CN104813516B - 电气设备用负极、及使用其的电气设备 - Google Patents

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Abstract

[课题]提供维持高循环特性、且初始容量也高、表现出平衡良好的特性的Li离子二次电池等电气设备用负极。[解决手段]一种电气设备用负极，其特征在于，具有集电体、以及配置于前述集电体的表面的包含负极活性物质、导电助剂和粘结剂的电极层，前述负极活性物质包含下述式(1)：SixSnyMzAa(上述式(1)中，M为选自由Al、V、C、以及它们的组合组成的组中的至少1种金属，前述A为不可避免的杂质，x、y、z和a表示质量％的值，此时，0<x<100，0<y<100，0<z<100，并且0≤a<0.5，x+y+z+a＝100。)所示的合金，并且电极层的伸长率(δ)为1.29％<δ<1.70％。

Description

电气设备用负极、及使用其的电气设备
技术领域
本发明涉及电气设备用负极、及使用其的电气设备。本发明的电气设备用负极及使用其的电气设备例如可以作为二次电池、电容器等用于电动汽车、燃料电池车及混合动力电动汽车等车辆的发动机等的驱动用电源、辅助电源。
背景技术
近年来，为了应对大气污染、全球变暖，迫切期望二氧化碳量的降低。汽车行业中，电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)的引入所带来的二氧化碳排出量的降低备受期待，掌握它们的实用化的关键的发动机驱动用二次电池等电气设备的开发正在积极进行。
作为发动机驱动用二次电池，与移动电话、笔记本电脑等所使用的民用锂离子二次电池相比，要求具有极高的功率特性、以及高能量。因此，在所有电池中具有最高的理论能量的锂离子二次电池备受关注，现在正迅速地进行开发。
锂离子二次电池通常具有如下的构成：使用粘结剂将正极活性物质等涂布于正极集电体的两面而成的正极与使用粘结剂将负极活性物质等涂布于负极集电体的两面而成的负极隔着电解质层而被连接，并容纳于电池外壳中。
一直以来，锂离子二次电池的负极使用在充放电循环的寿命、成本方面有利的碳/石墨系材料。但是，碳/石墨系的负极材料由于通过锂离子在石墨晶体中的吸藏/释放而进行充放电，因此存在得不到由最大锂导入化合物即LiC6得到的理论容量372mAh/g以上的充放电容量这样的缺点。因此，难以利用碳/石墨系负极材料得到满足车辆用途的实用化水平的容量、能量密度。
另一方面，负极使用了与Li进行合金化的材料的电池与现有的碳/石墨系负极材料相比，能量密度提高，因此作为车辆用途的负极材料受到期待。例如，Si材料在充放电中像下述的反应式(1)这样每1mol中吸藏释放4.4mol的锂离子，对于Li22Si5(＝Li4.4Si)，理论容量为2100mAh/g。进而，以每单位重量Si计而算出时，具有3200mAh/g(参见参考例C的比较参考例29)的初始容量。
然而，负极使用了与Li进行合金化的材料的锂离子二次电池在充放电时在负极的膨胀收缩大。例如，关于吸藏Li离子时的体积膨胀，石墨材料的情况下约为1.2倍，而Si材料的情况下，Si与Li进行合金化时，自非晶状态向晶体状态转变，发生较大的体积变化(约4倍)，因此，存在降低电极的循环寿命的问题。另外，Si负极活性物质的情况下，容量与循环耐久性为折衷的关系，存在难以表现出高容量且使高循环耐久性提高这样的问题。
为了解决这种问题，提出了包含具有式：SixMyAlz的非晶合金的锂离子二次电池用的负极活性物质(例如，参见专利文献1)。此处，式中x、y、z表示原子百分比值，x+y+z＝100，x≥55，y<22，z>0，M为包含Mn、Mo、Nb、W、Ta、Fe、Cu、Ti、V、Cr、Ni、Co、Zr和Y中至少1种的金属。上述专利文献1中记载的发明中，段落“0018”中记载了通过使金属M的含量为最小限，从而除了高容量之外还表现出良好的循环寿命。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2009-517850号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，使用上述专利文献1中记载的具有式：SixMyAlz的非晶合金的负极的锂离子二次电池的情况下，虽然能够表现出良好的循环特性，但是初始容量并不能称之为充分。另外，循环特性也不能称为充分。
所以，本发明的目的在于提供维持高循环特性、且初始容量也高、表现出平衡良好的特性的Li离子二次电池等的电气设备用负极。
用于解决问题的方案
本发明人等发现，通过应用3元系的Si-Sn-M系的合金作为负极活性物质材料，并且将电极层(负极活性物质层)的伸长率设定为规定范围，从而能够解决上述问题，并基于该见解完成了本发明。
附图说明
图1为示意性地表示本发明的电气设备的代表性的一个实施方式即层叠型的扁平的非双极型锂离子二次电池的概要的截面示意图。
图2为示意性地表示本发明的电气设备的代表性的实施方式即层叠型的扁平的锂离子二次电池的外观的立体图。
图3为将构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-Al系合金的组成范围、以及参考例A中成膜的合金成分作图并示出的3元组成图。
图4为示出构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-Al系合金的适宜组成范围的3元组成图。
图5为示出构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-Al系合金的更适宜的组成范围的3元组成图。
图6为示出构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-Al系合金的进一步适宜的组成范围的3元组成图。
图7为将构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-V系合金的组成范围、以及参考例B中成膜的合金成分作图并示出的3元组成图。
图8为示出构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-V系合金的适宜组成范围的3元组成图。
图9为示出构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-V系合金的更适宜的组成范围的3元组成图。
图10为示出构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-V系合金的进一步适宜的组成范围的3元组成图。
图11为将构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-C系合金的组成范围、以及参考例C中成膜的合金成分作图并示出的三元组成图。
图12为示出构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-C系合金的适宜的组成范围的三元组成图。
图13为示出构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-C系合金的更适宜的组成范围的三元组成图。
图14为示出构成本发明的电气设备用负极所具有的负极活性物质的Si-Sn-C系合金的进一步适宜的组成范围的三元组成图。
图15为示出参考例和比较参考例中得到的电池的负极活性物质合金组成对初始放电容量造成的影响的图。
图16为示出参考例和比较参考例中得到的电池的负极活性物质合金组成对第50个循环的放电容量维持率造成的影响的图。
图17为示出参考例和比较参考例中得到的电池的负极活性物质合金组成对第100个循环的放电容量维持率造成的影响的图。
图18为表示实施例中电极层的伸长率与放电容量提高率的关系的附图。
图19为表示实施例中电极层中所含的粘结剂的E弹性模量与电池的放电容量提高率的关系的附图。
图20为示出实施例中负极集电体的弹性伸长率与电池的放电容量提高率的关系的曲线。
图21为示出实施例中的Si合金的含有率与能量密度或放电容量维持率的关系的附图。
具体实施方式
以下边参照附图边说明本发明的电气设备用负极及使用其而成的电气设备的实施方式。但是，本发明的保护范围应当根据权利要求书的记载而定，不仅限定于以下的形态。需要说明的是，附图的说明中对同一元件标记同一符号，省略重复的说明。另外，附图的尺寸比率有时为了便于说明而进行了夸张，与实际的比率不同。
本发明的电气设备用负极具有集电体、以及配置于前述集电体的表面的包含负极活性物质、导电助剂和粘结剂的电极层。进而，前述负极活性物质的特征在于，其包含下述式(1)所示的合金(以下也简称为“合金”或“Si合金”)，并且电极层的伸长率(δ)为1.29％<δ<1.70％的范围。
SixSnyMzAa (1)
上述式(1)中，M为选自由Al、V、C、以及它们的组合组成的组中的至少1种金属。前述A为不可避免的杂质。前述x、y、z和a表示质量％的值，此时，0<x<100，0<y<100，0<z<100，并且0≤a<0.5，x+y+z+a＝100。
根据本发明，Si与Li进行合金化时，应用3元系的Si-Sn-M系的合金，从而可得到抑制非晶-晶体的相变并提高循环寿命这样的作用。进而，将电极层的伸长率设定为规定范围。此处，通过使电极层的伸长率大于规定范围的下限，从而对于由充放电造成的负极活性物质的膨胀/收缩所引起的体积变化，活性物质以外的电极构成要素能够追随，能够抑制电极整体的体积变化。另外，通过使电极层的伸长率小于规定范围的上限，从而能够抑制电极层的伸长率阻碍伴随充放电的锂离子向负极活性物质的反应(嵌入/脱嵌)。作为这种复合作用的结果，本发明的负极可得到初始容量也高、具有高容量/高循环耐久性、尤其是高放电容量提高率这样的有用的效果。
以下，使用附图说明可应用本发明的电气设备用的负极的电气设备的基本构成。本实施方式中，作为电气设备以锂离子二次电池为例进行说明。需要说明的是，本发明中，“电极层”是指，包含负极活性物质、导电助剂和粘结剂的合剂层，本说明书的说明中有时也称为“负极活性物质层”。同样地，有时也将正极侧的电极层称为“正极活性物质层”。
首先，对于本发明的电气设备用负极的代表性的一个实施方式即锂离子二次电池用的负极以及使用其而成的锂离子二次电池，电池单元(单电池层)的电压大，能够达成高能量密度、高功率密度。因此，使用本实施方式的锂离子二次电池用的负极而成的锂离子二次电池作为车辆的驱动电源用、辅助电源用是优异的。其结果，可以适宜地作为车辆的驱动电源用等的锂离子二次电池而利用。除此之外，还可以充分用于移动电话等移动设备用的锂离子二次电池。
即，作为本实施方式的对象的锂离子二次电池只要使用以下说明的本实施方式的锂离子二次电池用的负极而成即可，关于其它的技术特征，并没有特别限制。
例如，以形态/结构区别上述锂离子二次电池时，可以用于层叠型(扁平型)电池、卷绕型(圆筒型)电池等现有公知的任意形态/结构。通过采用层叠型(扁平型)电池结构，从而能够利用简单的热压接等密封技术确保长期可靠性，在成本方面、操作性的方面是有利的。
另外，以锂离子二次电池内的电连接形态(电极结构)来看时，可以应用于非双极型(内部并联型)电池和双极型(内部串联型)电池中的任一种。
以锂离子二次电池内的电解质层的种类区别时，可以应用于电解质层使用非水系的电解液等溶液电解质的溶液电解质型电池、电解质层使用高分子电解质的聚合物电池等现有公知的任意电解质层的类型。该聚合物电池进一步分为：使用高分子凝胶电解质(也简称为凝胶电解质)的凝胶电解质型电池、使用高分子固体电解质(也简称为聚合物电解质)的固体高分子(全固体)型电池。
因此，以下的说明中，对于使用本实施方式的锂离子二次电池用的负极而成的非双极型(内部并联型)锂离子二次电池，使用附图进行简单说明。但是，本实施方式的锂离子二次电池的保护范围并不受这些的限制。
<电池的整体结构>
图1为示意性地表示本发明的电气设备的代表性的一个实施方式即扁平型(层叠型)的锂离子二次电池(以下也简称为“层叠型电池”)的整体结构的截面示意图。
如图1所示，本实施方式的层叠型电池10具有如下的结构：实际上进行充放电反应的大致为矩形的发电元件21被密封在作为外壳体的层压片29的内部。此处，发电元件21具有：将在正极集电体11的两面配置有正极活性物质层13的正极、电解质层17、以及在负极集电体12的两面配置有负极活性物质层15的负极层叠而成的构成。具体而言，使1个正极活性物质层13和与其邻接的负极活性物质层15夹着电解质层17对置，依次层叠负极、电解质层和正极。
由此，邻接的正极、电解质层、以及负极构成1个单电池层19。因此，可以说图1中示出的层叠型电池10具有通过层叠多个单电池层19来进行电并联而形成的构成。需要说明的是，位于发电元件21的两最外层的最外层的正极集电体均仅在单面配置有正极活性物质层13，但也可以在两面设置有活性物质层。即，也可以不制造仅在单面设有活性物质层的最外层专用的集电体，而是将在两面具有活性物质层的集电体直接用作最外层的集电体。另外，也可以通过将正极和负极的配置与图1颠倒，从而使最外层的负极集电***于发电元件21的两最外层，在该最外层的负极集电体的单面或两面配置有负极活性物质层。
正极集电体11和负极集电体12具有如下的结构：分别安装与各电极(正极和负极)导通的正极集电板25和负极集电板27，使其夹在层压片29的端部，向层压片29的外部导出。正极集电板25和负极集电板27也可以分别根据需要而借助正极引线和负极引线(未图示)通过超声波焊接、电阻焊接等安装于各电极的正极集电体11和负极集电体12。
上述说明的锂离子二次电池在负极具有特征，所述负极包含3元系的Si-Sn-M系的合金作为负极活性物质，进而负极活性物质层的伸长率(δ)为1.29％<δ<1.70％的范围。以下对于包括该负极的、电池的主要的构成构件进行说明。
<活性物质层>
活性物质层13或15包含活性物质，根据需要进一步包含其它添加剂。
[正极活性物质层]
正极活性物质层13包含正极活性物质。
(正极活性物质)
作为正极活性物质，例如可列举出锂-过渡金属复合氧化物、锂-过渡金属磷酸化合物、锂-过渡金属硫酸化合物、固溶体系、3元系、NiMn系、NiCo系、尖晶石Mn系等。
作为锂-过渡金属复合氧化物，例如可列举出LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni、Mn、Co)O2、Li(Li、Ni、Mn、Co)O2、LiFePO4及它们的过渡金属的一部分被其它元素置换而成的物质等。
作为固溶体系，可列举出xLiMO2·(1-x)Li2NO3(0<x<1，M是平均氧化状态为3+的1种以上的过渡金属，N是平均氧化状态为4+的1种以上的过渡金属)、LiRO2-LiMn2O4(R＝Ni、Mn、Co、Fe等过渡金属元素)等。
作为3元系，可列举出镍·钴·锰系(复合)正极材料等。
作为NiMn系，可列举出LiNi0.5Mn1.5O4等。
作为NiCo系，可列举出Li(NiCo)O2等。
作为尖晶石Mn系，可列举出LiMn2O4等。
根据情况，也可以组合使用2种以上的正极活性物质。优选的是，从容量、功率特性的观点出发，使用锂-过渡金属复合氧化物作为正极活性物质。此外，当然也可以使用上述以外的正极活性物质。在体现活性物质各自的固有效果上最佳的粒径不同时，将在体现各自的固有效果上最佳的粒径彼此共混来使用即可，不必使所有活性物质的粒径均匀化。
对正极活性物质层13中所含的正极活性物质的平均粒径没有特别限制，从高功率化的观点出发优选为1～30μm、更优选为5～20μm。需要说明的是，本说明书中，“粒径”是指，使用扫描型电子显微镜(SEM)、透射型电子显微镜(TEM)等观察手段观察到的活性物质颗粒(观察面)的轮廓线上的任意2点间的距离中最大的距离。另外，本说明书中，“平均粒径”的值采用使用扫描型电子显微镜(SEM)、透射型电子显微镜(TEM)等观察手段，以几个～几十个视场中观察到的颗粒的粒径的平均值的形式算出的值。其它构成成分的粒径、平均粒径也可以同样定义。
(正极用粘结剂)
正极活性物质层包含粘结剂。作为正极活性物质层中使用的粘结剂，没有特别限定，例如可列举出以下的材料。可列举出聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚腈(PEN)、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、纤维素、羧甲基纤维素(CMC)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯、苯乙烯·丁二烯橡胶(SBR)、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、乙烯·丙烯橡胶、乙烯·丙烯·二烯共聚物、苯乙烯·丁二烯·苯乙烯嵌段共聚物及其氢化物、苯乙烯·异戊二烯·苯乙烯嵌段共聚物及其氢化物等热塑性高分子、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯·六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯·全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯·四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、乙烯·三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚氟乙烯(PVF)等氟树脂、偏二氟乙烯-六氟丙烯系氟橡胶(VDF-HFP系氟橡胶)、偏二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯系氟橡胶(VDF-HFP-TFE系氟橡胶)、偏二氟乙烯-五氟丙烯系氟橡胶(VDF-PFP系氟橡胶)、偏二氟乙烯-五氟丙烯-四氟乙烯系氟橡胶(VDF-PFP-TFE系氟橡胶)、偏二氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚-四氟乙烯系氟橡胶(VDF-PFMVE-TFE系氟橡胶)、偏二氟乙烯-三氟氯乙烯系氟橡胶(VDF-CTFE系氟橡胶)等偏二氟乙烯系氟橡胶、环氧树脂等。其中，更优选为聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、苯乙烯·丁二烯橡胶、羧甲基纤维素、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺。这些适宜的粘结剂的耐热性优异，而且电势窗非常宽，在正极电位、负极电位两者下稳定，可以用于活性物质层。这些粘结剂可以单独使用1种，也可以组合使用2种以上。
正极活性物质层中所含的粘结剂的含量只要是能够将正极活性物质粘结的量就没有特别限定，相对于正极活性物质层，优选为0.5～15质量％、更优选为1～10质量％。
作为正极活性物质层中可以包含的其它添加剂，例如可列举出导电助剂、电解质盐(锂盐)、离子传导性聚合物等。
(正极用导电助剂)
正极活性物质层包含导电助剂。此处所说的正极用导电助剂是指，为了提高正极活性物质层的导电性而配混的添加物。作为该导电助剂，可列举出短链状炭黑(短链状乙炔黑等)、长链状炭黑(长链状乙炔黑)、科琴黑(炉法炭黑)、槽法炭黑、热裂炭黑等炭黑、天然石墨、人造石墨等石墨(graphite)等碳粉末；气相法碳纤维或液相法碳纤维(碳纳米管(CNT)、石墨纤维等)、碳纳米纤维等碳纤维(carbon fibre)；VULCAN、BLACK-PEARL、碳纳米角、碳纳米空心球、硬碳、富勒烯、膨胀石墨等碳材料，但并不限定于这些，这是不言而喻的。需要说明的是，上述碳纤维为CNT、碳纤维(石墨状、硬碳状等(根据合成时的燃烧温度而变化))，但它们可以通过液相法合成也可以通过气相法合成。通过使正极活性物质层包含导电助剂，从而有效地形成正极活性物质层的内部的3维的电子(导电性)网络，可以有助于电池的功率特性的提高。
向正极活性物质层中混入的导电助剂的含量相对于正极活性物质层的总量为1质量％以上、更优选为3质量％以上、进一步优选为5质量％以上的范围。另外，向正极活性物质层中混入的导电助剂的含量相对于正极活性物质层的总量为15质量％以下、更优选为10质量％以下、进一步优选为7质量％以下的范围。活性物质自身的电子导电性低，利用导电助剂的量将能够降低电极电阻的正极活性物质层中的导电助剂的配混比(含量)规定为上述范围内，从而表现出以下的效果。即，不阻碍电极反应，能够充分保障电子导电性，能够抑制由电极密度的降低造成的能量密度的降低，乃至能够实现由电极密度的提高带来的能量密度的提高。
另外，也可以使用兼具上述导电助剂和粘结剂的功能的导电性粘结剂来代替这些导电助剂和粘结剂，或者也可以与这些导电助剂和粘结剂中的一者乃至两者组合使用。作为导电性粘结剂，可以使用已市售的TAB-2(宝泉株式会社制造)。
(正极活性物质层的制法)
正极(正极活性物质层)除了通常的涂布(coating)浆料的方法之外也可以通过混炼法、溅射法、蒸镀法、CVD法、PVD法、离子镀法和喷镀法中的任意方法来形成。
[负极活性物质层]
负极活性物质层15的特征在于，作为负极活性物质包含3元系的Si-Sn-M系的合金，进而负极活性物质层的伸长率(δ)为1.29％<δ<1.70％的范围。通过应用本实施方式的负极活性物质层，从而成为具有高容量/高循环耐久性的良好的锂离子二次电池用负极。另外，通过使用具有本实施方式的负极活性物质层的负极，从而成为高容量且循环耐久性、尤其是放电容量提高率优异的具有良好的电池特性的锂离子二次电池。
(负极活性物质)
本实施方式中，作为负极活性物质使用的3元系的Si-Sn-M系的合金由下述化学式(1)表示。
SixSnyMzAa (1)
上述式(1)中，M为选自由Al、V、C、以及它们的组合组成的组中的至少1种金属。另外，A为不可避免的杂质。进而，x、y、z和a表示质量％的值，此时，0<x<100，0<y<100，0<z<100，并且0≤a<0.5，x+y+z+a＝100。另外，本说明书中，前述“不可避免的杂质”是指，对于Si合金，存在于原料中、或者在制造工序中不可避免地混入的物质。该不可避免的杂质原本是不需要的，但是，由于其为微量，对Si合金的特性不造成影响，因此是可允许的杂质。
本实施方式中，作为负极活性物质，通过选择作为第1添加元素的Sn和作为第2添加元素的M(选自由Al、V、C、以及它们的组合组成的组中的至少1种金属)，能够在Li合金化时抑制非晶-晶体的相变，提高循环寿命。另外，由此，与现有的负极活性物质、例如碳系负极活性物质相比，成为高容量的负极活性物质。
此处，在Li合金化时抑制非晶-晶体的相变是因为，Si材料中Si与Li进行合金化时，自非晶状态向晶体状态转变，发生较大的体积变化(约4倍)，因此颗粒自身崩坏，失去作为活性物质的功能。因此，通过抑制非晶-晶体的相变，能够抑制颗粒自身的崩坏，保持作为活性物质的功能(高容量)，还能够提高循环寿命。通过选择上述第1添加元素和第2添加元素，能够提供高容量且具有高循环耐久性的Si合金负极活性物质。
如上所述，M为选自由Al、V、C、以及它们的组合组成的组中的至少1种金属。因此，以下分别说明SixSnyAlzAa、SixSnyVzAa和SixSnyCzAa的Si合金。
(SixSnyAlzAa所示的Si合金)
上述SixSnyAlzAa如上所述通过选择作为第1添加元素的Sn和作为第2添加元素的Al，从而能够在Li合金化时抑制非晶-晶体的相变，提高循环寿命。另外，由此，与现有的负极活性物质、例如碳系负极活性物质相比，成为高容量的负极活性物质。
上述合金的组成中，优选的是：x为12以上且低于100，前述y大于0且为45以下，前述z大于0且为43以下。需要说明的是，该合金的组成由图3的阴影部分表示。通过具有上述组成，从而不仅表现出高容量，而且在50个循环后、100个循环后也可以维持高放电容量。
需要说明的是，从使该负极活性物质的上述特性更良好的观点出发，优选如图4的阴影部分所示那样，前述x为31以上。另外，更优选的是，如图5的阴影部分所示，进一步将前述x设为31～50的范围。进一步优选的是，如图6的阴影部分所示，进一步将前述y设为15～45、将前述z设为18～43的范围。最优选的是，进一步将前述x设为16～45的范围。
需要说明的是，A如上所述为源自原料、制法的上述3成分以外的杂质(不可避免的杂质)。前述a为0≤a<0.5、优选为0≤a<0.1。
(SixSnyVzAa所示的Si合金)
上述SixSnyVzAa如上所述通过选择作为第1添加元素的Sn和作为第2添加元素的V，从而能够在Li合金化时抑制非晶-晶体的相变，提高循环寿命。另外，由此，与现有的负极活性物质、例如碳系负极活性物质相比，成为高容量的负极活性物质。
上述合金的组成中，优选的是，前述x为27以上且低于100，前述y大于0且为73以下，前述z大于0且为73以下。需要说明的是，该数值范围相当于图7的阴影部分所表示的范围。通过具有上述组成，从而不仅表现出高容量，而且在50个循环后、100个循环后也可以维持高放电容量。
需要说明的是，从使该负极活性物质的上述特性更加良好的观点出发，优选前述x为27～84、前述y为10～73、前述z为6～73的范围。另外，进一步优选的是，如图8的阴影部分所示，前述x为27～84、前述y为10～63、前述z为6～63的范围。此外，如图9的阴影部分所示那样，更优选的是，进一步将前述x设为27～52的范围。由图10的阴影部分可知，若进一步将前述y设为10～52、将前述z设为20～63的范围，则更加优选，最优选将前述y设为10～40的范围。
需要说明的是，前述a为0≤a<0.5、优选为0≤a<0.1。
(SixSnyCzAa所示的Si合金)
上述SixSnyCzAa如上所述通过选择作为第1添加元素的Sn和作为第2添加元素的C，从而能够在Li合金化时抑制非晶-晶体的相变，提高循环寿命。另外，由此，与现有的负极活性物质、例如碳系负极活性物质相比，成为高容量的负极活性物质。
上述合金的组成中，前述x优选为29以上。需要说明的是，该数值范围相当于图11的符号A所表示的范围。通过具有上述组成，从而不仅表现出高容量，而且在50个循环后、100个循环后也可以维持高放电容量。
需要说明的是，从实现该负极活性物质的上述特性的进一步改善的观点出发，前述x为29～63、y为14～48、前述z为11～48的范围是优选的。需要说明的是，该数值范围相当于图12的符号B所表示的范围。
此外，从确保更良好的循环特性的观点出发，前述x为29～44、前述y为14～48、前述z为11～48的范围是优选的。需要说明的是，该数值范围相当于图13的符号C所表示的范围。
进而，优选设为前述x为29～40、前述y为34～48(因此，12<z<37)的范围。需要说明的是，该数值范围相当于图14的符号D所表示的范围。
需要说明的是，前述a为0≤a<0.5、优选为0≤a<0.1。
(Si合金的平均粒径)
上述Si合金的平均粒径与现有的负极活性物质层15中所含的负极活性物质的平均粒径为同等水平即可，没有特别限制。从高功率化的观点出发，优选为1～20μm的范围即可。但是，并不限定于上述范围，只要能够有效地体现本实施方式的作用效果，则也可以偏离上述范围，这是毋庸置言的。需要说明的是，作为Si合金的形状，没有特别限制，可以为球状、椭圆状、圆柱状、多棱柱状、鳞片状、不规则形状等。
(合金的制造方法)
作为本方案的具有组成式SixSnyMzAa的合金的制造方法，没有特别限制，可以利用现有公知的各种制造方法来制造。即，由制作方法造成的合金状态/特性的差异几乎不存在，因此所有制作方法均可应用。
具体而言，例如，作为具有组成式SixSnyMzAa的合金的颗粒形态的制造方法，例如可以利用机械合金化法、电弧等离子体熔融法等。
制造成上述颗粒的形态的方法中，可以在该颗粒中加入粘结剂、导电助剂、粘度调节溶剂而制备浆料，使用该浆料形成浆料电极。因此，在容易量产化(大量生产)、容易作为实际的电池用电极实用化的方面是优异的。
以上，对负极活性物质层中必须包含的规定的Si合金进行了说明，但负极活性物质层也可以包含其它负极活性物质。作为上述规定的合金以外的负极活性物质，可列举出天然石墨、人造石墨、炭黑、活性炭、碳纤维、焦炭、软炭、或硬碳等碳等碳系材料；Si、Sn等纯金属；偏离上述规定的组成比的合金系活性物质；或者TiO、Ti2O3、TiO2、或SiO2、SiO、SnO2等金属氧化物；Li4/3Ti5/3O4或Li7MnN等锂与过渡金属的复合氧化物；Li-Pb系合金、Li-Al系合金、Li等。但是，从充分发挥通过使用上述规定的Si合金作为负极活性物质而起到的作用效果的观点出发，负极活性物质的总量100质量％中所占的上述规定的Si合金的含量优选为50～100质量％、更优选为80～100质量％、进一步优选为90～100质量％、特别优选为95～100质量％、最优选为100质量％。
以下，作为本实施方式的一个方案，对与上述Si合金的组合中的适宜的碳系材料进行说明。
(碳系材料)
作为本实施方式的一个方案，作为负极活性物质，除了上述3元系的Si-Sn-M系的Si合金之外，进一步包含碳系材料。
对本实施方式中使用的碳系材料没有特别限制，可列举出天然石墨、人造石墨等作为高结晶性碳的石墨(graphite)；软炭、硬碳等低结晶性碳；科琴黑、乙炔黑、槽法炭黑、灯黑、油料炉黑(oil furnace black)、热裂炭黑等炭黑；富勒烯、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角、碳原纤维等碳材料。这些当中，优选使用石墨。
本实施方式中，负极活性物质是将碳系材料与上述Si合金一起混合而成的，由此能够维持更高的循环特性，且初始容量也高，表现出平衡良好的特性。
通过将上述Si合金与碳系材料混合，从而能够在负极活性物质层内更均匀地配置Si合金。其结果，负极活性物质层内的Si合金均表现出同等的反应性，能够实现循环特性的进一步提高。
需要说明的是，作为混合碳系材料的结果，负极活性物质层内的Si合金的含量降低，从而初始容量可以降低。然而，碳系材料自身具有与Li离子的反应性，因此，初始容量降低的程度变得相对较小。即，组合使用Si合金和碳系材料时，与初始容量降低作用相比，循环特性的提高效果大。
另外，碳系材料与Si合金相比，与Li离子反应时的体积变化不易发生。因此，组合使用上述Si合金和碳系材料时，即使在Si合金的体积变化大的情况下，若将负极活性物质视为整体，则也能够使伴随Li反应的负极活性物质的体积变化的影响相对较轻微。需要说明的是，关于这种组合使用Si合金和碳系材料的情况下的效果，由碳系材料的含有率越大(Si合金的含有率越小)则循环特性越高的实施例的结果也可以理解(参见表7和图21)。
另外，通过组合使用上述Si合金和碳系材料，能够提高消耗电量(Wh)。更详细而言，碳系材料与Si合金相比电位相对较低。其结果，组合使用上述Si合金和碳系材料时，能够降低Si合金所具有的相对较高的电位。这样一来，负极整体的电位降低，因此能够提高消耗电量(Wh)。这种组合使用Si合金和碳系材料的情况下的作用、效果在用于电气设备当中、例如车辆的用途时特别有利。
作为碳系材料的形状，没有特别限制，可以为球状、椭圆状、圆柱状、多棱柱状、鳞片状、不规则形状等。
(碳系材料的平均粒径)
另外，作为碳系材料的平均粒径，没有特别限制，优选为5～25μm、更优选为5～10μm。此时，关于与上述Si合金的平均粒径的对比，碳系材料的平均粒径可以与Si合金的平均粒径相同，也可以不同，优选为不同。尤其更优选前述合金的平均粒径小于前述碳系材料的平均粒径。碳系材料的平均粒径大于合金的平均粒径时，具有碳系材料的颗粒配置均匀、在该碳系材料的颗粒间配置有Si合金的构成，因此Si合金可以均匀地配置在负极活性物质层内。
组合使用上述Si合金和碳系材料时，碳系材料的平均粒径与Si合金的平均粒径的粒径比(Si合金的平均粒径/碳系材料的平均粒径)优选为1/250～低于1、更优选为1/100～1/4。
对组合使用负极活性物质的Si合金和碳系材料时的混合比没有特别限制，可以根据期望的用途等适当选择。其中，组合使用Si合金和碳系材料时的前述负极活性物质中的Si合金的含有率优选为3～70质量％。一个实施方式中，组合使用Si合金和碳系材料时的前述负极活性物质中的Si合金的含有率更优选为30～50质量％。另外，另一个实施方式中，组合使用Si合金和碳系材料时的前述负极活性物质中的Si合金的含有率更优选为50～70质量％。
组合使用Si合金和碳系材料时的前述负极活性物质中的前述Si合金的含有率为3质量％以上时，从可得到高初始容量的方面出发是优选的。另一方面，前述Si合金的含量为70质量％以下时，从可得到高循环特性的方面出发是优选的。
(负极活性物质的制造方法)
对负极活性物质没有特别限制，可以通过公知的方法来制造。通常，负极活性物质层可以使用上述Si合金的制造方法。具体而言，可以如下操作：利用机械合金化法、电弧等离子体熔融法等，制造颗粒形态的Si合金后，加入碳系材料(组合使用Si合金和碳系材料的情况)、粘结剂、导电助剂和粘液调节剂而制备浆料，使用该浆料形成浆料电极。此时，组合使用Si合金和碳系材料时，适当变更颗粒形态的Si合金的量和碳系材料的量，从而能够制造Si合金为期望的含量的负极活性物质。
(负极活性物质层的伸长率)
本实施方式的特征在于，作为负极活性物质包含上述3元系的Si-Sn-M系的合金，并且负极活性物质层的伸长率(δ)为1.29％<δ<1.70％的范围。在应用上述3元系的Si-Sn-M系的合金的基础上使负极活性物质层的伸长率(δ)大于1.29％，从而对于由充放电造成的负极活性物质的膨胀/收缩所引起的体积变化，活性物质以外的电极(负极活性物质层)的构成要素能够追随。其结果，能够抑制电极(负极活性物质层)整体的体积变化，能够大幅提高放电容量的提高率。另外，在应用上述3元系的Si-Sn-M系的合金的基础上使负极活性物质层的伸长率(δ)低于1.70％，从而能够抑制负极活性物质层的伸长率阻碍伴随充放电的锂离子向负极活性物质的反应(嵌入/脱嵌)。其结果，成为具有高容量/高循环耐久性的良好的锂离子二次电池用负极。另外，通过采用使用本实施方式的负极活性物质层而成的锂离子二次电池用负极，成为高容量且循环耐久性、尤其是放电容量提高率优异的具有良好的电池特性的锂离子二次电池。即，在应用上述3元系的Si-Sn-M系的合金的基础上使负极活性物质层的伸长率(δ)为1.29％以下和1.70％以上时，如图18所示，放电容量的提高率变得不充分。另外，应用高容量(3200mAh/g)的纯Si来代替3元系的Si-Sn-M系的合金时，即使将负极活性物质层的伸长率(δ)调整至上述范围内，由于纯Si所具有的较大的体积变化(约4倍)，放电容量的提高率也明显降低(参见图18的比较例1-4、1-5)。
在应用上述3元系的Si-Sn-M系的合金的基础上负极活性物质层的伸长率(δ)优选为1.40％≤δ<1.70％、更优选为1.40％≤δ≤1.66％、进一步优选为1.40％≤δ≤1.57％、特别优选为1.47％≤δ≤1.57％、尤其优选为1.53％≤δ≤1.57％的范围。越将负极活性物质层的伸长率(δ)调整至上述更适宜的范围，在能够达成更高的放电容量的提高率的方面越优异(参见图18)。
负极活性物质层的伸长率(δ)可以利用根据JIS K 7163(1994年)的拉伸试验方法测定得到的值来测定。
作为将负极活性物质层的伸长率(δ)调整至上述范围内的手段，没有特别限制，可以适当地调整负极活性物质层中的成分当中可有助于负极活性物质层的伸长率(δ)的导电助剂、粘结剂等的种类、含量。其中，关于负极活性物质层中的各成分的配混比率范围，存在大致被视为最佳的范围，改变(变动)导电助剂、粘结剂等的配混比(含量)以至于改变该最佳范围时，存在损害电池性能的担心。因此，理想的是，在保持负极活性物质层中的各成分的配混比的最佳范围不变的状态下通过改变导电助剂、粘结剂等的种类(导电助剂与粘结剂的组合)来进行调整。需要说明的是，对于粘结剂等，通过改变其种类，从而其粘结力等发生变化，因此更优选在使用最佳的粘结剂的基础上，不影响导电性能地对可调整负极活性物质层的伸长率(δ)的导电助剂的材料(种类)进行适当调整是理想的。详细而言，作为用作导电助剂的碳材料，使用具有规定的体积密度(体积)乃至规定的长度的短链状、纤维状的碳材料是理想的。这是因为，通过使用这种短链状、纤维状的导电助剂，从而在由于充放电而3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质发生了规定范围的体积变化(膨胀收缩)时，短链状、纤维状的导电助剂能够追随合金活性物质的规定范围的体积变化而确保导电性。详细而言，在合金活性物质发生了体积收缩的状态下，上述短链状、纤维状的导电助剂以缠绕于多个合金活性物质颗粒的状态发生接触，在与拉伸为直线状的状态相比具有充分的伸长余量的状态下形成了3维的电子(导电性)网络。另一方面，在合金活性物质在规定的范围内发生了体积膨胀的状态下，上述短链状、纤维状的导电助剂保持缠绕于多个发生了体积膨胀的合金活性物质颗粒的状态，并且能够某种程度地维持拉伸至直线状的状态(能够追随体积变化)。因此，可以说，即使在合金活性物质发生了体积膨胀时，也能够充分地保持3维的电子(导电性)网络。可以说这是使用高容量且具有规定的范围内的体积变化的上述3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质时可实现的作用效果(机理)。反之，不具有规定的体积密度乃至规定的长度的空心球状(科琴黑、富勒烯等)、鳞片状(石墨等)的导电助剂使负极活性物质层的伸长率(δ)变得小于上述范围(参见比较例1-2、1-3)。这种情况下，由于充放电而3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质发生了规定范围的体积变化(膨胀收缩)时，空心球状、鳞片状的导电助剂变得难以追随合金活性物质的规定范围的体积变化，变得难以确保导电性。详细而言，在合金活性物质收缩的状态下，上述空心球状、鳞片状的导电助剂以覆盖多个合金活性物质颗粒表面的方式与其接触。然而，在发生了体积膨胀的状态下，合金活性物质颗粒的表面积增大，在合金活性物质颗粒表面上的导电助剂颗粒间产生间隙，使导电助剂颗粒以分散于发生了体积膨胀的合金活性物质颗粒表面上的状态被负载。其结果，无法保持由空心球状、鳞片状的导电助剂形成的3维的电子(导电性)网络，可以说会导致放电容量提高率的大幅降低(参见图18的比较例1-2、1-3)。另一方面，不具有规定的体积密度乃至规定的长度的长链状的导电助剂(长链状乙炔黑等)使负极活性物质层的伸长率(δ)变得大于上述范围(参见比较例1)。这种情况下，在合金活性物质收缩的状态下，上述长链状的导电助剂处于缠绕于多个合金活性物质颗粒的状态。因此，在充电时由于缠绕于合金活性物质颗粒的导电助剂(进而粘结剂的粘结力等)而阻碍合金活性物质颗粒发生体积膨胀。其结果，伴随充放电的锂离子向负极活性物质的反应(嵌入/脱嵌)受到阻碍，可以说会导致放电容量提高率的大幅降低(参见图18的比较例1-1)。另外，一部分长链状的导电助剂无法追随合金活性物质颗粒的体积膨胀，这些导电助剂无法保持缠绕于多个发生了体积膨胀的合金活性物质颗粒的状态。因此，与一部分长链状的导电助剂接触的合金活性物质颗粒间所形成的3维的电子(导电性)网络在各处被中断，可以说也会发生导致放电容量提高率的大幅降低的情况(参见图18的比较例1-1)。进而，关于在高容量的另一方面伴有非常大的体积变化(4倍)的纯Si，在负极活性物质层内上述短链状、纤维状的导电助剂处于缠绕于多个发生了体积膨胀的纯Si活性物质颗粒的状态。这与使用长链状的导电助剂的情况也同样。因此，在充电时由于缠绕于纯Si活性物质颗粒的导电助剂(进而粘结剂的粘结力等)而阻碍纯Si发生体积膨胀。其结果，伴随充放电的锂离子向负极活性物质的反应(嵌入/脱嵌)受到阻碍，可以说会导致放电容量提高率的大幅降低(参见图18的比较例1-4、1-5)。另外，一部分短链状、纤维状的导电助剂无法追随纯Si活性物质颗粒的体积膨胀，这些导电助剂无法保持缠绕于多个发生了体积膨胀的纯Si活性物质颗粒的状态。因此，在与一部分短链状、纤维状的导电助剂接触的纯Si活性物质颗粒间形成的3维的电子(导电性)网络在各处被中断，可以说也会发生导致放电容量提高率的大幅降低的情况(参见图18的比较例1-4、1-5)。
从上述导电助剂能够追随合金活性物质的体积变化而确保导电性的作用机制(机理)来说，关于粘结剂，也可以说使用能够追随合金活性物质的规定范围的体积变化而确保其粘结力的粘结剂是理想的。即，作为适宜的粘结剂，可以说具有可追随合金活性物质的规定范围的体积变化的弹性模量(伸缩性)、能够保持其粘结力的粘结剂是理想的。从以上观点出发，对本实施方式中可利用的导电助剂和粘结剂进行说明。
(负极用导电助剂)
包含上述3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质的负极活性物质层包含导电助剂。此处，导电助剂是指，为了提高负极活性物质层的导电性而配混的添加物。对此，在负极活性物质使用可进行Li的嵌入/脱嵌的现有的碳(碳材料)的情况下，不特别需要导电助剂，但在像3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质这样不具有充分的导电性的情况下，导电助剂是必要的。作为上述导电助剂，可列举出短链状炭黑(短链状乙炔黑等)、长链状炭黑(长链状乙炔黑)、科琴黑(炉法炭黑)、槽法炭黑、热裂炭黑等炭黑、天然石墨、人造石墨等石墨(graphite)等的碳粉末；气相法碳纤维或液相法碳纤维(碳纳米管(CNT)、石墨纤维等)、碳纳米纤维等碳纤维(carbon fibre)；VULCAN、BLACK-PEARL、碳纳米角、碳纳米空心球、硬碳、富勒烯、膨胀石墨等碳材料，但并不限定于这些，这是不言而喻的。需要说明的是，上述碳纤维为CNT、碳纤维(石墨状、硬碳状等(根据合成时的燃烧温度而变化))，但它们可以通过液相法合成也可以通过气相法合成。通过使包含上述3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质的负极活性物质层包含导电助剂，从而有效地形成该负极活性物质层的内部的3维的电子(导电性)网络，可以有助于电池的功率特性的提高。
尤其，为了将负极活性物质层的伸长率(δ)调整至上述范围内而使用导电助剂时，特别理想的是使用能够追随3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质的规定范围的体积变化而确保导电性的细长形状、纤维形状的导电助剂。从上述观点出发，作为能够为了将负极活性物质层的伸长率(δ)调整至上述范围内而使用的导电助剂，理想的是上述短链状、纤维状的导电助剂。例如，可列举出短链状炭黑(短链状乙炔黑等)；气相法碳纤维或液相法碳纤维(碳纳米管(CNT)、石墨纤维等)、碳纳米纤维等碳纤维(carbon fibre)等，但不限定于这些。需要说明的是，关于上述碳纤维，也为CNT、碳纤维(石墨状、硬碳状等(根据合成时的燃烧温度而变化))，但它们可以通过液相法合成也可以通过气相法合成。通过使用这些导电助剂，能够将负极活性物质层的伸长率(δ)调整至上述范围内，能够追随3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质的规定范围的体积变化而确保导电性。需要说明的是，本实施方式中，为了将负极活性物质层的伸长率(δ)调整至上述范围内，除了上述导电助剂之外也可以组合粘结剂。这种情况下，即使是上述例示的导电助剂之外，只要是能够使负极活性物质层的伸长率(δ)为上述范围内的物质，就可以利用。作为这种导电助剂与粘结剂的组合，例如，可以说将上述短链状、纤维状的导电助剂与以下说明的具有规定的弹性模量(大于1GPa且低于7.4GPa)的粘结剂组合是理想的。
作为向负极活性物质层中混入的导电助剂的含量，使用3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质时，理想的是设为与向正极活性物质层中混入的导电助剂的含量同等水平的含量。即，向负极活性物质层中混入的导电助剂的含量理想的也是相对于负极侧的电极构成材料的总量优选设为1～10质量％、更优选设为2～8质量％、特别优选设为3～7质量％的范围。这是因为，由于负极活性物质使用上述3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质，因此与正极活性物质同样地电子导电性低，通过配混导电助剂，能够降低电极电阻。需要说明的是，组合使用负极活性物质自身具有优异的电子导电性的石墨(graphite)、软碳、硬碳等碳系材料时，负极活性物质层中的导电助剂的含量只要为上述范围内即可，但是，如果即使偏离上述范围也能够实现导电助剂的添加目的，则视为包括在本实施方式的范围内。
另外，也可以使用兼具上述导电助剂和粘结剂的功能的导电性粘结剂来代替这些导电助剂和粘结剂，或者也可以与这些导电助剂和粘结剂中的一者乃至两者组合使用。作为导电性粘结剂，可以使用已市售的TAB-2(宝泉株式会社制造)。
(负极用粘结剂)
负极活性物质层15包含粘结剂。负极用的粘结剂是出于将活性物质彼此或活性物质与集电体粘结而维持电极结构的目的添加的。作为负极活性物质层中使用的粘结剂，没有特别限定，例如可列举出以下的材料。可列举出聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚腈(PEN)、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、纤维素、羧甲基纤维素(CMC)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯、苯乙烯·丁二烯橡胶(SBR)、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、乙烯·丙烯橡胶、乙烯·丙烯·二烯共聚物、苯乙烯·丁二烯·苯乙烯嵌段共聚物及其氢化物、苯乙烯·异戊二烯·苯乙烯嵌段共聚物及其氢化物等热塑性高分子、聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯·六氟丙烯共聚物(FEP)、四氟乙烯·全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、乙烯·四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、乙烯·三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚氟乙烯(PVF)等氟树脂、偏二氟乙烯-六氟丙烯系氟橡胶(VDF-HFP系氟橡胶)、偏二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯系氟橡胶(VDF-HFP-TFE系氟橡胶)、偏二氟乙烯-五氟丙烯系氟橡胶(VDF-PFP系氟橡胶)、偏二氟乙烯-五氟丙烯-四氟乙烯系氟橡胶(VDF-PFP-TFE系氟橡胶)、偏二氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚-四氟乙烯系氟橡胶(VDF-PFMVE-TFE系氟橡胶)、偏二氟乙烯-三氟氯乙烯系氟橡胶(VDF-CTFE系氟橡胶)等偏二氟乙烯系氟橡胶、环氧树脂等。其中，更优选为聚偏二氟乙烯、聚酰亚胺、苯乙烯·丁二烯橡胶、羧甲基纤维素、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺。这些适宜的粘结剂的耐热性优异，而且电势窗非常宽，在正极电位、负极电位两者下稳定，可以用于负极活性物质层。另外，聚酰胺这样粘结力相对较强的粘结剂可以将Si合金适宜地保持在碳系材料中。进而，作为负极活性物质层中使用的粘结剂，特别理想的是使用如上所述具有可追随3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质的规定范围的体积变化的弹性模量(伸缩性)、能够确保其粘结力的粘结剂。在充电时Li进入到Si中，从而合金活性物质发生膨胀。此时，夹在发生了膨胀的活性物质颗粒间而存在的粘结剂被压缩，需要具有能够抵抗该压缩力的弹性模量。反之，在维系发生了膨胀的活性物质颗粒间的位置上存在的粘结剂被拉伸，此时也需要保持弹性。被过度拉伸而变得无法作为弹性体发挥功能时，收缩时被拉伸了的粘结剂无法复原，因此无法作为粘结剂发挥功能。因此，粘结剂的弹性模量大于以下规定的下限侧的1GPa时，对于合金活性物质的膨胀，粘结剂不会被压缩而受到损伤或者被拉伸而损害弹性，能够表现出较高的放电容量的提高率。另外，粘结剂的E弹性模量低于以下规定的上限侧的7.4GPa时，粘结剂不会变得过硬，在充电时Li能够容易地嵌入到Si中。即，粘结剂的弹性模量不过高时，不会阻碍伴随充放电时的Li向负极活性物质中的嵌入/脱嵌，能够进行体积变化(膨胀收缩)直至最佳的范围。其结果，能够抑制阻碍Li离子向负极活性物质(Si)的反应，能够表现出较高的放电容量的提高率。从上述观点出发，优选使用具有上述弹性模量的聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺。这些粘结剂可以单独使用1种，也可以组合使用2种以上。特别是对于如上所述可追随3元系的Si-Sn-M系的合金活性物质的规定范围的体积变化的粘结剂的E弹性模量(伸缩性)，利用以下说明的适宜的方案进行说明。
作为本实施方式的其它方案，上述负极用粘结剂包含具有大于1.00GPa且低于7.40GPa的E弹性模量的树脂是理想的。这是因为，无论粘结剂的E弹性模量为1.00GPa以下还是7.40GPa以上，粘结剂均无法追随Si合金的体积变化，存在无法达成充分的放电容量的担心。即，粘结剂具有粘接Si合金的功能，但是粘结剂的E弹性模量为1.00GPa以下时，粘结剂柔软，因此无法耐受Si合金膨胀时对粘结剂施加的压力。另一方面，粘结剂的E弹性模量为7.40GPa以上时，粘结剂坚硬，因此Li离子的嵌入/脱嵌时的Si合金的膨胀受到抑制，无法将充分的Li离子导入到Si合金中。此处，具有上述规定的范围的E弹性模量的树脂优选为选自由聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺和聚酰胺组成的组中的1种或2种以上，特别优选为聚酰亚胺。需要说明的是，E弹性模量的值采用根据JIS K 7163(1994年)的拉伸试验方法测定得到的值。另外，使用多种粘结剂时，至少包含1种具有上述规定的E弹性模量的树脂即可。
此处，粘结剂的E弹性模量的值取决于粘结剂的材质、浆料的浓度(固液比)、交联的程度、以及干燥温度、干燥速度和干燥时间等热历程。本实施方式通过对它们进行调整，从而能够将粘结剂的E弹性模量调节至上述期望的范围。
此处，从充分发挥通过使用具有上述规定的E弹性模量的树脂作为粘结剂而起到的作用效果的观点出发，具有上述规定的E弹性模量的树脂在粘结剂的总量100质量％中所占的含量优选为50～100质量％、更优选为80～100质量％、进一步优选为90～100质量％、特别优选为95～100质量％、最优选为100质量％。
需要说明的是，负极活性物质层中所含的粘结剂量只要是能够将包含体积变化大的3元系的Si-Sn-M系的合金的负极活性物质粘结的量就没有特别限定，相对于活性物质层，优选为0.5～15质量％、更优选为1～10质量％。
(正极活性物质层13和负极活性物质层15共通的技术特征)
以下。对正极活性物质层13和负极活性物质层15共通的技术特征进行说明。
作为正极活性物质层13和负极活性物质层15中可以包含的其它添加剂，例如可列举出电解质盐(锂盐)、离子传导性聚合物等。
(电解质盐)
作为电解质盐(锂盐)，可列举出Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等。
(离子传导性聚合物)
作为离子传导性聚合物，例如可列举出聚环氧乙烷(PEO)系和聚环氧丙烷(PPO)系的聚合物。
(各活性物质层中所含的成分配混比)
对正极活性物质层和负极活性物质层中所含的成分的配混比没有特别限定。配混比可以通过适当参照关于非水溶剂系二次电池的公知常识来调整。
(各活性物质层的厚度)
对于各活性物质层(集电体单面的活性物质层)的厚度也没有特别限制，可以适当地参照关于电池的现有公知常识。若列举一个例子，则考虑到电池的使用目的(重视功率、重视能量等)、离子传导性，各活性物质层的厚度通常为1～500μm左右、优选为2～100μm。
[集电体]
(正极集电体)
正极集电体11由导电性材料构成。集电体的尺寸根据电池的使用用途来确定。例如，如果用于要求高能量密度的大型电池，则可使用面积大的集电体。对于集电体的厚度没有特别限制。集电体的厚度通常为1～100μm左右。对于集电体的形状也没有特别限制。图1中示出的层叠型电池10中除了集电箔之外可以使用网格形状(拉网板栅(expanded grid)等)等。需要说明的是，将负极活性物质通过溅射法等直接在负极集电体12上形成薄膜合金时，使用集电箔是理想的。
对构成集电体的材料没有特别限制。例如，可以采用金属、导电性高分子材料或在非导电性高分子材料中添加有导电性填料的树脂。具体而言，作为金属，可列举出铝、镍、铁、不锈钢、钛、铜等。除此之外，可以优选地使用镍与铝的包层材料、铜与铝的包层材料、或这些金属的组合的镀层材料等。另外，也可以为在金属表面上覆盖铝而成的箔。尤其，从电子传导性、电池工作电位、由溅射获得的负极活性物质对集电体的密合性等观点出发，优选铝、不锈钢、铜、镍。
另外，作为导电性高分子材料，例如可列举出聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑、聚苯乙炔、聚丙烯腈和聚噁二唑等。这种导电性高分子材料即使不添加导电性填料也具有充分的导电性，因此在制造工序的容易化或集电体的轻量化的方面是有利的。
作为非导电性高分子材料，例如可列举出聚乙烯(PE；高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)等)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚腈(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚酰胺(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯酸甲酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、或聚苯乙烯(PS)等。这种非导电性高分子材料可以具有优异的耐电位性或耐溶剂性。
上述导电性高分子材料或非导电性高分子材料中可以根据需要添加导电性填料。特别是作为集电体的基材的树脂仅由非导电性高分子组成时，为了对树脂赋予导电性，必然需要导电性填料。导电性填料只要是具有导电性的物质就可以没有特别限制地使用。例如，作为导电性、耐电位性、或锂离子阻隔性优异的材料，可列举出金属和导电性碳等。作为金属，没有特别限制，优选包含选自由Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Sb和K组成的组中的至少1种金属或者含有这些金属的合金或金属氧化物。另外，作为导电性碳，没有特别限制。优选包含选自由乙炔黑、VULCAN、BLACK-PEARL、碳纳米纤维、科琴黑、碳纳米管、碳纳米角、碳纳米空心球和富勒烯组成的组中的至少1种。导电性填料的添加量只要为能够对集电体赋予充分的导电性的量就没有特别限制，通常为5～35质量％左右。
(负极集电体)
负极集电体12由导电性材料构成。集电体的尺寸根据电池的使用用途来确定。例如，如果用于要求高能量密度的大型电池，则可使用面积大的集电体。
对于集电体的形状也没有特别限制。图1中示出的层叠型电池10中除了集电箔之外可以使用网格形状(拉网板栅等)等，但本实施方式中使用集电箔是理想的。
对构成集电体的材料没有特别限制。例如，可以采用金属、导电性高分子材料或在非导电性高分子材料中添加有导电性填料的树脂。
具体而言，作为金属，可列举出铜、铝、镍、铁、不锈钢、钛等、或它们的合金。除了这些之外，可以使用镍与铝的包层材料、铜与铝的包层材料、或这些金属的组合的镀层材料等。另外，也可以为在金属表面覆盖铝而成的箔。从电子传导性、电池工作电位、由溅射获得的负极活性物质对集电体的密合性等的观点出发，可以如后所述地优选使用铜。
另外，作为导电性高分子材料，例如可列举出聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑、聚苯乙炔、聚丙烯腈和聚噁二唑等。这种导电性高分子材料即使不添加导电性填料也具有充分的导电性，因此在制造工序的容易化或集电体的轻量化的方面是有利的。
作为非导电性高分子材料，例如可列举出聚乙烯(PE；高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)等)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚腈(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚酰胺(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯酸甲酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVdF)、或聚苯乙烯(PS)等。这种非导电性高分子材料可以具有优异的耐电位性或耐溶剂性。
上述导电性高分子材料或非导电性高分子材料中可以根据需要添加导电性填料。特别是作为集电体的基材的树脂仅由非导电性高分子组成时，为了对树脂赋予导电性，必然需要导电性填料。
导电性填料只要是具有导电性的物质就可以没有特别限制地使用。例如，作为导电性、耐电位性、或锂离子阻隔性优异的材料，可列举出金属和导电性碳等。作为金属，没有特别限制，优选包含选自由Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Sb和K组成的组中的至少1种金属或者含有这些金属的合金或金属氧化物。另外，作为导电性碳，没有特别限制。优选包含选自由乙炔黑、VULCAN、BLACK-PEARL、碳纳米纤维、科琴黑、碳纳米管、碳纳米角、碳纳米空心球和富勒烯组成的组中的至少1种。
导电性填料的添加量只要为能够对集电体赋予充分的导电性的量就没有特别限制，通常为5～35质量％左右。
本实施方式的负极的特征在于，集电体在平面方向的弹性伸长率为1.30％以上。此处，集电体的弹性伸长率(％)为在拉伸方向的直至比例极限的弹性伸长的尺寸相对于原始尺寸的比率(％)。
本实施方式的负极通过利用特定的三元系Si合金作为负极活性物质，从而得到如下的作用：得到与Si负极同样高的初始放电容量，同时，抑制Si与Li进行合金化时的非晶-晶体的相变，提高循环寿命这样的作用。
然而，使用将具有上述特定的三元系Si合金以及粘结剂、导电助剂的负极活性物质层涂布到负极集电体上而成的负极来制作电池时，伴随电池的充放电，会发生负极活性物质的膨胀/收缩。与此相伴地，负极活性物质层发生体积变化，应力作用于与负极活性物质层密合的集电体。此时，集电体无法追随负极活性物质层的体积变化时，集电体发生塑性变形，在集电体上产生褶皱。集电体上产生褶皱时，负极活性物质层变形，与正极的电极间距离变得不均匀，因此可能Li反应性降低、或发生电极集中。进而，也存在以下的可能性：由于集电体的塑性变形而使集电体中产生龟裂、断裂，或者导致负极活性物质层的直接的破坏。其结果，产生电池的放电容量的降低。
本实施方式的负极解决这种问题，通过使用弹性伸长率为1.30％以上的负极，从而对于由充放电造成的负极活性物质的膨胀/收缩所引起的负极活性物质层的体积变化，集电体可以弹性地追随。因此，能够抑制通过应力作用于与负极活性物质层密合的集电体而可能产生的褶皱，因此，能够防止负极活性物质层的变形、负极活性物质层或集电体的断裂。其结果，均匀地保持与正极的电极间距离。进而，副反应也变得不易发生。因此，可以得到高放电容量。进而，即使反复充放电也不易发生集电体的塑性变形，因此循环耐久性也可以提高。
另外，若为弹性伸长率为1.30％以上的集电体，即使在假设由于伴随充放电的负极活性物质的膨胀/收缩而失去负极活性物质层的弹性时，集电体也与负极活性物质层密合地发生弹性变形，因此能够将容量、循环耐久性的降低抑制在最低限度。
本实施方式的负极所使用的集电体的弹性伸长率优选为1.40％以上。集电体的弹性伸长率为1.40％以上时，考虑到本实施方式中使用的负极活性物质的伴随充放电的体积变化的水平，更容易追随。因此，放电容量的提高率高，循环特性可以得到进一步改善。进而，集电体的弹性伸长率为1.50％以上时，使用本实施方式的负极活性物质时，可得到更高的效果。
前述集电体的弹性伸长率越大越能够弹性地追随负极活性物质层的体积变化，因此弹性伸长率的上限值没有特别限定。
本实施方式中使用的负极活性物质与石墨等碳材料相比，伴随充放电的体积变化较大，但是通过使用上述那样的集电体，从而能够抑制集电体的塑性变形，能够抑制负极活性物质层的扭曲、以及由此起因的放电容量的降低。然而，使用纯Si作为负极活性物质时，伴随充放电的体积变化更大，因此，即使使用上述那样的集电体，也无法充分地追随负极活性物质层的体积变化，有时难以防止放电容量的降低。本实施方式中使用的三元系Si合金的活性物质的情况下，集电体的弹性伸长率为1.30％以上即可，可得到放电容量和循环特性优异的电池(参见图20)。
需要说明的是，本说明书中，集电体的弹性伸长率(％)使用根据JIS K6251(2010年)的拉伸试验方法测定得到的值。另外，集电体的弹性伸长率(％)为在25℃下测定时的值。
本实施方式的集电体的拉伸强度优选为150N/mm2以上。拉伸强度为150N/mm2以上时，防止集电体的断裂的效果高。
需要说明的是，本说明书中，集电体的拉伸强度(N/mm2)使用根据JIS K 6251(2010年)的拉伸试验方法测定得到的值。另外，集电体的拉伸强度(N/mm2)为在25℃下测定时的值。
本实施方式的集电体只要弹性伸长率为1.30％以上，则如上所述对构成集电体的材料没有特别限制，可以优选地使用铜、铝、镍、铁、不锈钢、钛、钴等金属、或这些金属的合金。
上述金属当中，使用铜、镍、不锈钢、或在它们中添加有其它金属的合金的金属箔从机械强度、与活性物质层的密合性、化学稳定性、电池反应进行的电位下的电化学稳定性、导电性、成本等观点出发是优选的。特别是铜或铜的合金从标准氧化还原电位的理由出发特别优选。
铜箔可以使用压延铜箔(通过压延法得到的铜箔)或电解铜箔(通过电解法得到的铜箔)。关于铜合金箔，也可以使用电解铜合金箔或压延铜合金箔中的任一者。本实施方式的负极中，从拉伸强度大、弯曲性优异的方面出发，优选使用压延铜箔或压延铜合金箔。
作为铜的合金，可以优选地使用在铜中添加有例如Zr、Cr、Zn、Sn等元素的合金。这种合金与纯铜相比，弹性模量高，容易追随负极活性物质层的体积变化，不易产生塑性变形。因此，不易发生集电体的褶皱、断裂。另外，在铜中添加有Zr、Cr、Zn、Sn等元素的合金与纯铜相比，耐热性提高。尤其，如果是软化点高于在负极的制造工序中将包含负极活性物质的浆料涂布到集电体上并干燥时的热处理温度(约300℃)的合金，则在热处理后也可维持弹性，故而优选。其中，添加有Cr、Zn、Sn的合金出于热处理后的弹性维持的理由而优选。这些合金元素可以包含1种、也可以包含2种以上。这些合金元素的含量总计例如为0.01～0.9质量％、优选为0.03～0.9质量％、进一步优选为0.3～0.9质量％。合金元素的含量为0.03质量％以上时，出于热处理后的弹性维持的理由而适宜。
对获得弹性伸长率为1.30％以上的集电体的方法没有特别限制。本实施方式的集电体由金属箔构成时，可以通过加热、冷却、压力、杂质元素添加来改变机械特性。此外，也可以使用具有上述伸长率的市售的金属箔。
对于负极的集电体的厚度也没有特别限定，本实施方式的负极中优选为5～15μm、更优选为5～10μm。负极的集电体的厚度为5μm以上时，可得到充分的机械强度，故而优选。另外，负极的集电体的厚度为15μm以下时，在电池的薄型化的方面优选。
需要说明的是，关于双极型电极用的集电体，也使用与负极集电体同样的集电体即可。尤其，使用具有针对正极电位和负极电位的耐性的集电体是理想的。
[电解质层]
作为构成电解质层17的电解质，可以使用液体电解质或聚合物电解质。
液体电解质具有作为支持盐的锂盐溶解在作为增塑剂的有机溶剂中的形态。作为可用作增塑剂的有机溶剂，例如可例示出碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)等碳酸酯类。另外，作为支持盐(锂盐)，可以同样地采用LiBETI等可添加到电极的活性物质层中的化合物。
另一方面，聚合物电解质被分类为包含电解液的凝胶电解质、不包含电解液的本征聚合物电解质。
凝胶电解质具有在由离子传导性聚合物构成的基质聚合物中注入上述液体电解质(电解液)而成的结构。关于用作基质聚合物的离子传导性聚合物，例如可列举出聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、以及它们的共聚物等。在这种聚环氧烷系聚合物中，锂盐等电解质盐可以良好地溶解。
作为凝胶电解质中的上述液体电解质(电解液)的比率，并没有特别限制，从离子传导率等观点出发，设为几质量％～98质量％左右是理想的。本实施方式中，对于电解液的比率为70质量％以上的、电解液多的凝胶电解质，特别有效果。
需要说明的是，电解质层由液体电解质、凝胶电解质、本征聚合物电解质构成时，也可以在电解质层中使用隔离体。作为隔离体(包括无纺布)的具体的形态，例如可列举出由聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃形成的微多孔膜、多孔的平板、进而无纺布。
本征聚合物电解质具有支持盐(锂盐)溶解在上述基质聚合物中而成的构成，不包含作为增塑剂的有机溶剂。因此，电解质层由本征聚合物电解质构成时，不存在自电池漏液的担心，电池的可靠性可以提高。
凝胶电解质、本征聚合物电解质的基质聚合物可以通过形成交联结构而表现出优异的机械强度。为了形成交联结构，使用适当的聚合引发剂，对高分子电解质形成用的聚合性聚合物(例如，PEO、PPO)实施热聚合、紫外线聚合、放射线聚合、电子束聚合等聚合处理即可。
[集电板和引线]
出于向电池外部取出电流的目的，也可以使用集电板。集电板与集电体、引线电连接，被取出到作为电池外壳材料的层压片的外部。
对构成集电板的材料没有特别限制，可以使用一直以来用作锂离子二次电池用的集电板的公知的高导电性材料。作为集电板的构成材料，例如优选铝、铜、钛、镍、不锈钢(SUS)、它们的合金等金属材料，从轻量、耐腐蚀性、高导电性的观点出发更优选铝、铜等。需要说明的是，正极集电板与负极集电板可以使用同一材质，也可以使用不同的材质。
关于正极端子引线和负极端子引线，也根据需要来使用。正极端子引线和负极端子引线的材料可以使用公知的锂离子二次电池中使用的端子引线。需要说明的是，为了不与***装置、布线等接触而漏电或者对产品(例如，汽车部件、尤其是电子设备等)造成影响，自电池外壳材料29取出的部分优选利用耐热绝缘性的热收缩管等覆盖。
[电池外壳材料]
作为电池外壳材料29，除了可以使用公知的金属罐外壳之外，可以使用能够覆盖发电元件的、使用了包含铝的层压薄膜的袋状的外壳。该层压薄膜例如可以使用将PP、铝、尼龙依次层叠而成的3层结构的层压薄膜等，但并不限定于这些。从高功率化、冷却性能优异，能够适宜地用于EV、HEV用的大型设备用电池这样的观点出发，层压薄膜是理想的。
需要说明的是，上述锂离子二次电池可以通过现有公知的制造方法来制造。
<锂离子二次电池的外观结构>
图2为表示层叠型的扁平的锂离子二次电池的外观的立体图。
如图2所示，层叠型的扁平的锂离子二次电池50具有长方形状的扁平的形状，自其两侧部引出了用于取出电的正极集电板58、负极集电板59。发电元件57被锂离子二次电池50的电池外壳材料52包裹，其周围被热熔接，发电元件57在将正极集电板58和负极集电板59引出到外部的状态下被密封。此处，发电元件57相当于图1中示出的锂离子二次电池(层叠型电池)10的发电元件21。发电元件57是将多个由正极(正极活性物质层)13、电解质层17和负极(负极活性物质层)15构成的单电池层(单元电池)19层叠而成的。
需要说明的是，上述锂离子二次电池并不限定于层叠型的扁平的形状的电池(层压电池)。对于卷绕型的锂离子电池，可以为圆筒型形状的电池(硬币型电池)、棱柱型形状的电池(棱柱形电池)、使这样的圆筒型形状的电池变形为长方形状的扁平的形状那样的电池、进而圆柱状电池等，没有特别限制。关于上述圆筒型、棱柱型的形状的电池，其外壳材料可以使用层压薄膜，也可以使用现有的圆筒罐(金属罐)等，没有特别限制。优选的是，发电元件利用铝层压薄膜作为外壳。通过该方案，可以达成轻量化。
另外，关于图2中示出的正极集电板58、负极集电板59的取出，也没有特别限制。可以使正极集电板58与负极集电板59从同一边引出，也可以将正极集电板58和负极集电板59分别分为多个并从各边取出等，不限定于图2中示出的方式。另外，卷绕型的锂离子电池中，代替集电板，例如利用圆筒罐(金属罐)形成端子即可。
如上所述，使用本实施方式的锂离子二次电池用的负极活性物质而成的负极以及锂离子二次电池可以作为电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池车、混合动力燃料电池汽车等的大容量电源而适宜地利用。即，可以适宜地用于要求高体积能量密度、高体积功率密度的车辆驱动用电源、辅助电源。
需要说明的是，上述实施方式中，作为电气设备，例示了锂离子电池，但并不限定于此，也可以用于其它类型的二次电池、进而一次电池。另外，不仅可以用于电池，还可以用于电容器。
实施例
使用以下的实施例进一步详细说明本发明。但是，本发明的保护范围并不仅限于以下的实施例。
首先，作为参考例，进行针对构成本发明的电气设备用负极的化学式(1)所示的Si合金的性能评价。
(参考例A)：针对SixSnyAlzAa的性能评价
[1]负极的制作
作为溅射装置，使用独立控制方式的3元DC磁控溅射装置(大和机器工业株式会社制造、组合溅射涂布装置、枪-样品间距离：约100mm)，在由厚度20μm的镍箔构成的基板(集电体)上、在下述条件下使具有各组成的负极活性物质合金的薄膜分别成膜，从而得到共计23种负极样品(参考例1～14和比较参考例1～9)。
(1)靶(株式会社高纯度化学研究所制造、纯度：4N)
Si：50.8mm直径、3mm厚度(带有厚度2mm的无氧铜制垫板)
Sn：50.8mm直径、5mm厚度
Al：50.8mm直径、3mm厚度。
(2)成膜条件
基础压力：～7×10-6Pa
溅射气体种类：Ar(99.9999％以上)
溅射气体导入量：10sccm
溅射压力：30mTorr
DC电源：Si(185W)、Sn(0～40W)、Al(0～150W)
预溅射时间：1min.
溅射时间：10min.
基板温度：室温(25℃)。
即，使用上述那样的Si靶、Sn靶和Al靶，将溅射时间固定在10分钟，将DC电源的功率在上述范围内分别变化，从而在Ni基板上使非晶状态的合金薄膜成膜，得到具备各种组成的合金薄膜的负极样品。
此处，若示出样品制作的几个例子，则参考例4中设为DC电源1(Si靶)：185W、DC电源2(Sn靶)：25W、DC电源3(Al靶)：130W。另外，比较参考例2中设为DC电源1(Si靶)：185W、DC电源2(Sn靶)：30W、DC电源3(Al靶)：0W。进而，比较参考例5中设为DC电源1(Si靶)：185W、DC电源2(Sn靶)：0W、DC电源3(Al靶)：78W。
将这些合金薄膜的成分组成示于表1和图3～6。需要说明的是，所得到的合金薄膜的分析采用下述分析法、分析装置。
(3)分析方法
组成分析：SEM/EDX分析(JEOL LTD.)、EPMA分析(JEOL LTD.)
膜厚测定(用于算出溅射速率)：膜厚计(Tokyo Instruments,Inc.)
膜状态分析：拉曼光谱测定(Bruker公司)。
[2]电池的制作
将由上述得到的各负极样品与由锂箔(本城金属株式会社制造、直径15mm、厚度200μm)构成的对电极夹着隔离体(Celgard公司制造的Celgard2400)对置后，注入电解液，从而分别制作CR2032型硬币型电池。
需要说明的是，作为上述电解液，使用在将碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二乙酯(DEC)以1:1的体积比混合而成的混合非水溶剂中以1M的浓度溶解LiPF6(六氟磷酸锂)而得到的电解液。
[3]电池的充放电试验
对由上述得到的各电池分别实施下述充放电试验。将该结果一并示于表1-1、表1-2。
即，使用充放电试验机(北斗电工株式会社制造的HJ0501SM8A)，在设定为300K(27℃)的温度的恒温槽(ESPEC株式会社制造的PFU-3K)中，充电过程(Li向作为评价对象的负极中嵌入的过程)中，设为恒电流/恒电压模式，以0.1mA自2V充电至10mV。然后，放电过程(Li自上述负极脱嵌的过程)中，设为恒电流模式，以0.1mA自10mV放电至2V。将以上的充放电循环作为1个循环，将其反复进行100次。
然后，求出第50个循环和第100个循环的放电容量，算出相对于第1个循环的放电容量的维持率。将其结果一并示于表1。此时，放电容量表示以合金每单位重量计而算出的值。需要说明的是，“放电容量(mAh/g)”为纯Si或合金的每单位重量的值，表示Li向Si-Sn-M合金(Si-Sn合金、纯Si或Si-Sn合金)反应时的容量。需要说明的是，本说明书中，记为“初始容量”的值相当于初始循环(第1个循环)的“放电容量(mAh/g)”。
另外，第50个循环、第100个循环的“放电容量维持率(％)”表示“自初始容量维持了多少容量”的指标。放电容量维持率(％)的计算式如下所述。
放电容量维持率(％)＝第50个循环或第100个循环的放电容量/第1个循环的放电容量×100
[表1-1]
[表1-2]
由表1-1、表1-2可知，参考例1～14的电池的第1个循环放电容量、第50个循环放电容量维持率和第100个循环放电容量维持率的平衡优异。即，判明了：Si为12质量％以上且低于100质量％、Sn大于0质量％且为45质量％以下、并且Al大于0质量％且为43质量％以下时，上述平衡优异。另一方面，可知，比较参考例1～9的电池与参考例的电池相比，即使第1个循环的放电容量大，放电容量维持率的降低也明显。
若概括以上的结果，则对于使用各成分处于本发明的特定范围内的Si-Sn-Al系合金作为负极活性物质的参考例的电池，确认到以下的结论。即，确认到：这种电池具有超过1700mAh/g的高初始容量，第50个循环时表现出92％以上的放电容量维持率，第100个循环时也表现出55％以上的放电容量维持率，容量与循环耐久性的平衡优异。与此相对，对于比较参考例的电池，初始容量、循环耐久性均为低于参考例的上述数值的结果。尤其判明了：与纯Si相接近的合金虽然为高容量，但是循环特性存在劣化的倾向。另外判明了：Sn含量高的合金虽然循环特性较优异，但是初始容量存在劣化的倾向。
(参考例B)：针对SixSnyVzAa的性能评价
[1]负极的制作
将参考例A的(1)中的靶的“Al：50.8mm直径、3mm厚度”变更为“V：50.8mm直径、3mm厚度”，将(2)中的DC电源的“Sn(0～40W)、Al(0～150W)”变更为“Sn(0～50W)、V(0～150W)”，除此之外通过与参考例A同样的方法制作共计32种负极样品(参见参考例B的参考例15～27和比较参考例10～28)。
需要说明的是，关于前述(2)，若示出样品制作的几个例子，则参考例25中设为DC电源1(Si靶)：185W、DC电源2(Sn靶)：30W、DC电源3(V靶)：140W。另外，比较参考例19中设为DC电源1(Si靶)：185W、DC电源2(Sn靶)：30W、DC电源3(V靶)：0W。进而，比较参考例25中设为DC电源1(Si靶)：185W、DC电源2(Sn靶)：0W、DC电源3(V靶)：80W。
将这些合金薄膜的成分组成示于表2-1、表2-2和图7～10。需要说明的是，所得到的合金薄膜的分析利用与参考例A同样的分析法、分析装置。
[2]电池的制作
通过与参考例A同样的方法制作CR2032型硬币型电池。
[3]电池的充放电试验
通过与参考例A同样的方法进行电池的充放电试验。将其结果一并示于表2-1、表2-2。
[表2-1]
[表2-2]
由表2-1、表2-2可知，参考例B的参考例15～27的电池的第1个循环放电容量、第50个循环放电容量维持率和第100个循环放电容量维持率的平衡优异。即，判明了：Si为27质量％以上且低于100质量％、Sn大于0质量％且为73质量％以下、并且V大于0质量％且为73质量％以下时，上述平衡优异。与此相对，可知，参考例B的比较参考例10～28的电池与参考例的电池相比，即使第1个循环的放电容量大，放电容量维持率的降低也明显。
若概括以上的结果，则对于参考例B的参考例15～27的电池确认到以下的结论。即，确认到这种电池表现出712mAh/g以上的初始容量，在50个循环后表现出92％以上的放电容量维持率，在100个循环后表现出44％以上的放电容量维持率。
(参考例C)：针对SixSnyCzAa的性能评价
[1]负极的制作
将参考例A的(1)中的靶的“Al：50.8mm直径、3mm厚度”变更为“C：50.8mm直径、3mm厚度(带有厚度2mm的无氧铜制垫板)”，将(2)中的DC电源的“Al(0～150W)”变更为“C(0～150W)”，除此之外通过与参考例A同样的方法制作共计34种负极样品(参见参考例C的参考例28～49和比较参考例29～40)。
需要说明的是，关于前述(2)，若示出样品制作的几个例子，则参考例43中将DC电源1(Si靶)设为185W、将DC电源2(Sn靶)设为35W、将DC电源3(C靶)设为110W。另外，比较参考例30中将DC电源1(Si靶)设为185W、将DC电源2(Sn靶)设为22W、将DC电源3(C靶)设为0W。进而，比较参考例35中将DC电源1(Si靶)设为185W、将DC电源2(Sn靶)设为0W、将DC电源3(C靶)设为30W。
将这些合金薄膜的成分组成示于表3-1、表3-2和图11。需要说明的是，所得到的合金薄膜的分析利用与参考例A同样的分析法、分析装置。
[2]电池的制作
通过与参考例A同样的方法制作CR2032型硬币型电池。
[3]电池的充放电试验
通过与参考例A同样的方法进行电池的充放电试验。将其结果一并示于表3-1、表3-2。
[表3-1]
表3-1
[表3-2]
表3-2
由以上的结果确认到，对于使用含有29质量％以上的Si、剩余部分为Sn、C和不可避免的杂质的Si-Sn-C系合金作为负极活性物质的参考例C的参考例28～49的电池，具备至少大于1000mAh/g的初始容量，在50个循环后表现出92％以上的放电容量维持率，在100个循环后表现出45％以上的放电容量维持率。(对比参见与参考例C的比较参考例29～40)。
接着，以下的实施例1中，对于使用上述Si合金当中的Si41Sn16Al43(相当于参考例4)作为负极活性物质并改变了负极活性物质层的伸长率(详细而言，具有改变了导电助剂等的种类的负极活性物质层)的电气设备用负极进行性能评价。
需要说明的是，对于前述Si41Sn16Al43以外的其它的本发明中使用的合金(SixSnyAlzAa、SixSnyVzAa、和SixSnyCzAa当中，Si41Sn16Al43以外的合金)，也可得到与使用Si41Sn16Al43的以下的实施例1～4相同或类似的结果。其理由是因为如参考例A～C所示，前述其它的本发明中使用的合金具有与Si41Sn16Al43同样的特性。即，使用具有同样的特性的合金时，即使变更合金的种类，也可得到同样的结果。
(实施例1-1)
[Si合金的制造]
Si合金通过机械合金化法(或电弧等离子体熔融法)来制造。具体而言，使用德国FRITSCH公司制造的行星式球磨机装置P-6，在氧化锆制粉碎锅中投入氧化锆制粉碎球和各合金的各原料粉末，以600rpm经48h使其合金化。
[负极的制作]
将负极活性物质90质量份、导电助剂5质量份和粘结剂5质量份混合，分散于N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，得到负极浆料。此处，负极活性物质使用上述制造的Si合金(Si41Sn16Al43、平均粒径0.3μm)。另外，导电助剂使用作为短链状炭黑的短链状乙炔黑，粘结剂使用聚酰亚胺(E弹性模量2.1GPa)。接着，将所得到的负极浆料分别以使负极活性物质层的厚度为30μm的方式均匀地涂布到厚度10μm的由铜箔(弹性伸长率1.4％)形成的负极集电体的两面，在真空中干燥24小时，得到负极。
[正极的制作]
将正极活性物质90质量份、导电助剂5质量份和粘结剂5质量份混合，分散于NMP，得到正极浆料。此处，对于正极活性物质，通过日本特开2012-185913号公报的实施例1(第0046段)中记载的方法制作Li1.85Ni0.18Co0.10Mn0.87O3。另外，导电助剂使用乙炔黑，粘结剂使用聚偏二氟乙烯(PVdF)。接着，将所得到的正极浆料分别以使正极活性物质层的厚度为30μm的方式均匀地涂布到厚度20μm的由铝箔形成的正极集电体的两面，使其干燥，得到正极。
[电池的制作]
将上述制作的正极与负极对置，在其间配置隔离体(聚丙烯制的微多孔膜、膜厚20μm)。接着，将负极、隔离体和正极的层叠体配置于硬币型电池(CR2032、材质：不锈钢(SUS316))的底部侧。然后，为了保障正极与负极之间的绝缘性而安装垫片，利用注射器注入下述电解液，将弹簧和间隔物层叠，重叠于硬币型电池的上部侧并嵌紧，由此密封，得到锂离子二次电池。
需要说明的是，作为上述电解液，使用在将碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)以EC:DEC＝1:2(体积比)的比率混合而成的有机溶剂中以浓度为1mol/L的方式溶解作为支持盐的六氟磷酸锂(LiPF6)而得到的电解液。
(实施例1-2)
将负极的导电助剂变更为属于液相法碳纤维的碳纳米管，除此之外，通过与实施例1-1同样的方法制作负极和电池。
(实施例1-3)
将负极的导电助剂变更为属于气相法碳纤维的石墨纤维，除此之外，通过与实施例1-1同样的方法制作负极和电池。
(比较例1-1)
将负极的导电助剂变更为属于长链状炭黑的长链状乙炔黑，除此之外，通过与实施例1-1同样的方法制作负极和电池。
(比较例1-2)
将负极的导电助剂变更为人造石墨，除此之外，通过与实施例1-1同样的方法制作负极和电池。
(比较例1-3)
将负极的导电助剂变更为科琴黑，除此之外，通过与实施例1-1同样的方法制作负极和电池。
(比较例1-4)
将负极的导电助剂变更为属于气相法碳纤维的石墨纤维，将负极活性物质变更为纯Si(纯度99.999％)，除此之外，通过与实施例1-1同样的方法制作负极和电池。
(比较例1-5)
将负极活性物质变更为纯Si(纯度99.999％)，将负极的粘结剂变更为PVdF，除此之外，通过与实施例1-1同样的方法制作负极和电池。
[负极活性物质层的伸长率(％)的测定]
对于上述制作的各锂离子二次电池，通过以下的方法进行负极活性物质层的伸长率(％)的测定。详细而言，通过根据JIS K 7163(1994年)的拉伸试验方法测定得到的值，测定负极活性物质层的伸长率(％)。需要说明的是，对于以下的实施例和比较例中制作的各锂离子二次电池，也与上述同样操作，进行负极活性物质层的伸长率(％)的测定。
<性能评价>
[循环特性的评价]
对于上述制作的各锂离子二次电池，通过以下的方法进行循环特性评价。对于各电池，在30℃的气氛下以恒电流方式(CC、电流：0.1C)充电至2.0V，停止10分钟后，以恒电流(CC、电流：0.1C)放电至0.01V，放电后停止10分钟。将该充放电过程作为1个循环，进行100个循环的充放电试验，求出第100个循环的放电容量相对于第1个循环的放电容量的比率(放电容量维持率[％])。将比较例1-1的放电容量维持率设为100，将其它实施例和比较例的放电容量维持率的比率作为放电容量提高率(％)。将所得到的结果示于下述表4和图18。
[表4]
由上述表4和图18的结果可知，将3元系的Si-Sn-M系的合金应用于负极活性物质，进而组合适当的粘结剂种类和导电助剂种类，从而可以将负极活性物质层的伸长率设定为规定范围。可知，通过负极活性物质层的伸长率(δ)设为1.29％<δ<1.70％的范围，从而能够实现放电容量提高率的改善。通过将伸长率(δ)设为1.40％≤δ<1.70％、优选设为1.40％≤δ≤1.66％、更优选设为1.40％≤δ≤1.57％、进一步优选设为1.47％≤δ≤1.57％、特别优选设为1.53％≤δ≤1.57％的范围，从而能够进一步改善放电容量提高率。(对比参见实施例1-1～1-3与比较例1-1～1-3)。
特别是也确认到，通过使用3元系的Si-Sn-M系的合金作为负极活性物质来代替纯Si，从而能够显著实现放电容量提高率的改善。(对比参见图18的实施例1-1～1-3和比较例1-1～1-3的图表与比较例1-4～1-5的数据偏离的方面)。
接着，在以下的实施例2中，对使用上述Si合金当中的Si41Sn16Al43(相当于参考例4)作为负极活性物质并具有与各种粘结剂一起包含其的负极活性物质层的电气设备用负极进行性能评价。
(实施例2-1)
[Si合金的制造]
Si合金通过机械合金化法(或电弧等离子体熔融法)制造。具体而言，使用德国FRITSCH公司制造的行星式球磨机装置P-6，在氧化锆制粉碎锅中投入氧化锆制粉碎球和各合金的各原料粉末，以600rpm经48h使其合金化。
[负极的制作]
将负极活性物质80质量份、导电助剂5质量份和粘结剂15质量份混合，分散于N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，得到负极浆料。此处，负极活性物质使用上述制造的Si合金(Si41Sn16Al43、平均粒径0.3μm)。另外，导电助剂使用作为短链状炭黑的短链状乙炔黑，粘结剂使用聚酰胺酰亚胺(E弹性模量2.00GPa)。接着，将所得到的负极浆料分别以使负极活性物质层的厚度为30μm的方式均匀地涂布到10μm的由铜箔(弹性伸长率1.4％)形成的负极集电体的两面，在真空中干燥24小时，得到负极。
[正极的制作]
将正极活性物质90质量份、导电助剂5质量份和粘结剂5质量份混合，分散于NMP，得到正极浆料。此处，对于正极活性物质，通过日本特开2012-185913号公报的实施例1(第0046段)中记载的方法制作Li1.85Ni0.18Co0.10Mn0.87O3。另外，导电助剂使用乙炔黑，粘结剂使用聚偏二氟乙烯(PVdF)。接着，将所得到的正极浆料分别以使正极活性物质层的厚度为30μm的方式均匀地涂布到厚度20μm的由铝箔形成的正极集电体的两面，使其干燥，得到正极。
[电池的制作]
将上述制作的正极与负极对置，在其间配置隔离体(聚丙烯制的微多孔膜、膜厚20μm)。接着，将负极、隔离体和正极的层叠体配置于硬币型电池(CR2032、材质：不锈钢(SUS316))的底部侧。然后，为了保障正极与负极之间的绝缘性而安装垫片，利用注射器注入下述电解液，将弹簧和间隔物层叠，重叠于硬币型电池的上部侧并嵌紧，由此密封，得到锂离子二次电池。
需要说明的是，作为上述电解液，使用在将碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)以EC:DC＝1:2(体积比)的比率混合而成的有机溶剂中以浓度为1mol/L的方式溶解作为支持盐的六氟磷酸锂(LiPF6)而得到的电解液。
(实施例2-2)
作为粘结剂使用聚酰亚胺(E弹性模量2.10GPa)来代替聚酰胺酰亚胺(E弹性模量2.00GPa)，除此之外通过与实施例2-1同样的方法制作负极和电池。
(实施例2-3)
作为粘结剂使用聚酰亚胺(E弹性模量3.30GPa)来代替聚酰胺酰亚胺(E弹性模量2.00GPa)，除此之外通过与实施例2-1同样的方法制作负极和电池。
(实施例2-4)
作为粘结剂使用聚酰亚胺(E弹性模量3.73GPa)来代替聚酰胺酰亚胺(E弹性模量2.00GPa)，除此之外通过与实施例2-1同样的方法制作负极和电池。
(实施例2-5)
作为粘结剂使用聚酰亚胺(E弹性模量7.00GPa)来代替聚酰胺酰亚胺(E弹性模量2.00GPa)，除此之外通过与实施例2-1同样的方法制作负极和电池。
(比较例2-1)
作为粘结剂使用聚偏二氟乙烯(PVdF)(E弹性模量1.00GPa)来代替聚酰胺酰亚胺(E弹性模量2.00GPa)，除此之外通过与实施例2-1同样的方法制作负极和电池。
(比较例2-2)
作为粘结剂使用聚酰亚胺(E弹性模量7.40GPa)来代替聚酰胺酰亚胺(E弹性模量2.00GPa)，除此之外通过与实施例2-1同样的方法制作负极和电池。
(比较例2-3)
作为负极活性物质使用纯Si来代替Si合金，除此之外通过与实施例2-4同样的方法制作负极和电池。
(比较例2-4)
作为负极活性物质使用纯Si来代替Si合金，除此之外通过与比较例2-1同样的方法制作负极和电池。
<性能评价>
[放电容量的评价]
对于上述制作的各锂离子二次电池，通过以下的方法进行循环特性评价。对于各电池，在30℃的气氛下以恒电流方式(CC、电流：0.1C)充电至2.0V，停止10分钟后，以恒电流(CC、电流：0.1C)放电至0.01V，放电后停止10分钟。将该充放电过程设为1个循环，进行50个循环的充放电试验，求出第50个循环的放电容量相对于第1个循环的放电容量的比率(放电容量维持率[％])。对于所得到的放电容量维持率的结果，以将比较例2-1的放电容量维持率设为100时的相对值(放电容量维持率的提高率)的形式示于下述表5和图19。
[表5]
由上述表5和图19的结果可以理解，包含具有规定范围的E弹性模量的粘结剂的实施例2-1～2-5的电池表现出高循环特性。
本申请基于2012年11月22日提出申请的日本特许出愿第2012-256930号，其公开内容全部引用作为参照。
附图标记说明
10、50 锂离子二次电池(层叠型电池)、
11 正极集电体、
12 负极集电体、
13 正极活性物质层、
15 负极活性物质层、
17 电解质层、
19 单电池层、
21、57 发电元件、
25、58 正极集电板、
27、59 负极集电板、
29、52 电池外壳材料(层压薄膜)。

Claims (20)

1.一种电气设备用负极，其特征在于，其具有集电体、以及配置于所述集电体的表面的包含负极活性物质、导电助剂和粘结剂的电极层，
所述负极活性物质包含下述式(1)所示的合金，
SixSnyMzAa (1)
上述式(1)中，
M为Al，
所述A为不可避免的杂质，
x、y、z和a表示质量％的值，此时，x为31以上且50以下，y大于0且为45以下，z大于0且为43以下，并且0≤a<0.5，x+y+z+a＝100，
所述导电助剂包括短链状或纤维状导电助剂，
并且电极层的伸长率(δ)为1.29％<δ<1.70％，
所述粘结剂包含具有2.00GPa以上且7.00GPa以下的E弹性模量的树脂。
2.一种电气设备用负极，其特征在于，其具有集电体、以及配置于所述集电体的表面的包含负极活性物质、导电助剂和粘结剂的电极层，
所述负极活性物质包含下述式(1)所示的合金，
SixSnyMzAa (1)
上述式(1)中，
M为V，
所述A为不可避免的杂质，
x、y、z和a表示质量％的值，此时，x为27以上且低于100，y大于0且为73以下，z大于0且为73以下，并且0≤a<0.5，x+y+z+a＝100，
所述导电助剂包括短链状或纤维状导电助剂，
并且电极层的伸长率(δ)为1.29％<δ<1.70％，
所述粘结剂包含具有2.00GPa以上且7.00GPa以下的E弹性模量的树脂。
3.一种电气设备用负极，其特征在于，其具有集电体、以及配置于所述集电体的表面的包含负极活性物质、导电助剂和粘结剂的电极层，
所述负极活性物质包含下述式(1)所示的合金，
SixSnyMzAa (1)
上述式(1)中，
M为C，
所述A为不可避免的杂质，
x、y、z和a表示质量％的值，此时，29≤x<100，0<y<100，0<z<100，并且0≤a<0.5，x+y+z+a＝100，
所述导电助剂包括短链状或纤维状导电助剂，
并且电极层的伸长率(δ)为1.29％<δ<1.70％，
所述粘结剂包含具有2.00GPa以上且7.00GPa以下的E弹性模量的树脂。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电气设备用负极，其特征在于，所述δ为1.40％≤δ<1.70％。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的电气设备用负极，其特征在于，所述δ为1.40％≤δ≤1.66％。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的电气设备用负极，其特征在于，所述δ为1.40％≤δ≤1.57％。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的电气设备用负极，其特征在于，所述δ为1.47％≤δ≤1.57％。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的电气设备用负极，其特征在于，所述δ为1.53％≤δ≤1.57％。
9.根据权利要求1～3中任一项所述的电气设备用负极，其特征在于，所述集电体的弹性伸长率为1.30％以上。
10.根据权利要求1～3中任一项所述的电气设备用负极，其特征在于，所述负极活性物质是所述式(1)所示的合金与碳系材料混合而成的。
11.根据权利要求1所述的电气设备用负极，其中，所述y为15以上，所述z为18以上。
12.根据权利要求2所述的电气设备用负极，其中，所述x为84以下，所述y为10以上且73以下，所述z为6以上且73以下。
13.根据权利要求12所述的电气设备用负极，其中，所述y为10以上且63以下，所述z为6以上且63以下。
14.根据权利要求13所述的电气设备用负极，其中，所述x为52以下。
15.根据权利要求14所述的电气设备用负极，其中，所述y为40以下，所述z为20以上。
16.根据权利要求3所述的电气设备用负极，其中，所述x为63以下，所述y为14以上且48以下，所述z为11以上且48以下。
17.根据权利要求16所述的电气设备用负极，其中，所述x为44以下。
18.根据权利要求17所述的电气设备用负极，其中，所述x为40以下，所述y为34以上。
19.根据权利要求1～3中任一项所述的电气设备用负极，其中，具有所述E弹性模量的树脂为选自由聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺和聚酰胺组成的组中的1种或2种以上的树脂。
20.一种电气设备，其包含权利要求1～19中任一项所述的电气设备用负极。
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