(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒子径ｄ50（Ａ）が０．２〜２０μｍのＳｉＯx［但し、ｘの値は０．６≦ｘ≦１．５の範囲の正数］粉末であって、その固体ＮＭＲ（29ＳｉＤＤ／ＭＡＳ）により測定されるスペクトルが、−７０ｐｐｍを中心としたブロードなピーク（Ａ１）と、−１１０ｐｐｍを中心としたブロードなピーク（Ａ２）の２つのピークとに分離しており、かつこれらのピークの面積比（Ａ１）／（Ａ２）が０．１≦（Ａ１）／（Ａ２）≦１．０の範囲である粉末に、平均粒子径ｄ50（Ｂ）が２０ｎｍ〜１３μｍの導電材物質［但し、平均粒子径比ｄ50（Ａ）／ｄ50（Ｂ）は１．５以上である］を機械的表面融合処理することによりＳｉＯxを核として表面を導電材物質で覆った導電性ＳｉＯx粉末を含むことを特徴とする非水電解質二次電池用負極材。
【請求項２】
請求項１記載の導電性ＳｉＯx粉末と炭素粒子との混合物を含み、導電性ＳｉＯx粉末中の導電材物質の量が、ＳｉＯx粉末と導電材物質の合計に対し１〜５０重量％であり、導電性ＳｉＯx粉末と炭素粒子との混合物中の炭素量が３０〜９０重量％であることを特徴とする非水電解質二次電池用負極材。
【請求項３】
ＳｉＯx粉末表面を覆う導電材物質層の厚さが２０ｎｍ〜１３μｍであることを特徴とする請求項１記載の非水電解質二次電池用負極材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解質二次電池の容量の向上と、サイクル性の向上を達成できる非水電解質二次電池用負極材に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
リチウムイオン二次電池用負極材としてＳｉＯx粉末を用いた場合には、初期容量は大幅に向上するものの、繰り返しの充放電によりその容量が低下するというサイクル性低下の問題があった。
【０００３】
特開２０００−２４３３９６号公報には、ＳｉＯを黒鉛とメカニカルアロイング後炭化処理することにより、サイクル性が向上するという報告がなされているが、この方法は、焼成設備が必要なことやコスト面から工業的規模の生産には不向きである。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、非水電解質二次電池に用いた場合、サイクル性を低下することなく高容量を維持でき、かつ工業的生産に適した非水電解質二次電池用負極材を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、負極材としてＳｉＯx粉末を用いた場合にサイクル性が低下する原因が、ＳｉＯx粉末は導電性が低いため、導電材として黒鉛や非晶質の炭素材料を混合し、導電材と負極活物質（ＳｉＯx）を点又は面で接触させることにより導電性を持たせているが、充放電に伴い負極活物質の膨張収縮が繰り返されることにより、導電材と負極活物質との接触面積が減少し、導通が次第にとれなくなるためであることを見出すと共に、導電性の高い材料を表面融合装置等の機械的な方法で、負極活物質の表面に担持又は被覆し、負極活物質と融合させることで、密着性が向上し、負極活物質の膨張収縮による電極の崩壊が抑制され、サイクル性が向上することを知見し本発明をなすに至った。
【０００６】
即ち、本発明は、平均粒子径ｄ50（Ａ）が０．２〜２０μｍのＳｉＯx［但し、ｘの値は０．６≦ｘ≦１．５の範囲の正数］粉末であって、その固体ＮＭＲ（29ＳｉＤＤ／ＭＡＳ）により測定されるスペクトルが、−７０ｐｐｍを中心としたブロードなピーク（Ａ１）と、−１１０ｐｐｍを中心としたブロードなピーク（Ａ２）の２つのピークとに分離しており、かつこれらのピークの面積比（Ａ１）／（Ａ２）が０．１≦（Ａ１）／（Ａ２）≦１．０の範囲である粉末に、平均粒子径ｄ50（Ｂ）が２０ｎｍ〜１３μｍの導電材物質［但し、平均粒子径比ｄ50（Ａ）／ｄ50（Ｂ）は１．５以上である］を機械的表面融合処理することによりＳｉＯxを核として表面を導電材物質で覆った導電性ＳｉＯx粉末を含むことを特徴とする非水電解質二次電池用負極材を提供する。
【０００７】
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明では、機械的表面融合処理によりＳｉＯxを核として表面を導電材物質で覆った導電性ＳｉＯx粉末を非水電解質二次電池用負極材に使用する。
【０００８】
本発明においてＳｉＯxとは通常、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）と金属ケイ素（Ｓｉ）とを原料として得られる、ＳｉＯxのｘの値が０＜ｘ＜２で示される非晶質のケイ素酸化物の総称であり、本発明で用いられるＳｉＯxは、活性な原子状ケイ素を含むケイ素酸化物が好ましく、ＳｉＯx粉末の固体ＮＭＲ（29ＳｉＤＤ／ＭＡＳ）により測定されるスペクトルが、−７０ｐｐｍを中心としたブロードなピーク、特にピークの頂点が−６５〜−８５ｐｐｍの範囲にあるブロードなピーク（Ａ１）と、−１１０ｐｐｍを中心としたブロードなピーク、特にピークの頂点が−１００〜−１２０ｐｐｍの範囲にあるブロードなピーク（Ａ２）の２つのピークに分離しており、かつこれらのピークの面積比（Ａ１）／（Ａ２）が０．１≦（Ａ１）／（Ａ２）≦１．０、特に０．２≦（Ａ１）／（Ａ２）≦０．８の範囲であることが好ましい。面積比（Ａ１）／（Ａ２）の値が１．０よりも大きくなると、高活性な非晶質Ｓｉの割合が大きくなり、高容量の非水電解質二次電池は得られるものの、サイクル性が低下してしまう恐れがある。
【０００９】
一方、ＳｉＯxのｘの範囲はｘ＝０．６〜１．５、特に０．６７〜１．３０の正数であることが好ましい。ｘの値が０．６より小さいと高活性な非晶質Ｓｉの割合が大きくなり、高容量の非水電解質二次電池は得られるもの、サイクル性が低下してしまう恐れがある。逆にｘの値が１．５より大きいと、不活性なＳｉＯ2の割合が増加し、目的とする高容量の非水電解質二次電池の作製ができなくなる恐れがある。
【００１０】
なお、ＳｉＯx中の酸素量は、例えば、セラミック中酸素分析装置（不活性気流下溶融法）により分析することができる。上記のｘの範囲０．６〜１．５は、酸素量として約２５〜約４６重量％に相当する。
【００１１】
機械的表面融合処理に用いるＳｉＯx粉体の平均粒子径ｄ50（Ａ）は０．２〜２０μｍ、好ましくは０．５〜１０μｍである。０．２μｍより小さい平均粒子径では、粒子の表面酸化の影響が表れ、負極活物質の充放電容量が減少し、２０μｍを超える平均粒子径では電極作製時の塗布性が悪くなる。この平均粒子径ｄ50は、例えばレーザー光回折法による粒度分布測定における重量平均値（或いはメジアン径）として求めることができる。
【００１２】
一方、導電材物質は、構成された電池において、分解や変質を起こさない電子伝導性の材料であればよく、具体的には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｓｉ等の金属粉末や金属繊維、又は天然黒鉛、人造黒鉛、各種のコークス粉末、メソフェーズ炭素、気相成長炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、各種の樹脂焼成体等の黒鉛等が用いられ、これらは単独で用いても、２種類以上で用いてもよいが、機械的表面融合のしやすさ及び負極活物質単位重量当たりの充放電容量の増大のため、特に黒鉛が好適に用いられる。また、導電材物質の形状についても特に限定されず、球状、塊状、鱗片状、繊維状等が使用できる。
【００１３】
これら導電材物質の粉末は、平均粒子径ｄ50（Ｂ）が２０ｎｍ〜１３μｍ、好ましくは３５ｎｍ〜１０μｍである。２０ｎｍより小さい平均粒子径では、粒子の表面酸化の影響が表れ、導電性が低下し、１３μｍを超える平均粒子径では電極作製時の塗布性が悪くなる。なお、これらの導電材物質の粉末は、通常入手可能なものが使用できるが、適宜粉砕して上記平均粒子径範囲としたものを用いてもよい。
【００１４】
本発明においては、導電材物質の平均粒子径ｄ50（Ｂ）に対する、ＳｉＯxの平均粒子径ｄ50（Ａ）の比［ｄ50（Ａ）／ｄ50（Ｂ）］を１．５以上、好ましくは２．０以上とする。ｄ50（Ａ）／ｄ50（Ｂ）を１．５以上とすることで、ＳｉＯxと接触する導電材物質の表面積が大きくなり、その結果、強固な表面融合化が可能となる。従って、充放電時に膨張収縮が起こっても、導電材物質の負極活物質からの剥離が防止でき、導電性を維持することでサイクル性が飛躍的に向上することができる。ここでｄ50（Ａ）／ｄ50（Ｂ）が１．５より小さいとＳｉＯxに接触する導電材物質の表面積が小さく、機械的表面融合の効果が小さくなってしまう。
【００１５】
なお、導電材物質の平均粒子径ｄ50（Ｂ）に対する、ＳｉＯxの平均粒子径ｄ50（Ａ）の比［ｄ50（Ａ）／ｄ50（Ｂ）］の上限は適宜選定されるが、［ｄ50（Ａ）／ｄ50（Ｂ）］の値を５００以下、特に２０以下にすることが好ましい。平均粒子径比の値が５００を超えると導電材物質の粒子径が細かくなりすぎ、機械的表面融合処理中に飛散しやすくなり、機械的表面融合化の効果が小さくなってしまう場合がある。
【００１６】
機械的表面融合処理に用いる導電材物質の添加量は、好ましくは１〜５０重量％、特に好ましくは５〜４０重量％である。導電材物質の量を５０重量％より多くした場合、導電材物質同士の衝突による粒子の微細化が起こる場合があり、導電性に関与しない面の出現により導電材物質の導電性が低下する恐れがある。導電材物質の添加量を１重量％未満とした場合、負極活物質への被覆が不十分となる場合があり、導電性の低下からサイクル性が悪化する恐れがある。
【００１７】
ここで、機械的表面融合処理の具体的な方法としては、原料粉体を運動する気体にのせて粒子同士をぶつける方法、又は粉体を強固な壁にぶつける方法があり、例えばジェットミル、ハイブリダイゼーション等が挙げられる。また、狭い空間を大きな力で通す等の方法により、粉体にせん断力を与えて、その際のエネルギーを利用する方法を採ることもできる。この方法としては、例えばメカノヒュージョン［ホソカワミクロン（株）製］を用いる方法が挙げられる。更に、ポット中に原料粉体と反応に関しない運動体を入れて、これに振動、回転又はこれらが組み合わされた動きを与える方法、例えばボールミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、転動ボールミル等を用いることもできる。
【００１８】
なお、これらの処理を用いる場合には、導電材物質を過度に粉砕してしまわないように、原料粉体の投入順序や混合方法に工夫が必要である。
【００１９】
被覆する導電材物質層の厚さは、導電材物質の大きさによって異なるが、通常２０ｎｍ〜１３μｍが好ましく、特に３５ｎｍ〜１０μｍである。被覆する導電材物質の厚さが２０ｎｍより薄いと、電子伝導性が低下する場合があり、１３μｍより厚いと、負極活物質であるＳｉＯxへのリチウムイオン等の電解質カチオンの拡散性が低下する恐れがある。
【００２０】
本発明の負極材は、上述の導電性ＳｉＯx粉末と共に、炭素粒子を含んでいることが好ましい。この場合炭素粒子としては、特に限定されるものではなく、負極全体の充放電容量向上のため、リチウムイオン等の電解質カチオンをドーピング、脱ドーピング可能なものであればよいが、特に黒鉛が好ましく、具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、各種のコークス粉末、メソフェーズ炭素、気相成長炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、各種の樹脂焼成体等の黒鉛が使用可能であり、それぞれ非晶質のものから高結晶性のものまで使用可能である。
【００２１】
この場合、導電性ＳｉＯx粉末に対する炭素粒子の混合割合は、導電性ＳｉＯx粉末と炭素粒子との混合物中の炭素量が３０〜９０重量％、特に３０〜７０重量％となる量であることが好ましく、上記混合物中の炭素量が少なすぎると、サイクル性が悪化する場合があり、多すぎると、充放電容量が減少する場合がある。
【００２２】
本発明において、非水電解質二次電池の負極は、上記導電性ＳｉＯx粉末、好ましくはこれと炭素粒子との混合物を含む以外に、ポリフッ化ビニリデン等の結着材、その他公知の添加剤を用いて常法により製造することができる。
【００２３】
また、本発明の負極材を用いた非水電解質二次電池においては、正極（正極活物質等）、電解質、非水溶媒、セパレータ等の材料及び電池形状等は限定されず、例えば、正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、Ｖ2Ｏ5、ＭｎＯ2、ＴｉＳ2、ＭｏＳ2等の遷移金属の酸化物又はカルコゲン化合物等を用いることができる。電解質としては、例えば過塩素酸リチウム等のリチウム塩を含む非水溶液を用いることができ、非水溶媒としてはプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチルラクトン、２−メチルテトラヒドロフラン等の溶媒を１種又は２種以上を組み合わせて用いることができる。また、それ以外の種々の非水電解質や固体電解質も使用できる。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００２５】
［実施例１］
二酸化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積＝２００ｍ2／ｇ）とセラミックグレード用金属ケイ素粉末（ＢＥＴ比表面積＝４ｍ2／ｇ）を等モルの割合で混合した。この混合物を反応器に充填し、０．１Ｔｏｒｒ以下に減圧し、１，３５０℃に昇温、保持してＳｉＯxガスを発生させ、水冷してあるＳＵＳ製の基体にＳｉＯxガスを当てて冷却析出させた。
【００２６】
この析出物を回収した後、ボールミルで５時間粉砕し、ＳｉＯx粉末を製造した。得られたＳｉＯx粉末は、ＢＥＴ比表面積２５ｍ2／ｇ、平均粒子径８μｍであり、ＳｉＯx（ｘ＝１．０）で表される非晶質粉末であった。
【００２７】
得られたＳｉＯx粉末の固体ＮＭＲ（29ＳｉＤＤ／ＭＡＳ）により測定されたスペクトルは、−７０ｐｐｍを中心としたブロードなピーク（Ａ１）と、−１１０ｐｐｍを中心としたブロードなピーク（Ａ２）の２つのピークに分離して測定され、これらのピークの面積比（Ａ１）／（Ａ２）は０．６５であった。
【００２８】
上記ＳｉＯx粉末［平均粒子径ｄ50（Ａ）＝８μｍ］を８０ｇ、人造黒鉛［平均粒子径ｄ50（Ｂ）＝３μｍ］を２０ｇ［ＳｉＯx：Ｃ＝８：２（重量比）］用い、窒素雰囲気中で３０分間、機械的表面融合処理を行った。機械的表面融合処理には、ホソカワミクロン（株）製のメカノヒュージョンＡＭ−１５Ｆを用いた。遠心力で内壁に粉体を固定する回転ケーシングと、ケーシング内面に固定された粉体に、機械的エネルギーを付与するインナーピースからなり、ケーシングの回転数は２，５００ｒｐｍ、ケーシングとインナーピースとの間隙は２ｍｍとした。処理時の酸素濃度は０．１％以下であり、温度は最高１２７℃であった。
【００２９】
機械的表面融合処理して得られた導電性ＳｉＯx粉末に、人造黒鉛（平均粒子径５μｍ）を炭素の割合が５０％［ＳｉＯx：Ｃ＝５：５（重量比）］となるように加え導電性ＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を得た。
【００３０】
この導電性ＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物に、ポリフッ化ビニリデンを、導電性ＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物：ポリフッ化ビニリデン＝９：１（重量比）の割合になるように加え、更にＮ−メチルピロリドンを加えスラリーとし、このスラリーを厚さ２０μｍの銅箔に塗布し、１２０℃で１時間乾燥後、ローラープレスにより電極を加圧成形し、最終的には直径２０ｍｍに打ち抜き負極とした。
【００３１】
ここで得られた負極の充放電特性を評価するために、対極にリチウム箔を使用し、非水電解質として六フッ化リンリチウムをエチレンカーボネートと１，２−ジメトキシエタンの１／１（体積比）混合液に１モル／Ｌの濃度で溶解した非水電解質溶液を用い、セパレータに厚さ３０μｍのポリエチレン製微多孔質フィルムを用いた評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
【００３２】
作製したリチウムイオン二次電池は、一晩室温で放置した後、二次電池充放電試験装置［（株）ナガノ製］を用い、テストセルの電圧が０Ｖに達するまで１ｍＡの定電流で充電を行い、０Ｖに達した後は、セル電圧を０Ｖに保つように電流を減少させて充電を行った。そして、電流値が２０μＡを下回った時点で充電を終了とした。放電は１ｍＡの定電流で放電を行い、セル電圧が１．８Ｖを上回った時点で放電を終了し、放電容量を求めた。
上記の操作を繰り返し、評価用リチウムイオン二次電池の１０サイクルの充放電試験を行った。結果を表１に示す。
【００３３】
［実施例２］
実施例１で得られた析出物のボールミルでの粉砕時間を３時間として、ＳｉＯｘ粉末［平均粒子径ｄ50（Ａ）＝１２μｍ］を得、このＳｉＯx粉末を８０ｇ、人造黒鉛［平均粒子径ｄ50（Ｂ）＝３μｍ］を２０ｇ用い、実施例１と同様の方法で機械的表面融合処理を行った。処理時の酸素濃度は０．１％以下であり、温度は最高１３１℃であった。
【００３４】
機械的表面融合処理して得られた導電性ＳｉＯx粉末に、天然黒鉛（平均粒子径５μｍ）を炭素の割合が５０％［ＳｉＯx：Ｃ＝５：５（重量比）］となるように加え導電性ＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を得た。
この導電性ＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を用いて、実施例１と同様の方法にて負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製し、充放電試験を行った。結果を表１に示す。
【００３５】
［実施例３］
二酸化珪素粉末（ＢＥＴ比表面積＝２００ｍ2／ｇ）とセラミックグレード用金属ケイ素粉末（ＢＥＴ比表面積＝４ｍ2／ｇ）を等モルの割合で混合した。この混合物を反応器に充填し、０．１Ｔｏｒｒ以下に減圧し、２０％の酸素を混合したアルゴンガスを反応器に流しながら反応器の温度を１，３５０℃に昇温、保持してＳｉＯxガスを発生させ、水冷してあるＳＵＳ製の基体にＳｉＯxガスを当てて冷却析出させた。
【００３６】
この析出物を回収した後、ボールミルで５時間粉砕し、ＳｉＯx粉末を製造した。得られたＳｉＯx粉末は、ＢＥＴ比表面積２１０ｍ2／ｇ、平均粒子径８μｍであり、ＳｉＯx（ｘ＝１．２２）で表される非晶質粉末であった。
【００３７】
得られたＳｉＯx粉末の固体ＮＭＲ（29ＳｉＤＤ／ＭＡＳ）により測定されたスペクトルは、−７０ｐｐｍを中心としたブロードなピーク（Ａ１）と、−１１０ｐｐｍを中心としたブロードなピーク（Ａ２）の２つのピークに分離して測定され、これらのピークの面積比（Ａ１）／（Ａ２）は０．２７であった。
【００３８】
上記ＳｉＯx粉末［平均粒子径ｄ50（Ａ）＝８μｍ］を８０ｇ、人造黒鉛［平均粒子径ｄ50（Ｂ）＝３μｍ］を２０ｇ［ＳｉＯx：Ｃ＝８：２（重量比）］用い、実施例１と同様の方法で機械的表面融合処理を行った。処理時の酸素濃度は０．１％以下であり、温度は最高１２１℃であった。
【００３９】
機械的表面融合処理して得られた導電性ＳｉＯx粉末に、人造黒鉛（平均粒子径５μｍ）を炭素の割合が５０％［ＳｉＯx：Ｃ＝５：５（重量比）］となるように加え導電性ＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を得た。
この導電性ＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を用いて、実施例１と同様の方法にて負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製し、充放電試験を行った。結果を表１に示す。
【００４０】
［実施例４］
実施例１のＳｉＯx粉末［平均粒子径ｄ50（Ａ）＝８μｍ］を６０ｇ、人造黒鉛［平均粒子径ｄ50（Ｂ）＝５μｍ］を４０ｇ［ＳｉＯx：Ｃ＝６：４（重量比）］用い、実施例１と同様の方法で機械的表面融合処理を行った。処理時の酸素濃度は０．１％以下であり、温度は最高７８℃であった。
【００４１】
機械的表面融合処理して得られた導電性ＳｉＯx粉末に、人造黒鉛（平均粒子径５μｍ）を炭素の割合が５０％［ＳｉＯx：Ｃ＝５：５（重量比）］となるように加え導電性ＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を得た。
この導電性ＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を用いて、実施例１と同様の方法にて負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製し、充放電試験を行った。結果を表１に示す。
【００４２】
［比較例１］
実施例１のＳｉＯx粉末［平均粒子径ｄ50（Ａ）＝８μｍ］を機械的表面融合処理せずに用い、ＳｉＯx粉末に、人造黒鉛（平均粒子径３μｍ）を炭素の割合が５０％［ＳｉＯx：Ｃ＝５：５（重量比）］となるように加えＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を得た。
このＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を用いて、実施例１と同様の方法にて負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製し、充放電試験を行った。結果を表１に示す。
【００４３】
［比較例２］
実施例２のＳｉＯx粉末［平均粒子径ｄ50（Ａ）＝１２μｍ］を機械的表面融合処理せずに用い、ＳｉＯx粉末に、人造黒鉛（平均粒子径３μｍ）を炭素の割合が５０％［ＳｉＯx：Ｃ＝５：５（重量比）］となるように加えＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を得た。
このＳｉＯx粉末と黒鉛との混合物を用いて、実施例１と同様の方法にて負極及び評価用リチウムイオン二次電池を作製し、充放電試験を行った。結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
0004752992.tif 000002
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、高容量かつ優れたサイクル性を示す非水電解質二次電池を与える非水電解質二次電池用負極材が得られる。