料に亀裂が生じると、電子伝導網が分断されるため、充放電容量が低下しやすくなり、サイクル特性低下の原因となる。【００３１】
本発明では、負極材料中のＳｎｘ＋イオンがリン酸ネットワークおよび／またはホウ酸ネットワークに包括された状態で存在するため、充放電に伴うＳｎ原子の体積変化を当該リン酸ネットワークおよび／またはホウ酸ネットワークで緩和することができる。結果として、繰り返し充放電した際のサイクル特性に優れた蓄電デバイスを得ることが可能となる。【００３２】
第六に、本発明の蓄電デバイス用負極材料は、酸化物材料が、組成としてモル％で、ＳｎＯ  ４５〜９５％、Ｐ２Ｏ５  ５〜５５％を含有することを特徴とする。【００３３】
第七に、本発明の蓄電デバイス用負極材料は、酸化物材料が、組成としてモル％で、ＳｎＯ  １０〜８５％、Ｂ２Ｏ３  ３〜９０％、Ｐ２Ｏ５  ０〜５５％（ただし、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５  １５％以上）を含有することを特徴とする。【００３４】
第八に、本発明の蓄電デバイス用負極材料は、負極活物質が、さらに、Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｌおよびこれらのうちいずれかを含む合金から選択される少なくとも１種の金属材料を含有することを特徴とする。【００３５】
リチウムイオンと電子を吸蔵および放出できるＳｉ、Ｓｎ、Ａｌおよびこれらのうちいずれかを含む合金から選択される少なくとも１種の金属材料は、負極活物質として機能し、さらなる初回充放電効率の向上を図ることが可能となる。これらの金属材料について、充放電時に下記の反応が起こることが知られている。【００３６】
Ｍ＋ｚＬｉ＋＋ｚｅ−←→ＬｉｚＭ      ・・・（２’）
（Ｍ＝Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｌおよびこれらのうちいずれかを含む合金から選択される少なくとも１種）【００３７】
ここで、Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｌおよびこれらのうちいずれかを含む合金から選択される少なくとも１種の金属材料は、リチウムイオン吸蔵量が多いため、充電時にＬｉｚＭ合金が形成される際に著しい体積膨張を伴う。例えば、金属Ｓｎを負極活物質として用いた場合、充電の際に４．４個のリチウムイオンと電子を正極から吸蔵するが、このとき体積膨張はおよそ３．５２倍となる。結果的に、当該負極活物質を単独で用いると、繰り返し充放電した際に負極材料に亀裂が生じやすくなり、サイクル特性低下の原因となる。【００３８】
前記金属材料に対し、Ｐ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３を含有する酸化物材料を複合化することにより、前記金属材料がリン酸ネットワークおよび／またはホウ酸ネットワークから構成される酸化物材料で包括された状態で存在するため、充放電に伴う前記金属材料の体積変化を当該リン酸ネットワークおよび／またはホウ酸ネットワークからなる酸化物材料により緩和することができる。さらに、リン酸ネットワークおよびホウ酸ネットワークは、イオン半径が小さく正の電場を持つリチウムイオンが吸蔵されることでネットワークの収縮が起こり、結果的にモル体積を減少させる。つまり、リン酸ネットワークおよびホウ酸ネットワークは、充電に伴う前記金属材料の体積増加を緩和するだけでなく抑制する働きも有する。したがって、繰り返し充放電した場合でも、体積変化に起因する負極材料の亀裂を抑制し、サイクル特性低下を防止することができる。【００３９】
第九に、本発明の蓄電デバイス用負極材料は、さらに、導電助剤を含有することを特徴とする。【００４０】
導電助剤は、負極材料中に電子伝導網を形成し、負極材料の高容量化およびハイレート化を可能とする。【００４１】
第十に、本発明は、前記いずれかの蓄電デバイス用負極材料が集電体表面に塗布されてなることを特徴とする蓄電デバイス用負極に関する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施例８および比較例１において、放電時の電流を０．２Ｃ〜２０Ｃレートまで変化させた際の負極活物質の放電容量を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明の蓄電デバイス用負極材料は、酸化物材料を含む負極活物質と、水溶性高分子からなる結着剤とを含有することを特徴とする。
【００４４】
結着剤としては、水溶性高分子が使用される。水溶性高分子としては、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロースなどのセルロース誘導体；デンプン、カルボキシメチルデンプン、リン酸デンプン、カチオンデンプンなどのデンプン誘導体；キサンタンガム、グアーガム、アルギン酸、アラビアガム、カラギーナン、コンドロイチン硫酸ソーダ、ヒアルロン酸ソーダ、キトサン、ゼラチンなどの天然植物性高分子；ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドンおよびその共重合体、ポリエチレングリコール、ポリメチルビニルエーテル、ポリイソプロピルアクリルアミドなどの非イオン性合成高分子；ポリアクリル酸ナトリウムおよびその共重合体、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、ポリイソプレンスルホン酸ナトリウム共重合体、ナフタレンスルホン酸縮合物塩、ポリエチレンイミンザンテート塩などのアニオン性合成高分子；ジメチルジアリルアンモニウムクロライドの単独重合体およびその共重合体、ポリアミジンおよびその共重合体、ポリビニルイミダゾリン、ポリエチレンイミンなどのカチオン性合成高分子；ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート四級塩−アクリル酸共重合物、ポリアクリアミドのホフマン分解物などの両親媒性合成高分子等が挙げられる。
【００４５】
なかでも、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロースなどのセルロース誘導体またはポリビニルアルコールが好ましく、最も好ましくは、工業的に広範囲に用いられ安価であるカルボキメチルセルロースまたはポリビニルアルコールである。
【００４６】
なお、カルボキシメチルセルロースは、カルボキシメチルセルロースナトリムなどのカルボキシメチルセルロース塩も含むものとする。
上記結着剤は一種類で使用してもよいし二種類以上を混合して用いてもよい。
【００４７】
負極材料における結着剤の含有量は、２〜３０質量％、３〜２８質量％、特に４〜２５質量％であることが好ましい。結着剤の含有量が２質量％より少ないと、負極活物質と導電助剤との結着性に欠くため、繰り返し充放電した際に、負極活物質がその体積変化に伴い負極材料から剥離しやすくなり、サイクル特性が低下する傾向にある。一方、結着剤の含有量が３０質量％より多いと、負極材料中の各負極活物質（または導電助剤）の間に介在する結着剤の量が多くなることにより、電子伝導網が分断され、結果的に高容量化が達成できずハイレート特性が著しく低下する傾向がある。
【００４８】
負極活物質に含まれる酸化物材料としては、例えばＰ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３を含有するもの、特にＰ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３とＳｎＯとを含有する化合物を用いることができる。具体的には、酸化物材料としては、組成としてモル％で、ＳｎＯ  ４５〜９５％、Ｐ２Ｏ５  ５〜５５％を含有するもの（組成Ａ）、および、組成としてモル％で、ＳｎＯ  １０〜８５％、Ｂ２Ｏ３  ３〜９０％、Ｐ２Ｏ５  ０〜５５％（ただし、Ｂ２Ｏ３＋Ｐ２Ｏ５  １５％以上）を含有するもの（組成Ｂ）が挙げられる。各組成をこのように限定した理由を以下に説明する。
【００４９】
（組成Ａ）
ＳｎＯはリチウムイオンを吸蔵および放出するサイトとなる活物質成分である。ＳｎＯの含有量は４５〜９５％、５０〜９０％、５５〜８７％、６０〜８５％、６８〜８３％、特に７１〜８２％であることが好ましい。ＳｎＯの含有量が４５％より少ないと、酸化物材料の単位質量当たりの充放電容量が小さくなるため、結果的に負極活物質の充放電容量も小さくなる。一方、ＳｎＯの含有量が９５％より多いと、負極活物質中の非晶質成分が少なくなるため、充放電時のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化を緩和できずに、放電容量が急速に低下するおそれがある。なお、本発明においてＳｎＯ成分含有量は、ＳｎＯ以外の酸化スズ成分（ＳｎＯ２等）もＳｎＯに換算して合算したものを指す。
【００５０】
Ｐ２Ｏ５は網目形成酸化物であり、ＳｎＯにおけるリチウムイオンの吸蔵および放出サイトを包括し、リチウムイオンが移動可能な固体電解質としての機能を果たす。Ｐ２Ｏ５の含有量は５〜５５％、１０〜５０％、１３〜４５％、１５〜４０％、１７〜３２、特に１８〜２９％であることが好ましい。Ｐ２Ｏ５の含有量が５％より少ないと、充放電時のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴うＳｎＯの体積変化を緩和できず構造劣化を起こすため、繰り返し充放電時に放電容量が低下しやすくなる。一方、Ｐ２Ｏ５の含有量が５５％より多いと、耐水性が悪化しやすくなる。また、水系電極ペーストを作製した際に、充放電反応に寄与しない異種結晶（例えばＳｎＨＰＯ４）が多量に形成され、繰り返し充放電した際に容量が低下しやすくなる。また、Ｓｎ原子とともに安定な結晶（例えばＳｎＰ２Ｏ７）を形成しやすく、鎖状Ｐ２Ｏ５における酸素原子が有する孤立電子対によるＳｎ原子への配位結合の影響がより強い状態となる。結果として、上記式（１）でＳｎイオンを還元するために電子を多く必要とするため、初回充放電効率が低下する傾向がある。
【００５１】
酸化物材料には、上記成分に加えてさらに種々の成分を添加することができる。例えば、ＣｕＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｒ２Ｏ（ＲはＬｉ、Ｎａ、ＫまたはＣｓを示す）を合量で０〜２０％、０〜１０％、特に０．１〜７％含有することができる。これらの成分の合量が２０％より多いと、構造が無秩序になりやすく非晶質材料が得られやすくなるが、リン酸ネットワークが切断されやすくなる。結果的に、充放電に伴う負極活物質の体積変化を緩和できず、サイクル特性が低下するおそれがある。
【００５２】
なお、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５（モル比）は、０．８〜１９、１〜１８、特に１．２〜１７であることが好ましい。ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５が０．８より小さいと、ＳｎＯにおけるＳｎ原子がＰ２Ｏ５の配位の影響を受けやすくなり、初回充放電効率が低下する傾向がある。一方、ＳｎＯ／Ｐ２Ｏ５が１９より大きいと、繰り返し充放電した際に放電容量が低下しやすくなる。これは、酸化物中のＳｎＯに配位するＰ２Ｏ５が少なくなってＳｎＯを十分に包括できず、結果として、リチウムイオンの吸蔵および放出に伴うＳｎＯの体積変化を緩和できなくなり、構造劣化を引き起こすためであると考えられる。
【００５３】
（組成Ｂ）
ＳｎＯはリチウムイオンを吸蔵および放出するサイトとなる活物質成分である。ＳｎＯの含有量は１０〜８５％、３０〜８３％、４０〜８０％、特に５０〜７５％であることが好ましい。ＳｎＯの含有量が１０％より少ないと、酸化物材料の単位質量当たりの充放電容量が小さくなるため、結果的に負極活物質の充放電容量も小さくなる。一方、ＳｎＯの含有量が８５％より多いと、負極活物質中の非晶質成分が少なくなるため、充放電時のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化を緩和できずに、放電容量が急速に低下するおそれがある。
【００５４】
Ｂ２Ｏ３は網目形成酸化物であり、ＳｎＯのリチウムイオンの吸蔵および放出サイトを包括し、充放電に伴うリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化を緩和し、酸化物材料の構造を維持する役割を果たす。Ｂ２Ｏ３の含有量は３〜９０％、５〜７０％、７〜６０％、特に９〜５５％であることが好ましい。Ｂ２Ｏ３の含有量が３％より少ないと、充放電時のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴うＳｎＯの体積変化を緩和できず構造劣化を起こすため、繰り返し充放電時に放電容量が低下しやすくなる。一方、Ｂ２Ｏ３の含有量が９０％より多いと、ホウ酸ネットワーク中に存在する酸素原子が有する孤立電子対によるＳｎ原子への配位結合の影響がより強い状態になる。結果として、初回充電時にＳｎイオンを還元するために電子を多く必要とするため、初回充放電効率が低下する傾向がある。また、相対的にＳｎＯの含有量が少なくなり、酸化物材料の単位質量当たりの充放電容量が小さくなるため、結果的に負極活物質の充放電容量も小さくなる傾向がある。
【００５５】
Ｐ２Ｏ５は網目形成酸化物であり、ホウ酸ネットワークと３次元的に絡み合い複合ネットワークを形成することによりＳｎＯのリチウムイオンの吸蔵および放出サイトを包括でき、充放電に伴うリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化を緩和し酸化物材料の構造を維持する役割を果たす。Ｐ２Ｏ５の含有量は０〜５５％、５〜５０％、特に１０〜４５％であることが好ましい。Ｐ２Ｏ５の含有量が５５％より多いと、耐水性が悪化しやすくなる。また、水系電極ペーストを作製した際に、充放電反応に寄与しない異種結晶（例えばＳｎＨＰＯ４）が多量に形成され、繰り返し充放電した際に容量が低下しやすくなる。また、リン酸ネットワークおよびホウ酸ネットワーク中に存在する酸素原子が有する孤立電子対によるＳｎ原子への配位結合の影響がより強い状態になる。結果として、初回充電時にＳｎイオンを還元するために電子を多く必要とするため、初回充放電効率が低下する傾向がある。さらに、相対的にＳｎＯの含有量が少なくなり、酸化物材料の単位質量当たりの充放電容量が小さくなるため、結果的に負極活物質の充放電容量も小さくなる傾向がある。
【００５６】
なお、Ｂ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の合量は１５％以上、２０％以上、特に３０％以上であることが好ましい。Ｂ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の合量が１５％より少ないと、充放電時のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴うＳｎＯの体積変化を緩和できず構造劣化を起こすため、繰り返し充放電時に放電容量が低下しやすくなる。
【００５７】
また、酸化物材料にはガラス化を容易にするため、上記成分に加えてさらに種々の成分を添加することができる。例えば、ＣｕＯ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｒ２Ｏ（ＲはＬｉ、Ｎａ、ＫまたはＣｓを示す）を合量で０〜２０％、０〜１０％、特に０．１〜７％含有することができる。これらの成分の合量が２０％より多いと、構造が無秩序になって非晶質材料が得られやすくなるが、一方で、リン酸ネットワークまたはホウ酸ネットワークが切断されやすくなる。結果的に、充放電に伴う負極活物質の体積変化を緩和できずサイクル特性が低下するおそれがある。
【００５８】
酸化物材料の結晶化度は、充放電反応前において９５％以下、８０％以下、７０％以下、５０％以下、特に４０％以下であることが好ましく、実質的に非晶質であることが最も好ましい。ＳｎＯを高い割合で含有する酸化物材料において、結晶化度が小さい（非晶質相の割合が大きい）ほど、繰り返し充放電時の体積変化を緩和でき放電容量の低下抑制の観点から有利である。
【００５９】
結晶化度は、ＣｕＫα線を用いた粉末Ｘ線回折測定によって得られる２θ値で１０〜６０°の回折線プロファイルにおいて、結晶性回折線と非晶質ハローにピーク分離することで求められる。具体的には、回折線プロファイルからバックグラウンドを差し引いて得られた全散乱曲線から、１０〜４５°におけるブロードな回折線（非晶質ハロー）をピーク分離して求めた積分強度をＩａ、１０〜６０°において検出される各結晶性回折線をピーク分離して求めた積分強度の総和をＩｃとした場合、結晶化度Ｘｃは次式から求められる。
【００６０】
Ｘｃ＝[Ｉｃ／（Ｉｃ＋Ｉａ）]×１００（％）
【００６１】
なお、「実質的に非晶質からなる」とは、結晶化度が実質的に０％（具体的には、結晶化度が０．１％以下）であることを指し、ＣｕＫα線を用いた粉末Ｘ線回折測定において、結晶性回折線が検出されないものをいう。
【００６２】
本発明の負極活物質を用いた蓄電デバイスを充放電した後は、金属と酸化物の複合酸化物からなる相または金属と金属の合金相を含有していてもよい。
【００６３】
負極活物質に含まれる酸化物材料が粉末状である場合、その粒子径としては、平均粒子径が０．１〜１０μｍかつ最大粒子径が７５μｍ以下、平均粒子径が０．３〜９μｍかつ最大粒子径が６５μｍ以下、平均粒子径が０．５〜８μｍかつ最大粒子径が５５μｍ以下、特に平均粒子径が１〜５μｍかつ最大粒子径が４５μｍ以下であることが好ましい。負極活物質に含まれる酸化物材料の平均粒子径が１０μｍより大きいまたは最大粒子径が７５μｍより大きいと、充放電した際にリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う負極活物質の体積変化を緩和できずに負極材料が集電体から剥れやすくなる。その結果、繰り返し充放電を行うと、容量が著しく低下する傾向がある。また、後述の金属材料と複合化する場合、金属材料の粒子間を当該酸化物材料で均一に包括することが難しくなり、充放電した際にリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う金属材料の体積変化を緩和できずに負極材料が集電体から剥れやすくなる。その結果、繰り返し充放電を行うと、容量が著しく低下する傾向がある。一方、粉末の平均粒子径が０．１μｍより小さいと、ペースト化した際に粉末の分散状態に劣り、均一な電極を製造することが困難になる傾向がある。
【００６４】
ここで、平均粒子径と最大粒子径は、それぞれ一次粒子のメイジアン径でＤ５０（５０％体積累積径）とＤ１００（１００％体積累積径）を示し、レーザー回折式粒度分布測定装置（島津製作所社製  ＳＡＬＤ−２０００シリーズ）により測定された値をいう。
【００６５】
また、粉末状の酸化物材料のＢＥＴ法による比表面積は０．１〜２０ｍ２／ｇ、０．１５〜１５ｍ２／ｇ、特に０．２〜１０ｍ２／ｇであることが好ましい。酸化物材料の比表面積が０．１ｍ２／ｇより小さいと、リチウムイオンの吸蔵および放出が迅速に行えず、充放電時間が長くなる傾向がある。一方、酸化物材料の比表面積が２０ｍ２／ｇより大きいと、結着剤と水とを含む電極形成用のペーストを製造する際、当該粉末の分散状態に劣るため、結着剤と水の添加量を多くする必要性が生じたり、塗布性に欠けることで均一な電極形成が困難となる傾向がある。
【００６６】
さらに、粉末状の酸化物材料のタップ密度は０．５〜２．５ｇ／ｃｍ３、特に１〜２ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。酸化物材料のタップ密度が０．５ｇ／ｃｍ３より小さいと、電極単位体積当たりの負極材料の充填量が少なくなるために電極密度に劣り、高容量化が達成しにくくなる。一方、酸化物材料のタップ密度が２．５ｇ／ｃｍ３より大きいと、負極材料の充填状態が高すぎて電解液が浸透しにくくなり、十分な容量が得られないおそれがある。
【００６７】
なお、ここでいうタップ密度は、タッピングストローク：１８ｍｍ、タッピング回数：１８０回、タッピング速度：１回／１秒の条件で測定した値をいう。
【００６８】
所定サイズの粉末を得るためには、一般的な粉砕機や分級機が用いられる。例えば、乳鉢、ボールミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、篩、遠心分離、空気分級などが用いられる。
【００６９】
酸化物材料は、例えば原料粉末を加熱溶融してガラス化することにより製造される。ここで、特にＳｎを含む原料粉末の溶融は還元雰囲気または不活性雰囲気中で行うことが好ましい。
【００７０】
Ｓｎを含む酸化物材料は、溶融条件によってＳｎ原子の酸化状態が変化しやすく、大気中で溶融した場合、望まないＳｎＯ２やＳｎＰ２Ｏ７等の結晶がガラス融液表面やガラス融液中に形成されやすい。その結果、負極材料の初回充放電効率およびサイクル特性が低下しやすくなる。そこで、還元雰囲気または不活性雰囲気中で溶融を行うことで、酸化物材料中のＳｎイオンの価数の増加を抑制し、望まない結晶の形成を抑制でき、初回充放電効率およびサイクル特性に優れた蓄電デバイスを得ることが可能となる。
【００７１】
還元雰囲気で溶融するには、溶融槽中へ還元性ガスを供給することが好ましい。還元性ガスとしては、体積％で、Ｎ２  ９０〜９９．５％、Ｈ２  ０．５〜１０％、特にＮ２  ９２〜９９％、Ｈ２  １〜８％の混合気体を用いることが好ましい。
【００７２】
不活性雰囲気で溶融する場合は、溶融槽中へ不活性ガスを供給することが好ましい。不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウムのいずれかを用いることが好ましい。
【００７３】
還元性ガスまたは不活性ガスは、溶融槽において溶融ガラスの上部雰囲気に供給してもよいし、バブリングノズルから溶融ガラス中に直接供給してもよく、両手法を同時に行ってもよい。
【００７４】
また、上記の酸化物材料の製造方法において、出発原料粉末に複合酸化物を使用することにより、失透異物が少なく均質性に優れた負極活物質が得られやすくなる。当該酸化物材料を含む負極活物質を用いれば、放電容量が安定した蓄電デバイスが得られやすくなる。このような複合酸化物としては、ピロリン酸第一錫（Ｓｎ２Ｐ２Ｏ７）等が挙げられる。
【００７５】
さらに、原料粉末に金属粉末または炭素粉末が含まれていることが好ましい。これにより、酸化物材料中のＳｎ原子を還元状態にシフトすることができる。結果として、酸化物材料中のＳｎの価数が小さくなり、蓄電デバイスの初回充電効率を向上させることが可能となる。
【００７６】
金属粉末としては、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉのいずれかの粉末を用いることが好ましい。なかでも、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｉの粉末を用いることが好ましい。
【００７７】
金属粉末の含有量としては、酸化物材料中において酸化物換算のモル％で、０〜２０％、特に０．１〜１０％であることが好ましい。金属粉末の含有量が２０％より多いと、酸化物材料から余剰分の金属塊が析出したり、酸化物材料中のＳｎＯが還元されて、塊状態のＳｎ粒子として析出するおそれがある。
【００７８】
なお、炭素粉末は、原料粉末中に０〜２０質量％、特に０．０５〜１０質量％添加することが好ましい。
【００７９】
負極活物質には、酸化物材料以外に、Ｓｉ、Ｓｎ、Ａｌおよびこれらのうちいずれかを含む合金（例えば、Ｓｎ−Ｃｕ合金等）から選択される少なくとも１種の金属材料をさらに含有していてもよい。なかでもリチウムイオン吸蔵量が多く高容量であるＳｉ、Ｓｎ、Ａｌまたはこれらのうちいずれかを含む合金であることが好ましく、理論容量が最も高いＳｉであることが特に好ましい。
【００８０】
金属材料が粉末状である場合、その平均粒子径としては、０．０１〜３０μｍ、０．０５〜２０μｍ、０．１〜１０μｍ、特に０．１５〜５μｍであることが好ましい。金属材料の平均粒子径が３０μｍより大きいと、充放電した際のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化により負極材料が集電体から剥れやすくなる。その結果、繰り返し充放電を行うと容量が著しく低下する傾向がある。一方、金属材料の平均粒子径が０．０１μｍより小さいと、少なくともＰ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３を含有する酸化物と均一に混合することが難しく均一な電極を製造することが困難になる傾向がある。さらに比表面積が増大するため、結着剤と溶剤などを含む電極形成用のペーストを製造する際に、当該粉末の分散状態が劣るため結着剤と溶剤の添加量を増大させる必要性が生じたり、塗布性に欠けることで均一な電極形成が困難となる傾向がある。
【００８１】
金属材料の最大粒子径としては、２００μｍ以下、１５０μｍ以下、１００μｍ以下、５０μｍ以下、３０μｍ以下、特に２５μｍ以下であることが好ましい。金属材料の最大粒子径が２００μｍより大きいと、充放電した際のリチウムイオンの吸蔵および放出に伴う体積変化が著しく大きいために、負極材料が集電体から剥れやすくなる。また、繰り返しの充放電に伴い金属材料の粒子に亀裂が生じやすく、結果として粒子の微粉化が進行することで、電極材料中の電子伝導網が分断されやすくなる。その結果、繰り返し充放電を行うと容量が著しく低下する傾向がある。
【００８２】
負極活物質中における金属材料の含有量は、５〜９０％、１０〜７０％、１０〜５０％、特に２０〜４０％であることが好ましい。金属材料の含有量が５％より少ないと、初回充放電効率が低くなる傾向にある。一方、金属材料の含有量が９０％より多いと、充放電に伴う体積変化が大きく、繰り返し充放電した際に容量が低下しやすくなる。
【００８３】
酸化物材料と金属材料の複合化方法は特に限定されるものではないが、扱いが容易である点で、粉末状の酸化物材料と金属材料を含む混合粉末とすることが好ましい。また、当該混合粉末を酸化物材料の軟化点以上に加熱することで酸化物材料中に金属材料を分散させたものであってもよい。その他、粉末状の金属材料表面を酸化物材料で被覆したものであってもよい。
【００８４】
粉末状の金属材料と酸化物材料を含む混合粉末は、一般的な手法を用いて製造することができる。例えば、ボールミル、タンブラーミキサー、振動ミル、遊星ボールミルなどを用いた乾式混合あるいは水やアルコールなどの助剤を添加した湿式混合や、自転公転ミキサー、プロペラ式撹拌機、ビーズミル、ジェットミルなどを用いた湿式混合が適用可能である。
【００８５】
負極材料は、導電助剤を含有することが好ましい。導電助剤は、負極材料の高容量化やハイレート化を達成するために添加される成分である。導電助剤の具体例としては、アセチレンブラックやケッチェンブラック等の高導電性カーボンブラックやＮｉ粉末、Ｃｕ粉末、Ａｇ粉末等の金属粉末などが挙げられる。なかでも、極少量の添加で優れた導電性を発揮する高導電性カーボンブラック、Ｎｉ粉末、Ｃｕ粉末のいずれかを用いることが好ましい。
【００８６】
負極材料における導電助剤の含有量は、３〜２０質量％、４〜１５質量％、特に５〜１３質量％であることが好ましい。導電助剤の含有量が３質量％より少ないと、負極活物質を包括するだけの電子伝導網が形成できず、容量が低下し、ハイレート特性も著しく低下する。一方、導電助剤の含有量が２０質量％より多いと、負極材料の嵩密度が低下し、結果的に、負極材料の単位体積当たりの充放電容量が低下する傾向がある。また、負極材料の強度も低下しやすくなる。
【００８７】
負極材料は、例えば負極活物質および結着剤、さらに必要に応じて導電助剤を含む材料を水に分散させ、均一混合されたペースト状態でもあってもよい。
【００８８】
蓄電デバイス用負極材料を、集電体としての役割を果たす金属箔等の表面に塗布することで蓄電デバイス用負極として用いることができる。
【００８９】
蓄電デバイス用負極における負極材料の厚みは、目的とする容量に応じて適宜調整すればよく、例えば１〜２５０μｍ、２〜２００μｍ、特に３〜１５０μｍであることが好ましい。負極材料の厚みが１μｍより小さいと、結着剤により負極活物質を包括できない箇所が部分的に生じ、結果的にサイクル特性が低下する傾向にある。一方、負極材料の厚みが２５０μｍより大きいと、負極を折り曲げた状態で電池として用いる場合、負極材料の表面に引張り応力が生じやすくなる。そのため、繰り返し充放電した際に負極活物質の体積変化により亀裂が生じやすくなり、サイクル特性が著しく低下する傾向にある。
【００９０】
負極材料を集電体表面に塗布した後の乾燥方法は特に限定されるものではないが、減圧下または不活性雰囲気下もしくは還元雰囲気下にて１００〜４００℃、１２０〜３８０℃、特に１４０〜３６０℃で熱処理することが好ましい。熱処理温度が１００℃より低いと、負極材料に吸着した水分の除去が不十分となるため、蓄電デバイス内部で水分が分解し、酸素の放出によって破裂したり、リチウムと水との反応による発熱が原因で発火したりするため、安全性を欠く。一方、熱処理温度が４００℃より高いと、結着剤が分解されやすくなる。結果として、結着性が低下したり、結着剤により負極活物質が包括されない箇所が部分的に生じたりして、サイクル特性が低下しやすくなる。
【００９１】
以上、主にリチウムイオン二次電池用負極材料について説明してきたが、本発明の蓄電デバイス用負極材料およびそれを用いた蓄電デバイス用負極はこれに限定されるものではなく、他の非水系の二次電池や、さらには、リチウムイオン二次電池用の負極材料と非水系電気二重層キャパシタ用の正極材料とを組み合わせたハイブリッドキャパシタ等にも適用できる。
【００９２】
ハイブリッドキャパシタであるリチウムイオンキャパシタは、正極と負極の充放電原理が異なる非対称キャパシタの１種である。リチウムイオンキャパシタは、リチウムイオン二次電池用の負極と電気二重層キャパシタ用の正極を組み合わせた構造を有している。ここで、正極は表面に電気二重層を形成し、物理的な作用（静電気作用）を利用して充放電するのに対し、負極は既述のリチウムイオン二次電池と同様にリチウムイオンの化学反応（吸蔵および放出）により充放電する。
【００９３】
リチウムイオンキャパシタの正極には、活性炭、ポリアセン、メソフェーズカーボンなどの高比表面積の炭素質粉末などからなる正極材料が用いられる。一方、負極には、本発明の負極材料に対しリチウムイオンと電子を吸蔵したものを用いることができる。
【００９４】
負極材料にリチウムイオンと電子を吸蔵する手段は特に限定されない。例えば、リチウムイオンと電子の供給源である金属リチウム極をキャパシタセル内に配置し、本発明の負極材料を含む負極と直接あるいは導電体を通じて接触させてもよいし、別のセルで本発明の負極材料に予めリチウムイオンと電子を吸蔵させたうえで、キャパシタセルに組み込んでもよい。
【実施例】
【００９５】
以下、本発明の蓄電デバイス用負極材料の一例として、非水二次電池用負極材料を、実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。【００９６】
（１）非水二次電池用負極活物質の作製
実施例１〜１３、１５、１６および比較例１、２の酸化物材料について、表１〜４に示す組成となるように、主原料としてスズとリンの複合酸化物（ピロリン酸第一錫：Ｓｎ２Ｐ２Ｏ７）を用い、各種酸化物、炭酸塩原料などで原料を調製した。原料を石英ルツボに投入し、電気炉を用いて窒素雰囲気にて９５０℃、４０分間の溶融を行い、ガラス化した。また、実施例１４の酸化物材料について、表２に示す組成となるように、各種酸化物、炭酸塩原料などで原料を調整し、白金ルツボに投入し電気炉を用いて大気雰囲気中で１４００℃、４０分間の溶融を行い、ガラス化した。【００９７】
次いで、溶融ガラスを一対の回転ローラー間に流し出し、急冷しながら成形し、厚み０．１〜２ｍｍのフィルム状のガラスを得た。このフィルム状ガラスをφ２〜３ｃｍのジルコニアボールを入れたボールミルを用いて１００ｒｐｍで３時間粉砕した後、目開き１２０μｍの樹脂製篩に通過させ、平均粒子径３〜１５μｍガラス粗粉末を得た。次いで、この粗粉末ガラスを空気分級することで平均粒子径２μｍかつ最大粒子径２８μｍのガラス粉末（酸化物材料粉末）を得た。【００９８】
比較例７に記載の酸化物材料は酸化第一錫の原料をそのまま用いた。なお、酸化第一錫としては、平均粒子径２．５μｍ、最大粒子径２８μｍのものを用いた。【００９９】
各酸化物材料粉末について粉末Ｘ線回折測定することにより構造を同定した。実施例１〜１６および比較例１〜２の酸化物材料は非晶質であり、結晶は検出されなかった。【０１００】
実施例１２〜１４および比較例２〜６については、得られた酸化物材料に対し、表２および４に記載の金属材料粉末を同表に示す割合で容器に投入し、ボールミルを用いて混合することで負極活物質を得た。なお、Ｓｉ粉末としては、平均粒子径２．１μｍ、最大粒子径８．９μｍのものを用いた。【０１０１】
（２）非水二次電池用負極の作製
上記で得られた負極活物質と導電助剤と結着剤を表１〜４に示す負極材料組成になるように秤量し、溶媒に分散した後、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化した。ここで、結着剤としては、実施例１〜１４および比較例３〜７ではカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）（ダイセルファインケム社製）、実施例１５および１６ではＣＭＣとポリビニルアルコール(ＰＶＡ)（クラレ社製）を混合したものを使用し、比較例１、２ではポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（キシダ化学社製）を使用した。また、導電助剤としてはケッチェンブラック（ＫＢ）（ライオン社製）を用いた。なお、ＣＭＣは純水に分散させたものを用い、ＰＶＤＦはＮ−メチルピロリジノン溶媒に分散させたものを用いた【０１０２】
次に、隙間１００μｍのドクターブレードを用いて、得られたスラリーを負極集電体である厚さ２０μｍの銅箔上にコートし、７０℃の乾燥機で乾燥後、一対の回転ローラー間に通してプレスすることにより電極シートを得た。電極シートを電極打ち抜き機で直径１１ｍｍに打ち抜き、減圧下で乾燥させて円形の作用極（非水二次電池用負極）を得た。なお、電極シートの乾燥は、実施例１〜１６および比較例３〜７については温度１６０℃にて３時間、比較例１、２については温度１４０℃にて４時間行った。【０１０３】
（３）試験電池の作製
コインセルの下蓋に、上記作用極を銅箔面を下に向けて載置し、その上に７０℃で８時間減圧乾燥した直径１６ｍｍのポリプロピレン多孔質膜（ヘキストセラニーズ社製  セルガード＃２４００）からなるセパレータ、および対極である金属リチウムを積層し、試験電池を作製した。電解液としては、１Ｍ  ＬｉＰＦ６溶液／ＥＣ：ＤＥＣ＝１：１（ＥＣ＝エチレンカーボネート、ＤＥＣ＝ジエチルカーボネート）を用いた。なお試験電池の組み立ては露点温度−５０℃以下の環境で行った。【０１０４】
（４）充放電試験
充電（負極活物質へのＬｉイオンの吸蔵）は、０．２ｍＡで１Ｖから０ＶまでＣＣ（定電流）充電を行った。次に、放電（負極活物質からのＬｉイオンの放出）は、０．２ｍＡの定電流で０Ｖから１Ｖまで放電させた。この充放電サイクルを繰り返し行い、負極活物質の単位質量あたりの充電容量および放電容量を測定した。【０１０５】
表１〜４に実施例および比較例の負極活物質を用いた電池について、充放電試験を行った際の初回の充放電特性と、繰り返し充放電した際のサイクル特性の結果を放電容量維持率（初回放電容量に対する１００サイクル後の放電容量の比率）として示した。
（５）ハイレート試験
実施例８および比較例１の非水二次電池用負極を用いた試験電池に関し、ハイレート試験を行なった。試験条件は充電を０．２Ｃの定電流で１Ｖから０Ｖまで行い、放電はそれぞれ０．２Ｃ、０．５Ｃ、１Ｃ、２Ｃ、５Ｃ、１０Ｃ、２０Ｃの各レートになるよう電流値を設定し、定電流で０Ｖから１Ｖまで放電させた。結果を図１に示した。【０１０６】
【表１】
2012063745.tif 000003
【０１０７】
【表２】
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【０１０８】
【表３】
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【０１０９】
【表４】
2012063745.tif 000006
【０１１０】
実施例１〜１６では、初回放電容量は４６３ｍＡｈ／ｇ以上、初回充放電効率は４７．９％以上であり、放電容量維持率は７２．９％以上と良好であった。特に、酸化物材料と金属材料からなる負極活物質を用いた実施例１２〜１４では、初回放電容量は１９７０ｍＡｈ／ｇ以上、初回充放電効率は６７．９％以上であり、放電容量維持率も７５．１％以上と非常に良好な特性を示した。一方、結着剤としてＰＶＤＦを使用した比較例１、２、負極活物質としてＰ２Ｏ５および／またはＢ２Ｏ３を含有する酸化物材料を使用しなかった比較例３〜７では、初回放電容量は４５２ｍＡｈ／ｇ以上、初回充放電効率は４４．５％以上であったが、１００サイクル後の放電容量維持率は２３．２％以下と著しく低下した。【０１１１】
また、図１から明らかなように、結着剤にＣＭＣを用いた実施例８では、２０Ｃレートの放電容量が２５３ｍＡｈ／ｇであるのに対し、結着剤にＰＶＤＦを用いた比較例１では０ｍＡｈ／ｇと著しく低下した。
【図１】
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【国際調査報告】
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2012063745.tif 000009
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