(57)【要約】  充放電によるリチウムイオンの挿入・脱離時における負極活物質の膨張収縮が緩和され、電池の充放電サイクル特性が向上した非水電解液二次電池用負極を提供すること。  非水電解液二次電池用負極は、ケイ素を含有する負極活物質の粒子を含む負極活物質層を備える。前記活物質層においては、ポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドが、前記粒子の表面の少なくとも一部に固着している。かつポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドを介して複数の前記粒子が連結した状態になっている。
2012081534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素を含有する負極活物質の粒子を含む負極活物質層を備え、
前記活物質層においては、ポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドが、前記粒子の表面の少なくとも一部に固着しており、かつポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドを介して複数の前記粒子が連結した状態になっていることを特徴とする非水電解液二次電池用負極。
【請求項２】
前記活物質層が集電体の表面に形成されており、
前記粒子の表面に面状に固着しているポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドを介して、該粒子と集電体とが結合している請求項１に記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項３】
前記粒子は、その表面のうち、ポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドが固着していない部位に、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が固着しており、該金属を介して前記粒子どうしが連結している請求項１又は２に記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項４】
ポリイミドは、ポリイミドの前駆体化合物及び前記粒子を含む負極合剤を前記集電体の表面に塗布し、次いで該前駆体を重合させることで生じたものである請求項１ないし３のいずれか一項に記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項５】
ポリアミド又はポリアミドイミドは、該ポリアミド又は該ポリアミドイミド及び前記粒子を含む負極合剤を前記集電体の表面に塗布することで、前記活物質層中に含有されたものである１ないし３のいずれか一項に記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項６】
前記活物質層が、ポリアミド又はポリアミドイミド及び前記粒子を含む負極合剤を前記集電体の表面に塗布し、その後Ｔｇ−１００℃〜Ｔｇ＋１００℃（Ｔｇはポリアミド又はポリアミドイミドのガラス転移点を表す）の温度範囲で塗膜を乾燥して形成されたものである請求項５に記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかに記載の負極を備えることを特徴とする非水電解液二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム二次電池等の非水電解液二次電池に用いられる負極に関する。更に本発明は、該負極を備えた非水電解液二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
非水電解液二次電池の負極は一般に、充電によってリチウムイオンを挿入可能な材料からなる活物質の粒子を、バインダ、導電材及び溶剤と混合し、それによって得られた合剤を集電体の表面の塗布した後、塗膜を乾燥させ、更にプレス加工を施して製造される。活物質としては、従来グラファイト等の炭素系材料が用いられてきたが、近年では容量が更に高い材料であるケイ素系活物質やスズ系活物質等の使用も検討されている。【０００３】
これら高容量の活物質は、リチウムイオンの挿入脱離による体積変化が大きいことから、充放電を繰り返すにつれて活物質層からの脱落が起こりやすいという不都合がある。この不都合を解消するための手段の一つとして、本出願人は先に、活物質の粒子を含む活物質層を備え、該粒子間にリチウム化合物の形成能の低い金属材料が電解めっきによって析出しており、該活物質層の表面が、該金属材料と同種の金属材料からなる表面層によって連続に又は不連続に被覆されている非水電解液二次電池用負極を提案した（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０５３５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の文献の記載の負極によれば、充放電によって該粒子が膨張収縮することに起因して微粉化しても、その脱落が起こりづらくなるという利点がある。しかも、非水電解液が活物質層へ容易に到達するので、初期充電の過電圧を低くすることができるという利点もある。しかし、非水電解液二次電池に要求される性能はますます厳しくなっており、高容量で、高サイクル特性を有する非水電解液二次電池が求められている。【０００６】
したがって本発明の課題は、前述した従来技術の負極よりも各種の性能が一層向上した非水電解液二次電池用負極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ケイ素を含有する負極活物質の粒子を含む負極活物質層を備え、
前記活物質層においては、ポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドが、前記粒子の表面の少なくとも一部に固着しており、かつポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドを介して複数の前記粒子が連結した状態になっていることを特徴とする非水電解液二次電池用負極を提供するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、充放電によるリチウムイオンの挿入・脱離時における負極活物質層の膨張収縮が緩和され、電池の充放電サイクル特性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１で得られた負極の活物質層の縦断面における集電体の界面付近の走査型顕微鏡像である。
【図２】実施例及び比較例で得られた負極を用いたリチウム二次電池の初回充放電時の電池厚みの変化を表すグラフである。
【図３】実施例及び比較例で得られた負極を用いたリチウム二次電池に対して充放電を繰り返したときの電池厚みの変化を表すグラフである。
【図４】実施例及び比較例で得られた負極を用いたリチウム二次電池の充放電サイクル特性を表すグラフである。
【図５】上方の写真は、実施例５で得られた負極の活物質層の縦断面における集電体の界面付近の走査型顕微鏡像であり、下方の写真は、その一部を拡大した走査型顕微鏡像である。
【図６】実施例５及び比較例２で得られた負極を使用して作成したコインセルについて、初回充放電時における容量と電圧の関係を示したグラフである。
【図７】実施例５及び比較例２で得られた負極を使用して作成したコインセルについて、充放電を繰り返したときの容量の変化を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。
本発明の負極は、リチウム二次電池等の非水電解液二次電池に用いられるものである。この負極は、活物質層の構造に特徴の一つを有するものである。
活物質層は、ケイ素を含有する負極活物質の粒子を含んでいる。ケイ素を含有する負極活物質としては、充放電によってリチウムイオンの挿入脱離が可能な材料が用いられる。そのような材料としては、例えば純ケイ素；ＳｉＯやＳｉＯ2等のケイ素酸化物；ＳｉＢ4、ＳｉＢ6、Ｃｕ5Ｓｉ、ＦｅＳｉ2、Ｍｇ2Ｓｉ等のケイ素合金；ホウ素、リン、鉄が固溶したケイ素固溶体等のケイ素固溶体；Ｓｉ3Ｎ4やＳｉＣ等のケイ素化合物などが挙げられる。
【００１１】
負極活物質粒子の形状は、本発明において特に臨界的でなく、様々な形状の粒子を用いることができる。例えば球状、多面体状、紡錘状、板状若しくは不定形又はそれらの組み合わせを用いることができる。
負極活物質粒子の粒径は、電池の具体的な用途に応じて適切な大きさを選択することができる。一般的には、レーザー回折散乱法によって測定されたＤ50の値が０．１〜１０μｍ、特に２μｍ以上或いは５μｍ以下のものが好適に用いられる。
【００１２】
活物質層においては、活物質粒子どうしの結着剤としてポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミド（以下、これらを総称して「ポリイミド等」とも言う。）が用いられている。
ポリイミド等は、活物質粒子の表面の少なくとも一部に固着している。
ポリイミド等の固着の形態として特に好ましい形態は、活物質粒子の表面を少なくとも一部おいて面状に固着している形態である。「面状」とは、膜状と同義であり、点状に散在している状態と対極にある状態である。また、当該技術分野においてしばしば用いられる結着剤であるスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）もまた、活物質粒子の表面において、面状に存在しておらず、散点状に存在していることが、本発明者らの検討の結果判明している。また、「固着」とは、活物質粒子とポリイミド等との間に機械的な結合力（例えば係合や嵌合等のアンカー効果）又は化学的な結合力が生じるような状態で結合している状態であり、活物質粒子とポリイミド等とを単に混合して両者が結果的に接触しているだけ状態は「固着」に当たらない。
活物質粒子の表面にポリイミド等を面状に固着させるための方法については後述する。
【００１３】
ポリイミド等は、活物質粒子の表面の全域を被覆しているのではなく、該表面にポリイミド等の非固着域を一部残すような態様で、該表面に固着していることが好ましい。活物質粒子は、隣接する粒子の互いの非固着域において接触すると共に、その接触点の周辺にポリイミド等が固着して連結しているのが好ましい。このように該非固着域を通じて活物質粒子どうしが接触することで電子伝導性を確保することができる。
【００１４】
活物質粒子の表面に面状に固着しているポリイミド等は、当該粒子と隣り合う別の活物質の表面に固着しているポリイミド等からなる連結部位を介して一体的に連結している。すなわち、上述したように、活物質粒子は隣接する粒子同士接触すると共に、その接触点の周辺に固着したポリイミド等が互いに連結して連結部位を形成している。
ポリイミド等からなる該連結部位は、活物質粒子にリチウムイオンが挿入され膨張するときに、該粒子との固着状態を維持したままで伸長が可能である。このことによって、膨張に起因する活物質粒子の活物質層からの脱落が効果的に防止され、充放電のサイクル特性が向上する。また、このことは、充電に伴う電池の厚みの増加の抑制にも寄与する。充電に伴う電池の厚みの増加の抑制は、本発明の負極を、携帯電話用の電池のように、電池収容スペースが限られている場面で用いられる電池に適用した場合に特に有効である。
【００１５】
一方、放電によって活物質粒子からリチウムイオンが脱離すると該粒子は収縮するところ、連結部位も該粒子の収縮に伴い収縮が可能である。このように、ポリイミド等からなる連結部位は、活物質粒子どうしをあたかもバネのように連結しているので、該粒子が活物質層から脱落することが効果的に防止される。
【００１６】
活物質粒子どうしが、ポリイミド等からなる連結部位を介して連結していることに加え、該粒子の連結の態様も、本発明の特徴の一つである。すなわち、活物質層の縦断面を観察したときに、活物質の粒子は、その複数個が、前記の連結部位を介して連結している。粒子どうしの連結の形態に特に制限はない。
特に好ましい形態においては、複数個の粒子が、前記の連結部位を介して数珠状に連結している。
好ましい形態である数珠状の連結は、直線状でもよく、あるいは蛇行状でもよい。また、数珠状の連結は、文字どおり環状になっていてもよく、あるいは非環状でもよい。
更に、数珠状の連結は、一本の線となる態様でもよく、あるいは枝分かれの態様であってもよい。複数の活物質粒子が数珠状に連結していることで、活物質粒子の膨張による体積の増加が、数珠状の連結の再配置によって一層緩和され、充電に伴う電池の厚みの増加が一層抑制される。
このように複数個の活物質粒子が数珠状に連結するようにするには、例えば負極合剤を集電体に塗布した後、後述するように、比較的低温で加熱して乾燥させるようにすればよい。但し、この方法に限定するものではない。急激に乾燥させるのではなく、緩やかに乾燥させることにより、溶媒が揮発する経路が生じ、この経路に沿って活物質粒子が配列されるのではないか、と考えることができる。
【００１７】
以上の有利な効果を一層顕著なものとする観点から、活物質層中に含まれるポリイミド等の割合は、活物質粒子の重量に対して１〜１５重量％、特に２重量％以上或いは１０重量％以下であることが好ましい。活物質層に含まれるポリイミド等の割合は以下の方法により測定することができる。
本発明の負極は、ポリイミド等以外の有機物は含んでいない。したがって、負極の重量から負極に含まれている有機物以外の元素の重量、すなわちＳｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｆ、Ｐ及びＣ等の無機物の重量を差し引くことで有機物の重量を求め、その有機物の重量を活物質層の重量で除することで活物質層中に含まれるポリイミド等の割合を算出することができる。具体的には次の操作を行う。
先ず負極の重量を測定する。また、負極から活物質層を除去して集電体の重量を測定する。次に、負極を完全溶解させて無機物の全重量を、ＩＣＰ発光分析装置を用いて測定する。そして、負極の重量から無機物の全重量を差し引き有機物の重量を算出する。また、無機物の全重量のうち、集電体以外の構成材料の重量を算出し、算出された値と有機物の重量とを足し合わせて活物質層の重量を算出する。そして、有機物の重量を活物質層の重量で除し、更に１００を乗じることで、活物質層に含まれるポリイミド等の割合を算出する。
【００１８】
本発明においては、結着剤として、ポリイミド、ポリアミド及びポリアミドイミドのうちのいずれを用いてもよい。これらは単独で用いてもよく、あるいは２種以上を組み合わせてもよい。更にこれらの結着剤以外の結着剤を更に併用してもよい。
【００１９】
本発明において用いることのできるポリイミド等としては、市販のものを制限なく用いることができる。特にポリアミドとしては、２００〜４００℃のガラス転移点Ｔｇを有するものを用いることが好ましい。ポリアミドイミドとしても、２００〜４００℃のガラス転移点Ｔｇを有するものを用いることが好ましい。
【００２０】
活物質層中には、活物質粒子及びポリイミド等に加え、導電材が含まれていてもよい。
導電材としては、例えば金属微粉や、アセチレンブラック等の導電性炭素材料の粉末等を用いることができる。導電材として金属微粉を用いる場合には、Ｓｎ、Ｚｎ、Ａｇ及びＩｎ等のリチウムイオン伝導性有する金属又はこれらの金属の合金等の微粉を用いることが好ましい。
【００２１】
活物質粒子は、その表面のうち、ポリイミド等が固着していない部位に、リチウム化合物の形成能の低い金属が固着していることも好ましい（以下、この金属を「固着金属」という）。固着金属によって、活物質粒子間の電子伝導性がさらに良好となり、電極の機能低下をさらに防止することができる。
ここでいう「固着」とは、上述したポリイミド等の固着と同義であり、活物質粒子と固着金属との間に機械的な結合力（例えば係合や嵌合等のアンカー効果）又は化学的な結合力が生じるような状態で結合している状態をいう。したがって、活物質粒子と金属粒子とを単に混合して両者が結果的に接触しているだけの状態は「固着」に当たらない。
また「リチウム化合物の形成能が低い」とは、リチウムと金属間化合物若しくは固溶体を形成しないか、又は形成したとしてもリチウムが微量であるか若しくは非常に不安定であることを意味する。
【００２２】
固着金属は、活物質粒子の表面において、該固着金属からなる複数の小粒状体が緻密に固着して、複数の該小粒状体全体として面状に存在していることが好ましい。かつ、活物質粒子は、隣り合う活物質粒子と粒子同士接触すると共に、その接触点の周辺に固着したポリイミド等が互いに連結して連結部位を形成し、さらにまた、部分的には、固着金属からなる１又は複数の小粒状体を介しても連結していることが好ましい。この連結は、上述したポリイミド等からなる連結部位を介した活物質粒子の連結を補強するような態様であることが好ましい。
【００２３】
固着金属は、該固着金属からなる複数の小粒状体が緻密に集合して、活物質層の厚み方向全域にわたって三次元の網目構造を形成していることが好ましい。「緻密に集合」とは、複数の小粒状体が直接に隙間なく寄り集まり、かつ隣り合う小粒状体間において機械的な結合力（例えば係合や嵌合等のアンカー効果）又は化学的な結合力が生じるような状態で存在していることをいう。したがって、活物質粒子と金属粒子とを単に混合しただけの状態においては、該金属粒子は緻密に集合した状態になっていない。
【００２４】
固着金属としては、上述のとおり、リチウム化合物の形成能の低い金属が用いられる。そのような金属としては、例えばＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等又はこれらの金属の合金等が挙げられる。
固着金属からなる小粒状体は、その粒径が、活物質粒子の粒径よりも小さい。小粒状体の平均粒径は０．０６〜１μｍ程度、特に０．０６〜０．５μｍ程度であることが好ましい。ここでいう粒径とは、活物質層の電子顕微鏡像から測定された直径のことである。
【００２５】
活物質粒子に固着金属が固着しているか否かにかかわらず、活物質層中には、非水電解液の流通が可能な空隙が存在していることが好ましい。この空隙は、活物質層の厚み方向全域にわたる三次元網目状であることが好ましい。このような空隙の存在によって、活物質層の全体を有効に利用できる。
【００２６】
本発明の負極は、ポリイミドを用いる場合には、次に述べる方法によって好適に製造される。
まず、負極合剤を、Ｃｕ等からなる集電体の表面に塗布する。負極合剤は、活物質粒子及びポリイミドの前駆体化合物を含む。この前駆体化合物としては、ポリイミドの技術分野においてよく知られている化合物であるポリアミック酸（ポリアミド酸）を用いることができる。負極合剤は、必要に応じ、更に金属微粉やアセチレンブラック等の導電材、前駆体化合物を重合させるための触媒、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の有機溶媒等を含んでいてもよい。特に、導電材として金属微粉、とりわけＳｎ、Ｚｎ、Ａｇ及びＩｎなどのリチウムイオン伝導性の高い金属又はこれらの金属の合金等の微粉を用いることが好ましい。この製造方法においては、負極合剤に、ポリイミドそのものではなく、重合によってポリイミドを生成する化合物である前駆体化合物を含有させる点が重要である。そして、活物質層の形成過程において前駆体化合物を重合させてポリイミドを生成させることで、所望の構造を有する活物質層が得られる。
【００２７】
負極合剤における前駆体化合物の使用量は、活物質粒子１００重量部に対して１〜１５重量部、特に２重量部以上或いは１０重量部以下であることが好ましい。また、導電材を用いる場合には、該導電材の使用量は、活物質粒子１００重量部に対して１〜１０重量部、特に２重量部以上或いは５重量部以下であることが好ましい。
【００２８】
負極合剤を集電体の表面に塗布したら、次いで塗膜を加熱して有機溶剤を揮発させるとともに前駆体化合物の重合を開始させる。
本製造方法においては、前駆体化合物の重合条件を調整することで、活物質粒子の表面にポリイミドを首尾良く面状に固着させることができる。また、ポリイミドからなる連結部位を首尾良く形成することができる。また、活物質粒子と集電体とをポリイミドからなる連結部位で連結することができる。
【００２９】
前駆体化合物の重合条件として、多段階の加熱を行うことが有利であることが、本発明者らの検討の結果判明した。特に、少なくとも２段階、好適には少なくとも３段階、さらに好ましくは４段階の加熱を行うことが有利である。例えば、２段階の加熱を行う場合には、１段階目の加熱を１００〜１５０℃で行うことが好ましく、２段階目の加熱を２００〜４００℃で行うことが好ましい。
加熱時間に関しては、１段階目の加熱時間を２段階目の加熱時間と同じか又はそれよりも長くすることが好ましい。例えば、１段階目の加熱時間を１２０〜３００分、特に１８０分以上或いは２４０分以下に設定し、２段階目の加熱時間を３０〜１２０分、特に３０〜６０分に設定することが好ましい。
【００３０】
３段階の加熱を行う場合には、上述した２段階の加熱において、１段階目と２段階目の中間の加熱温度を採用することが好ましい。
この中間の加熱は、１５０〜１９０℃で行うことが好ましい。加熱時間は、１段階目及び２段階目の時間と同じか又は１段階目と２段階目の中間の時間とすることが好ましい。つまり、３段階の加熱を行う場合には、各段階で加熱時間を同じにするか、又は段階が進むにつれて加熱時間を短くすることが好ましい。
さらに４段階の加熱を行う場合には、３段階目よりも高い加熱温度を採用することが好ましい。
【００３１】
加熱を何段階で行うかにかかわらず、加熱はアルゴン等の不活性雰囲気中で行うことが好ましい。
また、加熱処理のときには、活物質層をガラス板等の押さえ部材で押さえることも好ましい。こうすることで、有機溶媒が潤沢な状態で、つまりポリアミック酸が有機溶媒中にあたかも飽和したような状態で、該ポリアミック酸を重合させることができるので、生成するポリイミドの分子鎖どうしが絡まりやすくなるからである。
【００３２】
以上の多段階加熱を行うことで、負極合剤に含まれている有機溶媒を徐々に揮発させることができ、それによって前駆体化合物を十分に高分子量化させることが可能になるとともに、活物質粒子の表面の広い範囲にわたりポリイミドを固着させることができる。また、ポリイミドからなる連結部位を首尾良く形成することができる。このように、本製造方法においては、いわばinsituの重合によってポリイミドを生成させることで、目的とする構造の活物質層を得ている。また、以上の操作によって、活物質層中にはその厚み方向全域にわたる三次元網目状の空隙が形成される。
【００３３】
結着剤として、ポリアミド及びポリアミドイミドを用いる場合には、上述したポリイミドの場合と異なり、負極合剤中に、活物質の粒子や、アセチレンブラック及び金属微粉等の導電材等に加えて、ポリアミド及び／又はポリアミドイミドを添加して該合剤を調製し、該合剤を集電体の表面に塗布すればよい。
【００３４】
特に結着剤としてポリアミド又はポリアミドイミドを用いる場合には、ポリアミド又はポリアミドイミド及び活物質の粒子を含む負極合剤を集電体の表面に塗布し、その後Ｔｇ−１００℃〜Ｔｇ＋１００℃（該Ｔｇはポリアミド又はポリアミドイミドのガラス転移点を表す）の温度範囲、特にＴｇ−１００℃〜Ｔｇの温度範囲で塗膜を乾燥することで活物質層を形成することが好ましい。このような乾燥を行うことでサイクル特性が一層向上することが、本発明者らの検討の結果判明した。サイクル特性の更に一層の向上は、前記の乾燥をＴｇ−５０℃〜Ｔｇ＋５０℃、中でも特にＴｇ−５０℃〜Ｔｇの温度範囲で行うと一層顕著なものとなる。
ポリアミド又はポリアミドイミドのガラス転移点は、ＴＧ−ＤＴＡ６２００（ＳＩＩ（株）社製）を用いて、Ａｒ雰囲気下、走査速度を５℃／ｍｉｎに設定して測定される。
【００３５】
前記の乾燥は、Ａｒ雰囲気下に、好ましくは１〜５時間、更に好ましくは１〜３時間行われる。
【００３６】
本発明者らが検討した結果、結着剤としてポリアミド又はポリアミドイミドを用いる場合の塗膜の乾燥によるサイクル特性の向上は、乾燥後に、活物質粒子に固着金属を固着させるか否かにかかわらず観察されることが判明した。
【００３７】
このようにして、目的とする構造の活物質層を有する負極が得られる。
活物質層において、活物質粒子に、固着金属を固着させるためには、上述の操作の後に、次に述べる操作を行えばよい。すなわち、上述の操作よって得られた負極を、固着金属のイオンが含まれているめっき液中に浸漬して、活物質粒子間にめっき液を浸透させる。この状態下に電解めっき又は無電解めっきを行い、該活物質層内に固着金属を析出させる。固着金属の析出は、活物質粒子の表面のうち、ポリアミド又はポリアミドイミドが固着していない部位に優先的に生じる。また、固着金属の析出は、該金属の核粒子の発生及び該核粒子の成長を経て行われるので、複数の小粒状体の生成を伴う。その結果、固着金属は、活物質粒子の表面において、該固着金属からなる複数の小粒状体が緻密に固着して、複数の該小粒状体全体として面状に存在するようになる。小粒状体の成長が更に進行すると、隣り合う活物質粒子が、１又は複数の小粒状体を介して連結するようになる。そして、最終的には、固着金属による連続した三次元の網目構造が、活物質層の厚み方向全域にわたって形成される。その結果、活物質の粒子の表面には、ポリアミド又はポリアミドイミドによって被覆されている部位と、固着金属によって被覆されている部位が存在することになる。以上の操作の詳細は、例えば本出願人の先の出願に係る特開２００６−１５５９００号公報に記載されている。
【００３８】
このようにして製造された負極は、正極、セパレータ、非水電解液等とともに用いられて非水電解液二次電池を構成する。
正極は、例えば集電体の少なくとも一面に正極活物質層が形成されてなるものである。正極活物質層には活物質が含まれている。正極活物質としては、当該技術分野において従来知られているものを特に制限なく用いることができる。例えば各種のリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。そのような物質としては、例えばＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＣｏ1/3Ｎｉ1/3Ｍｎ1/3Ｏ2、ＬｉＣｏ0.5Ｎｉ0.5Ｏ2、ＬｉＮｉ0.7Ｃｏ0.2Ｍｎ0.1Ｏ2、Ｌｉ（ＬｉxＭｎ2xＣｏ1-3x）Ｏ2（式中、０＜ｘ＜１／３である）、ＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＭｎ1-zＭzＰＯ4 （式中、０＜ｚ≦０．１であり、ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｚｎ及びＣｕからなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素である。）などが挙げられる。
【００３９】
負極及び正極とともに用いられるセパレータとしては、合成樹脂製不織布、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、又はポリテトラフルオロエチレンの多孔質フィルム等が好ましく用いられる。
【００４０】
非水電解液は、支持電解質であるリチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液からなる。有機溶媒としては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート系有機溶媒、フルオロエチレンカーボネート等の前記カーボネート系有機溶媒の一部をフッ素化したフッ素系有機溶媒等の１種又は２種以上の組み合わせが用いられる。具体的には、フルオロエチレンカーボネート、ジエチルフルオロカーボネート、ジメチルフルオロカーボネート等を用いることができる。リチウム塩としては、ＣＦ3ＳＯ3Ｌｉ、（ＣＦ3ＳＯ2）ＮＬｉ、（Ｃ2Ｆ5ＳＯ2）2ＮＬｉ、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＡ１Ｃｌ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＳｂＦ6、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣ4Ｆ9ＳＯ3等が例示される。これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００４１】
なお、本明細書において「Ｘ〜Ｙ」（Ｘ，Ｙは任意の数字）と表現する場合、特にことわらない限り「Ｘ以上Ｙ以下」の意と共に、「好ましくはＸより大きい」或いは「好ましくはＹより小さい」の意も包含する。
また、「Ｘ以上」（Ｘは任意の数字）或いは「Ｙ以下」（Ｙは任意の数字）と表現した場合、「Ｘより大きいことが好ましい」或いは「Ｙ未満であることが好ましい」旨の意図も包含する。
【実施例】
【００４２】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。【００４３】
〔実施例１〕
（１）負極合剤の調製
Ｓｉの粒子からなる紛体(Ｄ50＝２．７μm)を負極活物質として用いた。該負極活物質１００重量部に対して、導電材（アセチレンブラック）１重量部、ポリイミドの前駆体化合物（ポリアミック酸）７重量部を添加した。更に、負極活物質１００重量部に対して、Ｎ−メチル−２−ピロリドン１００重量部を添加した。これらの混合によって負極合剤を得た。【００４４】
上記のＤ50は、レーザー回折粒度分布測定機用試料循環器（日機装株式会社製「Ｍｉｃｒｏｔｏｒａｃ  Ｎｏ．９３２０−Ｘ１００」）を用い、サンプル（粉体）を水溶性溶媒に投入し、４０ｍＬ/ｓｅｃの流速中、３０ｗｔａａｔｓの超音波を１５０秒間照射した後、日機装株式会社製レーザー回折粒度分布測定機「ＨＲＡ（Ｘ１００）」を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートから求めた値である。【００４５】
（２）負極合剤の塗布及び加熱処理
負極合剤を、厚み１８μｍの電解銅箔上に片面塗布した。次いで、減圧Ａｒ雰囲気下において塗膜を加熱して前駆体化合物の重合を行った。加熱は３段階で行った。１段階目の加熱は、１２０℃で２４０分間行った。２段階目の加熱は、１８０℃で６０分間行った。３段階目の加熱は、２００℃で６０分間行った。加熱の間、塗膜が形成された集電体を、２枚のガラス板に挟持しておいた。
この際、活物質層中に含まれるポリイミドの割合は、活物質粒子の重量に対して７重量％であった。【００４６】
（３）固着金属の析出
本出願人の先の出願に係る特開２００６−１５５９００号公報に記載の方法にしたがい固着金属を析出させた。前項（２）で処理された塗膜を、集電体ごと、以下の浴組成を有するピロリン酸銅浴に浸漬させた。そして電解によって、塗膜に対して銅のめっきを行った。電解の条件は以下のとおりとした。陽極にはＤＳＥを用いた。電源は直流電源を用いた。電解めっきは、塗膜の厚み方向全域にわたって銅が析出した時点で終了させた。このようにして固着金属の析出を行い、目的とする負極を得た。ピロリン酸銅浴におけるＰ2Ｏ7の重量とＣｕの重量との比（Ｐ2Ｏ7／Ｃｕ）は７とした。
・ピロリン酸銅三水和物：１０５ｇ／ｌ
・ピロリン酸カリウム：４５０ｇ／ｌ
・硝酸カリウム：３０ｇ／ｌ
・浴温度：５０℃
・電流密度：３Ａ／ｄｍ2
・ｐＨ：アンモニア水とポリリン酸を添加してｐＨ８．２になるように調整した。【００４７】
このようにして得られた負極の活物質層の縦断面における集電体の界面付近の走査型顕微鏡像を図１に示す。同図から明らかなように、ポリイミド（ＰＩ）はＳｉからなる活物質粒子の表面に面状に固着していた。また、隣り合う活物質粒子どうしが互いに接触すると共に、ポリイミド（ＰＩ）からなる連結部位によって隣り合う活物質粒子どうしが連結し、数珠状になっていた。更に、活物質粒子と集電体も、ポリイミド（ＰＩ）からなる連結部位によって連結していた。【００４８】
また、Ｓｉからなる活物質粒子の表面には、Ｃｕからなる固着金属の小粒状体が多数固着していた。小粒状体は緻密に集合していた。更に、隣り合う活物質粒子は、ポリイミド（ＰＩ）からなる連結部位によって連結すると共に、一部では、Ｃｕからなる固着金属の１個又は複数個の小粒状体を介しても連結していた。【００４９】
〔実施例２〕
実施例１で調製した負極合剤において、前駆体化合物及び導電材の使用量を、負極活物質１００重量部に対してそれぞれ２．５重量部及び３．５重量部とした。これ以外は実施例１と同様にして負極を得た。ポリイミド（ＰＩ）の固着状態は、実施例１と同様であった。
この際、活物質層中に含まれるポリイミドの割合は、活物質粒子の重量に対して３重量％であった。【００５０】
〔比較例１〕
実施例１で調製した負極合剤において、前駆体化合物に代えてスチレンブタジエンゴムを用いた。その使用量は、負極活物質１００重量部に対して２．５重量部とした。また、導電材の使用量を、負極活物質１００重量部に対して３．５重量部とした。これ以外は実施例１と同様にして、負極を得た。実施例１と同様の固着状態であった。得られた負極の活物質層の縦断面における集電体の界面付近を走査型顕微鏡で拡大観察したところ、スチレンブタジエンゴムは、活物質粒子の表面に散点状に固着していた。また、スチレンブタジエンゴムは、隣り合う活物質粒子どうしを連結していなかった。【００５１】
〔評価〕
実施例及び比較例で得られた負極を用いてリチウム二次電池を作製し、充放電を繰り返したときの電池の膨張収縮の程度を測定した。また、充放電のサイクル特性を測定した。二次電池を次の手順で作製した。正極活物質として、ＬｉＮｉ1/3Ｍｎ1/3Ｃｏ1/3Ｏ2に、Ｌｉ1.05Ｎｉ0.7Ｔｉ0.2（Ｍｎ2/3Ｌｉ1/3）0.1Ｏ2を２０重量％添加したものを用いた。これを、アセチレンブラック及びポリフッ化ビニリデンとともに、溶媒であるＮ−メチル−２−ピロリドンに懸濁させ正極合剤を得た。配合の重量比は、正極活物質：アセチレンブラック：ポリフッ化ビニリデン＝８８：６：６とした。この正極合剤をアルミニウム箔（厚さ２０μｍ）からなる集電体にアプリケータを用いて塗布し、１２０℃で乾燥した後、荷重０．５ｔｏｎ／ｃｍのロールプレスを行い、正極を得た。電解液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの１：１体積比混合溶媒に１ｍｏｌ／ｌのＬｉＰＦ6を溶解した溶液を用いた。セパレータとして、ポリプロピレン製多孔質フィルムを用いた。これらを用いて得られたラミネートセル（電極サイズ：負極４２ｍｍ×３１ｍｍ、正極４０ｍｍ×２９ｍｍ）を得た。【００５２】
このラミネートセルについて以下の方法で充放電を繰り返し行い、厚みの変化を測定した。初回充放電時の厚みの変化を図２に示す。また、繰り返し充放電を行ったときの厚みの変化を図３に示す。更に、充放電のサイクル特性を図４に示す。充電は、４．２Ｖまで行い、定電流、定電圧（ＣＣ−ＣＶ）のモードで電流値がＣ／５となったところで充電完了とした。放電は２．７Ｖまで行い、定電流（ＣＣ）のモードとした。充電及び放電のレートは、１回目は０．０５Ｃ、２〜５回目は０．１Ｃ、６回目以降は０．５Ｃとした。ラミネートセルの厚みは、その最大幅広面の中央部の位置においてマイクロメータを用いて測定した。充放電サイクル特性の測定においては、初期の容量に対する各サイクルの容量を百分率で表示した（容量維持率）。【００５３】
図２及び図３に示す結果から明らかなとおり、実施例の負極を用いた電池は、比較例の負極を用いた電池よりも、充放電に起因する電池の厚みの変化が小さいことが判った。また、図４に示す結果から明らかなとおり、実施例の負極を用いた電池は、比較例の負極を用いた電池よりも、良好なサイクル特性を示すことが判った。【００５４】
〔実施例３及び４〕
（１）負極合剤の調製
Ｓｉの粒子からなる紛体(Ｄ50＝２．７μm)を負極活物質として用いた。該負極活物質１００重量部に対して、導電材１重量部、ポリアミドイミド（Ｔｇ＝３２５℃）１０重量部を添加した。更に、負極活物質１００重量部に対して、Ｎ−メチル２−ピロリドン１００重量部を添加した。これらの混合によって負極合剤を得た。【００５５】
（２）負極合剤の塗布及び加熱処理
負極合剤を、厚み１８μｍの電解銅箔上に片面塗布した。次いで、Ａｒ雰囲気下において塗膜を１時間加熱乾燥した。乾燥温度は３００℃（実施例３）及び３５０℃（実施例４）とした。
この際、活物質層中に含まれるポリイミドの割合は、活物質粒子の重量に対して１０重量％であった。【００５６】
〔評価〕
実施例３及び４並びに比較例１で得られた負極を用いてリチウム二次電池を作製し、充放電を繰り返したときのサイクル特性を測定した。二次電池は次の手順で作製した。正極活物質としては金属リチウムを用いた。電解液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの１：１体積比混合溶媒に１ｍｏｌ／ｌのＬｉＰＦ6を溶解した溶液を用いた。セパレータとして、ポリプロピレン製多孔質フィルムを用いた。これらを用いて得られたコインセル（電極サイズ：負極１４ｍｍφ、正極１５ｍｍφ）を得た。【００５７】
このコインセルについて以下の方法で充放電を繰り返し行い、サイクル特性を測定した。充電は、０．００１Ｖまで行い、定電流・定電圧（ＣＣ−ＣＶ）のモードで電流値が０．２Ｃとなったところで充電完了とした。放電は１．５Ｖまで行い、定電流（ＣＣ）のモードとした。充電及び放電のレートは、１回目は０．０５Ｃ、２回目以降は０．１Ｃとした。その結果、１０サイクル充放電後の容量維持率は、実施例３で得られた負極を用いた場合には８６％、実施例４では９１％であるのに対して、比較例１で得られた負極を用いた場合には、５５％という低い値になった。また、実施例３及び４の負極を用いた電池において１サイクル充放電後に電池を解体して負極の状態を電子顕微鏡観察したところ、集電体と活物質粒子との間の結着剤による結合状態は、実施例３及び４で大差はなかった。活物質粒子どうしの結合状態は、実施例３では結着剤による活物質粒子どうしの面状の結合状態が確認されたが、実施例４では結着剤の剥離が一部観察された。【００５８】
〔実施例５〕
（１）負極合剤の調製
Ｓｉの粒子からなる紛体(Ｄ50＝２．７μm)を負極活物質として用いた。該負極活物質１００重量部に対して、導電材（アセチレンブラック）５重量部、ポリイミドの前駆体化合物（ポリアミック酸）５重量部を添加した。さらに、負極活物質１００重量部に対して、Ｎ-メチル-ピロリドン１００重量部を添加した。これらを混合して負極合剤を得た。【００５９】
（２）負極合剤の塗布及び加熱処理
上記の如く得られた負極合剤を、厚み１８μｍの電解銅箔上に片面塗布した。次いで、減圧Ａｒ雰囲気下において塗膜を加熱して前駆体化合物の重合を行い、負極を作製した。この際、加熱は４段階で行った。１段階目の加熱は１２０℃で２４０分間行った。２段階目の加熱は１８０℃で６０分間行った。３段階目の加熱は２００℃で６０分間行った。４段階目の加熱は３００℃で６０分間行った。加熱の間、塗膜が形成された集電体を２枚のガラス板に挟持しておいた。
この際、活物質層中に含まれるポリイミドの割合は、活物質粒子の重量に対して５重量％であった。【００６０】
このようにして得られた負極の活物質層の縦断面における集電体の界面付近を走査型顕微鏡で観察したところ、隣り合う活物質粒子どうしが互いに接触すると共に、ポリイミド（ＰＩ）からなる連結部位によって隣り合う活物質粒子どうしが連結し、数珠状になっていた。更に、活物質粒子と集電体も、ポリイミド（ＰＩ）からなる連結部位によって連結していた。【００６１】
〔比較例２〕
（１）負極合剤の調製
実施例５の負極合剤の調製において、ポリイミドの前駆体化合物に代えてスチレンブタジエンゴムを用いると共に、その添加量を負極活物質１００重量部に対して１０重量部とし、導電材の添加量を負極活物質１００重量部に対して５重量部とした。これ以外は実施例５と同様に負極合剤を調製した。【００６２】
（２）負極合剤の塗布及び加熱処理
上記の如く得られた負極合剤を、厚み１８μｍの電解銅箔上に片面塗布し、次いで、減圧Ａｒ雰囲気下において１２０℃で２４０分間、塗膜を加熱して負極を作製した。加熱の間、塗膜が形成された集電体を２枚のガラス板に挟持しておいた。【００６３】
得られた負極の活物質層の縦断面における集電体の界面付近を走査型顕微鏡で拡大観察したところ、スチレンブタジエンゴムは、活物質粒子の表面に散点状に固着していた。また、スチレンブタジエンゴムは、隣り合う活物質粒子どうしを連結していなかった。【００６４】
〔評価〕
実施例５及び比較例２で得られた負極を直径１４ｍｍの円形に打ち抜き、１６０℃で６時間真空乾燥を施した。そして、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、２０３２型コインセルを組み立てた。この際、対極としては金属リチウムを用いた。電解液としては、エチレンカーポネートとジエチルカーポネートの１：１体積比混合溶媒に１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ6を溶解した溶液を用いた。セバレータとしては、ポリプロピレン製多孔質フィルムを用いた。【００６５】
このようにして得られたコインセルについて、初回充放電時の可逆性を測定した。その結果を図６に示す。また、充放電サイクル特性を測定し、その結果を図７に示す。
これらの試験を行ったときの充電条件は、１サイクル目は０．０５Ｃのレートで０．０１０Ｖまで行い、定電流、定電圧（ＣＣ−ＣＶ）のモードで電流値がＣ／５となったところで充電完了とした。放電条件は０．０５Ｃのレートで１．５Ｖまで行い、定電流（ＣＣ）のモードとした。また、２サイクル目以降は０．１Ｃのレートで行った以外は１サイクル目と同様の条件で行った。【００６６】
図６及び図７に示す結果から明らかなように、実施例の負極を用いたコインセルは、比較例の負極を用いたコインセルよりも、初回充放電時の可逆性が高いことが判った。
【図１】
2012081534.tif 000003
【図２】
2012081534.tif 000004
【図３】
2012081534.tif 000005
【図４】
2012081534.tif 000006
【図５】
2012081534.tif 000007
【図６】
2012081534.tif 000008
【図７】
2012081534.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成24年9月24日(2012.9.24)
【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】
ケイ素を含有する負極活物質の粒子を含む負極活物質層を備え、
前記負極活物質層においては、ポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドが、前記粒子の表面の少なくとも一部に固着しており、かつポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドを介して複数の前記粒子が連結した状態になっており、且つ、負極活物質層の厚み方向全域にわたる三次元網目状の空隙であって、非水電解液の流通が可能な空隙が存在しており、
前記負極活物質層が集電体の表面に形成されており、且つ前記粒子の表面に面状に固着しているポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドを介して、該粒子と集電体とが結合している構成を備えた非水電解液二次電池用負極。
【請求項２】
前記粒子は、その表面のうち、ポリイミド、ポリアミド又はポリアミドイミドが固着していない部位に、リチウム化合物の形成能の低い金属材料が固着しており、該金属を介して前記粒子どうしが連結している請求項１に記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項３】
ポリイミドは、ポリイミドの前駆体化合物及び前記粒子を含む負極合剤を前記集電体の表面に塗布し、次いで該前駆体を重合させることで生じたものである請求項１又は２に記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項４】
ポリアミド又はポリアミドイミドは、該ポリアミド又は該ポリアミドイミド及び前記粒子を含む負極合剤を前記集電体の表面に塗布することで、前記負極活物質層中に含有されたものである請求項１又は２に記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項５】
前記負極活物質層が、ポリアミド又はポリアミドイミド及び前記粒子を含む負極合剤を前記集電体の表面に塗布し、その後Ｔｇ−１００℃〜Ｔｇ＋１００℃（Ｔｇはポリアミド又はポリアミドイミドのガラス転移点を表す）の温度範囲で塗膜を乾燥して形成されたものである請求項４に記載の非水電解液二次電池用負極。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の負極を備えることを特徴とする非水電解液二次電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
前駆体化合物の重合条件として、多段階の加熱を行うことが有利であることが、本発明者らの検討の結果判明した。特に、少なくとも２段階、好適には少なくとも３段階、さらに好ましくは４段階の加熱を行うことが有利である。例えば、２段階の加熱を行う場合には、１段階目の加熱を１００〜１５０℃で行うことが好ましく、２段階目の加熱を２００〜３００℃で行うことが好ましい。
加熱時間に関しては、１段階目の加熱時間を２段階目の加熱時間と同じか又はそれよりも長くすることが好ましい。例えば、１段階目の加熱時間を１２０〜３００分、特に１８０分以上或いは２４０分以下に設定し、２段階目の加熱時間を３０〜１２０分、特に３０〜６０分に設定することが好ましい。
【国際調査報告】
2012081534.tif 000010
2012081534.tif 000011
2012081534.tif 000012
2012081534.tif 000013