(57)【要約】 【課題】本発明は、充電時にデンドライトの生成がなく、充放電時に電極の損傷も起こらない二次電池用負極活物質およびそれを用いた二次電池を提供することを目的とする。【解決手段】ガリウムと、リチウムと、融点がアルミニウムの融点以下の金属からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属としてのアルミニウムと、を含有し、充電時には少なくとも前記リチウムを含む液相を有する二次電池用負極活物質４ｄが収納保持された負極４と、正極２と、負極４と正極２間に配置されたイオン伝導性電解液とを備えた二次電池であって、前記リチウムは、放電時にはイオンとして前記電解液内に拡散し、充電時には前記イオンが二次電池用負極活物質４ｄの表面で再び金属に戻り、二次電池用負極活物質４ｄ内へ拡散するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガリウムと、リチウムと、融点がアルミニウムの融点以下の金属からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属と、を含有し、充電時には少なくとも前記リチウムを含む液相を有することを特徴とする二次電池用負極活物質。
【請求項２】
前記融点がアルミニウムの融点以下の金属からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属は、アルミニウムであり、このアルミニウムが３〜８０％の範囲（質量％の意味、以下同じ）、前記ガリウムが１０％以上、リチウムが５〜６５％の範囲である請求項１に記載の二次電池用負極活物質。
【請求項３】
前記融点がアルミニウムの融点以下の金属からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属は、亜鉛であり、この亜鉛が５〜９４％の範囲、前記ガリウムが５％以上、リチウムが０．５〜２０％の範囲である請求項１に記載の二次電池用負極活物質。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池用負極活物質が収納保持された負極と、正極と、前記負極と正極間に配置されたイオン伝導性電解液とを備えた二次電池であって、前記二次電池用負極活物質中のリチウムは、放電時にはリチウムイオンとして前記電解液内に拡散し、充電時には前記リチウムイオンが前記二次電池用負極活物質表面で再び金属に戻り、前記二次電池用負極活物質内へ拡散するように構成されたことを特徴とする二次電池。
【請求項５】
前記二次電池用負極活物質内のリチウムを含む液相の割合が、放電時には増加し、充電時には減少することを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
【請求項６】
前記イオン伝導性電解液は、化学式がＬｉＰＦ６で表される電解質を化学式がＣ３Ｈ４
Ｏ３で表される有機溶媒に溶解した構成である請求項４または５に記載の二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池用負極活物質およびこれを用いた二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、二次電池として、リチウム二次電池が脚光を浴びている。それは、リチウム（Ｌ
ｉ）という比重が金属の中でもっとも小さく、標準電極電位がマイナス３．０４Ｖともっ
とも大きな数値を示す卑な電位である等の材料的な特異性が着目されたものである。しか
し、リチウム二次電池は、充放電を繰り返すと、負極にリチウムのデンドライトが成長し
、セパレータの破損やショートを引き起こしたり、容量の低下を招いたりする問題があっ
た。
【０００３】
そこで、これらの問題を解決すべく、さまざまな提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、カソードと、結晶度＞０．８の炭素材料を含有するアノード
と、高誘電定数を有する第１の溶媒及び低粘度を有する第２の溶媒を含む少なくとも２種
の非プロトン性有機溶媒の混合物とリチウム塩からなる電解液とを含むリチウム二次電池
であって、前記電解液が、少なくとも１個の不飽和結合を含み且つ不動態化層を形成する
ためにリチウムよりも１Ｖ高い電位で前記アノードにおいて還元可能な、前記溶媒の少な
くとも１種と同一種の可溶性化合物を更に含有することを特徴とするリチウム二次電池が
開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、非プロトン性非水性電解液と、該電解液と有効に接触している
正極及び負極とからなり、前記正極がリチウム層間化合物からなるものであり且つ前記負
極が炭素−炭素複合材料からなるものであるリチウム二次電池が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、カソードと、結晶度＞０．８の炭素材料を含有するアノードと
、高誘電定数を有する第１の溶媒及び低粘度を有する第２の溶媒を含む少なくとも２種の
非プロトン性有機溶媒の混合物とリチウム塩からなる電解液とを含むリチウム二次電池で
あって、前記電解液が、少なくとも１個の不飽和結合を含み且つ不動態化層を形成するた
めにリチウムよりも１Ｖ高い電位で前記アノードにおいて還元可能な、前記溶媒の少なく
とも１種と同一種の可溶性化合物を更に含有することを特徴とするリチウム二次電池が開
示されている。
【０００７】
また、特許文献４には、析出リチウムの電解液との反応やデンドライトの成長に基づく
充放電サイクル特性の低下を抑制し、充放電サイクル特性を向上させることを目的に、液
体急冷法により作成した非晶質金属（アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、ガリ
ウム（Ｇａ）、ビスマス（Ｂｉ）、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、鉛（Ｐｂ）、スズ（
Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等）板を２枚のリチウム金属板で挟み、その間に電解液
を入れ、この電解液の存在下で電気化学的に合金化した構成の負極と、この負極を用いた
リチウム二次電池が開示されている。
【０００８】
また、特許文献５には、充電過程でのデンドライトの成長を抑制し、充放電特性を改善
し、かつ、テープ状の成形体への量産性を向上させることを目的に、Ｌｉ−Ｘ合金（Ｘは
Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、亜鉛（Ｚｎ）の群から選ばれた少なくとも一種を表わす。）の
Ｘの重量比が０．１〜３０重量％になるように成分調整した後、鋳造し、押し出し、最後
に打ち抜き加工してなるリチウム二次電池用負極活物質が開示されている。
【０００９】
また、特許文献６には、サイクル寿命特性を向上させることを目的に、Ｓｎに常温で液
体となる微量の金属（ＧａまたはＧａ−Ｉｎ合金）が固定されている固溶体合金からなる
負極活物質と、これを含んだ負極と、この負極を用いたリチウム二次電池が開示されてい
る。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１〜６に開示された技術には以下のような問題点が存在す
る。
【００１１】
すなわち、特許文献１から３に記載されたような負極であれば、Ｌｉのデンドライトの
生成は防止できるものの、いずれも負極に層状からなる炭素電極が使用されるため、充放
電の繰り返しにより炭素電極に体積変化が起こる。この炭素電極に起こる体積変化は、充
電−放電プロセス中に、層状からなる炭素電極で起こるＬｉイオンの挿入と脱離に起因す
るものである。また、この炭素電極に起こる体積変化により、炭素電極の剥離が発生する
。また、このＬｉイオンの挿入と脱離により、炭素電極に著しい膨張と収縮が生じるため
、負極としての機械的団結性も緩む。これにより、負極のインピーダンスも増大し、リチ
ウム二次電池の容量の漸進的低下を引き起こす。現状のリチウム二次電池では、１００％
の放電深度で約５００回の充放電を行い、容量保存率は８０％程度である。
【００１２】
また、特許文献４に記載の負極の構成は、２枚のリチウム金属板で挟まれた非晶質金属
板が結晶構造を呈しないため、充電時のリチウムの電気化学的合金化反応が速くなるとい
うものの所詮非晶質金属板も固体であるため、固体内へのＬｉ原子の拡散速度より固体表
面での金属リチウムの電着速度の方が速く、充電時のＬｉのデンドライトの生成の抑制効
果が十分でない。
【００１３】
また、特許文献５に記載のリチウム二次電池用負極活物質は、従来の純粋リチウムを使
用する場合に比べて充電時のデンドライトの生成は多少抑制されるものの、充放電を繰り
返すと固体である前記負極活物質の粒界部が優先的に腐食して負極活物質が欠落し、性能
が劣化する。
【００１４】
また、特許文献６に記載のリチウム二次電池用負極活物質は、固溶体合金であるため、
固体内へのＬｉ原子の拡散速度より固体表面での金属リチウムの電着速度の方が速く、充
電時のＬｉのデンドライトの生成の抑制効果が十分でない。また、負極を構成するための
活物質にするために、上記合金を製造した後、粉砕しなければならないといった煩雑さを
伴う。
【００１５】
以上のような問題点を克服できる二次電池用負極活物質およびそれを用いた二次電池が、これまでに存在しなかった。
【特許文献１】特開平８−４５５４５号公報
【特許文献２】特表２００３−５３４６３６号公報
【特許文献３】特開２００４−３１３６６号公報
【特許文献４】特開昭６３−１３２６７号公報
【特許文献５】特開平４−２５３１５９号公報
【特許文献６】特開２００７−２１４１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、充電時にデンドライトの生成がなく、充放電時に電極の損傷も起こら
ない二次電池用負極活物質およびそれを用いた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】
【００１７】
この目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、ガリウムと、リチウムと、融点がアルミニウムの融点以下の金属からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属と、を含有し、充電時には少なくとも前記リチウムを含む液相を有することを特徴とする二次電池用負極活物質である。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記融点がアルミニウムの融点以下の金属からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属は、アルミニウムであり、このアルミニウムが３〜８０％の範囲（質量％の意味、以下同じ）、前記ガリウムが１０％以上、リチウムが５〜６５％の範囲である。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記融点がアルミニウムの融点以下の金属からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属は、亜鉛であり、この亜鉛が５〜９４％の範囲、前記ガリウムが５％以上、リチウムが０．５〜２０％の範囲である。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の二次電池用負極活物質が収納保持された負極と、正極と、前記負極と正極間に配置されたイオン伝導性電解液とを備えた二次電池であって、前記二次電池用負極活物質中のリチウムは、放電時にはリチウムイオンとして前記電解液内に拡散し、充電時には前記リチウムイオンが前記二次電池用負極活物質表面で再び金属に戻り、前記二次電池用負極活物質内へ拡散するように構成されたことを特徴とする二次電池である。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記二次電池用負極活物質内のリチウムを含む液相の割合が、放電時には増加し、充電時には減少することを特徴とする。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の発明において、前記イオン伝導性電解液は、化学式がＬｉＰＦ６で表される電解質を化学式がＣ３Ｈ４Ｏ３で表される有機溶媒に溶解した構成である。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明に係る二次電池用負極活物質は、ガリウムと、リチウムと、融点がアルミニウムの融点以下の金属からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属と、を含有し、充電時には少なくとも前記リチウムを含む液相を有することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る二次電池は、前記二次電池用負極活物質が収納保持された負極（詳
細は後述する）と、正極（詳細は後述する）と、前記負極と正極間に配置されたイオン伝
導性電解液（詳細は後述する）とを備えた二次電池であって、前記二次電池用負極活物質
中のリチウムは、放電時にはリチウムイオンとして前記電解液内に拡散し、充電時には前記リチウムイオンが前記二次電池用負極活物質表面で再び金属に戻り、前記二次電池用負極活物質内へ拡散するように構成されている。
【００２５】
以上のような構成であるため、本発明は、以下のような作用効果を奏する。
１）二次電池用負極活物質自体が全体として粘性の低い状態を呈し、かつ、前記負極活物質内のリチウムが原子として全体に拡散しているため、放電時に前記負極活物質内のリチウムを含む液相の割合が増加しながら、リチウムイオンとして電解液内にスムーズに拡散する。また、充電時には前記イオンが前記負極活物質側に移動し、前記負極活物質表面で金属として電析すると同時に、この金属は再び前記負極活物質内へ原子として素早く拡散するとともに、リチウムを含む液相の割合を減少させる。通常の固体電極におけるデンドライトは、充電時の金属析出による電極表面の圧縮応力により生成すると言われているが、前記負極活物質は全体として粘性の低い状態（すなわち、充電時に少なくともリチウムを含む液相を有した全体として液相あるいは固液共存相の状態）であり、電極表面が自由に変形できるため、上記応力が発生せず、デンドライトの生成もない。
２）前記二次電池用負極活物質自体がそもそも固体ではなく、全体として粘性の低い状
態を呈しているため、層状をなす炭素電極のように充放電の繰り返しによるイオンの挿入
と脱離に起因した膨張と収縮で電極が損傷したりすることもない。また、固体の金属のよ
うに充放電の繰り返しによる粒界部の優先的な腐食で負極活物質が欠落し、性能が劣化し
たりするようなこともない。このように、充放電時の負極活物質の損傷がないため、二次
電池の容量の漸進的低下を引き起こすこともない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態についてさらに詳細に説明する。
【００２７】
（本発明に係る二次電池用負極活物質およびこれを用いた二次電池の構成）
本発明に係る二次電池用負極活物質は、ガリウムと、リチウムと、融点がアルミニウムの融点以下の金属からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属と、を含有し、充電時には少なくとも前記リチウムを含む液相を有することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る二次電池は、前記二次電池用負極活物質が収納保持された負極（詳
細は後述する）と、正極（詳細は後述する）と、前記負極と正極間に配置されたイオン伝
導性電解液（詳細は後述する）とを備えた二次電池であって、前記二次電池用負極活物質
中のリチウムは、放電時にはリチウムイオンとして前記電解液内に拡散し、充電時には前記リチウムイオンが前記二次電池用負極活物質表面で再び金属に戻り、前記二次電池用負極活物質内へ拡散するように構成されていることを特徴とする。
【００２９】
以上のような構成であるため、本発明は、以下のような作用効果を奏する。
１）１０℃〜１００℃の温度範囲において、二次電池用負極活物質自体が全体として粘性の低い状態を呈し、かつ、前記負極活物質内のリチウムが原子として全体に拡散しているため、放電時に前記負極活物質内のリチウムを含む液相の割合が増加しながら、リチウムイオンとして電解液内にスムーズに拡散する。また、充電時には前記イオンが前記負極活物質側に移動し、前記負極活物質表面で金属として電析すると同時に、この金属は再び前記負極活物質内へ原子として素早く拡散するとともに、リチウムを含む液相の割合を減少させる。通常の固体電極におけるデンドライトは、充電時の金属析出による電極表面の圧縮応力により生成すると言われているが、前記負極活物質は全体として粘性の低い状態（すなわち、充電時に少なくともリチウムを含む液相を有した全体として液相あるいは固液共存相の状態）であり、電極表面が自由に変形できるため、上記応力が発生せず、デンドライトの生成もない。
２）前記二次電池用負極活物質自体がそもそも固体ではなく、全体として粘性の低い状
態を呈しているため、層状をなす炭素電極のように充放電の繰り返しによるイオンの挿入
と脱離に起因した膨張と収縮で電極が損傷したりすることもない。また、固体の金属のよ
うに充放電の繰り返しによる粒界部の優先的な腐食で負極活物質が欠落し、性能が劣化し
たりするようなこともない。このように、充放電時の負極活物質の損傷がないため、二次
電池の容量の漸進的低下を引き起こすこともない。
【００３０】
以下に、上記構成に至った理由について詳述する。
【００３１】
本発明者は、如何にしたら充電時にデンドライトの生成がなく、充放電時に電極の損傷
も起こらない二次電池用負極活物質およびそれを用いた二次電池を実現できるのか、鋭意研究を行った。その結果、これまで二次電池用負極としては、固体の金属や層状をなす炭素電極といった所謂固体状のものを使用するのが技術常識とされていたが、当業者においても想到し得ないリチウムを含有しながらも粘性の低い状態を保つ二次電池用負極活物質を見出し、これを用いることで上記目的を達成することができた。上記目的を達成できたポイントとしては、主に以下の２点があると考えている。
１）二次電池用負極として、固体状のもので問題があるのであれば、適用想定温度であ
る１０℃〜１００℃において、あえて粘性の低い状態を呈するものを使用すれば一気に解決できるのではないかと考えたことである。そして、リチウムを含有しながらも充放電に際して可逆的に、かつ、スムーズに負極内と電解液の間を往復可能でありそうな粘性の低い状態を呈する二次電池用負極活物質を探索し、上記組成物を含んだ二次電池用負極活物質を見出せたことである。
２）すなわち、二次電池用負極活物質自体が全体として粘性の低い状態を呈し、かつ、前記負極活物質内のリチウムが原子として全体に拡散しているため、放電時に前記負極活物質内のリチウムを含む液相の割合が増加しながら、リチウムイオンとして電解液内にスムーズに拡散することが証明された。また、充電時にデンドライトの生成がなかったことより、充電時には前記イオンが前記負極活物質側に移動し、前記負極活物質表面で金属として電析すると同時に、この金属は再び前記負極活物質内へ原子として素早く拡散するとともに、リチウムを含む液相の割合を減少させる。また、充放電の繰り返しによる前記二次電池用負極活物質の損傷が認められないことより、予想したように粘性の低い状態を呈する二次電池用負極活物質であるがゆえに、前記イオンの出入りがあっても自由に変形できることが証明された。
【００３２】
以下に、本発明を詳細に説明する。
【００３３】
ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）およびリチウム（Ｌｉ）を含有した二次電池
用負極活物質であって、Ｇａが１０％（質量％の意味、以下同じ）以上、Ａｌが３〜８０
％の範囲、Ｌｉが５〜６５％の範囲である二次電池用負極活物質は、例えば、２０℃において、粘性の低い状態（粘性の低い状態とは、固液共存状態も含めて、広く粘性の低い状態をいう）を呈する。この二次電池用負極活物質には、不可避的不純物を含有していても構わない。例えば、アルミニウム（Ａｌ）は、工業用アルミニウム合金でもよく、本願の二次電池用負極活物質には、工業用アルミニウム合金等に含まれるＦｅ、Ｔｉ等の不可避的不純物を有してもよい。前述のように、二次電池用負極活物質は、工業用アルミニウム合金等に起因する不可避的不純物を含有することができるが、本願の二次電池用負極活物質において、Ｇａ、Ａｌ、Ｌｉの３元系の元素は、合計して全体の９５％以上、さらには９７％以上であることが好ましい。また、二次電池用負極活物質（ＧａＸ−ＡｌＹ−Ｌｉ１００−Ｘ−Ｙ    ：ただし、Ｘ、Ｙは質量％の意味）として、より安定した粘性の低い状態を維持させる点からは、下記式（１）〜（３）を満足させるのがより好ましい。
１０≦Ｘ≦９０    …  （１）
３≦Ｙ≦８０    …  （２）
３５≦Ｘ＋Ｙ≦９５  …  （３）
【００３４】
上記組成物を含んだ二次電池用負極活物質中のリチウムは、充放電に際して可逆的に負極内と電解液の間を往復可能であり、放電時にはイオンとして電解液内にスムーズに拡散し、充電時には前記イオンが前記二次電池用負極活物質側に移動し、前記二次電池用負極活物質表面で金属として電析すると同時に、この金属は前記二次電池用負極活物質内へ原子として素早く拡散する。
【００３５】
次に、上記二次電池用負極活物質（Ｇａ−Ａｌ−Ｌｉ）を二次電池に用いた場合の負極
側での放電・充電反応をそれぞれ下記式（４）〜（５）に示す。
放電反応    
Ｇａ−Ａｌ−Ｌｉ  →  （Ｇａ−Ａｌ）＋Ｌｉ＋＋ｅ−  ・・・（４）
充電反応    
（Ｇａ−Ａｌ）＋Ｌｉ＋＋ｅ−  →  Ｇａ−Ａｌ−Ｌｉ    ・・・（５）
【００３６】
（４）式に示すように、放電時には二次電池用負極活物質（Ｇａ−Ａｌ−Ｌｉ）内のＬ
ｉが酸化され、イオンとして電解液内に溶出し、拡散する。また、（５）式に示すように
、充電時には電解液内のＬｉイオンが二次電池用負極活物質側に移動し、二次電池用負極
活物質表面で還元され、二次電池用負極活物質内へ素早く拡散し、再びＧａ−Ａｌ−Ｌｉ
となり、二次電池用負極活物質の表面にＬｉ金属がデンドライトを生成するようなことも
ない。
【００３７】
また、正極側での放電・充電反応をそれぞれ下記式（６）〜（７）に示す。
放電反応    
２Ｌｉ０．５ＣｏＯ２＋Ｌｉ＋＋ｅ−  →  ２ＬｉＣｏＯ２  ・・・（６）
充電反応    
２ＬｉＣｏＯ２  →  ２Ｌｉ０．５ＣｏＯ２＋Ｌｉ＋＋ｅ−  ・・・（７）
【００３８】
上記二次電池用負極活物質は、Ｇａ、ＡｌとＬｉを約３０℃〜約１００℃で攪拌混合す
ることで容易に製造できる組成物である。
【００３９】
また、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）およびリチウム（Ｌｉ）を含有した二次電池用負極活物質であって、ガリウムが５％以上、亜鉛が５〜９４％の範囲、リチウムが０．５〜２０％以下の範囲である二次電池用負極活物質は、例えば、２０℃において、粘性の低い状態（粘性の低い状態とは、固液共存状態も含めて、広く粘性の低い状態をいう）を呈する。この二次電池用負極活物質には、不可避的不純物を含有していても構わない。また、二次電池用負極活物質（ＧａＸ−ZnＹ−Ｌｉ１００−Ｘ−Ｙ    ：ただし、Ｘ、Ｙは質量％の意味）として、より安定した粘性の低い状態を維持させる点からは、下記式（８）〜（１０）を満足させるのがより好ましい。
５≦Ｘ＜１００    …  （８）
５≦Ｙ≦９０      …  （９）
８０≦Ｘ＋Ｙ＜１００  …  （１０）
【００４０】
上記組成物を含んだ二次電池用負極活物質中のリチウムは、充放電に際して可逆的に負極内と電解液の間を往復可能であり、放電時にはイオンとして電解液内にスムーズに拡散し、充電時には前記イオンが前記二次電池用負極活物質側に移動し、前記二次電池用負極活物質表面で金属として電析すると同時に、この金属は前記二次電池用負極活物質内へ原子として素早く拡散する。
【００４１】
次に、上記二次電池用負極活物質（Ｇａ−Ｚｎ−Ｌｉ）を二次電池に用いた場合の負極側での放電・充電反応をそれぞれ下記式（１１）〜（１２）に示す。
放電反応    
Ｇａ−Ｚｎ−Ｌｉ  →  （Ｇａ−Ｚｎ）＋Ｌｉ＋＋ｅ−  ・・・（１１）
充電反応    
（Ｇａ−Ｚｎ）＋Ｌｉ＋＋ｅ−  →  Ｇａ−Ｚｎ−Ｌｉ    ・・・（１２）
【００４２】
（１１）式に示すように、放電時には二次電池用負極活物質（Ｇａ−Ｚｎ−Ｌｉ）内のＬｉが酸化され、イオンとして電解液内に溶出し、拡散する。また、（１２）式に示すように、充電時には電解液内のＬｉイオンが二次電池用負極活物質側に移動し、二次電池用負極活物質表面で還元され、二次電池用負極活物質内へ素早く拡散し、再びＧａ−Ｚｎ−Ｌｉとなり、二次電池用負極活物質の表面にＬｉ金属がデンドライトを生成するようなこともない。
【００４３】
また、正極側での放電・充電反応をそれぞれ下記式（１３）〜（１４）に示す。
放電反応    
２Ｌｉ０．５ＣｏＯ２＋Ｌｉ＋＋ｅ−  →  ２ＬｉＣｏＯ２  ・・・（１３）
充電反応    
２ＬｉＣｏＯ２  →  ２Ｌｉ０．５ＣｏＯ２＋Ｌｉ＋＋ｅ−  ・・・（１４）
【００４４】
上記二次電池用負極活物質は、Ｇａ、ＺｎとＬｉを約３０℃〜約１００℃で攪拌混合することで容易に製造できる組成物である。
【００４５】
以上、二次電池用負極活物質として、ガリウムおよびリチウムに、アルミニウムまたは亜鉛を含有させたものについて説明してきたが、これらはほんの一例であり、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、アルミニウムや亜鉛以外にも、スズ（Ｓｎ）を含有させてもよい。この場合の一例を挙げるならば、スズが９．３％とガリウムが９０．７％含有したものに対してさらにリチウムを３％含有させた組成物も本発明に係る二次電池用負極活物質の範囲に属する。これら以外にもガリウムおよびリチウムに対して、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）等を含有させてもよい。すなわち、本発明に係る二次電池用負極活物質を特定するための構成要件は、ガリウムと、リチウムと、融点がアルミニウムの融点以下の金属からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属と、を含有し、充電時に少なくとも前記リチウムを含む液相を有するものであればよい。リチウムを含む液相を形成するためには、ガリウムとリチウムの二元系では困難であり、上記のような融点がアルミニウムの融点以下の金属を含有させることによってはじめて可能になる。
【００４６】
上記二次電池用負極活物質は、以下に説明するような収納部に収納保持され負極を構成
する。収納部は、例えば、樹脂でできた円筒体と、イオン伝導性電解液側であり、かつ、
前記円筒体の一端側に接続されたイオン交換膜と、前記円筒体の他端側に接続され、密閉
する集電体とから構成されている。また、前記二次電池用負極活物質は、前記イオン交換
膜と前記集電体と接するように構成されている。上記負極の構成は、一例であり必ずしも
これに限定されるものではない。
【００４７】
次に、本発明の二次電池に用いる正極について、以下に説明する。
【００４８】
例えば、化学式ＬｉＣｏＯ２、ＭｎＯ２、Ｖ２Ｏ５、ＭｏＯ３、ＮｉＯのような正極用
活物質を白金（Ｐｔ）板に塗布したものを正極として用いることが可能である。また、Ｎ
ｉＯＯＨのような正極用活物質をニッケル（Ｎｉ）板からなる集電体に塗布したものを正
極として用いることも可能である。上記正極の構成も、ほんの一例であり、必ずしもこれ
に限定されるものではない。
【００４９】
次に、本発明の二次電池に用いるイオン伝導性電解液について、以下に説明する。
【００５０】
イオン伝導性電解液は、有機溶媒に電解質を溶解させたものを用いることが可能である
。有機溶媒としては炭酸エチレン（化学式Ｃ３Ｈ４Ｏ３）、炭酸プロピレン、炭酸ブチレ
ン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル等、さまざまなものを用いることができる。また、前記
有機溶媒と組み合わせる電解質としては、例えば、化学式ＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、Ｌ
ｉＢＦ４、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２のようなものを用いることができる。
【００５１】
また、上記イオン伝導性電解液を、不織布に含浸させたり、ポリマー（例えば、ポリエ
チレンオキシド、アクリル共重合体等）に吸収させたりして、通称セパレータと呼ばれる
ものが構成され、このセパレータが負極と正極の間に配置される。また、例えば、有機溶
媒にＬｉＰＦ６を溶解させたイオン伝導性電解液を不織布に含浸させたものをセパレータ
として用いる場合は、さらに上記二次電池用負極活物質と接する側に、Ｌｉ＋、ＰＦ６−
は通過可能であるが負極活物質は通過しない膜を設けるのが好ましい。
【００５２】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限す
るものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは全て本発明の
技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５３】
以下、本発明の二次電池用負極活物質およびこれを用いた二次電池の実施例について図
面を参照しながら説明する。
【００５４】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の二次電池の模式縦断面図である。図１において、１は正極外
装缶、２は正極、３は負極外装缶、４は負極、５はセパレータ、６は絶縁パッキングであ
る。
【００５５】
図１において、正極２は、正極用活物質（ＬｉＣｏＯ２）が白金（Ｐｔ）板に塗布され
た構成からなる。
【００５６】
また、図１において、負極４は、樹脂でできた円筒体４ａと円筒体４ａの一端側に接続
されたＬｉ＋、ＰＦ６−が通過可能である多孔膜４ｂと円筒体４ａの他端側に接続され、
密閉するための集電体４ｃとからなる収納部とこの収納部内に収納された粘性の低い状態
を呈する本発明の二次電池用負極活物質４ｄ（詳細組成は、下記表１の試験Ｎｏ．１〜６
を参照）から構成されている。また、この二次電池用負極活物質４ｄは、Ｇａ、ＡｌとＬ
ｉを約３０℃〜約１００℃で攪拌混合して作成した組成物である。また、本発明の二次電
池用負極活物質４ｄは、多孔膜４ｂと集電体４ｃと接するように構成されている。また、
比較例（試験Ｎｏ．７、８）で用いた負極は、それぞれＧａ、ＡｌとＬｉからなる固体状
の合金である（詳細組成は、下記表１の試験Ｎｏ．７、８を参照）。また、本実施例にお
いては、負極４の構成要素として、多孔膜４ｂを用いた例について説明したが、適宜省略
することも可能である。
【表１】
2010015964.tif 000003
【００５７】
また、図１において、セパレータ５は、イオン伝導性電解液とこのイオン伝導性電解液
が含浸される不織布とから構成されている。上記表１に示す試験Ｎｏ．１〜８で用いたイ
オン伝導性電解液は、有機溶媒Ｃ３Ｈ４Ｏ３と電解質ＬｉＰＦ６から構成される。また、
電解質は有機溶媒に対してそれぞれ１ｇ／Ｌ（Ｌはリットルの意味）になるように５０℃
で溶解した。
【００５８】
以上のような構成で組み立てられた試験Ｎｏ．１〜8のものについて、発生電圧、電流およびエネルギー密度｛単位質量当たりの取出せる電力量（Ｗｈ／ｋｇ）｝を測定した。
その結果、発明例（試験Ｎｏ．１〜６）においては、２．０〜３．７Ｖの電圧が発生し、
いずれも０．５ｍＡ／ｃｍ２の電流が流れた（上記表１参照）。比較例（試験Ｎｏ．７、
８）においては、１．９、２．０Ｖの電圧が発生し、いずれも０．５ｍＡ／ｃｍ２の電流
が流れた（上記表１参照）。また、発明例（試験Ｎｏ．１〜６）におけるエネルギー密度
は、１５０〜２５１Ｗｈ／ｋｇであり、比較例（試験Ｎｏ．７、８）におけるエネルギー
密度は、それぞれ１１７、２５５Ｗｈ／ｋｇであった。比較例（試験Ｎｏ．８）に関して
は、前述のように放電時のエネルギー密度が２５５Ｗｈ／ｋｇと高いものの、後述するよ
うに充電時にデンドライトを生成する等の問題が起こるため、二次電池として使用するこ
とは困難である。
【００５９】
次に、上記試験Ｎｏ．１〜８の二次電池について、充電時（４Ｖで５時間充電後）の負
極表面へのデンドライトの生成の有無、充放電時の電極の損傷の有無および充電時の負極内におけるリチウムを含む液相の存在の有無を確認した。その結果、比較例（試験Ｎｏ．７、８）においては、デンドライトの生成が認められた（上記表１参照）が、発明例（試験Ｎｏ．１〜６）においては、認められなかった（上記表１参照）。また、比較例（試験Ｎｏ．７、８）においては、充放電時の電極の損傷が認められたが、発明例（試験Ｎｏ．１〜６）においては、認められなかった。また、比較例（試験Ｎｏ．７、８）においては、充電時の負極内におけるリチウムを含む液相の存在は認められなかったが、発明例（試験Ｎｏ．１〜６）においては、認められた。すなわち、本発明に係る二次電池においては、上記表１に示す発明例（試験Ｎｏ．１〜６）のような作成時の負極活物質時点で全体として粘性の低い状態（すなわち、液相あるいは固液共存相の状態）であり、この状態から放電時には前記負極活物質内のリチウムを含む液相の割合が増加し、充電時には前記負極活物質内のリチウムを含む液相の割合が減少する。このように充放電サイクルにより、前記負極活物質内のリチウムを含む液相の割合の増減が起こる。なお、上記試験は温度２０℃の条件下で行った。
【００６０】
このように本願発明の構成によると、充電時にデンドライトの生成がなく、かつ、充放電時に電極の損傷も起こらない二次電池用負極活物質およびそれを用いた二次電池を実現できる。
【００６１】
なお、固液共存状態も含めて、広く粘性の低い状態を呈する二次電池用負極活物質（Ｇ
ａ−Ａｌ−Ｌｉ）としては、本実施例において説明した上記表１に示す組成範囲の組合せ
のものに、必ずしも限定されるものではなく、Ｇａが１０％以上、Ａｌが３〜８０％の範
囲、Ｌｉが５〜６５％の範囲であればよい。だだし、より安定した粘性の低い状態が維持
させた二次電池用負極活物質（ＧａＸ−ＡｌＹ−Ｌｉ１００−Ｘ−Ｙ    ：ただし、Ｘ、Ｙは質量％の意味）を得る点からは、下記式（１）〜（３）を満足させるのがより好ましい。
１０≦Ｘ≦９０    …  （１）
３≦Ｙ≦８０    …  （２）
３５≦Ｘ＋Ｙ≦９５  …  （３）
【００６２】
また、本実施例においては、イオン伝導性電解液として、機能性、および、より安全性
を高める観点から、溶媒にＣ３Ｈ４Ｏ３、電解質にＬｉＰＦ６を用いた例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、上述のようにさまざまなもの使用することが可能である。
【００６３】
（実施例２）
本発明の実施例２の二次電池に関しても、その構造は実施例１における図１に示すものと同じであるため、異なる部分のみ詳述する。
【００６４】
本発明の二次電池用負極活物質４ｄは、Ｇａ、ＺｎとＬｉを約３０℃〜約１００℃で攪拌混合して作成した組成物（詳細組成は、下記表２の試験Ｎｏ．９〜１３を参照）である。また、二次電池用負極活物質４ｄは、多孔膜４ｂと集電体４ｃと接するように構成されている。また、比較例（試験Ｎｏ．１４）で用いた負極は、それぞれＧａ、ＺｎとＬｉからなる固体状の合金である。
【表２】
2010015964.tif 000004
【００６５】
実施例１と同様に組み立てられた試験Ｎｏ．９〜１４の二次電池において、発生電圧および電流を測定した。その結果、発明例（試験Ｎｏ．９〜１３）においては、２．０〜３．４Ｖの電圧が発生し、いずれも０．５ｍＡ／ｃｍ２の電流が流れた（上記表２参照）。比較例（試験Ｎｏ．１４）においては、３．５Ｖの電圧が発生し、いずれも０．５ｍＡ／ｃｍ２の電流が流れた。
【００６６】
次に、上記試験Ｎｏ．９〜１３の二次電池について、充電時（４Ｖで５時間充電後）の負極表面へのデンドライトの生成の有無、充放電時の電極の損傷の有無および充電時の負極内におけるリチウムを含む液相の存在の有無を確認した。その結果、比較例（試験Ｎｏ．１４）においては、デンドライトの生成が認められた（上記表２参照）が、発明例（試験Ｎｏ．９〜１３）においては、認められなかった（上記表２参照）。また、比較例（試験Ｎｏ．１４）においては、充放電時の電極の損傷が認められたが、発明例（試験Ｎｏ．９〜１３）においては、認められなかった。また、比較例（試験Ｎｏ．１４）においては、充電時の負極内におけるリチウムを含む液相の存在は認められなかったが、発明例（試験Ｎｏ．９〜１３）においては、認められた。すなわち、本発明に係る二次電池においては、上記表２に示す発明例（試験Ｎｏ．９〜１３）のような作成時の負極活物質時点で全体として粘性の低い状態（すなわち、液相あるいは固液共存相の状態）であり、この状態から放電時には前記負極活物質内のリチウムを含む液相の割合が増加し、充電時には前記負極活物質内のリチウムを含む液相の割合が減少する。このように充放電サイクルにより、前記負極活物質内のリチウムを含む液相の割合の増減が起こる。なお、上記試験は温度２０℃の条件下で行った。
【００６７】
このように本願発明の構成によると、充電時にデンドライトの生成がなく、かつ、充放電時に電極の損傷も起こらない二次電池用負極活物質およびそれを用いた二次電池を実現できる。
【００６８】
なお、固液共存状態も含めて、広く粘性の低い状態を呈する二次電池用負極活物質（Ｇａ−Zn−Ｌｉ）としては、本実施例において説明した上記表２に示す組成範囲の組合せのものに、必ずしも限定されるものではなく、ガリウムが５％以上、亜鉛が５〜９４％の範囲、リチウムが０．５〜２０％以下の範囲であればよい。だだし、より安定した粘性の低い状態が維持させた二次電池用負極活物質（ＧａＸ−ZnＹ−Ｌｉ１００−Ｘ−Ｙ    ：ただし、Ｘ、Ｙは質量％の意味）を得る点からは、下記式（８）〜（１０）を満足させるのがより好ましい。
５≦Ｘ＜１００    …  （８）
５≦Ｙ≦９０      …  （９）
８０≦Ｘ＋Ｙ＜１００  …  （１０）
【００６９】
また、本実施例においては、イオン伝導性電解液として、機能性、および、より安全性を高める観点から、溶媒にＣ３Ｈ４Ｏ３、電解質にＬｉＰＦ６を用いた例について説明したが、必ずしもこれに限定されるものではなく、上述のようにさまざまなもの使用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施例１の二次電池の模式縦断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１  正極外装缶
２  正極
３  負極外装缶
４  負極
４ａ  円筒体
４ｂ  多孔膜
４ｃ  集電体
４ｄ  二次電池用負極活物質
５  セパレータ
６  絶縁パッキング
【図１】
2010015964.tif 000005