(57)【要約】【課題】非水電解質二次電池の負極に用いたときに、レート特性及びサイクル特性を高めることを可能とする、活物質−炭素材料複合体を提供する。【解決手段】負極活物質と、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている、第１の炭素材料とを含み、負極活物質におけるリチウムイオンの脱離及び挿入の平均電位が、Ｌｉ＋／Ｌｉに対して、０．５Ｖ以上、２．０Ｖ以下である（但し、前記負極活物質がチタン酸化物の場合は、チタンとチタン以外の元素とを含むチタン含有複合酸化物である）、活物質−炭素材料複合体。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極活物質と、炭素材料とを含み、
前記炭素材料は、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている、第１の炭素材料を含み、
前記負極活物質におけるリチウムイオンの脱離及び挿入の平均電位が、Ｌｉ＋／Ｌｉに対して、０．５Ｖ以上、２．０Ｖ以下である（但し、前記負極活物質がチタン酸化物の場合は、チタンとチタン以外の元素とを含むチタン含有複合酸化物である）、活物質−炭素材料複合体。
【請求項２】
前記第１の炭素材料が、樹脂を含む、請求項１に記載の活物質−炭素材料複合体。
【請求項３】
１０ｍｇ／Ｌ濃度のメチレンブルーのメタノール溶液の吸光度と、該メチレンブルーのメタノール溶液に前記第１の炭素材料を投入し、遠心分離により得られた上澄み液の吸光度との差に基づき測定された前記第１の炭素材料１ｇあたりのメチレンブルー吸着量（μモル／ｇ）をｙ、前記第１の炭素材料のＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ）をｘとした場合、比ｙ／ｘが０．１５以上である、請求項１又は２に記載の活物質−炭素材料複合体。
【請求項４】
前記第１の炭素材料のラマンスペクトルにおけるＤバンドと、Ｇバンドとのピーク強度比をＤ／Ｇ比としたとき、前記Ｄ／Ｇ比が、０．０５以上、０．８以下の範囲内にある、請求項１〜３のいずれか１項に記載の活物質−炭素材料複合体。
【請求項５】
前記負極活物質１００重量部に対して、前記炭素材料を０．２重量部以上、１０．０重量部以下の割合で含有する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の活物質−炭素材料複合体。
【請求項６】
前記負極活物質が、チタン含有複合酸化物である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の活物質−炭素材料複合体。
【請求項７】
前記炭素材料が、前記第１の炭素材料とは異なる第２の炭素材料をさらに含み、
前記第１の炭素材料の重量をＡとし、前記第２の炭素材料の重量をＢとしたとき、０．０１≦Ａ／Ｂ≦１００である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の活物質−炭素材料複合体。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の活物質−炭素材料複合体を含む、非水電解質二次電池用負極。
【請求項９】
請求項８に記載の非水電解質二次電池用負極を備える、非水電解質二次電池。
【請求項１０】
負極活物質との複合体に用いられ、前記負極活物質におけるリチウムイオンの脱離及び挿入の平均電位が、Ｌｉ＋／Ｌｉに対して、０．５Ｖ以上、２．０Ｖ以下である、炭素材料であって、
グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている（但し、前記負極活物質がチタン酸化物の場合は、チタンとチタン以外の元素とを含むチタン含有複合酸化物である）、炭素材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活物質と炭素材料との複合体である活物質−炭素材料複合体、上記活物質−炭素材料複合体を用いた非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池、並びに上記活物質−炭素材料複合体に用いられる炭素材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯機器、ハイブリッド自動車、電気自動車、家庭用蓄電用途等に向けて、非水電解質二次電池の研究開発が盛んに行われている。これらの分野に用いられる非水電解質二次電池においては、さらなる長寿命化、大電流での充放電性能が求められている。
【０００３】
この要望に対応すべく、非水電解質二次電池の負極に用いられる負極活物質としては、非特許文献１に開示されているチタン含有酸化物が研究されている。
【０００４】
また、特許文献１では、炭素材料を含む第１の層と、チタン酸リチウム及び導電材を含む第２の層からなる負極活物質が開示されている。非特許文献２では、負極活物質として、チタン含有酸化物とカーボン材料との複合体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０１４８３０号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｖｏｌｕｍｅ１４２，Ｉｓｓｕｅ５，ｐｐ．１４３１（１９９５）
【非特許文献２】ＧＳ  Ｙｕａｓａ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｏｒｔ，第４巻，第２号，ｐｐ．３６（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１の負極活物質は、材料自身の電子伝導性が極めて低く、また、サイクル運転時にガスが発生するという問題点があった。
【０００８】
また、特許文献１の負極活物質を用いた場合も、負極活物質表面で進行する副反応に対して根本的な解決にはなっておらず、ガスの発生を十分に抑制することができなかった。同様に、非特許文献２の負極活物質においても、導電性を付与することができるものの、ガスの発生を十分に抑制することができなかった。そのため、サイクル特性を十分に高めることができなかった。
【０００９】
本発明の目的は、非水電解質二次電池の負極に用いたときに、レート特性及びサイクル特性を高めることを可能とする、活物質−炭素材料複合体、並びに該活物質−炭素材料複合体を用いた非水電解質二次電池用負極及び非水電解質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】
本発明に係る活物質−炭素材料複合体は、負極活物質と、炭素材料とを含み、前記炭素材料は、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている、第１の炭素材料を含み、前記負極活物質におけるリチウムイオンの脱離及び挿入の平均電位が、Ｌｉ＋／Ｌｉに対して、０．５Ｖ以上、２．０Ｖ以下である（但し、前記負極活物質がチタン酸化物の場合は、チタンとチタン以外の元素とを含むチタン含有複合酸化物である）。
【００１１】
本発明に係る活物質−炭素材料複合体のある特定の局面では、前記第１の炭素材料が、樹脂を含む。
【００１２】
本発明に係る活物質−炭素材料複合体の別の特定の局面では、１０ｍｇ／Ｌ濃度のメチレンブルーのメタノール溶液の吸光度と、該メチレンブルーのメタノール溶液に前記第１の炭素材料を投入し、遠心分離により得られた上澄み液の吸光度との差に基づき測定された前記第１の炭素材料１ｇあたりのメチレンブルー吸着量（μモル／ｇ）をｙ、前記第１の炭素材料のＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ）をｘとした場合、比ｙ／ｘが０．１５以上である。
【００１３】
本発明に係る活物質−炭素材料複合体の他の特定の局面では、前記第１の炭素材料のラマンスペクトルにおけるＤバンドと、Ｇバンドとのピーク強度比をＤ／Ｇ比としたとき、前記Ｄ／Ｇ比が、０．０５以上、０．８以下の範囲内にある。
【００１４】
本発明に係る活物質−炭素材料複合体のさらに他の特定の局面では、前記負極活物質１００重量部に対して、前記炭素材料を０．２重量部以上、１０．０重量部以下の割合で含有する。
【００１５】
本発明に係る活物質−炭素材料複合体のさらに他の特定の局面では、前記負極活物質が、チタン含有複合酸化物である。
【００１６】
本発明に係る活物質−炭素材料複合体のさらに他の特定の局面では、前記炭素材料が、前記第１の炭素材料とは異なる第２の炭素材料をさらに含み、前記第１の炭素材料の重量をＡとし、前記第２の炭素材料の重量をＢとしたとき、０．０１≦Ａ／Ｂ≦１００である。
【００１７】
本発明に係る非水電解質二次電池用負極は、本発明に従って構成される、活物質−炭素材料複合体を含む。
【００１８】
本発明に係る非水電解質二次電池は、本発明に従って構成される、非水電解質二次電池用負極を備える。
【００１９】
本発明に係る炭素材料は、負極活物質との複合体に用いられ、前記負極活物質におけるリチウムイオンの脱離及び挿入の平均電位が、Ｌｉ＋／Ｌｉに対して、０．５Ｖ以上、２．０Ｖ以下である、炭素材料であって、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている（但し、前記負極活物質がチタン酸化物の場合は、チタンとチタン以外の元素とを含むチタン含有複合酸化物である）。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の活物質−炭素材料複合体によれば、非水電解質二次電池の負極に用いたときに、ガスの発生を抑制することができ、サイクル特性を高めることができる。また、本発明の活物質−炭素材料複合体は、レート特性を高めることもできる。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の詳細を説明する。
【００２２】
本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図されている。
【００２３】
［活物質−炭素材料複合体］
本発明に係る活物質−炭素材料複合体は、負極活物質と、炭素材料とを含む。上記負極活物質は、リチウムイオンの脱離及び挿入の平均電位が、Ｌｉ＋／Ｌｉに対して、０．５Ｖ以上、２．０Ｖ以下の化合物である。上記炭素材料は、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有する、第１の炭素材料を含む。
【００２４】
本発明に係る活物質−炭素材料複合体は、上記の負極活物質及び炭素材料を含んでいるので、非水電解質二次電池の負極に用いたときに、レート特性及びサイクル特性を高めることができる。
【００２５】
（負極活物質）
本発明で用いる負極活物質は、Ｌｉ＋／Ｌｉに対して、０．５Ｖ以上、２．０Ｖ以下でリチウムイオンの脱離及び挿入が進行する。なお、以下、Ｌｉ＋／Ｌｉに対する平均電位をｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉと表記する場合があるものとする。
【００２６】
リチウムイオンの挿入反応が０．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以上、２．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以下で進行するとは、負極活物質へのリチウムイオン挿入が２．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以下で開始し、０．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以上で終了することである。一方、リチウムイオンの脱離反応が、０．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以上、２．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以下で進行するとは、負極活物質からのリチウムイオン脱離が０．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以上で開始し、２．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以下で終了することである。
【００２７】
リチウムイオンの脱離及び挿入反応の電圧値（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）は、例えば、負極活物質を用いた動作極とし、リチウム金属を対極とした半電池の充放電特性を測定し、プラトー開始時及び終了時の電圧値を読み取ることによって求めることができる。プラトーが、２箇所以上ある場合は、最も低い電圧値のプラトーが０．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以上であればよく、最も高い電圧値のプラトーが２．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以下であればよい。上記半電池に用いる動作極、電解液、セパレータは後述のものと同様のものを用いることができる。
【００２８】
リチウムイオンの脱離及び挿入反応が、０．５Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以上、２．０Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ＋／Ｌｉ）以下で進行する負極活物質がチタン酸化物の場合は、チタンとチタン以外の元素とを含むチタン含有複合酸化物である。すなわち、チタン酸化物の場合は、チタン以外の元素を含まないチタン酸化物以外のチタン含有複合酸化物である。
【００２９】
また、チタン含有複合酸化物以外の上記負極活物質としては、例えば、酸化タングステン、五酸化ニオブ又は二酸化モリブデンなどの金属酸化物が挙げられる。
【００３０】
これらの負極活物質のなかでも、負極活物質の安定性をより一層高める観点から、チタン含有複合酸化物がより好ましい。チタン以外の元素を含まないチタン酸化物は、リチウムイオンの脱離及び挿入反応の反応性が低いことから、チタン酸化物の場合は上記反応性向上のため、さらにチタン以外の元素が含まれる。
【００３１】
なかでも、製造がより一層容易であることから、チタン含有複合酸化物としては、チタン酸リチウム、チタン以外の元素を含む二酸化チタン、又はＨ２Ｔｉ１２Ｏ２５が好ましい。
【００３２】
チタン以外の元素を含む二酸化チタンにおけるチタン以外の元素としては、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニア（Ｚｒ）、又はバナジウム（Ｖ）が例示される。これらの元素は、単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。これらの元素が含まれることにより、リチウムイオンの脱離及び挿入反応の反応性がより一層向上する。
【００３３】
チタン酸リチウム又はＨ２Ｔｉ１２Ｏ２５には、導電性又は安定性をより一層向上させる観点から、例えば、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニア（Ｚｒ）、又はバナジウム（Ｖ）などのリチウム及びチタン以外の元素がさらに微量含まれていてもよい。また、上記負極活物質は１種類を用いてもよいし、２種類以上を用いてもよい。
【００３４】
上記チタン酸リチウムは、スピネル構造又はラムズデライト型であることが好ましい。リチウムイオンの脱離及び挿入の反応における負極活物質の膨張収縮がより一層小さいことから、より好ましくはスピネル構造であり、分子式としてＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２で表される。
【００３５】
上記チタン以外の元素を含む二酸化チタンは、アナタース型、又はＢ型であることが好ましい。
【００３６】
本発明で用いる負極活物質の粒子径は、０．１μｍ以上、５０μｍ以下であることが好ましい。取り扱い性をより一層高める観点から、１μｍ以上、３０μｍ以下であることがより好ましい。粒子径は、ＳＥＭ又はＴＥＭ像から各粒子の大きさを測定し、平均粒子径を算出した値である。なお、上記粒子径は、単結晶の大きさでもよいし、あるいは単結晶の造粒体の大きさでもよい。
【００３７】
本発明で用いる負極活物質の比表面積は、所望の出力密度を得やすいことから、０．１ｍ２／ｇ以上、５０ｍ２／ｇ以下であることが好ましい。上記比表面積は、水銀ポロシメータや、ＢＥＴ法での測定により算出するのがよい。
【００３８】
（炭素材料）
本発明において、炭素材料は、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有する第１の炭素材料のみによって構成されていてもよく、さらに後述の第２の炭素材料を含んでいてもよい。以下、この「炭素材料」の説明の欄では、第１の炭素材料を、炭素材料と称するものとする。もっとも、第２の炭素材料と区別するために、第１の炭素材料と称する場合もあるものとする。
【００３９】
本発明に用いる炭素材料は、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有する。より具体的に、「部分的にグラファイトが剥離されている」とは、グラフェンの積層体において、端縁からある程度内側までグラフェン層間が開いており、すなわち端縁にてグラファイトの一部が剥離しており、中央側の部分ではグラファイト層が元の黒鉛又は一次薄片化黒鉛と同様に積層していることをいうものとする。従って、端縁にてグラファイトの一部が剥離している部分は、中央側の部分に連なっている。さらに、上記炭素材料には、端縁のグラファイトが剥離され薄片化したものが含まれていてもよい。
【００４０】
上記のように、本発明の炭素材料は、中央側の部分において、グラファイト層が元の黒鉛又は一次薄片化黒鉛と同様に積層している。そのため、従来の酸化グラフェンやカーボンブラックより黒鉛化度が高く、導電性に優れている。また、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有することから、比表面積が大きい。そのため、負極活物質と接触する部分の面積を大きくすることができる。従って、このような炭素材料を含む活物質−炭素材料複合体は、非水電解質二次電池の電極に用いたときに、電極内の電流分布を均一にすることができるので、電池の抵抗を小さくするだけでなく、副反応を抑制することができる。その結果、レート特性の向上だけでなく、ガスの発生を抑制することができ、ひいてはサイクル特性も向上させることができる。
【００４１】
このような炭素材料は、黒鉛もしくは一次薄片化黒鉛と、樹脂とを含み、樹脂が黒鉛又は一次薄片化黒鉛にグラフト又は吸着により固定されている組成物を用意し、熱分解することにより得ることができる。なお、上記組成物中に含まれている樹脂は、除去されていることが望ましいが、樹脂の一部が残存していてもよい。
【００４２】
上記熱分解により、黒鉛又は一次薄片化黒鉛におけるグラフェン層間の距離が拡げられる。より具体的に、黒鉛又は一次薄片化黒鉛などのグラフェンの積層体において、端縁からある程度内側までグラフェン層間が拡げられる。すなわち、グラファイトの一部が剥離しており、中央側の部分ではグラファイト層が元の黒鉛又は一次薄片化黒鉛と同様に積層している構造を得ることができる。
【００４３】
上記黒鉛とは、複数のグラフェンの積層体である。黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛などを用いることができる。膨張黒鉛は、通常の黒鉛よりもグラフェン層の層間が大きい。従って、容易に剥離することができる。そのため、膨張黒鉛を用いた場合、本発明の炭素材料をより一層容易に得ることができる。
【００４４】
なお、上記黒鉛は、グラフェン積層数が１０万層以上〜１００万層程度であり、ＢＥＴによる比表面積（ＢＥＴ比表面積）で２５ｍ２／ｇよりも小さい値を有するものである。また、上記一次薄片化黒鉛は、黒鉛を剥離することにより得られるものであるため、その比表面積は、黒鉛よりも大きいものであればよい。
【００４５】
本発明では、上記炭素材料において部分的にグラファイトが剥離されている部分のグラフェン積層数が、５層以上、３０００層以下であることが好ましく、５層以上、１０００層以下であることがより好ましく、５層以上、５００層以下であることがさらに好ましい。
【００４６】
グラフェン積層数が上記下限未満の場合は、部分的にグラファイトが剥離されている部分におけるグラフェン積層数が少ないため、後述する非水電解質二次電池用負極内の各々の負極活物質間をつなげることができない場合がある。その結果、負極内の電子伝導経路が断絶され、レート特性及びサイクル特性が低下することがあるだけでなく、副反応が進行しやすくなり、その結果、ガスが発生しやすくなることがある。
【００４７】
グラフェン積層数が上記上限より多い場合は、炭素材料１つの大きさが極端に大きくなり、負極内の炭素材料の分布に偏りが生じる場合がある。そのため、負極内の電子伝導経路が未発達となり、レート特性及びサイクル特性が低下することがあるだけでなく、副反応が進行しやすくなり、その結果、ガスが発生しやすくなることがある。
【００４８】
グラフェン積層数の算出方法は、特に限定されないが、ＴＥＭ等で目視観察することによって算出することができる。
【００４９】
本発明に用いる炭素材料は、ラマン分光法によって得られるラマンスペクトルにおいて、Ｄバンドと、Ｇバンドとのピーク強度比をＤ／Ｇ比としたときに、Ｄ／Ｇ比が、０．８以下であることが好ましく、０．７以下であることがより好ましい。Ｄ／Ｇ比がこの範囲の場合、上記炭素材料そのものの導電性をより一層高めることができ、しかもガス発生量をより一層低減することができる。また、Ｄ／Ｇ比は、０．０５以上であることが好ましい。この場合、炭素材料上での電解液分解反応が抑制され、その結果、ガス発生がより一層抑制されるとともに、サイクル特性をより一層向上させることができる。
【００５０】
本発明に用いる炭素材料のＢＥＴ比表面積は、負極活物質との接触点をより一層十分に確保できることから、２５ｍ２／ｇ以上が好ましい。負極活物質との接触点をさらに一層十分に確保できることから、炭素材料のＢＥＴ比表面積は、３５ｍ２／ｇ以上であることがより好ましく、４５ｍ２／ｇ以上であることがさらに好ましい。また、負極作製時の取り扱い易さをより一層高める観点から、炭素材料のＢＥＴ比表面積は、２５００ｍ２／ｇ以下であることが好ましい。
【００５１】
本発明で用いる炭素材料は、炭素材料１ｇあたりのメチレンブルー吸着量（μモル／ｇ）をｙとし、炭素材料のＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ）をｘとしたときに、比ｙ／ｘが、０．１５以上であることが好ましく、０．１５以上、１．０以下であることがより好ましい。また、後述のスラリー調製時において負極活物質と炭素材料との吸着がより一層進行しやすいことから、０．２以上、０．９以下であることがさらに好ましい。
【００５２】
メチレンブルー吸着量（μモル／ｇ）は、次のようにして測定される。最初に、１０ｍｇ／Ｌ濃度のメチレンブルーのメタノール溶液の吸光度（ブランク）を測定する。次に、メチレンブルーのメタノール溶液に測定対象物（炭素材料）を投入し、遠心分離により得られた上澄み液の吸光度（サンプル）を測定する。最後に、吸光度（ブランク）と吸光度（サンプル）との差から１ｇ当たりのメチレンブルー吸着量（μモル／ｇ）を算出する。
【００５３】
なお、上記メチレンブルー吸着量と、炭素材料のＢＥＴにより求められた比表面積とには相関が存在する。従来から知られている球状の黒鉛粒子では、ＢＥＴ比表面積（ｍ２／ｇ）をｘ、上記メチレンブルー吸着量（μモル／ｇ）をｙとしたとき、ｙ≒０．１３ｘの関係にあった。これは、ＢＥＴ比表面積が大きい程、メチレンブルー吸着量が多くなることを示している。従って、メチレンブルー吸着量は、ＢＥＴ比表面積の代わりの指標となり得るものである。
【００５４】
本発明では、上述のとおり、上記炭素材料の比ｙ／ｘが、０．１５以上であることが好ましい。これに対して、従来の球状の黒鉛粒子では、比ｙ／ｘが０．１３である。従って、比ｙ／ｘが０．１５以上である場合、従来の球状の黒鉛とは、同じＢＥＴ比表面積でありながら、メチレンブルー吸着量が多くなる。すなわち、この場合、乾燥状態では幾分凝縮するものの、メタノール中などの湿式状態では、グラフェン層間又はグラファイト層間を乾燥状態に比べより一層拡げることができる。
【００５５】
本発明で用いる炭素材料は、最初に、黒鉛又は一次薄片化黒鉛にグラフト又は吸着により樹脂を固定した組成物を作製する工程を経て、次に、組成物を熱処理する工程を経て得ることができる。なお、上記組成物中に含まれている樹脂は除去されていてもよく、樹脂の一部が残存していてもよい。
【００５６】
炭素材料に樹脂が残存している場合の樹脂量は、樹脂分を除く炭素材料１００重量部に対し、１重量部以上、３５０重量部以下であることが好ましく、５重量部以上、５０量部以下であることがより好ましく、５重量部以上、３０重量部以下であることがさらに好ましい。残存樹脂量が上記下限未満では、ＢＥＴ比表面積を確保できない場合がある。また、残存樹脂量が上記上限より多い場合は、製造コストが増大する場合がある。
【００５７】
なお、炭素材料に残存している樹脂量は、例えば熱重量分析（以下、ＴＧ）によって加熱温度に伴う重量変化を測定し、算出することができる。
【００５８】
本発明で用いる炭素材料は、負極活物質との複合体を作製した後に、樹脂を除去してもよい。樹脂を除去する方法としては、樹脂の分解温度以上、負極活物質の分解温度未満で加熱処理する方法が好ましい。この加熱処理は、大気中、不活性ガス雰囲気下、低酸素雰囲気下、あるいは真空下のいずれで行ってもよい。
【００５９】
黒鉛あるいは一次薄片化黒鉛に、グラフトあるいは吸着により樹脂を固定した組成物の作製に用いる樹脂は、特に限定されないが、ラジカル重合性モノマーの重合体であることが好ましい。ラジカル重合性モノマーは、複数種類のラジカル重合性モノマーの共重合体であってもよいし、１種類のラジカル重合性モノマーの単独重合体であってもよい。
【００６０】
このような樹脂の例としては、ポリプロピレングリコール、ポリグリシジルメタクリレート、ポリ酢酸ビニル、ポリブチラール、ポリアクリル酸又はポリエチレングリコールが挙げられる。
【００６１】
上記炭素材料の製造方法としては、例えば、国際公開第２０１４／０３４１５６号に記載の製造方法が挙げられる。すなわち、例えば、黒鉛または一次薄片化黒鉛と、樹脂とを含む組成物を作製する工程と、作製した組成物を（開放系にて）熱分解する工程とを経ることにより、本発明に用いる炭素材料が製造される。製造された炭素材料は、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有している。
【００６２】
上記製造方法では、酸化工程を経ていないので、得られた炭素材料は、従来の酸化グラフェン及び該酸化グラフェンを還元して得られるグラフェンと比較して導電性に優れている。従来の酸化グラフェンや酸化還元グラフェンでは、ｓｐ２構造を十分に担保できないためであると考えられる。従来の酸化グラフェンや酸化還元グラフェンと比較して導電性に優れているため、上記炭素材料を用いた活物質−炭素材料複合体は、非水電解質二次電池の電極に用いたときに、電池の抵抗を小さくすることができ、レート特性及びサイクル特性を高めることができる。また、得られた炭素材料は、表面に活性点が少ないことから、酸化グラフェンと比べて電解液が分解しにくいため、得られた炭素材料を用いた場合、ガスの発生を抑制することができる。
【００６３】
なお、上記製造方法で得られた炭素材料が、電解液を分解しにくい理由としては、以下のように説明することができる。
【００６４】
一般に、酸化グラフェンや、酸化グラフェン経由のグラフェンは、酸化又は還元処理が施されているので、表面に何らかの官能基（酸性：水酸基又はカルボキシル基、アルカリ性：アミノ基）が多数存在する。これらの官能基はそのものが酸性又はアルカリ性であるため、電解液と反応しやすいという性質を有する。また、電解液の分子が吸着しやすくなるため、電極表面との接触機会が増え、この点からも電解液と反応しやすくなる。
【００６５】
また、カーボンブラックでは、上記の官能基に加え、完全に黒鉛化されていないため、結晶構造に欠陥がある。この欠陥には電子が過剰に存在しているか不足しており、この過不足を解消する方向に働くので、周囲の分子を巻き込んで電解液との反応が進行しやすくなる。
【００６６】
これに対し、上記の製造方法で得られた炭素材料は、黒鉛化度が高く、しかも酸化工程を経ていないので表面に活性点が少ない。そのため、上記の製造方法で得られた炭素材料は電解液を分解しにくく、ガスの発生を抑制することができる。
【００６７】
上述したように、本発明においては、グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている上述の炭素材料を第１の炭素材料としたときに、該第１の炭素材料以外の第２の炭素材料が含まれていてもよい。上記第２の炭素材料は、上記第１の炭素材料とは異なる炭素材料であり、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有さない。上記第２の炭素材料としては、特に限定されず、グラフェン、粒状黒鉛化合物、繊維状黒鉛化合物、又はカーボンブラックなどが例示される。
【００６８】
上記グラフェンは、酸化グラフェンであってもよいし、酸化グラフェンを還元したものであってもよい。
【００６９】
上記粒状黒鉛化合物としては、特に限定されず、天然黒鉛、人造黒鉛、又は膨張黒鉛などが例示される。
【００７０】
上記繊維状黒鉛化合物としては、特に限定されず、カーボンナノホーン、カーボンナノチューブ、又はカーボンファイバーなどが例示される。
【００７１】
上記カーボンブラックとしては、特に限定されず、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、又はアセチレンブラックなどが例示される。
【００７２】
二次電池の電解液保持性をより一層高める観点から、上記第２の炭素材料のＢＥＴ比表面積は、５ｍ２／ｇ以上であることが好ましい。二次電池の電解液保持性をさらに一層高める観点から、第２の炭素材料のＢＥＴ比表面積は、１０ｍ２／ｇ以上であることがより好ましく、２５ｍ２／ｇ以上であることがさらに好ましい。また、負極作製時の取り扱い易さをより一層高める観点から、第２の炭素材料のＢＥＴ比表面積は、２５００ｍ２／ｇ以下であることが好ましい。
【００７３】
グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有する上記第１の炭素材料と、部分的にグラファイトが剥離されている構造を有さない上記第２の炭素材料とは、例えば、ＳＥＭやＴＥＭなどで区別することができる。
【００７４】
上記第１の炭素材料と第２の炭素材料とを含むとは、例えば、後述の複合体や負極に、上記第１の炭素材料と第２の炭素材料とが存在していることを意味する。上記第１の炭素材料と第２の炭素材料とを存在させる方法は、特に限定されないが、後述の複合体や負極の作製時に混合してもよいし、どちらか一方の炭素材料で後述の複合体を作製した後に、他方の炭素材料を添加する方法でもよい。
【００７５】
第２の炭素材料の表面には、官能基が存在していてもよい。この場合、後述の複合体や負極がより一層作製しやすくなる。
【００７６】
本発明においては、上記第１の炭素材料の重量をＡとし、上記第２の炭素材料の重量をＢとしたときに、比Ａ／Ｂが、０．０１以上、１００以下の範囲内にあることが好ましい。比Ａ／Ｂが上記範囲内にある場合、二次電池における電極の抵抗をより一層小さくすることができる。そのため、二次電池に用いたときに、大電流での充放電時における発熱をより一層抑制することをできる。
【００７７】
二次電池における電極の抵抗をさらに一層小さくする観点から、比Ａ／Ｂは、好ましくは０．０５以上、より好ましくは０．１以上、好ましくは２０以下、より好ましくは１０以下である。
【００７８】
（活物質−炭素材料複合体）
本発明の活物質−炭素材料複合体は、例えば、次のような手順で作製される。
【００７９】
最初に、上述したグラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている、第１の炭素材料を含む炭素材料を、溶媒に分散させた分散液（以下、炭素材料の分散液）を作製する。続いて、上記分散液とは別に、負極活物質を溶媒に分散させた負極活物質の分散液（以下、負極活物質の分散液）を作製する。次に、炭素材料の分散液と、負極活物質の分散液とを混合する。最後に、上記炭素材料及び上記負極活物質が含まれる分散液の溶媒を除去することによって、本発明の負極に用いられる負極活物質と炭素材料との複合体（活物質−炭素材料複合体）が作製される。
【００８０】
また、上述の作製方法以外にも、炭素材料の分散液に負極活物質を加え、炭素材料及び負極活物質が含まれる分散液を作製した後に、溶媒を除去する方法でもよいし、炭素材料と、負極活物質と、溶媒との混合物を、ミキサーで混合する方法でもよい。後述の負極のスラリーの作製と、複合体の作製とを兼ねていてもよい。
【００８１】
負極活物質又は炭素材料を分散させる溶媒は、水系、非水系、水系と非水系との混合溶媒、あるいは異なる非水系溶媒の混合溶媒のいずれでもよい。また、炭素材料の分散に用いる溶媒と、負極活物質を分散させる溶媒は同じでもよいし、異なっていてもよい。異なっている場合は、互いの溶媒に相溶性があることが好ましい。
【００８２】
非水系溶媒としては、特に限定されないが、例えば分散のしやすさから、メタノール、エタノール、プロパノールに代表されるアルコール系、テトラヒドロフラン又はＮ−メチル−２−ピロリドンなどの溶媒を用いることができる。また、分散性をより一層向上させるため、上記溶媒に、界面活性剤などの分散剤が含まれてもよい。
【００８３】
分散方法は、特に限定されないが、超音波による分散、ミキサーによる分散、ジェットミルによる分散、又は攪拌子による分散が挙げられる。
【００８４】
炭素材料の分散液の固形分濃度は、特に限定されないが、炭素材料の重量を１とした場合に、溶媒の重量が１以上、１０００以下であることが好ましい。取り扱い性をより一層高める観点から、炭素材料の重量を１とした場合に、溶媒の重量が５以上、７５０以下であることがより好ましい。また、分散性をより一層高める観点から、炭素材料の重量を１とした場合に、溶媒の重量が５以上、５００以下であることがさらに好ましい。
【００８５】
溶媒の重量が上記下限未満の場合は、炭素材料を所望の分散状態まで分散させることができない場合がある。一方、溶媒の重量が上記上限より大きい場合は、製造費用が増大する場合がある。
【００８６】
負極活物質の分散液の固形分濃度は、特に限定されないが、負極活物質の重量を１とした場合に、溶媒の重量が０．５以上、１００以下であることが好ましい。取り扱い性をより一層高める観点から、溶媒の重量は、１以上、７５以下であることがより好ましい。また、分散性をより一層高める観点から、溶媒の重量は、５以上、５０以下であることがさらに好ましい。なお、溶媒の重量が上記下限未満の場合は、負極活物質を所望の分散状態まで分散させることができない場合がある。一方、溶媒の重量が上記上限より大きい場合は、製造費用が増大する場合がある。
【００８７】
負極活物質の分散液と、炭素材料の分散液とを混合する方法は、特に限定されないが、互いの分散液を一度に混合する方法や、一方の分散液を他方の分散液に複数回に分けて加える方法が挙げられる。
【００８８】
一方の分散液を他方の分散液に複数回に分けて加える方法としては、例えば、スポイドなどの滴下の器具を用いて滴下する方法や、ポンプを用いる方法、あるいはディスペンサーを用いる方法が挙げられる。
【００８９】
炭素材料、負極活物質及び溶媒の混合物から、溶媒を除去する方法としては、特に限定されないが、ろ過により溶媒を除去した後に、オーブン等で乾燥させる方法が挙げられる。上記ろ過は、生産性をより一層高める観点から、吸引ろ過であることが好ましい。また、乾燥方法としては、送風オーブンで乾燥させた後に、真空で乾燥させた場合、細孔に残存している溶媒を除去できることから好ましい。
【００９０】
本発明の活物質−炭素材料複合体における、負極活物質と炭素材料との比率は、負極活物質の重量を１００とした場合に、炭素材料の重量が、０．２以上、１０．０以下であることが好ましい。レート特性をより一層向上させる観点からは、炭素材料の重量が、０．３以上、８．０以下であることがより好ましい。また、サイクル特性をより一層向上させる観点からは、炭素材料の重量が、０．５以上、７．０以下であることがさらに好ましい。
【００９１】
［非水電解質二次電池用負極］
本発明の非水電解質二次電池用負極は、上述の活物質−炭素材料複合体を含む。本発明の非水電解質二次電池用負極は、上記活物質−炭素材料複合体のみで形成されてもよいが、負極をより一層容易に形成する観点から、バインダーが含まれていてもよい。
【００９２】
上記バインダーとしては、特に限定されないが、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）、スチレン−ブタジエンゴム、ポリイミド、及びそれらの誘導体からなる群から選ばれる少なくとも１種の樹脂を用いることができる。
【００９３】
上記バインダーは、非水電解質二次電池用負極をより一層容易に作製する観点から、非水溶媒又は水に溶解または分散されていることが好ましい。
【００９４】
非水溶媒は、特に限定されないが、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、酢酸メチル、酢酸エチル又はテトラヒドロフランなどを挙げることができる。これらに、分散剤や、増粘剤を加えてもよい。
【００９５】
本発明の非水電解質二次電池用負極に含まれるバインダーの量は、負極活物質１００重量部に対して、好ましくは０．３重量部以上、３０重量部以下であり、より好ましくは０．５重量部以上、１５重量部以下である。バインダーの量が上記範囲内にある場合、負極活物質と炭素材料との接着性を維持することができ、集電体との接着性をより一層高めることができる。
【００９６】
本発明の非水電解質二次電池用負極の作製方法としては、例えば、活物質−炭素材料複合体及びバインダーの混合物を、集電体上に形成させることによって作製する方法が挙げられる。
【００９７】
非水電解質二次電池用負極をより一層容易に作製する観点から、以下のようにして作製することが好ましい。まず、上記活物質−炭素材料複合体にバインダー溶液又は分散液を加えて混合することによりスラリーを作製する。次に、作製したスラリーを集電体上に塗布し、最後に溶媒を除去することによって非水電解質二次電池用負極を作製する。
【００９８】
上記スラリーの作製方法としては、例えば、活物質−炭素材料複合体にバインダー溶液を加え、ミキサー等を用いて混合する方法が挙げられる。混合に用いられるミキサーとしては、特に限定されないが、プラネタリミキサー、ディスパー、薄膜旋回型ミキサー、ジェットミキサー、又は自公回転型ミキサー等が挙げられる。
【００９９】
上記スラリーの固形分濃度は、後述の塗工をより一層容易に行う観点から、３０重量％以上、９５重量％以下が好ましい。貯蔵安定性をより一層高める観点から、上記スラリーの固形分濃度は、３５重量％以上、９０重量％以下であることがより好ましい。また、より一層製造費用を抑制する観点から、上記スラリーの固形分濃度は、４０重量％以上、８５重量％以下であることがさらに好ましい。
【０１００】
なお、上記固形分濃度は、希釈溶媒によって制御することができる。希釈溶媒としては、バインダー溶液、あるいは分散液と同じ種類の溶媒を用いることが好ましい。また、溶媒の相溶性があれば、他の溶媒を用いてもよい。
【０１０１】
本発明の非水電解質二次電池用負極に用いる集電体は、銅、ＳＵＳ、ニッケル、チタン、アルミニウム又はこれらの金属を含む合金が好ましい。なお、集電体は、金属材料（銅、ＳＵＳ、ニッケル、チタン又はこれらの金属を含む合金）の表面に負極の電位で反応しない金属を被覆したものを用いることもできる。
【０１０２】
集電体の厚みは、特に限定されないが、１０μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。集電体の厚みが１０μｍ未満の場合、作製の観点から取り扱いが困難となることがある。一方、集電体の厚みが１００μｍより厚い場合は、経済的観点から不利になることがある。
【０１０３】
上記スラリーを集電体に塗布する方法としては、特に限定されないが、例えば、前記スラリーをドクターブレード、ダイコータ又はコンマコータ等により塗布した後に溶剤を除去する方法や、スプレーにより塗布した後に溶剤を除去する方法、あるいはスクリーン印刷によって塗布した後に溶媒を除去する方法等が挙げられる。
【０１０４】
上記溶媒を除去する方法は、より一層簡便であることから、送風オーブンや真空オーブンを用いた乾燥が好ましい。溶媒を除去する雰囲気としては、空気雰囲気、不活性ガス雰囲気、又は真空状態などが挙げられる。また、溶媒を除去する温度は、特に限定されないが、６０℃以上、２５０℃以下であることが好ましい。溶媒を除去する温度が６０℃未満では、溶媒の除去に時間を要する場合がある。一方、溶媒を除去する温度が２５０℃より高いと、バインダーが劣化する場合がある。
【０１０５】
本発明の非水電解質二次電池用負極は、所望の厚み、密度まで圧縮させてもよい。圧縮は、特に限定されないが、例えば、ロールプレスや、油圧プレス等を用いて行うことができる。
【０１０６】
圧縮後における本発明の非水電解質二次電池用負極の厚みは、特に限定されないが、１０μｍ以上、１０００μｍ以下であることが好ましい。厚みが１０μｍ未満では、所望の容量を得ることが難しい場合がある。一方、厚みが１０００μｍより厚い場合は、所望の出力密度を得ることが難しい場合がある。
【０１０７】
本発明の非水電解質二次電池用負極の密度は、１．０ｇ／ｃｍ３以上、４．０ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。密度が１．０ｇ／ｃｍ３未満であると、負極活物質及び炭素材料の接触が不十分となり電子伝導性が低下する場合がある。一方、密度が４．０ｇ／ｃｍ３より大きいと、後述の電解液が負極内に浸透しにくくなり、リチウム伝導性が低下する場合がある。
【０１０８】
本発明の非水電解質二次電池用負極は、負極１ｃｍ２当たりの電気容量が、０．５ｍＡｈ以上、１０．０ｍＡｈ以下であることが好ましい。電気容量が０．５ｍＡｈ未満である場合は、所望する容量の電池の大きさが大きくなる場合がある。一方、電気容量が１０．０ｍＡｈより大きい場合は、所望の出力密度を得ることが難しくなる場合がある。なお、負極１ｃｍ２当たりの電気容量の算出は、非水電解質二次電池用負極作製後、リチウム金属を対極とした半電池を作製し、充放電特性を測定することによって算出してもよい。
【０１０９】
非水電解質二次電池用負極の負極１ｃｍ２当たりの電気容量は、特に限定されないが、集電体単位面積あたりに形成させる負極の重量で制御することができる。例えば、前述のスラリー塗工時の塗工厚みで制御することができる。
【０１１０】
［非水電解質二次電池］
本発明の非水電解質二次電池の正極及び負極は、集電体の両面に同じ電極を形成させた形態であってもよく、集電体の片面に正極、他方の面に負極を形成させた形態、すなわち、バイポーラ電極であってもよい。
【０１１１】
本発明の非水電解質二次電池は、正極側と負極側との間にセパレータを配置したものを倦回したものであってもよいし、積層したものであってもよい。正極、負極及びセパレータには、リチウムイオン伝導を担う非水電解質が含まれている。従って、非水電解質二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池が挙げられる。
【０１１２】
本発明の非水電解質二次電池は、上記積層体を倦回、あるいは複数積層した後にラミネートフィルムで外装してもよいし、角形、楕円形、円筒形、コイン形、ボタン形、シート形の金属缶で外装してもよい。外装には発生したガスを放出するための機構が備わっていてもよい。積層体の積層数は、特に限定されず、所望の電圧値、電池容量を発現するまで積層させることができる。
【０１１３】
本発明の非水電解質二次電池は、所望の大きさ、容量、電圧によって、適宜直列、並列に接続した組電池とすることができる。上記組電池においては、各電池の充電状態の確認、安全性向上のため、組電池に制御回路が付属されていることが好ましい。
【０１１４】
（正極）
本発明の非水電解質二次電池に用いる正極は、特に限定されないが、負極活物質よりも、リチウムイオンの脱離及び挿入の平均電位が高い化合物、すなわち正極活物質が含まれていればよい。例えば、コバルト酸リチウムやニッケル酸リチウムに代表される層状岩塩型構造の化合物、マンガン酸リチウムに代表されるスピネル型構造の化合物、オリビン酸鉄リチウムに代表されるオリビン型構造の化合物、又はそれらの混合物が挙げられる。
【０１１５】
（負極）
本発明の非水電解質二次電池は、負極として、上記本発明に従って構成される非水電解質二次電池用負極を備える。上記非水電解質二次電池用負極は、本発明に従って構成される活物質−炭素材料複合体を含む。従って、本発明の非水電解質二次電池は、レート特性及びサイクル特性に優れている。
【０１１６】
（セパレータ）
本発明の非水電解質二次電池に用いるセパレータは、前述の正極と負極との間に設置され、絶縁性かつ後述の非水電解質を含むことができる構造であればよい。セパレータの材料としては、例えば、ナイロン、セルロース、ポリスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、又はそれらを２種類以上複合したものの織布、不織布、若しくは微多孔膜などが挙げられる。
【０１１７】
セパレータには、各種可塑剤、酸化防止剤、又は難燃剤が含まれてもよいし、金属酸化物等が被覆されていてもよい。
【０１１８】
セパレータの厚みは、特に限定されないが、５μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。セパレータの厚みが５μｍ未満の場合、正極と負極とが接触する場合がある。セパレータの厚みが１００μｍより厚い場合は、電池の抵抗が高くなる場合がある。経済性や、取り扱い性をより一層高める観点から、セパレータの厚みは、１０μｍ以上、５０μｍ以下であることがより好ましい。
【０１１９】
（非水電解質）
本発明の非水電解質二次電池に用いる非水電解質は、特に限定されないが、非水溶媒に溶質を溶解させた電解液を高分子に含浸させたゲル電解質、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシドなどの高分子固体電解質、又はサルファイドガラス、オキシナイトライドなどの無機固体電解質を用いることができる。
【０１２０】
非水溶媒としては、後述の溶質をより一層溶解させやすいことから、環状の非プロトン性溶媒及び／又は鎖状の非プロトン性溶媒を含むことが好ましい。環状の非プロトン性溶媒としては、環状カーボネート、環状エステル、環状スルホン又は環状エーテルなどが例示される。鎖状の非プロトン性溶媒としては、鎖状カーボネート、鎖状カルボン酸エステル又は鎖状エーテルなどが例示される。また、上記に加え、アセトニトリルなどの一般的に非水電解質の溶媒として用いられる溶媒を用いてもよい。より具体的には、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、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、γ−ブチルラクトン、１，２−ジメトキシエタン、スルホラン、ジオキソラン、又はプロピオン酸メチルなどを用いることができる。これら溶媒は、単独で用いてもよいし、２種類以上を混合しても用いてもよい。もっとも、後述の溶質をより一層容易に溶解させ、リチウムイオンの伝導性をより一層高める観点から、２種類以上混合した溶媒を用いることが好ましい。
【０１２１】
溶質としては、特に限定されないが、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＢＯＢ（Ｌｉｔｈｉｕｍ  Ｂｉｓ  （Ｏｘａｌａｔｏ）  Ｂｏｒａｔｅ）、又はＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２などが好ましい。この場合、溶媒により一層容易に溶解させることができる。
【０１２２】
電解液に含まれる溶質の濃度は、０．５ｍｏｌ／Ｌ以上、２．０ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。溶質の濃度が０．５ｍｏｌ／Ｌ未満では、所望のリチウムイオン伝導性が発現しない場合がある。一方、溶質の濃度が２．０ｍｏｌ／Ｌより高いと、溶質がそれ以上溶解しない場合がある。なお、非水電解質には、難燃剤、安定化剤などの添加剤が微量含まれてもよい。
【実施例】
【０１２３】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。
【０１２４】
負極活物質の製造例；
負極活物質のＬｉ４Ｔｉ５Ｏ１２は、文献（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｖｏｌｕｍｅ  １４２，Ｉｓｓｕｅ  ５，ｐｐ．１４３１（１９９５））に記載されている方法で作製した。
【０１２５】
すなわち、まず、二酸化チタンと水酸化リチウムとを、チタンとリチウムとのモル比が５：４となるように混合し混合物を得た。次に、この混合物を、窒素雰囲気下において８００℃で１２時間加熱することによって、負極活物質としてのチタン酸リチウムを作製した。
【０１２６】
炭素材料の製造例１；
最初に、膨張化黒鉛（東洋炭素社製、商品名「ＰＦパウダー８Ｆ」、ＢＥＴ比表面積＝２２ｍ２／ｇ）１０ｇと、熱分解性発泡剤（ＡＤＣＡ、永和化成工業社製、商品名「ビニホール  ＡＣ＃Ｒ−Ｋ３」、熱分解温度２１０℃）２０ｇと、ポリプロピレングリコール（三洋化成工業社製、商品名「サンニックスＧＰ−３０００」、平均分子量＝３０００）２００ｇと、テトラヒドロフラン２００ｇとを混合し、原料組成物を用意した。上記原料組成物に、超音波処理装置（本多電子社製）で、１００Ｗ、発振周波数：２８ｋＨｚで５時間超音波を照射することによって、ポリプロピレングリコール（ＰＰＧ）を膨張化黒鉛に吸着させた。このようにして、ポリプロピレングリコールが膨張化黒鉛に吸着されている組成物を用意した。
【０１２７】
次に、ポリプロピレングリコールが膨張化黒鉛に吸着されている組成物を溶液流延法により成形した後、８０℃で２時間、１１０℃で１時間、１５０℃で１時間の順に加熱することによってテトラヒドロフラン（以下、ＴＨＦ）を除去した。その後、ＴＨＦを除去した組成物を１１０℃で１時間加熱処理させた後、さらに２３０℃で２時間加熱処理することによって、上記組成物を発泡させた。
【０１２８】
さらに、発泡させた組成物を４５０℃の温度で０．７５時間加熱処理することよって、ポリプロピレングリコール（樹脂）の一部が残存している炭素材料（グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている、第１の炭素材料）を作製した。
【０１２９】
得られた炭素材料においては、全重量に対して１５重量％樹脂が含まれていた。なお、樹脂量は、ＴＧ（日立ハイテクサイエンス社製、品番「ＳＴＡ７３００」）を用いて、３５０℃〜６００℃の範囲で重量減少した分を樹脂量として算出した。
【０１３０】
得られた炭素材料のラマンスペクトルのＤバンドと、Ｇバンドとのピーク強度比であるＤ／Ｇ比を測定した結果、０．６であった。なお、炭素材料のラマンスペクトルは、ラマン分光装置（Ｔｈｅｒｍｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製、商品名「Ｎｉｃｏｌｅｔ  Ａｌｍｅｇａ  ＸＲ」）を用いて測定した。
【０１３１】
また、Ｄ／Ｇ比は、得られたラマンスペクトルの１３００ｃｍ−１〜１４００ｃｍ−１の範囲の最大ピーク強度をＤバンドのピーク強度とし、また、１５００ｃｍ−１〜１６００ｃｍ−１の最大ピーク強度をＧバンドのピーク強度とすることにより求めた。
【０１３２】
得られた炭素材料のＢＥＴ比表面積を、比表面積測定装置（島津製作所社製、品番「ＡＳＡＰ−２０００」、窒素ガス）を用いて測定した結果、１２０ｍ２／ｇであった。
【０１３３】
また、得られた炭素材料のメチレンブルー吸着量は、下記手順にて測定した結果、６１．０μモル／ｇであった。また、前述のＢＥＴ比表面積をｘとし、メチレンブルー吸着量をｙとしたとき、比ｙ／ｘは、０．５０８であった。
【０１３４】
メチレンブルー吸着量の測定は、次の通りに実施した。最初に、メスフラスコに、１０．０ｍｇ／Ｌ、５．０ｍｇ／Ｌ、２．５ｍｇ／Ｌ、１．２５ｍｇ／Ｌの濃度のメチレンブルー（関東化学社製、特級試薬）のメタノール溶液を調製し、各々の吸光度を紫外可視分光光度計（島津製作所社製、品番「ＵＶ−１６００」）で測定し、検量線を作成した。次に、１０ｍｇ／Ｌのメチレンブルーを調製し、１００ｍＬのナスフラスコに測定対象の炭素材料（０．００５〜０．０５ｇ、試料のＢＥＴ値によって変更）、メチレンブルー溶液（１０ｍｇ／Ｌ、５０ｍＬ）、及びスターラーバーを加え、１５分間超音波洗浄機（ＡＳ  ＯＮＥ社製）で処理した後に、冷却バス（２５℃）中で６０分撹拌した。さらに、吸着平衡に達した後、遠心分離により炭素質材料と上澄み液とを分離し、ブランクの１０ｍｇ／Ｌのメチレンブルー溶液、及び上記上澄み液の吸光度を紫外可視分光光度計で測定し、ブランクと上澄み液との吸光度の差を算出した。
【０１３５】
最後に、上記吸光度の差と上記検量線からメチレンブルー溶液の濃度の減少量を算出し、下記式により、測定対象の炭素材料表面のメチレンブルー吸着量を算出した。
【０１３６】
吸着量（ｍｏｌ／ｇ）＝｛メチレンブルー溶液の濃度の減少量（ｇ／Ｌ）×測定溶媒の体積（Ｌ）｝／｛メチレンブルーの分子量（ｇ／ｍｏｌ）×測定に用いた炭素材料の質量（ｇ）｝…式
【０１３７】
炭素材料の製造例２；
最初に、膨張化黒鉛（東洋炭素社製、商品名「ＰＦパウダー８Ｆ」、ＢＥＴ比表面積＝２２ｍ２／ｇ）１６ｇと、カルボキシメチルセルロース（アルドリッチ社製、平均分子量＝２５０，０００）０．４８ｇと、水５３０ｇとの混合物に、超音波処理装置（ＳＭＴ．ＣＯ．，ＬＴＤ社製、品番「ＵＨ−６００ＳＲ」）で５時間超音波を照射した後に、ポリエチレングリコール（三洋化成工業社製、品番「ＰＧ６００」）８０ｇを加え、ホモミクサー（ＴＯＫＵＳＨＵ  ＫＩＫＡ社製、Ｔ．Ｋ．ＨＯＭＯＭＩＸＥＲ  ＭＡＲＫII）で３０分間混合することによって、原料組成物を作製した。
【０１３８】
次に、作製した原料組成物を１５０℃で加熱処理することによって、水を除去した。その後、水を除去した組成物を、４００℃の温度で、１．５時間加熱処理することによって、ポリエチレングリコール（樹脂）の一部が残存している炭素材料（グラファイト構造を有し、部分的にグラファイトが剥離されている、第１の炭素材料）を作製した。
【０１３９】
得られた炭素材料においては、全重量に対して１２重量％樹脂が含まれていた。なお、樹脂量は、ＴＧ（日立ハイテクサイエンス社製、品番「ＳＴＡ７３００」）を用いて、２００℃〜６００℃の範囲で重量減少した分を樹脂量として算出した。
【０１４０】
なお、炭素材料の製造例２で得られた炭素材料のラマンスペクトルのＤバンドと、Ｇバンドとのピーク強度比であるＤ／Ｇ比を測定した結果、０．２３４であった。
【０１４１】
炭素材料の製造例２で得られた炭素材料のＢＥＴ比表面積を、比表面積測定装置（島津製作所社製、品番「ＡＳＡＰ−２０００」、窒素ガス）を用いて測定した結果、９５ｍ２／ｇであった。
【０１４２】
また、炭素材料の製造例２で得られた炭素材料のメチレンブルー吸着量は、上記手順にて測定した結果、６９．７μｍｏｌ／ｇであった。また、前述のＢＥＴ比表面積をｘ、メチレンブルー吸着量をｙとしたとき、比ｙ／ｘは、０．７３３であった。
【０１４３】
（実施例１）
活物質−炭素材料複合体；
前述の製造例で作製した負極活物質と製造例１の炭素材料との複合体は、次の手順で作製した。
【０１４４】
最初に、製造例１で作製した炭素材料０．１３ｇに、エタノール５ｇを加え、５時間超音波洗浄機（ＡＳ  ＯＮＥ社製）で処理し、製造例１で作製した炭素材料の分散液（以下、実施例１の炭素材料の分散液）を調製した。
【０１４５】
次に、エタノール９ｇに製造例で作製した負極活物質（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）３ｇを加え、マグネチックスターラーにて６００ｒｐｍで１０分攪拌することによって、実施例１の負極活物質の分散液を調製した。
【０１４６】
さらに、実施例１の炭素材料の分散液に、実施例１の負極活物質の分散液をスポイトで滴下した。なお、滴下時は、実施例１の炭素材料の分散液は、超音波洗浄機（ＡＳ  ＯＮＥ社製）で処理し続けた。その後、実施例１の炭素材料及び実施例１の負極活物質の分散液の混合液を、マグネチックスターラーで３時間攪拌した。
【０１４７】
最後に、分散液の混合液を吸引ろ過した後に、１１０℃で１時間真空乾燥することによって、実施例１の負極活物質と炭素材料との複合体（活物質−炭素材料複合体）を作製した。なお、負極の作製に必要な量は、上記の工程を繰り返すことによって作製した。
【０１４８】
負極；
実施例１の負極は次の通りに作製した。
【０１４９】
最初に、上記複合体１００重量部に、バインダー（ＰＶｄＦ、固形分濃度１２重量％、ＮＭＰ溶液）を固形分が５重量部となるように混合し、スラリーを作製した。次に、このスラリーをアルミニウム箔（２０μｍ）に塗工した後に、送風オーブンにて１２０℃で１時間加熱し、溶媒を除去した後、１２０℃で１２時間真空乾燥した。最後に、ロールプレス機にて、プレスし、電極密度が１．８ｇ・ｃｃ−１の負極（片面塗工）を作製した。なお、電極密度は、単位面積当たりの電極重量及び厚みから算出した。
【０１５０】
負極の容量は、次の充放電試験で測定した。
【０１５１】
最初に、上述の電極を１４ｍｍΦに打ち抜き動作極とし、Ｌｉ金属を１６ｍｍΦに打ち抜き対極とした。次に、動作極（片面塗工）／セパレータ（ポリオレフィン系多孔質膜、厚み２５μｍ）／Ｌｉ金属の順に試験セル（ＨＳセル、宝泉社製）内に積層し、非水電解質（エチレンカーボネート／ジメチルカーボネート＝１／２体積％、ＬｉＰＦ６  １ｍｏｌ／Ｌ）を０．１５ｍＬ入れ、半電池を作製した。さらに、半電池を２５℃で１２時間放置した後、充放電試験装置（ＨＪ１００５ＳＤ８、北斗電工社製）に接続した。最後に上記半電池を２５℃、１．２ｍＡで定電流放電（終止電圧：１．０Ｖ）及び定電流充電（終止電圧：２．０Ｖ）を５回繰り返し、５回目の結果を負極の容量とした。その結果、負極の容量は、３．３ｍＡｈ／ｃｍ２であった。
【０１５２】
正極；
最初に、本実施例で使用する正極活物質としてのＬｉ１．１Ａｌ０．１Ｍｎ１．８Ｏ４は、文献（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，９（１２），Ａ５５７（２００６））に記載されている方法で作製した。
【０１５３】
すなわち、二酸化マンガン、炭酸リチウム、水酸化アルミニウム及びホウ酸の水分散液を調製し、スプレードライ法で混合粉末を作製した。このとき、二酸化マンガン、炭酸リチウム及び水酸化アルミニウムの量は、リチウム、アルミニウム及びマンガンのモル比が１．１：０．１：１．８となるように調製した。次に、この混合粉末を空気雰囲気下において９００℃で１２時間加熱した後、再度６５０℃で２４時間加熱した。最後に、加熱後の混合粉末を９５℃の水で洗浄後、乾燥させることによって正極活物質を作製した。
【０１５４】
次に、作製した正極活物質と、アセチレンブラックとを重量比で９５：５の割合で混合した後に、バインダー（ＰＶｄＦ、固形分濃度１２重量％、ＮＭＰ溶液）を固形分が５重量部となるように添加及び混合し、スラリーを作製した。さらに、作製したスラリーをアルミニウム箔（２０μｍ）に塗工した後に、送風オーブンにて１２０℃で１時間加熱して溶媒を除去した後に、１２０℃で１２時間真空乾燥した。最後に、ロールプレス機にて、プレスし、電極密度が３．０ｇ・ｃｃ−１の正極（片面塗工）を作製した。なお、電極密度は、単位面積当たりの電極重量及び厚みから算出した。
【０１５５】
正極の容量は次の充放電試験で測定した。
【０１５６】
最初に、上述の電極を１４ｍｍΦに打ち抜き動作極とし、Ｌｉ金属を１６ｍｍΦに打ち抜き対極とした。次に、動作極（片面塗工）／セパレータ（ポリオレフィン系多孔質膜、厚み２５μｍ）／Ｌｉ金属の順に試験セル（ＨＳセル、宝泉社製）内に積層し、非水電解質（エチレンカーボネート／ジメチルカーボネート＝１／２体積％、ＬｉＰＦ６  １ｍｏｌ／Ｌ）を０．１５ｍＬ入れ、半電池を作製した。さらに、半電池を２５℃で１２時間放置した後、充放電試験装置（ＨＪ１００５ＳＤ８、北斗電工社製）に接続した。最後に、半電池を２５℃、１．２ｍＡで定電流定電圧充電（充電終止電圧：４．２５Ｖ、定電圧充電電圧：４．２５Ｖ、定電圧充電終止条件：３時間経過、あるいは電流値０．１２ｍＡ）及び定電流放電（終止電圧：２．５Ｖ）を５回繰り返し、５回目の結果を正極の容量とした。その結果、正極の容量は、３．０ｍＡｈ／ｃｍ２であった。
【０１５７】
非水電解質二次電池の製造；
最初に、作製した正極（電極部分：５０ｍｍ×５０ｍｍ）、負極（電極部分：５５ｍｍ×５５ｍｍ）及びセパレータ（ポリオレフィン系の微多孔膜、２５μｍ、６０ｍｍ×６０ｍｍ）を、正極／セパレータ／負極の順に積層した。次に、両端の正極及び負極にそれぞれアルミニウムタブ及びニッケルめっき銅タブを振動溶着させた後に、袋状のアルミラミネートシートに入れ、三方を熱溶着させ、電解液封入前の非水電解質二次電池を作製した。さらに、上記電解液封入前の非水電解質二次電池を６０℃で３時間真空乾燥した後に、非水電解質（プロピレンカーボネート／メチルエチルカーボネート＝３／７体積％、ＬｉＰＦ６  １ｍｏｌ／Ｌ）を１ｍＬ入れ、減圧しながら封止することによって非水電解質二次電池を作製した。なお、ここまでの工程は、露点が−４０℃以下の雰囲気（ドライボックス）で実施した。最後に、非水電解質二次電池を、２．７Ｖまで充電させた後に、４５℃で１００時間放置し、２．０Ｖまで放電させた。このときに発生したガスを抜いた後に、再度減圧しながら封止することによって実施例１の非水電解質二次電池を作製した。
【０１５８】
（実施例２）
製造例１の炭素材料の代わりに、炭素材料の製造例２で製造した炭素材料を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、非水電解質二次電池を作製した。
【０１５９】
（実施例３）
実施例１の活物質−炭素材料複合体の代わりに、下記の活物質−炭素材料複合体を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、非水電解質二次電池を作製した。
【０１６０】
活物質−炭素材料複合体；
上記製造例の負極活物質と、第１の炭素材料としての製造例１の炭素材料と、第２の炭素材料との複合体は、次の手順で作製した。
【０１６１】
最初に、第２の炭素材料として、アセチレンブラック０．０３ｇにエタノール１ｇを加え、５時間超音波洗浄機（ＡＳ  ＯＮＥ社製）で処理し、第２の炭素材料の分散液を調製した。
【０１６２】
次に、第１の炭素材料としての製造例１の炭素材料０．１０ｇに、エタノール５ｇを加え、５時間超音波洗浄機（ＡＳ  ＯＮＥ社製）で処理し、第１の炭素材料の分散液を調製した。
【０１６３】
次に、エタノール９ｇに上記製造例で作製した負極活物質（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）３ｇを加え、マグネチックスターラーにて６００ｒｐｍで１０分攪拌することによって、負極活物質の分散液を調製した。
【０１６４】
さらに、第２の炭素材料の分散液に、負極活物質の分散液をスポイトで滴下した。なお、滴下時は、第２の炭素材料の分散液は、超音波洗浄機（ＡＳ  ＯＮＥ社製）で処理し続けた。その後、第１の炭素材料の分散液を同様に滴下し、分散液の混合液をマグネチックスターラーで３時間攪拌した。
【０１６５】
最後に、分散液の混合液を吸引ろ過した後に、１１０℃で１時間真空乾燥することによって、実施例３の負極活物質と第１の炭素材料と第２の炭素材料との複合体（活物質−炭素材料複合体）を作製した。負極の作製に必要な量は、上記の工程を繰り返すことによって作製した。
【０１６６】
（実施例４）
第１の炭素材料として、製造例１の炭素材料の代わりに製造例２の炭素材料を用いたこと以外は、実施例３と同様に製造した。
【０１６７】
（比較例１）
製造例１の炭素材料の代わりに、アセチレンブラック（デンカ株式会社製、製品名：デンカブラック）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【０１６８】
なお、アセチレンブラックのＢＥＴ比表面積は、６５ｍ２／ｇであった。
【０１６９】
また、アセチレンブラックのＢＥＴ比表面積をｘとし、メチレンブルー吸着量をｙとしたときの比ｙ／ｘは０．１２であり、Ｄ／Ｇ比は０．９５であった。
【０１７０】
（比較例２）
実施例１の活物質−炭素材料複合体を用いずに、下記手順、材料で負極を作製したこと以外は、実施例１と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
【０１７１】
比較例２の負極は次の通りに作製した。最初に、上記製造例の負極活物質と、アセチレンブラックとを重量比で９５：５の割合で混合した。次に、バインダー（ＰＶｄＦ、固形分濃度１２重量％、ＮＭＰ溶液）を固形分が５重量部となるように混合し、スラリーを作製した。さらに、上記スラリーをアルミニウム箔（２０μｍ）に塗工した後に、送風オーブンにて１２０℃で１時間加熱して溶媒を除去した後に、１２０℃で１２時間真空乾燥した。最後に、ロールプレス機にて、プレスし、電極密度が１．８ｇ・ｃｃ−１の負極（片面塗工）を作製した。なお、電極密度は、単位面積当たりの電極重量及び厚みから算出した。
【０１７２】
（非水電解質二次電池のレート特性評価）
レート特性の評価は、次の方法で行った。最初に、実施例１〜４及び比較例１，２の非水電解質二次電池を、２５℃の恒温槽に入れ、充放電装置（ＨＪ１００５ＳＤ８、北斗電工社製）に接続した。次に、非水電解質二次電池を、定電流定電圧充電（電流値：１５ｍＡ、充電終止電圧：２．７Ｖ、定電圧充電電圧：２．７Ｖ、定電圧充電終止条件：３時間経過、あるいは電流値１．５ｍＡ）した。さらに、充電後、１分間休止し、１５ｍＡ（小電流）、あるいは１５０ｍＡ（大電流）で２．０Ｖまで放電し、各電流値での容量を算出した。最後に、大電流での放電容量を小電流での放電容量で除することによってレート特性を評価した。
【０１７３】
（非水電解質二次電池のサイクル特性評価）
サイクル特性の評価は次の方法で行った。最初に、実施例１〜４及び比較例１，２の非水電解質二次電池を、６０℃の恒温槽に入れ、充放電装置（ＨＪ１００５ＳＤ８、北斗電工社製）に接続した。次に、定電流定電圧充電（電流値：７５ｍＡ、充電終止電圧：２．７Ｖ、定電圧充電電圧：２．７Ｖ、定電圧充電終止条件：３時間経過、あるいは電流値１．５ｍＡ）、７５ｍＡ定電流放電（放電終止電圧：２．０Ｖ）を５００回繰り返すサイクル運転を行った。最後に、１回目の放電容量を１００としたときの、５００回目の放電容量の割合を算出することによって放電容量の維持率（サイクル特性）とした。
【０１７４】
また、ガス発生量は、サイクル運転前後の非水電解質二次電池の体積を、アルキメデス法で測定することによって算出した。アルミメデス法による非水電解質二次電池の体積測定は、次の通りにおこなった。最初に、非水電解質二次電池の大気雰囲気下での重量を電子天秤で測定した。次に、比重計（アルファミラージュ株式会社製、品番「ＭＤＳ−３０００」）を用いて水中での重量を測定した。さらに、大気雰囲気下での重量と水中での重量との差をとることによって浮力を算出し、この浮力を水の密度（１．０ｇ／ｃｍ３）で除することによって、非水電解質二次電池の体積を算出した。最後に、サイクル運転前後の非水電解質二次電池の体積を比較することによって、ガス発生量を算出した。
【０１７５】
レート特性、サイクル特性及びガス発生量の結果を表１にまとめた。なお、表１における合否の判定は以下の基準で行った。
【０１７６】
○…レート特性及びサイクル特性がそれぞれ８０％以上、且つガス発生量が０．２ｍＬ未満
×…レート特性若しくはサイクル特性が８０％未満又はガス発生量が０．２ｍＬ以上
【０１７７】
この結果から明らかな通り、本発明の実施例１〜４の非水電解質二次電池は、比較例１，２の非水電解質二次電池よりもレート特性、サイクル特性及びガス発生量が全て良好であることが確認できた。
【０１７８】
【表１】
2018163755.tif 000002