(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極活物質粒子を含む負極活物質であって、
前記負極活物質粒子は、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含有し、
前記ケイ素化合物粒子は、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上を含有するものであり、
前記負極活物質は、二酸化ケイ素粒子を２質量％以下含有し、かつ、複数の前記二酸化ケイ素粒子と炭素を含む二酸化ケイ素−炭素複合二次粒子を含み、
前記複合二次粒子は、前記炭素中、前記炭素と前記二酸化ケイ素粒子の界面、又は、前記炭素の表面の少なくとも一部に炭酸リチウムを含むリチウム化合物を含有することを特徴とする負極活物質。
【請求項２】
前記複合二次粒子は、前記ケイ素化合物粒子をさらに含み、前記複合二次粒子の平均粒径が１μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の負極活物質。
【請求項３】
前記複合二次粒子は、前記ケイ素化合物粒子をさらに含み、前記複合二次粒子に含まれる前記ケイ素化合物粒子において、該ケイ素化合物粒子の表面から５ｎｍ以下の領域の酸素／ケイ素モル比で定義されるＸＳと、前記ケイ素化合物粒子の表面から１００ｎｍ以上の領域の酸素／ケイ素モル比で定義されるＸとが、ＸＳ＜Ｘという関係を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の負極活物質。
【請求項４】
前記複合二次粒子は、さらに、該複合二次粒子に含まれる前記ケイ素化合物粒子と前記炭素の界面の少なくとも一部に前記炭酸リチウムを含むリチウム化合物を含有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の負極活物質。
【請求項５】
前記複合二次粒子における炭素の割合が６０ａｔ％以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の負極活物質。
【請求項６】
前記ケイ素化合物粒子は、Ｘ線回折により得られるＳｉ（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が１．２°以上であるとともに、その結晶面に対応する結晶子サイズは７．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の負極活物質。
【請求項７】
前記ケイ素化合物粒子において、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲ  スペクトルから得られる、ケミカルシフト値として−６０〜−９５ｐｐｍで与えられるＳｉ及びＬｉシリケート領域の最大ピーク強度値Ａと、ケミカルシフト値として−９６〜−１５０ｐｐｍで与えられるＳｉＯ２領域のピーク強度値Ｂが、Ａ＞Ｂという関係を満たすものであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に負極活物質。
【請求項８】
前記負極活物質と炭素系活物質との混合物を含む負極電極と対極リチウムとから成る試験セルを作製し、該試験セルにおいて、前記負極活物質にリチウムを挿入するよう電流を流す充電と、前記負極活物質からリチウムを脱離するよう電流を流す放電とから成る充放電を３０回実施し、各充放電における放電容量Ｑを前記対極リチウムを基準とする前記負極電極の電位Ｖで微分した微分値ｄＱ／ｄＶと前記電位Ｖとの関係を示すグラフを描いた場合に、Ｘ回目以降（１≦Ｘ≦３０）の放電時における、前記負極電極の電位Ｖが０．４０Ｖ〜０．５５Ｖの範囲にピークを有するものであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の負極活物質。
【請求項９】
前記負極活物質粒子はメジアン径が１．０μｍ以上１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の負極活物質。
【請求項１０】
前記ケイ素化合物粒子は、表面に炭素被膜を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の負極活物質。
【請求項１１】
前記炭素被膜の平均厚さは１０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の負極活物質。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の負極活物質と炭素系活物質とを含むことを特徴とする混合負極活物質材料。
【請求項１３】
請求項１２に記載の混合負極活物質材料を含み、前記負極活物質と前記炭素系活物質の質量の合計に対する、前記負極活物質の質量の割合が６質量％以上であることを特徴とする非水電解質二次電池用負極。
【請求項１４】
請求項１２に記載の混合負極活物質材料で形成された負極活物質層と、
負極集電体とを有し、
前記負極活物質層は前記負極集電体上に形成されており、
前記負極集電体は炭素及び硫黄を含むとともに、それらの含有量がいずれも１００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする非水電解質二次電池用負極。
【請求項１５】
負極として、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の負極活物質を含む負極を用いたものであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
【請求項１６】
ケイ素化合物粒子を含有する負極活物質粒子を含む負極活物質を製造する方法であって、
ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を作製する工程と、
前記ケイ素化合物粒子に炭素を複合させる工程と、
前記ケイ素化合物粒子にリチウムを挿入し、該ケイ素化合物粒子にＬｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上含有させる工程と
により前記負極活物質粒子を作製し、
前記作製した負極活物質粒子を含む負極活物質から、二酸化ケイ素粒子を２質量％以下含有し、かつ、複数の前記二酸化ケイ素粒子と炭素を含む二酸化ケイ素−炭素複合二次粒子を含み、前記複合二次粒子が、前記炭素中、前記炭素と前記二酸化ケイ素粒子の界面、又は、前記炭素の表面の少なくとも一部に炭酸リチウムを含むリチウム化合物を含有するものを選別することにより、負極活物質を製造することを特徴とする負極活物質の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の負極活物質の製造方法によって製造した負極活物質を用いて負極を作製し、該作製した負極を用いてリチウムイオン二次電池を製造することを特徴とする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、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極活物質、この負極活物質を含む混合負極活物質材料、この負極活物質材料で形成した負極活物質層を有する非水電解質二次電池用負極、この負極電極を用いたリチウムイオン二次電池、負極活物質の製造方法、及びリチウムイオン二次電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、モバイル端末などに代表される小型の電子機器が広く普及しており、さらなる小型化、軽量化及び長寿命化が強く求められている。このような市場要求に対し、特に小型かつ軽量で高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。この二次電池は、小型の電子機器に限らず、自動車などに代表される大型の電子機器、家屋などに代表される電力貯蔵システムへの適用も検討されている。
【０００３】
その中でも、リチウムイオン二次電池は小型かつ高容量化が行いやすく、また、鉛電池、ニッケルカドミウム電池よりも高いエネルギー密度が得られるため、大いに期待されている。
【０００４】
上記のリチウムイオン二次電池は、正極および負極、セパレータと共に電解液を備えており、負極は充放電反応に関わる負極活物質を含んでいる。
【０００５】
この負極活物質としては、炭素材料が広く使用されている一方で、最近の市場要求から電池容量のさらなる向上が求められている。電池容量向上のために、負極活物質材としてケイ素を用いることが検討されている。なぜならば、ケイ素の理論容量（４１９９ｍＡｈ／ｇ）は黒鉛の理論容量（３７２ｍＡｈ／ｇ）よりも１０倍以上大きいため、電池容量の大幅な向上を期待できるからである。負極活物質材としてのケイ素材の開発はケイ素単体だけではなく、合金、酸化物に代表される化合物などについても検討されている。また、活物質形状は、炭素材では標準的な塗布型から、集電体に直接堆積する一体型まで検討されている。
【０００６】
しかしながら、負極活物質としてケイ素を主原料として用いると、充放電時に負極活物質が膨張収縮するため、主に負極活物質表層近傍で割れやすくなる。また、活物質内部にイオン性物質が生成され、負極活物質が割れやすい物質となる。負極活物質表層が割れると、それによって新表面が生じ、活物質の反応面積が増加する。この時、新表面において電解液の分解反応が生じるとともに、新表面に電解液の分解物である被膜が形成されるため電解液が消費される。このためサイクル特性が低下しやすくなる。
【０００７】
これまでに、電池初期効率やサイクル特性を向上させるために、ケイ素材を主材としたリチウムイオン二次電池用負極材料、電極構成についてさまざまな検討がなされている。
【０００８】
具体的には、良好なサイクル特性や高い安全性を得る目的で、気相法を用いケイ素及びアモルファス二酸化ケイ素を同時に堆積させている（例えば特許文献１参照）。また、高い電池容量や安全性を得るために、ケイ素酸化物粒子の表層に炭素材（電子伝導材）を設けている（例えば特許文献２参照）。さらに、サイクル特性を改善するとともに高入出力特性を得るために、ケイ素及び酸素を含有する活物質を作製し、かつ、集電体近傍での酸素比率が高い活物質層を形成している（例えば特許文献３参照）。また、サイクル特性向上させるために、ケイ素活物質中に酸素を含有させ、平均酸素含有量が４０ａｔ％以下であり、かつ集電体に近い場所で酸素含有量が多くなるように形成している（例えば特許文献４参照）。
【０００９】
また、初回充放電効率を改善するためにＳｉ相、ＳｉＯ２、ＭｙＯ金属酸化物を含有するナノ複合体を用いている（例えば特許文献５参照）。また、サイクル特性改善のため、ＳｉＯｘ（０．８≦ｘ≦１．５、粒径範囲＝１μｍ〜５０μｍ）と炭素材を混合して高温焼成している（例えば特許文献６参照）。また、サイクル特性改善のために、負極活物質中におけるケイ素に対する酸素のモル比を０．１〜１．２とし、活物質、集電体界面近傍におけるモル比の最大値、最小値との差が０．４以下となる範囲で活物質の制御を行っている（例えば特許文献７参照）。また、電池負荷特性を向上させるため、リチウムを含有した金属酸化物を用いている（例えば特許文献８参照）。また、サイクル特性を改善させるために、ケイ素材表層にシラン化合物などの疎水層を形成している（例えば特許文献９参照）。また、サイクル特性改善のため、酸化ケイ素を用い、その表層に黒鉛被膜を形成することで導電性を付与している（例えば特許文献１０参照）。特許文献１０において、黒鉛被膜に関するＲＡＭＡＮスペクトルから得られるシフト値に関して、１３３０ｃｍ−１及び１５８０ｃｍ−１にブロードなピークが現れるとともに、それらの強度比Ｉ１３３０／Ｉ１５８０が１．５＜Ｉ１３３０／Ｉ１５８０＜３となっている。また、高い電池容量、サイクル特性の改善のため、二酸化ケイ素中に分散されたケイ素微結晶相を有する粒子を用いている（例えば、特許文献１１参照）。また、過充電、過放電特性を向上させるために、ケイ素と酸素の原子数比を１：ｙ（０＜ｙ＜２）に制御したケイ素酸化物を用いている（例えば特許文献１２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−１８５１２７号公報
【特許文献２】特開２００２−０４２８０６号公報
【特許文献３】特開２００６−１６４９５４号公報
【特許文献４】特開２００６−１１４４５４号公報
【特許文献５】特開２００９−０７０８２５号公報
【特許文献６】特開２００８−２８２８１９号公報
【特許文献７】特開２００８−２５１３６９号公報
【特許文献８】特開２００８−１７７３４６号公報
【特許文献９】特開２００７−２３４２５５号公報
【特許文献１０】特開２００９−２１２０７４号公報
【特許文献１１】特開２００９−２０５９５０号公報
【特許文献１２】特許第２９９７７４１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、近年、電子機器に代表される小型のモバイル機器は高性能化、多機能化がすすめられており、その主電源であるリチウムイオン二次電池は電池容量の増加が求められている。この問題を解決する１つの手法として、ケイ素材を主材として用いた負極からなるリチウムイオン二次電池の開発が望まれている。また、ケイ素材を用いたリチウムイオン二次電池は、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等に近い初回効率、サイクル特性が望まれている。しかしながら、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等の初回効率、サイクル安定性を示す負極活物質を提案するには至っていなかった。
【００１２】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、リチウムイオン二次電池の負極活物質として用いた際に、サイクル特性及び初期充放電特性を向上させることが可能な負極活物質を提供することを目的とする。また、本発明は、この負極活物質を含む混合負極活物質材料、この負極活物質材料で形成した負極活物質層を有する非水電解質二次電池用負極、この負極電極を用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような負極活物質の製造方法、及びそのようにして製造した負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池の製造方法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】
上記目的を達成するために、本発明は、負極活物質粒子を含む負極活物質であって、前記負極活物質粒子は、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含有し、前記ケイ素化合物粒子は、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上を含有するものであり、前記負極活物質は、二酸化ケイ素粒子を２質量％以下含有し、かつ、複数の前記二酸化ケイ素粒子と炭素を含む二酸化ケイ素−炭素複合二次粒子を含み、前記複合二次粒子は、前記複合二次粒子のうち、二酸化ケイ素又はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）以外の部位の少なくとも一部にリチウム化合物を含有することを特徴とする負極活物質を提供する。
【００１４】
本発明の負極活物質は、ケイ素化合物粒子を含む負極活物質粒子（ケイ素系活物質粒子とも呼称する）を含むため、電池容量を向上できる。また、ケイ素化合物中の、電池の充放電時のリチウムの挿入、脱離時に不安定化する二酸化ケイ素成分部を予めリチウムシリケートに改質させたものであるので、充電時に発生する不可逆容量を低減することができる。さらに、負極活物質が、二酸化ケイ素粒子を２質量％以下の範囲で含有するものであれば、上記のようにリチウム化合物を含む二酸化ケイ素−炭素複合二次粒子が形成されていることによって、負極活物質の電子伝導性、イオン拡散性が向上する。そのため、このような負極活物質を非水電解質二次電池の負極活物質として用いた際に、良好なサイクル特性及び初期充放電特性が得られる。
【００１５】
このとき、前記複合二次粒子は、前記ケイ素化合物粒子をさらに含み、前記複合二次粒子の平均粒径が１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
このような複合二次粒子であれば、負極活物質の局所的な容量のばらつきを抑制できるので、このような複合二次粒子を含む負極活物質を非水電解質二次電池の負極活物質として用いた際に、より良好なサイクル特性が得られる。
【００１７】
また、前記複合二次粒子における炭素の割合が６０ａｔ％以上であることが好ましい。
【００１８】
複合二次粒子における炭素の割合が上記の範囲であれば、電子伝導性をより効果的に向上させることができるので、このような複合二次粒子を含む負極活物質を非水電解質二次電池の負極活物質として用いた際に、より良好なサイクル特性が得られる。
【００１９】
前記複合二次粒子に含まれる前記ケイ素化合物粒子において、該ケイ素化合物粒子の表面から５ｎｍ以下の領域の酸素／ケイ素モル比で定義されるＸＳと、前記ケイ素化合物粒子の表面から１００ｎｍ以上の領域の酸素／ケイ素モル比で定義されるＸとが、ＸＳ＜Ｘという関係を有することが好ましい。
【００２０】
複合二次粒子に含まれるケイ素化合物粒子がこのような構造を有することで、負極活物質内のリチウムイオン伝導性を向上させることができ、このような複合二次粒子を含む負極活物質を非水電解質二次電池の負極活物質として用いた際に、より良好なサイクル特性が得られる。
【００２１】
前記ケイ素化合物粒子は、Ｘ線回折により得られるＳｉ（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が１．２°以上であるとともに、その結晶面に対応する結晶子サイズは７．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
ケイ素化合物粒子が上記のケイ素結晶性を有する負極活物質をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いれば、より良好なサイクル特性が得られる。
【００２３】
前記ケイ素化合物粒子において、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲ  スペクトルから得られる、ケミカルシフト値として−６０〜−９５ｐｐｍで与えられるＳｉ及びＬｉシリケート領域の最大ピーク強度値Ａと、ケミカルシフト値として−９６〜−１５０ｐｐｍで与えられるＳｉＯ２領域のピーク強度値Ｂが、Ａ＞Ｂという関係を満たすこと好ましい。
【００２４】
ケイ素化合物粒子において、ＳｉＯ２成分を基準としてＳｉ及びＬｉ２ＳｉＯ３の量がより多いものであれば、Ｌｉの挿入による電池特性の向上効果を十分に得られる負極活物質となる。
【００２５】
前記負極活物質と炭素系活物質との混合物を含む負極電極と対極リチウムとから成る試験セルを作製し、該試験セルにおいて、前記負極活物質にリチウムを挿入するよう電流を流す充電と、前記負極活物質からリチウムを脱離するよう電流を流す放電とから成る充放電を３０回実施し、各充放電における放電容量Ｑを前記対極リチウムを基準とする前記負極電極の電位Ｖで微分した微分値ｄＱ／ｄＶと前記電位Ｖとの関係を示すグラフを描いた場合に、Ｘ回目以降（１≦Ｘ≦３０）の放電時における、前記負極電極の電位Ｖが０．４０Ｖ〜０．５５Ｖの範囲にピークを有することが好ましい。
【００２６】
Ｖ−ｄＱ／ｄＶ曲線における上記のピークはケイ素材のピークと類似しており、より高電位側における放電カーブが鋭く立ち上がるため、電池設計を行う際、容量発現しやすくなる。また、上記ピークが３０回以内の充放電で発現するものであれば、安定したバルクが形成される負極活物質となる。
【００２７】
前記負極活物質粒子はメジアン径が１．０μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
メジアン径が１．０μｍ以上であれば、質量当たりの表面積の増加により電池不可逆容量が増加することを抑制することができる。一方で、メジアン径を１５μｍ以下とすることで、粒子が割れ難くなるため新表面が出難くなる。
【００２９】
前記ケイ素化合物粒子は、表面に炭素被膜を有することが好ましい。
【００３０】
このように、ケイ素化合物粒子がその表面に炭素被膜を有することで、導電性の向上が得られる。
【００３１】
前記炭素被膜の平均厚さは１０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３２】
炭素被膜の平均厚さが１０ｎｍ以上であれば導電性向上が得られる。また、炭素被膜の平均厚さが５０００ｎｍ以下であれば、このようなケイ素化合物粒子を含む負極活物質を非水電解質二次電池に用いることにより、ケイ素化合物粒子に含まれるケイ素化合物を十分な量確保できるので、電池容量の低下を抑制することができる。
【００３３】
また、本発明は、上記の負極活物質と炭素系活物質とを含むことを特徴とする混合負極活物質材料を提供する。
【００３４】
このように、負極活物質層を形成する材料として、本発明の負極活物質（ケイ素系負極活物質）とともに炭素系活物質を含むことで、負極活物質層の導電性を向上させることができるとともに、充電に伴う膨張応力を緩和することが可能となる。また、ケイ素負極系活物質を炭素系活物質に混合することで電池容量を増加させることができる。
【００３５】
さらに、本発明は、上記の混合負極活物質材料を含み、前記負極活物質と前記炭素系活物質の質量の合計に対する、前記負極活物質の質量の割合が６質量％以上であることを特徴とする非水電解質二次電池用負極を提供する。
【００３６】
上記の負極活物質（ケイ素系負極活物質）と炭素系活物質の質量の合計に対する、負極活物質（ケイ素系負極活物質）の質量の割合が６質量％以上であれば、電池容量をより向上させることが可能となる。
【００３７】
また、本発明は、上記の混合負極活物質材料で形成された負極活物質層と、負極集電体とを有し、前記負極活物質層は前記負極集電体上に形成されており、前記負極集電体は炭素及び硫黄を含むとともに、それらの含有量がいずれも１００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする非水電解質二次電池用負極を提供する。
【００３８】
このように、負極電極を構成する負極集電体が、炭素及び硫黄を上記のような量で含むことで、充電時の負極電極の変形を抑制することができる。
【００３９】
また、本発明は、負極として、上記の負極活物質を含む負極を用いたものであることを特徴とするリチウムイオン二次電池を提供する。
【００４０】
このような負極活物質を含む負極を用いたリチウムイオン二次電池であれば、高容量であるとともに、良好なサイクル特性及び初期充放電特性が得られる。
【００４１】
また、本発明は、ケイ素化合物粒子を含有する負極活物質粒子を含む負極活物質を製造する方法であって、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を作製する工程と、前記ケイ素化合物粒子に炭素を複合させる工程と、前記ケイ素化合物粒子にリチウムを挿入し、該ケイ素化合物粒子にＬｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上含有させる工程とにより前記負極活物質粒子を作製し、前記作製した負極活物質粒子を含む負極活物質から、二酸化ケイ素粒子を２質量％以下含有し、かつ、複数の前記二酸化ケイ素粒子と炭素を含む二酸化ケイ素−炭素複合二次粒子を含み、前記複合二次粒子が、前記複合二次粒子のうち、二酸化ケイ素又はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）以外の部位の少なくとも一部にリチウム化合物を含有するものを選別することにより、負極活物質を製造することを特徴とする負極活物質の製造方法を提供する。
【００４２】
ケイ素系活物質粒子をこのように選別して、負極活物質を製造することで、非水電解質二次電池の負極活物質として使用した際に高容量であるとともに、良好なサイクル特性及び初期充放電特性を有する負極活物質を製造することができる。
【００４３】
また、本発明は、上記の負極活物質の製造方法によって製造した負極活物質を用いて負極を作製し、該作製した負極を用いてリチウムイオン二次電池を製造することを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法を提供する。
【００４４】
上記のように製造された負極活物質を用いることにより、高容量であるとともに、良好なサイクル特性及び初期充放電特性を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。
【発明の効果】
【００４５】
以上のように、本発明の負極活物質は、二次電池の負極活物質として用いた際に、高容量で良好なサイクル特性及び初期充放電特性が得られる。また、この負極活物質を含む混合負極活物質材料、負極、及びリチウムイオン二次電池においても同様の効果が得られる。また、本発明の負極活物質の製造方法であれば、リチウムイオン二次電池の負極活物質として用いた際に、良好なサイクル特性及び初期充放電特性を有する負極活物質を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の非水電解質二次電池用負極の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の負極活物質を製造する際に、電気化学的にリチウムを挿入・離脱するのに用いられるバルク内改質装置である。
【図３】本発明のリチウム二次電池の構成例（ラミネートフィルム型）を表す図である。
【図４】負極活物質の総量に対するケイ素系活物質粒子の割合と二次電池の電池容量の増加率との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４８】
前述のように、リチウムイオン二次電池の電池容量を増加させる１つの手法として、ケイ素材を主材として用いた負極をリチウムイオン二次電池の負極として用いることが検討されている。このケイ素材を用いたリチウムイオン二次電池は、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等に近い初期充放電特性及びサイクル特性が望まれているが、炭素材を用いたリチウムイオン二次電池と同等の初期充放電特性、サイクル安定性を示す負極活物質を提案するには至っていなかった。
【００４９】
そこで、発明者らは、リチウムイオン二次電池の負極として用いた際に、良好な特性が得られる負極活物質について鋭意検討を重ねた。その結果、負極活物質に含まれる負極活物質粒子が、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含有し、ケイ素化合物粒子がＬｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上を含有するものであり、負極活物質が二酸化ケイ素粒子を２質量％以下含有し、かつ、複数の二酸化ケイ素粒子と炭素を含む二酸化ケイ素−炭素複合二次粒子を含み、複合二次粒子は、複合二次粒子のうち、二酸化ケイ素又はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）以外の部位の少なくとも一部にリチウム化合物を含有するものであれば、この負極活物質をリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いた際に、良好なサイクル特性及び初期充放電特性が得られることを見出し、本発明をなすに至った。
【００５０】
＜非水電解質二次電池用負極＞
まず、非水電解質二次電池用負極について、説明する。図１は本発明の一実施形態における非水電解質二次電池用負極（以下、「負極」と記述）の断面構成を表している。
【００５１】
［負極の構成］
図１に示すように、負極１０は、負極集電体１１の上に負極活物質層１２を有する構成になっている。また、負極活物質層１２は負極集電体の両面、又は、片面だけに設けられていても良い。さらに、本発明の負極活物質が用いられたものであれば、負極集電体はなくてもよい。
【００５２】
［負極集電体］
負極集電体１１は、優れた導電性材料であり、かつ、機械的な強度が大きい物で構成される。導電性材料として、例えば銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）があげられる。また、この導電性材料は、リチウム（Ｌｉ）と金属間化合物を形成しない材料であることが好ましい。
【００５３】
負極集電体１１は、主元素以外に炭素（Ｃ）や硫黄（Ｓ）を含んでいることが好ましい。なぜならば、負極集電体の物理的強度が向上するからである。特に、充電時に膨張する活物質層を負極が有する場合、集電体が上記の元素を含んでいれば、集電体を含む電極変形を抑制する効果がある。上記の含有元素の含有量は特に限定されないが、中でも１００質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。なぜならば、より高い変形抑制効果が得られるからである。
【００５４】
また、負極集電体１１の表面は粗化されていてもよいし、粗化されていなくてもよい。粗化されている負極集電体は、例えば、電解処理、エンボス処理、又は、化学エッチング処理された金属箔などである。粗化されていない負極集電体は、例えば、圧延金属箔などである。
【００５５】
［負極活物質層］
負極活物質層１２は、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な本発明の負極活物質を含んでおり、電池設計上の観点から、さらに、負極結着剤（バインダ）や導電助剤など他の材料を含んでいてもよい。負極活物質は負極活物質粒子を含み、負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含有するケイ素化合物粒子を含む。
【００５６】
また、負極活物質層１２は、本発明の負極活物質と炭素系活物質とを含む混合負極活物質材料を含んでいても良い。これにより、負極活物質層の電気抵抗が低下するとともに、充電に伴う膨張応力を緩和することが可能となる。炭素系活物質としては、例えば、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、カーボンブラック類などを使用できる。
【００５７】
また、本発明の負極は、本発明の負極活物質（ケイ素系負極活物質）と炭素系活物質の質量の合計に対する、負極活物質（ケイ素系負極活物質）の質量の割合が６質量％以上であることが好ましい。本発明の負極活物質と炭素系活物質の質量の合計に対する、本発明の負極活物質の質量の割合が６質量％以上であれば、電池容量を確実に向上させることが可能となる。
【００５８】
また、上記のように本発明の負極活物質は、ケイ素化合物粒子を含み、ケイ素化合物粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含有する酸化ケイ素材であるが、その組成はｘが１に近い方が好ましい。なぜならば、高いサイクル特性が得られるからである。なお、本発明におけるケイ素化合物の組成は必ずしも純度１００％を意味しているわけではなく、微量の不純物元素を含んでいてもよい。
【００５９】
また、本発明の負極活物質において、ケイ素化合物粒子は、Ｌｉ２ＳｉＯ３及びＬｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上を含有している。このようなものは、ケイ素化合物中の、電池の充放電時のリチウムの挿入、脱離時に不安定化するＳｉＯ２成分部を予め別のリチウムシリケートに改質させたものであるので、充電時に発生する不可逆容量を低減することができる。
【００６０】
また、ケイ素化合物粒子のバルク内部にＬｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３は少なくとも１種以上存在することで電池特性が向上するが、上記２種類のＬｉ化合物を共存させる場合に電池特性がより向上する。なお、これらのリチウムシリケートは、ＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：核磁気共鳴）又はＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ  ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：Ｘ線光電子分光）で定量可能である。ＸＰＳとＮＭＲの測定は、例えば、以下の条件により行うことができる。
ＸＰＳ
・装置：  Ｘ線光電子分光装置、
・Ｘ線源：  単色化Ａｌ  Ｋα線、
・Ｘ線スポット径：  １００μｍ、
・Ａｒイオン銃スパッタ条件：  ０．５ｋＶ／２ｍｍ×２ｍｍ。
２９Ｓｉ  ＭＡＳ  ＮＭＲ（マジック角回転核磁気共鳴）
・装置：  Ｂｒｕｋｅｒ社製７００ＮＭＲ分光器、
・プローブ：  ４ｍｍＨＲ−ＭＡＳローター  ５０μＬ、
・試料回転速度：  １０ｋＨｚ、
・測定環境温度：  ２５℃。
【００６１】
また、本発明の負極活物質は、二酸化ケイ素粒子を２質量％以下含有し、かつ、複数の前記二酸化ケイ素粒子と炭素を含む二酸化ケイ素−炭素複合二次粒子を含み、該複合二次粒子は、複合二次粒子のうち、二酸化ケイ素又はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）以外の部位の少なくとも一部にリチウム化合物を含有している。二酸化ケイ素粒子とは、一次粒子における組成がＳｉＯ２で表されるものであり、これは、一次粒子における組成がＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．６）であるケイ素化合物粒子とは区別される。複合二次粒子が炭素を含むことで、負極活物質の電子伝導性が向上し、これにより、このような負極活物質を非水電解質二次電池の負極活物質として用いた際に、良好なサイクル特性及び初期充放電特性が得られる。また、複合二次粒子は、二酸化ケイ素又はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）以外の部位の少なくとも一部（炭素成分中に存在していてもよいが、炭素相と二酸化ケイ素又はケイ素化合物の界面、又は炭素相の表面に存在していてもよい。）にリチウム化合物を含有するため、炭素成分中の不可逆成分の補填がされており、負極活物質の初回効率を向上させることができる。また、負極活物質を製造し、負極電極用スラリーを作製する前に洗浄した後も、炭酸リチウムなどのＬｉ伝導性のある成分が、炭素成分中に一部残るため、イオン拡散性を向上させることができる。これにより初回効率、サイクル特性を向上させることができる。負極活物質に含まれる二酸化ケイ素粒子の含有量が２質量％以下の範囲であれば、上記のような二次粒子（凝集体）形成の効果（電子伝導、初回効率、イオン拡散性）が得られ、形成しない場合と比べて電池性能が向上する。なお、負極活物質中の二酸化ケイ素粒子含有量、複合二次粒子の有無、リチウム化合物の有無については、ＳＥＭ−ＥＤＸ（走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光）等を用いて形状観察・元素分析を行うことにより測定することができる。
【００６２】
本発明の負極活物質において、複合二次粒子は、ケイ素化合物粒子をさらに含み、複合二次粒子の平均粒径が１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。このような複合二次粒子であれば、負極活物質の局所的な容量のばらつきを抑制できるので、このような複合二次粒子を含む負極活物質を非水電解質二次電池の負極活物質として用いた際に、より良好なサイクル特性を得ることができる。なお、複合二次粒子中のケイ素化合物粒子の有無、複合二次粒子の平均粒径については、ＳＥＭ−ＥＤＸ等を用いて形状観察・元素分析を行うことにより測定することができる。
【００６３】
本発明の負極活物質において、複合二次粒子における炭素の割合が６０ａｔ％以上であることが好ましい。ここで、「ａｔ％」は、原子数比で表した割合（％）を意味する。複合二次粒子における炭素の割合が上記の範囲であれば、電子伝導性をより効果的に向上させることができるので、このような複合二次粒子を含む負極活物質を非水電解質二次電池の負極活物質として用いた際に、より良好なサイクル特性が得られる。なお、複合二次粒子における炭素の割合は、ＳＥＭ−ＥＤＸ等を用いて形状観察・元素分析を行うことにより測定することができる。
【００６４】
複合二次粒子に含まれるケイ素化合物粒子において、ケイ素化合物粒子の表面から５ｎｍ以下の領域（表面領域）の酸素／ケイ素モル比で定義されるＸＳと、ケイ素化合物粒子の表面から１００ｎｍ以上の領域（内部領域）の酸素／ケイ素モル比で定義されるＸとが、ＸＳ＜Ｘという関係を有することが好ましい。複合二次粒子に含まれるケイ素化合物粒子がこのような構造を有することで、負極活物質内のリチウムイオン伝導性を向上させることができ、このような複合二次粒子を含む負極活物質を非水電解質二次電池の負極活物質として用いた際に、より良好なサイクル特性が得られる。なお、ＸＳとＸの関係については、断面ＴＥＭ観察によるＳｉＯｘ表面の特定、及び、ＸＰＳによる組成分析により測定することができる。
【００６５】
本発明においてケイ素化合物粒子は、Ｘ線回折により得られるＳｉ（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が１．２°以上であるとともに、その結晶面に対応する結晶子サイズは７．５ｎｍ以下であることが好ましい。ケイ素化合物粒子におけるケイ素化合物のケイ素結晶性は低いほどよく、特に、Ｓｉ結晶の存在量が少なければ、電池特性を向上でき、さらに、安定的なＬｉ化合物が生成できる。
【００６６】
本発明の負極活物質は、ケイ素化合物粒子において、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として−６０〜−９５ｐｐｍで与えられるＳｉ及びＬｉシリケート領域の最大ピーク強度値Ａと、ケミカルシフト値として−９６〜−１５０ｐｐｍで与えられるＳｉＯ２領域のピーク強度値Ｂが、Ａ＞Ｂという関係を満たすことが好ましい。ケイ素化合物粒子において、ＳｉＯ２成分を基準とした場合にケイ素成分又はＬｉ２ＳｉＯ３の量が比較的多いものであれば、Ｌｉの挿入による電池特性の向上効果を十分に得られる。
【００６７】
本発明の負極活物質は、該負極活物質と炭素系活物質との混合物を含む負極電極と対極リチウムとから成る試験セルを作製し、該試験セルにおいて、負極活物質にリチウムを挿入するよう電流を流す充電と、負極活物質からリチウムを脱離するよう電流を流す放電とから成る充放電を３０回実施し、各充放電における放電容量Ｑを前記対極リチウムを基準とする負極電極の電位Ｖで微分した微分値ｄＱ／ｄＶと電位Ｖとの関係を示すグラフを描いた場合に、Ｘ回目以降（１≦Ｘ≦３０）の放電時における、負極電極の電位Ｖが０．４０Ｖ〜０．５５Ｖの範囲にピークを有するものであることが好ましい。Ｖ−ｄＱ／ｄＶ曲線における上記のピークはケイ素材のピークと類似しており、より高電位側における放電カーブが鋭く立ち上がるため、電池設計を行う際、容量発現しやすくなる。また、上記ピークが３０回以内の充放電で発現するものであれば、安定したバルクが形成されるものであると判断できる。
【００６８】
本発明の負極活物質は、負極活物質粒子のメジアン径（Ｄ５０：累積体積が５０％となる時の粒子径）が１．０μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。メジアン径が上記の範囲であれば、充放電時においてリチウムイオンの吸蔵放出がされやすくなるとともに、粒子が割れにくくなるからである。メジアン径が１．０μｍ以上であれば、質量当たりの表面積を小さくでき、電池不可逆容量の増加を抑制することができる。一方で、メジアン径を１５μｍ以下とすることで、粒子が割れ難くなるため新表面が出難くなる。
【００６９】
本発明の負極活物質において、ケイ素化合物粒子は、表面に炭素被膜を有することが好ましい。このように、ケイ素化合物粒子がその表面に炭素被膜を有することで、導電性の向上が得られる。複合二次粒子を形成するケイ素化合物粒子は、単独で炭素被膜を有していてもよく、複合二次粒子を構成する他の二酸化ケイ素粒子及び／又はケイ素化合物粒子と共有した炭素被覆を有していてもよい。この場合、連続した炭素被膜に複数の二酸化ケイ素粒子及び／又はケイ素化合物粒子が含まれていることになる。
【００７０】
また、炭素被膜の平均厚さが１０ｎｍ以上であれば導電性向上が得られる。また、炭素被膜の平均厚さが５０００ｎｍ以下であれば、このような炭素被膜を有するケイ素化合物粒子を含む負極活物質を非水電解質二次電池に用いることにより、負極活物質に含まれるケイ素化合物を十分な量確保できるので、電池容量の低下を抑制することができる。
【００７１】
この炭素被膜の平均厚さは、例えば、以下の手順により算出できる。先ず、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により任意の倍率で負極活物質粒子を観察する。この倍率は、厚さを測定できるように、目視で炭素被膜の厚さを確認できる倍率が好ましい。続いて、任意の１５点において、炭素被膜の厚さを測定する。この場合、できるだけ特定の場所に集中せず、広くランダムに測定位置を設定することが好ましい。最後に、上記の１５点の炭素被膜の厚さの平均値を算出する。
【００７２】
炭素被膜の被覆率は特に限定されないが、できるだけ高い方が望ましい。被覆率が３０％以上であれば、電気伝導性がより向上するため好ましい。炭素被膜の被覆手法は特に限定されないが、糖炭化法、炭化水素ガスの熱分解法が好ましい。なぜならば、被覆率を向上させることができるからである。
【００７３】
また、負極活物質層に含まれる負極結着剤としては、例えば、高分子材料、合成ゴムなどのいずれか１種類以上を用いることができる。高分子材料は、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリアミドイミド、アラミド、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、カルボキシメチルセルロースなどである。合成ゴムは、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴム、エチレンプロピレンジエンなどである。
【００７４】
負極導電助剤としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、ケチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のいずれか１種以上を用いることができる。
【００７５】
負極活物質層は、例えば、塗布法で形成される。塗布法とは、負極活物質粒子と上記の結着剤など、また、必要に応じて導電助剤、炭素材料を混合した後に、有機溶剤や水などに分散させ塗布する方法である。
【００７６】
［負極の製造方法］
負極は、例えば、以下の手順により製造できる。まず、負極に使用する負極活物質の製造方法を説明する。この方法では、まず、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子と炭素を複合させる工程と、炭素を複合させたケイ素化合物粒子にリチウムを挿入し、ケイ素化合物粒子にＬｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上含有させる工程とにより負極活物質粒子を作製する。次に、作製した負極活物質粒子を含む負極活物質から、二酸化ケイ素粒子を２質量％以下含有し、かつ、複数の二酸化ケイ素粒子と炭素を含む二酸化ケイ素−炭素複合二次粒子を含み、複合二次粒子が、複合二次粒子のうち、二酸化ケイ素又はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）以外の部位の少なくとも一部にリチウム化合物を含有するものを選別することにより、負極活物質を製造する。これにより、リチウムイオン二次電池の負極活物質として使用した際に高容量であるとともに、良好なサイクル特性及び初期充放電特性を有する負極活物質を製造することができる。
【００７７】
より具体的には以下のように負極活物質を製造できる。先ず、酸化珪素ガスを発生する原料を不活性ガスの存在下、減圧下で９００℃〜１６００℃の温度範囲で加熱し、酸化珪素ガスを発生させる。金属珪素粉末の表面酸素及び反応炉中の微量酸素の存在を考慮すると、混合モル比が、０．８＜金属珪素粉末／二酸化珪素粉末＜１．３の範囲であることが望ましい。
【００７８】
発生した酸化珪素ガスは吸着板上で固体化され堆積される。次に、反応炉内温度を１００℃以下に下げた状態で酸化珪素の堆積物を取出し、ボールミル、ジェットミルなどを用いて粉砕、粉末化を行う。以上のようにして、ケイ素化合物粒子を作製することができる。なお、ケイ素化合物粒子中のＳｉ結晶子は、気化温度の変更、又は、生成後の熱処理で制御できる。
【００７９】
次に、ケイ素化合物粒子の表層に炭素材の層を生成することによって、ケイ素化合物と炭素を複合させる。炭素材の層を生成する方法としては、熱分解ＣＶＤ法が望ましい。熱分解ＣＶＤ法で炭素材の層を生成する方法について説明する。
【００８０】
先ず、ケイ素化合物粒子を炉内にセットする。次に、炉内に炭化水素ガスを導入し、炉内温度を昇温させる。分解温度は特に限定しないが、１２００℃以下が望ましく、より望ましいのは９５０℃以下である。分解温度を１２００℃以下にすることで、活物質粒子の意図しない不均化を抑制することができる。所定の温度まで炉内温度を昇温させた後に、ケイ素化合物粒子の表面に炭素層を生成する。また、炭素材の原料となる炭化水素ガスは、特に限定しないが、ＣｎＨｍ組成においてｎ≦３であることが望ましい。ｎ≦３であれは、製造コストを低くでき、また、分解生成物の物性を良好にすることができる。また、熱分解ＣＶＤを行う炉としては、特に限定しないが、ロータリーキルンを用いることが好ましい。ロータリーキルンでは、炉芯管が回転することにより内部のケイ素化合物粒子を混合・攪拌するため、ケイ素化合物粒子の表面に均一性の高い炭素層を形成することができる。
【００８１】
次に、上記のように作製したケイ素活物質粒子を含む負極活物質粒子に、Ｌｉを挿入し、Ｌｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上を含有させることで改質を行う。Ｌｉの挿入は、電気化学的に行うことが望ましい。この時、挿入電位、脱離電位の調整や電流密度、浴槽温度、挿入脱離回数を変化させることでバルク内生成物質を制御することができる。特に装置構造を限定しないが、例えば、図２に示すバルク内改質装置２０を用いて、バルク内改質を行うことができる。バルク内改質装置２０は、有機溶媒２３で満たされた浴槽２７と、浴槽２７内に配置され、電源２６の一方に接続された陽電極（リチウム源）２１と、浴槽２７内に配置され、電源２６の他方に接続された、酸化ケイ素粉末２２を格納する粉末格納容器２５と、陽電極２１と粉末格納容器２５との間に設けられたセパレータ２４とを有している。Ｌｉの挿入による改質後はアルコールやアルカリ水、弱酸や純水で洗浄する方法などを使用できる。
【００８２】
また、熱ドープ法によって、負極活物質粒子にＬｉを挿入しても良い。この場合、例えば、負極活物質粒子をＬｉＨ粉やＬｉ粉と混合し、非酸化雰囲気下で加熱をすることで改質可能である。非酸化雰囲気としては、例えば、Ａｒ雰囲気などが使用できる。より具体的には、まず、Ａｒ雰囲気下でＬｉＨ粉又はＬｉ粉と酸化珪素粉末を十分に混ぜ、封止を行い、封止した容器ごと撹拌することで均一化する。その後、７００℃〜７５０℃の範囲で加熱し改質を行う。またこの場合、Ｌｉをケイ素化合物から脱離するには、加熱後の粉末を十分に冷却し、その後アルコールやアルカリ水、弱酸や純水で洗浄する方法などを使用できる。
【００８３】
次に、Ｌｉを挿入した負極活物質粒子を含む負極活物質から、二酸化ケイ素粒子を２質量％以下含有し、かつ、複数の二酸化ケイ素粒子と炭素を含む二酸化ケイ素−炭素複合二次粒子を含み、該複合二次粒子が、複合二次粒子のうち、二酸化ケイ素又はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）以外の部位の少なくとも一部にリチウム化合物を含有するものを選別する。なお、負極活物質の選別は、必ずしも負極活物質の製造の都度行う必要はなく、一度負極活物質が二酸化ケイ素粒子を２質量％以下含有し、上記の複合二次粒子を含むような製造条件を見出して選択すれば、その後は、その選択された条件と同じ条件で負極活物質を製造することができる。
【００８４】
ここで、本発明の負極活物質の各構成は、例えば、以下のようにして制御することができる。負極活物質の二酸化ケイ素粒子含有量は、酸化ケイ素発生時の加熱温度・圧力を変えることで制御することができる。複合二次粒子の有無については、ＣＶＤ時のガス濃度と温度・圧力を調整することで制御することができる。複合二次粒子が、複合二次粒子のうち、二酸化ケイ素又はケイ素化合物以外の部位の少なくとも一部にリチウム化合物を含有させることは、上記のように電気化学的に又は熱的にリチウムを挿入する際に、その条件を制御することによって行うことができる。複合二次粒子中のケイ素化合物の有無は、粉砕条件によりケイ素化合物粒子の粒度分布を変更することにより制御することができる。複合二次粒子のサイズは、熱分解ＣＶＤ時の撹拌条件（ロータリーキルンの角度、回転数）を変更することにより制御することができる。複合二次粒子の炭素含有量は、熱分解ＣＶＤ時のガス種、温度条件を変更することで制御することができる。ＸＳとＸの関係は、ＣＶＤ処理後の冷却雰囲気における酸素濃度を変更することにより制御することができる。
【００８５】
以上のようにして作製した負極活物質を、負極結着剤、導電助剤などの他の材料と混合して、負極合剤とした後に、有機溶剤又は水などを加えてスラリーとする。次に負極集電体の表面に、上記のスラリーを塗布し、乾燥させて、負極活物質層を形成する。この時、必要に応じて加熱プレスなどを行ってもよい。以上のようにして、負極を作製できる。
【００８６】
＜リチウムイオン二次電池＞
次に、本発明のリチウムイオン二次電池について説明する。本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明の負極活物質を含む負極を用いたものである。ここでは具体例として、ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池を例に挙げる。
【００８７】
［ラミネートフィルム型二次電池の構成］
図３に示すラミネートフィルム型二次電池３０は、主にシート状の外装部材３５の内部に巻回電極体３１が収納されたものである。この巻回体は正極、負極間にセパレータを有し、巻回されたものである。また正極、負極間にセパレータを有し積層体を収納した場合も存在する。どちらの電極体においても、正極に正極リード３２が取り付けられ、負極に負極リード３３が取り付けられている。電極体の最外周部は保護テープにより保護されている。
【００８８】
正負極リードは、例えば、外装部材の内部から外部に向かって一方向で導出されている。正極リード３２は、例えば、アルミニウムなどの導電性材料により形成され、負極リード３３は、例えば、ニッケル、銅などの導電性材料により形成される。
【００８９】
外装部材３５は、例えば、融着層、金属層、表面保護層がこの順に積層されたラミネートフィルムであり、このラミネートフィルムは融着層が電極体と対向するように、２枚のフィルムの融着層における外周縁部同士が融着、又は、接着剤などで張り合わされている。融着層は、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどのフィルムであり、金属層はアルミ箔などである。保護層は例えば、ナイロンなどである。
【００９０】
外装部材３５と正負極リードとの間には、外気侵入防止のため密着フィルム３４が挿入されている。この材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン樹脂である。
【００９１】
［正極］
正極は、例えば、図１の負極１０と同様に、正極集電体の両面または片面に正極活物質層を有している。正極集電体は、例えば、アルミニウムなどの導電性材により形成されている。正極活物質層は、リチウムイオンの吸蔵放出可能な正極材のいずれか１種または２種以上を含んでおり、設計に応じて結着剤、導電助剤、分散剤などの他の材料を含んでいてもよい。この場合、結着剤、導電助剤に関する詳細は、例えば、既に記述した負極結着剤、負極導電助剤と同様とすることができる。
【００９２】
正極材料としては、リチウム含有化合物が望ましい。このリチウム含有化合物は、例えば、リチウムと遷移金属元素からなる複合酸化物、またはリチウムと遷移金属元素を有するリン酸化合物があげられる。これらの正極材の中でも、ニッケル、鉄、マンガン、コバルトの少なくとも１種以上を有する化合物が好ましい。これらの正極材の化学式は、例えば、ＬｉｘＭ１Ｏ２、又は、ＬｉｙＭ２ＰＯ４で表される。上記の化学式中、Ｍ１、Ｍ２は少なくとも1種以上の遷移金属元素を示しており、ｘ、ｙの値は電池充放電状態によって異なる値を示すが、一般的に、０．０５≦ｘ≦１．１０、０．０５≦ｙ≦１．１０で示される。
【００９３】
リチウムと遷移金属元素とを有する複合酸化物としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉｘＣｏＯ２）、リチウムニッケル複合酸化物（ＬｉｘＮｉＯ２）などが挙げられ、リチウムと遷移金属元素とを有するリン酸化合物としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ４）、リチウム鉄マンガンリン酸化合物（ＬｉＦｅ１−ｕＭｎｕＰＯ４（０＜ｕ＜１））などが挙げられる。上記の正極材を用いれば、高い電池容量が得られるともに、優れたサイクル特性を得られる。
【００９４】
［負極］
負極は、上記した図１の非水電解質二次電池用負極と同様の構成を有し、例えば、集電体の両面に負極活物質層を有している。この負極は、正極活物質剤から得られる電気容量（電池としての充電容量）に対して、負極充電容量が大きくなることが好ましい。これにより、負極上でのリチウム金属の析出を抑制することができる。
【００９５】
正極活物質層は、正極集電体の両面の一部に設けられており、負極活物質層も負極集電体の両面の一部に設けられている。この場合、例えば、負極集電体上に設けられた負極活物質層は対向する正極活物質層が存在しない領域が設けられている。これは、安定した電池設計を行うためである。
【００９６】
上記の負極活物質層と正極活物質層とが対向しない領域では、充放電の影響をほとんど受けることが無い。そのため、負極活物質層の状態が形成直後のまま維持され、これによって負極活物質の組成など、充放電の有無に依存せずに再現性良く組成などを正確に調べることができる。
【００９７】
［セパレータ］
セパレータは正極、負極を隔離し、両極接触に伴う電流短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータは、例えば、合成樹脂、あるいはセラミックからなる多孔質膜により形成されており、２種以上の多孔質膜が積層された積層構造を有しても良い。合成樹脂として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
【００９８】
［電解液］
活物質層の少なくとも一部、又は、セパレータには、液状の電解質（電解液）が含浸されている。この電解液は、溶媒中に電解質塩が溶解されており、添加剤など他の材料を含んでいても良い。
【００９９】
溶媒は、例えば、非水溶媒を用いることができる。非水溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、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、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、１、２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフランなどが挙げられる。この中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチルのうちの少なくとも１種以上を用いることが望ましい。より良い特性が得られるからである。またこの場合、炭酸エチレン、炭酸プロピレンなどの高粘度溶媒と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒とを組み合わせて用いることで、電解質塩の解離性やイオン移動度を向上させることができる。
【０１００】
合金系負極を用いる場合、特に溶媒として、ハロゲン化鎖状炭酸エステル、又は、ハロゲン化環状炭酸エステルのうち少なくとも１種を含んでいることが望ましい。これにより、充放電時、特に充電時において、負極活物質表面に安定な被膜が形成される。ここで、ハロゲン化鎖状炭酸エステルとは、ハロゲンを構成元素として有する（少なくとも１つの水素がハロゲンにより置換された）鎖状炭酸エステルである。また、ハロゲン化環状炭酸エステルとは、ハロゲンを構成元素として有する（すなわち、少なくとも１つの水素がハロゲンにより置換された）環状炭酸エステルである。
【０１０１】
ハロゲンの種類は特に限定されないが、フッ素が好ましい。これは、他のハロゲンよりも良質な被膜を形成するからである。また、ハロゲン数は多いほど望ましい。これは、得られる被膜がより安定的であり、電解液の分解反応が低減されるからである。
【０１０２】
ハロゲン化鎖状炭酸エステルは、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ジフルオロメチルメチルなどが挙げられる。ハロゲン化環状炭酸エステルとしては、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンなどが挙げられる。
【０１０３】
溶媒添加物として、不飽和炭素結合環状炭酸エステルを含んでいることが好ましい。これは、充放電時に負極表面に安定な被膜が形成され、電解液の分解反応が抑制できるからである。不飽和炭素結合環状炭酸エステルとしては、例えば炭酸ビニレン、炭酸ビニルエチレンなどが挙げられる。
【０１０４】
また、溶媒添加物として、スルトン（環状スルホン酸エステル）を含んでいることも好ましい。これは、電池の化学的安定性が向上するからである。スルトンとしては、例えば、プロパンスルトン、プロペンスルトンが挙げられる。
【０１０５】
さらに、溶媒は、酸無水物を含んでいることが好ましい。これは、電解液の化学的安定性が向上するからである。酸無水物としては、例えば、プロパンジスルホン酸無水物が挙げられる。
【０１０６】
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩のいずれか１種類以上含むことができる。リチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）などが挙げられる。
【０１０７】
電解質塩の含有量は、溶媒に対して０．５ｍｏｌ／ｋｇ以上２．５ｍｏｌ／ｋｇ以下であることが好ましい。これは、高いイオン伝導性が得られるからである。
【０１０８】
［ラミネートフィルム型二次電池の製造方法］
最初に上記した正極材を用い正極電極を作製する。先ず、正極活物質と、必要に応じて結着剤、導電助剤などを混合し正極合剤とした後に、有機溶剤に分散させ正極合剤スラリーとする。続いて、ナイフロールまたはダイヘッドを有するダイコーターなどのコーティング装置で正極集電体に合剤スラリーを塗布し、熱風乾燥させて正極活物質層を得る。最後に、ロールプレス機などで正極活物質層を圧縮成型する。この時、加熱または複数回繰り返しても良い。ここで、正極集電体の両面に正極活物質層を形成する。この時、両面部の活物質塗布長がずれていても良い。
【０１０９】
次に、上記した非水電解質二次電池用負極と同様の作業手順を用い、負極集電体に負極活物質層を形成し負極を作製する。
【０１１０】
正極及び負極を作製する際に、正極及び負極集電体の両面にそれぞれの活物質層を形成する。この時、どちらの電極においても両面部の活物質塗布長がずれていても良い（図１を参照）。
【０１１１】
続いて、電解液を調整する。続いて、超音波溶接などにより、正極集電体に正極リードを取り付けると共に、負極集電体に負極リードを取り付ける。続いて、正極と負極とをセパレータを介して積層、または巻回させて巻回電極体を作製し、その最外周部に保護テープを接着させる。次に、扁平な形状となるように巻回体を成型する。続いて、折りたたんだフィルム状の外装部材の間に巻回電極体を挟み込んだ後、熱融着法により外装部材の絶縁部同士を接着させ、一方向のみ解放状態にて、倦回電極体を封入する。正極リード、および負極リードと外装部材の間に密着フィルムを挿入する。解放部から上記調整した電解液を所定量投入し、真空含浸を行う。含浸後、解放部を真空熱融着法により接着させる。以上のようにして、ラミネートフィルム型二次電池を製造することができる。
【実施例】
【０１１２】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１１３】
（実施例１−１）
以下の手順により、図３に示したラミネートフィルム型リチウム二次電池３０を作製した。
【０１１４】
最初に正極を作製した。正極活物質はリチウムニッケルコバルト複合酸化物であるＬｉＮｉ０．７Ｃｏ０．２５Ａｌ０．０５Ｏを９５質量％と、正極導電助剤２．５質量％と、正極結着剤（ポリフッ化ビニリデン：ＰＶＤＦ）２．５質量％とを混合し、正極合剤とした。続いて正極合剤を有機溶剤（Ｎ-メチル-２-ピロリドン：ＮＭＰ）に分散させてペースト状のスラリーとした。続いてダイヘッドを有するコーティング装置で正極集電体の両面にスラリーを塗布し、熱風式乾燥装置で乾燥した。この時正極集電体は厚み１５μｍのものを用いた。最後にロールプレスで圧縮成型を行った。
【０１１５】
次に負極を作製した。負極活物質は金属ケイ素と二酸化ケイ素を混合した原料を反応炉に導入し、１０Ｐａの真空度の雰囲気中で気化させたものを吸着板上に堆積させ、十分に冷却した後、堆積物を取出しボールミルで粉砕した。このようにして得たケイ素化合物粒子のＳｉＯｘのｘの値は０．５であった。続いて、ケイ素化合物粒子の粒径を分級により調整した。粒径を調整した後、炭素被膜及び複合二次粒子を得るために熱分解ＣＶＤを行った。熱分解ＣＶＤ装置として、反応ガス導入口、キャリアガス導入口を備え、内径２００ｍｍ、長さ３ｍの回転式円筒炉を備えたロータリーキルンを準備した。このとき、炉長軸方向の傾斜角を１度とした。このようにして負極活物質粒子が得られた。
【０１１６】
続いて、得られた負極活物質粒子に電気化学的にリチウムを挿入し改質した。具体的には、バルク内改質装置２０を用いて、プロピレンカーボネート及びエチレンカーボネートの１：１混合溶媒（電解質塩を１．３ｍｏｌ／Ｋｇ含んでいる）中で電位・電流制御＋Ｌｉ挿入後一部離脱法を用いバルク内改質を行った。ここで、電位・電流制御＋Ｌｉ挿入後一部離脱法とは、図２に示すバルク内改質装置２０を用いて、リチウム源２１に供給する電位・電流を制御しながらＬｉをバルク内に挿入した後に、電位・電流を制御しながら挿入したリチウムを一部離脱させる方法である。リチウムを挿入し改質した負極活物質粒子は必要に応じて二酸化炭素雰囲気下で乾燥処理を行った。
【０１１７】
以上のようにして作製した負極活物質と、炭素系活物質を１：９の質量比で配合し、混合負極活物質を作製した。ここで、炭素系活物質としては、ピッチ層で被覆した天然黒鉛及び人造黒鉛を５：５の質量比で混合したものを使用した。また、炭素系活物質のメジアン径は２０μｍであった。
【０１１８】
次に、作製した混合負極活物質、導電助剤１（カーボンナノチューブ、ＣＮＴ）、導電助剤２（メジアン径が約５０ｎｍの炭素微粒子）、スチレンブタジエンゴム（スチレンブタジエンコポリマー、以下、ＳＢＲと称する）、カルボキシメチルセルロース（以下、ＣＭＣと称する）９２．５：１：１：２．５：３の乾燥質量比で混合した後、純水で希釈し負極合剤スラリーとした。尚、上記のＳＢＲ、ＣＭＣは負極バインダー（負極結着剤）である。
【０１１９】
また、負極集電体としては、厚さ１５μｍの電解銅箔を用いた。この電解銅箔には、炭素及び硫黄がそれぞれ７０質量ｐｐｍの濃度で含まれていた。最後に、負極合剤スラリーを負極集電体に塗布し真空雰囲気中で１００℃×１時間の乾燥を行った。乾燥後の、負極の片面における単位面積あたりの負極活物質層の堆積量（面積密度とも称する）は５ｍｇ／ｃｍ２であった。
【０１２０】
次に、溶媒（４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＦＥＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、及びジメチルカーボネート（ＤＭＣ））を混合した後、電解質塩（六フッ化リン酸リチウム：ＬｉＰＦ６）を溶解させて電解液を調製した。この場合には、溶媒の組成を体積比でＦＥＣ：ＥＣ：ＤＭＣ＝１０：２０：７０とし、電解質塩の含有量を溶媒に対して１．２ｍｏｌ／ｋｇとした。
【０１２１】
次に、以下のようにして二次電池を組み立てた。最初に、正極集電体の一端にアルミリードを超音波溶接し、負極集電体の一端にはニッケルリードを溶接した。続いて、正極、セパレータ、負極、セパレータをこの順に積層し、長手方向に倦回させ倦回電極体を得た。その捲き終わり部分をＰＥＴ保護テープで固定した。セパレータは多孔性ポリプロピレンを主成分とするフィルムにより多孔性ポリエチレンを主成分とするフィルムに挟まれた積層フィルム（厚さ１２μｍ）を用いた。続いて、外装部材間に電極体を挟んだ後、一辺を除く外周縁部同士を熱融着し、内部に電極体を収納した。外装部材はナイロンフィルム、アルミ箔及び、ポリプロピレンフィルムが積層されたアルミラミネートフィルムを用いた。続いて、開口部から調整した電解液を注入し、真空雰囲気下で含浸した後、熱融着し、封止した。
【０１２２】
以上のようにして作製した二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を評価した。
【０１２３】
サイクル特性については、以下のようにして調べた。最初に、電池安定化のため２５℃の雰囲気下、０．２Ｃで２サイクル充放電を行い、２サイクル目の放電容量を測定した。続いて、総サイクル数が４９９サイクルとなるまで充放電を行い、その都度放電容量を測定した。最後に、０．２Ｃ充放電で得られた５００サイクル目の放電容量を２サイクル目の放電容量で割り、容量維持率（以下、単に維持率ともいう）を算出した。通常サイクル、すなわち３サイクル目から４９９サイクル目までは、充電０．７Ｃ、放電０．５Ｃで充放電を行った。
【０１２４】
初回充放電特性を調べる場合には、初回効率（以下では初期効率と呼ぶ場合もある）を算出した。初回効率は、初回効率（％）＝（初回放電容量／初回充電容量）×１００で表される式から算出した。雰囲気温度は、サイクル特性を調べた場合と同様にした。
【０１２５】
（実施例１−２〜実施例１−３、比較例１−１、１−２）
ケイ素化合物のバルク内酸素量を調整したことを除き、実施例１−１と同様に、二次電池の製造を行った。この場合、ケイ素化合物の原料中の金属ケイ素と二酸化ケイ素との比率や加熱温度を変化させることで、酸素量を調整した。実施例１−１〜１−３、比較例１−１、１−２における、ＳｉＯｘで表されるケイ素化合物のｘの値を表１中に示した。
【０１２６】
このとき、実施例１−１〜１−３及び比較例１−１、１−２のケイ素系活物質粒子は以下のような性質を有していた。負極活物質粒子中のケイ素化合物粒子の内部には、Ｌｉ２ＳｉＯ３及びＬｉ４ＳｉＯ４が含まれていた。また、負極活物質粒子のメジアン径Ｄ５０は４．０μｍであった。また、ケイ素化合物は、Ｘ線回折により得られるＳｉ（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が２．２５７°であり、Ｓｉ（１１１）結晶面に起因する結晶子サイズは３．７７ｎｍであった。
【０１２７】
また、上記の全ての実施例及び比較例において、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲ  スペクトルから得られるケミカルシフト値として−６０〜−９５ｐｐｍで与えられるＳｉ及びＬｉシリケート領域のピークが発現した。また、上記全ての実施例、比較例で、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲ  スペクトルから得られるケミカルシフト値として−６０〜−９５ｐｐｍで与えられるＳｉ及びＬｉシリケート領域の最大ピーク強度値Ａと、−９６〜−１５０ｐｐｍで与えられるＳｉＯ２領域のピーク強度値Ｂとの関係がＡ＞Ｂであった。
【０１２８】
また、負極活物質粒子の表面の炭素被膜の平均厚さは１００ｎｍであった。
【０１２９】
また、負極活物質は、二酸化ケイ素粒子を０．７質量％含有しており、複数の二酸化ケイ素粒子と炭素を含む複合二次粒子を含んでおり、この複合二次粒子はリチウム化合物で被覆されていた。この複合二次粒子はさらに、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含んでおり、複合二次粒子の平均粒径は、７μｍであった。この複合二次粒子における炭素の割合は７０ａｔ％であった。
【０１３０】
この複合二次粒子に含まれるケイ素化合物粒子において、該ケイ素化合物粒子の表面から５ｎｍ以下の領域（表面領域）の酸素／ケイ素モル比で定義されるＸＳと、前記ケイ素化合物粒子の表面から１００ｎｍ以上の領域（内部領域）の酸素／ケイ素モル比で定義されるＸとの関係がＸＳ＜Ｘであった。
【０１３１】
また、上記のように作製した負極と、対極リチウムとから、２０３２サイズのコイン電池型の試験セルを作製し、その放電挙動を評価した。より具体的には、まず、対極Ｌｉで０Ｖまで定電流定電圧充電を行い、電流密度が０．０５ｍＡ／ｃｍ２に達した時点で充電を終止させた。その後、１．２Ｖまで定電流放電を行った。この時の電流密度は０．２ｍＡ／ｃｍ２であった。この充放電を３０回繰り返し、各充放電において得られたデータから、縦軸を容量の変化率（ｄＱ／ｄＶ）、横軸を電圧（Ｖ）としてグラフを描き、Ｖが０．４〜０．５５（Ｖ）の範囲にピークが得られるかを確認した。その結果、ＳｉＯｘのｘが０．５未満である比較例１では、上記ピークが得られなかった。その他の実施例、比較例では、３０回以内の充放電において上記ピークは得られ、上記ピークが初めて発現した充放電から３０回目の充放電まで、全ての充放電において上記ピークが得られた。
【０１３２】
実施例１−１〜１−３、比較例１−１、１−２の評価結果を表１に示す。
【０１３３】
【表１】
0006507106.tif 000002
【０１３４】
表１に示すように、ＳｉＯｘで表わされるケイ素化合物において、ｘの値が、０．５≦ｘ≦１．６の範囲外の場合、電池特性が悪化した。例えば、比較例１−１に示すように、酸素が十分にない場合（ｘ＝０．３）、初回効率は向上するが、容量維持率が著しく悪化する。一方、比較例１−２に示すように、酸素量が多い場合（ｘ＝１．８）は導電性の低下が生じ実質的にケイ素酸化物の容量が発現しないため、評価を停止した。
【０１３５】
（実施例２−１、実施例２−２）
ケイ素化合物粒子の内部に含ませるリチウムシリケートの種類を表２のように変更したこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性及び初期効率を評価した。リチウムシリケートの種類は、酸化還元法によるリチウム挿入工程の条件を変更することで制御した。
【０１３６】
（比較例２−１）
負極活物質粒子にリチウムの挿入を行わなかったこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件でサイクル特性及び初期効率を評価した。
【０１３７】
実施例２−１、実施例２−２、比較例２−１の評価結果を表２に示す。
【０１３８】
【表２】
0006507106.tif 000003
ケイ素化合物がＬｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４のような安定したリチウムシリケートを含むことで、サイクル特性、初期充放電特性が向上した。特に、Ｌｉ２ＳｉＯ３とＬｉ４ＳｉＯ４の両方のリチウムシリケートを含む場合に、サイクル特性、初期充放電特性がより向上した。一方で、改質を行わず、上記のリチウムシリケートを含ませなかった比較例２−１ではサイクル特性、初期充放電特性が低下した。
【０１３９】
（実施例３−１〜実施例３−４、比較例３−１〜比較例３−６）
負極活物質の二酸化ケイ素粒子含有量を表３に示すように変化させるとともに、複合二次粒子の有無を制御したこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件でスラリーの安定性の評価、サイクル特性及び初期効率を評価した。なお、実施例３−１〜実施例３−４、比較例３−１においては、負極活物質は、複数の二酸化ケイ素粒子と炭素を含む複合二次粒子を含んでおり、この複合二次粒子はリチウム化合物で被覆されていた。この複合二次粒子はさらに、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含んでおり、複合二次粒子の平均粒径は、７μｍであった。この複合二次粒子における炭素の割合は７０ａｔ％であった。負極活物質の二酸化ケイ素粒子含有量は、酸化ケイ素発生時の加熱温度・圧力を変えることで制御した。また、複合二次粒子の有無については、ＣＶＤ時のガス濃度と温度・圧力を調整することで制御した。
【０１４０】
実施例３−１〜実施例３−４、比較例３−１〜比較例３−６の評価結果を表３に示す。
【０１４１】
【表３】
0006507106.tif 000004
【０１４２】
表３からわかるように、負極活物質の二酸化ケイ素粒子含有量が２．０質量％以下で、複合二次粒子を含んでいる実施例３−１〜３−４、実施例１−２は、複合二次粒子を含んでいるが負極活物質の二酸化ケイ素粒子含有量が２．０質量％より多い比較例３−１、及び、負極活物質の二酸化ケイ素粒子含有量が２．０質量％以下であるが、複合二次粒子を含んでいない比較例３−２〜３−６と比較して、サイクル特性、初期充放電特性が向上した。
【０１４３】
（実施例４−１）
表４に示すように複合二次粒子が、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含まないように変更したこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件で、サイクル特性及び初期効率を評価した。複合二次粒子のケイ素化合物粒子の有無については、粉砕条件によりケイ素化合物粒子の粒度分布を変更することにより制御した。
【０１４４】
（実施例４−２〜実施例４−６）
表４に示すように複合二次粒子の平均粒径を変えたこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件で、サイクル特性及び初期効率を評価した。複合二次粒子のサイズは、熱分解ＣＶＤ時の撹拌条件（ロータリーキルンの角度、回転数）を変更することにより制御した。
【０１４５】
実施例４−１〜実施例４−６の評価結果を表４に示す。
【０１４６】
【表４】
0006507106.tif 000005
【０１４７】
表４からわかるように、複合二次粒子がケイ素化合物粒子を含み、かつ、複合二次粒子の平均粒径が１μｍ以上１５μｍ以下である実施例１−２、実施例４−３〜４−５は、複合二次粒子の平均粒径が１μｍ以上１５μｍ以下であるが複合二次粒子がケイ素化合物粒子を含まない実施例４−１、及び、複合二次粒子がケイ素化合物粒子を含むが複合二次粒子の平均粒径が上記範囲外である実施例４−２、４−６と比較して、より良好なサイクル特性が得られた。
【０１４８】
（実施例５−１〜実施例５−３）
複合二次粒子の炭素含有量を表５に示すように変化させたこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件で、サイクル特性及び初期効率を評価した。複合二次粒子の炭素含有量は、熱分解ＣＶＤ時のガス種、温度条件を変更することで制御した。
【０１４９】
実施例５−１〜実施例５−３の評価結果を表５に示す。
【０１５０】
【表５】
0006507106.tif 000006
【０１５１】
表５からわかるように、複合二次粒子の炭素含有量が６０ａｔ％以上であれば、サイクル特性、初期充放電特性がより向上した。
【０１５２】
（実施例６−１）
複合二次粒子に含まれるケイ素化合物粒子において、ケイ素化合物粒子の表面から５ｎｍ以下の領域（表面領域）の酸素／ケイ素モル比で定義されるＸＳと、ケイ素化合物粒子の表面から１００ｎｍ以上の領域（内部領域）の酸素／ケイ素モル比で定義されるＸとの関係を表６のように変更したこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件でサイクル特性及び初回効率を評価した。ＸＳとＸの関係は、ＣＶＤ処理後の冷却雰囲気における酸素濃度を変更することにより制御した。
【０１５３】
実施例６−１の評価結果を表６に示す。
【０１５４】
【表６】
0006507106.tif 000007
【０１５５】
表６からわかるように、ＸＳとＸの関係が「ＸＳ＜Ｘ」である実施例１−２は、ＸＳとＸの関係が「ＸＳ＞Ｘ」である実施例６−１と比較して、より良好なサイクル特性が得られた。
【０１５６】
（実施例７−１〜７−９）
ケイ素化合物粒子のＳｉ結晶子の結晶性を表７のように変化させたこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件で、サイクル特性及び初回効率を評価した。なお、ケイ素化合物粒子中のＳｉ結晶子の結晶性は、原料の気化温度の変更、又は、ケイ素化合物粒子の生成後の熱処理で制御できる。実施例７−９では半値幅を２０°以上と算出しているが、解析ソフトを用いフィッティングした結果であり、実質的にピークは得られていない。よって、実施例７−９のケイ素化合物粒子中のケイ素領域は、実質的に非晶質であると言える。
【０１５７】
実施例７−１〜７−９の評価結果を表７に示す。
【０１５８】
【表７】
0006507106.tif 000008
【０１５９】
表７からわかるように、特に半値幅が１．２°以上で、尚且つＳｉ（１１１）面に起因する結晶子サイズが７．５ｎｍ以下の低結晶性材料で高い容量維持率が得られた。なかでも、ケイ素化合物が非晶質である場合には、最も良い特性が得られた。
【０１６０】
（実施例８−１）
ケイ素化合物をＳｉ及びＬｉシリケート領域の最大ピーク強度値Ａと上記ＳｉＯ２領域に由来するピーク強度値Ｂとの関係がＡ＜Ｂのものとしたこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件でサイクル特性及び初回効率を評価した。この場合、改質時にリチウムの挿入量を減らすことで、Ｌｉ２ＳｉＯ３の量を減らし、Ｌｉ２ＳｉＯ３に由来するピークの強度Ａを小さくした。
【０１６１】
実施例８−１の評価結果を表８に示す。
【０１６２】
【表８】
0006507106.tif 000009
【０１６３】
表８からわかるように、ピーク強度の関係がＡ＞Ｂである場合の方が、サイクル特性及び初期充放電特性が向上した。
【０１６４】
（実施例９−１）
上記試験セルにおける３０回の充放電で得られたＶ−ｄＱ／ｄＶ曲線において、いずれの充放電でもＶが０．４０Ｖ〜０．５５Ｖの範囲にピークが得られなかった負極活物質を用いた以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件でサイクル特性及び初期効率を評価した。
【０１６５】
実施例９−１の評価結果を表９に示す。
【０１６６】
【表９】
0006507106.tif 000010
【０１６７】
放電カーブ形状がより鋭く立ち上がるためには、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ）において、ケイ素（Ｓｉ）と同様の放電挙動を示す必要がある。３０回の充放電で上記の範囲にピークが発現しない、ケイ素化合物は比較的緩やかな放電カーブとなるため、二次電池にした際に、若干初期充放電特性が低下する結果となった。ピークが３０回以内の充放電で発現するものであれば、安定したバルクが形成され、サイクル特性及び初期充放電特性が向上した。
【０１６８】
（実施例１０−１〜１０−６）
負極活物質粒子のメジアン径を表１０のように変化させたこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件でサイクル特性及び初回効率を評価した。
【０１６９】
実施例１０−１〜１０−６の評価結果を表１０に示す。
【０１７０】
【表１０】
0006507106.tif 000011
【０１７１】
表１０からわかるように、負極活物質粒子のメジアン径が１．０μｍ以上であれば、サイクル特性が向上した。これは、ケイ素化合物の質量当たりの表面積が大すぎず、副反応が起きる面積を小さくできたためと考えられる。一方、メジアン径が１５μｍ以下であれば、充電時に粒子が割れ難く、充放電時に新生面によるＳＥＩ（固体電解質界面）が生成し難いため、可逆Ｌｉの損失を抑制することができる。また、ケイ素系活物質粒子のメジアン径が１５μｍ以下であれば、充電時のケイ素化合物粒子の膨張量が大きくならないため、膨張による負極活物質層の物理的、電気的破壊を防止できる。
【０１７２】
（実施例１１−１〜１１−４）
ケイ素系活物質粒子の表面の炭素被膜の平均厚さを変更したこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件でサイクル特性及び初回効率を評価した。炭素被膜の平均厚さは、熱分解ＣＶＤ条件を変更することで調整できる。
【０１７３】
実施例１１−１〜１１−４の評価結果を表１１に示す。
【０１７４】
【表１１】
0006507106.tif 000012
【０１７５】
表１１からわかるように、炭素被膜の膜厚が１０ｎｍ以上で導電性が特に向上するため、サイクル特性及び初期充放電特性を向上させることができる。一方、炭素被膜の膜厚が５０００ｎｍ以下であれば、電池設計上、ケイ素化合物粒子に含まれるケイ素化合物の量を十分に確保できるため、電池容量を十分確保することができる。
【０１７６】
（実施例１２−１）
改質方法を熱ドープ法に変更したこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、実施例１−２と同じ条件でサイクル特性及び初期効率を評価した。実施例１２−１では、まず、ケイ素化合物粒子を作製し、炭素被膜形成を実施例１−２と同様に行った。その後、この炭素被覆されたケイ素化合物粒子に対して、ＬｉＨ粉を使用して熱ドープ法によりリチウム挿入を行った。
【０１７７】
実施例１２−１の評価結果を表１２に示す。
【０１７８】
【表１２】
0006507106.tif 000013
【０１７９】
熱ドープ法を用いた場合であっても良好な電池特性が得られた。また、加熱によりケイ素化合物粒子の結晶性も変化した。いずれの改質方法であっても良好な容量維持率及び初期効率が得られた。
【０１８０】
（実施例１３−１）
混合負極活物質中のケイ素系活物質の質量の割合を変更したこと以外、実施例１−２と同じ条件で二次電池を作製し、電池容量の増加率を評価した。
【０１８１】
図４に、混合負極活物質の総量に対するケイ素系活物質の割合と二次電池の電池容量の増加率との関係を表すグラフを示す。図４中のＡで示すグラフは、本発明の負極の混合負極活物質において、ケイ素系活物質の割合を増加させた場合の電池容量の増加率を示している。一方、図４中のＢで示すグラフは、Ｌｉをドープしていないケイ素系活物質の割合を増加させた場合の電池容量の増加率を示している。図４からわかるように、ケイ素系活物質の割合が６質量％以上となると、電池容量の増加率は従来に比べて大きくなり、体積エネルギー密度が、特に顕著に増加する。
【０１８２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【０１８３】
１０…負極、  １１…負極集電体、  １２…負極活物質層、
２０…バルク内改質装置、  ２１…陽電極（リチウム源、改質源）、
２２…酸化ケイ素粉末、  ２３…有機溶媒、  ２４…セパレータ、
２５…粉末格納容器、  ２６…電源、  ２７…浴槽、
３０…リチウム二次電池（ラミネートフィルム型）、  ３１…巻回電極体、
３２…正極リード、  ３３…負極リード、  ３４…密着フィルム、
３５…外装部材。
【図１】
0006507106.tif 000014
【図２】
0006507106.tif 000015
【図３】
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【図４】
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