(57)【要約】【課題】二次電池の電池特性を向上し得る炭素被覆シリコン材料の製造方法を提供する。【解決手段】炭素被覆シリコン材料の製造方法において、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料に、化学気相成長法により、炭素源ガス並びにＣＯ２ガス及び／又はＨ２Ｏガスの存在下で炭素被膜を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料に、化学気相成長法により、炭素源ガス並びにＣＯ２ガス及び／又はＨ２Ｏガスの存在下で炭素被膜を形成する、炭素被覆シリコン材料の製造方法。
【請求項２】
前記炭素源ガス１００体積部に対して、２５〜２００体積部のＣＯ２ガス及び／又は０．０２５〜０．２体積部のＨ２Ｏガスが存在する、請求項１に記載の炭素被覆シリコン材料の製造方法。
【請求項３】
Ｈ２Ｏガスの存在下で前記炭素被膜を形成する、請求項１又は請求項２に記載の炭素被覆シリコン材料の製造方法。
【請求項４】
複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料に、化学気相成長法により、炭素源ガス並びにＣＯ２ガス及び／又はＨ２Ｏガスの存在下で炭素被膜を形成する、炭素被覆シリコン材料の製造工程を備える、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、シリコン材料を炭素で被覆して炭素被覆シリコン材料を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二次電池用の負極活物質として、Ｓｉを含有する負極活物質すなわちＳｉ含有負極活物質が知られている。Ｓｉ含有負極活物質は、従来から用いられている黒鉛等の負極活物質に比べて有用だと考えられている。
リチウムイオン二次電池を例に挙げると、Ｓｉは黒鉛と比較して、理論上、１元素あたりのリチウムイオン吸蔵能力が高い。そのため、Ｓｉ含有負極活物質についての研究が広く行われている。ただし、Ｓｉ自体は半導体であるため、Ｓｉ含有負極活物質に導電性を付与するための研究も盛んに行われている。
【０００３】
例えば、Ｓｉ含有負極活物質に導電性を付与するため、Ｓｉ含有負極活物質を炭素で被覆する技術が報告されている。特許文献１には、化学気相成長法の一種である熱ＣＶＤにより、酸化珪素を炭素で被覆して炭素被覆Ｓｉ含有負極活物質を製造する方法が記載されており、さらに、当該炭素被覆Ｓｉ含有負極活物質を具備する二次電池を製造する方法も記載されている。
【０００４】
特許文献２には、ＣａＳｉ２と酸とを反応させてＣａを除去した層状シリコン化合物を合成し、当該層状シリコン化合物を３００℃以上で加熱して水素を離脱させたシリコン材料を製造し、さらに、熱ＣＶＤにより当該シリコン材料を炭素で被覆して炭素被覆シリコン材料を製造する方法が記載されている。そして、特許文献２にも又、当該炭素被覆シリコン材料を具備する二次電池を製造する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９５２１８０号公報
【特許文献２】国際公開第２０１５／１１４６９２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献２に記載されているシリコン材料は、上記した各種のＳｉ含有負極活物質のなかでも、負極活物質として有望な材料だと考えられる。そして、上記したように当該シリコン材料を炭素で被覆することで、シリコン材料に優れた導電性を付与し得る。
【０００７】
しかし乍ら、近年、二次電池の電池特性を更に向上させ得る技術が求められており、Ｓｉ含有負極活物質についても、二次電池の電池特性を更に向上させ得るものが探索されている。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みて為されたものであり、二次電池の電池特性を更に向上させ得るＳｉ含有負極活物質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】
【０００９】
本発明の発明者は、Ｓｉ含有負極活物質のなかでも炭素被覆シリコン材料に着目して、二次電池の電池特性を更に向上させるべく、鋭意研究を行った。その結果、熱ＣＶＤで炭素被覆した炭素被覆シリコン材料に関しては、導電性は向上するものの初期効率の面で向上の余地があることを見出した。そして、実際に様々な製造条件で炭素被覆シリコン材料を製造するとともに、得られた各種の炭素被覆シリコン材料を用いた二次電池を製造して、その初期効率を測定した。
その結果、熱ＣＶＤを行う際の雰囲気を種々に変更して炭素被覆シリコン材料を製造した場合、得られた各種の炭素被覆シリコン材料のなかに、二次電池の初期効率を向上させ得るものがあることを発見した。この発見に基づき、本発明の発明者は、本発明を完成させた。
【００１０】
すなわち、本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法は、
複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料に、化学気相成長法により、炭素源ガス並びにＣＯ２ガス及び／又はＨ２Ｏガスの存在下で炭素被膜を形成する、炭素被覆シリコン材料の製造方法である。
【００１１】
また、本発明の二次電池の製造方法は、
複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料に、化学気相成長法により、炭素源ガス並びにＣＯ２ガス及び／又はＨ２Ｏガスの存在下で炭素被膜を形成する、炭素被覆シリコン材料の製造工程を備える、二次電池の製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法によると、二次電池の電池特性を向上し得る炭素被覆シリコン材料を製造できる。また、本発明の二次電池の製造方法によると、電池特性の向上した二次電池を製造できる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「ｘ〜ｙ」は、下限ｘおよび上限ｙをその範囲に含む。そして、これらの上限値および下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。さらに数値範囲内から任意に選択した数値を上限、下限の数値とすることができる。
【００１４】
本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法は、
複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料に、化学気相成長法により、炭素源ガス並びにＣＯ２ガス及び／又はＨ２Ｏガスの存在下で炭素被膜を形成する方法である。
【００１５】
本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法によると、化学気相成長法により炭素被膜を形成する雰囲気に、炭素被膜の原料となる炭素源ガスだけでなくＣＯ２ガス及び／又はＨ２Ｏガスを存在させることで、二次電池の初期効率を向上させ得る炭素被覆シリコン材料を得ることができる。
【００１６】
既述したように、本発明の発明者は、二次電池の電池特性を更に向上させるべく、炭素被覆シリコン材料の改良を試みた。そしてその結果、熱ＣＶＤで炭素被覆した従来の炭素被覆シリコン材料を使用した二次電池は、初期効率に向上の余地があることを見出した。
熱ＣＶＤで炭素被覆した従来の炭素被覆シリコン材料が初期効率に劣る理由は、充電時に正極から負極に移動した電荷担体が負極或いはその近傍にトラップされることで、不可逆容量が生じたためと考えられる。炭素被覆シリコン材料に含まれる如何なる成分が電荷担体をトラップするのかは不明であるが、後述する比較例に示すように、実際に、従来の炭素被覆シリコン材料の初期効率は７０％に満たなかった。
【００１７】
しかし、本発明の発明者が、条件を種々に変更しつつ熱ＣＶＤを行ったところ、炭素源ガスとともにＣＯ２ガス及び／又はＨ２Ｏガスが存在する雰囲気下で熱ＣＶＤを行うことで、上記した不可逆容量の発生を抑制できる炭素被覆シリコン材料を製造できることを見出した。その理由は定かではないが、上記した不可逆容量の原因となる物質は、シリコン材料の構成物質と炭素源との反応により生じた化合物ではないかと推測される。そして、ＣＯ２ガス及びＨ２Ｏガスの存在下で、当該化合物の生成が抑制されると推測される。以下、必要に応じて、ＣＯ２ガスとＨ２Ｏガスを総称して添加ガスと呼ぶ。
【００１８】
以下、本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法を具体的に説明する。
【００１９】
本発明において、「複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するシリコン材料」又は単にシリコン材料と呼ばれるものは、上記した特許文献２に開示されているシリコン材料を指す。
先ず、特許文献２に記載のシリコン材料について詳細に説明する。当該シリコン材料は、ＣａＳｉ２と酸とを反応させて、ポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成し、さらに、当該層状シリコン化合物を３００℃以上で加熱して水素を離脱させる方法で製造される。当該シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する。リチウムイオン等の電荷担体の効率的な挿入及び脱離反応のためには、板状シリコン体は厚さが１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内のものが好ましく、２０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内のものがより好ましい。また、板状シリコン体の長軸方向の長さは、０．１μｍ〜５０μｍの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、（長軸方向の長さ）／（厚さ）が２〜１０００の範囲内であるのが好ましい。板状シリコン体の積層構造は走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。また、この積層構造は、原料のＣａＳｉ２におけるＳｉ層の名残りであると考えられる。
【００２０】
特許文献２に記載のシリコン材料の製造方法を、酸としては塩化水素を用いた場合の理想的な反応式で示すと以下のとおりとなる。
３ＣａＳｉ２＋６ＨＣｌ  →  Ｓｉ６Ｈ６＋３ＣａＣｌ２
Ｓｉ６Ｈ６  →  ６Ｓｉ＋３Ｈ２↑
【００２１】
上記シリコン材料には、アモルファスシリコン及び／又はシリコン結晶子が含まれるのが好ましい。特に、上記板状シリコン体において、アモルファスシリコンをマトリックスとし、シリコン結晶子が当該マトリックス中に点在している状態が好ましい。シリコン結晶子のサイズは、０．５ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内が好ましく、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内がより好ましく、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内がさらに好ましく、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内が特に好ましい。なお、シリコン結晶子のサイズは、シリコン材料に対してＸ線回折測定を行い、得られたＸ線回折チャートのＳｉ（１１１）面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。
【００２２】
シリコン材料に含まれる板状シリコン体、アモルファスシリコン及びシリコン結晶子の存在量や大きさは、主に加熱温度や加熱時間に左右される。加熱温度は、３５０℃〜９５０℃の範囲内が好ましく、４００℃〜９００℃の範囲内がより好ましい。
【００２３】
以下、シリコン材料を炭素被覆する方法について説明する。本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法は、シリコン材料を炭素被覆する工程のみを備えても良いし、その他の工程を備えても良い。その他の工程とは、例えば、上記したシリコン材料を製造する工程である。以下、必要に応じて、当該シリコン材料を製造する工程をシリコン材料準備工程と呼び、シリコン材料を炭素被覆する工程を炭素被覆工程と呼ぶ。炭素被覆工程に用いる装置、つまり、化学気相成長法を実施する装置を炭素被覆装置と呼ぶ。
【００２４】
炭素被覆工程は、具体的には、アルゴンや窒素などの非酸化性雰囲気下及び加熱条件下にて、シリコン材料を炭素源ガス及び添加ガスと接触させて、シリコン材料の表面に炭素源ガスが炭素化してなる炭素被膜を形成させる工程である。上記したように、炭素源ガスとともにＣＯ２ガス及び／又はＨ２Ｏガスが存在する雰囲気下で熱ＣＶＤを行うことで、二次電池における不可逆容量の発生を抑制できる炭素被覆シリコン材料を製造できる。
【００２５】
炭素源ガスは、ガス状の有機物である。ここで言うガス状とは、炭素被覆工程において、化学気相成長法の雰囲気下でシリコン材料と接する際に、ガス状であることを指し、原料での状態は特に問わない。換言すると、炭素源ガスは、固体状の有機物から生成したガスでも良いし、常温でガス状の有機物でも良い。炭素被膜用の炭素源として当該ガス状の有機物を用いることで、シリコン材料の外部表面に均一な炭素被膜を形成できるだけでなく、外部に連絡するシリコン材料の内部表面にも炭素被膜を形成できる。
【００２６】
炭素被覆工程における添加ガスの存在比率、つまり、化学気相成長法の雰囲気下における添加ガスの存在比率は特に問わないが、添加ガスの存在比率が過大であれば、炭素被覆シリコン材料の製造コストが高くなる。また、添加ガスの存在比率が過小であれば、添加ガスの効果が小さくなる場合がある。したがって、添加ガスの存在比率には最適な範囲が存在すると考えられる。具体的には、炭素源ガス１００体積部に対するＣＯ２ガスの存在比率は、２５〜２００体積部であるのが好ましく、３０〜１５０体積部であるのがより好ましく、５０〜１００体積部であるのが更に好ましい。Ｈ２Ｏガスについては、炭素源ガス１００体積部に対して、０．０２５〜０．２体積部であるのが好ましく、０．０３〜０．１５体積部であるのがより好ましく、０．０５〜０．１体積部であるのが更に好ましい。
【００２７】
ＣＯ２ガス及びＨ２Ｏガスを併用する場合には、各添加ガスについて上記の好ましい範囲内で使用すれば良い。
なお、上記したＣＯ２ガス及びＨ２Ｏガスの存在比率の好ましい範囲は、実施例で詳説するように、実際の試験結果に基づくものである。
【００２８】
添加ガスとしてのＨ２Ｏガスについて、その作用機構、及び、同じく添加ガスとしてのＣＯ２ガスに比べて極めて少量で効果を発揮する理由は明らかでない。しかし、使用量が非常に少なく、又、安価であることから、Ｈ２Ｏガスは添加ガスとして優れているといえる。
【００２９】
上記したように、炭素被覆工程において、炭素源ガス及び添加ガスは、アルゴンや窒素などの非酸化性ガスとともに使用される。炭素源ガスと添加ガスとの和と非酸化性ガスとの体積比は、１：０．２〜１：１０の範囲であるのが好ましく、１：０．５〜１：７の範囲であるのがより好ましく、１：１〜１：５の範囲であるのが特に好ましい。
【００３０】
炭素源ガスを用いて炭素被膜を生成させる方法は化学気相成長法であれば良く、その詳細は特に限定しないが、一般に熱ＣＶＤと呼ばれている方法又はそれを応用する方法を選択するのが実用的である。
【００３１】
熱ＣＶＤを応用して被覆工程を行う場合には、ホットウォール型、コールドウォール型、横型、縦型などの型式の、流動層反応炉、回転炉、トンネル炉、バッチ式焼成炉、ロータリーキルンなどの公知のＣＶＤ装置を、炭素被覆装置として用いればよい。これらの装置によると、一度の工程で、或いは連続的に、比較的大量のシリコン材料を炭素被覆できるため有利である。なお、熱ＣＶＤ以外の化学気相成長法としては、プラズマＣＶＤ等が挙げられる。
【００３２】
有機物としては、非酸化性雰囲気下での加熱によって熱分解して炭化し得るものが用いられ、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、ヘキサンなどの飽和脂肪族炭化水素、エチレン、プロピレン、アセチレンなどの不飽和脂肪族炭化水素、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール類、ベンゼン、トルエン、キシレン、スチレン、エチルベンゼン、ジフェニルメタン、ナフタレン、フェノール、クレゾール、安息香酸、サリチル酸、ニトロベンゼン、クロルベンゼン、インデン、ベンゾフラン、ピリジン、アントラセン、フェナントレンなどの芳香族炭化水素、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミルなどのエステル類、脂肪酸類などから選択される一種又は混合物が挙げられる。
このうち、メタン、エタン、プロパン、ブタン、イソブタン、ペンタン、ヘキサンなどの飽和脂肪族炭化水素、エチレン、プロピレン、アセチレンなどの不飽和脂肪族炭化水素は、沸点が低く、炭素源ガスとしてそのまま使用できるため、有機物として特に適している。
【００３３】
炭素被覆工程における処理温度は、有機物の種類によって異なるが、有機物が熱分解する温度より５０℃以上高い温度とすることが望ましい。しかし、加熱温度が過度に高すぎると、系内に遊離炭素（煤）が発生する場合があるので、遊離炭素（煤）が発生しない条件を選択することが好ましい。好適な温度として７５０〜９５０℃の範囲を、より好適な温度として８５０〜９００℃の範囲を例示できる。形成される炭素被膜の厚さは、処理時間によって制御することができる。
【００３４】
炭素被覆工程は、シリコン材料を流動状態にして行うことが望ましい。このようにすることで、シリコン材料の全表面を有機物と接触させることができ、より均一な炭素被膜を形成することができる。シリコン材料を流動状態にするには、流動床を用いるなど各種方法があるが、シリコン材料を撹拌しながら有機物と接触させるのが好ましい。例えば、内部に邪魔板をもつ回転炉を用いれば、邪魔板に留まったシリコン材料が回転炉の回転に伴って所定高さから落下することで撹拌され、その際に有機物と接触して炭素被膜が形成されるので、シリコン材料の全体にいっそう均一な炭素被膜を形成することができる。
【００３５】
炭素被覆シリコン材料の炭素被膜は非晶質及び／又は結晶質であり、そして、当該炭素被膜はシリコン材料からなる粒子の表面全体を被覆しているのが好ましい。炭素被膜の厚みは、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内が好ましく、５〜５０ｎｍの範囲内がより好ましく、１０〜２０ｎｍの範囲内がさらに好ましい。また、炭素被覆シリコン材料における炭素の割合としては、１〜２０質量％、４〜９質量％の範囲を例示できる。
【００３６】
また、炭素被覆シリコン材料は、粉砕や分級を経て、一定の粒度分布の粉末としてもよい。炭素被覆シリコン材料の好ましい粒度分布としては、一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で測定した場合に、Ｄ５０が１〜３０μｍ、２〜２０μｍ、３〜１０μｍの範囲内を例示できる。
【００３７】
本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法で製造された炭素被覆シリコン材料は、リチウムイオン二次電池などの二次電池の負極活物質として使用することができる。本発明の炭素被覆シリコン材料は、負極活物質たるシリコン材料が炭素被覆されたものであり、実質的に、負極活物質として機能する。
以下、必要に応じて、本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法で製造された炭素被覆シリコン材料を、単に、本発明の炭素被覆シリコン材料と呼ぶ。
なお、本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法で得られた炭素被覆シリコン材料は、二次電池用の負極活物質としてだけでなく、種々の用途に使用することができる。つまり、本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法は、二次電池用の負極活物質の製造方法に限定されない。
【００３８】
以下、二次電池の代表としてリチウムイオン二次電池を例に挙げて、本発明の炭素被覆シリコン材料を用いた二次電池を説明する。当該二次電池は、上記した本発明の炭素被覆シリコン材料の製造方法を一工程として含む、本発明の二次電池の製造方法で製造される。以下、必要に応じて、当該二次電池を本発明の二次電池と呼ぶ。
【００３９】
本発明の二次電池は、本発明の炭素被覆シリコン材料を具備する負極、正極、電解液及びセパレータを具備する。
【００４０】
負極は、集電体と、集電体の表面に結着させた負極活物質層を有する。
【００４１】
集電体は、二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子伝導体をいう。集電体としては、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。
【００４２】
集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体が箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが１μｍ〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。
【００４３】
負極活物質層は負極活物質、並びに必要に応じて導電助剤及び／又は結着剤を含む。
負極活物質としては、本発明の炭素被覆シリコン材料を含むものであればよく、本発明の炭素被覆シリコン材料のみを採用してもよいし、本発明の炭素被覆シリコン材料と公知の負極活物質を併用してもよい。
【００４４】
導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。導電助剤としては化学的に不活性な電子高伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、気相法炭素繊維（Vapor Grown Carbon Fiber：ＶＧＣＦ）、および各種金属粒子などが例示される。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどが例示される。これらの導電助剤を単独または二種以上組み合わせて活物質層に添加することができる。
【００４５】
負極活物質層中の導電助剤の配合割合は、質量比で、負極活物質：導電助剤＝１：０．００５〜１：０．５であるのが好ましく、１：０．０１〜１：０．２であるのがより好ましく、１：０．０３〜１：０．１であるのがさらに好ましい。導電助剤が少なすぎると効率のよい導電パスを形成できず、また、導電助剤が多すぎると負極活物質層の成形性が悪くなるとともに電極のエネルギー密度が低くなるためである。
【００４６】
結着剤は、負極活物質や導電助剤を集電体の表面に繋ぎ止め、電極中の導電ネットワークを維持する役割を果たすものである。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、ポリ（メタ）アクリル酸等のアクリル系樹脂、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、カルボキシメチルセルロースを例示することができる。これらの結着剤を単独で又は複数で採用すれば良い。
【００４７】
負極活物質層中の結着剤の配合割合は、質量比で、活物質：結着剤＝１：０．００１〜１：０．３であるのが好ましく、１：０．００５〜１：０．２であるのがより好ましく、１：０．０１〜１：０．１５であるのがさらに好ましい。結着剤が少なすぎると電極の成形性が低下し、また、結着剤が多すぎると電極のエネルギー密度が低くなるためである。
【００４８】
集電体の表面に負極活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に負極合材を塗布すればよい。具体的には、活物質、溶剤、並びに必要に応じて結着剤及び／又は導電助剤を混合し、スラリーを調製する。上記溶剤としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。
【００４９】
正極は、集電体と、集電体の表面に結着させた正極活物質層を有する。
【００５０】
集電体については、負極で説明したものを適宜適切に採用すれば良い。正極活物質層は正極活物質、並びに必要に応じて導電助剤及び／又は結着剤を含む。このうち導電助剤及び結着剤については負極で説明したものを適宜適切に採用すれば良い。
【００５１】
正極活物質としては、層状化合物のＬｉａＮｉｂＣｏｃＭｎｄＤｅＯｆ(０．２≦ａ≦２、ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｅ＜１、ＤはＬｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｌａから選ばれる少なくとも１の元素、１．７≦ｆ≦３)、Ｌｉ２ＭｎＯ３を挙げることができる。また、正極活物質として、ＬｉＭｎ２Ｏ４、Ｌｉ２Ｍｎ２Ｏ４等のスピネル、及びスピネルと層状化合物の混合物で構成される固溶体、ＬｉＭＰＯ４、ＬｉＭＶＯ４又はＬｉ２ＭＳｉＯ４（式中のＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅのうちの少なくとも一種から選択される）などで表されるポリアニオン系化合物を挙げることができる。さらに、正極活物質として、ＬｉＦｅＰＯ４ＦなどのＬｉＭＰＯ４Ｆ（Ｍは遷移金属）で表されるタボライト系化合物、ＬｉＦｅＢＯ３などのＬｉＭＢＯ３（Ｍは遷移金属）で表されるボレート系化合物を挙げることができる。正極活物質として用いられるいずれの金属酸化物も上記の組成式を基本組成とすればよく、基本組成に含まれる金属元素を他の金属元素で置換したものも使用可能である。また、正極活物質として、充放電に寄与するリチウムイオンを含まない正極活物質材料、たとえば、硫黄単体、硫黄と炭素を複合化した化合物、ＴｉＳ２などの金属硫化物、Ｖ２Ｏ５、ＭｎＯ２などの酸化物、ポリアニリン及びアントラキノン並びにこれら芳香族を化学構造に含む化合物、共役二酢酸系有機物などの共役系材料、その他公知の材料を用いることもできる。さらに、ニトロキシド、ニトロニルニトロキシド、ガルビノキシル、フェノキシルなどの安定なラジカルを有する化合物を正極活物質として採用してもよい。リチウムを含まない正極活物質材料を用いる場合には、正極及び／又は負極に、公知の方法により、予めイオンを添加させておく必要がある。ここで、当該イオンを添加するためには、金属または当該イオンを含む化合物を用いればよい。
【００５２】
上記層状化合物のＬｉａＮｉｂＣｏｃＭｎｄＤｅＯｆ(０．２≦ａ≦２、ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｅ＜１、ＤはＬｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｌａから選ばれる少なくとも１の元素、１．７≦ｆ≦３)において、ｂ、ｃ及びｄの値は、上記条件を満足するものであれば特に制限はないが、０＜ｂ＜１、０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１であるものが良く、また、ｂ、ｃ、ｄの少なくともいずれか一つが０＜ｂ＜８０／１００、０＜ｃ＜７０／１００、１０／１００＜ｄ＜１の範囲であることが好ましく、１０／１００＜ｂ＜６８／１００、１２／１００＜ｃ＜６０／１００、２０／１００＜ｄ＜６８／１００の範囲であることがより好ましく、２５／１００＜ｂ＜６０／１００、１５／１００＜ｃ＜５０／１００、２５／１００＜ｄ＜６０／１００の範囲であることがさらに好ましい。
【００５３】
ａは、０．５≦ａ≦１．７の範囲内が好ましく、０．７≦ａ≦１．５の範囲内がより好ましく、０．９≦ａ≦１．３の範囲内がさらに好ましく、１≦ａ≦１．２の範囲内が特に好ましい。ｅ、ｆについては一般式で規定する範囲内の数値であればよく、ｅ＝０、ｆ＝２を例示することができる。
【００５４】
電解液は、非水溶媒と非水溶媒に溶解した電解質とを含んでいる。
【００５５】
非水溶媒としては、環状エステル類、鎖状エステル類、エーテル類等が使用できる。環状エステル類としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ガンマブチロラクトン、ビニレンカーボネート、２−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトンを例示できる。鎖状エステル類としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル等を例示できる。エーテル類としては、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、１，２−ジブトキシエタンを例示できる。非水溶媒としては、上記具体的な溶媒の化学構造のうち一部又は全部の水素がフッ素に置換した化合物を採用しても良い。
【００５６】
電解質としては、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２等のリチウム塩を例示できる。
【００５７】
電解液としては、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネートなどの非水溶媒に、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３などのリチウム塩を０．５ｍｏｌ／Ｌから１．７ｍｏｌ／Ｌ程度の濃度で溶解させた溶液を例示できる。
【００５８】
セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド（Ａｒｏｍａｔｉｃ  ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ポリエステル、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂、セルロース、アミロース等の多糖類、フィブロイン、ケラチン、リグニン、スベリン等の天然高分子、セラミックスなどの電気絶縁性材料を１種若しくは複数用いた多孔体、不織布、織布などを挙げることができる。また、セパレータは多層構造としてもよい。
【００５９】
次に、本発明の二次電池の製造方法について説明する。
【００６０】
本発明の二次電池の製造方法においては、上記した炭素被覆シリコン材料の製造方法にしたがって、炭素被覆シリコン材料を製造する。そして、当該炭素被覆シリコン材料を負極活物質として用い、上記したように集電体、導電助剤、結着剤等を適宜選択して、負極を製造する。更に、正極及び当該負極でセパレータを挟持して電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極の積層体を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体および負極の集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までを、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に電解液を加えて二次電池とするとよい。また、本発明の二次電池は、電極に含まれる活物質の種類に適した電圧範囲で充放電を実行されればよい。
【００６１】
本発明の二次電池の形状は特に限定されるものでなく、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。
【００６２】
本発明の二次電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部に二次電池による電気エネルギーを使用している車両であればよく、たとえば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両に二次電池を搭載する場合には、二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。二次電池を搭載する機器としては、車両以外にも、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器などが挙げられる。さらに、本発明の二次電池は、風力発電、太陽光発電、水力発電その他電力系統の蓄電装置及び電力平滑化装置、船舶等の動力及び／又は補機類の電力供給源、航空機、宇宙船等の動力及び／又は補機類の電力供給源、電気を動力源に用いない車両の補助用電源、移動式の家庭用ロボットの電源、システムバックアップ用電源、無停電電源装置の電源、電動車両用充電ステーションなどにおいて充電に必要な電力を一時蓄える蓄電装置に用いてもよい。
【００６３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【実施例】
【００６４】
以下に、実施例および比較例などを示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例によって限定されるものではない。
【００６５】
（実施例１）
（炭素被覆シリコン材料の製造）
・シリコン材料準備工程
氷浴中の３６質量％ＨＣｌ水溶液に、アルゴンガス雰囲気下、ＣａＳｉ２を加えて撹拌した。反応液を濾過し、残渣を蒸留水及びアセトンで洗浄し、更に、減圧乾燥して、ポリシランを含む層状シリコン化合物を分離した。層状シリコン化合物をアルゴンガス雰囲気下、９００℃で１時間加熱して、シリコン材料を得た。得られたシリコン材料を気流式粉砕機を用いて粉砕し、Ｄ５０が約５μｍとなるシリコン材料を得た。
【００６６】
・炭素被覆工程
所定量のシリコン材料を予め炭素被覆装置に導入しておいた。炭素被覆装置としては、ロータリーキルン型の反応器を用い、仕込み量１９００ｇ、バッチ式で炭素被覆工程を行った。
実施例１の炭素被覆シリコン材料の製造方法では、炭素源ガスとしてプロパンガスを、添加ガスとしてＣＯ２ガスを用いた。具体的には、上記した炭素被覆装置に、プロパンガス、ＣＯ２ガス及び窒素ガスを、プロパンガス２Ｌ／分、ＣＯ２ガス２Ｌ／分、及び窒素ガス６Ｌ／分の流量で流通させた。化学気相成長法の雰囲気下における各ガスの存在比率は、プロパンガス１００体積部に対して、窒素ガス３００体積部、ＣＯ２ガス１００体積部であった。
【００６７】
上記の流量で各ガスを流通させつつ、８８０℃の条件で、シリコン材料に対して炭素被覆を行い、炭素被覆シリコン材料を製造した。なお、反応器の炉心管は水平方向に配設されており、炭素被覆工程における炉心管の回転速度は０．５ｒｐｍとした。炉心管の内周壁には邪魔板が配設されており、反応器は炉心管の回転に伴って邪魔板上に堆積した内容物が所定の高さで邪魔板から落下するように構成され、その構成によって内容物が撹拌される。
【００６８】
以上の炭素被覆工程によって、実施例１の炭素被覆シリコン材料を製造した。ＣＨＮ元素分析装置を用いて、実施例１の炭素被覆シリコン材料における炭素の含有率を調べた。その結果を基に算出した実施例１の炭素被覆シリコン材料の炭素比率は、６．２質量％であった。
実施例１の炭素被覆シリコン材料の製造条件を、後述する各実施例及び比較例の炭素被覆シリコン材料の製造条件とともに、表１に示す。なお、表１には、後述する評価結果も列記する。
【００６９】
【表１】
2018058746.tif 000002
【００７０】
（二次電池の製造）
実施例１の炭素被覆シリコン材料を用い、以下の方法で実施例１のリチウムイオン二次電池を製造した。
【００７１】
実施例１の炭素被覆シリコン材料７５質量部、負極活物質として黒鉛１０質量部、導電助剤としてアセチレンブラック５質量部、結着剤溶液３３質量部を混合してスラリーを調製した。結着剤溶液には、ポリアミドイミド樹脂がＮ−メチル−２−ピロリドンに３０質量％溶解した溶液を用いている。上記スラリーを、集電体としての厚さ約２０μｍの電解銅箔の表面にドクターブレードを用いて塗布し、乾燥して、銅箔上に負極活物質層を形成した。その後、ロールプレス機により、集電体と負極活物質層を強固に密着接合させた。これを１００℃で２時間真空乾燥して負極を製造した。
上記の手順で製造した負極を評価極として用い、リチウムイオン二次電池（ハーフセル）を作製した。対極は金属リチウム箔（厚さ５００μｍ）とした。
対極をφ１３ｍｍ、評価極をφ１１ｍｍに裁断し、セパレータ（ヘキストセラニーズ社製ガラスフィルター及びＣｅｌｇａｒｄ社製「Ｃｅｌｇａｒｄ２４００」）を両極の間に介装して電極体とした。この電極体を電池ケース（ＣＲ２０３２型コイン電池用部材、宝泉株式会社製）に収容した。電池ケースには、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを１：１（体積比）で混合した混合溶媒にＬｉＰＦ６を１Ｍの濃度で溶解した非水電解液を注入し、電池ケースを密閉して、実施例１のリチウムイオン二次電池を得た。
【００７２】
（実施例２）
添加ガスとしてＣＯ２ガスに代えて少量のＨ２Ｏガスを用いたこと以外は、実施例１と同様の方法で、実施例２の炭素被覆シリコン材料を製造した。また、実施例２の炭素被覆シリコン材料を用い、実施例１と同様の方法で、実施例２のリチウムイオン二次電池を得た。
なお、実施例２の炭素被覆シリコン材料の製造方法において、Ｈ２Ｏガスの流量は０．００２Ｌ／分であり、化学気相成長法の雰囲気下における炭素源ガスと添加ガスとの存在比率は、プロパンガス１００体積部に対してＨ２Ｏガス０．１体積部であった。また、実施例２の炭素被覆シリコン材料の炭素比率は６．５質量％であった。
【００７３】
（実施例３）
添加ガスとして、ＣＯ２ガスとＨ２Ｏガスとを併用したこと、及び、ＣＯ２ガス及びＨ２Ｏガスの流量を変更したこと以外は、実施例１及び実施例２と同様の方法で、実施例３の炭素被覆シリコン材料を製造した。また、実施例３の炭素被覆シリコン材料を用い、実施例１と同様の方法で、実施例３のリチウムイオン二次電池を得た。
なお、実施例３の炭素被覆シリコン材料の製造方法において、ＣＯ２ガスの流量は１Ｌ／分であり、Ｈ２Ｏガスの流量は０．００１Ｌ／分であった。また、化学気相成長法の雰囲気下における炭素源ガスと添加ガスとの存在比率は、プロパンガス１００体積部に対してＣＯ２ガス５０体積部、Ｈ２Ｏガス０．０５体積部であった。実施例３の炭素被覆シリコン材料の炭素比率は６．８質量％であった。
【００７４】
（比較例１）
添加ガスを用いなかったこと、及び窒素ガスの流量が８Ｌ／分であったこと以外は、実施例１と同様の方法で、比較例１の炭素被覆シリコン材料を製造した。比較例１の炭素被覆シリコン材料の炭素比率は６．３質量％であった。また、比較例１の炭素被覆シリコン材料を用い、実施例１と同様の方法で、比較例１のリチウムイオン二次電池を得た。
【００７５】
（比較例２）
添加ガスを用いず、窒素ガスの流量が８Ｌ／分であり、かつ、炭素被覆工程を７８０℃で行ったこと以外は、実施例１と同様の方法で、比較例２の炭素被覆シリコン材料を製造した。比較例２の炭素被覆シリコン材料の炭素比率は６．５質量％であった。また、比較例２の炭素被覆シリコン材料を用い、実施例１と同様の方法で、比較例２のリチウムイオン二次電池を得た。
【００７６】
（評価）
・体積抵抗率
実施例及び比較例の各炭素被覆シリコン材料２ｇを直径２ｃｍの円筒管に入れ、荷重２０ｋＮで各成分を圧縮し、三菱化学アナリテック製抵抗測定装置（商品名  ＭＣＰ−ＰＤ５１）にて体積抵抗率を求めた。各炭素被覆シリコン材料の体積抵抗率を表１に示す。
【００７７】
表１に示すように、実施例１〜実施例３の炭素被覆シリコン材料の体積抵抗率は、比較例１の炭素被覆シリコン材料の体積抵抗率に比べて低かった。つまり、実施例１〜実施例３の炭素被覆シリコン材料は、比較例１の炭素被覆シリコン材料に比べて導電性に優れていた。この結果から、添加ガスの存在下で炭素被覆工程を行うことで、炭素被覆シリコン材料の導電性を向上させ得ることがわかる。
【００７８】
また、比較例２の炭素被覆シリコン材料の体積抵抗率は、実施例１〜実施例３の炭素被覆シリコン材料の体積抵抗率と同程度であり、比較例１の炭素被覆シリコン材料の体積抵抗率に比べて低かった。比較例１の製造方法と比較例２の製造方法との違いは炭素被覆工程の温度であるため、８８０℃で炭素被覆工程を行うことで、炭素被覆シリコン材料の導電性を低下させる物質が生成することが示唆される。そして、この物質は、添加ガスの存在下で炭素被覆工程を行う場合には、８８０℃で炭素被覆工程を行っても生成し難いと推測される。当該物質は、シリコン材料のＳｉと炭素源ガスの炭素とが反応して生じたＳｉＣではないかと推測される。
【００７９】
・初期効率
実施例１〜実施例３及び比較例１、比較例２のリチウムイオン二次電池について、温度２５℃の条件下、０．１Ｃにて評価極の対極に対する電圧が０．０５Ｖになるまで充電を行い、次いで、０．１Ｃにて評価極の対極に対する電圧が０．７Ｖになるまで放電を行うことで、初回充放電を行った。
【００８０】
（初回放電容量／初回充電容量）×１００を初期効率（％）として算出した。各リチウムイオン二次電池の初期効率を表１に示す。なお、当該評価例では、評価極にＬｉを吸蔵させることを充電といい、評価極からＬｉを放出させることを放電という。
【００８１】
表１に示すように、実施例１〜実施例３のリチウムイオン二次電池の初期効率は、比較例１、比較例２のリチウムイオン二次電池の初期効率に比べて高かった。この結果から、添加ガスの存在下で炭素被覆工程を行って得られた炭素被覆シリコン材料を用いることで、リチウムイオン二次電池の初期効率が向上することがわかる。
その理由は明らかではないが、比較例１、２の製造方法における炭素被覆工程では、不可逆容量の原因となる物質が生成したと考えられ、当該原因物質の生成は、実施例１〜実施例３の製造方法における炭素被覆工程では抑制されたと考えられる。このため、当該原因物質の生成は、添加ガスの存在下で炭素被覆工程を行うことで抑制し得ると考えられる。
更に、比較例１の炭素被覆シリコン材料は体積抵抗率に優れているにも拘わらず初期効率に劣ることから、当該原因物質は体積抵抗率の悪化に関与する物質とは異なる物質である可能性が示唆される。