(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負極活物質粒子を有し、該負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含有する非水電解質二次電池用負極活物質であって、
前記負極活物質粒子は、少なくとも一部に炭素を含む物質から成る炭素被膜で被覆されており、該炭素被膜の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上１．９ｇ／ｃｍ３以下のものであり、
前記負極活物質粒子は、窒素ガスによる吸脱着等温線測定により得られる吸脱着等温線が、ＩＵＰＡＣ分類におけるＩＩ型又はＩＩＩ型の特徴を有するものであり、
前記負極活物質粒子の比表面積は、１．０ｍ２／ｇ以上１５ｍ２／ｇ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活物質。
【請求項２】
前記炭素被膜の含有率が、前記ケイ素化合物及び前記炭素被膜の合計に対し０．１質量％以上２５質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項３】
前記炭素被膜は、ＴＯＦ−ＳＩＭＳによって、ＣｙＨｚ系化合物のフラグメントが検出され、該ＣｙＨｚ系化合物のフラグメントとして、６≧ｙ≧２、２ｙ＋２≧ｚ≧２ｙ−２の範囲を満たすものが少なくとも一部に検出されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項４】
前記炭素被膜で検出されるＣｙＨｚ系化合物のフラグメントは、ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおけるＣ４Ｈ９の検出強度ＤとＣ３Ｈ５の検出強度Ｅが２．５≧Ｄ／Ｅ≧０．３の関係を満たすものであることを特徴とする請求項３に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項５】
前記負極活物質粒子が、１．５ｇ／ｃｍ３に圧縮した時の抵抗率が１．０×１０−２Ω・ｃｍ以上１．０×１０１Ω・ｃｍ以下の範囲のもの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項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項６】
前記負極活物質粒子の、０．１％カルボキシメチルセルロース水溶液中でのゼータ電位が負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項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項７】
前記炭素被膜が、ラマンスペクトル分析において、１３３０ｃｍ−１と１５８０ｃｍ−１に散乱ピークを有し、それらの強度比Ｉ１３３０／Ｉ１５８０が０．７＜Ｉ１３３０／Ｉ１５８０＜２．０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項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項８】
前記ケイ素化合物における前記炭素被膜の平均厚さが、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の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項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項９】
前記ケイ素化合物における前記炭素被膜の平均被覆率が、３０％以上のもの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項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項１０】
前記炭素被膜は、炭素を含む化合物を熱分解することで得られたものであ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項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項１１】
前記ケイ素化合物において、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、−２０〜−７４ｐｐｍで与えられるアモルファスシリコン領域のピーク面積Ａと−７５〜−９４ｐｐｍで与えられる結晶性シリコン領域のピーク面積Ｂと−９５〜−１５０ｐｐｍに与えられるシリカ領域のピーク面積Ｃが式（１）を満たすことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
式（１）：５．０≧Ａ／Ｂ≧０．０１、６．０≧（Ａ＋Ｂ）／Ｃ≧０．０２
【請求項１２】
前記ケイ素化合物が、Ｘ線回折により得られる（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が１．２°以上であると共に、その結晶面に起因する結晶子サイズが７．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項１３】
前記ケイ素化合物のメディアン径は、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項１４】
前記負極活物質粒子の少なくとも一部に、線状炭素成分を含有することを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項１５】
前記負極活物質粒子の少なくとも一部に、塊状炭素成分を含有することを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質を負極活物質として含有し、前記炭素被膜に由来する充放電容量を有することを特徴とする非水電解質二次電池用負極。
【請求項１７】
前記負極活物質の少なくとも一部に、Ｌｉを含有することを特徴とする請求項１６に記載の非水電解質二次電池用負極。
【請求項１８】
前記負極活物質として、さらに、炭素系活物質を含有することを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の非水電解質二次電池用負極。
【請求項１９】
前記炭素系活物質と前記ケイ素化合物の総量に対する、前記ケイ素化合物の割合が５質量％以上のものであることを特徴とする請求項１８に記載の非水電解質二次電池用負極。
【請求項２０】
前記炭素系活物質のメディアン径Ｇと前記ケイ素系活物質のメディアン径Ｆが、２５≧Ｆ／Ｇ≧０．５の関係を満たすことを特徴とする請求項１８又は請求項１９に記載の非水電解質二次電池用負極。
【請求項２１】
前記炭素系活物質は、黒鉛材料であることを特徴とする請求項１８から請求項２０のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極。
【請求項２２】
請求項１６から請求項２１のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極を用いたことを特徴とする非水電解質二次電池。
【請求項２３】
負極活物質粒子を含む非水電解質二次電池用負極材の製造方法であって、
ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．６）で表されるケイ素化合物を作製する工程と、
前記ケイ素化合物の表面を、少なくとも一部に炭素を含む物質から成る炭素被膜で被覆する工程と、
前記炭素被膜が被覆されたケイ素化合物から、前記炭素被膜の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上１．９ｇ／ｃｍ３以下であり、かつ、窒素ガスによる吸脱着等温線測定により得られる吸脱着等温線が、ＩＵＰＡＣ分類におけるＩＩ型又はＩＩＩ型の特徴を有し、比表面積は、１．０ｍ２／ｇ以上１５ｍ２／ｇ以下であるものを選別する工程を有し、
該選別した前記炭素被膜が被覆されたケイ素化合物を負極活物質粒子として、非水電解質二次電池用負極材を製造することを特徴とする非水電解質二次電池用負極材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水電解質二次電池用負極活物質、非水電解質二次電池用負極、非水電解質二次電池、及び非水電解質二次電池用負極材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】
リチウムイオン二次電池は、正極及び負極、セパレータと共に電解液を備えている。この負極は充放電反応に関わる負極活物質を含んでいる。
【０００５】
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。電池容量向上の要素として、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。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。活物質形状は炭素材で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粒子が膨張収縮するため、主に負極活物質粒子の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し、負極活物質粒子が割れやすくなる。負極活物質表層が割れることで新生面が生じ、活物質の反応面積が増加する。この時、新生面において電解液の分解反応が生じるとともに、新生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成されている。
【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）。更に、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、サイクル特性を向上させるために、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、初回充放電効率を改善するためにＬｉ含有物を負極に添加し、負極電位が高いところでＬｉを分解しＬｉを正極に戻すプレドープを行っている（例えば特許文献６参照）。
【００１０】
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）と炭素材を混合し高温焼成している（例えば特許文献７参照）。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、活物質と集電体との界面近傍における、ケイ素量に対する酸素量のモル比の最大値と最小値との差が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８参照）。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９参照）。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１０参照）。
【００１１】
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１１参照）。この場合、特許文献１１では、黒鉛被膜に関するラマン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である。
【００１２】
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１２参照）。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）と制御したケイ素酸化物を用いている（例えば、特許文献１３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【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】特表２０１３−５１３２０６号公報
【特許文献７】特開２００８−２８２８１９号公報
【特許文献８】特開２００８−２５１３６９号公報
【特許文献９】特開２００８−１７７３４６号公報
【特許文献１０】特開２００７−２３４２５５号公報
【特許文献１１】特開２００９−２１２０７４号公報
【特許文献１２】特開２００９−２０５９５０号公報
【特許文献１３】特許第２９９７７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述のように、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、その主電源である非水電解質二次電池、特に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非水電解質二次電池の開発が望まれている。また、ケイ素材を用いた非水電解質二次電池は炭素材を用いた非水電解質二次電池と同等に近いサイクル特性が望まれている。
【００１５】
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、電池容量を増加させ、サイクル特性、電池初期効率を向上させることが可能な非水電解質二次電池用負極活物質を提供することである。また、本発明は、その負極活物質を用いた非水電解質二次電池用負極及びその負極を用いた非水電解質二次電池を提供することをも目的とする。また、本発明は、電池容量を増加させ、サイクル特性及び電池初期効率に優れる非水電解質二次電池用負極材を製造する方法を提供することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は、負極活物質粒子を有し、該負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含有する非水電解質二次電池用負極活物質であって、前記負極活物質粒子は、少なくとも一部に炭素を含む物質から成る炭素被膜で被覆されており、該炭素被膜の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上１．９ｇ／ｃｍ３以下のものであり、前記負極活物質粒子は、窒素ガスによる吸脱着等温線測定により得られる吸脱着等温線が、ＩＵＰＡＣ分類におけるＩＩ型又はＩＩＩ型の特徴を有するものであることを特徴とする非水電解質二次電池用負極活物質を提供する。
【００１７】
本発明の負極活物質は、上記のような負極活物質粒子を含有するため、適度な導電性を持つとともに、粒子表面の導電性および結着剤との相性が適切に調整されており、負極としたときに、優れた容量維持率および初回効率を発揮する。また、ケイ素化合物を主体とする負極活物質であるので、炭素系活物質を主体として用いた場合より電池容量を格段に大きくすることができる。
【００１８】
このとき、前記炭素被膜の含有率が、前記ケイ素化合物及び前記炭素被膜の合計に対し０．１質量％以上２５質量％以下であることが好ましい。
【００１９】
このような割合で炭素被膜を有すれば、高容量のケイ素化合物を適切な割合で含むことができ十分な電池容量を確保することができる。
【００２０】
またこのとき、前記炭素被膜は、ＴＯＦ−ＳＩＭＳによって、ＣｙＨｚ系化合物のフラグメントが検出され、該ＣｙＨｚ系化合物のフラグメントとして、６≧ｙ≧２、２ｙ＋２≧ｚ≧２ｙ−２の範囲を満たすものが少なくとも一部に検出されることが好ましい。
【００２１】
ＴＯＦ−ＳＩＭＳ（飛行時間型二次イオン質量分析法）によって、ＣｙＨｚ系フラグメントのような化合物フラグメントが検出される表面状態であれば、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）やポリイミドなどの負極バインダーとの相性がよくなり、電池特性が向上する。
【００２２】
このとき、前記炭素被膜で検出されるＣｙＨｚ系化合物のフラグメントは、ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおけるＣ４Ｈ９の検出強度ＤとＣ３Ｈ５の検出強度Ｅが２．５≧Ｄ／Ｅ≧０．３の関係を満たすものであることが好ましい。
【００２３】
Ｃ４Ｈ９とＣ３Ｈ５の検出強度の比が、上記範囲を満たすものであれば、炭素被膜による導電性向上効果をより効果的なものとすることができる。
【００２４】
またこのとき、前記負極活物質粒子が、１．５ｇ／ｃｍ３に圧縮した時の抵抗率が１．０×１０−２Ω・ｃｍ以上１．０×１０１Ω・ｃｍ以下の範囲のものであることが好ましい。
【００２５】
負極活物質粒子を１．５ｇ／ｃｍ３に圧縮した時の抵抗率である圧縮抵抗率が、上記範囲であれば、十分かつ適度な導電性を有することができる。
【００２６】
このとき、前記負極活物質粒子の比表面積は、１．０ｍ２／ｇ以上１５ｍ２／ｇ以下であることが好ましい。
【００２７】
負極活物質粒子の比表面積が、上記範囲であれば、電池を構成したときの電解液の含浸性と、結着性をともに優れたものとすることができる。
【００２８】
またこのとき、前記負極活物質粒子の、０．１％カルボキシメチルセルロース水溶液中でのゼータ電位が負であることが好ましい。
【００２９】
負極活物質粒子を上記水溶液に分散したときのゼータ電位がこのようなものであれば、負極材作製時のスラリーを安定したものとすることができる。
【００３０】
このとき、前記炭素被膜が、ラマンスペクトル分析において、１３３０ｃｍ−１と１５８０ｃｍ−１に散乱ピークを有し、それらの強度比Ｉ１３３０／Ｉ１５８０が０．７＜Ｉ１３３０／Ｉ１５８０＜２．０を満たすものであることが好ましい。
【００３１】
本発明の負極活物質に含まれる負極活物質粒子が有する炭素被膜が、上記強度比を満たすものであれば、炭素被膜に含まれるダイヤモンド構造を有する炭素材とグラファイト構造を有する炭素材の割合を最適化することができる。
【００３２】
またこのとき、前記ケイ素化合物における前記炭素被膜の平均厚さが、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下のものであることが好ましい。
【００３３】
炭素被膜がこのような平均厚さを満たすものであれば、十分な導電性を付与できるとともに、ケイ素化合物の割合を高くすることができる。
【００３４】
このとき、前記ケイ素化合物における前記炭素被膜の平均被覆率が、３０％以上のものであることが好ましい。
【００３５】
上記の平均被覆率とすることで、このような負極活物質粒子を含む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、炭素成分が導電性向上に特に有効に働く。
【００３６】
またこのとき、前記炭素被膜は、炭素を含む化合物を熱分解することで得られたものであることが好ましい。
【００３７】
このような手法で得られた炭素被膜は、ケイ素化合物表面において、高い平均被覆率を有するものとなる。
【００３８】
このとき、前記ケイ素化合物において、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、−２０〜−７４ｐｐｍで与えられるアモルファスシリコン領域のピーク面積Ａと−７５〜−９４ｐｐｍで与えられる結晶性シリコン領域のピーク面積Ｂと−９５〜−１５０ｐｐｍに与えられるシリカ領域のピーク面積Ｃが式（１）を満たすことが好ましい。
式（１）：５．０≧Ａ／Ｂ≧０．０１、６．０≧（Ａ＋Ｂ）／Ｃ≧０．０２
【００３９】
負極活物質粒子に含まれるケイ素化合物が、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲ  スペクトルにおいて、上記式（１）を満たすピーク面積比を有するものであれば、Ｌｉの挿入に伴う膨張が抑えられるアモルファスシリコンの割合が高いため、負極の膨張が抑えられ、より良好なサイクル特性が得られる。また、このようなものであれば、シリコン成分に対してシリカ成分の割合が小さいので、ケイ素化合物内での電子伝導性の低下を抑制できる。
【００４０】
またこのとき、前記ケイ素化合物が、Ｘ線回折により得られる（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が１．２°以上であると共に、その結晶面に起因する結晶子サイズが７．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４１】
このような半値幅及び結晶子サイズを有するケイ素化合物は、結晶性が低くＳｉ結晶の存在量が少ないため、電池特性を向上させることができる。また、このような結晶性の低いケイ素化合物が存在することで、安定的なＬｉ化合物の生成を行うことができる。
【００４２】
このとき、前記ケイ素化合物のメディアン径は、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。
【００４３】
このようなメディアン径のケイ素化合物を含む負極活物質であれば、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。その結果、容量維持率を向上させることができる。
【００４４】
またこのとき、前記負極活物質粒子の少なくとも一部に、線状炭素成分を含有することが好ましい。
【００４５】
負極活物質粒子が線状炭素成分を含有すれば、線状炭素成分が活物質同士の導電性に効果を発揮するため、電池特性を向上させることができる。
【００４６】
このとき、前記負極活物質粒子の少なくとも一部に、塊状炭素成分を含有することが好ましい。
【００４７】
負極活物質粒子が塊状炭素成分を含有すれば、塊状炭素成分が活物質周囲の導電性に効果を発揮するため、電池特性を向上させることができる。
【００４８】
また、本発明は、上記のいずれかの非水電解質二次電池用負極活物質を負極活物質として含有し、前記炭素被膜に由来する充放電容量を有す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。
【００４９】
上記本発明の負極活物質を用いた負極は、非水電解質二次電池に用いた場合に、電池容量を増加させることができ、かつ、サイクル特性及び初回充放電特性を向上させることができる。
【００５０】
このとき、前記負極活物質の少なくとも一部に、Ｌｉを含有することが好ましい。
【００５１】
負極に含まれる負極活物質がＬｉを含有すれば、初回効率が向上し、その結果、非水電解質二次電池とした場合の負極の放電カットオフ電圧が低下し、維持率が向上する。
【００５２】
またこのとき、本発明の負極は、前記負極活物質として、さらに、炭素系活物質を含有することが好ましい。
【００５３】
本発明の負極活物質に加え、さらに、炭素系活物質を含有する負極であれば、負極の容量を増やしつつ、より良好なサイクル特性及び初期充放電特性が得られる。
【００５４】
このとき、前記炭素系活物質と前記ケイ素化合物の総量に対する、前記ケイ素化合物の割合が５質量％以上のものであることが好ましい。
【００５５】
ケイ素化合物の割合が上記のようなものであれば、より電池容量を増加させることができる。
【００５６】
またこのとき、前記炭素系活物質のメディアン径Ｇと前記ケイ素系活物質のメディアン径Ｆが、２５≧Ｆ／Ｇ≧０．５の関係を満たすことが好ましい。
【００５７】
炭素系活物質のメディアン径Ｇと前記ケイ素系活物質のメディアン径Ｆが上記のような関係を満たすことで、合材層の破壊を防止することができる。また、炭素系活物質がケイ素化合物に対して大きくなると、充電時の負極体積密度、初期効率が向上し、電池エネルギー密度が向上する。
【００５８】
このとき、前記炭素系活物質は、黒鉛材料であることが好ましい。
【００５９】
黒鉛材料は、他の炭素系活物質よりも良好な初回効率、容量維持率を発揮することができるため好適である。
【００６０】
また、本発明は、上記のいずれかの非水電解質二次電池用負極を用いたことを特徴とする非水電解質二次電池を提供する。
【００６１】
本発明の負極電極を用いた非水電解質二次電池であれば、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。
【００６２】
また、本発明は、負極活物質粒子を含む非水電解質二次電池用負極材の製造方法であって、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．６）で表されるケイ素化合物を作製する工程と、前記ケイ素化合物の表面を、少なくとも一部に炭素を含む物質から成る炭素被膜で被覆する工程と、前記炭素被膜が被覆されたケイ素化合物から、前記炭素被膜の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上１．９ｇ／ｃｍ３以下であり、かつ、窒素ガスによる吸脱着等温線測定により得られる吸脱着等温線が、ＩＵＰＡＣ分類におけるＩＩ型又はＩＩＩ型の特徴を有するものを選別する工程を有し、該選別した前記炭素被膜が被覆されたケイ素化合物を負極活物質粒子として、非水電解質二次電池用負極材を製造することを特徴とする非水電解質二次電池用負極材の製造方法を提供する。
【００６３】
このような製造方法であれば、上記のように選別したケイ素化合物を負極活物質粒子として使用することで、高容量であるとともに優れた容量維持率および初回効率を発揮する非水電解質二次電池用負極材を製造することができる。
【発明の効果】
【００６４】
本発明の負極活物質は、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、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、本発明の非水電解質二次電池用負極活物質を使用した負極及びその負極を使用した二次電池においても同様の特性を得ることができる。また、本発明の二次電池を用いた電子機器、電動工具、電気自動車及び電力貯蔵システム等でも同様の効果を得ることができる。
【００６５】
また、本発明の負極材の製造方法であれば、良好なサイクル特性及び初期充放電特性を有する非水電解質二次電池用負極活材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】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の構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の二次電池（ラミネートフィルム型）の構成を示す分解図である。
【図３】本発明におけるケイ素化合物の炭素被膜の密度を求めるためのプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
前述のように、非水電解質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非水電解質二次電池の負極として用いることが検討されている。
【００６８】
このケイ素材を用いた非水電解質二次電池は、炭素材を用いた非水電解質二次電池と同等に近いサイクル特性が望まれているが、炭素材を用いた非水電解質二次電池と同等のサイクル安定性を示す負極材は提案されていなかった。また、特に酸素を含むケイ素化合物は、炭素材と比較し初回効率が低いため、その分電池容量の向上は限定的であった。
【００６９】
そこで、本発明者等は、非水電解質二次電池の負極に用いた際に、良好なサイクル特性および初回効率が得られる負極活物質について鋭意検討を重ね、本発明に至った。
【００７０】
本発明の非水電解質二次電池用負極活物質は、負極活物質粒子を有し、該負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含有する非水電解質二次電池用負極活物質である。本発明において、負極活物質粒子は、少なくとも一部に炭素を含む物質から成る炭素被膜で被覆されており、該炭素被膜の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上１．９ｇ／ｃｍ３以下のものである。また、本発明において、負極活物質粒子は、窒素ガスによる吸脱着等温線測定により得られる吸脱着等温線が、ＩＵＰＡＣ分類におけるＩＩ型又はＩＩＩ型の特徴を有するものである。
【００７１】
本発明の負極活物質は、負極活物質粒子が少なくとも一部に炭素を含む物質から成る炭素被膜で被覆されていることで、優れた導電性を有するものとなる。また、炭素被膜の密度が、１．９ｇ／ｃｍ３を超える密度であると、ケイ素化合物の表面の炭素被膜が過剰に緻密になり、内部のケイ素化合物まで電解液の含浸が悪く、サイクル特性や初期充放電特性などの電池特性が悪化する。また、密度が１．２ｇ／ｃｍ３未満であると、負極活物質粒子の比表面積が大きくなり、負極を製造する際に結着剤を過剰に吸着して結着剤の効果を低下させ、電池特性が悪化する。また、吸脱着等温線が、ＩＩ型又はＩＩＩ型であれば、負極活物質粒子の表面が無孔性であるため、負極を製造する際に結着剤の消費を最小限に抑えることができ、また、結着剤が過剰に吸着しないので、膨張収縮量の大きなケイ素化合物の結着に優れた効果をなすことができる。従って、本発明の負極活物質は、電池容量を増加させ、サイクル特性、電池初期効率を向上させることができる。
【００７２】
＜１．非水電解質二次電池用負極＞
本発明の非水電解質二次電池用負極材を用いた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、単に「負極」と称することがある。）の断面構成を表している。
【００７３】
［負極の構成］
図１に示したように、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。この負極活物質層１２は負極集電体１１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１１はなくてもよい。
【００７４】
［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、機械的な強度に長けた物で構成される。負極集電体１１に用いることができ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。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。
【００７５】
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。負極集電体の物理的強度が向上するためである。特に、充電時に膨張する活物質層を有する場合、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からである。上記の含有元素の含有量は、特に限定されないが、中でも、１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。より高い変形抑制効果が得られるからである。
【００７６】
負極集電体１１の表面は、粗化されていても、粗化されていなくても良い。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。
【００７７】
［負極活物質層］
負極活物質層１２は、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な複数の負極活物質粒子を含んでおり、電池設計上、さらに負極結着剤や導電助剤など、他の材料を含んでいても良い。本発明の非水電解質二次電池用負極活物質は、この負極活物質層１２を構成する材料となる。
【００７８】
本発明の負極活物質に含まれる負極活物質粒子はリチウムイオンを吸蔵、放出可能なケイ素化合物を含有している。
【００７９】
本発明の負極活物質が含有する負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含む酸化ケイ素材であり、ケイ素化合物の組成としてはｘが１に近い方が好ましい。これは、高いサイクル特性が得られるからである。また、本発明におけるケイ素材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良い。
【００８０】
また、上述のように、本発明の負極活物質に含まれる負極活物質粒子は、炭素被膜で被覆されており、該炭素被膜の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上１．９ｇ／ｃｍ３以下のものである。
【００８１】
さらに、上述のように、本発明において、負極活物質粒子は、窒素ガスによる吸脱着等温線測定により得られる吸脱着等温線が、ＩＵＰＡＣ分類におけるＩＩ型又はＩＩＩ型の特徴を有するものである。
【００８２】
また、本発明において、負極活物質粒子は、１．５ｇ／ｃｍ３に圧縮した時の抵抗率が１．０×１０−２Ω・ｃｍ以上１．０×１０１Ω・ｃｍ以下の範囲のものであることが好ましい。圧縮抵抗率が１．０×１０−２Ω・ｃｍ以上であれば、負極活物質粒子は、適度な導電性を持ち、Ｌｉの析出が起こり難いため、電池特性が向上する。また、圧縮抵抗率が１．０×１０１Ω・ｃｍ以下であれば、導電性を十分に確保でき、電池特性が向上する。
【００８３】
負極活物質粒子の圧縮抵抗率は、例えば下記条件で測定を行うことができる。
・装置：三菱化学アナリテック製  粉体抵抗測定システム  ＭＣＰ−ＰＤ型
・４探針法
・仕込み：１．５ｇ
・加圧・測定：２０Ｎまで加圧、５Ｎごとに粉体抵抗を測定し、得られた測定値を外挿し、１．５ｇ／ｃｍ３時の圧縮抵抗率を算出。
【００８４】
また、負極活物質粒子の比表面積は、１．０ｍ２／ｇ以上１５ｍ２／ｇ以下であることが好ましい。比表面積が１．０ｍ２／ｇ以上であれば、電池とした場合に電解液の含浸性を十分に得られるため、電池特性が向上する。また、比表面積が１５ｍ２／ｇ以下であれば、負極活物質粒子に吸着する結着剤の量が適当となり、結着性が向上するため、電池特性が向上する。なお、比表面積は、例えば１点測定によるＢＥＴ法を用いて求めることができる。
【００８５】
また、負極活物質粒子の、０．１％カルボキシメチルセルロース水溶液中でのゼータ電位が負であることが好ましい。これにより、負極を作製するための水系スラリー作製時に、他の活物質との凝集等を抑制することができる。従って、良好な負極塗膜を作製できるため、電池特性が良好となる。
【００８６】
このゼータ電位は例えば下記の方法で測定できる。まず、０．１％カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）水溶液に、炭素被膜を有するケイ素化合物を含む負極活物質粒子を１％加え、ハンディミキサーで３０秒撹拌する。その後、超音波浴に１０分浸し、２５℃で電気泳動移動度を測定する。そして、得られた電気泳動移動度から、Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉの式を用いてゼータ電位を算出できる。
・溶液：負極活物質粒子１％、ＣＭＣ０．１％水溶液（ＣＭＣは第一工業製薬のセロゲンＷＳ−Ｃ等を使用できる。）
・測定装置：  大塚電子製  ＥＬＳＺ−１０００Ｚ
【００８７】
また、本発明の負極活物質は、負極活物質粒子の少なくとも一部に、線状炭素成分を含有することが好ましい。線状炭素成分は活物質同士の導電性に効果を発揮し、電池特性を向上させることができる。
【００８８】
また、本発明の負極活物質は、負極活物質粒子の少なくとも一部に、塊状炭素成分を含有することが好ましい。塊状炭素成分は、活物質周囲の導電性に効果を発揮し、電池特性を向上させることができる。
【００８９】
線状炭素成分及び塊状炭素成分は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による組成像及びＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光）による局所組成分析によって検出することができる。
【００９０】
負極活物質粒子に含まれるケイ素化合物のメディアン径は特に限定されないが、中でも０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。この範囲であれば、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。このメディアン径が０．５μｍ以上であれば表面積が増加することがないため、電池不可逆容量を低減することができる。一方、メディアン径が２０μｍ以下であれば、粒子が割れにくく、新生面が出にくいため好ましい。
【００９１】
また、本発明において、ケイ素化合物のＸ線回折により得られる（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が１．２°以上であり、その結晶面に起因する結晶子サイズが７．５ｎｍ以下であることが好ましい。このような半値幅及び結晶子サイズを有するケイ素化合物は結晶性の低いものである。このように結晶性が低くＳｉ結晶の存在量が少ないケイ素化合物を用いることにより、電池特性を向上させることができる。また、このような結晶性の低いケイ素化合物が存在することで、安定的なＬｉ化合物の生成を行うことができる。
【００９２】
また、本発明のケイ素化合物において、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、−２０〜−７４ｐｐｍで与えられるアモルファスシリコン領域のピーク面積Ａと−７５〜−９４ｐｐｍで与えられる結晶性シリコン領域のピーク面積Ｂと−９５〜−１５０ｐｐｍに与えられるシリカ領域のピーク面積Ｃが式（１）を満たすことが好ましい。なお、ケミカルシフトはテトラメチルシランを基準としたものである。
式（１）：５．０≧Ａ／Ｂ≧０．０１、６．０≧（Ａ＋Ｂ）／Ｃ≧０．０２
【００９３】
Ｌｉの挿入に伴う膨張が抑えられるアモルファスシリコンの割合が高いほど、電池とした時に、負極の膨張が抑えられ、サイクル特性が向上する。また、上記式（１）の範囲を満たすものであれば、アモルファスシリコンや結晶性シリコンといったシリコン成分に対してシリカ成分の割合が小さいので、ケイ素化合物内での電子伝導性の低下を抑制できるため、電池特性を向上させることができる。
【００９４】
２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲ  スペクトルは、例えば下記条件で測定を行うことができる。
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℃
【００９５】
また、上記したように、本発明の負極活物質粒子は、その表面の少なくとも一部に炭素被膜が形成されたものである。
【００９６】
本発明において、この炭素被膜が、ラマンスペクトル分析において、１３３０ｃｍ−１と１５８０ｃｍ−１に散乱ピークを有し、それらの強度比Ｉ１３３０／Ｉ１５８０が０．７＜Ｉ１３３０／Ｉ１５８０＜２．０を満たすものであることが好ましい。これにより、炭素被膜に含まれるダイヤモンド構造を有する炭素材とグラファイト構造を有する炭素材の割合を最適化することができる。その結果、上記の炭素被膜を有する負極活物質粒子を含む負極活物質を非水電解質二次電池の負極として用いた場合、電池特性が良好な非水電解質二次電池を得ることができる。
【００９７】
ここで、ラマンスペクトル分析の詳細について以下に示す。顕微ラマン分析（即ち、ラマンスペクトル分析）で得られるラマンスペクトルにより、ダイヤモンド構造を有する炭素材（炭素被膜又は炭素系材料）とグラファイト構造を有する炭素材の割合を求めることができる。即ち、ダイヤモンドはラマンシフトが１３３０ｃｍ−１、グラファイトはラマンシフトが１５８０ｃｍ−１に鋭いピークを示し、その強度比により簡易的にダイヤモンド構造を有する炭素材とグラファイト構造を有する炭素材の割合を求めることができる。
【００９８】
ダイヤモンドは高強度、高密度、高絶縁性であり、グラファイトは電気伝導性に優れている。そのため、上記の強度比を満たす炭素被膜は、上記のそれぞれの特徴が最適化され、結果として充放電時に伴う電極材料の膨張・収縮による電極破壊を防止でき、かつ導電ネットワークを有する負極活物質となる。
【００９９】
上記の炭素被膜の形成方法としては、黒鉛等の炭素材（炭素系化合物）によってケイ素化合物を被覆する方法を挙げることができる。
【０１００】
また、ケイ素化合物を被覆する炭素被膜の含有率が、ケイ素化合物及び炭素被膜の合計に対し０．１質量％以上２５質量％以下であることが好ましい。この炭素被膜の含有率は、より好ましくは４質量％以上２０質量％以下である。
【０１０１】
この含有率が０．１質量％以上であれば、電気伝導性を確実に向上させることが可能である。また、含有率が２５質量％以下であれば、電池特性が向上し、電池容量が大きくなる。これらの炭素系化合物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。これらの方法であれば、ケイ素化合物の表面における、炭素被膜の被覆率を向上させることができるからである。
【０１０２】
また、本発明においては、ケイ素化合物における炭素被膜の平均厚さが、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下のものであることが好ましい。平均厚さが５ｎｍ以上であれば、十分な導電性が得られ、導電性の向上に伴い、電池特性は向上する。また、平均厚さが５００ｎｍ以下であれば、負極活物質粒子の粒径に対し、炭素被膜の厚さが１割以下の割合となるため、負極活物質中のケイ素化合物割合を高く維持でき、非水電解質二次電池とした場合のエネルギー密度が向上する。なお、負極活物質粒子における、炭素被膜の平均厚さは、ＦＩＢ−ＴＥＭ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  −  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による断面観察により求めることができる。
【０１０３】
また、本発明において、ケイ素化合物における前記炭素被膜の平均被覆率が、３０％以上のものであることが好ましい。平均被覆率が３０％以上であれば、炭素成分が導電性向上に特に有効に働き、電池特性が向上する。なお、平均被覆率は、ＳＥＭ−ＥＤＸ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  −  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｅ）による局所組成解析により、表面の（炭素の検出強度）／（ケイ素の検出強度）として定義した。
【０１０４】
また、本発明において、炭素被膜は、ＴＯＦ−ＳＩＭＳによって、ＣｙＨｚ系化合物のフラグメントが検出され、該ＣｙＨｚ系化合物のフラグメントとして、６≧ｙ≧２、２ｙ＋２≧ｚ≧２ｙ−２の範囲を満たすものが少なくとも一部に検出されることが好ましい。ＣｙＨｚ系フラグメントのような化合物フラグメントが検出される表面状態であれば、ＣＭＣやポリイミドなどの負極バインダーとの相性がよくなり、電池特性が向上する。
【０１０５】
この場合、特に、炭素被膜で検出されるＣｙＨｚ系化合物のフラグメントは、ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおけるＣ４Ｈ９の検出強度ＤとＣ３Ｈ５の検出強度Ｅが２．５≧Ｄ／Ｅ≧０．３の関係を満たすものであることが好ましい。上記検出強度の比Ｄ／Ｅが２．５以下であれば、表面の電気抵抗が小さいため、導電性が向上し、電池特性が向上する。また、上記検出強度の比Ｄ／Ｅが０．３以上であれば、表面の炭素被膜を十分に形成できている状態であるため、表面全体で炭素被膜により導電性が向上し、電池特性が向上する。また、検出されるＣｙＨｚ系化合物のフラグメントの種類および量は、ＣＶＤ条件（ガス、温度）及びその後処理条件を変えることで調整可能である。
【０１０６】
ＴＯＦ−ＳＩＭＳは、例えば下記条件で測定を行うことができる。
アルバック・ファイ社製  ＰＨＩ  ＴＲＩＦＴ  ２
・一次イオン源：Ｇａ
・試料温度：２５℃
・加速電圧：５ｋＶ
・スポットサイズ：１００μｍ×１００μｍ
・スパッタ：Ｇａ、１００μｍ×１００μｍ、１０ｓ
・陰イオン質量スペクトル
・サンプル：圧粉ペレット
【０１０７】
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、鱗片状黒鉛等の黒鉛、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（炭素系材料）のいずれか１種以上があげられる。これらの導電助剤は、ケイ素化合物よりもメディアン径の小さい粒子状のものであることが好ましい。
【０１０８】
本発明において、図１の負極活物質層１２は、本発明の負極活物質に加え、さらに、炭素材料（炭素系活物質）を含んでもよい。これにより、負極活物質層１２の電気抵抗を低下するとともに、充電に伴う膨張応力を緩和することが可能となる。この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がある。中でも、炭素系活物質は、黒鉛材料であることが好ましい。黒鉛材料は、他の炭素系活物質よりも良好な初回効率、容量維持率を発揮することができる。
【０１０９】
この場合、本発明の負極は、炭素系活物質とケイ素化合物の総量に対する、ケイ素化合物の割合が５質量％以上のものであることが好ましい。また、ケイ素化合物の割合は、９０質量％未満であることが好ましい。このような非水電解質二次電池用負極であれば、初回効率、容量維持率が低下することがない。
【０１１０】
また、炭素系活物質のメディアン径Ｇとケイ素系活物質のメディアン径Ｆが、２５≧Ｆ／Ｇ≧０．５の関係を満たすことが好ましい。すなわち、炭素系活物質のメディアン径が、ケイ素系活物質のメディアン径と同等以上の大きさであることが望ましい。これは、Ｌｉ挿入・脱離に伴い膨張収縮するケイ素化合物が炭素系活物質に対して同等以下の大きさである場合、合材層の破壊を防止することができるからである。このように、炭素系活物質がケイ素化合物に対して大きくなると、充電時の負極体積密度、初期効率が向上し、電池エネルギー密度が向上する。
【０１１１】
また、本発明の負極は、本発明の負極活物質を含有するものである。その際、その負極活物質に含まれる炭素被膜に由来する充放電容量を有することが好ましい。充放電容量を持つ炭素被膜を有することにより、負極活物質粒子の内部へのＬｉイオン伝導性が向上し、電池特性が向上する。
【０１１２】
炭素被膜の充放電容量は例えば以下のように測定できる。まず、炭素被膜を有するケイ素化合物を、２０％水酸化ナトリウム水溶液中５０℃で２４時間反応させ、ケイ素成分を除く。この後、結着剤として、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）とスチレンブタジエンゴム（以下、ＳＢＲとも称する）の混合物を使用して負極を作製する。次に、この負極と対極Ｌｉでコイン電池を作製し、充放電容量を測定することで、炭素被膜の充放電容量を測定できる。
【０１１３】
また本発明の負極は、負極活物質の少なくとも一部に、Ｌｉを含有することが好ましい。負極活物質にＬｉを含有させるには、Ｌｉをケイ素化合物にドープすればよい。Ｌｉをケイ素化合物にドープする方法としては、例えば、ケイ素化合物と金属リチウムを混合して加熱する熱ドープ法や、電気化学的方法があげられる。ケイ素化合物に、Ｌｉ化合物が含まれていることにより、初回効率が向上し、その結果非水電解質二次電池とした場合の負極の放電カットオフ電圧が低下し、維持率が向上する。
【０１１４】
図１の負極活物質層１２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した結着剤など、また必要に応じて導電助剤、炭素材料を混合したのち、有機溶剤や水などに分散させ塗布する方法である。
【０１１５】
［負極の製造方法］
本発明の負極を製造する方法について説明する。
【０１１６】
最初に、負極に含まれる負極材の製造方法を説明する。まず、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．６）で表されるケイ素化合物を作製する。次に、ケイ素化合物の表面を炭素被膜で被覆する。ここで、ケイ素化合物にＬｉを挿入することにより、該ケイ素化合物の表面若しくは内部又はその両方にＬｉ化合物を生成させて該ケイ素化合物を改質してもよい。次に、炭素被膜の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上１．９ｇ／ｃｍ３以下であり、かつ、窒素ガスによる吸脱着等温線測定により得られる吸脱着等温線が、ＩＵＰＡＣ分類におけるＩＩ型又はＩＩＩ型の特徴を有するケイ素化合物を選別する。そして、負極活物質粒子として、選別した炭素被膜が被覆されたケイ素化合物を用いて、非水電解質二次電池用負極材を作製する。
【０１１７】
より具体的には、負極材は、例えば、以下の手順により製造することができる。
【０１１８】
まず、酸化珪素ガスを発生する原料（気化出発材）を不活性ガスの存在下もしくは減圧下９００℃〜１６００℃の温度範囲で加熱し、酸化ケイ素ガスを発生させる。この場合、原料は金属珪素粉末と二酸化珪素粉末との混合であり、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。粒子中のＳｉ結晶子は仕込み範囲や気化温度の変更、また生成後の熱処理で制御される。発生したガスは吸着板に堆積される。反応炉内温度を１００℃以下に下げた状態で堆積物を取出し、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。
【０１１９】
次に、得られた粉末材料の表面に炭素被膜を被覆する。得られた粉末材料の表面に炭素被膜を生成する手法としては、熱分解ＣＶＤが望ましい。熱分解ＣＶＤは炉内に粉末材料をセットし、炭化水素ガスを充満させ炉内温度を昇温させる。分解温度は特に限定しないが特に１２００℃以下が望ましい。より望ましいのは９５０℃以下であり、活物質粒子の不均化を抑制することが可能である。
【０１２０】
熱分解ＣＶＤによって炭素被膜を生成する場合、例えば、炉内の圧力、温度を調節することによって、ラマンスペクトルにおいて所望のピーク強度比Ｉ１３３０／Ｉ１５８０を満たす炭素被膜を粉末材料の表面に形成することができる。また、炭素被膜の量、厚み、被覆率、吸脱着等温線の分類、比表面積の変化は、ＣＶＤ温度、時間及びＣＶＤ時の粉末材料（ケイ素化合物粉体）の攪拌度を調節することで制御できる。
【０１２１】
次に、炭素被膜の密度が１．２ｇ／ｃｍ３以上１．９ｇ／ｃｍ３以下であり、かつ、窒素ガスによる吸脱着等温線測定により得られる吸脱着等温線が、ＩＵＰＡＣ分類におけるＩＩ型又はＩＩＩ型の特徴を有するケイ素化合物を選別する。
【０１２２】
ここで、炭素被膜の密度は、例えば、図３に示すように、ケイ素化合物と炭素被膜の総量に対する炭素被膜の炭素被膜の含有率（質量％）とケイ素化合物と炭素被膜から成る粒子の密度とのプロットを数か所作成し、線形近似で炭素被膜の含有率が１００質量％となる点の外挿を行い、炭素被膜のみの密度を算出することで求めることができる。
【０１２３】
また、吸脱着等温線は、吸着剤（ここでは、負極活物質粒子）に、吸着分子として窒素を吸脱着させることにより測定することができる。測定装置としては、日本ベル株式会社製ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉを用いることができる。なお、窒素の吸脱着時の履歴（ヒステリシス）がある場合、吸着・脱着時の同じ圧力での窒素の吸着量の最大履歴差ΔＶが、ｐ／ｐ０＝０．９の場合の窒素の吸着量Ｖと比較し、ΔＶ／Ｖ≦０．０５であれば、履歴は測定誤差によるものとし、実質的に履歴がないものとして、吸脱着等温線をＩＩ型又はＩＩＩ型と分類することができる。ここで、ｐ／ｐ０は相対圧力であり、平衡圧力を飽和蒸気圧で割ったものである。
【０１２４】
吸着等温線型に分類が異なる負極活物質粒子を分別する方法として、例えばＩＩ型とＩＶ型の分類を有する負極活物質粒子を分別する場合は、まず、負極活物質粒子の粉体を湿度８０％の環境で１０時間放置（途中で３回以上撹拌）する。次に、円筒容器中に、粉体を円筒容器内の空間に対し嵩密度で５％となるように充填し、円筒容器を２時間撹拌後、円筒容器を立て、静置して粉体が堆積するまで静置する操作を２回繰り返す。得られた粉体のうち、上に堆積した２０％分（ＩＩ型）と、下に堆積した２０％分（ＩＶ型）をそれぞれ分取することで、ＩＩ型とＩＶ型を分別することができる。
【０１２５】
このようにして選別した炭素被膜を有するケイ素化合物を負極活物質粒子として、非水電解質二次電池用負極材を作製する。
【０１２６】
続いて、負極材と負極結着剤、導電助剤など他の材料とを混合し負極合剤としたのち、有機溶剤又は水などを加えてスラリーとする。
【０１２７】
次に、負極集電体の表面に負極合剤のスラリーを塗布し、乾燥させて図１に示す負極活物質層１２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良い。このようにして負極を製造できる。
【０１２８】
また、ケイ素化合物よりメディアン径の小さい炭素系材料を導電助剤として添加する場合、例えば、アセチレンブラックを選択して添加することができる。
【０１２９】
炭化水素ガスは特に限定することはないが、ＣｎＨｍ組成のうち３≧ｎが望ましい。製造コストを低くすることができ、分解生成物の物性が良いからである。
【０１３０】
＜２．リチウムイオン二次電池＞
次に、上記したリチウムイオン二次電池用負極を用いたリチウムイオン二次電池について説明する。
【０１３１】
［ラミネートフィルム型二次電池の構成］
図２に示すラミネートフィルム型二次電池２０は、主にシート状の外装部材２５の内部に巻回電極体２１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２２が取り付けられ、負極に負極リード２３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。
【０１３２】
正負極リードは、例えば外装部材２５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２２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２３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。
【０１３３】
外装部材２５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２１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。融着部は、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、金属部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。
【０１３４】
外装部材２５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２４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。
【０１３５】
［正極］
正極は、例えば、図１の負極１０と同様に、正極集電体の両面又は片面に正極活物質層を有している。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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種又は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良い。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である。
【０１３８】
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、又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。これらの化学式として、例えば、ＬｉｘＭ１Ｏ２あるいはＬｉｙＭ２ＰＯ４で表される。式中、Ｍ１、Ｍ２は少なくとも１種以上の遷移金属元素を示す。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。
【０１３９】
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）、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）あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物（ＬｉＦｅ１−ｕＭｎｕＰＯ４（ｕ＜１））などが挙げられる。これらの正極材を用いれば、高い電池容量が得られるとともに、優れたサイクル特性も得られるからである。
【０１４０】
［負極］
負極は、上記した図１のリチウムイオン二次電池用負極１０と同様の構成を有し、例えば、集電体１１の両面に負極活物質層１２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。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ためである。
【０１４１】
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。安定した電池設計を行うためである。
【０１４２】
非対向領域、即ち、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る。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。
【０１４３】
［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、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどが挙げられる。
【０１４４】
［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。
【０１４５】
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、次の材料が挙げられる。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、あるいはテトラヒドロフランである。
【０１４６】
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を組み合わせるとより優位な特性を得ることができる。電解質塩の解離性やイオン移動度が向上するためである。
【０１４７】
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。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、例えば炭酸ビニレン又は炭酸ビニルエチレンなどがあげられる。
【０１４８】
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）を含んでいることが好ましい。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。
【０１４９】
さらに、溶媒は、酸無水物を含んでいることが好ましい。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。
【０１５０】
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、例えば、次の材料があげられる。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。
【０１５１】
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。高いイオン伝導性が得られるからである。
【０１５２】
［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。まず、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のち、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、加熱を行っても良い。また、圧縮、加熱を複数回繰り返しても良い。
【０１５３】
次に、上記したリチウムイオン二次電池用負極１０の作製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。
【０１５４】
正極及び負極を上記した同様の作製手順により作製する。この場合、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）。
【０１５５】
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２２を取り付けると共に、負極集電体に負極リード２３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、又は巻回させて巻回電極体を作成し、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２５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、巻回電極体を封入する。正極リード２２、及び負極リード２３と外装部材２５の間に密着フィルム２４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。
【０１５６】
以上のようにして、ラミネートフィルム型二次電池２０を製造することができる。
【実施例】
【０１５７】
以下、本発明の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、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１５８】
（実施例１−１）
以下の手順により、図２に示したラミネートフィルム型の二次電池２０を作製した。
【０１５９】
最初に正極を作製した。正極活物質はリチウムコバルト複合酸化物であるＬｉＣｏＯ２を９５質量部と、正極導電助剤２．５質量部と、正極結着剤（ポリフッ化ビニリデン：ＰＶＤＦ）２．５質量部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を用いた。最後にロールプレスで圧縮成型を行った。
【０１６０】
次に、負極を作成した。負極活物質を作製するため、まず、金属ケイ素と二酸化ケイ素を混合した原料を反応炉へ設置し、１０Ｐａの真空下で堆積し、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。粒径を調整した後、熱分解ＣＶＤを行うことで炭素被膜を得た。作成した粉末は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（電解質塩として、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１．３ｍｏｌ／ｋｇ含む）中で電気化学法を用いバルク改質を行った。得られた材料は炭酸雰囲気下で乾燥処理を行った。
【０１６１】
続いて、負極活物質と負極結着剤の前駆体（ポリアミック酸）と導電助剤１（鱗片状黒鉛）と導電助剤２（アセチレンブラック）とを８０：８：１０：２の乾燥質量比で混合した後、ＮＭＰで希釈してペースト状の負極合剤スラリーとした。この場合には、ポリアミック酸の溶媒としてＮＭＰを用いた。続いて、コーティング装置で負極集電体の両面に負極合剤スラリーを塗布してから乾燥させた。この負極集電体としては、電解銅箔（厚さ＝１５μｍ）を用いた。最後に、真空雰囲気中で４００℃×１時間焼成した。これにより、負極結着剤（ポリイミド）が形成される。
【０１６２】
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））を混合したのち、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。
【０１６３】
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、長手方向に巻回させ巻回電極体を得た。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１２μｍを用いた。続いて、外装部材間に電極体を挟んだのち、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。
【０１６４】
（実施例１−２〜実施例１−５、比較例１−１〜比較例１−２）
ＳｉＯｘで表わされるケイ素化合物において、酸素量を調整した以外は、実施例１−１と同様に、二次電池を作製した。
【０１６５】
実施例１−１〜実施例１−５、比較例１−１〜比較例１−２における、ケイ素化合物はいずれも以下の物性を有していた。ケイ素化合物の２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲによるピーク面積比Ａ／Ｂ＝０．６、（Ａ＋Ｂ）／Ｃ＝０．３２であった。また、ケイ素化合物のメディアン径Ｄ５０は５．１μｍであった。Ｘ線回折により得られる（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）は１．８５°であり、その結晶面（１１１）に起因する結晶子サイズは４．６２ｎｍであった。
【０１６６】
また、実施例１−１〜実施例１−５、比較例１−１〜比較例１−２における、炭素被膜の含有率は５％、炭素被膜の平均厚さは１１０ｎｍ、炭素被膜の平均被覆率は９０％、炭素被膜の密度は１．６ｇ／ｃｍ３、炭素被膜の充放電容量は２８０ｍＡｈ／ｇであった。ラマンスペクトルの強度比Ｉ１３３０／Ｉ１５８０＝１．１であった。ＴＯＦ−ＳＩＭＳによって、ｙ＝２、３、４、ｚ＝２ｙ−３、２ｙ−１、２ｙ＋１であるＣｙＨｚ系化合物のフラグメントが検出された。また、Ｃ４Ｈ９の検出強度ＤとＣ３Ｈ５の検出強度Ｅの強度比Ｄ／Ｅ＝０．８であった。また、炭素被膜には線状炭素成分、塊状炭素成分が含まれていた。
【０１６７】
このような負極活物質粒子の吸脱着等温線は、ＩＵＰＡＣ分類におけるＩＩ型の特徴を有していた。また、負極活物質粒子の圧縮抵抗率（１．５ｇ／ｃｍ３時）は０．１２Ω・ｃｍ、０．１％ＣＭＣ水溶液中でのゼータ電位は−５０ｍＶであった。また、ＢＥＴ法により測定された比表面積は５．１ｍ２／ｇであった。
【０１６８】
実施例１−１〜実施例１−６、比較例１−１〜比較例１−２の二次電池のサイクル特性（維持率％）、初回充放電特性（初期効率％）を調べたところ、表１に示した結果が得られた。
【０１６９】
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、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１００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１００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（％表示のため×１００）、容量維持率を算出した。サイクル条件として、４．３Ｖに達するまで定電流密度、２．５ｍＡ／ｃｍ２で充電し、電圧に達した段階で４．３Ｖ定電圧で電流密度が０．２５ｍＡ／ｃｍ２に達するまで充電した。また放電時は２．５ｍＡ／ｃｍ２の定電流密度で電圧が３．０Ｖに達するまで放電した。
【０１７０】
初回充放電特性を調べる場合には、初回効率（％）＝（初回放電容量／初回充電容量）×１００を算出した。雰囲気温度は、サイクル特性を調べた場合と同様にした。充放電条件はサイクル特性の０．２倍で行った。すなわち、４．３Ｖに達するまで定電流密度、０．５ｍＡ／ｃｍ２で充電し、電圧が４．３Ｖに達した段階で４．３Ｖ定電圧で電流密度が０．０５ｍＡ／ｃｍ２に達するまで充電し、放電時は０．５ｍＡ／ｃｍ２の定電流密度で電圧が３．０Ｖに達するまで放電した。
【０１７１】
尚、下記表１から表９に示される維持率及び初回効率は、天然黒鉛（例えば、メディアン径２０μｍ）等の炭素系活物質を含有せず、炭素被膜を有するケイ素化合物のみを負極活物質として使用した場合の維持率及び初回効率、すなわち、ケイ素系化合物の維持率及び初回効率を示す。これにより、ケイ素系化合物の変化（酸素量、結晶性、メディアン径の変化など）又は炭素被膜の変化（含有率、組成など）のみに依存した維持率及び初回効率の変化を測定することができた。
【０１７２】
【表１】
0006312211.tif 000002
【０１７３】
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）初回効率が向上するが、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）導電性の低下が生じ維持率、初回効率とも低下し、測定不可となった。
【０１７４】
（実施例２−１〜実施例２−７、比較例２−１〜比較例２−３）
ケイ素化合物表面の炭素被膜の密度、含有率、平均厚さ、平均被覆率、及び負極活物質粒子のＩＵＰＡＣ吸脱着等温線の分類、比表面積を変化させた以外は、実施例１−３と同様に二次電池の製造を行った。炭素被膜の密度、含有率、平均厚さ、平均被覆率、及び負極活物質粒子のＩＵＰＡＣ吸脱着等温線の分類、比表面積はＣＶＤ温度、時間およびＣＶＤ時のケイ素化合物紛体の撹拌度を調節することで制御可能である。
【０１７５】
実施例２−１〜実施例２−７、比較例２−１〜比較例２−３の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表３に示した結果が得られた。
【０１７６】
【表２】
0006312211.tif 000003
【０１７７】
表２からわかるように、また、吸脱着等温線は、ＩＩ型又はＩＩＩ型に分類される特徴を持つことで電池特性が向上する。これは表面が無孔性であることで、結着剤の消費を最小限に抑え、膨張収縮量の大きなケイ素系活物質の結着に優れた効果をなすためである。また、炭素被膜の密度が１．９ｇ／ｃｍ３より大きい場合（比較例２−１）及び１．２ｇ／ｃｍ３未満の場合（比較例２−２）は、電池特性は悪化した。
【０１７８】
また、炭素被膜の含有率は、０．１質量％以上２５質量％以下、特に４質量％以上２０質量％以下の場合に、維持率、初回効率がともに向上する。炭素被膜の含有率が０．１質量％以上であれば負極活物質粒子の電子伝導性が向上し、２５質量％以下であれば負極活物質粒子のイオン導電性の低下を抑制できるため、上記範囲でよい維持率、初回効率が得られる。また、炭素被膜の厚さは５００ｎｍ以下であることが好ましい。また、平均被覆率は３０％以上あれば、炭素成分が導電性向上により有効に働くため、電池特性が向上する。また、比表面積が、１．０ｍ２／ｇ以上１５ｍ２／ｇ以下であることで良い特性となる。
【０１７９】
（実施例３−１〜実施例３−６）
ケイ素化合物内のＳｉ成分とＳｉＯ２成分の比（Ｓｉとシリカの比）及び不均化度を変化させたことを除き、実施例１−３と同様に、二次電池の製造を行った。Ｓｉ成分とＳｉＯ２成分の比は、ＳｉＯ作成時の金属ケイ素およびシリカの仕込み量を変更させることによって、実施例３−１〜実施例３−６で変化させた。また、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ）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、−２０〜−７４ｐｐｍで与えられるアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）領域のピーク面積Ａと−７５〜−９４ｐｐｍで与えられる結晶性シリコン（ｃ−Ｓｉ）領域のピーク面積Ｂとの比率Ａ／Ｂは熱処理によって不均化度を制御することによって調整した。
【０１８０】
実施例３−１〜３−６の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表３に示した結果が得られた。
【０１８１】
【表３】
0006312211.tif 000004
【０１８２】
表３に示すように、５．０≧Ａ／Ｂ≧０．０１、６．０≧（Ａ＋Ｂ）／Ｃ≧０．０２の範囲を満たす場合（実施例１−３、３−３、３−４）、維持率、初回効率ともに良い特性となった。ａ−Ｓｉ成分が増加すると初回効率が低下するが、維持率は向上する。そのバランスが、５．０≧Ａ／Ｂ≧０．０１の範囲で保たれるためである。また、Ｓｉ成分とＳｉＯ２成分の比（Ａ＋Ｂ）／Ｃが６以下であれば、Ｌｉ挿入に伴う膨張を小さく抑制できるため、維持率が向上する。また、（Ａ＋Ｂ）／Ｃが０．０２以上であれば、導電性が向上し、維持率、初回効率ともに向上する。５．０≧Ａ／Ｂ≧０．０１のみを満たす場合（実施例３−１、３−６）では、Ａ／Ｂ及び（Ａ＋Ｂ）／Ｃの上記範囲を両方とも満たす場合に比べ、初期効率及び維持率が若干低下する。０≧（Ａ＋Ｂ）／Ｃ≧０．０２のみを満たす場合（実施例３−２、３−５）では、Ａ／Ｂ及び（Ａ＋Ｂ）／Ｃの上記範囲を両方とも満たす場合に比べ、維持率が若干低下する。
【０１８３】
（実施例４−１〜４−５）
ケイ素化合物の結晶性を変化させた他は、実施例１−３と同様に二次電池の製造を行った。結晶性の変化は非大気雰囲気下の熱処理で制御可能である。実施例４−１では結晶子サイズを１．５４２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４−１のケイ素化合物は実質的に非晶質であると言える。
【０１８４】
実施例４−１〜実施例４−５の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表４に示した結果が得られた。
【０１８５】
【表４】
0006312211.tif 000005
【０１８６】
表４からわかるように、ケイ素化合物の結晶性を変化させたところ、それらの結晶性に応じて容量維持率及び初回効率が変化した。特にＳｉ（１１１）面に起因する結晶子サイズ７．５ｎｍ以下の低結晶性材料で高い初回効率が可能となる。特に非結晶領域では最も良い特性が得られる。
【０１８７】
（実施例５−１〜実施例５−３）
負極活物質粒子の表面状態を変化させ、炭素被膜のラマンスペクトル分析における、１３３０ｃｍ−１と１５８０ｃｍ−１の散乱ピークの強度比Ｉ１３３０／Ｉ１５８０、及び炭素成分の充放電容量を変化させたこと除き、実施例１−３と同様に、二次電池の製造を行った。なお、散乱ピークの強度比Ｉ１３３０／Ｉ１５８０、及び炭素成分の充放電容量は、ＣＶＤ時の温度およびガス圧力を変化させることによって行った。
【０１８８】
実施例５−１〜５−３の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表５に示した結果が得られた。
【０１８９】
【表５】
0006312211.tif 000006
【０１９０】
表４に示すように、ラマンスペクトルにおける、散乱ピークの強度比Ｉ１３３０／Ｉ１５８０が２．０未満である場合は、表面にＩ１３３０に由来する乱雑な結合様式をもつ炭素成分が少なく、電子伝導性が高いため、維持率、初回効率が向上する。また、Ｉ１３３０／Ｉ１５８０が０．７より大きい場合は、表面にＩ１５８０に由来する黒鉛等の炭素成分が少なく、イオン電導性及び炭素被膜のケイ素化合物のＬｉ挿入に伴う膨張への追随性が向上し、容量維持率が向上する。また、炭素被膜が充放電容量を持つ実施例１−３、５−１、５−２では、負極活物質内部へのＬｉイオン伝導性が向上し、維持率の向上がみられた。
【０１９１】
（実施例６−１〜実施例６−６、比較例６−１、６−２）
ケイ素化合物表面の炭素被膜の状態を調整したこと以外は、実施例１−３と同様に、二次電池を作製した。すなわち、実施例６−１〜実施例６−６では、ＴＯＦ−ＳＩＭＳによって炭素被膜から検出されるＣｙＨｚフラグメント、ＴＯＦ−ＳＩＭＳにおけるＣ４Ｈ９の検出強度ＤとＣ３Ｈ５の検出強度Ｅの強度比Ｄ／Ｅ、及びゼータ電位を変化させた。この場合、ケイ素化合物へのＣＶＤの際に用いるガス種、ＣＶＤ温度、及びＣＶＤ後処理温度を調整している。また、アンモニアガス中でケイ素化合物の焼成処理を行うことで、ゼータ電位が正の負極活物質粒子を得た。また、比較例６−１、６−２では炭素被膜の被覆を行わなかった。
【０１９２】
実施例６−１〜実施例６−６、比較例６−１、６−２の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表６に示した結果が得られた。
【０１９３】
【表６】
0006312211.tif 000007
【０１９４】
表６に示すように、ＣｙＨｚ系化合物のフラグメントが検出された場合、及び２．５≧Ｄ／Ｅ≧０．３の関係を満たす場合は、電池特性が向上した。また、比較例６−１、６−２のように、炭素被膜が無い場合は、負極での電気伝導性が悪化するため、維持率、初回効率が悪化する。また、６≧ｙ≧２、２ｙ＋２≧ｚ≧２ｙ−２の範囲を満たすＣｙＨｚ系化合物のフラグメントが検出された場合、電池特性が向上した。
【０１９５】
また、ゼータ電位が負であると、負極を作製するための負極合剤スラリー中で凝集し難く、ダマにならないため、電池特性が向上した。また、ゼータ電位ζ［ｍＶ］が負であり、かつ、−８００＜ζ［ｍＶ］＜０である場合は、負極活物質同士の反発が大きくなり過ぎず、負極中での組成にムラができないため、電池特性が向上する。実施例６−４のように、ゼータ電位が正である場合には、維持率は十分に高くなったが、ゼータ電位が負である場合に比べて、初期効率はやや低くなった。
【０１９６】
（実施例７−１〜７−３）
負極活物質粒子に含まれる炭素成分の形状を調整した。炭素のみの成分の形状は、ケイ素化合物に含まれる不純物の鉄濃度を調整することや、ＣＶＤ時の圧力を調整することで行った。
【０１９７】
実施例７−１〜７−３の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表６に示した結果が得られた。
【０１９８】
【表７】
0006312211.tif 000008
【０１９９】
表７からわかるように、塊状炭素成分を含む場合、線状炭素成分を含む場合、その両方の炭素成分を含む場合で、これら炭素成分を含まない場合と比較し、初回効率および維持率の向上がみられた。
【０２００】
（実施例８−１〜８−５）
ケイ素化合物のメディアン系を調節した他は、実施例１−３と同様に二次電池を製造した。メディアン系の調節はケイ素化合物の製造工程における粉砕時間、分級条件を変化させることによって行った。実施例８−１〜８−５の二次電池のサイクル特性、初回充放電特性及びＳｉＯ初回効率％を調べたところ、表８に示した結果が得られた。
【０２０１】
【表８】
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【０２０２】
表８からわかるように、ケイ素化合物のメディアン径を変化させたところ、それに応じて維持率および初回効率が変化した。実施例８−２〜８−４に示すように、ケイ素化合物粒子のメディアン径が０．５μｍ〜２０μｍであると容量維持率がより高くなった。特にメディアン径が０．５μｍ以上１２μｍ以下の場合、維持率の向上がみられた。
【０２０３】
（実施例９−１〜９−２）
ケイ素化合物にＬｉドープを行い、負極活物質にＬｉを含有させたこと以外は、実施例１−３と同様に、二次電池を作成した。実施例９−１では熱ドープ法を用いて、実施例９−２では電気化学的手法を用いてＬｉドープを行った。
【０２０４】
実施例９−１〜９−２の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表９に示した結果が得られた。
【０２０５】
【表９】
0006312211.tif 000010
【０２０６】
表９からわかるように、負極活物質にＬｉを含有させたことによって、初回効率が向上した。それに伴い、二次電池とした際の放電時の負極カットオフ電圧が低下し、維持率もともに向上した。
【０２０７】
（実施例１０−１〜実施例１０−６）
実施例１０−１〜実施例１０−６では、基本的に実施例１−３と同様に二次電池の製造を行ったが、負極活物質として、さらに、炭素系活物質（人造黒鉛と天然黒鉛を１：１の質量比で混合したもの）を加え、負極中のケイ素化合物及び炭素系活物質材の含有量の比（ケイ素化合物（ＳｉＯ材）の活物質全体に占める割合）を変化させ、その割合に応じて結着剤も変更した。実施例１０−１〜１０−３では、結着剤として、スチレンブタジエンゴム（表１０では、ＳＢＲと表記）とＣＭＣを混合したものを使用した。実施例１０−４〜１０−６では、結着剤として、ポリイミド（表１０では、ＰＩと表記）を使用した。
【０２０８】
（比較例１０−１）
本発明の負極活物質を含有せず、実施例１０−１〜実施例１０−６でも使用した炭素系活物質のみを負極活物質とし、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物を正極材として使用した他は、実施例１−３と同様に二次電池を製造した。
【０２０９】
実施例１０−１〜１０−６、比較例１０−１の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べた。また、実施例１０−１〜１０−６、比較例１０−１の二次電池の電力容量密度（ｍＡｈ／ｃｍ３）を測定し、比較例１０−１の二次電池の電力容量密度を基準とした場合の、相対的な電力容量密度を各々の場合で算出した。これらの結果を表１０に示す。
【０２１０】
【表１０】
0006312211.tif 000011
【０２１１】
表１０からわかるように、ケイ素化合物の割合を増やすと負極の容量は増加するが、初回効率、維持率の低下がみられる。また、表１０中に示す相対電力容量密度は、上記のようにケイ素化合物の割合が０、かつＮＣＡ（リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物）正極材と組み合わせ、電池での放電カットオフ電圧を２．５Ｖとした場合の電力容量密度（比較例１０−１）を基準としている。ケイ素化合物の割合を減らすと、初回効率、維持率は向上するが、電力容量密度が小さくなる。特に、比較例１０−１のように炭素系活物質のみを負極活物質として使用する場合、高い電力容量密度のリチウムイオン二次電池を得ることはできない。特に、ケイ素化合物の割合が５質量％以上であると、十分な電力容量密度の向上が見られる。
【０２１２】
（実施例１１−１〜実施例１１−８）
負極活物質層中の炭素系活物質のメディアン径Ｇとケイ素系活物質のメディアン径Ｆを変化させて、これらの比Ｆ／Ｇを変化させたことを除き、実施例１０−２と同様に、二次電池の製造を行った。
【０２１３】
実施例１１−１〜１１−８の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表１１に示した結果が得られた。
【０２１４】
【表１１】
0006312211.tif 000012
【０２１５】
表１１からわかるように、負極活物質層中の炭素系活物質は、ケイ素化合物に対し同等以上の大きさであること、すなわち、Ｆ／Ｇ≧０．５であることが望ましい。膨張収縮するケイ素化合物が炭素系負極材に対して同等以下の大きさである場合、合材層の破壊を防止することができる。炭素系負極材がケイ素化合物に対して大きくなると、充電時の負極体積密度、初期効率が向上し、電池エネルギー密度が向上する。また、特に、２５≧Ｆ／Ｇ≧０．５の範囲を満たすことで、初回効率、及び維持率がより向上する。
【０２１６】
（実施例１２−１〜実施例１２−４）
負極中の炭素系活物質材の種類を変化させたことを除き、実施例１０−２と同様に、二次電池の製造を行った。
【０２１７】
実施例１２−１〜１２−４の二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を調べたところ、表１２に示した結果が得られた。
【０２１８】
【表１２】
0006312211.tif 000013
【０２１９】
表１２からわかるように、負極活物質層中の炭素系活物質は、人造黒鉛や天然黒鉛などの黒鉛系材料が含まれていることが望ましい。これは、黒鉛系炭素材の初回効率、維持率が高いため、ケイ素化合物と負極を作成した際、電池特性が相対的に向上するためである。
【０２２０】
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】
【０２２１】
１０…負極、  １１…負極集電体、  １２…負極活物質層、
２０…リチウム二次電池（ラミネートフィルム型）、  ２１…電極体、
２２…正極リード（正極アルミリード）、
２３…負極リード（負極ニッケルリード）、  ２４…密着フィルム、
２５…外装部材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0006312211.tif 000016