(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均一次粒子径がＤ１の二酸化ケイ素粒子と、平均一次粒子径がＤ２のケイ素粒子と、炭素材料と、を含む複合粒子からなり、
前記複合粒子における前記ケイ素粒子の含有率が１質量％以上２０質量％以下であり、
前記Ｄ１が５ｎｍ以上８０ｎｍ以下、かつ前記Ｄ１に対する前記Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１が０．３以上８以下で、
前記二酸化ケイ素粒子と前記ケイ素粒子は、前記炭素材料中に分散している、非水電解質電池用電極材料。
【請求項２】
前記二酸化ケイ素粒子は主に非晶質相を含む粒子であり、前記ケイ素粒子は一部に結晶相を含む粒子である請求項１に記載の非水電解質電池用電極材料。
【請求項３】
前記複合粒子は炭化ケイ素相を含む請求項１または２に記載の非水電解質電池用電極材料。
【請求項４】
前記二酸化ケイ素粒子と前記ケイ素粒子は、それぞれ独立して存在する請求項１〜３のいずれか１項に記載の非水電解質電池用電極材料。
【請求項５】
集電体と、前記集電体上に形成され、請求項１〜４のいずれか１項に記載の非水電解質電池用電極材料、導電剤および結着剤を含有する電極合剤層と、を含む非水電解質電池用電極。
【請求項６】
正極活物質を含む正極と、請求項５に記載の電極よりなる負極と、非水電解質と、を具備する非水電解質電池。
【請求項７】
請求項６に記載の非水電解質電池を備える電池パック。
【請求項８】
請求項６に記載の非水電解質電池と、保護回路と、通電用の外部端子を少なくとも有する請求項７に記載の電池パック。
【請求項９】
請求項７または８に記載の電池パックを備える車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、非水電解質電池用電極材料、非水電解質電池用電極、非水電解質電池用電極を備えた非水電解質電池および電池パック、電池パックを備える車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、リチウムイオン電池の普及に伴って、より高い電圧で駆動でき、エネルギー密度の高い電池に対する要求が高まっている。
一般に、リチウムイオン電池の負極には黒鉛系材料が用いられている。黒鉛系材料の理論容量は３７２ｍＡｈ／ｇ（ＬｉＣ６）である。そのため、現状のリチウムイオン電池は、エネルギー密度がほぼ限界に達している。リチウムイオン電池のエネルギー密度をさらに向上するには、新しい材料を選択する必要がある。そこで、ケイ素、スズ等のリチウムと合金化する材料が注目されている。これらの材料は、炭素、リチウムに次いで電位が低く、比容量が大きい。
【０００３】
これらの材料の中でも、ケイ素は、モル比で、ケイ素原子１に対して４．４までリチウム原子を吸蔵することができる。そのため、ケイ素は、理論的には黒鉛系材料の約１０倍の容量を有することができる。しかし、ケイ素粒子はリチウム原子を吸蔵すると、体積がおよそ３倍〜４倍に膨れる。そのため、充放電の繰り返しによって、ケイ素粒子自体が割れて微粉化したり、電極を構成する他の部材に影響を及ぼしたりする等の課題がある。ケイ素粒子の微粉化を抑制するためには、粒子サイズを小さくすることが有効とされている。しかし、粒子サイズを小さくすると、凝集が起こり易くなる。そのため、ケイ素粒子をケイ素酸化物や炭素質物で被覆する等の対策が講じられている。しかし、このように被覆したケイ素粒子でも、繰り返し使用による容量低下を十分に抑えられていない。
【０００４】
一方、二酸化ケイ素を活物質とする電極においても、リチウム原子の充放電挙動を示すことが知られている。
二酸化ケイ素はケイ素単体や一酸化ケイ素に比べて体積変化が小さいため、サイクル寿命の向上が期待される。しかしながら、活物質が二酸化ケイ素単独からなる電極は、活物質がケイ素（Ｓｉ）や一酸化ケイ素（ＳｉＯ）からなる電極に比べて、理論的な容量、効率が低く、エネルギー密度が小さい。
【０００５】
また、一般式ＳｉＯｘ（但し、ｘは酸化被膜のため理論値の１よりわずかに大きい）で表される酸化ケイ素と、ケイ素とを含む活物質が知られている。酸化ケイ素を出発原料とする活物質は、熱処理による不均化反応で、酸化ケイ素中に数ｎｍサイズのケイ素粒子が内包された組織となる。この微細なケイ素粒子は、充放電過程で凝集・粒成長を起こしやすく、寿命を大きく向上させるには至っていない。まして、ケイ素を導入することで、サイクル寿命をより短くしている。
また、二酸化ケイ素粒子を炭素質材料で被覆して焼成する方法が知られている。この方法では、熱処理中に、およそ６０質量％程の二酸化ケイ素相が還元され、ＳｉＯｘ（０＜ｘ≦１．５）となり、残留した二酸化ケイ素および炭素質材料の複合粒子となるとしている。この方法によれば、サイクル特性が大きく向上するとしている。しかし、ＳｉＯｘの組成からなる酸化ケイ素粒子に関しては、前述の酸化ケイ素とケイ素の複合体の場合と同様、結果的にサイクル寿命を延ばすことが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１４９３９号公報
【特許文献２】特開２００９−２２４１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、サイクル特性に優れ、かつエネルギー密度の高い非水電解質電池用電極材料、非水電解質電池用電極、それを備えた非水電解質電池および電池パックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の非水電解質電池用電極材料は、平均一次粒子径がＤ１の二酸化ケイ素粒子と、平均一次粒子径がＤ２のケイ素粒子と、炭素材料と、を含む複合粒子を持つ。
前記複合粒子における前記ケイ素粒子の含有率が１質量％以上２０質量％以下。
前記Ｄ１が５ｎｍ以上８０ｎｍ以下。
前記Ｄ１に対する前記Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１が０．３以上８以下。
前記二酸化ケイ素粒子と前記ケイ素粒子は、前記炭素材料中に分散している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る電極材料の一例の断面構造を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に係る電極材料の他の例の断面構造を示す模式図である。
【図３】第２の実施形態に係る非水電解質電池用電極の概略構成を示す断面図である。
【図４】第３の実施形態に係る非水電解質電池を示す模式図である。
【図５】第３の実施形態に係る非水電解質電池を示す模式図である。
【図６】第３の実施形態に係る非水電解質電池を示す模式図である。
【図７】第３の実施形態に係る非水電解質電池を示す模式図である。
【図８】第４の実施形態に係る電池パックを示す概略斜視図である。
【図９】第４の実施形態に係る電池パックを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態の非水電解質電池用電極材料、非水電解質電池用電極、それを備えた非水電解質電池および電池パックを、図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、平均一次粒子径がＤ１の二酸化ケイ素粒子と、平均一次粒子径がＤ２のケイ素粒子と、炭素材料と、を含む複合粒子からなり、Ｄ１が５ｎｍ以上８０ｎｍ以下、かつＤ１に対するＤ２の比Ｄ２／Ｄ１が０．３以上８以下である非水電解質電池用電極材料（以下、「電極材料」と略すこともある。）が提供される。
【００１２】
図１は、本実施形態に係る電極材料の一例の断面構造を示す模式図である。
本実施形態の電極材料をなす複合粒子は、二酸化ケイ素粒子と、リチウムを吸蔵・放出可能なケイ素粒子とが炭素質物で被覆された複合構造からなる。
本実施形態における二酸化ケイ素とは、粒子の組成を分析したときに、ＳｉとＯのモル比（Ｏ／Ｓｉ）が１．８以上２．２以下の範囲内にあるものをいう。
本実施形態におけるケイ素とは、粒子の組成を分析したときに、ＳｉとＯのモル比（Ｏ／Ｓｉ）が０以上０．２以下の範囲内にあるものをいう。
【００１３】
本実施形態に係る電極材料１０は、二酸化ケイ素粒子１１と、ケイ素粒子１２と、これらと複合化される炭素材料１３と、を含む複合粒子である。すなわち、図１に示すように、負極材料１０は、複数の二酸化ケイ素粒子１１とケイ素粒子１２が炭素材料１３で被覆された構造をなしている。
二酸化ケイ素粒子１１は、規則的な結晶構造を持たない粒子、すなわち、主に非晶質相を含む粒子であることが好ましい。二酸化ケイ素粒子１１は、一部に結晶相を含んでいてもよい。しかしながら、結晶相は充放電にほとんど寄与しないため、二酸化ケイ素粒子１１は、主に非晶質相を含む粒子であることが好ましい。また、二酸化ケイ素粒子１１としては、Ｘ線回折（XRD：X-ray Diffraction）にて測定した際に、得られた曲線上において顕著なピークが現れないものが好ましい。
【００１４】
ケイ素粒子１２は、一部に結晶相を含む粒子であることが好ましい。また、ケイ素粒子１２としては、Ｘ線回折曲線上において、２θ＝２８．４°に回折ピークを有する結晶相を含んでいるものが好ましい。
【００１５】
炭素材料１３は、非晶質であることが好ましい。そして、より効果的なエネルギー密度およびサイクル特性を得るためには、電極材料１０における二酸化ケイ素粒子１１とケイ素粒子１２の含有率は、４０質量％以上８０質量％以下であることが好ましい。
二酸化ケイ素粒子１１とケイ素粒子１２の含有率が４０質量％未満の場合、容量が小さくなる。一方、二酸化ケイ素粒子１１とケイ素粒子１２の含有率が８０質量％を超えると、炭素材料１３による二酸化ケイ素粒子１１とケイ素粒子１２の被覆が十分でなくなる。その結果、充電初期の被膜形成により初回の充放電効率が低下したり、サイクル性能が低下したりする。
【００１６】
二酸化ケイ素粒子１１とケイ素粒子１２は、炭素材料に全体が被覆されていても、一部が電極材料１０の表面に露出していてもよい。負極活物質１０には、導電助剤や空隙が含まれていてもよい。
【００１７】
二酸化ケイ素粒子１１の平均一次粒子径をＤ１、ケイ素粒子１２の平均一次粒子径をＤ２としたとき、Ｄ１が５ｎｍ以上８０ｎｍ以下、かつＤ１に対するＤ２の比Ｄ２／Ｄ１が０．３以上８以下である。
ここで、平均一次粒子径とは、次の分析方法で定義されたものである。
電極材料内の微細組織を観察するために、電極材料の一部を薄片加工し、イオンミリング装置等を用いて観察部をさらに薄く加工する。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscopy）により、電極材料を構成する複合粒子の内部を倍率２００，０００倍で観察する。そして、視野の対角線上にある少なくとも１０個の粒子を選んで、その長径と短径を測定し、それらを平均化したものの平均値を平均一次粒子径とする。
【００１８】
二酸化ケイ素粒子１１については、その平均一次粒子径Ｄ１が大きいほど初回充電時のリチウムの拡散に時間を要し、充電時間が長くなる。このことは、リチウムの析出、すなわち、デンドライト形成の可能性を高めることになり、好ましくない。Ｄ１は、より小さいことが好ましい。しかし、微細で均一な粒度分布を有する二酸化ケイ素粒子１１を製造することが難しい。また、二酸化ケイ素粒子１１が微細になるほど、二酸化ケイ素粒子１１を複合粒子中に均一に分散させることが難しくなる。
【００１９】
ケイ素粒子１２については、その平均一次粒子径Ｄ２が大きいほど体積膨張による周囲の組織に与える影響も大きくなる。その結果、サイクル特性を低下させる。したがって、Ｄ２はより小さいことが好ましい。しかし、Ｄ２が２０ｎｍ未満になると、ケイ素粒子１２が凝集し易くなる。その結果、ケイ素粒子１２を複合粒子中に均一に分散させることが難しくなる。また、安全性の面でも注意が必要になる。
【００２０】
以上のことから、Ｄ１が５ｎｍ以上８０ｎｍ以下、かつＤ１に対するＤ２の比Ｄ２／Ｄ１が０．３以上８以下であれば、デンドライト形成の可能性が小さく、かつサイクル寿命に及ぼす影響が少ない。
【００２１】
複合粒子におけるケイ素粒子１２の含有率は、１質量％以上２０質量％以下であることが好ましい。
ケイ素粒子１２の含有率が１質量％未満では、ケイ素粒子１２による効果が得られない。一方、ケイ素粒子１２の含有率が２０質量％を超えると、体積膨張による影響が顕著になり、繰り返しの充放電により複合粒子が破壊する。その結果、サイクル寿命が低下する。
【００２２】
図２は、本実施形態に係る電極材料の他の例の断面構造を示す模式図である。
図２に示すように、本実施形態に係る電極材料１０は、炭化ケイ素相１４を含んでいてもよい。
炭化ケイ素相１４は、粒子として添加してもよいが、複合粒子製造の熱処理時にケイ素粒子１２と炭素材料１３とを反応させて生成することもできる。微細なケイ素粒子１２は、不活性雰囲気中にて１０００℃以上で熱処理すると炭素と反応する。これにより、炭化ケイ素相１４が生成する。炭化ケイ素相１４の存在は、複合粒子の粉末Ｘ線回折による測定により確認することができる。
【００２３】
炭化ケイ素相１４は、それ自体はリチウムに対して非活性で充電特性には全く影響を与えない。しかし、炭化ケイ素相１４が存在することにより、周りに存在するケイ素粒子１２または充放電により形成されたケイ素相のサイクルに伴う合体・粒成長を抑える役割を果たす。これにより、サイクル寿命を向上させることができる。ただし、炭化ケイ素相１４を炭素との反応により形成する場合、元々存在するケイ素成分が減少し、容量が低下する。したがって、熱処理温度を上げる等して、必要以上に炭化ケイ素相１４を形成することは好ましくない。熱処理温度は、１２００℃を超えないようにすることが好ましい。また、実験の結果から、炭化ケイ素相１４が存在しても初期効率にはほとんど影響がなく、初期効率が低下しないことが確認されている。
【００２４】
次に、実施形態に係る非水電解質電池用電極材料の製造方法について説明する。
【００２５】
（複合化処理）
まず、原料粉末として、二酸化ケイ素粒子とケイ素粒子を用意する。
二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体とを混合し、その混合物を熱処理することにより炭素前駆体を熱分解させることによって、複合粒子を作製する。
【００２６】
熱処理して炭素化する炭素前駆体としては、樹脂系材料または非樹脂系材料を用いることができる。
炭素前駆体は、二酸化ケイ素粒子とケイ素粒子を均一に混合するために、混合段階で液体あるいは分散媒に可溶であるものが好ましく、液体であり、かつ容易に重合可能なモノマーまたはオリゴマーであることが特に好ましい。
樹脂系材料としては、例えば、フラン樹脂、キシレン樹脂、ケトン樹脂、アミノ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、レゾール樹脂、ノボラック樹脂、ポリビニルアルコール等が挙げられる。
非樹脂系材料としては、例えば、スクロースやアスコルビン酸等が挙げられる。
【００２７】
二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体とを混合する際、導電性を向上させるために、導電助剤となる粒子を加えてもよい。
導電助剤としては、例えば、結晶性の高い黒鉛やカーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等の炭素材料や、アセチレンブラック等の微粒子が好適に用いられる。グラファイトは電極材料の導電性を高め、容量を向上させる点で好ましい。
【００２８】
二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との複合化は、これらの材料をより均一に分散するために、分散媒中における液相混合により行うことが好ましい。
分散媒としては、有機溶媒、水等が用いられるが、二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との親和性に優れる液体を用いることが好ましい。このような分散媒としては、例えば、エタノール、アセトン、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン、酢酸エチル、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）等が挙げられる。二酸化ケイ素粒子は一般には親水性であるが、溶媒によっては分散性をよくするため、表面を疎水性処理して用いると、より効果的である。
【００２９】
二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との混合攪拌処理には、例えば、各種攪拌装置、ボールミル、ビーズミル装置等が用いられる。混合攪拌処理は、これらの装置の１種のみで行ってもよく、２種以上を組み合わせて用いて行ってもよい。
混合攪拌処理は上記のような液体での混合に限定されるものではなく、例えば、少量の溶媒を用いて混練または押し出し成形などによっても混合物を作製することができる。
【００３０】
混合後、溶媒を除去するために混合物を乾燥させる。
乾燥方法としては、例えば、エバポレータ等を用いて減圧下で均一化させながら乾燥する方法、あるいは、スプレードライのような方法が用いられる。
重合化させるための硬化処理が必要な材料においては、乾燥後、材料を電気炉に入れ加熱し、硬化処理を行う。硬化処理の条件は、炭素前駆体の種類に応じて適宜調整されるが、１２０℃以上２００℃以下程度で、少なくとも１時間の加熱を行うことが好ましい。
【００３１】
（炭化焼成処理）
上記の複合粒子の炭化焼成は、例えば、アルゴン（Ａｒ）等の不活性な雰囲気下にて行なわれる。複合粒子の炭化焼成時の雰囲気は、不活性な雰囲気に限定されず、窒素雰囲気、水素を含むアルゴン等の混合雰囲気であってもよい。
上記の複合粒子を炭化焼成する温度は、複合粒子に含まれる炭素前駆体の熱分解温度に応じて適宜調整されるが、９００℃以上１２００℃以下であることが好ましい。この熱処理過程にて、同時に炭化ケイ素相を形成することができる。ケイ素粒子と炭素前駆体は、１０００℃を超える温度にて反応し、炭化ケイ素相を生成する。
炭化焼成する温度が１２００℃を超えると、必要以上に、ケイ素粒子と炭素前駆体による炭化ケイ素化反応が進んでしまい、充放電容量が大きく低下してしまうため好ましくない。熱処理温度のより好ましい範囲は、１０００℃以上１１００℃以下である。
焼成時間は、１０分以上１２時間以下であることが好ましい。
炭化ケイ素相は、作製した複合粒子のＸ線回折測定を行うことにより確認することができる。
【００３２】
以上のような合成方法により、本実施形態に係る電極材料が得られる。
炭化焼成後の生成物（電極材料）は、各種ミル、粉砕装置、グラインダー等を用いて、粒径、比表面積等を所定の範囲に調整してもよい。
【００３３】
第１実施形態に係る電極材料は、平均一次粒子径がＤ１の二酸化ケイ素粒子と、平均一次粒子径がＤ２のケイ素粒子と、炭素材料と、を含む複合粒子からなる。また、Ｄ１が５ｎｍ以上８０ｎｍ以下、Ｄ１に対するＤ２の比Ｄ２／Ｄ１が０．３以上８以下である。また、第１実施形態に係る電極材料は、粉末Ｘ線回折測定において、少なくとも２θ＝２８．４°に回折ピークを有する。２θ＝２８．４°のピークは、ケイ素粒子に由来する。このような電極材料を用いることにより、初回充放電効率とサイクル寿命を高めることができるため、エネルギー密度に優れ長寿命な非水電解質電池を実現することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、集電体と、集電体上に形成される、第１の実施形態に係る非水電解質電池用電極材料、導電剤および結着剤を含有する負極合剤層と、を含む非水電解質電池用電極（以下、「電極」と略すこともある。）が提供される。
【００３５】
図３は、本実施形態に係る非水電解質二次電池用電極の概略構成を示す断面図である。
本実施形態に係る負極２０は、図３に示すように、シート状の集電体２１と、電極合剤層（電極活物質層）２２とを含む。この電極２０は、例えば、後述する非水電解質電池の負極として用いられる。
電極合剤層２２は、集電体２１の少なくとも一方の面２１ａに形成され、第１の実施形態に係る電極材料と、導電剤と、結着剤とを含む層である。すなわち、電極合剤層２２は、第１の実施形態に係る電極材料が、集電体２１の少なくとも一方の面２１ａに形成されてなる層である。
結着剤は、電極合剤層２２を構成する電極材料同士の隙間を埋めて、電極材料同士、または、電極材料と導電剤を結着させ、また、集電体２１と電極合剤層２２とを接合する。導電剤および結着剤は、任意成分である。なお、電極合剤層２２は、集電体２１の他方の面２１ｂにも形成されていてもよい。
【００３６】
集電体２１は、電極合剤層２２と結着する導電性の部材である。集電体２１としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板が用いられる。これら導電性基板は、例えば、銅、ニッケル、それらの合金、またはステンレス等の導電性材料から形成することができる。導電性基板の中でも、導電性の点から、銅（銅合金を含む）またはステンレスが最も好ましい。
また、集電体２１の厚さは、５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。集電体２１の厚さが、前記の範囲であると、電極強度と軽量化のバランスがとれる。
【００３７】
電極合剤層２２と結着する導電性の部材である。集電体２１としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板の厚さは、１０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。したがって、電極合剤層２２と結着する導電性の部材である集電体２１としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板が、集電体２１の一方の面２１ａおよび他方の面２１ｂに形成されている場合、電極合剤層２２と結着する導電性の部材である。集電体２１としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板の合計の厚さは、２０μｍ以上３００μｍ以下となる。電極合剤層２２と結着する導電性の部材である。集電体２１としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板の厚さを、１０μｍ以上１５０μｍ以下とすることにより、大電流放電特性とサイクル寿命が大幅に向上する。
【００３８】
結着剤としては、ポリアミック酸、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアラミド、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）およびカルボキシメチルセルロースからなる群から選択される少なくとも１種が用いられる。結着剤は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
電極材料同士の結着に優れる結着剤と、電極材料と集電体２１との結着に優れる結着剤とを組み合わせたり、硬度の高い結着剤と、柔軟性に優れる結着剤とを組み合わせたりして用いることにより、電極２０は寿命特性に優れた電極となる。
本実施形態では、集電体２１と電極合剤層２２との界面結着力が重要であり、これらをより高い強度で結着可能であることから、結着剤としては、ポリアミドイミド、ポリイミドがより好ましい。
【００３９】
導電剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等が挙げられる。
【００４０】
次に、電極２０の製造方法について説明する。
【００４１】
（電極合剤層の形成）
上述のような方法で作製した電極材料を用いて、上述の電極２０を作製する。
まず、電極材料および結着剤を、汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製する。ここで、必要に応じて、導電剤を添加して、スラリーを調製する。
次いで、集電体２１の少なくとも一方の面２１ａに、スラリーを塗布し、乾燥して、活物質を含む塗膜を形成する。
その後、集電体２１上に形成された塗膜を圧延することにより、電極合剤層２２が形成される。
【００４２】
また、電極材料、導電剤および結着剤を含む混合物をペレット状に成形して、このペレット状の混合物を、集電体２１の少なくとも一方の面２１ａに配置して、電極合剤層２２を形成してもよい。
【００４３】
以上により、本実施形態に係る電極２０が得られる。
【００４４】
本実施形態に係る非水電解質電池用電極２０によれば、電極合剤層２２が第１の実施形態に係る電極材料を含むため、初回充放電効率とサイクル寿命を高めることができ、エネルギー密度に優れ長寿命な非水電解質電池を実現することができる。
【００４５】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第２の実施形態に係る電極からなる負極と、正極と、非水電解質と、セパレータと、外装材と、を含む非水電解質電池が提供される。
より具体的には、本実施形態に係る非水電解質電池は、外装材と、外装材内に収納された正極と、外装材内において、正極と空間的に離間して、セパレータを介して収納された負極と、外装材内に充填された非水電解質と、を含む。
【００４６】
以下、本実施形態に係る非水電解質電池として、非水電解質電池の構成部材である負極、正極、非水電解質、セパレータ、外装材について、詳細に説明する。
【００４７】
（１）負極
負極としては、第２の実施形態に係る電極が用いられる。
【００４８】
（２）正極
正極は、正極集電体と、この正極集電体の片面もしくは両面に形成され、正極活物質、導電剤および結着剤を含む正極合剤層とを備える。導電剤および結着剤は、任意成分である。
【００４９】
正極活物質としては、種々の酸化物、例えば、二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ２）、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物（例えば、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．２Ｏ２）、リチウムマンガン複合酸化物（例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＭｎＯ２）が挙げられる。正極活物質として、これらの化合物を単独で用いてもよく、あるいは、複数の化合物を組合せて用いてもよい。これらの化合物を用いることにより、非水電解質電池は高電圧が得られるために好ましい。
【００５０】
導電剤は、正極活物質の集電性能を高めて、正極活物質と正極集電体との接触抵抗を抑える。
導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、人工黒鉛、天然黒鉛、炭素繊維、導電性ポリマー等を含むものが挙げられる。
導電剤は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
【００５１】
結着剤は、分散された正極活物質の間隙を埋め、正極活物質と導電剤を結着させ、また、正極活物質と正極集電体とを結着させる。
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、フッ素系ゴム、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアクリルイミド（ＰＡＩ）等が挙げられる。
結着剤は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、結着剤を分散させるための有機溶媒としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）等が用いられる。
【００５２】
正極合剤層における、正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、正極活物質が８０質量％〜９５質量％、導電剤が３質量％〜２０質量％、結着剤が２質量％〜７質量％であることが好ましい。
【００５３】
正極集電体は、正極合剤層と結着する導電性の部材である。正極集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板が用いられる。
正極集電体の厚さは、５μｍ〜２０μｍであることが好ましい。正極集電体の厚さがこの範囲であれば、電極強度と軽量化のバランスがとれる。
【００５４】
次に、正極の製造方法について説明する。
まず、正極活物質、導電剤および結着剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製する。
次いで、スラリーを正極集電体上に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成した後、プレスを施すことにより正極が得られる。
また、正極は、正極活物質、結着剤および必要に応じて配合される導電剤をペレット状に形成して正極合剤層とし、これを正極集電体上に配置することにより作製されてもよい。
【００５５】
（３）非水電解質
非水電解質としては、非水電解液、電解質含浸型ポリマー電解質、高分子電解質または無機固体電解質が用いられる。
非水電解液は、非水溶媒（有機溶媒）に電解質を溶解することにより調製される液体状電解液で、電極群中の空隙に保持される。
【００５６】
非水溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート（以下、「第１溶媒」と言う。）と、環状カーボネートより低粘度の非水溶媒（以下、「第２溶媒」と言う。）との混合溶媒を主体とする非水溶媒を用いることが好ましい。
【００５７】
第２溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等の鎖状カーボネート、テトラヒドロフランまたは２−メチルテトラヒドロフランのような環状エーテル、ジメトキシエタンまたはジエトキシエタン等の鎖状エーテル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、アセトニトリル（ＡＮ）、酢酸エチル（ＥＡ）、トルエン、キシレン、酢酸メチル（ＭＡ）等が挙げられる。第２溶媒は、ドナー数が１６．５以下であることが好ましい。第２溶媒の粘度は、２５℃にて２．８ｃＰ以下であることが好ましい。
【００５８】
混合溶媒中のエチレンカーボネートまたはプロピレンカーボネートの配合量は、体積比率で１０％〜８０％であることが好ましい。より好ましいエチレンカーボネートまたはプロピレンカーボネートの配合量は、体積比率で２０％〜７５％である。
【００５９】
非水電解質に含まれる電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ６）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ３ＳＯ３）等のリチウム塩が挙げられる。これらの中でも、六フッ化リン酸リチウムまたは四フッ化ホウ酸リチウムを用いることが好ましい。
非水電解質に含まれる非水溶媒に対する電解質の溶解量は、０．５ｍｏｌ／Ｌ以上２．０ｍｏｌ／Ｌ以下であることが好ましい。
【００６０】
（４）セパレータ
セパレータは、正極と負極が接触することを防止するために、正極と負極の間に配置されるものである。セパレータは、絶縁性材料で構成される。
セパレータとしては、正極と負極の間を電解質が移動可能な形状のものが用いられる。セパレータは、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、セルロース、または、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を含む多孔質フィルム、または、合成樹脂製不織布から形成される。これらの中でも、ポリエチレンおよびポリプロピレンの少なくともいずれか一方からなる多孔質フィルムは、二次電池の安全性を向上できるため好ましい。
【００６１】
セパレータの厚さは、５μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。セパレータの厚さが５μｍ未満では、セパレータの強度が著しく低下して、内部短絡が生じやすくなる。一方、セパレータの厚さが３０μｍを超えると、正負極間の距離が大きくなって内部抵抗が大きくなることがある。
【００６２】
セパレータは、１２０℃にて１時間放置したときの熱収縮率が２０％以下であることが好ましく、１５％以下であることがより好ましい。熱収縮率が２０％を超えると、加熱により短絡が起こる可能性が高くなる。
【００６３】
セパレータは、多孔度が３０体積％〜７０体積％であることが好ましく、３５体積％〜７０体積％であることがより好ましい。
【００６４】
セパレータの表面に、セラミックスの粒子がコーティングされていてもよい。これにより、セパレータの安全性を高めることができる。セラミックス粒子としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２等が挙げられる。
【００６５】
（５）外装材
正極、負極および非水電解質が収容される外装材としては、金属製容器や、ラミネートフィルム製外装容器が用いられる。
金属製容器としては、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ステンレス等からなる金属缶で角形、円筒形の形状のものが用いられる。
アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。アルミニウム合金中に、鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属を含む場合、その含有量は１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。アルミニウム合金からなる金属製容器は、アルミニウムからなる金属製容器よりも強度が飛躍的に増大するため、金属製容器の厚さを薄くすることができる。その結果、薄型で軽量かつ高出力で放熱性に優れた非水電解質電池を実現することができる。
【００６６】
ラミネートフィルムとしては、例えば、アルミニウム箔を樹脂フィルムで被覆した多層フィルム等が挙げられる。樹脂フィルムを構成する樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の高分子化合物が用いられる。
【００６７】
なお、本実施形態は、扁平型（薄型）、角型、円筒型、コイン型、ボタン型等の種々の形態の非水電解質電池に適用することができる。
また、本実施形態に係る非水電解質電池は、上記の正極および負極からなる電極群に電気的に接続されるリードをさらに具備することができる。本実施形態に係る非水電解質電池は、例えば、２つのリードを具備することもできる。その場合、一方のリードは、正極集電タブに電気的に接続され、他方のリードは、負極集電タブに電気的に接続される。
リードの材料としては、特に限定されないが、例えば、正極集電体および負極集電体と同じ材料が用いられる。
【００６８】
本実施形態に係る非水電解質電池は、上記のリードに電気的に接続され、上記の外装材から引き出された端子をさらに具備することもできる。本実施形態に係る非水電解質電池は、例えば、２つの端子を具備することもできる。その場合、一方の端子は、正極集電タブに電気的に接続されたリードに接続され、他方の端子は、負極集電タブに電気的に接続されたリードに接続される。
端子の材料としては、特に限定されないが、例えば、正極集電体および負極集電体と同じ材料が用いられる。
【００６９】
（６）非水電解質電池
次に、本実施形態に係る非水電解質電池の一例として、図４および図５に示す扁平型非水電解質電池（非水電解質電池）３０について説明する。図４は、扁平型非水電解質電池３０の断面図模式図である。また、図５は、図４中に示すＡ部の拡大断面図である。なお、これら各図は本実施形態に係る非水電解質電池を説明するための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらについては、以下の説明と公知技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００７０】
図４に示す非水電解質電池３０は、扁平状の捲回電極群３１が、外装材３２内に収納されて構成されている。外装材３２は、ラミネートフィルムを袋状に形成したものでもよく、金属製の容器であってもよい。また、扁平状の捲回電極群３１は、外側、すなわち外装材３２側から、負極３３、セパレータ３４、正極３５、セパレータ３４の順で積層した積層物を渦巻状に捲回し、プレス成型することにより形成される。図５に示すように、最外周に位置する負極３３は、負極集電体３３ａの内面側の片面に負極層３３ｂが形成された構成を有する。最外周以外の部分の負極３３は、負極集電体３３ａの両面に負極層３３ｂが形成された構成を有する。また、正極３５は、正極集電体３５ａの両面に正極層３５ｂが形成された構成を有する。なお、セパレータ３４に代えて、上述したゲル状の非水電解質を用いてもよい。
【００７１】
図４に示す捲回電極群３１は、その外周端近傍において、負極端子３６が最外周の負極３３の負極集電体３３ａに電気的に接続されている。正極端子３７は内側の正極３５の正極集電体３５ａに電気的に接続されている。これらの負極端子３６および正極端子３７は、外装材３２の外部に延出されるか、外装材３２に備えられた取り出し電極に接続される。
【００７２】
ラミネートフィルムからなる外装材を備えた非水電解質電池３０を製造する際は、負極端子３６および正極端子３７が接続された捲回電極群３１を、開口部を有する袋状の外装材３２に装入する。次いで、液状非水電解質を外装材３２の開口部から注入する。さらに、袋状の外装材３２の開口部を、負極端子３６および正極端子３７を挟んだ状態でヒートシールすることにより、捲回電極群３１および液状非水電解質を完全密封させる。
【００７３】
また、金属容器からなる外装材を備えた非水電解質電池３０を製造する際は、負極端子３６および正極端子３７が接続された捲回電極群３１を、開口部を有する金属容器に装入する。次いで。液状非水電解質を外装材３２の開口部から注入する。さらに、金属容器に蓋体を装着して開口部を封口させる。
【００７４】
負極端子３６としては、例えば、リチウムに対する電位が０Ｖ以上３Ｖ以下の範囲において電気的安定性と導電性とを備える材料を用いることができる。具体的には、アルミニウム、または、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。また、負極端子３６は、負極集電体３３ａとの接触抵抗を低減するために、負極集電体３３ａと同様の材料であることがより好ましい。
【００７５】
正極端子３７としては、リチウムに対する電位が２Ｖ以上４．２５Ｖ以下の範囲において電気的安定性と導電性とを備える材料を用いることができる。具体的には、アルミニウムまたはＭｇ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｓｉ等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子３７は、正極集電体３５ａとの接触抵抗を低減するために、正極集電体３５ａと同様の材料であることが好ましい。
以下、非水電解質電池３０の構成部材である外装材３２、負極３３、正極３５、セパレータ３０および非水電解質について詳細に説明する。
【００７６】
（１）外装材
外装材３２としては、上記の外装材が用いられる。
【００７７】
（２）負極
負極３３としては、第２の実施形態に係る電極が用いられる。
【００７８】
（３）正極
正極３５としては、上記の正極が用いられる。
【００７９】
（４）セパレータ
セパレータ３４としては、上記のセパレータが用いられる。
【００８０】
（５）非水電解質
非水電解質としては、上記の非水電解質が用いられる。
【００８１】
第３の実施形態に係る非水電解質電池は、前述した図４および図５に示す構成のものに限らず、例えば、図６および図７に示す構成の電池であってもよい。図６は、第３の実施形態に係る別の扁平型非水電解質電池を模式的に示す部分切欠斜視図であり、図７は図６のＢ部の拡大断面図である。
【００８２】
図６および図７に示す非水電解質電池４０は、積層型電極群４１が外装材４２内に収納されて構成されている。積層型電極群４１は、図７に示すように正極４３と負極４４とを、その間にセパレータ４５を介在させながら交互に積層した構造を有する。
【００８３】
正極４３は複数枚存在し、それぞれが正極集電体４３ａと、正極集電体４３ａの両面に担持された正極層４３ｂとを備える。正極層４３ｂには正極活物質が含有される。
【００８４】
負極４４は複数枚存在し、それぞれが負極集電体４４ａと、負極集電体４４ａの両面に担持された負極層４４ｂとを備える。負極層４４ｂには電極材料が含有される。各負極４４の負極集電体４４ａは、一辺が負極４４から突出している。突出した負極集電体４４ａは、帯状の負極端子４６に電気的に接続されている。帯状の負極端子４６の先端は、外装材４２から外部に引き出されている。また、図示しないが、正極４３の正極集電体４３ａは、負極集電体４４ａの突出辺と反対側に位置する辺が正極４３から突出している。正極４３から突出した正極集電体４３ａは、帯状の正極端子４７に電気的に接続されている。帯状の正極端子４７の先端は、負極端子４６とは反対側に位置し、外装材４２の辺から外部に引き出されている。
【００８５】
図６および図７に示す非水電解質電池４０を構成する各部材の材質、配合比、寸法等は、図４および図５において説明した非水電解質電池３０の各構成部材と同様の構成である。
【００８６】
以上説明した本実施形態によれば、非水電解質電池を提供することができる。
本実施形態に係る非水電解質電池は、負極と、正極と、非水電解質と、セパレータと、外装材と、を具備する。負極は、上述の第２の実施形態に係る非水電解質電池用電極からなる。これにより、本実施形態に係る非水電解質電池は、エネルギー密度に優れ長寿命である。
【００８７】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る電池パックについて詳細に説明する。
本実施形態に係る電池パックは、第３の実施形態に係る非水電解質電池（即ち、単電池）を二次電池として少なくとも１つ有する。電池パックに複数の単電池が含まれる場合、各単電池は、電気的に直列、並列、あるいは、直列と並列に接続して配置される。
【００８８】
図８および図９を参照して、本実施形態に係る電池パック５０を具体的に説明する。図９に示す電池パック５０においては、単電池５１として、図４に示す扁平型非水電解液電池３０を使用している。
複数の単電池５１は、外部に延出した負極端子３６および正極端子３７が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ５２で締結することによって組電池５３を構成している。これらの単電池５１は、図８および図９に示すように、互いに電気的に直列に接続されている。
【００８９】
プリント配線基板５４は、負極端子３６および正極端子３７が延出する単電池５１の側面と対向して配置されている。図８に示すように、プリント配線基板５４には、サーミスタ５５（図９を参照）、保護回路５６および外部機器への通電用端子５７が搭載されている。なお、組電池５３と対向するプリント配線基板５４の面には、組電池５３の配線と不要な接続を回避するために絶縁板（図示せず）が取り付けられている。
【００９０】
正極側リード５８は、組電池５３の最下層に位置する正極端子３７に接続され、その先端はプリント配線基板５４の正極側コネクタ５９に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード６０は、組電池５３の最上層に位置する負極端子３６に接続され、その先端は、プリント配線基板５４の負極側コネクタ６１に挿入されて電気的に接続されている。これらの正極側コネクタ５９、負極側コネクタ６１は、プリント配線基板５４に形成された配線６２、６３（図９を参照）を通じて保護回路５６に接続されている。
【００９１】
サーミスタ５５は、単電池５１の温度を検出するために用いられ、図８においては図示を省略しているが、単電池５１の近傍に設けられるとともに、その検出信号は保護回路５６に送信される。保護回路５６は、単電池５１を保護するために充放電を制御するものである。所定の条件で保護回路５６と外部機器への通電用の外部端子（通電用端子）５７との間のプラス側配線６４ａおよびマイナス側配線６４ｂを遮断できる。ここで、上記の所定の条件とは、例えば、サーミスタ５５の検出温度が所定温度以上になったときである。さらに、所定の条件とは、単電池５１の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。このような過充電等の検出は、個々の単電池５１もしくは単電池５１全体について行われる。なお、個々の単電池５１における過充電等を検出する場合には、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池５１中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図８および図９の場合、単電池５１それぞれに電圧検出のための配線６５を接続し、これら配線６５を通して検出信号が保護回路５６に送信される。なお、この保護回路５６は、外部機器側に配置されていても良い。
【００９２】
図８に示すように、正極端子３７および負極端子３６が突出する側面を除く組電池５３の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート６６がそれぞれ配置されている。
【００９３】
組電池５３は、各保護シート６６およびプリント配線基板５４とともに、収納容器６７内に収納される。すなわち、収納容器６７の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート６６が配置され、短辺方向の保護シート６６とは反対側の内側面にプリント配線基板５４が配置される。組電池５３は、保護シート６６およびプリント配線基板５４で囲まれた空間内に位置する。蓋６８は、収納容器６７の上面に取り付けられている。
【００９４】
なお、組電池５３の固定には、粘着テープ５２に代えて熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて組電池を結束させる。
【００９５】
ここで、図８、図９においては、単電池５１を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには、単電池５１を並列に接続しても、または、直列接続と並列接続とを組み合わせた構成としてもよい。また、組み上がった電池パックを、さらに直列、並列に接続することも可能である。
【００９６】
以上説明した本実施形態によれば、電池パックを提供することができる。本実施形態に係る電池パックは、上記の第３の実施形態に係る非水電解質電池を少なくとも１つ具備する。
このような電池パックは、エネルギー密度に優れ長寿命である。
【００９７】
なお、電池パックの態様は用途により適宜変更される。本実施形態に係る電池パックの用途としては、大電流を取り出したときに優れたサイクル特性を示すことが要求されるものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪もしくは四輪のハイブリッド電気自動車、二輪もしくは四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車両に用いられる車載用が挙げられる。特に、高温特性の優れた非水電解質電池を用いた電池パックは、車両に用いられる車載用に好適に用いられる。
【実施例】
【００９８】
以下、実施例に基づいて上記の実施形態をさらに詳細に説明する。
【００９９】
＜実施例１＞
以下の条件で、負極材料を作製した。
市販の二酸化ケイ素粒子（平均一次粒子径３０ｎｍ、非晶質）０．５８５ｇと、ケイ素粒子（平均一次粒子径２０ｎｍ）０．０６５ｇとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂１．１６２ｇを１０ｇのエタノールに溶解させた溶液に加え、ＺｒＯ２ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製した。
そのスラリーを、減圧ろ過してＺｒＯ２ボールを取り除き、８０℃にて乾燥した後、１５０℃にて１時間、加熱硬化処理して、二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との混合物を得た。
得られた混合物をアルミナ製のるつぼに入れ、電気炉を用いて熱処理を行った。熱処理は、真空置換後、アルゴンガスを導入した不活性雰囲気下で、１０００℃にて３時間の条件で行った。
次に、得られた焼成物をメノウ乳鉢にて粉砕し、目開き２０μｍの篩にかけて、二酸化ケイ素粒子およびケイ素粒子が炭素質物で被覆された実施例１の負極材料を得た。
得られた負極材料０．６ｇと、平均粒子径３μｍの黒鉛粉末０．１ｇとを、ポリイミドを１６質量％溶解させたＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）に加え、ミキサーを用いて混合し、ペースト状のスラリーを調製した。
そのスラリーを、厚さ１２μｍの銅箔上に塗布し圧延した後、４００℃にて２時間、アルゴンガス雰囲気中にて熱処理し、実施例１の負極材料付き銅箔を得た。
【０１００】
＜実施例２＞
ケイ素粒子として、平均一次粒子径が３０ｎｍのものを用いたこと以外は、全て実施例１と同様にして、実施例２の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
【０１０１】
＜実施例３＞
二酸化ケイ素粒子として、平均一次粒子径が７ｎｍのものを用い、ケイ素粒子として、平均一次粒子径が３０ｎｍのものを用いたこと以外は、全て実施例１と同様にして、実施例３の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
【０１０２】
＜実施例４＞
二酸化ケイ素粒子として、平均一次粒子径が７ｎｍのものを用い、ケイ素粒子として、平均一次粒子径が４５ｎｍのものを用いたこと以外は、全て実施例１と同様にして、実施例４の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
【０１０３】
＜実施例５＞
二酸化ケイ素粒子として、平均一次粒子径が６５ｎｍのものを用い、ケイ素粒子として、平均一次粒子径が３０ｎｍのものを用いたこと以外は、全て実施例１と同様にして、実施例５の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
【０１０４】
＜比較例１＞
二酸化ケイ素粒子として、平均一次粒子径が１００ｎｍのものを用い、ケイ素粒子として、平均一次粒子径が２０ｎｍのものを用いたこと以外は、全て実施例１と同様にして、比較例１の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
【０１０５】
＜比較例２＞
二酸化ケイ素粒子として、平均一次粒子径が７ｎｍのものを用い、ケイ素粒子として、平均一次粒子径が８０ｎｍのものを用いたこと以外は、全て実施例１と同様にして、比較例２の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
【０１０６】
次に、負極材料中に炭化ケイ素相を形成した例を示す。
【０１０７】
＜実施例６＞
負極材料を作製する際の二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との混合物の熱処理を、１０５０℃にて３時間の条件で行ったこと以外は、全て実施例２と同様にして、実施例６の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
【０１０８】
＜実施例７＞
負極材料を作製する際の二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との混合物の熱処理を、１１００℃にて３時間の条件で行ったこと以外は、全て実施例２と同様にして、実施例７の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
【０１０９】
＜比較例３＞
負極材料を作製する際の二酸化ケイ素粒子と、ケイ素粒子と、炭素前駆体との混合物の熱処理を、１２００℃にて３時間の条件で行ったこと以外は、全て実施例２と同様にして、比較例３の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
【０１１０】
次に、負極材料における二酸化ケイ素粒子とケイ素粒子の含有率を約５５質量％で一定とし、負極材料におけるケイ素粒子の含有率を変えた試料を作製した。
【０１１１】
＜実施例８＞
二酸化ケイ素粒子０．６１８ｇと、ケイ素粒子０．０３３ｇとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂１．１６２ｇを１０ｇのエタノールに溶解させた溶液に加え、ＺｒＯ２ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例２と同様にして、実施例８の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は２．８質量％であった。
【０１１２】
＜実施例９＞
二酸化ケイ素粒子０．４５５ｇと、ケイ素粒子０．１９５ｇとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂１．１６２ｇを１０ｇのエタノールに溶解させた溶液に加え、ＺｒＯ２ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例２と同様にして、実施例９の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は１６．６質量％であった。
【０１１３】
＜比較例４＞
二酸化ケイ素粒子０．３９ｇと、ケイ素粒子０．２６ｇとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂１．１６２ｇを１０ｇのエタノールに溶解させた溶液に加え、ＺｒＯ２ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例２と同様にして、比較例４の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は２２．１質量％であった。
【０１１４】
次に、負極材料における二酸化ケイ素粒子とケイ素粒子の含有率を約７１質量％で一定とし、負極材料におけるケイ素粒子の含有率を変えた試料を作製した。
【０１１５】
＜実施例１０＞
二酸化ケイ素粒子０．９５ｇと、ケイ素粒子０．０５ｇとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂１．１６２ｇを１０ｇのエタノールに溶解させた溶液に加え、ＺｒＯ２ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例２と同様にして、実施例１０の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は３．６質量％であった。
【０１１６】
＜実施例１１＞
二酸化ケイ素粒子０．８０ｇと、ケイ素粒子０．２０ｇとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂１．１６２ｇを１０ｇのエタノールに溶解させた溶液に加え、ＺｒＯ２ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例２と同様にして、実施例１１の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は１４．２質量％であった。
【０１１７】
＜比較例５＞
二酸化ケイ素粒子０．７０ｇと、ケイ素粒子０．３０ｇとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂１．１６２ｇを１０ｇのエタノールに溶解させた溶液に加え、ＺｒＯ２ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例２と同様にして、比較例５の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
負極材料におけるケイ素粒子の含有率は２１．３質量％であった。
【０１１８】
＜比較例６＞
平均一次粒子径約２００ｎｍの一酸化ケイ素粒子０．５８５ｇと、ケイ素粒子０．０６５ｇとを、炭素前駆体としてのレゾール系フェノール樹脂１．１６２ｇを１０ｇのエタノールに溶解させた溶液に加え、ＺｒＯ２ボールを用い、遊星ボールミルにて解砕・混合処理を行い、スラリーを調製したこと以外は、全て実施例２と同様にして、比較例６の負極材料および負極材料付き銅箔を作製した。
【０１１９】
「電気化学特性の評価」
（非水電解液の調製）
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを体積比で１：２になるように混合して、混合溶媒を調製した。この混合溶媒に、ＬｉＰＦ６を溶解して、非水電解液を調製した。
【０１２０】
（非水電解質電池の作製）
前記の負極材料付き銅箔を２０ｍｍ×２０ｍｍの大きさに裁断した後、１００℃にて１２時間、真空乾燥し、試験電極とした。
前記の試験電極と、対極および参照極としての金属Ｌｉと、前記の非水電解液とを、有底の容器内に収納し、非水電解質電池ハーフセルを作製した。
電池の組み立ては、アルゴン雰囲気で満たされたグローブボックス中にて行った。
【０１２１】
（充放電試験）
充放電試験の条件は、参照極と試験電極間の電位差０．０１Ｖまで０．５ｍＡ／ｃｍ２の定電流密度で充電し、さらに、０．０１Ｖで定電圧充電を行い、終止条件を０．０２５ｍＡ／ｃｍ２または１５０時間とした。放電は、０．２５ｍＡ／ｃｍ２の定電流密度で１．５Ｖまで行った。このときの充電容量に対する放電容量の割合を初回の充放電効率とした。
さらにその後、参照極と試験電極間の電位差０．０１Ｖまで１．５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で充電し（カットオフ０．００７５ｍＡ／ｃｍ２）、１．５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で１．５Ｖまで放電するサイクルを１００回行った。１．５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度での充放電の１回目に対する５０回目の放電容量の比を放電容量維持率とした。
【０１２２】
実施例１〜実施例１１と比較例１〜比較例６の結果について、表１〜表４にまとめて示す。同表には、二酸化ケイ素粒子の平均一次粒子径Ｄ１に対するケイ素粒子の平均一次粒子径Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１も合わせて記した。
【０１２３】
【表１】
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【０１２４】
【表２】
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【０１２５】
【表３】
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【０１２６】
【表４】
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【０１２７】
表１の結果から、実施例１〜実施例５および比較例１、２は、原料として用いた、二酸化ケイ素粒子の平均一次粒子径Ｄ１およびケイ素粒子の平均一次粒子径Ｄ２、および、Ｄ１に対するＤ２の比Ｄ２／Ｄ１による違いを示している。なお、二酸化ケイ素粒子とケイ素粒子は結晶性に差があるため、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察することにより、容易に見分けることができる。結晶構造が見られるのがケイ素粒子である。これにより、上述したような方法を用いて各粒子の平均一次粒子径を測定することができる。
【０１２８】
また、ケイ素粒子の含有率は、電極表面のＸ線光電子分光分析（ＥＳＣＡ）を実施し、Ｓｉ２ｐの光電子スペクトルの測定からピークの波形分離解析によりＳｉ０の存在比を定量することで求めることができる。また、電極組成のＳｉ、Ｏ、Ｃ元素についての定量分析によっても見積もることが可能である。
表１に示すように、ケイ素粒子の平均一次粒子径が大きくなると、体積膨張による影響が大きくなり、サイクル特性が低下することが分かる。特に、比較例２のように、ケイ素粒子の平均一次粒子径が８０ｎｍにもなると、サイクル特性低下への影響が大きくなる。
【０１２９】
二酸化ケイ素粒子に関しては、平均一次粒子径が大きくなると、初回の充電に要する時間が大きくなる。比較例１に示すように、特に平均一次粒子径が１００ｎｍを超える二酸化ケイ素粒子では、実験の充電の終止条件として設定した１５０時間を上回る充電時間であった。この長い充電時間はリチウムの析出によるデンドライト形成を起こり易くするため、好ましくない。二酸化ケイ素粒子の平均一次粒子径は８０ｎｍより小さくする。
また、平均一次粒子径が７ｎｍの二酸化ケイ素粒子を用いた場合、平均一次粒子径が３０ｎｍの二酸化ケイ素粒子より初回の充電時間が長くなっている。これは、電極材料作製時に微細な二酸化ケイ素粒子が今回の試験において二次粒子を形成し、電極中で凝集体として存在しているからであると考えられる。凝集の程度にもよるが、この程度のものでは特に問題ない。
【０１３０】
表２に示す結果は、負極材料を作製するときの炭素前駆体の熱処理温度による影響を調べた結果である。熱処理温度を高くするにつれ、初回放電容量の低下がみられる。これは、熱処理温度の増加に伴って、炭化ケイ素相が形成され、炭化ケイ素相の形成に添加したケイ素粒子が使われたためと考えられる。実際、Ｘ線回折測定の結果から、炭化ケイ素相の存在を示す２θ＝３５．６°付近のピークが認められ、このピークの値が熱処理温度の増加とともに大きくなっていくのが観察された。熱処理温度を１２００℃まで上げると、添加したケイ素粒子のほとんどが炭化ケイ素化してしまい、ケイ素粒子を添加する意味がなくなり好ましくない。したがって、熱処理温度は１２００℃未満であることが好ましい。
【０１３１】
表３は、ケイ素粒子の添加量の影響を示す。表３の結果から、ケイ素粒子の添加量が２０質量％までは負極のサイクル特性にほとんど影響がないことが分かる。ケイ素粒子の添加量が２０質量％を超えると、負極のサイクル特性に影響が出てくることが分かる。すなわち、ケイ素粒子の添加量が２０質量％までの範囲であれば、サイクル特性がほとんど低下することなく、初回放電容量の向上を図ることができる。
【０１３２】
表４は、一酸化ケイ素粒子とケイ素粒子を含む複合粒子を負極材料に用いた場合の結果を示す。一酸化ケイ素粒子は、熱処理により二酸化ケイ素粒子とケイ素粒子に分離する不均化反応を起こし、この不均化反応で形成されるケイ素粒子は数ｎｍと小さいが粒成長も起こしやすい。このため、二酸化ケイ素粒子を用いるよりサイクルによる放電容量の低下が大きくなることが分かる。
【０１３３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１３４】
１０・・・非水電解質電池用電極材料（電極材料）、１１・・・二酸化ケイ素粒子、１２・・・ケイ素粒子、１３・・・炭素材料、１４・・・炭化ケイ素相、２０・・非水電解質電池用電極、２１・・・集電体、２２・・・電極合剤層、３０・・・非水電解質電池、３１・・・捲回電極群、３２・・・外装材、３３・・・負極、３４・・・セパレータ、３５・・・正極、３６・・・負極端子、３７・・・正極端子、４０・・・非水電解質電池、４１・・・積層型電極群、４２・・・外装材、４３・・・正極、４３ａ・・・正極集電体、４４・・・負極、４４ａ・・・負極集電体、４５・・・セパレータ、４６・・・負極端子、４７・・・正極端子、５０・・・電池パック、５１・・・単電池、５２・・・粘着テープ、５３・・・組電池、５４・・・プリント配線基板、５５・・・サーミスタ、５６・・・保護回路、５７・・・通電用端子、５８・・・正極側リード、５９・・・正極側コネクタ、６０・・・負極側リード、６１・・・負極側コネクタ、６２・・・配線、６３・・・配線、６４ａ・・・プラス側配線、６４ｂ・・・マイナス側配線、６５・・・配線、６６・・・保護シート、６７・・・収納容器、６８・・・蓋。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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