(57)【要約】（要約）（課題）耐水性を有する硫化物系負極で、高い放電容量を維持しつつ、優れたサイクル特性、高い出力性能を発揮でき、且つ低温で充電を行ってもリチウムデンドライトの析出がないリチウム二次電池用負極材料を提供すること。（解決手段）硫黄と、下記（ｉ）及び（ｉｉ）の成分を含む硫化物ガラスからなり、（ｉ）Ｓｂ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｚｒからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、（ｉｉ）Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｓｒ、Ｐ、Ｂａからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、  上記各成分の割合が、硫黄：４０〜８０モル％、（ｉ）：１〜５０モル％、（ｉｉ）：１〜５０モル％である、リチウム二次電池用負極材料とする。（選択図）図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫黄と、下記（ｉ）及び（ｉｉ）の成分を含む硫化物ガラスからなり、
（ｉ）Ｓｂ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｚｒからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、
（ｉｉ）Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｓｒ、Ｐ、Ｂａからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、
上記各成分の割合が、硫黄：４０〜８０モル％、（ｉ）：１〜５０モル％、（ｉｉ）：１〜５０モル％である、リチウム二次電池用負極材料。
【請求項２】
上記（ｉ）の成分が、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｚｎからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素からなり、
上記（ｉｉ）の成分が、Ｓｎからなる、
請求項１記載のリチウム二次電池用負極材料。
【請求項３】
上記（ｉ）の成分が、Ｇｅからなり、
上記（ｉｉ）の成分が、Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｐ、Ｂａからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素からなる、
請求項１記載のリチウム二次電池用負極材料。
【請求項４】
上記硫化物ガラスが、Ｇｅを０．５〜４０モル％含む請求項１〜３いずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。
【請求項５】
（１）Ａ成分が、リチウムを電気化学的に吸蔵及び放出することができる材料、
（２）Ｂ成分が、請求項１〜４いずれかに記載の硫化物ガラス、
からなるＡ成分とＢ成分の複合粉末であるリチウム二次電池用負極材料。
【請求項６】
上記複合粉末が、Ａ成分表面にＢ成分が被覆された複合粉末である請求項５に記載のリチウム二次電池用負極材料。
【請求項７】
上記複合粉末全体におけるＡ成分とＢ成分の割合が、両者の合計量を１００ｍａｓｓ％とした場合に、Ａ成分が５〜８０ｍａｓｓ％であり、Ｂ成分が９５〜２０ｍａｓｓ％である請求項５又は６に記載のリチウム二次電池用負極材料。
【請求項８】
請求項１〜７いずれかに記載の負極材料を用いたリチウム二次電池用の負極。
【請求項９】
水系バインダーを含有する請求項８に記載のリチウム二次電池用の負極。
【請求項１０】
ポリイミドバインダーを含有する請求項８に記載のリチウム二次電池用の負極。
【請求項１１】
請求項８〜１０いずれかに記載の負極を用いたリチウム二次電池。
【請求項１２】
請求項５記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法であって、
（Ａ）Ｂ成分の原料を調合し、熱処理（温度４００〜１１００℃、処理時間１〜３０時間）により調合物をガラス化させＢ成分を得る工程、
（Ｂ）Ａ成分とＢ成分を複合化させる工程、
を備えるリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
【請求項１３】
上記工程（Ｂ）が、メカニカルミリングによりＡ成分とＢ成分を複合化させる工程である請求項１２記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
【請求項１４】
上記工程（Ｂ）が、溶融したＢ成分に、Ａ成分を分散させ、冷却後、粉砕処理を行う工程である請求項１２記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
【請求項１５】
上記（Ａ）及び／又は（Ｂ）の工程で、導電助剤及び／又はバインダーを入れ、複合粉末に導電助剤及び／又はバインダーを含有させる請求項１２記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム二次電池用負極材料及びその製造方法、並びにリチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池等のリチウム二次電池は、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等と比較して高電圧、高容量を有し、しかも軽量である。そのため、近年では、移動体通信機器、携帯用電子機器、電動自転車、電動二輪車、電気自動車等の主電源としての利用が拡大している。
このリチウム二次電池の負極活物質（負極材料）には、現在黒鉛質負極材料が一般的に使用されている。しかし、黒鉛質負極材料を用いたリチウム二次電池の理論容量は、最大でも３７２ｍＡｈ／ｇに過ぎないため、より一層の高容量化が望まれている。また、黒鉛は低い温度雰囲気で充電を行うとリチウムデンドライトが析出する問題があった。【０００３】
一方、リチウム金属（Ｌｉ）をリチウム二次電池の負極材料とすれば、高い理論容量が得られる（例えば、特許文献１参照）。しかし、常温であっても、充電時に負極にデンドライトが析出し、充放電を繰り返すことによって正極側に達して、内部短絡の現象が起こるという大きな欠点がある。その上、析出したデンドライトは、比表面積が大きいために反応活性度が高く、その表面で電子伝導性のない溶媒の分解生成物からなる界面被膜が形成され、これにより電池の内部抵抗が高くなって充放電効率の低下を生じる。このような理由により、リチウム金属（以後「Ｌｉ」と記載することもある）を用いるリチウム二次電池は、信頼性が低く、サイクル寿命が短いという欠点があり、広く実用化される段階には達していない。【０００４】
このような背景から、Ｌｉ以外の材料からなり、内部短絡が起こらないような負極材料が望まれている。例えば、スズ、珪素等の元素や、これらの窒化物、酸化物等は、Ｌｉと合金を形成することによってＬｉを吸蔵することができる。さらに、そのＬｉ吸蔵量は炭素よりはるかに大きい値を示すことが知られている。このことから、これらの物質を含む各種の合金負極が提案されている。
しかし、スズや珪素等の元素は、充電・放電時に起こるリチウム吸蔵・放出により、約４倍にまで体積変化を生じるため、電極そのものが瓦解することがある。【０００５】
この問題を解決する方策として、銅集電体表面にめっき法によりＳｎ薄膜を形成した電極が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この方法により、サイクル特性は改善されるが、単位面積当たりの容量を１．５ｍＡｈ／ｃｍ２以上得るように、Ｓｎ層を厚膜化した場合、初期の容量は向上するが、サイクル劣化が大きくなる、入出力特性が低くなるという課題がある。【０００６】
他方、リチウムと化合物を形成しやすい第一物質及びリチウムと化合物を形成しにくい第二物質を含む複合粉末からなる負極材を用いた電極が提案されている（例えば、特許文献３参照）。より具体的には、この電極では、第一物質として、１）スズ、珪素、アルミニウム及び銀並びに２）これらの一種又は二種以上を含む化合物、から選択される少なくとも一種を使用し、第二物質として、１）銅、ニッケル及びコバルト並びに、２）これらの一種又は二種以上を含む化合物の少なくとも一種を使用する。この方法によりサイクル特性はかなり改善されるが、５０サイクル後から、徐々に容量が低下し、１００サイクル後の容量は２００ｍＡｈ／ｇに満たない。【０００７】
現在市販されているリチウムイオン電池は、電解液として可燃性の有機溶媒を用いるので、液漏れの他、短絡や過充電などを想定した安全対策が欠かせない。そこで、安全性向上のために、電解質としてイオン伝導性ポリマーやセラミックス等の固体電解質を用いた全固体型リチウムイオン電池の開発が進められている。リチウムイオン伝導性固体電解質として利用可能なセラミックスとしては、高いリチウムイオン伝導性を有することから、特に、硫化物系の物質に注目が集まっており、数多くの開発が進められている。
例えば、硫化リチウム系の固体電解質として、Ｌｉ−Ｐ−Ｓ系の固体電解質が検討されている（非特許文献１参照）。このような硫化リチウム系の固体電解質は非晶質化が進むとともに導電率は大きく増大し、１０−４Ｓ／ｃｍオーダー以上の高い導電率が得られることが知られている。そのため、遊星型ボールミル等を用いたメカニカルミリング処理により、これらの系の非晶質化を行っていた。
しかし、これまでの硫化リチウム系の固体電解質は、空気中の水分と容易に反応し、水酸化物や酸化物を生成し、これらはイオン伝導性が非常に小さいため、当該固体電解質のイオン伝導性を大きく低下させる原因となっていた。特に、多くの硫化物は、水分と反応することで、有毒な硫化水素ガスを発生するため、取り扱いが非常に難しかった。
従来の液式のリチウムイオン電池は、電解質が液体であっため、活物質層内に電解液が浸み込みやすくイオン伝導性を確保するのにあまり問題はなかったが、固体電解質を使用する際は、予め固体電解質を負極活物質層内に含有する必要性があった。
上述したように、硫化物系の固体電解質は水分と容易に反応するため、ＳＢＲ、ＣＭＣ、ＰＴＦＥ等の水系バインダーを用いることができないのはおろか、各々の製造工程もドライ雰囲気下で製造する必要性があり、コスト高となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−３０２７４１号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７８３３号公報
【特許文献３】特開２００２−１２４２５４号公報
【非特許文献１】A.Hayashi et al.,Electrochem.Comm.5(2003)111、H.Morimoto et al.,J.Am.Ceram.Soc.82[5]（1999）1352
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、耐水性を有する硫化物系負極で、高い放電容量を維持しつつ、優れたサイクル特性、高い出力性能を発揮でき、且つ低温で充電を行ってもリチウムデンドライトの析出がないリチウム二次電池用負極材料及びその製造方法、並びにリチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のリチウム二次電池用負極材料は、
硫黄と、下記（ｉ）及び（ｉｉ）の成分を含む硫化物ガラスからなり、
（ｉ）Ｓｂ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｚｒからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、
（ｉｉ）Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｓｒ、Ｐ、Ｂａからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、
上記各成分の割合が、硫黄：４０〜８０モル％、（ｉ）：１〜５０モル％、（ｉｉ）：１〜５０モル％である。【００１１】
本発明のリチウム二次電池用負極材料によれば、硫化物ガラスが、高容量であって良好なサイクル寿命が得られ、且つ、耐水性の性質を有する硫黄系の負極活物質として機能することができる。
既にガラス化している硫化物ガラスを使用するため、メカニカルミリング等で非晶質化する工程を省略することができる。また、耐水性及び耐酸性を有しているので、水或いは酸素と容易に反応することがなく、イオン伝導性の低下が生じることがなく、取り扱いも容易である。更に、水系バインダーを用いることができるとともに、各々の製造工程をドライ雰囲気下とする必要がなく、製造コストを削減することができる。【００１２】
上記硫化物ガラスは、Ｇｅを０．５〜４０モル％含むことが好ましい。
Ｇｅはガラスの骨格構造を形成する役割があるため、ガラス化された負極材料を確実に得ることができる。【００１３】
本発明のリチウム二次電池用負極材料は、下記Ａ成分とＢ成分の複合粉末であるとしてもよい。
（１）Ａ成分が、リチウムを電気化学的に吸蔵することができる材料、
（２）Ｂ成分が、上記硫化物ガラス、
ここで、「複合」は「混合」とは異なる概念であり、混合粉末がＡ成分の粉末とＢ成分の粉末の単なる集合であるのに対し、複合粉末は当該粉末を構成する１つの粒子中にＡ成分とＢ成分の両方が含有されている。【００１４】
上記複合粉末は、Ａ成分表面にＢ成分が被覆された複合粉末であることが好ましい。
Ａ成分を核としてその周囲（表面）にＢ成分が存在することで、リチウムの吸蔵・放出（充電・放電）に伴うＡ成分のイオン伝導性を向上させることができる。また、膨張・収縮に起因する割れを抑制することができる。これにより、Ａ成分のみではイオン伝導性やサイクル寿命が乏しい活物質でもイオン伝導性とサイクル特性を向上させることができるので、導電性が乏しい或いは高容量な（体積膨張の大きな）活物質でもサイクル寿命特性が良好なものとなる。【００１５】
上記複合粉末全体におけるＡ成分とＢ成分の割合は、両者の合計量を１００ｍａｓｓ％とした場合に、Ａ成分が５〜８０ｍａｓｓ％であり、Ｂ成分が９５〜２０ｍａｓｓ％であることが好ましい。
このような割合においてＡ成分とＢ成分の割合を調整することにより、サイクル寿命特性に非常に優れた長寿命タイプの負極や、活物質重量当たりの容量が非常に高い高容量タイプの負極を得ることができる。
尚、上記複合粉末中には、Ａ成分とＢ成分が主成分相として存在していればよく、ごく微量の不純物が存在してもよい。ごく微量の不純物が存在してもサイクル劣化には悪影響を及ぼさない。【００１６】
本発明のリチウム二次電池用負極は、上記リチウム二次電池用負極材料を用いたリチウム二次電池用負極である。
そのため、長寿命で高い充放電容量を有し、しかも取り扱いが容易であるリチウム二次電池用負極となる。【００１７】
本発明のリチウム二次電池用負極は、負極材料が耐水性を有する硫化物ガラスからなるため、水系バインダーを使用することができる。
本発明のリチウム二次電池用負極は、ポリイミドバインダーを含有することが好ましい。
ポリイミドバインダーを使用することにより、充放電に伴う体積膨張が大きい場合でも、バインダーによる結着を維持することができる。【００１８】
本発明のリチウム二次電池は、上記リチウム二次電池用負極を用いたリチウム二次電池である。
そのため、高容量であるとともに、サイクル寿命特性が良好であり、且つ耐水性に優れたリチウム二次電池となる。【００１９】
本発明のリチウム二次電池用負極材料の製造方法は、
（Ａ）上記Ｂ成分の原料を調合し、熱処理（温度４００〜１１００℃、処理時間１〜３０時間）により調合物をガラス化させＢ成分を得る工程、
（Ｂ）上記Ａ成分と上記Ｂ成分を複合化させる工程、
を備えている。
この方法によれば、（Ａ）工程により充分にガラス化されたＢ成分を得ることができ、（Ｂ）工程により充分にガラス化されたＢ成分とＡ成分とを複合化するため、長寿命で高い充放電容量を有し、しかも取り扱いが容易であるリチウム二次電池用負極を得ることができる。【００２０】
上記工程（Ｂ）は、メカニカルミリングによりＡ成分とＢ成分を複合化させる工程であることが好ましい。
Ｂ成分は、Ａ成分と比べて機械的強度が低いため、Ａ成分よりもＢ成分が粉砕されやすい。そのため、メカニカルミリングにより微粒子となったＢ成分粉末がＡ成分粉末の表面にボール等により圧着して、Ａ成分にＢ成分を被覆することが可能である。【００２１】
上記工程（Ｂ）は、溶融したＢ成分に、Ａ成分を分散させ、冷却後、粉砕処理を行う工程であってもよい。
Ｂ成分がＡ成分よりも少ない場合には、Ａ成分にＢ成分が被覆されにくいが、溶融したＢ成分にＡ成分を分散させ、冷却後粉砕する方法を採用することにより、Ａ成分にＢ成分を確実に被覆することが可能となる。【００２２】
上記（Ａ）及び／又は（Ｂ）の工程で、導電助剤及び／又はバインダーを入れ、複合粉末に導電助剤及び／又はバインダーを含有させることが好ましい。
複合粉末に導電助剤を含有させることにより、得られるリチウム二次電池用負極材料の導電性を向上させることができ、電池のサイクル寿命特性、高率放電特性を大幅に向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、耐水性を有し、取り扱いが容易であり、高い放電容量を維持しつつ、優れたサイクル特性、高い出力性能を発揮でき、且つ低温で充電を行ってもリチウムデンドライトの析出がないリチウム二次電池用負極材料及びその製造方法、並びにリチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施例１のＣＶ測定結果を示した図である。
【図２】実施例７のＣＶ測定結果を示した図である。
【図３】実施例１〜４のサイクル寿命を示した図である。
【図４】実施例１の充放電曲線図である。
【図５】実施例７のサイクル寿命特性を示した図である。
【図６】実施例７の充放電曲線図である。
【図７】実施例７の充放電過程のイメージ図である。
【図８】実施例７の高率充放電曲線図である。
【図９】実施例７の高率充放電時のサイクル寿命特性を示した図である。
【図１０】黒鉛、ハードカーボン、実施例１、実施例７の放電密度の関係を示した図である。
【図１１】黒鉛、ハードカーボン、実施例１、実施例７の高率放電特性を比較した図である。
【図１２】低温充電後の実施例１と黒鉛のＸＲＤ試験結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明のリチウム二次電池用負極材料及びその製造方法、並びにリチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池の実施形態について説明する。
【００２６】
本発明のリチウム二次電池（リチウムイオン二次電池）用負極材料は、
硫黄と、下記（ｉ）及び（ｉｉ）の成分を含む硫化物ガラスからなり、
（ｉ）Ｓｂ、Ａｓ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｚｒからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、
（ｉｉ）Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｓｒ、Ｐ、Ｂａからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、
上記各成分の割合が、硫黄：４０〜８０モル％、（ｉ）：１〜５０モル％、（ｉｉ）：１〜５０モル％である。
【００２７】
上記硫化物ガラスは、耐水性を有しており、初期の充電（リチウムイオン吸蔵）の過程で少なくとも硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）となり、その後の充放電過程で反応しない。即ち、リチウム還元され、少なくとも固体電解質層に分解する。
例えば、ＳｉＯの場合、初期の充電の過程で、固体電解質であるオルトケイ酸リチウム（Ｌｉ４ＳｉＯ４）を形成する。しかし、オルトケイ酸リチウムは、イオン伝導性が乏しいため、高出力の放電が難しい。
これに対して、上記硫化物ガラスは、初期の充電過程で、硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）系の固体電解質に分解する。硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）系の固体電解質層は、リチウムイオンの吸蔵・放出の過程で、リチウムイオンを移動させることができる固体である。
そのため、本発明のリチウム二次電池用負極材料は、初期の充電過程で、イオン伝導性の良好な硫化リチウム（Ｌｉ２Ｓ）系の固体電解質に分解することで、高出力の放電が可能となる。
【００２８】
本発明のリチウム二次電池用負極材料は、
上記（ｉ）の成分が、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｚｎからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素からなり、
上記（ｉｉ）の成分が、Ｓｎからなる、
ものとしてもよい。
【００２９】
本発明のリチウム二次電池用負極材料は、
上記（ｉ）の成分が、Ｇｅからなり、
上記（ｉｉ）の成分が、Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｐ、Ｂａからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素からなる、
ものとしてもよい。
【００３０】
即ち、本発明においては、上記（ｉ）の成分のうちのＧｅと、上記（ｉｉ）の成分のうちのＳｎ、の少なくともいずれか一方の元素を必須とすることが好ましい。これにより、優れた電池特性を得ることができる。
【００３１】
本発明のリチウム二次電池用負極材料を構成する硫化物ガラスの各成分のうち、硫黄は、初期の充電で硫化リチウムを形成するために必須の元素であり、（ｉ）はガラスの骨格構造を形成する役割があり、（ｉｉ）はガラスを形成しやすくする役割とリチウムを吸蔵・放出する役割がある。
【００３２】
硫黄を４０〜８０モル％とするのは、４０モル％未満であると硫化リチウム系の固体電解質の形成量が少なくなり、イオン伝導性が乏しくなることや、充放電に伴う（ｉｉ）の体積膨張を吸収するバッファー層の量が少なくサイクル寿命特性が悪い電極となり、８０モル％を超えるとガラス化しにくく、また、（ｉｉ）の量が少ないため、負極容量が小さい電極となって、いずれの場合も好ましくないためであり、３０〜７０モル％とすることがより好ましく、３５〜６５モル％とすることがさらに好ましい。
（ｉ）を１〜５０モル％とするのは、１モル％未満であるとガラスの骨格構造を形成する（ｉ）が少ないため、結晶化し、耐水性のない負極となり、５０モル％を超えると（ｉｉ）の量が少ないため、負極容量が小さい電極となって、いずれの場合も好ましくないためであり、５〜４０モル％とすることがより好ましく、１０〜３５モル％とすることがさらに好ましい。
（ｉｉ）を１〜５０モル％とするのは、１モル％未満であると負極容量が小さい電極となり、５０モル％を超えると硫黄量や（ｉ）の量が少なくなるため、硫化リチウム系の固体電解質の形成量が少なくなり、イオン伝導性が乏しくなることや、充放電に伴う（ｉｉ）の体積膨張を吸収するバッファー層の量が少なくサイクル寿命特性が悪い電極となって、いずれの場合も好ましくないためであり、５〜４５モル％とすることがより好ましく、１０〜４０モル％とすることがさらに好ましい。
【００３３】
本発明のリチウム二次電池用負極材料を構成する硫化物ガラスは、ガラス化の観点から、Ｇｅを含有していることが好ましい。Ｇｅは、ガラスの骨格構造を形成する役割がある。
Ｇｅの含有量は０．５〜４０モル％とすることが好ましく、１〜２０モル％とすることがより好ましい。
Ｇｅの含有量が０．５モル％未満であるとガラス化が充分に行われないおそれがあり、４０モル％を超えると（ｉｉ）の量が少なくなるため、負極容量が小さい電極になることや、Ｇｅは高価な元素であるため、コスト高な電極となるため、いずれの場合も好ましくない。
【００３４】
尚、上記硫化物ガラスは、二種以上の硫化物ガラスを複合化して使用してもよい。
本発明のリチウム二次電池用負極材料を構成する硫化物ガラスの製造方法は特に限定されないが、例えば、石英アンプル内に各成分の原料を所定量封入し、熱処理により封入された内容物をガラス化させることにより製造できる。
原料としては、硫黄（Ｓ）の他に、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｉｎ等の単体金属、又はこれらの硫化物（例えば、Ａｇ２Ｓ、Ａｌ２Ｓ３、ＢｉＳ、Ｂｉ２Ｓ３、Ｆｅ２Ｓ３、ＧａＳ、Ｉｎ２Ｓ３、ＭｇＳ、Ｓｂ２Ｓ３、Ｓｂ２Ｓ５、ＳｎＳ、ＳｎＳ２、ＺｒＳ２、ＧｅＳ、ＧｅＳ２、ＺｎＳ、等）、或いはＡｓ、Ｐ等の非金属を使用できる。
上記原料は、硫黄を必須として使用され、これに加えて上記（ｉ）と（ｉｉ）の組み合わせが使用される。
【００３５】
上記製造方法により硫化物ガラスを製造する際は、使用する石英アンプルは真空乾燥機により充分に内部を乾燥させることが好ましい。また、ガラス化の際は、４００〜１１００℃で加熱することが好ましく、６００〜８００℃で加熱することがより好ましい。熱処理時間は石英アンプル内に封入された内容物が充分にガラス化される時間であれば良いが、一般に１〜３０時間が好ましく、５〜２４時間がより好ましい。温度４００〜１１００℃で１〜３０時間加熱することにより、上記内容物を充分にガラス化することができる。
【００３６】
本発明のリチウム二次電池用負極材料を構成する硫化物ガラスは、耐水性に優れるので、従来の硫化物ではできなかった空気中での取り扱いや水系バインダーの使用が可能となる。
【００３７】
上記した方法で得られる硫化物ガラスは、更に、導電性金属、炭素等によって導電性を有する被覆を形成することによって、導電性を向上させることができる。これにより、リチウム電池用負極活物質として、より良好な電池特性を有するものとなる。
硫化物ガラスに導電性金属、炭素等の導電性被覆を形成する方法としては、スパッタリング、蒸着法、メカニカルアロイ（ＭＡ）法、ロータリーキルン法、無電解めっき法などの公知の技術を利用できる。
【００３８】
導電性被覆の被覆量については、少なすぎると導電性を向上させる効果が充分ではなく、一方、多すぎると硫化物ガラスの表面がほとんど被覆されてリチウムイオンの吸蔵・放出が困難となるので好ましくない。このため、導電性被覆の被覆量は、硫化物ガラス１００重量部に対して、０．１〜３０重量部程度とすることが好ましく、０．５〜２５重量部程度とすることがより好ましく、１〜１０重量部程度とすることが更に好ましい。
【００３９】
特に、上記した硫化物ガラスと炭素前駆体とを混合し、非酸化性雰囲気下で加熱して炭素による被覆を形成する方法によれば、大規模な装置を用いることなく、簡単な方法で均一性に優れた炭素による被覆を形成できる点で有利である。
この方法で用いる炭素前駆体は、加熱によって炭化する有機材料であればよく、例えば、粘着性を有するハイドロカーボン系有機物、石炭系ピッチ、石油系ピッチ等を用いることができる。これらの内で、粘着性を有するハイドロカーボン系有機物としては、フェノ−ル樹脂、フラン樹脂、クエン酸、ＰＶＡ、ウルシオールなどを例示できる。これらの炭素前駆体は一種単独又は二種以上混合して用いることができる。
【００４０】
加熱温度は、炭素前駆体が炭化する温度であれば良く、例えば、３００〜１１００℃程度とすることが好ましく、５００〜９００℃程度とすることがより好ましい。この場合、加熱温度が低すぎる（３００℃未満）と、炭素前駆体が炭化されにくく、一方、加熱温度が高すぎる（１１００℃超）と、硫化物ガラスが炭素と反応し、硫化炭素等を発生する可能性があり、さらに装置も大掛かりなものとなりコスト高となるので好ましくない。
加熱処理の時間は、炭素前駆体が炭化する時間であれば良く、通常は、１〜２４時間程度とすればよい。加熱時間が短すぎる場合には、炭素前駆体が充分には炭化されず、電子伝導性の悪い負極になるので好ましくない。一方、加熱時間が長すぎると、熱処理が無駄であり、経済的に好ましくない。
炭化処理時の雰囲気は、不活性雰囲気、還元雰囲気等の非酸化性雰囲気とすればよい。具体的には、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｎｅ（ネオン）、Ａｒ（アルゴン）、Ｎ２（窒素）、Ｈ２（水素）等の雰囲気とすればよい。
【００４１】
上記した硫化物ガラス、及びこれに導電性を有する被覆を形成した硫化物ガラスは、いずれもリチウム二次電池用負極活物質として有効に使用できる。
【００４２】
本発明のリチウム二次電池用負極材料は、上記硫化物ガラス単独であってもよいが、リチウムを電気化学的に吸蔵及び放出することができる材料（以下、Ａ成分という）と、上記硫化物ガラス（以下、Ｂ成分という）との複合粉末とすることが好ましい。
このような複合粉末からなるリチウム二次電池用負極材料とすることにより、更なる高容量化が可能となる。
【００４３】
本発明のリチウム二次電池用負極材料をＡ成分とＢ成分の複合粉末とする場合、下記の（Ａ）工程と（Ｂ）工程を備える製造方法により製造することができる。
（Ａ）Ｂ成分の原料を調合し、熱処理（温度４００〜１１００℃、処理時間１〜３０時間）により調合物をガラス化させＢ成分を得る工程
（Ｂ）Ａ成分とＢ成分を複合化させる工程
上記（Ａ）工程と（Ｂ）工程のうち、（Ａ）工程としては上記した硫化物ガラスの製造方法を採用することができる。（Ｂ）工程としては、メカニカルミリングによりＡ成分とＢ成分を複合化させる工程や、溶融したＢ成分にＡ成分を分散させ、冷却後、粉砕処理を行う工程などを採用することができる。これら（Ｂ）工程については後程詳述する。
【００４４】
Ａ成分は、初期の充電においてリチウムイオンを吸蔵することができ、且つ、その後の充放電時においてリチウムイオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定はされない。
例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｗ、Ｐｂ及びＢｉよりなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、これらの元素を用いた合金、酸化物、カルコゲン化物又はハロゲン化物であればよい。
これらのなかでも、放電プラトーの領域が０〜１Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）の範囲内に観測できる観点から、Ｌｉ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＰｂよりなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、これらの元素を用いた合金、酸化物、カルコゲン化物又はハロゲン化物が好ましい。
さらにエネルギー密度の観点から、元素としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｓｎ等が好ましく、合金としては、Ｓｉ−Ａｌ、Ａｌ−Ｚｎ、Ｓｉ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｓｉ−Ａｇ、Ｓｉ−Ｓｎ、Ｚｎ−Ｓｎ、Ｇｅ−Ａｇ、Ｇｅ−Ｓｎ、Ｇｅ−Ｓｂ、Ａｇ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｇｅ、Ｓｎ−Ｓｂ等の各組み合わせ等が好ましく、酸化物としては、ＳｉＯ、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、ＳｎＣ２Ｏ４、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等が好ましく、カルコゲン化物としては、ＳｎＳ、ＳｎＳ２等が好ましく、ハロゲン化物としては、ＳｎＦ２、ＳｎＣｌ２、ＳｎＩ２、ＳｎＩ４等が好ましい。
尚、上記したＡ成分は一種のみで使用してもよいし二種以上使用してもよい。
【００４５】
複合粉末において、Ａ成分とＢ成分の割合は、両者の合計量を１００ｍａｓｓ％とした場合に、Ａ成分５〜８０ｍａｓｓ％とＢ成分９５〜２０ｍａｓｓ％であることが好ましく、Ａ成分２０〜７０ｍａｓｓ％とＢ成分８０〜３０ｍａｓｓ％であることがより好ましい。例えば、Ａ成分がＳｉである場合を例にとると、Ａ成分（Ｓｉ）が５〜３５ｍａｓｓ％で、Ｂ成分が９５〜６５ｍａｓｓ％である場合は、活物質重量当たりの容量が５００〜１５００ｍＡｈ／ｇで、且つ、サイクル寿命特性が非常によいため、長寿命タイプの負極として有望である。一方、Ａ成分（Ｓｉ）が３５〜８０ｍａｓｓ％で、Ｂ成分が６５〜２０ｍａｓｓ％である場合は、活物質重量当たりの容量が１５００〜３５００ｍＡｈ／ｇと非常に高いため、高容量タイプの負極として有望である。尚、上記複合粉末中に、Ａ成分とＢ成分が主成分相として存在していればよく、ごく微量の不純物が存在してもサイクル劣化には悪影響を及ぼさない。
【００４６】
以下、説明の簡略化のため、Ｂ成分として、Ｓ−Ｇｅ−Ｓｎガラス（Ｓ：６０モル％、Ｇｅ：２５モル％、Ｓｎ：１５モル％）を用いた場合について説明する。ただし、Ｂ成分がこれのみに限定されないことは言うまでもない。
本発明のリチウム二次電池用負極材料は、初期の充電（Ｌｉ吸蔵）過程で、まずＡ成分表面上のＢ成分がＬｉ還元され、固体電解質層が生成する。例えば、Ｂ成分がＳ−Ｇｅ−Ｓｎガラスの場合は、Ｌｉ還元により、硫化リチウム−硫化ゲルマニウム（Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２）とスズに分相する。Ｌｉ２Ｓ−ＳｉＳ２は、０〜１Ｖ（対リチウム電位）の条件では活物質として関与しないため、以後の充放電反応には関与しない。そのため、複合粉末中の骨格として存在し、充放電反応に関与する分相したＳｎやＡ成分のイオン伝導性を向上させ、分相したＳｎやＡ成分が体積変化をしても、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２がバッファー層として機能するため、複合粉末全体としての体積変化を効果的に抑制できる。また、Ｂ成分が、Ｓ−Ｇｅ−Ｓｉ−Ｓｎガラスの場合は、Ｌｉ還元により、硫化リチウム−硫化シリコン−硫化ゲルマニウム（Ｌｉ２Ｓ―ＧｅＳ２―ＳｉＳ２）とスズに分相する。Ｌｉ２Ｓ―ＧｅＳ２―ＳｉＳ２も、０〜１Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）の条件では活物質として関与しないため、以後の充放電反応には関与しない。そのため、複合粉末中の骨格として存在し、充放電反応に関与する分相したＳｎやＡ成分のイオン伝導性を向上させ、分相したＳｎやＡ成分が体積変化をしても、複合粉末全体としての体積変化を効果的に抑制できる。
【００４７】
充電過程で生成するＬｉ２Ｓ−ＧｅＳ２、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２−ＳｉＳ２等はイオン伝導性に優れる。Ａ成分は主にＬｉと反応する金属成分であり、電気伝導性に優れる。よって、本発明のリチウム二次電池用負極材料を構成する複合粉末の充放電過程では、イオン伝導性と電気伝導性の両方の点で優れた伝導性が得られる。Ａ成分や分相したＳｎは、更にＬｉを吸蔵していくとＬｉ化した相になり、可逆的な容量成分相になる。
以上から、上記複合粉末からなる本発明のリチウム二次電池用負極材料は、分相したＳｎやＡ成分のもつ大きな可逆的な電気容量と、固体電化質層兼バッファー層であるＬｉ２Ｓ−ＧｅＳ２相、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２−ＳｉＳ２相等のもつ不可逆成分の骨格構造をもつことで、高出力、高容量、サイクル寿命等に優れた特性を示す。
【００４８】
本発明に係るリチウム二次電池用負極材料を構成する複合粉末は、Ａ成分の表面にＢ成分が被覆されていることが好ましい。
その理由は、Ａ成分核の周囲にＢ成分が存在することで、リチウムの吸蔵・放出（充電・放電）に伴うＡ成分のイオン伝導性を向上させることと、膨張・収縮に起因する割れを抑制することができるためである。これにより、Ａ成分のみでは、イオン伝導性やサイクル寿命が乏しい活物質でもイオン伝導性とサイクル特性を向上させることができるので、導電性が乏しい或いは高容量な（体積膨張の大きな）活物質でもサイクル寿命特性が良好なものとなる。
Ａ成分は、一次粒子そのものであってもよいし、凝集した二次粒子等であってもかまわない。Ｂ成分は、Ａ成分の全面に完全に被覆されていてもよいし、Ａ成分の一部のみに被覆されていてもよい。Ａ成分の一部のみに被覆されている場合は、Ａ成分の表面積の２０％以上がＢ成分で被覆されていればよい。本発明において、Ａ成分がＢ成分で被覆されている割合は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を用いることにより測定することができる。
【００４９】
Ａ成分の表面にＢ成分を被覆する方法は特に限定されないが、例えば、Ａ成分とＢ成分とを含む原料物質を混合し、メカニカルミリング処理を行う方法が挙げられる。
メカニカルミリング処理とは、衝撃・引張り・摩擦・圧縮・せん断等の外力を原料粉末（少なくともＡ成分及びＢ成分）に与える方法であって、転動ミル、振動ミル、遊星ミル、揺動ミル、水平ミル、アトライターミル、ジェットミル、擂潰機、ホモジナイザー、フルイダイザー、ペイントシェイカー、ミキサー等などを用いる方法が挙げられる。
例えば、遊星ミルを用いる方法では、原料粉末とボールとを共に容器に入れ、自転と公転をさせることによって生じる力学的エネルギーにより、原料粉末を粉砕・混合又は固相反応させることができる。この方法によれば、ナノオーダーまで粉砕されることが知られている。
【００５０】
本発明では、負極材料の原料粉末は少なくともＡ成分とＢ成分とを含んでいる。Ｂ成分はＡ成分と比べて機械的強度が低いため、Ａ成分よりもＢ成分が粉砕されやすい。そのため、微粒子となったＢ成分粉末がＡ成分粉末の表面にボール等により圧着して、Ａ成分にＢ成分を被覆することが可能である。
【００５１】
Ａ成分の表面にＢ成分を被覆する方法の別の例としては、溶融したＢ成分にＡ成分を分散させ、冷却後粉砕する方法が挙げられる。
Ｂ成分がＡ成分よりも少ない場合には、上記したメカニカルミリング処理を行う方法ではＡ成分にＢ成分が被覆されにくいため、この方法（溶融したＢ成分にＡ成分を分散させ、冷却後粉砕する方法）を採用することが好ましい。
Ｂ成分を溶融する条件としては、特に限定されないが、加熱温度が４００℃未満だと溶融されにくく、１１００℃を超える温度ではＢ成分が分解されるおそれがある。したがって、加熱温度は４００〜１１００℃程度であり、５００〜９００℃がより好ましい。
【００５２】
尚、Ｂ成分を被覆する際に（即ち上記（Ｂ）工程において）、導電助剤をＢ成分に含有させてもよい。その方法としては、Ｂ成分が溶融した状態中に導電助剤を分散させておけばよい。Ｂ成分に導電助剤を含有させることで、導電性を向上させ、電池のサイクル寿命特性、高率放電特性を大幅に向上させることができる。
尚、上記（Ａ）工程において導電助剤をＢ成分に含有させてもよいし、（Ａ）工程と（Ｂ）工程の両方において導電助剤をＢ成分に含有させてもよい。
【００５３】
導電助剤としては、特に限定されないが、金属や導電性高分子等は、Ｂ成分と反応するおそれがあるため、カーボンブラックを用いることが好ましい。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、カーボンファイバー（ＶＧＣＦ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン等が挙げられる。また、溶融中のＢ成分は温度が高いため、導電助剤として、炭素前躯体を用いてもかまわない。
Ｂ成分を１００ｗｔ％とした場合、導電助剤は、これに対して０．１〜１０ｗｔ％含有するのが好ましく、０．５〜５ｗｔ％含有するのがより好ましい。含有量が０．１〜１０ｗｔ％の場合、充分な導電性改善効果が得られ、高率放電特性を向上させることができるとともに、Ａ成分からＢ成分が脱落することによる容量低下も最低限に抑えることができる。上記導電助剤のなかでも、凝集性の高い導電剤、例えばカーボンブラックを用いた場合には、撹拌機、超音波等で導電助剤を分散させることが好ましい。
【００５４】
上記した複合粉末をリチウム電池用負極材料として用いたリチウム二次電池は、高容量でサイクル寿命特性が良好で、且つ耐水性に優れる。
上記した複合粉末の他に、上記した硫化物ガラス、及びこれに導電性を有する被覆を形成した硫化物ガラスも同様に、リチウム電池用負極材料として有効に使用できる。
これら本発明の負極材料を用い、集電体上に被着形成することで、リチウム二次電池用の負極として良好に機能させることができる。
【００５５】
被着形成するとは、集電体と本発明の負極材料とを接触させた状態で固定することである。すなわち、負極材料を充填すること、集電体である金属網等によって負極材料を固定すること等が該当する。被着形成手法としては特に限定されないが、例えば、圧着法、スラリー法、ペースト法、電気泳動法、ディッピング法、スピンコート法、エアロゾルデポジション法等があげられる。なかでも、発泡状ニッケルのような金属発泡体を集電体として用いる場合は、充填密度、電極製造速度等の観点から、スラリー法又はペースト法が好ましい。
【００５６】
負極は、例えば、本発明の負極材料の他に、必要に応じて導電性を付与するための導電助剤、結着性を付与するためのバインダーを含有させてもよい。
尚、本発明では負極材料の製造時に、上記（Ａ）工程及び／又は（Ｂ）工程において、導電助剤、バインダー等を入れることにより、Ｂ成分中に導電助剤、バインダー等を含有させることができるが、この場合であっても、当該負極材料を用いた負極の製造時において、導電助剤、バインダー等をさらに含有させてもよい。例えば、上記負極材料に加えて導電助剤及びバインダー等を含有させた混合物（負極合剤）に、適当な溶剤（Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、水、アルコール、キシレン、トルエン等）を加えて充分に混練して得られる負極合剤ペースト組成物、負極合剤スラリー等を、集電体表面に塗布、乾燥し、更にプレスすることで、集電体表面に負極材料含有層を形成し、負極とすることができる。
この負極を搭載したリチウム二次電池を作製する場合には、公知のリチウム二次電池の電池要素（正極、セパレーター、電解液等）を用いて、常法に従って、角型、円筒型、コイン型等のリチウム二次電池に組み立てればよい。
【００５７】
導電助剤としては、通常用いられているもの、例えば上記で説明したものを使用することができ、炭素材料を含む場合には、炭素材料の種類（構造等）は特に限定されない。例えば、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、黒鉛、カーボンファイバー、カーボンチューブ、非晶質炭素等の炭素材料を、一種単独で用いてもよいし、または二種以上を併用してもよい。より好ましくは、複合粉末中に導電性の３次元網目構造を形成できるもの（例えば、フレーク状の導電材（フレーク銅粉やフレークニッケル粉等）、カーボンファイバー、カーボンチューブ、非晶質炭素等）が好ましい。導電性の３次元網目構造が形成されていれば、リチウム二次電池用負極材料として充分な集電効果が得られるとともに、Ｌｉ吸蔵時の電極（特に合金成分）の体積膨張を効果的に抑制できる。
【００５８】
バインダーも通常用いられているもの、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体（ＳＥＢＳ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等の材料を一種単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。但し、Ａ成分と複合化した活物質を用い、活物質容量が１０００ｍＡｈ／ｇを超える場合は、充放電に伴う体積膨張が大きいため、用いるバインダーはＰＩが好ましい。
【００５９】
負極の負極材料含有層においては、例えば、本発明の負極材料が５０〜９９ｍａｓｓ％、導電助剤量が０．５〜４０ｍａｓｓ％、バインダー量が０．５〜３０ｍａｓｓ％であることが好ましい。
負極の負極材料含有層の厚みは、電極容量密度にもよるが、例えば、０．５〜２００μｍであることが好ましい。負極材料含有層の厚みをこの範囲とすることで、集電体が負極材料を支持しつつ、実用的な電気容量を得ることができる。
電極容量密度は、０．１〜３０ｍＡｈ／ｃｍ２であることが好ましい。例えば、電極容量密度０．１〜３ｍＡｈ／ｃｍ２で本発明の負極を得た場合、超高出力用途に適しており、電極容量密度０．５〜５ｍＡｈ／ｃｍ２では、長寿命用途や高出力用途に適しており、電極容量密度３〜３０ｍＡｈ／ｃｍ２では、高容量用途に適している。尚、電極容量密度は、例えば、充放電サイクル容量試験等により測定することができる他、活物質塗布重量から容量を計算し、その値を電極面積で割ることにより求めることができる。
【００６０】
集電体は、電子伝導性を有し、保持した負極材料に通電し得る材料であれば特に限定されない。例えば、Ｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ等の導電性物質、これら導電性物質の二種類以上を含有する合金（例えば、ステンレス鋼）を使用し得る。電気伝導性が高く、電解液中の安定性がよい観点から、集電体としてはＣ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｕ、ステンレス鋼等が好ましく、さらに材料コストの観点からＣ、Ｎｉ、Ｃｕ、ステンレス鋼等が好ましい。
集電体の形状には線状、棒状、板状、箔状、網状、織布、不織布、エキスパンド、多孔体又は発泡体があり、このうち充填密度を高めることができること、出力特性が良好なことから、エキスパンド、多孔体又は発泡体が好ましい。
【００６１】
正極としては、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、コバルトマンガンニッケル酸リチウム（ＬｉＣｏ０．３３Ｎｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｏ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）、酸化バナジウム系材料、硫黄系材料等の既存のものが用いられる。
【００６２】
セパレータとしては、公知のリチウム二次電池に用いられるものが使用できる。
例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シート、ガラスフィルター、不織布等を用いることができるが、これらに限定はされない。
【００６３】
電解質は、リチウムイオンを含有する必要があることから、リチウム二次電池で用いられるものであれば特に限定されないが、その電解質塩としては、リチウム塩が好適である。このリチウム塩としては、具体的には、ヘキサフルオロリン酸リチウム、過塩素酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム及びトリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウムよりなる群から選択される少なくとも一種を用いることができる。上記リチウム塩は、電気的陰性度が高く、イオン化しやすいことから、充放電サイクル特性に優れ、二次電池の充放電容量を向上させることができる。
【００６４】
上記電解質の溶媒としては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、γ−ブチロラクトン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、ニトロメタン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドよりなる群から選択される少なくとも一種を用いることができ、特に、プロピレンカーボネート単体、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物、又はγ−ブチロラクトン単体が好適である。尚、上記エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物の混合比は、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートともに１０〜９０ｖｏｌ％の範囲で任意に調整することができる。
あるいは、溶媒を用いず、固体電解質でもかまわない。
上述の構造のリチウム二次電池によれば、二次電池として機能する。
【実施例】
【００６５】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。【００６６】
＜硫化物ガラスの製造＞
硫化物ガラスの原料を下記表１に示す配合により調合し、熱処理により調合物を溶融させ、その後、室温まで冷却することにより、硫化物１〜３９を得た。熱処理条件は、調合物を２０℃／時間の昇温速度で所定温度まで昇温後、同温度で１２時間保持した。
得られた硫化物１〜３９それぞれの組成及び合成条件を表１、２に示す。尚、表２において、室温まで自然冷却したものを「自然」と表記し、１０℃／時間の降温速度で室温まで降温したものを「徐冷」と表記した。
また、得られた硫化物がガラス化されているか否かを確認するために、Ｘ線回折装置を用いて硫化物のＸＲＤ測定を行った。その結果、硫化物１〜３３はガラス化していた。他方、硫化物３４〜３９はガラス化しておらず結晶が生成していた。ガラス化したものを「○」とし、ガラス化していないものを「×」とし、表２に示した。
硫化物１〜３３を温度４０℃の水の中で２４時間保存し、耐水性の有無を確認した。ガラス化した硫化物１〜３３は、特に変化はなかった。他方、結晶化した硫化物３４〜３９は、水酸化物が形成し、腐卵臭を放っていたため、結晶化した硫化物は水と反応し、硫水素（Ｈ２Ｓ）を発生したものと考えられる。
表１にて硫化物を「硫」と略し、硫化物１を硫１，硫化物２を硫２・・等と表記する。【００６７】
【表１−１】
2012117638.tif 000003
【００６８】
【表１−２】
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【００６９】
【表２−１】
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【００７０】
【表２−２】
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【００７１】
【表２−３】
2012117638.tif 000007
【００７２】
＜実施例１〜３６、実施例Ａ〜Ｉ、比較例１〜２、及び参考例１〜３＞
下記表３に示すＡ成分とＢ成分（硫化物ガラス）を出発材料とし、ジルコニア製のボール及び容器にて、メカニカルミリング処理（常温、常圧、アルゴンガス雰囲気下）を行うことにより、Ａ成分の表面にＢ成分を被覆した複合粉末を作製した。
実施例１〜３６、実施例Ａ〜Ｉ、比較例１〜２、及び参考例１〜３で用いた出発材料、Ａ成分とＢ成分の調合比、及び合成条件（重力加速度、時間）を表３に示す。
尚、実施例１〜４、１４〜３６はＢ成分のみ、比較例１〜２はＡ成分のみであるためミリング処理を施していない。参考例１〜３は、Ａ成分とＢ成分とを単に混合しただけのものでありミリング処理を施していない。
実施例１３の出発材料は、Ｓｉと硫化物１の他、ＫＢを含有している。【００７３】
【表３−１】
2012117638.tif 000008
【００７４】
【表３−２】
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【００７５】
【表３−３】
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【００７６】
【表３−４】
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【００７７】
＜実施例３７〜４１＞
表１、２に示す硫化物１（Ｂ成分）を加熱し、ガラスが溶融した状態にした後、Ａ成分を加えて分散し、室温まで自然冷却してＡ成分がＢ成分中に分散したインゴットを作製した。得られたインゴットを攪拌擂潰機により、粉砕し、Ａ成分にＢ成分を被覆した複合粉末を作製した。尚、熱処理条件は、硫化物ガラスを２０℃／時間の昇温速度で７５０℃まで昇温後、同温度で１２時間保持した。その後、室温まで自然冷却した。
実施例３７〜４１で用いた出発材料及びＡとＢとＫＢの調合比を下記表４に示す。
尚、実施例４０は、硫化物１を７５０℃まで加熱し、ガラスが溶融した状態にした後、Ａ成分とＫＢを同時に加え分散し、室温まで自然冷却してＡ成分とＫＢがＢ成分中に分散したインゴットを作製した。【００７８】
【表４】
2012117638.tif 000012
【００７９】
＜分析＞
実施例１〜３６の負極材料の粉末粒子を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定した結果、一次粒子の粒径Ｄ５０の１０％以上が１μｍ以下の範囲内であった。また、実施例５〜１８で得られた複合粉末の二次粒子の粒子径をレーザー回折法で測定した結果、平均二次粒子径の１〜１５μｍの比率が９５％で、全ての二次粒子の最大粒子径が８０μｍ以下であった。【００８０】
図１に実施例１のＣＶ（サイクリックボルタンメトリ）測定結果を示す。
図１に示すＣＶ測定結果からわかるように、初期の充電（リチウム吸蔵過程）の１Ｖ付近で、大きな還元ピークが確認できる。【００８１】
図２に実施例７のＣＶ測定結果を示す。
図２に示すＣＶ測定結果からわかるように、Ｓｉと硫化物１を複合化しても、初期の充電（リチウム吸蔵過程）の１Ｖ付近で、大きな還元ピークが確認できる。
よって、この１Ｖ付近の大きな還元ピークは、硫化物（実施例１）由来の還元ピークであり、実施例１の硫黄分がリチウム還元され、硫化リチウムに変化するのに使用されたエネルギーであると思われる。また、硫化物１〜３３でも同様に１Ｖ付近に大きな還元ピークを確認した。【００８２】
＜電池特性の評価＞
実施例１〜４で得られた硫化物ガラス（負極材料）を負極活物質として用い、負極活物質８５ｍａｓｓ％、ＫＢ５ｍａｓｓ％、ＣＭＣバインダー８ｍａｓｓ％、ＰＶＡバインダー１ｍａｓｓ％、ＳＢＲバインダー１ｍａｓｓ％を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ２５μｍの電解銅箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、電解銅箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理（減圧下、１３５℃、１時間以上）して試験電極（負極）を得た。
対極として、試験電極計算容量の約５０倍の容量を有している金属リチウム箔を用い、セパレータとしてガラスフィルター、電解液として１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ６／ＰＣ：ＤＭＣ（１：１ｖｏｌ％）を具備したラミネートセル（３ｃｍ×３ｃｍ）を作製した。
実施例５〜４１及び実施例Ａ〜Ｉで得られた複合粉末（負極材料）、比較例１〜２及び参考例１〜３で得られた粉末を負極活物質として用い、負極活物質８０ｍａｓｓ％、ＫＢ５ｍａｓｓ％、ＰＩバインダー１５ｍａｓｓ％を混合してスラリー状の合剤を調製し、厚さ３５μｍの電解銅箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、電解銅箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理（減圧下、２６５℃、１時間以上）して試験電極（負極）を得た。
対極として、試験電極計算容量の約５０倍の容量を有している金属リチウム箔を用い、セパレータとしてガラスフィルター、電解液として１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ６／ＥＣ：ＤＥＣ（１：１ｖｏｌ％）を具備したコインセル（ＣＲ２０３２）を作製した。【００８３】
＜評価１：サイクル寿命特性＞
作製した試験セル（リチウム二次電池）を０．５Ｃ率で充放電試験した結果を下記表５に示す。尚、負極の容量密度は、３〜４ｍＡｈ／ｃｍ２であり、カットオフ電位は、０−１Ｖに設定した。【００８４】
【表５−１】
2012117638.tif 000013
【００８５】
【表５−２】
2012117638.tif 000014
【００８６】
【表５−３】
2012117638.tif 000015
【００８７】
表５から明らかなように、実施例１〜４１及び実施例Ａ〜Ｉの硫化物ガラス又は複合粉末を負極とした電池は、容量維持率（１００サイクル目の放電容量／初期放電容量）が高い。
また実施例５〜１３、３７〜４１及び実施例Ｇの複合粉末を負極とした電池は、充放電５０サイクル目の放電容量が６００〜１７００ｍＡｈ／ｇの高い値を示した。さらに、比較例１と比較して、各実施例の複合粉末を負極とした電池は劣化しにくく、容量維持率が良好であることがわかる。中でも、実施例５〜７、１１〜１３、３７〜３９、４１は１００サイクル目の放電容量が１２００ｍＡｈ／ｇ以上の高い値を示した。
一例として、実施例１〜４のサイクル寿命を図３に示す。このうち特に電池特性が良好であった実施例１の充放電曲線を図４に示す。
実施例１〜４１及び実施例Ａ〜Ｉの中でも特に電池特性が良好であった、実施例７のサイクル寿命特性を図５に、放電曲線図を図６に示す。【００８８】
また表５より、単独金属（比較例１）、単に混合しただけの粉末（参考例１〜３）を負極として用いた場合は、充放電５０サイクル後の放電容量は低く、しかも５０サイクル後の放電容量の劣化は著しく（初期の放電容量を１００％と仮定した際、１００サイクル目の放電容量維持率は２０％以下）、サイクル寿命が不充分であることがわかる。また黒鉛を活物質の負極（比較例２）として用いた場合について、１００サイクル目の放電容量と放電容量維持率は良好であるが、リチウム（Ｌｉ）と電気化学的に反応する元素であるＳｉの高容量を生かすほどの高放電容量を示さないことがわかる。
また、一例として、Ａ成分をＳｉ、Ｂ成分をＢ成分１（60S-9Sb-15Sn-16Ge）で構成される本発明の負極材料断面の充放電過程のイメージ図を図７に示す。図７に示したように、初期の充電で、Ａ成分はリチウム化し、Ｂ成分である硫化物はリチウム還元され、Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２−Ｓｂ２Ｓ３とＬｉｘＳｎ（ｘ＝４．４以下）に分解する。Ｌｉ２Ｓ−ＧｅＳ２−Ｓｂ２Ｓ３は固体電解質であり、また、ＳｉやＳｎの体積膨張のバッファー材として機能するため、出力特性が良好で、繰り返し充放電を行っても劣化しにくい。【００８９】
＜評価２：高率放電特性＞
実施例７の負極材料を負極として用いた電池を０．２Ｃ率で充電し、その後所定電流で放電した高率充放電曲線を図８に、高率充放電時のサイクル寿命特性を図９に示す。尚、負極の容量密度は１．１ｍＡｈ／ｃｍ２であり、カットオフ電位は０−１Ｖに設定した。
現行の負極材料（黒鉛とハードカーボン）と、本発明の負極材料（実施例１（Ｂ成分）、実施例７（Ａ成分とＢ成分との複合粉末））との放電密度の関係を図１０に示す。また、高率放電特性の比較図を図１１に示す。
図１０及び図１１より、黒鉛やハードカーボンと比べ、本発明の実施例１（Ｂ成分）の放電電流密度は高く、さらに本発明の実施例７（Ａ成分とＢ成分との複合粉末）の放電電流密度は非常に高いことがわかる。
図８〜図１１から明らかなように、放電レート１０Ｃでも１０００ｍＡｈ／ｇを超える大きな容量を維持しており、高率放電特性が良好であることがわかる。【００９０】
図３〜４から明らかなように、実施例１〜４の負極材料を用いた試験セル（電池）については、サイクル寿命特性が良好であり、このうち実施例１が高容量であった。
また、図６〜９から明らかなように、実施例７の負極材料を用いた試験セルについては、放電レート５Ｃでも１３００ｍＡｈ／ｇ以上の容量を維持しており、高率放電が可能であることがわかる。特に、１０Ｃでも１０００ｍＡｈ／ｇ以上の容量を維持しており、極めて高い電流での放電が可能であることがわかる。【００９１】
＜評価３：低温充電試験＞
実施例１〜４１の試験セルを、−５℃の温度雰囲気下で、０．０１Ｃ率で０Ｖまで充電した。フル充電後の試験セルを解体して負極を取り出し、ドライ雰囲気下でＸＲＤ測定を行い金属リチウムが析出しているか否かを確認した。比較として黒鉛を活物質とした負極を作製し、同様の条件で低温充電した。
ＸＲＤ測定の結果、実施例１〜４１の電極は、リチウムに由来する回折ピークは確認できなかったが、黒鉛を活物質とする電極にはリチウムに由来する回折ピークを確認した。
一例として、上記低温充電後の実施例１の電極と黒鉛を活物質とした電極（比較例２）のＸＲＤ試験結果を図１２に示す。図１２から分かるように、実施例１の電極ではリチウムに由来する回折ピークは確認できないが、黒鉛を活物質とした電極（比較例２）ではリチウムに由来する回折ピークが確認できる。
以上より、本発明の電極は低温充電を行ってもリチウムデンドライトの析出がなく安全であることが証明された。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明により得られるリチウム二次電池は、例えば、移動体通信機器、携帯用電子機器、電動自転車、電動二輪車、電気自動車等の主電源等の用途に利用することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年8月29日(2012.8.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硫黄と、下記（ｉ）及び（ｉｉ）の成分を含む硫化物ガラスからなり、
（ｉ）Ｓｂ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｚｎからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、
（ｉｉ）Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｓｒ、Ｐ、Ｂａからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、
上記各成分の割合が、硫黄：４０〜８０モル％、（ｉ）：１〜５０モル％、（ｉｉ）：１〜５０モル％である、リチウム二次電池用負極材料。
【請求項２】
上記（ｉ）の成分が、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｚｎからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素からなり、
上記（ｉｉ）の成分が、Ｓｎからなる、
請求項１記載のリチウム二次電池用負極材料。
【請求項３】
上記（ｉ）の成分が、Ｇｅからなり、
上記（ｉｉ）の成分が、Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｐ、Ｂａからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素からなる、
請求項１記載のリチウム二次電池用負極材料。
【請求項４】
上記硫化物ガラスが、Ｇｅを０．５〜４０モル％含む請求項１〜３いずれかに記載のリチウム二次電池用負極材料。
【請求項５】
（１）Ａ成分が、リチウムを電気化学的に吸蔵及び放出することができる材料、
（２）Ｂ成分が、請求項１〜４いずれかに記載の硫化物ガラス、
からなるＡ成分とＢ成分の複合粉末であるリチウム二次電池用負極材料。
【請求項６】
上記複合粉末が、Ａ成分表面にＢ成分が被覆された複合粉末である請求項５に記載のリチウム二次電池用負極材料。
【請求項７】
上記複合粉末全体におけるＡ成分とＢ成分の割合が、両者の合計量を１００ｍａｓｓ％とした場合に、Ａ成分が５〜８０ｍａｓｓ％であり、Ｂ成分が９５〜２０ｍａｓｓ％である請求項５又は６に記載のリチウム二次電池用負極材料。
【請求項８】
請求項１〜７いずれかに記載の負極材料を用いたリチウム二次電池用の負極。
【請求項９】
水系バインダーを含有する請求項８に記載のリチウム二次電池用の負極。
【請求項１０】
ポリイミドバインダーを含有する請求項８に記載のリチウム二次電池用の負極。
【請求項１１】
請求項８〜１０いずれかに記載の負極を用いたリチウム二次電池。
【請求項１２】
請求項５記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法であって、
（Ａ）Ｂ成分の原料を調合し、熱処理（温度４００〜１１００℃、処理時間１〜３０時間）により調合物をガラス化させＢ成分を得る工程、
（Ｂ）Ａ成分とＢ成分を複合化させる工程、
を備えるリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
【請求項１３】
上記工程（Ｂ）が、メカニカルミリングによりＡ成分とＢ成分を複合化させる工程である請求項１２記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
【請求項１４】
上記工程（Ｂ）が、溶融したＢ成分に、Ａ成分を分散させ、冷却後、粉砕処理を行う工程である請求項１２記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
【請求項１５】
上記（Ａ）及び／又は（Ｂ）の工程で、導電助剤及び／又はバインダーを入れ、複合粉末に導電助剤及び／又はバインダーを含有させる請求項１２記載のリチウム二次電池用負極材料の製造方法。
【請求項１６】
上記（ｉｉ）の成分が、
（ｉｉ−１）Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｐ、Ｂａからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、又は
（ｉｉ−２）Ｆｅ，Ｃｏ，Ａｇからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素と、Ｓｎとの組み合わせ
からなる、請求項１記載のリチウム二次電池用負極材料。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．８２［５］（１９９９）１３５２
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００９］
本発明は、上記従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、耐水性を有する硫化物系負極で、高い放電容量を維持しつつ、優れたサイクル特性、高い出力性能を発揮でき、且つ低温で充電を行ってもリチウムデンドライトの析出がないリチウム二次電池用負極材料及びその製造方法、並びにリチウム二次電池用負極及びリチウム二次電池を提供することにある。
課題を解決するための手段
［００１０］
本発明のリチウム二次電池用負極材料は、
硫黄と、下記（ｉ）及び（ｉｉ）の成分を含む硫化物ガラスからなり、
（ｉ）Ｓｂ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｚｎからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、
（ｉｉ）Ｔｅ、Ｇａ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｇ、Ｓｒ、Ｐ、Ｂａからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、
上記各成分の割合が、硫黄：４０〜８０モル％、（ｉ）：１〜５０モル％、（ｉｉ）：１〜５０モル％である。
［００１１］
本発明のリチウム二次電池用負極材料によれば、硫化物ガラスが、高容量であって良好なサイクル寿命が得られ、且つ、耐水性の性質を有する硫黄系の負極活物質として機能することができる。
既にガラス化している硫化物ガラスを使用するため、メカニカルミリング等で非晶質化する工程を省略することができる。また、耐水性及び耐酸性を有しているので、水或いは酸素と容易に反応することがなく、イオン伝導性の低下が生じることがなく、取り扱いも容易である。更に、水系バインダーを用いることができるとともに、各々の製造工程をドライ雰囲気下とする必要がなく、製造コストを削減することができる。
【国際調査報告】
2012117638.tif 000028
2012117638.tif 000029