(57)【要約】      （修正有）【課題】サイクル耐久性を向上させた、ケイ素系負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池、及びその製造方法を提供する。【解決手段】正極と、ケイ素系負極活物質を含む負極と、非水溶媒およびリチウム塩を含む電解液を有する電解質層と、を有するリチウムイオン二次電池であって、前記負極の硬Ｘ線光電子分光（ＨＡＸＰＥＳ）測定において、以下の（ａ）〜（ｃ）の少なくとも１つに関する特定のパラメータを満たすことを特徴とする、リチウムイオン二次電池である。（ａ）Ｆ１ｓの結合エネルギーに対応するピーク、（ｂ）Ｐ１ｓの結合エネルギーに対応するピーク、（ｃ）Ｏ１ｓの結合エネルギーに対応するピーク【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、
ケイ素系負極活物質を含む負極と、
非水溶媒およびリチウム塩を含む電解液を有する電解質層と、
を有するリチウムイオン二次電池であって、
前記負極の硬Ｘ線光電子分光（ＨＡＸＰＥＳ）測定において、以下の（ａ）〜（ｃ）の少なくとも１つを満たすことを特徴とする、リチウムイオン二次電池：
（ａ）Ｆ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、６８３．５ｅＶ以上６８６ｅＶ未満に強度ＩＦ２を示すピークおよび６８６ｅＶ以上６８８ｅＶ以下に強度ＩＦ１を示すピークを有し、ＩＦ２／ＩＦ１≧１．０である、
（ｂ）Ｐ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、２１４８ｅＶ以上２１５２ｅＶ未満に強度ＩＰ２を示すピークおよび２１５２ｅＶ以上２１５６ｅＶ以下に強度ＩＰ１を示すピークを有し、ＩＰ２／ＩＰ１≧１．０である、
（ｃ）Ｏ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、５２７ｅＶ以上５２９ｅＶ未満に強度ＩＯ２を示すピークおよび５２９ｅＶ以上５３６ｅＶ以下に強度ＩＯ１を示すピークを有し、ＩＯ２／ＩＯ１≧０．１である。
【請求項２】
前記ケイ素系負極活物質は、ケイ素、ケイ素酸化物、またはケイ素含有合金を含む、請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項３】
前記ケイ素系負極活物質は、炭素被覆処理されてなる、請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項４】
前記ケイ素系負極活物質は、表面にＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ、およびＬｉｘＰＦｙから選択される無機化合物を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項５】
前記リチウム塩はＬｉＰＦ６を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項６】
正極と、
ケイ素系負極活物質を含む負極活物質層を有する負極と、
非水溶媒およびリチウム塩を含む電解液を有する電解質層と、
を備えたセルを組み立てた後、
２０℃以上の雰囲気下で、ＳＯＣ≧８０％の状態にした後に、ＳＯＣ≦２０％の状態にし、その後ＳＯＣ≧７０％の状態で、２０℃以上の温度で２４０時間以上保持する段階を含む、リチウムイオン二次電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。本発明のリチウムイオン二次電池は、例えば、電気自動車、燃料電池車およびハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源に用いられる。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が盛んに行われている。
【０００３】
モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。
【０００４】
リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。
【０００５】
従来、リチウムイオン二次電池の負極には充放電サイクルの寿命やコスト面で有利な炭素・黒鉛系材料が用いられてきた。しかし、炭素・黒鉛系の負極材料ではリチウムイオンの黒鉛結晶中への吸蔵・放出により充放電がなされるため、最大リチウム導入化合物であるＬｉＣ６から得られる理論容量３７２ｍＡｈ／ｇ以上の充放電容量が得られないという欠点がある。このため、炭素・黒鉛系負極材料で車両用途の実用化レベルを満足する容量、エネルギー密度を得るのは困難である。
【０００６】
これに対し、負極にＬｉと合金化する材料を用いた電池は、従来の炭素・黒鉛系負極材料と比較しエネルギー密度が向上するため、車両用途における負極材料として期待されている。例えば、Ｓｉ材料は、充放電において下記の反応式（Ａ）のように１ｍｏｌあたり３．７５ｍｏｌのリチウムイオンを吸蔵放出し、Ｌｉ１５Ｓｉ４（＝Ｌｉ３．７５Ｓｉ）においては理論容量３６００ｍＡｈ／ｇである。
【０００７】
【化１】
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【０００８】
しかしながら、負極にＬｉと合金化する材料を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電時の負極での膨張収縮が大きい。例えば、Ｌｉイオンを吸蔵した場合の体積膨張は、黒鉛材料では約１．２倍であるのに対し、Ｓｉ材料ではＳｉとＬｉが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し大きな体積変化（約４倍）を起こすため、電極のサイクル寿命を低下させる問題があった。また、Ｓｉ材料の場合、容量とサイクル耐久性とはトレードオフの関係であり、高容量を示しつつサイクル耐久性を向上させることが困難であるといった問題があった。
【０００９】
ここで、特許文献１には、リチウムイオン二次電池として、エネルギー密度が高く良好なサイクル特性を有し、かつ初回充放電での充放電効率の高い非水電解質二次電池を提供することを課題とした発明が開示されている。具体的には、負極活物質を形成する粒子が、ケイ素と遷移金属とを核とし、周辺にケイ素酸化物を含有し、さらにその周辺に炭素が被覆され、一体化されているものを負極活物質として用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−４４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、本発明者らの検討によれば、上記特許文献１に記載の技術を以てしても、サイクル耐久性が十分ではない場合があることが判明した。
【００１２】
そこで本発明は、負極活物質としてケイ素系負極活物質を用いた場合において、リチウムイオン二次電池のサイクル耐久性を向上させうる手段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】
本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を行った。その結果、硬Ｘ線光電子分光（ＨＡＸＰＥＳ）測定において、所定の結合エネルギーおよび強度を有するピークを示す負極活物質を用いることで、上記課題が解決されることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１４】
すなわち、本発明は、正極と、
ケイ素系負極活物質を含む負極と、
非水溶媒およびリチウム塩を含む電解液を有する電解質層と、
を有するリチウムイオン二次電池であって、
前記負極の硬Ｘ線光電子分光（ＨＡＸＰＥＳ）測定において、以下の（ａ）〜（ｃ）の少なくとも１つを満たすことを特徴とする、リチウムイオン二次電池である。
【００１５】
（ａ）Ｆ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、６８３．５ｅＶ以上６８６ｅＶ未満に強度ＩＦ２を示すピークおよび６８６ｅＶ以上６８８ｅＶ以下に強度ＩＦ１を示すピークを有し、ＩＦ２／ＩＦ１≧１．０である、
（ｂ）Ｐ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、２１４８ｅＶ以上２１５２ｅＶ未満に強度ＩＰ２を示すピークおよび２１５２ｅＶ以上２１５６ｅＶ以下に強度ＩＰ１を示すピークを有し、ＩＰ２／ＩＰ１≧１．０である、
（ｃ）Ｏ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、５２７ｅＶ以上５２９ｅＶ未満に強度ＩＯ２を示すピークおよび５２９ｅＶ以上５３６ｅＶ以下に強度ＩＯ１を示すピークを有し、ＩＯ２／ＩＯ１≧０．１である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るリチウムイオン二次電池の負極活物質は、その表面に、硬Ｘ線光電子分光（ＨＡＸＰＥＳ）測定で観測することができる所定の無機化合物を有する。この無機化合物は、導電性に乏しく、電解質に含まれる溶媒の分解を抑制する。また、ケイ素系負極活物質の表面を物理的に強固に被覆するため、充放電に伴うケイ素系負極活物質粒子の膨張収縮により生じる応力を緩和する。これらが複合的に作用する結果、リチウムイオン二次電池のサイクル耐久性の向上がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の代表的な一実施形態である積層型の扁平な非双極型リチウムイオン二次電池の概要を模式的に表した断面概略図である。
【図２】図２は、本発明の代表的な実施形態である積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を模式的に表した斜視図である。
【図３Ａ】実施例１および比較例１で作製した電池の負極活物質のＨＡＸＰＥＳによる分析結果であり、Ｆ１ｓスペクトルを示す。
【図３Ｂ】実施例１および比較例１で作製した電池の負極活物質のＨＡＸＰＥＳによる分析結果であり、Ｐ１ｓスペクトルを示す。
【図３Ｃ】実施例１および比較例１で作製した電池の負極活物質のＨＡＸＰＥＳによる分析結果であり、Ｏ１ｓスペクトルを示す。
【図３Ｄ】実施例１および比較例１で作製した電池の負極活物質のＨＡＸＰＥＳによる分析結果であり、Ｃ１ｓスペクトルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の一形態は、正極と、
ケイ素系負極活物質を含む負極と、
非水溶媒およびリチウム塩を含む電解液を有する電解質層と、
を有するリチウムイオン二次電池であって、
前記負極の硬Ｘ線光電子分光（ＨＡＸＰＥＳ）測定において、以下の（ａ）〜（ｃ）の少なくとも１つを満たすことを特徴とする、リチウムイオン二次電池である。
【００１９】
（ａ）Ｆ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、６８３．５ｅＶ以上６８６ｅＶ未満に強度ＩＦ２を示すピークおよび６８６ｅＶ以上６８８ｅＶ以下に強度ＩＦ１を示すピークを有し、ＩＦ２／ＩＦ１≧１．０である、
（ｂ）Ｐ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、２１４８ｅＶ以上２１５２ｅＶ未満に強度ＩＰ２を示すピークおよび２１５２ｅＶ以上２１５６ｅＶ以下に強度ＩＰ１を示すピークを有し、ＩＰ２／ＩＰ１≧１．０である、
（ｃ）Ｏ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、５２７ｅＶ以上５２９ｅＶ未満に強度ＩＯ２を示すピークおよび５２９ｅＶ以上５３６ｅＶ以下に強度ＩＯ１を示すピークを有し、ＩＯ２／ＩＯ１≧０．１である。
【００２０】
本形態に係るリチウムイオン二次電池によれば、サイクル耐久性の向上が可能となる。
【００２１】
以前より、ケイ素系負極活物質を含むリチウムイオン二次電池においては、そのサイクル耐久性を改善するために、ケイ素系負極活物質粒子の表面修飾が検討されてきた。これは、ケイ素系負極活物質粒子の表面を炭素被覆などによって修飾することで、ケイ素系負極活物質粒子の膨張収縮により生じる応力を緩和できるためと考えられる。
【００２２】
しかしながら、本発明者らの検討によると、ケイ素系負極活物質の炭素被覆などの表面修飾によりサイクル耐久性は改善されるものの、十分ではないことが判明した。この点についてさらなる検討を進めたところ、炭素材料は導電性を有することから、充放電反応を繰り返すうちに電解質の還元分解による劣化が進行しやすくなることを本発明者らは見出した。これにより、サイクル特性が低下するものと思われる。
【００２３】
これに対して、本発明では、ケイ素系負極活物質粒子の表面に、硬Ｘ線光電子分光測定で観測することができる所定のＬｉを含む無機化合物を有する。この無機化合物は、導電性に乏しく、電解質に含まれる有機溶媒の分解を抑制する。また、ケイ素系負極活物質の表面を物理的に強固に被覆するため、充放電に伴うケイ素系負極活物質粒子の膨張収縮により生じる応力を緩和する。これらが複合的に作用する結果、リチウムイオン二次電池のサイクル耐久性の向上がもたらされるものと考えられる。
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本発明のリチウムイオン二次電池の実施形態を説明する。但し、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００２５】
まず、本発明に係るリチウムイオン二次電池では、セル（単電池層）の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる。そのため本実施形態のリチウムイオン二次電池では、車両の駆動電源用や補助電源用として優れている。その結果、車両の駆動電源用等のリチウムイオン二次電池として好適に利用できる。このほかにも、携帯電話などの携帯機器向けのリチウムイオン二次電池にも十分に適用可能である。
【００２６】
例えば、上記リチウムイオン二次電池を形態・構造で区別した場合には、積層型（扁平型）電池、巻回型（円筒型）電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型（扁平型）電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。
【００２７】
また、リチウムイオン二次電池内の電気的な接続形態（電極構造）で見た場合、非双極型（内部並列接続タイプ）電池および双極型（内部直列接続タイプ）電池のいずれにも適用し得るものである。
【００２８】
したがって、以下の説明では、非双極型（内部並列接続タイプ）リチウムイオン二次電池につき図面を用いてごく簡単に説明する。但し、本実施形態のリチウムイオン二次電池の技術的範囲が、これらに制限されるべきものではない。
【００２９】
＜電池の全体構造＞
図１は、本発明の代表的な一実施形態である、扁平型（積層型）のリチウムイオン二次電池（以下、単に「積層型電池」ともいう）の全体構造を模式的に表した断面概略図である。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態の積層型電池１０は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素２１が、外装体であるラミネートシート２９の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素２１は、正極集電体１２の両面に正極活物質層１５が配置された正極と、電解質層１７と、負極集電体１１の両面に負極活物質層１３が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、１つの正極活物質層１５とこれに隣接する負極活物質層１３とが、電解質層１７を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。
【００３１】
これにより、隣接する正極、電解質層、および負極は、１つの単電池層１９を構成する。したがって、図１に示す積層型電池１０は、単電池層１９が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素２１の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層１５が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図１とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素２１の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面または両面に負極活物質層が配置されているようにしてもよい。
【００３２】
正極集電体１２および負極集電体１１は、各電極（正極および負極）と導通される正極集電板２７および負極集電板２５がそれぞれ取り付けられ、ラミネートシート２９の端部に挟まれるようにしてラミネートシート２９の外部に導出される構造を有している。正極集電板２７および負極集電板２５は、それぞれ必要に応じて正極リードおよび負極リード（図示せず）を介して、各電極の正極集電体１２および負極集電体１１に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。
【００３３】
以下、リチウムイオン二次電池の主要な構成部材について説明する。
【００３４】
＜活物質層＞
活物質層１３または１５は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
【００３５】
［正極活物質層］
正極活物質層１５は、正極活物質を含む。
【００３６】
（正極活物質）
正極活物質としては、例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、Ｌｉ（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ）Ｏ２およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられ、さらに好ましくはＬｉ（Ｎｉ−Ｍｎ−Ｃｏ）Ｏ２およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの（以下、単に「ＮＭＣ複合酸化物」とも称する）が用いられる。ＮＭＣ複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属（Ｍｎ、ＮｉおよびＣｏが秩序正しく配置）原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Ｍの１原子あたり１個のＬｉ原子が含まれ、取り出せるＬｉ量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の２倍、つまり供給能力が２倍になり、高い容量を持つことができる。
【００３７】
ＮＭＣ複合酸化物は、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｙ、Ｓｎ、Ｖ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎなどが挙げられ、好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｒであり、より好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｒであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｒである。
【００３８】
ＮＭＣ複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式（１）：ＬｉａＮｉｂＭｎｃＣｏｄＭｘＯ２（但し、式中、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｘは、０．９≦ａ≦１．２、０＜ｂ＜１、０＜ｃ≦０．５、０＜ｄ≦０．５、０≦ｘ≦０．３、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満たす。ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｒから選ばれる元素で少なくとも１種類である）で表される組成を有する。ここで、ａは、Ｌｉの原子比を表し、ｂは、Ｎｉの原子比を表し、ｃは、Ｍｎの原子比を表し、ｄは、Ｃｏの原子比を表し、ｘは、Ｍの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、一般式（１）において、０．４≦ｂ≦０．６であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、プラズマ（ＩＣＰ）発光分析法により測定できる。
【００３９】
一般に、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）およびマンガン（Ｍｎ）は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ｔｉ等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点からは、遷移元素の一部が他の金属元素により置換されていることが好ましく、特に一般式（１）において０＜ｘ≦０．３であることが好ましい。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃａ、ＳｒおよびＣｒからなる群から選ばれる少なくとも１種が固溶することにより結晶構造が安定化されるため、その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。
【００４０】
具体的には、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉ０．９Ｃｏ０．１Ｏ２、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．２Ｏ２、ＬｉＮｉ０．５Ｃｏ０．５Ｏ２、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１８Ｍｎ０．０２Ｏ２、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１Ｍｎ０．１Ｏ２、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉ０．９Ｃｏ０．１Ａｌ０．１Ｏ２、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２、ＬｉＮｉ０．６Ｃｏ０．１Ｍｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ２などが例示される。
【００４１】
好ましい実施形態としては、一般式（１）において、ｂ、ｃおよびｄが、０．４４≦ｂ≦０．５１、０．２７≦ｃ≦０．３１、０．１９≦ｄ≦０．２６であることが、容量と寿命特性とのバランスを向上させるという観点からは好ましい。例えば、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．３Ｃｏ０．２Ｏ２は、一般的な民生電池で実績のあるＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２などと比較して、単位重量あたりの容量が大きく、エネルギー密度の向上が可能となることでコンパクトかつ高容量の電池を作製できるという利点を有しており、航続距離の観点からも好ましい。なお、より容量が大きいという点ではＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１Ａｌ０．１Ｏ２がより有利であるが、寿命特性に難がある。これに対し、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．３Ｃｏ０．２Ｏ２はＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２並みに優れた寿命特性を有しているのである。
【００４２】
場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
【００４３】
正極活物質層１５に含まれる正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは０．５〜３０μｍであり、より好ましくは５〜２０μｍである。なお、本明細書において、「粒子径」とは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察手段を用いて観察される活物質粒子（観察面）の輪郭線上の任意の２点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、本明細書において、「平均粒子径」の値は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。他の構成成分の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。
【００４４】
正極活物質層１５は、バインダを含みうる。
【００４５】
（バインダ）
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。正極活物質層に用いられるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、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）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ−ＨＦＰ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ−ＨＦＰ−ＴＦＥ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ−ＰＦＰ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ−ＰＦＰ−ＴＦＥ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ−ＰＦＭＶＥ−ＴＦＥ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ−ＣＴＦＥ系フッ素ゴム）等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアミドイミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、１種単独で用いてもよいし、２種併用してもよい。
【００４６】
正極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは活物質層に対して、０．５〜１５質量％であり、より好ましくは１〜１５質量％である。
【００４７】
正極（正極活物質層）は、特に制限されないが、通常のスラリーを塗布（コーティング）する方法のほか、混練法、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、イオンプレーティング法および溶射法などの方法によって形成することができる。
【００４８】
［負極活物質層］
負極活物質層１３は、負極活物質を含む。
【００４９】
（負極活物質）
負極活物質は、放電時にリチウムイオンを放出し、充電時にリチウムイオンを吸蔵できる機能を有する。本形態では、ケイ素（Ｓｉ）を含むケイ素系負極活物質が用いられる点に特徴を有する。前述したように、ケイ素系負極活物質を用いて負極活物質層を構成すると、従来の炭素・黒鉛系負極活物質を用いた場合と比較して、高いエネルギー密度が達成されうる。
【００５０】
ケイ素系負極活物質としては、特に制限はないが、高い容量およびサイクル耐久性を得る観点から、Ｓｉ単体、ＳｉＯ２、およびＳｉＯなどのケイ素酸化物、ケイ素含有合金などが挙げられる。なかでも高いサイクル耐久性の実現が可能なことから、下記化学式（１）の組成を有するケイ素含有合金を含むことが好ましい。
【００５１】
【化２】
2020021683.tif 000004
【００５２】
式中、Ａは、不可避不純物であり、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属元素であり、ｘ、ｙ、ｚ、およびａは、質量％の値を表し、この際、０＜ｘ＜１００、０＜ｙ＜１００、０＜ｚ＜１００、および０≦ａ＜０．５であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ａ＝１００である。
【００５３】
なお、本明細書において、「不可避不純物」とは、ケイ素含有合金において、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりするものを意味する。当該不可避不純物は、本来は不要なものであるが、微量であり、ケイ素含有合金の特性に影響を及ぼさないため、許容されている不純物である。
【００５４】
上記化学式（１）で表されるケイ素含有合金は、Ｓｉ、ＳｎおよびＭ（遷移金属）の少なくとも三元系である。このように、Ｓｉ、ＳｎおよびＭの少なくとも三元系であることにより、優れたサイクル耐久性が発揮されうる。
【００５５】
なかでも、添加元素（遷移金属元素Ｍ）としてＴｉを選択することで、Ｌｉ合金化の際に、より一層アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、従来の負極活物質（例えば、炭素系負極活物質）よりも高容量のものとなる。したがって、本発明の好ましい実施形態によると、上記化学式（１）で表される組成において、Ｍがチタン（Ｔｉ）であることが好ましい。
【００５６】
ここで、Ｌｉ合金化の際にアモルファス−結晶の相転移を抑制することが好ましいのは、以下の理由による。Ｓｉ材料は、充電時にＳｉとＬｉとが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し大きな体積変化（約４倍）を起こすため、活物質粒子自体が壊れてしまい、活物質としての機能が失われる。そのため、アモルファス−結晶の相転移を抑制することで、粒子自体の崩壊を抑制し、活物質としての機能（高容量）を保持することができ、その結果、サイクル寿命を向上させることが可能となるためである。かかる添加元素（遷移金属元素Ｍ）を選定することにより、高容量でサイクル特性に優れたケイ素含有合金とすることができる。
【００５７】
上述したように、本実施形態に係るケイ素含有合金（ＳｉｘＳｎｙＭｚＡａの組成を有するもの）は、Ｓｉ、ＳｎおよびＭ（遷移金属）の三元系である。ここで、各構成元素の
構成比（質量比ｘ、ｙ、ｚ）の合計は１００質量％であるが、ｘ、ｙ、ｚのそれぞれの値について特に制限はない。ただし、ｘについては、充放電（Ｌｉイオンの挿入脱離）に対する耐久性の保持および初期容量のバランスという観点から、好ましくは６０≦ｘ≦７３
であり、より好ましくは６０≦ｘ≦７０である。また、ｙについては、充放電時の可逆的Ｌｉイオンの挿入脱離を可能にするという観点から、好ましくは２≦ｙ≦１５であり、より好ましくは２≦ｙ≦１０であり、さらに好ましくは５≦ｙ≦１０である。そして、ｚについては、ｘと同様に充放電（Ｌｉイオンの挿入脱離）に対する耐久性の保持および初期容量のバランスという観点から、好ましくは２５≦ｚ≦３５であり、より好ましくは２７≦ｚ≦３３であり、さらに好ましくは２８≦ｚ≦３０である。
【００５８】
Ａは前述のように、原料や製法に由来する上記３成分以外の不純物（不可避不純物）である。前記ａ（すなわち、残部）は、０≦ａ＜０．５であり、０≦ａ＜０．１であることが好ましい。
【００５９】
なお、負極活物質（ケイ素含有合金）が上記化学式（１）の組成を有するか否かは、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）による定性分析、および誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法による定量分析により確認することが可能である。
【００６０】
本実施形態における負極活物質を構成するケイ素系負極活物質の粒子径は特に制限されないが、平均粒子径として、好ましくは０．１〜２０μｍであり、より好ましくは０．２〜１０μｍである。
【００６１】
（ケイ素含有合金の製造方法）
ケイ素含有合金の製造方法について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうるが、例えば、以下のような工程を有する製造方法が用いられる。
【００６２】
まず、ケイ素含有合金の原料を混合して混合粉末を得る工程を行う。この工程では、得られる負極活物質（ケイ素含有合金）の組成を考慮して、当該合金の原料を混合する。当該合金の原料としては、負極活物質として必要な元素の比率を実現できれば、その形態などは特に限定されない。例えば、負極活物質を構成する元素単体を、目的とする比率に混合したものや、目的とする元素比率を有する合金、固溶体、または金属間化合物を用いることができる。また、通常は粉末状態の原料を混合する。これにより、原料からなる混合粉末が得られる。
【００６３】
続いて、上記で得られた混合粉末に対して合金化処理を行う。これにより、リチウムイオン二次電池用負極活物質として用いることが可能なケイ素含有合金が得られる。
【００６４】
合金化処理の手法としては、固相法、液相法、気相法があるが、例えば、メカニカルアロイ法やアークプラズマ溶融法、鋳造法、ガスアトマイズ法、液体急冷法、イオンビームスパッタリング法、真空蒸着法、メッキ法、気相化学反応法などが挙げられる。なかでも、メカニカルアロイ法を用いて合金化処理を行うことが好ましい。メカニカルアロイ法により合金化処理を行うことで、相の状態の制御を容易に行うことができるため、好ましい。また、合金化処理を行う前に、原材料を溶融する工程や前記溶融した溶融物を急冷して凝固させる工程が含まれてもよい。
【００６５】
特に、合金化処理の時間が１２時間以上であれば、所望のサイクル耐久性を発揮させうる負極活物質（ケイ素含有合金）を得ることができる。なお、合金化処理の時間は、好ましくは２０時間以上である。なお、合金化処理のための時間の上限値は特に設定されないが、通常は７２時間以下であればよい。
【００６６】
上述した手法による合金化処理は、通常乾式雰囲気下で行われるが、合金化処理後の粒度分布は大小の幅が非常に大きい場合がある。このため、粒度を整えるための粉砕処理および／または分級処理を行うことが好ましい。
【００６７】
以上、負極活物質層に含まれるケイ素系負極活物質について説明したが、負極活物質層はその他の負極活物質を含んでいてもよい。上記ケイ素系負極活物質以外の負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどのカーボン、あるいはＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉＯ２などの金属酸化物、Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４もしくはＬｉ７ＭｎＮなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物（複合窒化物）、Ｌｉ−Ｐｂ系合金、Ｌｉ−Ａｌ系合金、Ｌｉなどが挙げられる。ただし、上記ケイ素系負極活物質を負極活物質として用いることにより奏される作用効果を十分に発揮させるという観点からは、負極活物質の全量１００質量％に占める上記ケイ素系負極活物質の含有量は、好ましくは５０〜１００質量％であり、より好ましくは８０〜１００質量％であり、さらに好ましくは９０〜１００質量％であり、特に好ましくは９５〜１００質量％であり、最も好ましくは１００質量％である。
【００６８】
（ケイ素系負極活物質表面への炭素系材料の担持（被覆））
本実施形態では、前記ケイ素系負極活物質は、炭素被覆処理されていることが好ましい。特には、炭素被覆処理されて表面に炭素系材料が担持（被覆）されたケイ素含有合金（炭素担持ケイ素含有合金）またはケイ素酸化物（炭素担持ケイ素酸化物）であることが好ましい。このようにすることで、負極活物質粒子全体の導電性が向上するため、より高い容量および高いサイクル耐久性が得られうる。なお、ここで用いる炭素系材料には、繰り返し充放電できないので活物質にあたらない（導電性）炭素材料、即ち、Ｌｉイオンの挿入脱離の起こりにくいまたは起こらない低結晶性を有する、活物質の定義にあてはまらない（導電性）炭素材料を用いるのがよい。
【００６９】
本明細書において、「担持」または「被覆」とは、上記炭素系材料がケイ素系負極活物質の少なくとも一部の表面に化学的または物理的に結合していることを意味する。ケイ素系負極活物質の表面に炭素系材料が担持（被覆）したか否かは、製造したまたは電極から採取（分離）した炭素系材料が担持されたケイ素系負極活物質において、上記炭素系材料がケイ素系負極活物質粒子に付着した状態で観察されることによって確認できる。本実施形態ではケイ素系負極活物質粒子の上記炭素系材料による被覆率が１５ｍｏｌ％以上である場合を「ケイ素系負極活物質の表面に炭素系材料が担持（被覆）した」状態であるとする。このため、従来、行っているような負極活物質、導電助剤（炭素系材料；この導電助剤も通常、活物質にあたらない（導電性）炭素材料が用いられている）およびバインダとの単純な混合によっては、導電助剤は負極活物質には担持されないか、またはケイ素系負極活物質の上記炭素系材料による被覆率が１５ｍｏｌ％未満でしか担持されない。なお、炭素系材料のケイ素系負極活物質表面への担持（被覆）状態は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の公知の手段によって、容易に確認できる。
【００７０】
ケイ素系負極活物質表面の上記炭素系材料の存在により、ケイ素系負極活物質（粒子）表面と電解液との反応性をより一層抑制することができる。そのため、過剰な電解液の分解反応、およびそれに伴う副反応物の生成をより一層抑制することが可能となる。
【００７１】
ここで、ケイ素系負極活物質の上記炭素系材料による被覆率（担持率）は、サイクル特性（サイクル耐久性）のより一層の向上効果、導電性のより一層の向上効果などを考慮すると、好ましくは５０〜４００ｍｏｌ％であり、より好ましくは１００〜４００ｍｏｌ％であり、さらにより好ましくは２５０〜４００ｍｏｌ％である。
【００７２】
本明細書において、「ケイ素系負極活物質の炭素系材料による被覆率（担持率）」は、以下のような方法で測定・算出した値を採用する。なお、本明細書では、「ケイ素系負極活物質の炭素系材料による被覆率（担持率）（ｍｏｌ％）」を単に「炭素被覆率（ｍｏｌ％）」とも称する。
【００７３】
＜ケイ素系負極活物質の炭素系材料による被覆率（担持率）の測定＞
上記炭素系材料が担持されたケイ素系負極活物質の炭素被覆率は、下記測定条件で、オージェ電子分光法を用いて、ケイ素のモル比率および炭素のモル比率を測定する。
【００７４】
【化３】
2020021683.tif 000005
【００７５】
次に、上記で測定されたケイ素のモル比率および炭素のモル比率を用いて、下記式に従って、ケイ素のモル比率に対する炭素のモル比率を算出し、得られた値を炭素被覆率（ｍｏｌ％）とする。
【００７６】
【数１】
2020021683.tif 000006
【００７７】
炭素系材料は、特に制限されず、通常、導電助剤として使用される炭素系材料が使用できる。具体的には、アセチレンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、チャンネルブラック、グラファイト（導電助剤と同程度に微粉化されたものであって、活物質としての炭素材料とは粒子サイズの観点から明確に区別されるものである）が挙げられる。これらのうち、担持維持性の観点から、上記炭素系材料は、上記したように繰り返し充放電できないので活物質にあたらない導電性炭素材料、即ち、Ｌｉイオンの挿入脱離の起こりにくいまたは起こらない低結晶性を有する導電性炭素材料であることが好ましい。具体的には、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラックを使用することが好ましい。また、炭素系材料の形状は、粒子形態が好ましい。炭素系材料の大きさは、導電助剤より微粉化されたものが好ましい。例えば、上記炭素系材料が粒子形態の場合には、平均粒子径（二次粒子径）が、好ましくは５〜１００ｎｍであり、より好ましくは１０〜３０ｎｍである。このような大きさであれば、上記炭素系材料が容易にケイ素系負極活物質表面に担持できる。また、このような大きさであれば、上記炭素系材料がケイ素系負極活物質表面に均一に担持できる。
【００７８】
上記方法において、ケイ素系負極活物質および上記炭素系材料の混合比は、特に制限されない。具体的には、上記炭素系材料を、ケイ素系負極活物質に対して、好ましくは０．１〜２５質量％の割合で、より好ましくは０．５〜１０質量％の割合で、特に好ましくは０．５〜５質量％の割合で、ケイ素系負極活物質と混合する。このような混合比によると、炭素系材料がケイ素系負極活物質表面に均一に担持（被覆）できる。
【００７９】
また、上記方法において、上記炭素系材料をケイ素系負極活物質表面に化学的または物理的に担持（被覆）させるための処理方法は、特に制限されない。例えば、剪断、圧縮、衝撃によりケイ素系負極活物質中に炭素系材料の少なくとも一部を埋設、あるいはケイ素系負極活物質と炭素の表面で一部化学的に結合させる方法などが挙げられる。より具体的には、ボールミリング、メカノケミカル法、乾式粒子複合化法などが挙げられる。
【００８０】
上記炭素系材料をケイ素系負極活物質表面に化学的または物理的に担持（被覆）させるための物理的または化学的な処理条件は、特に制限されず、使用される方法によって適切に選択できる。例えば、メカノケミカル法を使用する場合には、回転速度（処理回転速度）が、好ましく３０００〜８０００ｒｐｍ、より好ましくは４０００〜５０００ｒｐｍである。処理時間は、好ましく１０〜９０分、より好ましくは５０〜７０分である。このような条件であれば、炭素系材料を、上記好ましい被覆率（担持率）でケイ素系負極活物質表面に担持（被覆）できる。また、炭素系材料がケイ素系負極活物質の表面に均一に担持される。
【００８１】
（ケイ素系負極活物質表面の無機化合物）
本実施形態のリチウムイオン二次電池においては、上記ケイ素系負極活物質の表面に、リチウムを含む無機化合物であるＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ、またはＬｉｘＰＦｙを含む。上記無機化合物は、ケイ素系負極活物質の表面の少なくとも一部を被覆していることが好ましい。
【００８２】
上記無機化合物は、ケイ素系負極活物質の表面上でリチウム塩が還元分解されることにより生成しうる。また、リチウム塩と酸素原子を含む非水溶媒との反応によっても生じうる。
【００８３】
上記無機化合物の存在は、硬Ｘ線光電子分光法（ＨＡＸＰＥＳ）によるケイ素系負極活物質の測定により、確認することができる。これらの化合物のＨＡＸＰＥＳによる結合エネルギーのピーク領域、およびＬｉＰＦ６の結合エネルギーのピーク領域は以下の通りである。ここで、硬Ｘ線光電子分光測定は、後述の実施例に記載の方法で行うことができる。
【００８４】
ＬｉＦ：Ｆ１ｓスペクトルにおいて、６８３．５ｅＶ以上６８６ｅＶ未満
ＬｉｘＰＦｙ：Ｐ１ｓスペクトルにおいて、２１４８ｅＶ以上２１５２ｅＶ未満
Ｌｉ２Ｏ：Ｏ１ｓスペクトルにおいて、５２７ｅＶ以上５２９ｅＶ未満。
【００８５】
本実施形態の所期の効果を達成するためには、これらのピーク強度が、下記の（ａ）〜（ｃ）の少なくとも１つを満たす。
【００８６】
（ａ）Ｆ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、６８３．５ｅＶ以上６８６ｅＶ未満に強度ＩＦ２を示すピークおよび６８６ｅＶ以上６８８ｅＶ以下に強度ＩＦ１を示すピークを有し、ＩＦ２／ＩＦ１≧１．０である、
（ｂ）Ｐ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、２１４８ｅＶ以上２１５２ｅＶ未満に強度ＩＰ２を示すピークおよび２１５２ｅＶ以上２１５６ｅＶ以下に強度ＩＰ１を示すピークを有し、ＩＰ２／ＩＰ１≧１．０である、
（ｃ）Ｏ１ｓの結合エネルギーに対応するピークとして、５２７ｅＶ以上５２９ｅＶ未満に強度ＩＯ２を示すピークおよび５２９ｅＶ以上５３６ｅＶ以下に強度ＩＯ１を示すピークを有し、ＩＯ２／ＩＯ１≧０．１である。
【００８７】
本実施形態のリチウムイオン二次電池においては、上記（ａ）〜（ｃ）のうち２つ以上を満たすことが好ましく、上記（ａ）〜（ｃ）のすべてを満たすことがさらに好ましい。
【００８８】
上記（ａ）において、６８３．５ｅＶ以上６８６ｅＶ未満の強度ＩＦ２を示すピークはＬｉＰＦ６の分解物であるＬｉＦに帰属されるピークでありうる。６８６ｅＶ以上６８８ｅＶ以下の強度ＩＦ１を示すピークはＬｉＰＦ６に帰属されるピークでありうる。（図３Ａ）。好ましくは、ＩＦ２／ＩＦ１≧１．１である。
【００８９】
上記（ｂ）において、２１４８ｅＶ以上２１５２ｅＶ未満の強度ＩＰ２を示すピークはＬｉＰＦ６の分解物であるＬｉｘＰＦｙに帰属されるピークまたはＬｉＰＯｘＦｙに帰属されるピークでありうる。２１５２ｅＶ以上２１５６ｅＶ以下の強度ＩＰ１を示すピークはＬｉＰＦ６に帰属されるピークでありうる（図３Ｂ）。好ましくは、ＩＰ２／ＩＰ１≧１．１である
上記（ｃ）において、５２７ｅＶ以上５２９ｅＶ未満の強度ＩＯ２を示すピークはＬｉＰＦ６の分解物であるＬｉ２Ｏに帰属されるピークでありうる。５２９ｅＶ以上５３６ｅＶ以下の強度ＩＯ１を示すピークはＬｉ２ＣＯ３／ＬｉＯＨに帰属されるピークでありうる（図３Ｃ）。好ましくは、ＩＯ２／ＩＯ１≧０．１２である。
【００９０】
ＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ、およびＬｉｘＰＦｙから選択される無機化合物は、ケイ素含有合金や炭素材料と比較して、導電性が低い。導電性を有する負極活物質と電解液とが直接接触すると、電解質に含まれる有機溶媒が酸化分解されやすくなり、電解質の劣化が生じやすくなる。これに対して、上記の導電性の低い無機化合物で被覆することで、負極活物質と電解液との直接的な接触を低減できるため、充放電サイクルを繰り返しても有機溶媒の酸化分解が生じにくい。その結果、電解質の劣化が抑制され、電池のサイクル耐久性が向上しうるものと考えられる。
【００９１】
また、ＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ、およびＬｉｘＰＦｙから選択される無機化合物は、ケイ素系負極活物質の表面に物理的に強固に被覆されることから、充放電に伴うケイ素系負極活物質の膨張収縮時に生じる応力を緩和することができる。そのため、ケイ素系負極活物質の耐久性が向上しうるものと考えられる。
【００９２】
ＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ、およびＬｉｘＰＦｙから選択される無機化合物をケイ素系負極活物質の表面に存在させることによって、上記のように電解質に含まれる有機溶媒の分解が抑制される。有機溶媒の分解に伴う負極の劣化は、ケイ素系負極活物質について硬Ｘ線光電子分光法（ＨＡＸＰＥＳ）を用いてＣ１ｓスペクトルを測定することで確認することができる。図３Ｄに示されるように、所定の結合エネルギーおよび強度を有するピークを示す負極では、充放電を繰り返す前後でＣ１ｓスペクトルに大きな変化はみられない。これに対して、当該ピークを有さない負極では、充放電を繰り返すと、２８５ｅＶ付近のＣ−Ｃ／Ｃ−Ｈに帰属されるピークの強度が相対的に減少し、２９３ｅＶ付近のＣＯ３２−に帰属されるピークの強度が相対的に増加する。これは、電解質中の有機溶媒の分解物が活物質表面に被覆されていることを示すものと考えられる。
【００９３】
（製造方法）
負極のＨＡＸＰＥＳ測定において、所定の結合エネルギーおよび強度を有するピークを示すリチウムイオン二次電池を得る方法については特に制限されない。例えば、正極と、ケイ素系負極活物質を含む負極活物質層を有する負極と、非水溶媒およびリチウム塩を含む電解液を有する電解質層と、を備えたセルを組み立てた後、２０℃以上の雰囲気下で、ＳＯＣ≧８０％の状態にした後に、ＳＯＣ≦２０％の状態にし、その後ＳＯＣ≧７０％の状態で、２０℃以上の温度で２４０時間以上保持する段階を含む、方法によって製造することができる。上記方法によれば、本発明のリチウムイオン二次電池が効率的に得られうる。
【００９４】
なお、上記のリチウムイオン二次電池のセルは、従来公知の製造方法により製造することができる。セルを組み立てた後、２０℃以上の雰囲気下で、ＳＯＣ≧８０％の状態にした後に、ＳＯＣ≦２０％の状態にし、その後ＳＯＣ≧７０％の状態で、２０℃以上の温度で２４０時間以上保持する前処理工程を行う。
【００９５】
一般的な電池の前処理工程は、電池の不具合検査（短絡検査）を目的として、はじめにＳＯＣ≧８０％の状態にして、そのまま保持する工程を行う。しかしながら、本実施形態の方法では、ＳＯＣ≧８０％の状態にした後、ＳＯＣ≦２０％の状態にし、その後ＳＯＣ≧７０％の状態で、２０℃以上の温度で２４０時間以上保持する工程を行う。これによって負極活物質表面への所定の無機化合物の被覆が生じる。
【００９６】
すなわち、２０℃以上の雰囲気下で、ＳＯＣ≧８０％の状態まで充電することにより、高ＳＯＣの状態でリチウム塩、非水溶媒の分解が生じやすいことから、ケイ素系負極活物質の表面上にリチウム塩、非水溶媒の分解物で被覆される。ケイ素系負極活物質を含む負極は０．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以下になり、Ｌｉと反応しやすい界面状態、およびＬｉと結合しやすい内部構造となる。
【００９７】
なお、充電方式は定電流充電法であっても定電流定電圧充電法であってもよい。電荷量などの充電条件についても特に制限されない。充電時の雰囲気としては２５℃以上であることがより好ましい。好ましくは、ＳＯＣが８５％以上まで、より好ましくは９０％以上まで、さらに好ましくは９５％以上まで充電を行う。このとき、ＳＯＣ≧８０％の状態まで充電した後、休止時間を設けてもよいが、上記休止時間は、１時間以下であることが好ましく、３０分以下であることがより好ましく、さらに好ましくは１〜１０分である。
【００９８】
その後、２０℃以上の雰囲気下で、ＳＯＣ≦２０％まで放電を行う。これにより、ケイ素系負極活物質は、充電によって吸蔵されたリチウムを一旦脱離させた状態となり、リチウムを脱離しやすい構造となる。このように、ＳＯＣ≧８０％の状態にした後に、ＳＯＣ≦２０％の状態にする工程を経ることで、ケイ素系負極活物質をリチウムに対して活性の高い状態にすることができる。また、負極活物質表面の活性点においてＬｉの挿入脱離の反応を経ることで、その後ＳＯＣ≧７０％の状態としたときにリチウム塩を優先的に分解させる表面状態になるものと考えられる。
【００９９】
なお、放電方式やその他の放電条件についても特に制限されない。放電時の雰囲気としては２５℃以上であることがより好ましい。好ましくは、ＳＯＣが１５％以下まで、より好ましくは１０％以下まで、さらに好ましくは５％以下まで放電を行う。このとき、ＳＯＣ≦２０％の状態まで放電した後、休止時間を設けてもよいが、上記休止時間は、１時間以下であることが好ましく、１０分以下であることがより好ましい。
【０１００】
次いで、ＳＯＣ≦２０％から再度充電を行い、ＳＯＣ≧７０％の状態で、２０℃以上の温度で２４０時間以上保持する。２０℃以上の温度でＳＯＣ≧７０％の状態で保持する工程を行うことにより、リチウム塩の分解が優先的に進行しうる。そして、上記で得られたリチウムに対して活性の高い状態となったケイ素系負極活物質において、無機化合物としてのＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ、およびＬｉｘＰＦｙによる表面修飾が進行しうる。その結果、所定の結合エネルギーおよび強度を有するピークをもたらす無機化合物の被覆を生成することができる。
【０１０１】
再度充電をする際の充電方式やその他の充電条件についても特に制限されない。ＳＯＣ≧７０％の状態で保持する時間は、２４０時間以上であれば特に制限されない。保持時間の上限は特に制限されないが、電池の劣化を抑制する観点から、４８０時間以下であることが好ましい。
【０１０２】
ＳＯＣ≧７０％の状態で保持するときの温度条件は２０℃以上であればよいが、好ましくは２５℃以上であり、より好ましくは３０℃以上であり、さらに好ましくは４０℃以上である。保持するときの温度は、電池の劣化を抑制する観点から、５０℃以下であることが好ましい。
【０１０３】
また、上記の保持する工程は、ＳＯＣ≧８０％の状態で行うことが好ましく、ＳＯＣ≧９０％の状態で行うことがより好ましく、ＳＯＣ＝１００％の状態で行うことがさらに好ましい。このようにすることで、所定の無機化合物による被覆がより効率的に進行しうる。
【０１０４】
続いて、負極活物質層１３は、バインダを含みうる。
【０１０５】
（バインダ）
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。負極活物質層に用いられるバインダの種類についても特に制限はなく、正極活物質層に用いられるバインダとして上述したものが同様に用いられうる。よって、ここでは詳細な説明は省略する。
【０１０６】
なお、負極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは負極活物質層に対して、０．５〜２０質量％であり、より好ましくは１〜１５質量％である。
【０１０７】
（正極および負極活物質層１５、１３に共通する要件）
以下に、正極および負極活物質層１５、１３に共通する要件につき、説明する。
【０１０８】
正極活物質層１５および負極活物質層１３は、必要に応じて、導電助剤、電解質塩（リチウム塩）、イオン伝導性ポリマー等を含む。
【０１０９】
導電助剤
導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
【０１１０】
活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、１質量％以上、より好ましくは３質量％以上、さらに好ましくは５質量％以上の範囲である。また、活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、１５質量％以下、より好ましくは１０質量％以下、さらに好ましくは７質量％以下の範囲である。活物質自体の電子導電性は低く導電助剤の量によって電極抵抗を低減できる活物質層での導電助剤の配合比（含有量）を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。即ち、電極反応を阻害することなく、電子導電性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができる。
【０１１１】
また、上記導電助剤とバインダの機能を併せ持つ導電性結着剤をこれら導電助剤とバインダに代えて用いてもよいし、あるいはこれら導電助剤とバインダの一方ないし双方と併用してもよい。導電性結着剤としては、既に市販のＴＡＢ−２（宝泉株式会社製）を用いることができる。
【０１１２】
電解質塩（リチウム塩）
電解質塩（リチウム塩）としては、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３等が挙げられる。
【０１１３】
イオン伝導性ポリマー
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）系およびポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）系のポリマーが挙げられる。
【０１１４】
正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。
【０１１５】
各活物質層（集電体片面の活物質層）の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層の厚さは、電池の使用目的（出力重視、エネルギー重視など）、イオン伝導性を考慮し、通常１〜５００μｍ程度、好ましくは２〜１００μｍである。
【０１１６】
＜集電体＞
集電体１１、１２は導電性材料から構成される。集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。
【０１１７】
集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は１〜１００μｍ程度である。
【０１１８】
集電体の形状についても特に制限されない。図１に示す積層型電池１０では、集電箔のほか、網目形状（エキスパンドグリッド等）等を用いることができる。
【０１１９】
集電体を構成する材料に特に制限はない。例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が採用されうる。
【０１２０】
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。
【０１２１】
また、導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または集電体の軽量化の点において有利である。
【０１２２】
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ；高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）など）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、またはポリスチレン（ＰＳ）などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。
【０１２３】
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。
【０１２４】
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、およびＫからなる群から選択される少なくとも１種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン（登録商標）、ブラックパール（登録商標）、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック（登録商標）、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも１種を含むものである。
【０１２５】
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、５〜３５質量％程度である。
【０１２６】
＜電解質層＞
電解質層１７を構成する電解質としては、非水溶媒およびリチウム塩（電解質塩）を含む液体電解質（電解液）が用いられる。
【０１２７】
液体電解質は、非水溶媒（有機溶媒）にリチウム塩（電解質塩）が溶解した形態を有する。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）等のカーボネート類が例示される。２種類以上の有機溶媒を混合して用いてもよい。上記カーボネート類のような酸素原子を含む溶媒を用いると、その分解物が任意のリチウム塩と反応してＬｉ２Ｏを生成し、本実施形態の電極を形成しうる。
【０１２８】
また、リチウム塩としては特に制限されず、電解質塩として使用される任意のリチウム塩を用いることができる。具体的には、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＴａＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３等、電極の活物質層に添加され得るリチウム塩と同様の化合物を採用することができる。本実施形態の電池においては、リチウム塩は、ＬｉＰＦ６を含むことが好ましい。リチウム塩がＬｉＰＦ６を含むことで、所定のＨＡＸＰＥＳ強度を与える無機化合物の被覆が効果的に得られうる。
【０１２９】
電解質中のリチウム塩の濃度としては、特に制限されないが、０．５〜４．０Ｍであることが好ましく、１．０〜２．０Ｍであることがより好ましい。上記範囲であれば本実施形態の電池が効率的に得られうる。また、非水溶媒の分解による電池の劣化が防止されうる。
【０１３０】
本形態のリチウムイオン二次電池では、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータは、電解質を保持して正極と負極との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極と負極との間の隔壁としての機能を有する。セパレータ（不織布を含む）の具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜や多孔質の平板、更には不織布が挙げられる。
【０１３１】
＜集電板およびリード＞
電池外部に電流を取り出す目的で、集電板を用いてもよい。集電板は集電体やリードに電気的に接続され、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。
【０１３２】
集電板を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極集電板と負極集電板とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。
【０１３３】
正極端子リードおよび負極端子リードに関しても、必要に応じて使用する。正極端子リードおよび負極端子リードの材料は、公知のリチウムイオン二次電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材２９から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品（例えば、自動車部品、特に電子機器等）に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。
【０１３４】
＜電池外装材＞
電池外装材２９としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、ＰＰ、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる３層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、ＥＶ、ＨＥＶ用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。
【０１３５】
＜リチウムイオン二次電池の外観構成＞
図２は、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
【０１３６】
図２に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池５０では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板５９、負極集電板５８が引き出されている。発電要素５７は、リチウムイオン二次電池５０の電池外装材５２によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素５７は、正極集電板５９および負極集電板５８を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素５７は、図１に示すリチウムイオン二次電池（積層型電池）１０の発電要素２１に相当するものである。発電要素５７は、正極（正極活物質層）１３、電解質層１７および負極（負極活物質層）１５で構成される単電池層（単セル）１９が複数積層されたものである。
【０１３７】
なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のもの（ラミネートセル）に制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のもの（コインセル）や角柱型形状（角型セル）のもの、こうした円筒型形状のものを変形させて長方形状の扁平な形状にしたようなもの、更にシリンダー状セルであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型や角柱型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶（金属缶）を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。
【０１３８】
また、図２に示す正極集電板５９、負極集電板５８の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板５９と負極集電板５８とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板５９と負極集電板５８をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出すようにしてもよいなど、図２に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、集電板に変えて、例えば、円筒缶（金属缶）を利用して端子を形成すればよい。
【０１３９】
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、好適に利用することができる。即ち、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
【実施例】
【０１４０】
本発明を、以下の実施例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
【０１４１】
（実施例１）
［ケイ素含有合金の製造］
ケイ素含有合金としては、Ｓｉ：Ｓｎ：Ｔｉ＝６６：５：２９（質量比）の組成のものに、アセチレンブラックを炭素系材料として用いて炭素被覆処理したものを用いた。
【０１４２】
具体的には、粉末状のＳｉ、Ｔｉ、Ｓｎを出発物質として、遊星ボールミル装置、および撹拌ボールミル装置にて２０時間のメカニルアロイ処理によりケイ素含有合金を得た。その後、上記ケイ素含有合金に対して１．０質量％の黒鉛を５時間のボールミリングにより被覆処理を行い、平均粒子径が約５μｍの炭素被覆処理されたケイ素含有合金粉末を作製した。
【０１４３】
［負極の作製］
負極活物質である上記で製造した炭素被覆処理されたケイ素含有合金８８．５質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック４．０質量部と、バインダであるポリアミドイミド７．５質量部と、を混合し、これに溶媒であるＮ−メチルピロリドンを混合して混練し、負極活物質スラリーを得た。次いで、得られた負極活物質スラリーを、銅箔よりなる負極集電体（厚さ２０μｍ）の表面にコーターにより最終的な負極活物質層の厚さが２０μｍとなるように均一に塗布し、乾燥、プレスした。その後、真空下で３００℃で１２時間焼成を行なって負極を得た。
【０１４４】
［正極の作製］
正極活物質であるＬｉ（Ｎｉ０．８Ｃｏ０．１Ｍｎ０．１）Ｏ２（平均粒子径５００ｎｍ程度）９５質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック２質量部と、バインダであるポリフッ化ビニリデン３質量部と、を混合し、これに溶媒であるＮ−メチルピロリドンを混合して混練し、正極活物質スラリーを得た。次いで、得られた正極活物質スラリーを、アルミニウム箔よりなる負極集電体（厚さ２５μｍ）の表面にコーターにより最終的な正極活物質層の厚さが１００μｍとなるように均一に塗布し、乾燥、プレスを行い、正極を得た。
【０１４５】
［リチウムイオン二次電池の作製］
上記で作製した正極と、負極とを対向させ、この間に樹脂セパレータ（膜厚２５μｍ）を配置した。この際、正極活物質層の大きさは３．２ｃｍ×３．６ｃｍ、負極活物質層の大きさは３．５ｃｍ×３．８ｃｍとした。次いで、負極、セパレータ、および正極の積層体をラミネートで封止し、電解液をシリンジにより注入しリチウムイオン二次電池を得た。
【０１４６】
なお、上記電解液としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とをＥＣ：ＤＥＣ＝３：７（体積比）の割合で混合した有機溶媒に、リチウム塩である六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させたものを用いた。
【０１４７】
（前処理工程）
作製したセルは、充放電試験機（ＨＪ０５０１ＳＭ８Ａ（北斗電工株式会社製））を使用して、２５℃に設定された恒温槽中（ＰＦＵ−３Ｋ（エスペック株式会社製））にて、定電流モードとし、０．１Ｃの条件で２．５Ｖから４．２Ｖの電位範囲で充放電を１サイクル行った。その後、ＳＯＣ＝１００％となる４．２Ｖに充電し、４５℃で１０日間保存して、リチウムイオン二次電池を得た。
【０１４８】
なお、ＳＯＣは、別途セルを作製し、０．１Ｃによる２．５〜４．２Ｖの範囲の充放電の初回放電時の放電容量を１００％として求めた。
【０１４９】
（実施例２）
ＳＯＣ＝１００％となる４．２Ｖに充電した後、２５℃で１０日間保存したことを除いては、上述した実施例１と同様の手法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１５０】
（実施例３）
ＳＯＣ＝９０％となる４．１Ｖに充電した後、４５℃で１０日間保存したことを除いては、上述した実施例１と同様の手法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１５１】
（実施例４）
ＳＯＣ＝９０％となる４．１Ｖに充電した後、２５℃で１０日間保存したことを除いては、上述した実施例１と同様の手法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１５２】
（実施例５）
ＳＯＣ＝７０％となる３．９Ｖに充電した後、２５℃で１０日間保存したことを除いては、上述した実施例１と同様の手法によりリチウムイオン二次電池を作製した。
【０１５３】
（比較例１）
実施例１において、前処理工程に代えて、以下の手順で初回充放電を行った。
【０１５４】
充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程では、０．１Ｃの定電流充電にて４．２Ｖに到達した後、５分間休止し、その後、０．１Ｃの定電流放電によって２．５Ｖに到達後、１分間休止した。
【０１５５】
上記以外は、実施例１と同様の手順で電池を作製した。
【０１５６】
［負極活物質の表面のＨＡＸＰＥＳ測定］
実施例１〜５および比較例１で得られたリチウムイオン二次電池について、前処理後に負極の負極活物質の表面に存在する無機化合物について調べた。すなわち、実施例１〜５および比較例１で得られたリチウムイオン二次電池における前処理後の負極について硬Ｘ線光電子分光法（ＨＡＸＰＥＳ）による分析を行なった。以下に、手順の概要を示す。
【０１５７】
（リチウム塩（ＬｉＰＦ６）の洗浄）
実施例１〜５および比較例１で得られたリチウムイオン二次電池を、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内で分解解体した後、取り出した正極を、ＬｉＰＦ６を含まないＥＣ／ＤＥＣ＝３／７の溶媒（洗浄用溶媒）に浸漬し洗浄した。新しい洗浄用溶媒を用いながら、この作業を５回以上繰り返した。その後、ＤＥＣで１回洗浄し１時間以上乾燥（風乾）した。
【０１５８】
（ＨＡＸＰＥＳの測定）
ＨＡＸＰＥＳは試料に硬Ｘ線を照射し、試料から放出される光電子のエネルギーを測定することにより、存在する元素の種類、価数、結合状態に関する情報を得るという測定法である。測定条件は以下のとおりである。
【０１５９】
【表１】
2020021683.tif 000007
【０１６０】
なお、ＨＡＸＰＥＳスペクトルのバックグランドは直線法で差し引き、ピーク高さをピーク強度として用いた。
【０１６１】
図３Ａは、実施例１および比較例１の負極のＨＡＸＰＥＳ測定におけるＦ１ｓスペクトルを表す。
【０１６２】
図３Ａに示されるように、実施例１の負極では、６８６ｅＶ以上６８８ｅＶ以下に強度ＩＦ１を示すピークが観測され、これは電解質に含まれるリチウム塩であるＬｉＰＦ６に帰属される。また、６８３．５ｅＶ以上６８６ｅＶ未満に強度ＩＦ２を示すピークが観測され、ＬｉＰＦ６の分解物であるＬｉＦに帰属される。さらに、６８５．５ｅＶ付近に［ＳｉＦ６］２−のピークが観察される。
【０１６３】
比較例１の負極のスペクトルにおいても、同様にＬｉＰＦ６に帰属されるピークとＬｉＦに帰属されるピークとが観察されるが、比較例１の負極活物質と比較して、実施例１の負極活物質では、ＬｉＰＦ６のピーク強度ＩＦ１に対するＬｉＦのピーク強度ＩＦ２の比ＩＦ２／ＩＦ１が、０．５から１．２へと増加していることがわかる。
【０１６４】
これは、実施例１の電池では、所定の前処理工程を行うことによって、ケイ素系負極活物質粒子の表面へのＬｉＰＦ６の分解物であるＬｉＦの被覆が進行していることを示している。比較例１のように所定の前処理工程を行わない場合は、ＬｉＦの被覆は進行しない。
【０１６５】
図３Ｂは、実施例１および比較例１の負極のＨＡＸＰＥＳ測定におけるＰ１ｓスペクトルを表す。
【０１６６】
図３Ｂに示されるように、実施例１の負極では、２１５２ｅＶ以上２１５６ｅＶ以下に強度ＩＰ１を示すピークが観測され、これは電解質に含まれるリチウム塩であるＬｉＰＦ６に帰属される。また、２１４８ｅＶ以上２１５２ｅＶ未満に強度ＩＰ２を示すピークが観測され、ＬｉＰＦ６の分解物であるＬｉｘＰＦｙに帰属される。さらに、２１４９ｅＶ付近にＬｉＰＯｘＦｙのピークが観察される。
【０１６７】
比較例１の負極のスペクトルにおいても、同様にＬｉＰＦ６に帰属されるピークとＬｉｘＰＦｙに帰属されるピークとが観察されるが、比較例１の負極と比較して、実施例１の負極では、ＬｉＰＦ６のピーク強度ＩＰ１に対するＬｉｘＰＦｙのピーク強度ＩＰ２の比ＩＦ２／ＩＦ１が、０．４から１．４へと増加していることがわかる。
【０１６８】
これは、実施例１の電池では、所定の前処理工程を行うことによって、ケイ素系負極活物質粒子の表面へのＬｉＰＦ６の分解物であるＬｉｘＰＦｙの被覆が進行していることを示している。比較例１のように所定の前処理工程を行わない場合は、ＬｉｘＰＦｙの被覆は進行しない。
【０１６９】
図３Ｃは、実施例１および比較例１の負極のＨＡＸＰＥＳ測定におけるＯ１ｓスペクトルを表す。
【０１７０】
図３Ｃに示されるように、実施例１の負極活物質では、５２９ｅＶ以上５３６ｅＶに強度ＩＯ１を示すピークが観測され、これはＬｉ２ＣＯ３／ＬｉＯＨに帰属される。Ｌｉ２ＣＯ３／ＬｉＯＨは有機溶媒およびリチウム塩の分解に由来するものと考えられる。また、５２７ｅＶ以上５２９ｅＶ未満に強度ＩＯ２を示すピークが観測され、これはＬｉＰＦ６の分解物であるＬｉ２Ｏに帰属される。さらに、５３３．５ｅＶ付近にＳｉＯ２のピークが観察される。また、Ｓｉと有機物との化合物に由来するピーク（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ）が観察される。
【０１７１】
比較例１の負極活物質のスペクトルにおいても、同様にＬｉ２ＣＯ３／ＬｉＯＨに帰属されるピークとＬｉ２Ｏに帰属されるピークとが観察されるが、比較例１の負極と比較して、実施例１の負極では、Ｌｉ２ＣＯ３／ＬｉＯＨのピーク強度ＩＯ１に対するＬｉ２Ｏのピーク強度ＩＯ２の比ＩＦ２／ＩＦ１が、〜０から０．１５へと増加していることがわかる。
【０１７２】
これは、実施例１の電池では、所定の前処理工程を行うことによって、ケイ素系負極活物質粒子の表面へのＬｉＰＦ６の分解物であるＬｉ２Ｏの被覆が進行していることを示している。比較例１のように所定の前処理工程を行わない場合は、Ｌｉ２Ｏの被覆は進行しない。
【０１７３】
図３Ｄは、実施例１および比較例１の負極（サイクル試験後）、および比較例１のサイクル試験前の負極（初期）のＨＡＸＰＥＳ測定におけるＣ１ｓスペクトルを表す。
【０１７４】
図３Ｄに示されるように、実施例１、および比較例１の負極（サイクル試験後）では、２８５ｅＶ付近にＣ−Ｃ／Ｃ−Ｈに帰属されるピーク、２８７ｅＶ付近にＣ−Ｏ−Ｃ／ＣＯ／ＣＨＯに帰属されるピーク、および２９３ｅＶ付近にＣＯ３２−に帰属されるピークがみられる。しかしながら、実施例１の負極では、充放電を繰り返す前後でＣ１ｓスペクトルに大きな変化はみられない。これに対して、比較例１の負極では、充放電を繰り返すと、初期の負極と比較して、２８５ｅＶ付近のＣ−Ｃ／Ｃ−Ｈに帰属されるピークの強度が相対的に減少し、２９３ｅＶ付近のＣＯ３２−に帰属されるピークの強度が相対的に増加する。これは、電解質中の有機溶媒の分解が進行していることによるものと考えられる。このことから、実施例１の負極では充放電を繰り返しても劣化が進行しにくいことがわかる。
【０１７５】
実施例２〜５の負極についても同様の結合エネルギーの領域にピークが観察された。各実施例、比較例の負極のＨＡＸＰＥＳ測定によるピーク強度比ＩＦ２／ＩＦ１、ＩＰ２／ＩＰ１、ＩＯ２／ＩＯ１を下記表１に示す。
【０１７６】
［サイクル耐久性の評価］
実施例１〜５および比較例１のそれぞれにおいて作製した各リチウムイオン二次電池について以下の充放電試験条件に従ってサイクル耐久性評価を行った。
【０１７７】
（充放電試験条件）
１）充放電試験機：ＨＪ０５０１ＳＭ８Ａ（北斗電工株式会社製）
２）充放電条件［充電過程］０．３Ｃ、２．５Ｖ→４．２Ｖ（定電流・定電圧モード）
［放電過程］０．３Ｃ、４．２Ｖ→２．５Ｖ（定電流モード）
３）恒温槽：ＰＦＵ−３Ｋ（エスペック株式会社製）
４）評価温度：２９８Ｋ（２５℃）。
【０１７８】
評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程では、定電流・定電圧モードとし、０．３Ｃ、２．５Ｖから４．２Ｖまで充電した（４．２Ｖに到達後に定電圧（０．０５Ｃの電流値になるまで）モード）。その後、放電過程では、定電流モードとし、０．３Ｃ、４．２Ｖから２．５Ｖまで放電した（２．５Ｖ到達後カットオフ）。以上の充放電サイクルを１サイクルとして、同じ充放電条件にて、初期サイクル（１サイクル）〜１００サイクルまで充放電試験を行った。そして、１サイクル目の放電容量に対する１００サイクル目の放電容量の割合（放電容量維持率［％］）を求めた結果を、下記の表１に示す。なお、下記評価が◎または○であれば問題なく使用できるものと考えられる。
【０１７９】
◎：放電容量維持率が５０％以上、
○：放電容量維持率が４０％以上５０％未満、
×：放電容量維持率が４０％未満。
【０１８０】
【表２】
2020021683.tif 000008
【０１８１】
上記表１に示す結果から、実施例１〜５で作製したリチウムイオン二次電池の負極は、ＨＡＸＰＥＳ測定において、所定の結合エネルギーおよび強度を有するピークを示し、この負極を用いたリチウムイオン二次電池は、比較例１の電池と比較して、サイクル耐久性が向上することが明らかになった。
【０１８２】
これは、実施例１〜５で作製したリチウムイオン二次電池では、負極活物質の表面に、ＨＡＸＰＥＳ測定で検出される所定の無機化合物が存在し、この無機化合物は導電性が低いことから、電解質に含まれる溶媒の分解が抑制されるものと考えられる。さらに、上記の無機化合物はケイ素系負極活物質粒子の表面に物理的に強固に被覆されてケイ素系負極活物質の膨張を抑制する。これらの効果により、電池のサイクル耐久性が向上するものと考えられる。
【符号の説明】
【０１８３】
１０、５０    リチウムイオン二次電池（積層型電池）、
１１    負極集電体、
１２    正極集電体、
１３    負極活物質層、
１５    正極活物質層、
１７    電解質層、
１９    単電池層、
２１、５７    発電要素、
２５、５８    負極集電板、
２７、５９    正極集電板、
２９、５２    電池外装材（ラミネートフィルム）。
【図１】
2020021683.tif 000009
【図２】
2020021683.tif 000010
【図３Ａ】
2020021683.tif 000011
【図３Ｂ】
2020021683.tif 000012
【図３Ｃ】
2020021683.tif 000013
【図３Ｄ】
2020021683.tif 000014