(57)【要約】【課題】サイクル特性を向上させることが可能な電池を提供する。【解決手段】正極および負極２２と共に電解液を備え、正極と負極２２との間に設けられたセパレータに電解液が含浸されている。負極２２は、負極集電体２２Ａと、その負極集電体２２Ａに設けられた負極活物質層２２Ｂと、その負極活物質層２２Ｂを被覆する被覆２２Ｃとを有している。負極活物質層２２Ｂは、ケイ素を構成元素として有する負極活物質を含んでおり、被覆層２２Ｃは、３ｄ遷移金属元素（鉄、コバルトおよびニッケルからなる群のうちの少なくとも１種）の酸化物を含有している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素（Ｓｉ）を構成元素として有する負極活物質を含む負極活物質層と、
その負極活物質層を被覆すると共に３ｄ遷移金属元素（鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）およびニッケル（Ｎｉ）からなる群のうちの少なくとも１種）の酸化物を含有する被覆層と
を有することを特徴とする負極。
【請求項２】
前記酸化物は、Ｍx Ｏy （Ｍは鉄、コバルトあるいはニッケル、ｘは１〜３の整数、ｙは１〜４の整数である。）で表される化合物であることを特徴とする請求項１記載の負極。
【請求項３】
前記酸化物は、酸化第一鉄（ＦｅＯ）、酸化第一コバルト（ＣｏＯ）あるいは酸化第一ニッケル（ＮｉＯ）であることを特徴とする請求項１記載の負極。
【請求項４】
前記被覆層の厚さは、１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の負極。
【請求項５】
前記負極活物質層は、多数回に渡って成膜されることにより形成された多層構造を有することを特徴とする請求項１記載の負極。
【請求項６】
前記負極活物質は、さらに、酸素（Ｏ）を構成元素として有し、
前記負極活物質中における酸素の含有量は、３原子数％以上４０原子数％以下の範囲内である
ことを特徴とする請求項１記載の負極。
【請求項７】
前記負極活物質層は、その厚さ方向において、前記負極活物質がさらに酸素を構成元素として有する酸素含有層を有し、
前記酸素含有層における酸素の含有量は、それ以外の層における酸素の含有量よりも高い
ことを特徴とする請求項１記載の負極。
【請求項８】
前記負極活物質は、さらに、鉄、コバルト、ニッケル、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）およびモリブデン（Ｍｏ）からなる群のうちの少なくとも１種の金属元素を構成元素として有することを特徴とする請求項１記載の負極。
【請求項９】
前記負極活物質中における金属元素の含有量は、３原子数％以上３０原子数％以下の範囲内であることを特徴とする請求項８記載の負極。
【請求項１０】
前記負極活物質層は、その厚さ方向において、前記負極活物質がさらに鉄、コバルト、ニッケル、チタン、クロムおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも１種の金属元素を構成元素として有する金属元素含有層を有し、
前記金属元素含有層における金属元素の含有量は、それ以外の層における金属元素の含有量よりも高い
ことを特徴とする請求項１記載の負極。
【請求項１１】
前記負極活物質層は、気相法により形成されていることを特徴とする請求項１記載の負極。
【請求項１２】
さらに、前記負極活物質層を支持する負極集電体を有し、
前記負極活物質層と対向する前記負極集電体の表面は、電解処理で形成された微粒子によって粗面化されていることを特徴とする請求項１記載の負極。
【請求項１３】
前記負極集電体の表面の十点平均粗さＲｚは、１．５μｍ以上５μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１２記載の負極。
【請求項１４】
正極および負極と共に電解液を備えた電池であって、
前記負極は、
ケイ素を構成元素として有する負極活物質を含む負極活物質層と、
その負極活物質層を被覆すると共に３ｄ遷移金属元素（鉄、コバルトおよびニッケルからなる群のうちの少なくとも１種）の酸化物を含有する被覆層と
を有することを特徴とする電池。
【請求項１５】
前記酸化物は、Ｍx Ｏy （Ｍは鉄、コバルトあるいはニッケル、ｘは１〜３の整数、ｙは１〜４の整数である。）で表される化合物であることを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項１６】
前記酸化物は、酸化第一鉄、酸化第一コバルトあるいは酸化第一ニッケルであることを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項１７】
前記被覆層の厚さは、１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項１８】
前記負極活物質層は、多数回に渡って成膜されることにより形成された多層構造を有することを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項１９】
前記負極活物質は、さらに、酸素を構成元素として有し、
前記負極活物質中における酸素の含有量は、３原子数％以上４０原子数％以下の範囲内である
ことを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項２０】
前記負極活物質層は、その厚さ方向において、前記負極活物質がさらに酸素を構成元素として有する酸素含有層を有し、
前記酸素含有層における酸素の含有量は、それ以外の層における酸素の含有量よりも高い
ことを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項２１】
前記負極活物質は、さらに、鉄、コバルト、ニッケル、チタン、クロムおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも１種の金属元素を構成元素として有することを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項２２】
前記負極活物質中における金属元素の含有量は、３原子数％以上３０原子数％以下の範囲内であることを特徴とする請求項２１記載の電池。
【請求項２３】
前記負極活物質層は、その厚さ方向において、前記負極活物質がさらに鉄、コバルト、ニッケル、チタン、クロムおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも１種の金属元素を構成元素として有する金属元素含有層を有し、
前記金属元素含有層における金属元素の含有量は、それ以外の層における金属元素の含有量よりも高い
ことを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項２４】
前記負極活物質層は、気相法により形成されていることを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項２５】
前記負極は、さらに、前記負極活物質層を支持する負極集電体を有し、
前記負極活物質層と対向する前記負極集電体の表面は、電解処理で形成された微粒子によって粗面化されていることを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項２６】
前記負極集電体の表面の十点平均粗さＲｚは、１．５μｍ以上５μｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項２５記載の電池。
【請求項２７】
前記電解液は、スルトンを含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項２８】
前記スルトンは、１，３−プロペンスルトンであることを特徴とする請求項２７記載の電池。
【請求項２９】
前記電解液は、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項３０】
前記不飽和結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニレンあるいは炭酸ビニルエチレンであることを特徴とする請求項２９記載の電池。
【請求項３１】
前記電解液は、フッ素化炭酸エステルを含有する溶媒を含むことを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項３２】
前記フッ素化炭酸エステルは、炭酸ジフルオロエチレンであることを特徴とする請求項３１記載の電池。
【請求項３３】
前記電解液は、ホウ素（Ｂ）およびフッ素（Ｆ）を構成元素として有する電解質塩を含むことを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項３４】
前記電解質塩は、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4 ）であることを特徴とする請求項３３記載の電池。
【請求項３５】
前記正極、前記負極および前記電解液は、円筒型あるいは角型の外装部材の内部に収納されていることを特徴とする請求項１４記載の電池。
【請求項３６】
前記外装部材は、鉄あるいは鉄合金を含有することを特徴とする請求項３５記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負極活物質を含む負極活物質層を有する負極およびそれを備えた電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カメラ一体型ＶＴＲ（video tape recorder ）、携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、ポータブル電子機器の電源として、電池、特に軽量で高エネルギー密度が得られる二次電池の開発が進められている。
【０００３】
中でも、充放電反応にリチウムの吸蔵および放出を利用する二次電池（いわゆるリチウムイオン二次電池）は、鉛電池やニッケルカドミウム電池よりも大きな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】
このリチウムイオン二次電池は、負極活物質を含む負極活物質層が負極集電体に設けられた構成を有する負極を備えている。この負極活物質としては炭素材料が広く用いられているが、最近では、ポータブル電子機器の高性能化および多機能化に伴って電池容量のさらなる向上が求められていることから、炭素材料に代えてケイ素を用いることが検討されている。ケイ素の理論容量（４１９９ｍＡｈ／ｇ）は黒鉛の理論容量（３７２ｍＡｈ／ｇ）よりも格段に大きいため、電池容量の大幅な向上が期待されるからである。
【０００５】
負極活物質としてケイ素を用いたリチウムイオン二次電池については、二次電池の重要な特性であるサイクル特性を向上させるために、既にいくつかの技術が提案されている。具体的には、負極活物質粒子の表面に酸化物被膜あるいはポリマー被膜からなる酸化防止膜を設ける技術（例えば、特許文献１参照。）や、負極活物質にリチウムと反応しないセラミックを付着させる技術（例えば、特許文献２参照。）や、負極活物質に金属酸化物を添加あるいは混合する技術（例えば、特許文献３参照。）などが知られている。この他、関連技術として、リチウム含有複合窒化物あるいはリチウム含有複合酸化物の粒子を導電性微粉末で被覆する技術（例えば、特許文献４参照。）も知られている。
【特許文献１】特開２００４−１８５８１０号公報
【特許文献２】特開２０００−０３６３２３号公報
【特許文献３】特開２０００−１７３５８５号公報
【特許文献４】特開２００１−３２５９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
最近のポータブル電子機器は益々小型化、高性能化および多機能化する傾向にあるため、二次電池の充放電が頻繁に繰り返されることにより放電容量が低下しやすい傾向にある。このため、二次電池のサイクル特性に関してより一層の向上が望まれている。
【０００７】
しかしながら、従来の二次電池では、サイクル特性の向上に関して未だ改善の余地がある。具体的には、リチウムイオン二次電池において電池容量を向上させるために負極活物質としてケイ素を用いると、充放電が繰り返されることにより負極の表面にリチウム酸化物が形成される。この場合には、リチウム酸化物が非可逆性の被膜として堆積するため、充放電反応に寄与するリチウム（リチウムイオン）の絶対数が減少することにより放電容量の低下を招いてしまう。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、サイクル特性を向上させることが可能な負極および電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の負極は、ケイ素を構成元素として有する負極活物質を含む負極活物質層と、その負極活物質層を被覆すると共に３ｄ遷移金属元素（鉄、コバルトおよびニッケルからなる群のうちの少なくとも１種）の酸化物を含有する被覆層とを有するものである。また、本発明の電池は、正極および負極と共に電解液を備え、負極が、ケイ素を構成元素として有する負極活物質を含む負極活物質層と、その負極活物質層を被覆すると共に３ｄ遷移金属元素（鉄、コバルトおよびニッケルからなる群のうちの少なくとも１種）の酸化物を含有する被覆層とを有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の負極によれば、ケイ素を構成元素として有する負極活物質を含む負極活物質層と、その負極活物質層を被覆すると共に３ｄ遷移金属元素（鉄、コバルトおよびニッケルからなる群のうちの少なくとも１種）の酸化物を含有する被覆層とを有するので、電気化学デバイスに用いられた場合に電極反応物質を含む可逆性の被膜が形成され、その電極反応物質の絶対数の減少が抑制される。これにより、本発明の負極を備えた電池では、サイクル特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施の形態に係る負極の断面構成を表している。この負極は、例えば、正極と共に電池などの電気化学デバイスに用いられるものであり、対向する一対の面を有する負極集電体１と、その負極集電体１により支持された負極活物質層２と、その負極活物質層２を被覆する被覆層３とを有している。なお、図１では、負極活物質層２および被覆層３が負極集電体１の片面に設けられている場合を示しているが、それらは両面に設けられていてもよい。
【００１３】
負極集電体１は、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する金属材料により構成されている。この金属材料としては、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケルあるいはステンレスなどが挙げられる。中でも、金属材料としては、銅が好ましい。高い電気伝導性が得られるからである。
【００１４】
特に、負極集電体１を構成する金属材料としては、電極反応物質と金属間酸化物を形成しない１種あるいは２種以上の金属元素を含有するものが好ましい。電極反応物質と金属間酸化物を形成すると、電気化学デバイスの動作時（例えば、電池の充放電時）における負極活物質層２の膨張および収縮に伴って破損するため、集電性が低下すると共に負極活物質層２が剥離しやすくなるからである。この金属元素としては、例えば、銅、ニッケル、チタン、鉄あるいはクロムなどが挙げられる。
【００１５】
また、上記した金属材料としては、負極活物質層２と合金化する１種あるいは２種以上の金属元素を含有するものが好ましい。負極集電体１と負極活物質層２との間の密着性が向上するため、その負極活物質層２が負極集電体１から剥離しにくくなるからである。電極反応物質と金属間酸化物を形成せず、しかも負極活物質層２と合金化する金属元素としては、例えば、負極活物質層２の負極活物質がケイ素を構成元素として有する場合には、銅、ニッケルあるいは鉄などが挙げられる。これらの金属元素は、強度および導電性の観点からも好ましい。
【００１６】
なお、負極集電体１は、単層構造を有していてもよいし、多層構造を有していてもよい。負極集電体１が多層構造を有する場合には、例えば、負極活物質層２と隣接する層がそれと合金化する金属材料によって構成される一方で、隣接しない層が他の金属材料で構成されるのが好ましい。
【００１７】
この負極集電体１の表面は、粗面化されているのが好ましい。いわゆるアンカー効果によって負極集電体１と負極活物質層２との間の密着性が向上するからである。この場合には、少なくとも負極活物質層２と対向する負極集電体１の表面が粗面化されていればよい。粗面化の方法としては、例えば、電解処理によって微粒子を形成する方法などが挙げられる。この電解処理とは、電解槽中において電解法によって負極集電体１の表面に微粒子を形成することにより凹凸を設ける方法である。この電解処理が施された銅箔は、一般に「電解銅箔」と呼ばれている。
【００１８】
負極集電体１の表面が粗面化されている場合には、その表面の十点平均粗さＲｚが１．５μｍ以上５μｍ以下の範囲内であるのが好ましい。負極集電体１と負極活物質層２との間の密着性がより向上するからである。
【００１９】
負極活物質層２は、負極活物質を含んでおり、必要に応じて結着剤や導電剤などを含んでいてもよい。この負極活物質は、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極材料として、ケイ素を構成元素として有する負極材料を含有している。この負極材料を含有しているのは、電極反応物質を吸蔵および放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られるからである。この負極材料は、ケイ素の単体、合金あるいは化合物であってもよいし、それらの１種あるいは２種以上の相を少なくとも一部に有するものであってもよい。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてよい。なお、本発明における合金には、２種以上の金属元素からなるものに加えて、１種以上の金属元素と１種以上の半金属元素とを含むものも含まれる。もちろん、本発明における合金は、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には、固溶体、共晶（共融混合物）、金属間化合物あるいはそれらの２種以上が共存するものもある。
【００２０】
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、スズ（Ｓｎ）、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、銀（Ａｇ）、チタン、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）およびクロムからなる群のうちの少なくとも１種を有するものなどが挙げられる。
【００２１】
ケイ素の化合物としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、酸素および炭素（Ｃ）を有するものなどが挙げられる。なお、ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、ケイ素の合金について説明した一連の元素の１種あるいは２種以上を含んでいてもよい。
【００２２】
特に、負極活物質は、さらに、酸素を構成元素として有しているのが好ましい。負極活物質層２の膨張および収縮が抑制されるからである。この負極活物質層２では、少なくとも一部の酸素が一部のケイ素と結合しているのが好ましい。この場合には、結合の状態が一酸化ケイ素や二酸化ケイ素であってもよいし、他の準安定状態であってもよい。
【００２３】
負極活物質中における酸素の含有量は、３原子数％以上４０原子数％以下の範囲内であるのが好ましい。より高い効果が得られるからである。詳細には、酸素の含有量が３原子数％よりも少ないと、負極活物質層２の膨張および収縮が十分に抑制されず、一方、４０原子数％よりも多いと、抵抗が増大しすぎる。なお、例えば、負極が電池に用いられた場合には、電解液の分解によって形成される被膜などは負極活物質層２に含めないこととする。すなわち、負極活物質層２中における酸素の含有量を算出する場合には、上記した被膜中の酸素は含めない。
【００２４】
負極活物質が酸素を構成元素として有する負極活物質層２は、例えば、気相法を用いて負極活物質を堆積させる際に、チャンバ内に連続的に酸素ガスを導入することにより形成可能である。特に、酸素ガスを導入しただけでは所望の酸素含有量が得られない場合には、チャンバ内に酸素の供給源として液体（例えば水蒸気など）を導入してもよい。
【００２５】
また、負極活物質は、さらに、鉄、コバルト、ニッケル、チタン、クロムおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも１種の金属元素を有しているのが好ましい。負極活物質層２の膨張および収縮が抑制されるからである。
【００２６】
負極活物質中における金属元素の含有量は、３原子数％以上３０原子数％以下の範囲内であるのが好ましい。より高い効果が得られるからである。詳細には、金属元素の含有量が３原子数％よりも少ないと、負極活物質層２の膨張および収縮が十分に抑制されず、一方、３０原子数％よりも多いと、所望の電池容量を得るために負極活物質層２の厚さが大きくなりすぎて実用的でない。負極活物質層２の厚さが大きくなりすぎると実用的でないのは、負極活物質層２が負極集電体１から剥がれたり、割れやすくなるからである。
【００２７】
負極活物質が金属元素を構成元素として有する負極活物質層２は、例えば、気相法として蒸着法を用いて負極活物質を堆積させる際に、金属元素を混合させた蒸着源を用いたり、多元系の蒸着源を用いることにより形成可能である。
【００２８】
この負極活物質層２は、例えば、塗布法、気相法、液相法、溶射法、焼成法あるいはそれらの２種以上の方法を用いて形成されている。この場合には、特に、気相法を用いて負極活物質層２が形成されており、その負極活物質層２が負極集電体１との界面の少なくとも一部において合金化しているのが好ましい。具体的には、両者の界面において、負極集電体１の構成元素が負極活物質層２に拡散していてもよいし、負極活物質層２の構成元素が負極集電体１に拡散していてもよいし、両者の構成元素が互いに拡散しあっていてもよい。充放電時の膨張および収縮に起因して負極活物質層２が破損しにくくなると共に、負極集電体１と負極活物質層２との間において電子伝導性が向上するからである。
【００２９】
なお、気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法、より具体的には真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、熱化学気相成長（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition ）法あるいはプラズマ化学気相成長法などが挙げられる。液相法としては、電気鍍金あるいは無電解鍍金などの公知の手法を用いることが可能である。焼成法とは、例えば、粒子状の負極活物質と結着剤などとを混合して溶剤に分散させることにより塗布したのち、結着剤などの融点よりも高い温度で熱処理する方法である。焼成法に関しても公知の手法が使用可能であり、例えば、雰囲気焼成法、反応焼成法あるいはホットプレス焼成法などが挙げられる。
【００３０】
負極活物質層２は、多数回に渡って成膜されることにより形成された多層構造を有しているのが好ましい。成膜時に高熱を伴う蒸着法などを用いて負極活物質層２を形成する場合に、その負極活物質層２の成膜工程を多数回に分割して行う（負極活物質層２を順次形成して積層させる）ことにより、１回の成膜工程で単層構造となるように負極活物質層２を形成する場合と比較して、負極集電体１が高熱に晒される時間が短くなるため、その負極集電体１が熱的ダメージを受けることが抑制されるからである。
【００３１】
特に、負極活物質層２は、その厚さ方向において、負極活物質がさらに酸素を構成元素として有する酸素含有層を有し、その酸素含有層における酸素の含有量がそれ以外の層における酸素の含有量よりも高くなっているのが好ましい。負極活物質層２の膨張および収縮が抑制されるからである。この酸素含有層以外の層は、酸素を構成元素として有していてもよいし、有していなくてもよい。もちろん、酸素含有層以外の層も酸素を構成元素として有している場合に、その酸素の含有量が酸素含有層における酸素の含有量よりも低くなっていることは言うまでもない。
【００３２】
この場合には、負極活物質層２の膨張および収縮をより抑制するために、酸素含有層以外の層も酸素を構成元素として有しており、すなわち負極活物質層２が、第１の酸素含有層（より低い酸素含有量を有する層）と、それよりも高い酸素含有量を有する第２の酸素含有層（より高い酸素含有量を有する層）とを含んでいるのが好ましい。特に、第１の酸素含有層により第２の酸素含有層が挟まれているのが好ましく、第１の酸素含有層と第２の酸素含有層とが交互に繰り返して積層されているのがより好ましい。より高い効果が得られるからである。第１の酸素含有層における酸素の含有量は、できるだけ少ないのが好ましく、第２の酸素含有層における酸素の含有量は、例えば、上記した負極活物質が酸素を構成元素として有する場合の含有量と同様である。
【００３３】
第１の酸素含有層および第２の酸素含有層を含む負極活物質層２は、例えば、気相法を用いて負極活物質を堆積させる際に、チャンバ内に断続的に酸素ガスを導入することにより形成可能である。もちろん、酸素ガスを導入しただけでは所望の酸素含有量が得られない場合には、チャンバ内に液体（例えば水蒸気など）を導入してもよい。
【００３４】
なお、第１の酸素含有層と第２の酸素含有層との間では、酸素の含有量が明確に異なっていてもよいし、明確に異なっていなくてもよい。すなわち、上記した酸素ガスの導入量を連続的に変化させた場合には、酸素の含有量も連続的に変化していてもよい。この場合には、第１の酸素含有層および第２の酸素含有層が「層」というよりもむしろ「層状」をなし、負極活物質層２中では厚さ方向において酸素の含有量が高低を繰り返しながら分布する。特に、第１の酸素含有層と第２の酸素含有層との間において、酸素の含有量が段階的あるいは連続的に変化しているのが好ましい。酸素の含有量が急激に変化すると、イオンの拡散性が低下したり、抵抗が増大する可能性があるからである。
【００３５】
また、負極活物質層２は、その厚さ方向において、負極活物質がさらに鉄、コバルト、ニッケル、チタン、クロムおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも１種の金属元素を構成元素として有する金属元素含有層を有し、その金属元素含有層における金属元素の含有量がそれ以外の層における金属元素の含有量よりも高くなっているのが好ましい。負極活物質層２の膨張および収縮が抑制されるからである。この金属元素含有層以外の層は、同様の金属元素を構成元素として有していてもよいし、有していなくてもよい。もちろん、金属元素含有層以外の層も金属元素を構成元素として有している場合に、その金属元素の含有量が金属元素含有量における金属元素の含有量よりも低くなっていることは言うまでもない。
【００３６】
この場合には、負極活物質層２の膨張および収縮をより抑制するために、金属元素含有層以外の層も金属元素を構成元素として有しており、すなわち負極活物質層２が、第１の金属元素含有層（より低い金属元素含有量を有する層）と、それよりも高い金属元素含有量を有する第２の金属元素含有層（より高い金属元素含有量を有する層）とを含んでいるのが好ましい。この場合には、第１の金属元素含有層により第２の金属元素含有層が挟まれているのが好ましく、第１の金属元素含有層と第２の金属元素含有層とが交互に繰り返して積層されているのがより好ましい。より高い効果が得られるからである。第１の金属元素含有層における金属元素の含有量は、できるだけ少ないのが好ましく、第２の金属元素含有層における金属元素の含有量は、例えば、上記した負極活物質が金属元素を構成元素として有する場合の含有量と同様である。
【００３７】
第１の金属元素含有層および第２の金属元素含有層を含む負極活物質層２は、例えば、両者の層を個別に形成することが可能な２種類のチャンバ（蒸着源）を用意し、そのチャンバ内において両者の層を交互に形成して積層させることにより形成可能である。
【００３８】
被覆層３は、３ｄ遷移金属元素の酸化物を含有している。この３ｄ遷移金属元素とは、鉄、コバルトおよびニッケルからなる群のうちの少なくとも１種である。この酸化物は、例えば、Ｍx Ｏy （Ｍは鉄、コバルトあるいはニッケル、ｘは１〜３の整数、ｙは１〜４の整数である。）で表される化合物である。この被覆層３によって負極活物質層２が被覆されているのは、負極が電気化学デバイスに用いられた場合に、その負極の表面に電極反応物質を含む可逆性の被膜が形成されるため、その電極反応物質の絶対数の減少が抑制されるからである。
【００３９】
この酸化物の具体例としては、以下の化合物が挙げられる。すなわち、Ｍが鉄である場合は、酸化第一鉄（ＦｅＯ）、酸化第二鉄（三酸化二鉄：Ｆｅ2 Ｏ3 ）あるいは酸化第三鉄（四酸化三鉄：Ｆｅ3 Ｏ4 ）などである。Ｍがコバルトである場合は、酸化第一コバルト（ＣｏＯ）あるいは酸化第三コバルト（四酸化三コバルト：Ｃｏ3 Ｏ4 ）などである。Ｍがニッケルである場合は、酸化第一ニッケル（ＮｉＯ）などである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、酸化物としては、酸化第一鉄、酸化第一コバルトあるいは酸化第一ニッケルが好ましい。より高い効果が得られるからである。
【００４０】
被覆層３の厚さは、１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の範囲内であるのが好ましい。より高い効果が得られるからである。
【００４１】
この負極は、例えば、以下の手順によって製造される。すなわち、まず、負極集電体１を準備し、必要に応じて負極集電体１の表面に粗面化処理を施したのち、その負極集電体１の表面に気相法などを用いてケイ素を構成元素として有する負極活物質を堆積させることにより、負極活物質層２を形成する。こののち、負極活物質層２の表面に気相法などを用いて３ｄ遷移金属元素の酸化物を堆積させることにより、被覆層３を形成する。
【００４２】
この負極によれば、負極活物質層２がケイ素を構成元素として有する負極活物質を含む場合に、その負極活物質層２が３ｄ遷移金属元素の酸化物を含有する被覆層３によって被覆されているので、電気化学デバイスに用いられた場合に電極反応物質を含む可逆性の被膜が形成される。この場合には、電極反応が繰り返されることにより被膜の形成および分解が反復的に行われるため、電極反応物質の絶対数の減少が抑制される。したがって、負極を用いた電気化学デバイスにおけるサイクル特性の向上に寄与することができる。特に、被覆層３を構成する３ｄ遷移金属元素の酸化物が酸化第一鉄、酸化第一コバルトあるいは酸化第一ニッケルであり、または被覆層３の厚さが１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の範囲内であれば、より高い効果を得ることができる。
【００４３】
また、負極活物質がさらに酸素を構成元素として有し、負極活物質中における酸素の含有量が３原子数％以上４０原子数％以下の範囲内であれば、より高い効果を得ることができる。この効果は、負極活物質層２がその厚さ方向において酸素含有層（負極活物質がさらに酸素を構成元素として有し、酸素の含有量がそれ以外の層よりも高い層）を含んでいる場合においても、同様に得られる。
【００４４】
また、負極活物質がさらに鉄、コバルト、ニッケル、チタン、クロムおよびモリブデンからなる群のうちの少なくとも１種の金属元素を構成元素として有し、負極活物質中における金属元素の含有量が３原子数％以上３０原子数％以下の範囲内であれば、より高い効果を得ることができる。この効果は、負極活物質層２がその厚さ方向において金属元素含有層（負極活物質がさらに上記した金属元素を構成元素として有し、金属元素の含有量がそれ以外の層よりも高い層）を含んでいる場合においても、同様に得られる。
【００４５】
さらに、負極活物質層２と対向する負極集電体１の表面が電解処理で形成された微粒子によって粗面化されていれば、負極集電体１と負極活物質層２との間の密着性を高めることができる。この場合には、負極集電体１の表面の十点平均粗さＲｚが１．５μｍ以上５μｍ以下の範囲内であれば、より高い効果を得ることができる。
【００４６】
ここで、本発明の技術的意義について説明しておく。本発明の技術的意義は、負極活物質層２がケイ素を構成元素として有する負極活物質を含む場合に、その負極活物質層２の表面に電極反応物質と可逆性の被膜を形成することが可能な３ｄ遷移金属元素の酸化物を被覆層３として設けたことにある。より具体的には、さまざまな目的で負極活物質層２の表面に各種層を設けることは既に行われているが、その負極活物質層２の表面に設けられた多くの層が電極反応物質と非可逆性の被膜を形成するのに対して、３ｄ遷移金属元素の酸化物を含有する層だけが電極反応物質と可逆性の被膜を形成することを見出したことが重要であり、それによって多大な技術的効果をもたらす。
【００４７】
次に、上記した負極の使用例について説明する。ここで、電気化学デバイスの一例として電池を例に挙げると、負極は以下のようにして電池に用いられる。
【００４８】
（第１の電池）
図２〜図４は第１の電池の断面構成を表しており、図３では図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示し、図４では図２および図３に示した負極２２の一部を拡大して示している。ここで説明する電池は、例えば、負極２２の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分により表されるリチウムイオン二次電池である。
【００４９】
この二次電池は、電池缶１１の内部に、扁平な巻回構造を有する電池素子２０が収納されたものである。
【００５０】
電池缶１１は、例えば、角型の外装部材である。この角型の外装部材とは、図３に示したように、長手方向における断面が矩形型あるいは略矩形型（一部に曲線を含む）の形状を有するものであり、矩形状の角型電池だけでなくオーバル形状の角型電池も構成するものである。すなわち、角型の外装部材とは、矩形状あるいは円弧を直線で結んだ略矩形状（長円形状）の開口部を有する有底矩形型あるいは有底長円形状型の器状部材である。図３では、電池缶１１が矩形型の断面形状を有する場合を示している。この電池缶１１を含む電池構造は、いわゆる角型と呼ばれている。
【００５１】
この電池缶１１は、例えば、鉄、アルミニウム（Ａｌ）あるいはそれらの合金を含有する金属材料により構成されており、負極端子としての機能も有している。この場合には、充放電時に電池缶１１の固さ（変形しにくさ）を利用して二次電池の膨れを抑えるために、アルミニウムよりも固い鉄が好ましい。電池缶１１が鉄によって構成される場合には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）などのめっきが施されていてもよい。
【００５２】
また、電池缶１１は、一端部および他端部がそれぞれ閉鎖および開放された中空構造を有しており、その開放端部に絶縁板１２および電池蓋１３が取り付けられることにより密閉されている。絶縁板１２は、電池素子２０と電池蓋１３との間に、その電池素子２０の巻回周面に対して垂直に配置されており、例えば、ポリプロピレンなどにより構成されている。電池蓋１３は、例えば、電池缶１１と同様の材料により構成されており、それと同様に負極端子としての機能も有している。
【００５３】
電池蓋１３の外側には、正極端子となる端子板１４が設けられており、その端子板１４は、絶縁ケース１６を介して電池蓋１３から電気的に絶縁されている。この絶縁ケース１６は、例えば、ポリブチレンテレフタレートなどにより構成されている。また、電池蓋１３のほぼ中央には貫通孔が設けられており、その貫通孔には、端子板１４と電気的に接続されると共にガスケット１７を介して電池蓋１３から電気的に絶縁されるように正極ピン１５が挿入されている。このガスケット１７は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。
【００５４】
電池蓋１３の周縁付近には、開裂弁１８および注入孔１９が設けられている。開裂弁１８は、電池蓋１３と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などに起因して電池の内圧が一定以上となった場合に、電池蓋１３から切り離されることにより内圧を開放するようになっている。注入孔１９は、例えば、ステンレス鋼球からなる封止部材１９Ａによって塞がれている。
【００５５】
電池素子２０は、セパレータ２３を介して正極２１および負極２２が積層されたのちに渦巻き状に巻回されたものであり、電池缶１１の形状に応じて扁平状になっている。正極２１の端部（例えば内終端部）にはアルミニウムなどにより構成された正極リード２４が取り付けられており、負極２２の端部（例えば外終端部）にはニッケルなどにより構成された負極リード２５が取り付けられている。正極リード２４は、正極ピン１５の一端に溶接されることにより端子板１４と電気的に接続されており、負極リード２５は、電池缶１１に溶接されることにより電気的に接続されている。
【００５６】
正極２１は、例えば、帯状の正極集電体２１Ａの両面に正極活物質層２１Ｂが設けられたものである。この正極集電体２１Ａは、例えば、アルミニウム、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料により構成されている。正極活物質層２１Ｂは、正極活物質を含んでおり、必要に応じて結着剤や導電剤などを含んでいてもよい。
【００５７】
正極活物質は、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料のいずれか１種あるいは２種以上を含んでいる。この正極材料としては、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムあるいはそれらを含む固溶体（Ｌｉ（Ｎｉx Ｃｏy Ｍｎz ）Ｏ2 ；ｘ、ｙおよびｚの値はそれぞれ０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。）や、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ2 Ｏ4 ）あるいはその固溶体（Ｌｉ（Ｍｎ2-v Ｎｉv ）Ｏ4 ；ｖの値はｖ＜２である。）などのリチウム複合酸化物が挙げられる。また、正極材料としては、例えば、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ4 ）などのオリビン構造を有するリン酸化合物も挙げられる。高いエネルギー密度が得られるからである。なお、正極材料は、上記した他、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物や、二硫化鉄、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物や、硫黄や、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子であってもよい。
【００５８】
負極２２は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、帯状の負極集電体２２Ａの両面に負極活物質層２２Ｂおよび被覆層２２Ｃが設けられたものである。負極集電体２２Ａ、負極活物質層２２Ｂおよび被覆層２２Ｃの構成は、それぞれ上記した負極における負極集電体１、負極活物質層２および被覆層３の構成と同様である。なお、図３では、被覆層２２Ｃの図示を省略している。
【００５９】
セパレータ２３は、正極２１と負極２２とを隔離し、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながら電極反応物質のイオンを通過させるものである。このセパレータ２３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂からなる多孔質膜や、セラミックからなる多孔質膜などにより構成されており、これらの２種以上の多孔質膜が積層されたものであってもよい。
【００６０】
このセパレータ２３には、液状の電解質として電解液が含浸されている。この電解液は、溶媒と、それに溶解された電解質塩とを含んでいる。
【００６１】
溶媒は、例えば、有機溶剤などの非水溶媒の１種あるいは２種以上を含有している。この非水溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ビニレン、炭酸ビニルエチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸メチルプロピルなどの炭酸エステル系溶媒が挙げられる。優れた容量特性、保存特性およびサイクル特性が得られるからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、溶媒としては、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高粘度溶媒と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒とを混合したものが好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するため、より高い効果が得られるからである。
【００６２】
特に、溶媒は、ハロゲン化炭酸エステルを含有しているのが好ましい。負極２２の表面に安定な被膜が形成されることにより電解液の分解反応が抑制されるため、サイクル特性が向上するからである。このハロゲン化炭酸エステルとしては、フッ素化炭酸エステルが好ましく、特に炭酸ジフルオロエチレンが好ましい。より高い効果が得られるからである。この炭酸ジフルオロエチレンとしては、例えば、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。
【００６３】
また、溶媒は、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有しているのが好ましい。サイクル特性が向上するからである。この不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸ビニレンあるいは炭酸ビニルエチレンなどが挙げられる。
【００６４】
さらに、溶媒は、スルトンを含有しているのが好ましい。サイクル特性が向上すると共に、二次電池の膨れが抑制されるからである。このスルトンとしては、例えば、１，３−プロペンスルトンなどが挙げられる。
【００６５】
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩の１種あるいは２種以上を含んでいる。このリチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6 ）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4 ）あるいは六フッ化ヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ6 ）などが挙げられる。優れた容量特性、保存特性およびサイクル特性が得られるからである。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、電解質塩としては、六フッ化リン酸リチウムが好ましい。内部抵抗が低下するため、より高い効果が得られるからである。
【００６６】
特に、電解質塩は、ホウ素およびフッ素を構成元素として有する化合物を含んでいるのが好ましい。サイクル特性が向上するからである。このホウ素およびフッ素を構成元素として有する化合物としては、例えば、四フッ化ホウ酸リチウムなどが挙げられる。
【００６７】
溶媒中における電解質塩の含有量は、例えば、０．３ｍｏｌ／ｋｇ以上３．０ｍｏｌ／ｋｇ以下の範囲内である。優れた容量特性が得られるからである。
【００６８】
この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。
【００６９】
まず、正極２１を作製する。すなわち、正極活物質と、結着剤と、導電剤とを混合して正極合剤としたのちに有機溶剤に分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、ドクタブレードあるいはバーコータなどを用いて正極集電体２１Ａの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させる。最後に、必要に応じて加熱しながらロールプレス機などを用いて圧縮成型することにより、正極活物質層２１Ｂを形成する。この場合には、圧縮成型を複数回に渡って繰り返してもよい。
【００７０】
また、負極２２を作製する。すなわち、上記した負極の作製手順と同様の手順により、負極集電体２２Ａの両面に負極活物質層２２Ｂを形成したのち、その負極活物質層２２Ｂを被覆するように被覆層２２Ｃを形成する。
【００７１】
次に、電池素子２０を作製する。すなわち、溶接などにより正極集電体２１Ａおよび負極集電体２２Ａにそれぞれ正極リード２４および負極リード２５を取り付ける。続いて、セパレータ２３を介して正極２１および負極２２を積層させたのち、長手方向において渦巻状に巻回させる。最後に、扁平な形状となるように成形することにより、電池素子２０を形成する。
【００７２】
最後に、二次電池を組み立てる。すなわち、電池缶１１の内部に電池素子２０を収納したのち、その電池素子２０上に絶縁板１２を配置する。続いて、溶接などにより正極リード２４および負極リード２５をそれぞれ正極ピン１５および電池缶１１に接続させたのち、レーザ溶接などにより電池缶１１の開放端部に電池蓋１３を固定する。最後に、注入孔１９から電池缶１１の内部に電解液を注入してセパレータ２３に含浸させたのち、その注入孔１９を封止部材１９Ａで塞ぐ。これにより、図２〜図４に示した二次電池が完成する。
【００７３】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極２１からリチウムイオンが放出され、セパレータ２３に含浸された電解液を経由して負極２２に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極２２からリチウムイオンが放出され、セパレータ２３に含浸された電解液を経由して正極２１に吸蔵される。
【００７４】
この角型の二次電池によれば、負極活物質層２２Ｂがケイ素を構成元素として有する負極活物質を含む場合に、その負極活物質層２２Ｂが３ｄ遷移金属元素の酸化物を含有する被覆層２２Ｃによって被覆されているので、充放電時において負極２２の表面にリチウムの酸化物からなる可逆性の被膜が形成される。より具体的には、例えば、被覆層２２Ｃが酸化第一コバルト（ＣｏＯ）により構成されている場合には、負極２２の表面近傍において下記の化１に示した可逆的な反応が生じるため、被膜（Ｌｉ2 Ｏ）の形成および分解を繰り返しながら正極２１と負極２２との間でリチウムイオンが反復的に往来する。この化１では、左辺が放電状態および右辺が充電状態をそれぞれ表している。これにより、電極反応物質であるリチウムが負極２２において吸蔵および放出されやすくなり、そのリチウムの絶対数の減少が抑制される。したがって、サイクル特性を向上させることができる。この場合には、負極活物質が高容量化に有利なケイ素を構成元素として含む場合にサイクル特性が向上するため、炭素材料などの他の負極材料を含む場合よりも高い効果を得ることができる。
【００７５】
【化１】
2008153078.tif 000003
【００７６】
特に、電解液の溶媒がフッ素化炭酸エステルを含有し、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有し、あるいはスルトンを含有すれば、より高い効果を得ることができる。このスルトンを含有する場合には、膨れ特性を改善することもできる。また、電解液の電解質塩がホウ素およびフッ素を構成元素として有する化合物を含有すれば、より高い効果を得ることができる。
【００７７】
また、正極２１、負極２２および電解液が電池缶１１の内部に収納されていれば、膨れ特性をより改善することができる。この場合には、二次電池の電池構造が角型であれば、充放電時に膨れが顕在化しやすいため、著しい効果を得ることができる。しかも、電池缶１１がアルミニウムよりも固い鉄や鉄合金などにより構成されていれば、より高い効果を得ることができる。
【００７８】
なお、二次電池に関する他の効果は、上記した負極と同様である。
【００７９】
（第２の電池）
図５および図６は第２の電池の断面構成を表しており、図６は図５に示した巻回電極体４０の一部を拡大して示している。この電池は、例えば、上記した第１の電池と同様にリチウムイオン二次電池であり、ほぼ中空円柱状の電池缶３１の内部に、正極４１および負極４２がセパレータ４３を介して巻回された巻回電極体４０と、一対の絶縁板３２，３３とが収納されたものである。この電池缶３１を含む電池構造は、いわゆる円筒型と呼ばれている。
【００８０】
電池缶３１は、例えば、上記した第１の電池における電池缶１１と同様の金属材料により構成されており、その一端部および他端部はそれぞれ閉鎖および開放されている。一対の絶縁板３２，３３は、巻回電極体４０を挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。
【００８１】
電池缶３１の開放端部には、電池蓋３４と、その内側に設けられた安全弁機構３５および熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient：ＰＴＣ素子）３６とがガスケット３７を介してかしめられることにより取り付けられている。これにより、電池缶３１の内部は密閉されている。電池蓋３４は、例えば、電池缶３１と同様の材料により構成されている。安全弁機構３５は、熱感抵抗素子３６を介して電池蓋３４と電気的に接続されている。この安全弁機構３５では、内部短絡あるいは外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上となった場合に、ディスク板３５Ａが反転することにより電池蓋３４と巻回電極体４０との間の電気的接続が切断されるようになっている。熱感抵抗素子３６は、温度の上昇に応じて抵抗が増大することにより電流を制限し、大電流に起因する異常な発熱を防止するものである。ガスケット３７は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。
【００８２】
巻回電極体４０の中心には、例えば、センターピン４４が挿入されている。この巻回電極体４０では、アルミニウムなどにより構成された正極リード４５が正極４１に接続されており、ニッケルなどにより構成された負極リード４６が負極４２に接続されている。正極リード４５は、安全弁機構３５に溶接されることにより電池蓋３４と電気的に接続されており、負極リード４６は、電池缶３１に溶接されることにより電気的に接続されている。
【００８３】
正極４１は、例えば、帯状の正極集電体４１Ａの両面に正極活物質層４１Ｂが設けられたものである。負極４２は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、帯状の負極集電体４２Ａの両面に負極活物質層４２Ｂおよび被覆層４２Ｃが設けられたものである。正極集電体４１Ａ、正極活物質層４１Ｂ、負極集電体４２Ａ、負極活物質層４２Ｂ、被覆層４２Ｃおよびセパレータ４３の構成、ならびに電解液の組成は、それぞれ上記した第１の電池における正極集電体２１Ａ、正極活物質層２１Ｂ、負極集電体２２Ａ、負極活物質層２２Ｂ、被覆層２２Ｃおよびセパレータ２３の構成、ならびに電解液の組成と同様である。
【００８４】
この二次電池は、例えば、以下のようにして製造される。
【００８５】
まず、例えば、上記した第１の電池における正極２１および負極２２の作製手順と同様の手順により、正極集電体４１Ａの両面に正極活物質層４１Ｂが設けられた正極４１を作製すると共に、負極集電体４２Ａの両面に負極活物質層４２Ｂおよび被覆層４２Ｃが設けられた負極４２を作製する。続いて、正極４１に正極リード４５を取り付けると共に、負極４２に負極リード４６を取り付ける。続いて、正極４１および負極４２をセパレータ４３を介して巻回させることにより巻回電極体４０を形成し、正極リード４５の先端部を安全弁機構３５に溶接すると共に負極リード４６の先端部を電池缶３１に溶接したのち、巻回電極体４０を一対の絶縁板３２，３３で挟みながら電池缶３１の内部に収納する。続いて、電池缶３１の内部に電解液を注入してセパレータ４３に含浸させる。最後に、電池缶３１の開口端部に電池蓋３４、安全弁機構３５および熱感抵抗素子３６をガスケット３７を介してかしめることにより固定する。これにより、図５および図６に示した二次電池が完成する。
【００８６】
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極４１からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極４２に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極４２からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極４１に吸蔵される。
【００８７】
この円筒型の二次電池によれば、負極活物質層４２Ｂがケイ素を構成元素として有する負極活物質を含む場合に、その負極活物質層４２Ｂが３ｄ遷移金属元素の酸化物を含有する被覆層４２Ｃによって被覆されているので、サイクル特性を向上させることができる。この二次電池に関する上記以外の効果は、第１の電池と同様である。
【００８８】
（第３の電池）
図７は第３の電池の分解斜視構成を表しており、図８は図７に示したＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面を拡大して示し、図９は図８に示した負極５４の一部を拡大して示している。この電池は、正極リード５１および負極リード５２が取り付けられた巻回電極体５０がフィルム状の外装部材６０の内部に収納されたものである。この外装部材６０を含む電池構造は、いわゆるラミネートフィルム型と呼ばれている。
【００８９】
正極リード５１および負極リード５２は、例えば、いずれも外装部材６０の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極リード５１は、例えば、アルミニウムなどの金属材料により構成されており、負極リード５２は、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料により構成されている。これらは、例えば、薄板状あるいは網目状の構造を有している。
【００９０】
外装部材６０は、例えば、ナイロンフィルム、アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムがこの順に貼り合わされたアルミラミネートフィルムにより構成されている。この外装部材６４０は、例えば、ポリエチレンフィルムが巻回電極体５０と対向するように、２枚の矩形型のアルミラミネートフィルムの外縁部同士が融着あるいは接着剤によって互いに接着された構造を有している。
【００９１】
外装部材６０と正極リード５１および負極リード５２との間には、外気の侵入を防止するために密着フィルム６１が挿入されている。この密着フィルム６１は、正極リード５１および負極リード５２に対して密着性を有する材料により構成されている。この種の材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。
【００９２】
なお、外装部材６０は、上記したアルミラミネートフィルムに代えて、他の積層構造を有するラミネートフィルムにより構成されていてもよいし、ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成されていてもよい。
【００９３】
電極巻回体５０は、正極５３および負極５４がセパレータ５５および電解質５６を介して積層されたのちに巻回されたものであり、その最外周部は保護テープ５７により保護されている。
【００９４】
正極５３は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体５３Ａの両面に正極活物質層５３Ｂが設けられたものである。負極５４は、上記した負極と同様の構成を有しており、例えば、帯状の負極集電体５４Ａの両面に負極活物質層５４Ｂおよび被覆層５４Ｃが設けられたものである。正極集電体５３Ａ、正極活物質層５３Ｂ、負極集電体５４Ａ、負極活物質層５４Ｂ、被覆層５４Ｃおよびセパレータ５５の構成は、それぞれ上記した第１の電池における正極集電体２１Ａ、正極活物質層２１Ｂ、負極集電体２２Ａ、負極活物質層２２Ｂ、被覆層２２Ｃおよびセパレータ２３の構成と同様である。なお、図８では、被覆層５４Ｃの図示を省略している。
【００９５】
電解質５６は、電解液と、それを保持する高分子化合物とを含んでおり、いわゆるゲル状の電解質である。ゲル状の電解質は、高いイオン伝導率（例えば室温で１ｍＳ／ｃｍ以上）が得られると共に漏液が防止されるので好ましい。この電解質５６は、例えば、正極５３とセパレータ５５との間および負極５４とセパレータ５５との間に設けられている。
【００９６】
高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンとポリヘキサフルオロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンあるいはポリカーボネートなどが挙げられる。これらは単独で用いられてもよいし、複数種が混合されて用いられてもよい。中でも、高分子化合物としては、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドが好ましい。電気化学的に安定化するからである。
【００９７】
電解液の組成は、第１の電池における電解液の組成と同様である。ただし、この場合の溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。したがって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。
【００９８】
なお、電解液を高分子化合物に保持させた電解質５６に代えて、電解液がそのまま用いられてもよい。この場合には、電解液がセパレータ５５に含浸される。
【００９９】
このゲル状の電解質５６を備えた電池は、例えば、以下のようにして製造される。
【０１００】
まず、上記した第１の電池における正極２１および負極２２の作製手順と同様の手順により、正極集電体５３Ａの両面に正極活物質層５３Ｂが設けられた正極５３を作製すると共に、負極集電体５４Ａの両面に負極活物質層５４Ｂおよび被覆層５４Ｃが設けられた負極５４を作製する。続いて、電解液と、高分子化合物と、溶剤とを含む前駆溶液を調製し、正極５３および負極５４のそれぞれに塗布したのちに溶剤を揮発させることにより、ゲル状の電解質５６を形成する。続いて、正極集電体５３Ａに正極リード５１を取り付けると共に、負極集電体５４Ａに負極リード５２を取り付ける。続いて、電解質５６が形成された正極５３および負極５４をセパレータ５５を介して積層させたのち、長手方向に巻回させると共に最外周部に保護テープ５７を接着させることにより、巻回電極体５０を形成する。続いて、例えば、外装部材６０の間に巻回電極体５０を挟み込み、その外装部材６０の外縁部同士を熱融着などで密着させることにより巻回電極体５０を封入する。その際、正極リード５１および負極リード３５と外装部材６０との間に、密着フィルム６１を挿入する。これにより、図７〜図９に示した二次電池が完成する。
【０１０１】
なお、上記した電池は、以下のようにして製造されてもよい。まず、正極５３および負極５４にそれぞれ正極リード５１および負極リード５２を取り付けたのち、それらの正極５３および負極５４をセパレータ５５を介して積層および巻回させると共に最外周部に保護テープ５７を接着させることにより、巻回電極体５０の前駆体である巻回体を形成する。続いて、外装部材６０の間に巻回体を挟み込み、一辺の外周縁部を除く残りの外周縁部を熱融着などで密着させることにより、袋状の外装部材６０の内部に収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を調製し、袋状の外装部材６０の内部に注入したのち、外装部材６０の開口部を熱融着などで密封する。最後に、モノマーを熱重合させて高分子化合物とすることにより、ゲル状の電解質５６を形成する。これにより、図７〜図９に示した二次電池が完成する。
【０１０２】
このラミネートフィルム型の二次電池によれば、負極活物質層５４Ｂがケイ素を構成元素として有する負極活物質を含む場合に、その負極活物質層５４Ｂが３ｄ遷移金属元素の酸化物を含有する被覆層５４Ｃによって被覆されているので、サイクル特性を向上させることができる。この二次電池に関する上記以外の効果は、第１の電池と同様である。
【実施例】
【０１０３】
本発明の実施例について詳細に説明する。
【０１０４】
（実施例１−１）
以下の手順により、図７〜図９に示したラミネートフィルム型の二次電池を製造した。この際、負極５４の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分により表されるリチウムイオン二次電池となるようにした。
【０１０５】
まず、正極５３を作製した。すなわち、炭酸リチウム（Ｌｉ2 ＣＯ3 ）と炭酸コバルト（ＣｏＣＯ3 ）とを０．５：１のモル比で混合したのち、空気中において９００℃で５時間焼成することにより、リチウム・コバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ2 ）を得た。続いて、正極活物質としてリチウム・コバルト複合酸化物９１質量部と、導電剤としてグラファイト６質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン３質量部とを混合して正極合剤としたのち、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散させることにより、ペースト状の正極合剤スラリーとした。最後に、帯状のアルミニウム箔（厚さ＝１２μｍ）からなる正極集電体５３Ａの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機で圧縮成型することにより、正極活物質層５３Ｂを形成した。こののち、正極集電体５３Ａの一端に、アルミニウム製の正極リード５１を溶接して取り付けた。
【０１０６】
次に、負極５４を作製した。すなわち、電解銅箔からなる負極集電体５４Ａ（十点平均粗さＲｚ＝３．５μｍ）を準備したのち、チャンバ内に連続的に酸素ガスおよび必要に応じて水蒸気を導入しながら偏向式電子ビーム蒸着源を用いた電子ビーム蒸着法によって負極集電体５４Ａの両面に負極活物質としてケイ素を堆積させることにより、負極活物質層５４Ｂを形成した。この際、蒸着源として純度９９％のケイ素を用い、堆積速度を１００ｎｍ／秒および負極活物質中における酸素含有量を３原子数％とした。続いて、同様の電子ビーム蒸着法によって負極活物質層５４Ｂの表面に酸化第一コバルト（ＣｏＯ）を堆積させることにより、被覆層５４Ｃを形成した。この際、蒸着源として純度９９．９％の酸化第一コバルトを用い、堆積速度を２０ｎｍ／秒および被覆層５４Ｃの厚さを５ｎｍとした。完成した負極５４について、ＦＩＢ（Focused Ion Beam etching）によって断面を露出させたのち、オージェ電子分光法（auger electron spectrometer ：ＡＥＳ）によって局所元素分析を行ったところ、負極集電体５４Ａと負極活物質層５４Ｂとの界面において両者の構成元素が拡散しあっており、すなわち合金化していることが確認された。こののち、負極集電体５４Ａの一端に、ニッケル製の負極リード５２を溶接して取り付けた。
【０１０７】
次に、正極５３と、多孔性の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が挟まれた３層構造のポリマーセパレータ５５（厚さ＝２３μｍ）と、負極５４とをこの順に積層し、長手方向に渦巻状に多数回巻回させたのち、粘着テープからなる保護テープ５７で巻き終わり部分を固定することにより、巻回電極体５０の前駆体である巻回体を形成した。続いて、外側から、ナイロン（厚さ＝３０μｍ）と、アルミニウム（厚さ＝４０μｍ）と、無延伸ポリプロピレン（厚さ＝３０μｍ）とが積層された３層構造のラミネートフィルム（総厚＝１００μｍ）からなる外装部材６０の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺を除く外縁部同士を熱融着することにより、袋状の外装部材６０の内部に巻回体を収納した。続いて、外装部材６０の開口部から電解液を注入してセパレータ５５に含浸させることにより、巻回電極体５０を形成した。
【０１０８】
この電解液を調製する際には、溶媒として炭酸エチレン（ＥＣ）と炭酸ジエチル（ＤＥＣ）とを混合した混合溶媒を用い、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6 ）を用いた。この際、混合溶媒の組成（ＥＣ：ＤＥＣ）を重量比で５０：５０とし、電解質塩の濃度を１ｍｏｌ／ｋｇとした。
【０１０９】
最後に、真空雰囲気中において外装部材６０の開口部を熱融着して封止することにより、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。
【０１１０】
（実施例１−２〜１−８）
被覆層５４Ｃの厚さを５ｎｍに代えて、１０ｎｍ（実施例１−２）、５０ｎｍ（実施例１−３）、１００ｎｍ（実施例１−４）、１０００ｎｍ（実施例１−５）、２０００ｎｍ（実施例１−６）、３０００ｎｍ（実施例１−７）あるいは４０００ｎｍ（実施例１−８）としたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。
【０１１１】
（実施例１−９〜１−１２）
被覆層５４Ｃの形成材料として酸化第一コバルトに代えて、酸化第三コバルト（Ｃｏ3 Ｏ4 ）を用い、その被覆層５４Ｃの厚さを５ｎｍに代えて、１０ｎｍ（実施例１−９）、１００ｎｍ（実施例１−１０）、１０００ｎｍ（実施例１−１１）あるいは２０００ｎｍ（実施例１−１２）としたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。
【０１１２】
（実施例１−１３〜１−１６）
被覆層５４Ｃの形成材料として酸化第一コバルトに代えて、酸化第一鉄（ＦｅＯ）を用い、その被覆層５４Ｃの厚さを５ｎｍに代えて、１０ｎｍ（実施例１−１３）、１００ｎｍ（実施例１−１４）、１０００ｎｍ（実施例１−１５）あるいは２０００ｎｍ（実施例１−１６）としたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。
【０１１３】
（実施例１−１７，１−１８）
被覆層５４Ｃの形成材料として酸化第一コバルトに代えて、酸化第二鉄（Ｆｅ2 Ｏ3 ）を用い、その被覆層５４Ｃの厚さを５ｎｍに代えて、１０ｎｍ（実施例１−１７）あるいは１０００ｎｍ（実施例１−１８）としたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。
【０１１４】
（実施例１−１９，１−２０）
被覆層５４Ｃの形成材料として酸化第一コバルトに代えて、酸化第三鉄（Ｆｅ3 Ｏ4 ）を用い、その被覆層５４Ｃの厚さを５ｎｍに代えて、１０ｎｍ（実施例１−１９）あるいは１０００ｎｍ（実施例１−２０）としたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。
【０１１５】
（実施例１−２１，１−２２）
被覆層５４Ｃの形成材料として酸化第一コバルトに代えて、酸化第一ニッケル（ＮｉＯ）を用い、その被覆層５４Ｃの厚さを５ｎｍに代えて、１０ｎｍ（実施例１−２１）あるいは１０００ｎｍ（実施例１−２２）としたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。
【０１１６】
（比較例１）
負極活物質層５４Ｂの表面に被覆層５４Ｃを形成しなかったことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。
【０１１７】
これらの実施例１−１〜１−２２および比較例１の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表１に示した結果が得られた。
【０１１８】
サイクル特性を調べる際には、以下の手順によって二次電池を充放電させることにより、放電容量維持率を求めた。まず、電池状態を安定化させるために２３℃の雰囲気中において１サイクル充放電させたのち、再び充放電させることにより、２サイクル目の放電容量を測定した。続いて、同雰囲気中において９９サイクル充放電させることにより、１０１サイクル目の放電容量を測定した。最後に、放電容量維持率（％）＝（１０１サイクル目の放電容量／２サイクル目の放電容量）×１００を算出した。この際、充電条件としては、３ｍＡ／ｃｍ2 の定電流密度で電池電圧が４．２Ｖに到達するまで充電したのち、引き続き４．２Ｖの定電圧で電流密度が０．３ｍＡ／ｃｍ2 に到達するまで充電した。また、放電条件としては、３ｍＡ／ｃｍ2 の定電流密度で電池電圧が２．５Ｖに到達するまで放電した。
【０１１９】
なお、サイクル特性を調べる際の手順および条件等は、以降の一連の実施例および比較例に関する同特性の評価についても同様である。
【０１２０】
【表１】
2008153078.tif 000004
【０１２１】
表１に示したように、被覆層５４Ｃを形成した実施例１−１〜１−２２では、その被覆層５４Ｃを構成する酸化物（Ｍx Ｏy ）の種類に依存せずに、被覆層５４Ｃを形成しなかった比較例１よりも放電容量維持率が高くなった。このことから、負極活物質層５４Ｂを備えた二次電池では、その負極活物質層５４Ｂの表面に３ｄ遷移金属元素の酸化物を含有する被覆層５４Ｃを設けることにより、サイクル特性が向上することが確認された。
【０１２２】
特に、実施例１−１〜１−２２では、３ｄ遷移金属元素（Ｍ）の種類ごとに放電容量維持率を比較すると、その３ｄ遷移金属元素がコバルトである場合には酸化第一コバルトを用いた実施例１−２，１−４〜１−６において酸化第三コバルトを用いた実施例１−９〜１−１２よりも高くなり、鉄である場合には酸化第一鉄を用いた実施例１−１４，１−１５において酸化第二鉄あるいは酸化第三鉄を用いた実施例１−１７〜１−２０よりも高くなった。このことから、上記した二次電池では、被覆層５４Ｃを構成する酸化物（Ｍx Ｏy ）がｘ＝１およびｙ＝１の化合物であり、すなわち酸化第一コバルト、酸化第一鉄あるいは酸化第一ニッケルであれば、より高い効果が得られることが確認された。
【０１２３】
また、実施例１−１〜１−８では、被覆層５４Ｃの厚さが大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少する傾向を示した。この場合には、厚さが１０ｎｍよりも小さくなるか、あるいは３０００ｎｍよりも大きくなると、放電容量維持率が大幅に減少した。このことから、上記した二次電池では、被覆層５４Ｃの厚さが１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の範囲内であれば、より高い効果が得られることが確認された。
【０１２４】
ここで、実施例１−１〜１−２２を代表して、被覆層５４Ｃが酸化第一コバルトにより構成されている実施例１−５の二次電池における負極５４の表面をＸ線光電子分光法（electron spectroscopy for chemical analysis ：ＥＳＣＡ）で分析したところ、図１０に示した結果が得られた。図１０はＥＳＣＡの深さ分析結果（横軸：深さ（エッチング時間），縦軸：原子数（原子数％））であり、（Ａ）は放電状態および（Ｂ）は充電状態をそれぞれ示している。図１０（Ａ），（Ｂ）中の実線はリチウム、一点鎖線はコバルト、破線は酸素をそれぞれ表している。
【０１２５】
実施例１−５の二次電池では、まず、放電状態において、図１０（Ａ）に示したように、コバルトおよび酸素の原子数がリチウムの原子数よりも多くなり、そのリチウムの原子数はほとんどゼロに近かった。この結果は、上記した化１の左辺に示したように、負極５４の表面に酸化第一コバルトからなる被覆層５４Ｃが存在しており、その負極５４にリチウムがほとんど吸蔵されていないことを表している。続いて、放電状態から充電状態に移行すると、図１０（Ｂ）に示したように、コバルトの大部分がリチウムに置き換わることにより、リチウムおよび酸素の原子数がコバルトの原子数よりも多くなった。この結果は、上記した化１の右辺に示したように、負極５４の表面に酸化リチウムからなる被膜が形成されたことを表している。こののち、充電状態から放電状態に戻ると、再び図１０（Ａ）に示した結果が得られた。この結果は、充電状態において負極５４の表面に形成された酸化リチウムからなる被膜が可逆性であることを表している。なお、ここでは被覆層５４Ｃの形成材料として酸化第一コバルトを用いた場合についてしかＥＳＣＡの深さ分析結果を示していないが、酸化第三鉄などの他のコバルトの酸化物や、酸化第一鉄あるいは酸化第一ニッケルなどの他の３ｄ遷移金属元素の酸化物を用いた場合についてもＥＳＣＡの深さ分析を行ったところ、同様の結果が得られた。これらのことから、３ｄ遷移金属元素の酸化物を用いて被覆層５４Ｃを形成することにより、充放電時に負極５４の表面に酸化リチウムからなる可逆性の被膜が形成されるため、化１に示したように、正極５３と負極５４との間でリチウムが反復的に往来することが確認された。
【０１２６】
（実施例２−１〜２−７）
負極活物質中における酸素含有量を３原子数％に代えて、１．５原子数％（実施例２−１）、５原子数％（実施例２−２）、１０原子数％（実施例２−３）、２０原子数％（実施例２−４）、３０原子数％（実施例２−５）、４０原子数％（実施例２−６）あるいは５０原子数％（実施例２−７）としたことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。
【０１２７】
これらの実施例２−１〜２−７の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表２に示した結果が得られた。なお、表２には、実施例１−５および比較例１の結果も併せて示した。
【０１２８】
【表２】
2008153078.tif 000005
【０１２９】
表２に示したように、負極活物質中における酸素の含有量が異なる実施例２−１〜２−７においても、実施例１−５と同様に、比較例１よりも放電容量維持率が高くなった。このことから、負極活物質層５４Ｂに被覆層５４Ｃが設けられた二次電池では、負極活物質中における酸素の含有量を変更した場合においても、サイクル特性が向上することが確認された。
【０１３０】
特に、実施例１−５，２−１〜２−７では、酸素含有量が多くなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少する傾向を示した。この場合には、含有量が３原子数％よりも少なくなるか、あるいは４０原子数％よりも多くなると、放電容量維持率が大幅に減少した。このことから、上記した二次電池では、負極活物質中における酸素含有量が３原子数％以上４０原子数％以下の範囲内であれば、より高い効果が得られることが確認された。
【０１３１】
（実施例３−１〜３−４）
チャンバ内に連続的に酸素ガス等を導入しながらケイ素を堆積させることにより負極活物質に酸素を含有させる代わりに、チャンバ内に断続的に酸素ガス等を導入しながらケイ素を堆積させることにより、第１の酸素含有層とそれよりも酸素含有量が高い第２の酸素含有層とが交互に積層されるように負極活物質層５４Ｂを形成したことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。この際、第２の酸素含有層中における酸素含有量を３原子数％としたと共に、その層数を１層（実施例３−１）、２層（実施例３−２）、３層（実施例３−３）あるいは４層（実施例３−４）とした。
【０１３２】
これらの実施例３−１〜３−４の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表３に示した結果が得られた。なお、表３には、実施例１−５および比較例１の結果も併せて示した。
【０１３３】
【表３】
2008153078.tif 000006
【０１３４】
表３に示したように、負極活物質層５４Ｂが第１および第２の酸素含有層を有する実施例３−１〜３−４においても、実施例１−５と同様に、比較例１よりも放電容量維持率が高くなった。このことから、負極活物質層５４Ｂに被覆層５４Ｃが設けられた二次電池では、第１および第２の酸素含有層を有するように負極活物質層５４Ｂを構成した場合においても、サイクル特性が向上することが確認された。
【０１３５】
特に、実施例３−１〜３−４では、実施例１−５よりも放電容量維持率が高くなった。しかも、この場合には、第２の酸素含有層の層数が１層である実施例３−１、２層である実施例３−２、３層である実施例３−３、４層である実施例３−４の順に、放電容量維持率が高くなる傾向を示した。このことから、上記した二次電池では、第１および第２の酸素含有層を有するように負極活物質層５４Ｂを構成することにより、より高い効果が得られると共に、第２の酸素含有層の層数を増やせば、さらに高い効果が得られることが確認された。
【０１３６】
（実施例４−１〜４−５）
蒸着源として純度９９％のケイ素に代えて、ケイ素と金属元素とを含む混合物を用いることにより、それらを構成元素として有する負極活物質を含む負極活物質層５４Ｂを形成したことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。この際、金属元素として鉄を用い、負極活物質中における金属元素の含有量を３原子数％（実施例４−１）、１０原子数％（実施例４−２）、２０原子数％（実施例４−３）、３０原子数％（実施例４−４）あるいは４０原子数％（実施例４−５）とした。
【０１３７】
（実施例４−６〜４−９）
金属元素として鉄に代えて、コバルト（実施例４−６）、ニッケル（実施例４−７）、チタン（実施例４−８）あるいはクロム（実施例４−９）を用いたことを除き、実施例４−２と同様の手順を経た。
【０１３８】
これらの実施例４−１〜４−９の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表４に示した結果が得られた。なお、表４には、実施例１−５および比較例１の結果も併せて示した。
【０１３９】
【表４】
2008153078.tif 000007
【０１４０】
表４に示したように、負極活物質がケイ素と共に金属元素を構成元素として有する実施例４−１〜４−９においても、実施例１−５と同様に、比較例１よりも放電容量維持率が高くなった。このことから、負極活物質層５４Ｂに被覆層５４Ｃが設けられた二次電池では、負極活物質に金属元素を含有させた場合においても、サイクル特性が向上することが確認された。なお、ここでは金属元素としてモリブデンを用いた場合について実施例を開示していないが、そのモリブデンを用いた場合についても同様にサイクル特性を調べたところ、やはりサイクル特性が向上することが確認された。
【０１４１】
特に、実施例４−１〜４−５では、実施例１−５よりも放電容量維持率が高くなった。この場合には、金属元素の含有量が多くなるにしたがって放電容量維持率が増加したのちに減少する傾向を示し、その含有量の下限および上限がそれぞれが３原子数％および４０原子数％である場合において、実施例１−５よりも放電容量維持率が高くなった。しかしながら、実施例４−１〜４−５では、負極活物質に金属元素を含有させた場合においても一定の電池容量を確保するために、金属元素の含有量の増加に応じて負極活物質層５４Ｂの厚さを増加させたところ、実施例４−５では負極活物質層５４Ｂの厚さが厚くなりすぎて実用的ではなかった。このことから、上記した二次電池では、第１および第２の金属元素含有層を有するように負極活物質層５４Ｂを構成することにより、より高い効果が得られると共に、負極活物質中における金属元素の含有量が３原子数％以上４０原子数％以下の範囲内、好ましくは３原子数％以上３０原子数％以下の範囲内であれば、さらに高い効果が得られることが確認された。
【０１４２】
（実施例５−１〜５−４）
電子ビーム蒸着法を用いたケイ素の堆積工程とスパッタ法を用いた金属元素の堆積工程とを交互に繰り返すことにより、第１の金属元素含有層とそれよりも金属元素含有量が高い第２の金属元素含有層とが交互に積層されるように負極活物質層５４Ｂを形成したことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。このスパッタ法を用いた金属元素の堆積工程では、アルゴン（Ａｒ）ガス中でプラズマを発生させたと共に、堆積速度を０．８ｎｍ／秒とした。この際、金属元素として鉄を用い、第２の金属元素含有層の層数を１層（実施例５−１）、２層（実施例５−２）、３層（実施例５−３）あるいは４層（実施例５−４）とした。
【０１４３】
これらの実施例５−１〜５−４の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表５に示した結果が得られた。なお、表５には、実施例１−５および比較例１の結果も併せて示した。
【０１４４】
【表５】
2008153078.tif 000008
【０１４５】
表５に示したように、負極活物質層５４Ｂが第１および第２の金属元素含有層を有する実施例５−１〜５−４においても、実施例１−５と同様に、比較例１よりも放電容量維持率が高くなった。このことから、負極活物質層５４Ｂに被覆層５４Ｃが設けられた二次電池では、第１および第２の金属元素含有層を有するように負極活物質層５４Ｂを構成した場合においても、サイクル特性が向上することが確認された。なお、ここでは金属元素としてモリブデンを用いた場合について実施例を開示していないが、そのモリブデンを用いた場合についても同様にサイクル特性を調べたところ、やはりサイクル特性が向上することが確認された。
【０１４６】
特に、実施例５−１〜５−４では、実施例１−５よりも放電容量維持率が高くなった。しかも、この場合には、第２の金属元素含有層の層数が１層である実施例５−１、２層である実施例５−２、３層である実施例５−３、４層である実施例５−４の順に、放電容量維持率が高くなる傾向を示した。このことから、上記した二次電池では、第１および第２の金属元素含有層を有するように負極活物質層５４Ｂを構成することにより、より高い効果が得られると共に、第２の金属元素含有層の層数を増やせば、さらに高い効果が得られることが確認された。
【０１４７】
（実施例６−１〜６−６）
負極集電体５４Ａの表面の十点平均粗さＲｚを３．５μｍに代えて、１μｍ（実施例６−１）、１．５μｍ（実施例６−２）、２．５μｍ（実施例６−３）、４．５μｍ（実施例６−４）、５μｍ（実施例６−５）あるいは５．５μｍ（実施例６−６）としたことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。
【０１４８】
これらの実施例６−１〜６−６の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表６に示した結果が得られた。なお、表６には、実施例１−５および比較例１の結果も併せて示した。
【０１４９】
【表６】
2008153078.tif 000009
【０１５０】
表６に示したように、十点平均粗さＲｚが異なる実施例６−１〜６−６においても、実施例１−５と同様に、比較例１よりも放電容量維持率が高くなった。このことから、負極活物質層５４Ｂに被覆層５４Ｃが設けられた二次電池では、その負極集電体５４Ａの表面の十点平均粗さＲｚを変更した場合においても、サイクル特性が向上することが確認された。
【０１５１】
特に、実施例１−５，６−１〜６−６では、十点平均粗さＲｚが大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少する傾向を示した。この場合には、十点平均粗さＲｚが１．５μｍよりも小さくなるか、あるいは５μｍよりも大きくなると、放電容量維持率が大幅に減少した。このことから、上記した二次電池では、十点平均粗さＲｚが１．５μｍ以上５μｍ以下の範囲内であれば、より高い効果が得られることが確認された。
【０１５２】
（実施例７−１，７−２）
多数回に渡って成膜工程を繰り返すことにより負極活物質層５４Ｂを形成したことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。この際、負極活物質層５４Ｂの層数を３層（実施例７−１）あるいは５層（実施例７−２）とした。
【０１５３】
これらの実施例７−１，７−２の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表７に示した結果が得られた。なお、表７には、実施例１−５および比較例１の結果も併せて示した。
【０１５４】
【表７】
2008153078.tif 000010
【０１５５】
表７に示したように、負極活物質層５４Ｂの層数が異なる実施例７−１，７−２においても、実施例１−５と同様に、比較例１よりも放電容量維持率が高くなった。このことから、負極活物質層５４Ｂに被覆層５４Ｃが設けられた二次電池では、その負極集電体５４Ａの層数を変化させ得た場合においても、サイクル特性が向上することが確認された。
【０１５６】
特に、実施例７−１，７−２では、実施例１−５よりも放電容量維持率が高くなった。しかも、この場合には、負極活物質層５４Ｂの層数が１層である実施例７−１、２層である実施例７−２の順に、放電容量維持率が高くなる傾向を示した。このことから、上記した二次電池では、負極活物質層５４Ｂを多層構造とすることにより、より高い効果が得られると共に、その層数を増やせば、さらに高い効果が得られることが確認された。
【０１５７】
（実施例８−１）
溶媒としてＥＣに代えて、フッ素化炭酸エステル（炭酸モノフルオロエチレン）である４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＦＥＣ）を用いたことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。
【０１５８】
（実施例８−２）
溶媒としてフッ素化炭酸エステル（炭酸ジフルオロエチレン）である４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＤＦＥＣ）を加え、混合溶媒の組成（ＥＣ：ＤＦＥＣ：ＤＥＣ）を重量比で２５：５：７０としたことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。
【０１５９】
（実施例８−３）
電解液に溶媒として不飽和結合を有する環状炭酸エステルである炭酸ビニレン（ＶＣ）を加えたことを除き、実施例８−１と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるＶＣの含有量を１０重量％とした。
【０１６０】
（実施例８−４）
電解液に溶媒として不飽和結合を有する環状炭酸エステルである炭酸ビニルエチレン（ＶＥＣ）を加えたことを除き、実施例８−１と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるＶＥＣを含有の含有量を１０重量％とした。
【０１６１】
（実施例８−５）
電解液に溶媒としてスルトンである１，３−プロペンスルトン（ＰＲＳ）を加えたことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるＰＲＳの含有量を１重量％とした。
【０１６２】
（実施８−６）
電解液に電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4 ）を加えたことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。この際、電解液中におけるＬｉＢＦ4 の濃度を０．１ｍｏｌ／ｋｇとした。
【０１６３】
これらの実施例８−１〜８−６の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表８に示した結果が得られた。なお、表８には、実施例１−５および比較例１の結果も併せて示した。
【０１６４】
この際、実施例１−５，８−５の二次電池については、サイクル特性だけでなく膨れ特性も調べた。この膨れ特性を調べる際には、以下の手順よって二次電池を充電させることにより、膨れ率を求めた。まず、電池状態を安定化させるために２３℃の雰囲気中において１サイクル充放電させたのち、２サイクル目の充電前の厚さを測定した。続いて、同雰囲気中において再び充電させたのち、２サイクル目の充電後の厚さを測定した。最後に、膨れ率（％）＝［（２サイクル目の充電後の厚さ−２サイクル目の充電前の厚さ）／充電前の厚さ］×１００を算出した。この際、充電条件としては、サイクル特性を調べた場合と同様にした。
【０１６５】
【表８】
2008153078.tif 000011
【０１６６】
表８に示したように、溶媒の組成および電解質塩の種類が異なる実施例８−１〜８−６においても、実施例１−５と同様に、比較例１よりも放電容量維持率が高くなった。このことから、負極活物質層５４Ｂに被覆層５４Ｃが設けられた二次電池では、溶媒の組成や電解質塩の種類を変更した場合においても、サイクル特性が向上することが確認された。
【０１６７】
特に、実施例８−１，８−２では、実施例１−５よりも放電容量維持率が高くなった。しかも、この場合には、溶媒がＤＦＥＣを含む実施例８−２においてＦＥＣを含む実施例８−１によりも放電容量維持率が高くなる傾向を示した。このことから、上記した二次電池では、溶媒がフッ素化炭酸エステルを含むことにより、より高い効果が得られると共に、フッ素化炭酸エステルとして炭酸モノフルオロエチレンよりも炭酸ジルフルオロエチレンを含めば、さらに高い効果が得られることが確認された。
【０１６８】
また、実施例８−３〜８−６では、実施例１−５よりも放電容量維持率が高くなった。しかも、この場合には、溶媒がＶＣあるいはＶＥＣを含む実施例８−３，８−４においてＰＲＳあるいはＬｉＢＦ4 を含む実施例８−５，８−６よりも放電容量維持率が高くなる傾向を示した。このことから、上記した二次電池では、溶媒が不飽和結合を有する環状炭酸エステル、スルトンあるいはホウ素およびフッ素を構成元素として有する電解質塩を含むことにより、より高い効果が得られると共に、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含めば、さらに高い効果が得られることが確認された。
【０１６９】
なお、溶媒がＰＲＳを含む実施例８−５では、それを含まない実施例１−５と比較して、膨れ率が大幅に小さくなった。このことから、上記した二次電池では、溶媒がスルトンを含むことにより、膨れ特性が向上することが確認された。
【０１７０】
（実施例９−１）
以下の手順により、ラミネートフィルム型の二次電池に代えて、図２〜図４に示した角型の二次電池を製造したことを除き、実施例１−５と同様の手順を経た。
【０１７１】
まず、正極２１および負極２２を作製したのち、正極集電体２１Ａおよび負極集電体２２Ａにそれぞれアルミニウム製の正極リード２４およびニッケル製の負極リード２５を溶接した。続いて、正極２１と、セパレータ２３と、負極２２とをこの順に積層し、長手方向において渦巻き状に多数回に渡って巻回させたのち、扁平状に成形することにより、電池素子２０を作製した。続いて、アルミニウム製の電池缶１１の内部に電池素子２０を収納したのち、その電池素子２０上に絶縁板１２を配置した。続いて、正極リード２４および負極リード２５をそれぞれ正極ピン１５および電池缶１１に溶接したのち、電池缶１１の開放端部に電池蓋１３をレーザ溶接して固定した。最後に、注入孔１９を通じて電池缶１１の内部に電解液を注入したのち、その注入孔１９を封止部材１９Ａで塞ぐことにより、角形電池が完成した。
【０１７２】
（実施例９−２）
アルミニウム製の電池缶１１に代えて、鉄製の電池缶１１を用いたことを除き、実施例９−１と同様の手順を経た。
【０１７３】
これらの実施例９−１，９−２の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表９に示した結果が得られた。なお、表９には、実施例１−５および比較例１の結果も併せて示した。
【０１７４】
【表９】
2008153078.tif 000012
【０１７５】
表９に示したように、電池構造が異なる実施例９−１，９−２においても、実施例１−５と同様に、比較例１よりも放電容量維持率が増加した。このことから、負極活物質層５４Ｂに被覆層５４Ｃが設けられた二次電池では、電池構造を変更した場合においても、サイクル特性が向上することが確認された。
【０１７６】
特に、実施例９−１，９−２では、実施例１−５よりも放電容量維持率が高くなった。しかも、この場合には、電池缶１１が鉄製である実施例９−２においてアルミニウム製である実施例９−１よりも放電容量維持率が高くなった。このことから、上記した二次電池では、電池構造を角型とすることにより、より高い効果が得られると共に、鉄製の電池缶１１を用いれば、さらに高い効果が得られることが確認された。なお、ここでは具体的な実施例を挙げて説明しないが、外装部材が金属材料からなる角型の二次電池においてラミネートフィルム型の二次電池よりもサイクル特性が向上したことから、外装部材が金属材料からなる円筒型の二次電池においても同様の結果が得られることは明らかである。
【０１７７】
（実施例１０−１〜１０−８）
電子ビーム蒸着法に代えて、焼結法を用いて負極活物質層５４Ｂを形成したことを除き、実施例１−１〜１−８と同様の手順を経た。この負極活物質層５４Ｂを形成する場合には、負極活物質としてケイ素粉末（平均粒径＝１μｍ）９０質量部と、結着剤としてポリイミド１０質量部とを混合して負極合剤としたのち、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散させることにより、ペースト状の負極合剤スラリーとした。そして、負極集電体５４Ａの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、真空雰囲気中において２２０℃で１２時間に渡って加熱した。
【０１７８】
（比較例１０）
実施例１０−１〜１０−８と同様の手順によって負極活物質層５４Ｂを形成したことを除き、比較例１と同様の手順を経た。
【０１７９】
これらの実施例１０−１〜１０−８および比較例１０の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表１０に示した結果が得られた。
【０１８０】
【表１０】
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【０１８１】
表１０に示したように、被覆層５４Ｃを形成した実施例１０−１〜１０−８では、それを形成しなかった比較例１０よりも放電容量維持率が高くなった。このことから、焼結法により形成された負極活物質層５４Ｂを備えた二次電池においても、その負極活物質層５４Ｂの表面に３ｄ遷移金属元素の酸化物を含有する被覆層５４Ｃを設けることにより、サイクル特性が向上することが確認された。
【０１８２】
特に、実施例１０−１〜１０−８では、被覆層５４Ｃの厚さが大きくなるにしたがって放電容量維持率が増加したのちに減少する傾向を示し、その厚さが１０ｎｍよりも小さくなるか、あるいは３０００ｎｍよりも大きくなると、放電容量維持率が大幅に減少した。このことから、上記した二次電池では、被覆層５４Ｃの厚さが１０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下の範囲内であれば、より高い効果が得られることが確認された。
【０１８３】
上記した表１〜表１０の結果から明らかなように、負極活物質層５４Ｂの形成方法に関係なく、負極活物質層５４Ｂがケイ素を構成元素として有する負極活物質を含む場合に、その負極活物質層５４Ｂの表面に３ｄ遷移金属元素の酸化物を含有する被覆層５４Ｃを設けることにより、サイクル特性が向上することが確認された。
【０１８４】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施の形態および実施例では、電池の種類として、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分により表されるリチウムイオン二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。本発明の電池は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極の充電容量よりも小さくすることにより、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づく容量成分とリチウムの析出および溶解に基づく容量成分とを含み、かつ、それらの容量成分の和により表される二次電池についても同様に適用可能である。
【０１８５】
また、上記した実施の形態または実施例では、電池構造が角型、円筒型およびラミネートフィルム型である場合、ならびに電池素子が巻回構造を有する場合を例に挙げて説明したが、本発明の電池は、コイン型あるいはボタン型などの他の電池構造を有する場合や、電池素子が積層構造などの他の構造を有する場合についても同様に適用可能である。また、本発明の電池は、二次電池に限らず、一次電池などの他の種類の電池についても同様に適用可能である。
【０１８６】
また、上記した実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム（Ｎａ）あるいはカリウム（Ｋ）などの他の１Ａ族元素や、マグネシウム（Ｍｇ）あるいはカルシウム（Ｃａ）などの２Ａ族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属を用いてもよい。これらの場合においても、負極活物質として、上記した実施の形態で説明した負極材料を用いることが可能である。
【０１８７】
また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の負極および電池における被覆層の厚さについて、実施例の結果から導き出された数値範囲を適正範囲として説明しているが、その説明は、厚さが上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、厚さが上記した範囲から多少外れてもよい。このことは、上記した被覆層の厚さに限らず、負極活物質中における酸素の含有量、負極活物質中における金属元素の含有量、および負極集電体の表面の十点平均粗さＲｚについても同様である。
【図面の簡単な説明】
【０１８８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る負極の構成を表す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第１の電池の構成を表す断面図である。
【図３】図２に示した第１の電池のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】図２および図３に示した負極の一部を拡大して表す断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第２の電池の構成を表す断面図である。
【図６】図５に示した巻回電極体の一部を拡大して表す断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第３の電池の構成を表す断面図である。
【図８】図７に示した巻回電極体のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図９】図８に示した負極の一部を拡大して表す断面図である。
【図１０】ＥＳＣＡの深さ分析結果を表す図である。
【符号の説明】
【０１８９】
１，２２Ａ，４２Ａ，５４Ａ…負極集電体、２，２２Ｂ，４２Ｂ，５４Ｂ…負極活物質層、１１，３１…電池缶、１２，３２…絶縁板、１３，３４…電池蓋、１４…端子板、１５…正極ピン、１６…絶縁ケース、１７，３７…ガスケット、１８…開裂弁、１９…注入孔、１９Ａ…封止部材、２０…電池素子、２１，４１，５３…正極、２１Ａ，４１Ａ，５３Ａ…正極集電体、２１Ｂ，４１Ｂ，５３Ｂ…正極活物質層、２２，４２，５４…負極、２３，４３，５５…セパレータ、２４，４５，５１…正極リード、２５，４６，５２…負極リード、３５…安全弁機構、３６…熱感抵抗素子、４０，５０…巻回電極体、４４…センターピン、５６…電解質、５７…保護テープ、６０…外装部材。
【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】
2008153078.tif 000021
【図９】
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【図１０】
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