JP2017097955A - 負極活物質、混合負極活物質材料、非水電解質二次電池用負極、リチウムイオン二次電池、負極活物質の製造方法、及びリチウムイオン二次電池の製造方法 - Google Patents

負極活物質、混合負極活物質材料、非水電解質二次電池用負極、リチウムイオン二次電池、負極活物質の製造方法、及びリチウムイオン二次電池の製造方法 Download PDF

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【課題】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、電池容量の増加、サイクル特性及び初期充放電特性を向上させることが可能な負極活物質を提供する。【解決手段】 負極活物質粒子を含む負極活物質であって、前記負極活物質粒子は、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含有し、前記ケイ素化合物粒子は、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、−４０〜−６０ｐｐｍに得られるアモルファスケイ素に由来するピークの強度Ａ、−１１０ｐｐｍ付近に得られる二酸化ケイ素に由来するピークの強度Ｂ、及び−８３ｐｐｍ付近に得られるＳｉに由来するピークの強度Ｃが、下記式１及び式２を満たすものであることを特徴とする負極活物質。Ｂ≦１．５×Ａ ・・・ （１）Ｂ＜Ｃ ・・・ （２）【選択図】 図１

Description

本発明は、負極活物質、混合負極活物質材料、非水電解質二次電池用負極、リチウムイオン二次電池、負極活物質の製造方法、及びリチウムイオン二次電池の製造方法に関する。
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。
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。
上記のリチウムイオン二次電池は、正極および負極、セパレータと共に電解液を備えており、負極は充放電反応に関わる負極活物質を含んでいる。
この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。電池容量向上のために、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。なぜならば、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。また、活物質形状は、炭素材では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。
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が膨張収縮するため、主に負極活物質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、負極活物質が割れやすい物質となる。負極活物質表層が割れると、それによって新表面が生じ、活物質の反応面積が増加する。この時、新表面において電解液の分解反応が生じるとともに、新表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。
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なされている。
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）。さらに、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）。
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、サイクル特性改善のため、ＳｉＯｘ（０．８≦ｘ≦１．５、粒径範囲＝１μｍ〜５０μｍ）と炭素材を混合して高温焼成している（例えば特許文献６参照）。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、集電体界面近傍におけるモル比の最大値、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７参照）。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８参照）。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９参照）。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１０参照）。特許文献１０において、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となっている。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１１参照）。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）に制御したケイ素酸化物を用いている（例えば特許文献１２参照）。
特開２００１−１５５１２７号公報 特開２００２−０４２８０６号公報 特開２００６−１６４９５４号公報 特開２００６−１１４４５４号公報 特開２００９−０７０８２５号公報 特開２００８−２８２８１９号公報 特開２００８−２５１３６９号公報 特開２００８−１７７３４６号公報 特開２００７−２３４２５５号公報 特開２００９−２１２０７４号公報 特開２００９−２０５９５０号公報 特許第２９９７７４１号明細書
上述したように、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、ケイ素系活物質を主材として用いた負極からなるリチウムイオン二次電池の開発が望まれている。また、ケイ素系活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、炭素系活物質を用いたリチウムイオン二次電池と同等に近い初回効率、サイクル特性が望まれている。しかしながら、炭素系活物質を用いたリチウムイオン二次電池と同等の初回効率、サイクル安定性を示す負極活物質を提案するには至っていなかった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、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、電池容量を増加させ、サイクル特性及び初期充放電特性を向上させることが可能な負極活物質、この負極活物質を含む混合負極活物質材、この混合負極活物質材を含む非水電解質二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
また本発明は、上記のような電池特性に優れる負極活物質の製造方法及びリチウムイオン二次電池の製造方法を提供することも目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、負極活物質粒子を含む負極活物質であって、前記負極活物質粒子は、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含有し、前記ケイ素化合物粒子は、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、−４０〜−６０ｐｐｍに得られるアモルファスケイ素（ａ−Ｓｉとも記載する）に由来するピークの強度Ａ、−１１０ｐｐｍ付近に得られる二酸化ケイ素に由来するピークの強度Ｂ、及び−８３ｐｐｍ付近に得られるＳｉに由来するピークの強度Ｃが、下記式１及び式２を満たすものであることを特徴とする負極活物質を提供する。
Ｂ≦１．５×Ａ ・・・ （１）
Ｂ＜Ｃ ・・・ （２）
このように、式１を満たす場合、即ち、アモルファスケイ素成分を基準として、二酸化ケイ素成分が十分に小さい場合、電池の充電時に、二酸化ケイ素の一部がリチウムと反応することにより発生する不可逆成分を十分に低減することができるため、高い電池初期効率を有する負極活物質となる。これに加えて、式２を満たす場合、即ち、Ｓｉ成分を基準として、二酸化ケイ素成分が十分に小さい場合、上記同様、電池充電時に発生する不可逆成分をより低減することができるため、より高い電池初期効率を有する負極活物質となる。よって、本発明の負極活物質は、電池容量が大きく、初期効率及びサイクル特性を向上することができる。
このとき、前記負極活物質粒子は、Ｌｉ２ＳｉＯ３及びＬｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上を含むものであることが好ましい。
このような負極活物質は、ケイ素化合物中の、電池の充放電時のリチウムの挿入、脱離時に不安定化するＳｉＯ２成分部を予め、比較的安定なリチウムシリケートに改質させたものであるので、充電時に発生する不可逆容量を低減することができる。
また、前記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−１３０ｐｐｍ付近にピークを有するものであることが好ましい。
ケミカルシフト値が−１３０ｐｐｍ付近に現れるピークも、アモルファスケイ素に由来するものであると考えられる。よって、アモルファスケイ素成分の比率がより大きいため、より初期効率及びサイクル特性を向上することができる。
また、前記ケイ素化合物粒子は、Ｘ線回折により得られるＳｉ（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が１．２°以上であるとともに、その結晶面に対応する結晶子サイズは７．５ｎｍ以下であることが好ましい。
ケイ素化合物粒子が上記のケイ素結晶性を有する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れば、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。
また、前記負極活物質と炭素系活物質との混合物を含む負極電極と対極リチウムとから成る試験セルを作製し、該試験セルにおいて、前記負極活物質にリチウムを挿入するよう電流を流す充電と、前記負極活物質からリチウムを脱離するよう電流を流す放電とから成る充放電を３０回実施し、各充放電における放電容量Ｑを前記対極リチウムを基準とする前記負極電極の電位Ｖで微分した微分値ｄＱ／ｄＶと前記電位Ｖとの関係を示すグラフを描いた場合に、Ｘ回目以降（１≦Ｘ≦３０）の放電時における、前記負極電極の電位Ｖが０．４０Ｖ〜０．５５Ｖの範囲にピークを有するものであることが好ましい。
Ｖ−ｄＱ／ｄＶ曲線における上記のピークはケイ素材のピークと類似しており、より高電位側における放電カーブが鋭く立ち上がるため、電池設計を行う際、容量発現しやすくなる。また、上記ピークが３０回以内の充放電で発現するものであれば、安定したバルクが形成される負極活物質となる。
また、前記負極活物質粒子はメジアン径が１．０μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。
メジアン径が１．０μｍ以上であれば、質量当たりの表面積の増加により電池不可逆容量が増加することを抑制することができる。一方で、メジアン径を１５μｍ以下とすることで、粒子が割れ難くなるため新表面が出難くなる。
また、前記負極活物質粒子は、表層部に炭素材を含むことが好ましい。
このように、負極活物質粒子がその表層部に炭素材を含むことで、導電性の向上が得られる。
また、前記炭素材の平均厚さは１０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが好ましい。
炭素材の平均厚さが１０ｎｍ以上であれば導電性向上が得られる。また、被覆する炭素材の平均厚さが５０００ｎｍ以下であれば、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に用いることにより、ケイ素化合物粒子を十分な量確保できるので、電池容量の低下を抑制することができる。
上記の負極活物質と炭素系活物質とを含むことを特徴とする混合負極活物質材料を提供する。
このように、負極活物質層を形成する材料として、本発明の負極活物質（ケイ素系負極活物質）とともに炭素系活物質を含むことで、負極活物質層の導電性を向上させることができるとともに、充電に伴う膨張応力を緩和することが可能となる。また、ケイ素負極系活物質を炭素系活物質に混合することで電池容量を増加させることができる。
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記の混合負極活物質材料を含み、前記負極活物質と前記炭素系活物質の質量の合計に対する、前記負極活物質の質量の割合が６質量％以上であ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。
上記の負極活物質（ケイ素系負極活物質）と炭素系活物質の質量の合計に対する、負極活物質（ケイ素系負極活物質）の質量の割合が６質量％以上であれば、電池容量をより向上させることが可能となる。
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記の混合負極活物質材料で形成された負極活物質層と、負極集電体とを有し、前記負極活物質層は前記負極集電体上に形成されており、前記負極集電体は炭素及び硫黄を含むとともに、それらの含有量がいずれも７０質量ｐｐｍ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を提供する。
このように、負極電極を構成する負極集電体が、炭素及び硫黄を上記のような量で含むことで、充電時の負極電極の変形を抑制することができる。
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記の負極活物質を含む負極を用いたものであることを特徴とするリチウムイオン二次電池を提供する。
このような負極活物質を含む負極を用いたリチウムイオン二次電池であれば、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。
また、上記目的を達成するために、本発明は、ケイ素化合物粒子を含有する負極活物質粒子を含む負極活物質を製造する方法であって、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含有する負極活物質粒子を作製する工程と、前記負極活物質粒子から、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、−４０〜−６０ｐｐｍに得られるアモルファスケイ素に由来するピークの強度Ａ、−１１０ｐｐｍ付近に得られる二酸化ケイ素領域に由来するピークの強度Ｂ、及び−８３ｐｐｍ付近に得られるＳｉに由来するピークの強度Ｃが、下記式１及び式２を満たすものを選別する工程とを含み、該選別した前記負極活物質粒子を用いて、負極活物質を製造することを特徴とする負極活物質の製造方法を提供する。
Ｂ≦１．５×Ａ ・・・ （１）
Ｂ＜Ｃ ・・・ （２）
ケイ素系活物質粒子をこのように選別して、負極活物質を製造することで、リチウムイオン二次電池の負極活物質として使用した際に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を有する負極活物質を製造することができる。
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記の負極活物質の製造方法によって製造した負極活物質を用いて負極を作製し、該作製した負極を用いてリチウムイオン二次電池を製造することを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法を提供する。
上記のように製造された負極活物質を用いることにより、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を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。
本発明の負極活物質は、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、この負極活物質を含む混合負極活物質材料、負極、及びリチウムイオン二次電池においても同様の効果が得られる。また、本発明の負極活物質の製造方法であれば、二次電池の負極活物質として用いた際に、良好なサイクル特性及び初期充放電特性を有する負極活物質を製造することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池用負極の構成を示す断面図である。 本発明のリチウム二次電池の構成例（ラミネートフィルム型）を表す図である。 アモルファスケイ素を含むＳｉＯｘを２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲを用いて測定した場合に得られるスペクトルの一例である。 実施例１−１、比較例１−１、及び比較例１−２において測定された、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲスペクトルである。 実施例７−１、比較例７−２における電池容量の増加率を示すグラフである。
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述のように、リチウムイオン二次電池の電池容量を増加させる１つの手法として、ケイ素系活物質を主材として用いた負極を用いることが検討されている。このケイ素系活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、炭素系活物質を用いたリチウムイオン二次電池と同等に近い初期充放電特性、サイクル特性が望まれているが、炭素系活物質を用いたリチウムイオン二次電池と同等の初期効率及びサイクル安定性を示すケイ素系活物質を提案するには至っていなかった。
そこで、本発明者らは、二次電池に用いた場合、高電池容量となるとともに、サイクル特性及び初回効率が良好となる負極活物質を得るために鋭意検討を重ね、本発明に至った。
本発明の負極活物質は、負極活物質粒子を含む。この負極活物質粒子は、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含有する。そして、ケイ素化合物粒子は、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、−４０〜−６０ｐｐｍに得られるアモルファスケイ素に由来するピークの強度Ａ、−１１０ｐｐｍ付近に得られる二酸化ケイ素に由来するピークの強度Ｂ、及び−８３ｐｐｍ付近に得られるＳｉに由来するピークの強度Ｃが、下記式１及び式２を満たすものである。
Ｂ≦１．５×Ａ ・・・ （１）
Ｂ＜Ｃ ・・・ （２）
このように、式１を満たす場合、即ち、ケイ素化合物粒子において、アモルファスケイ素成分を基準として、二酸化ケイ素成分が十分に小さい場合、電池の充電時に、二酸化ケイ素の一部がリチウムと反応することにより発生する不可逆成分を十分に低減することができるため、高い電池初期効率を有する負極活物質となる。また、負極活物質粒子にリチウムを挿入する場合に、二酸化ケイ素の一部はリチウムと反応してＳｉ−Ｌｉとなる。このＳｉ−Ｌｉは水との反応性が高い。しかし、本発明の負極活物質においては、アモルファスケイ素成分を基準として二酸化ケイ素成分が小さいため、Ｓｉ−Ｌｉの発生を抑制でき、電極作製時の水系スラリー等に対する負極活物質の安定性が向上する。その結果、二次電池とした場合のサイクル特性が良好な負極活物質となる。これに加えて、式２を満たす場合、即ち、ケイ素化合物粒子において、Ｓｉ成分を基準として、二酸化ケイ素成分が十分に小さいと、上記同様、より高い電池初期効率を有する負極活物質となる。
なお、アモルファスケイ素（ａ−Ｓｉ）に由来するピークは、図３（参考図）に示すように、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲ スペクトルのケミカルシフト値が−４０〜−６０ｐｐｍの領域に緩やかなピークとして現れる。また、−１３０ｐｐｍ付近に得られるピークもアモルファスケイ素に由来するものと推測される。また、−８３ｐｐｍ付近にもピークを有する。本発明における負極活物質粒子は、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−１３０ｐｐｍ付近にピークを有するものであることが好ましい。このようなものは、アモルファスケイ素成分の比率がより大きいため、初期効率及びサイクル特性をより向上することができる。
また、図３に示すように、アモルファスケイ素に由来する−４０〜−６０ｐｐｍの領域には明らかに緩やかなピークを有するが、極大値を取っていない場合が有る。このときピーク強度Ａは−４０〜−６０ｐｐｍの範囲におけるスペクトルの強度の最大値とする。また、二酸化ケイ素に由来する−１１０ｐｐｍ付近のピークも同様に極大値を有しない場合があるが、その場合、ピーク強度Ｂは−１１０ｐｐｍにおける強度とする。
＜非水電解質二次電池用負極＞
まず、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、「負極」とも呼称する）の断面構成を表している。
［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。
［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。
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、それぞれ７０質量ｐｐｍ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。このような変形抑制効果によりサイクル特性をより向上できる。
また、負極集電体１１の表面は粗化されていてもよいし、粗化されていなくてもよい。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、化学エッチング処理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。
［負極活物質層］
負極活物質層１２は、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な本発明の負極活物質を含んでおり、電池設計上の観点から、さらに、負極結着剤（バインダ）や導電助剤など他の材料を含んでいてもよい。負極活物質は負極活物質粒子を含み、負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含有するケイ素化合物粒子を含む。
また、負極活物質層１２は、本発明の負極活物質（ケイ素系負極活物質）と炭素系活物質とを含む混合負極活物質材料を含んでいても良い。これにより、負極活物質層の電気抵抗が低下するとともに、充電に伴う膨張応力を緩和することが可能となる。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を使用できる。
また、本発明の負極は、ケイ素系負極活物質と炭素系活物質の質量の合計に対する、ケイ素系負極活物質の質量の割合が６質量％以上であることが好ましい。ケイ素系負極活物質と炭素系活物質の質量の合計に対する、本発明の負極活物質の質量の割合が６質量％以上であれば、電池容量を確実に向上させることが可能となる。
また、上記のように本発明の負極活物質は、ケイ素化合物粒子を含み、ケイ素化合物粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含有する酸化ケイ素材であるが、その組成はｘが１に近い方が好ましい。なぜならば、高いサイクル特性が得られるからである。なお、本発明におけるケイ素化合物の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よい。
また、本発明の負極活物質において、ケイ素化合物粒子は、Ｌｉ２ＳｉＯ３及びＬｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上を含有することが好ましい。このようなものは、ケイ素化合物中の、電池の充放電時のリチウムの挿入、脱離時に不安定化するＳｉＯ２成分部を予め別のリチウムシリケートに改質させたものであるので、充電時に発生する不可逆容量を低減することができる。
また、ケイ素化合物粒子のバルク内部にＬｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ２ＳｉＯ３は少なくとも１種以上存在することで電池特性が向上するが、上記２種類のＬｉ化合物を共存させる場合に電池特性がより向上する。なお、これらのリチウムシリケートは、ＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：核磁気共鳴）又はＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：Ｘ線光電子分光）で定量可能である。ＸＰＳとＮＭＲの測定は、例えば、以下の条件により行うことができる。
ＸＰＳ
・装置： Ｘ線光電子分光装置、
・Ｘ線源： 単色化Ａｌ Ｋα線、
・Ｘ線スポット径： １００μｍ、
・Ａｒイオン銃スパッタ条件： ０．５ｋＶ／２ｍｍ×２ｍｍ。
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℃。
また、ケイ素化合物粒子は、Ｘ線回折により得られるＳｉ（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が１．２°以上であるとともに、その結晶面に対応する結晶子サイズは７．５ｎｍ以下であることが好ましい。ケイ素化合物粒子におけるケイ素化合物のケイ素結晶性は低いほどよく、特に、Ｓｉ結晶の存在量が少なければ、電池特性を向上でき、さらに、安定的なＬｉ化合物が生成できる。
また、本発明の負極活物質において、負極活物質粒子は、表層部に炭素材を含むことが好ましい。負極活物質粒子がその表層部に炭素材を含むことで、導電性の向上が得られるため、このような負極活物質粒子を含む負極活物質を二次電池の負極活物質として用いた際に、電池特性を向上させることができる。
また、負極活物質粒子の表層部の炭素材の平均厚さは、１０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることが好ましい。炭素材の平均厚さが１０ｎｍ以上であれば導電性向上が得られ、被覆する炭素材の平均厚さが５０００ｎｍ以下であれば、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、電池容量の低下を抑制することができる。
この炭素材の平均厚さは、例えば、以下の手順により算出できる。先ず、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）により任意の倍率で負極活物質粒子を観察する。この倍率は、厚さを測定できるように、目視で炭素材の厚さを確認できる倍率が好ましい。続いて、任意の１５点において、炭素材の厚さを測定する。この場合、できるだけ特定の場所に集中せず、広くランダムに測定位置を設定することが好ましい。最後に、上記の１５点の炭素材の厚さの平均値を算出する。
炭素材の被覆率は特に限定されないが、できるだけ高い方が望ましい。被覆率が３０％以上であれば、電気伝導性がより向上するため好ましい。炭素材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。なぜならば、被覆率を向上させることができるからである。
また、負極活物質粒子のメジアン径（Ｄ５０：累積体積が５０％となる時の粒子径）が１．０μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。メジアン径が上記の範囲であれば、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。メジアン径が１．０μｍ以上であれば、質量当たりの表面積を小さくでき、電池不可逆容量の増加を抑制することができる。一方で、メジアン径を１５μｍ以下とすることで、粒子が割れ難くなるため新表面が出難くなる。
また、本発明の負極活物質（ケイ素系活物質）は、該ケイ素系活物質と炭素系活物質との混合物を含む負極電極と対極リチウムとから成る試験セルを作製し、該試験セルにおいて、ケイ素系活物質にリチウムを挿入するよう電流を流す充電と、ケイ素系活物質からリチウムを脱離するよう電流を流す放電とから成る充放電を３０回実施し、各充放電における放電容量Ｑを対極リチウムを基準とする負極電極の電位Ｖで微分した微分値ｄＱ／ｄＶと電位Ｖとの関係を示すグラフを描いた場合に、Ｘ回目以降（１≦Ｘ≦３０）の放電時における、負極電極の電位Ｖが０．４０Ｖ〜０．５５Ｖの範囲にピークを有するものであることが好ましい。Ｖ−ｄＱ／ｄＶ曲線における上記のピークはケイ素材のピークと類似しており、より高電位側における放電カーブが鋭く立ち上がるため、電池設計を行う際、容量発現しやすくなる。また、３０回以内の充放電で上記ピークが発現する負極活物質であれば、安定したバルクが形成されるものであると判断できる。
また、負極活物質層に含まれる負極結着剤としては、例えば、高分子材料、合成ゴムなどのいずれか１種類以上を用いることができる。高分子材料は、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリアミドイミド、アラミド、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、カルボキシメチルセルロースなどである。合成ゴムは、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴム、エチレンプロピレンジエンなどである。
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、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のいずれか１種以上を用いることができる。
負極活物質層は、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の結着剤など、また、必要に応じて導電助剤、炭素材料を混合した後に、有機溶剤や水などに分散させ塗布する方法である。
［負極の製造方法］
負極は、例えば、以下の手順により製造できる。まず、負極に使用する負極活物質の製造方法を説明する。最初に、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含有する負極活物質粒子を作製する。その後、負極活物質粒子から、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、−４０〜−６０ｐｐｍに得られるアモルファスケイ素に由来するピークの強度Ａと、−１１０ｐｐｍ付近に得られる二酸化ケイ素領域に由来するピークの強度Ｂ、及び−８３ｐｐｍ付近に得られるＳｉに由来するピークの強度Ｃが、下記式１及び式２を満たすものを選別する。そして、選別した負極活物質粒子を用いて、負極活物質を製造する。
Ｂ≦１．５×Ａ ・・・ （１）
Ｂ＜Ｃ ・・・ （２）
また、負極活物質粒子を作製するのに、さらに、ケイ素化合物粒子に炭素材を被覆する工程を有していても良い。ケイ素化合物粒子の表面に炭素材を被覆した負極活物質粒子は導電性に優れる。
また、さらに、ケイ素化合物粒子にリチウムを挿入することで、ケイ素化合物粒子を改質する工程を有していても良い。この工程により、例えば、バルク内部に、Ｌｉ２ＳｉＯ３やＬｉ４ＳｉＯ４といったリチウムシリケートを生成することで、充電時に発生する不可逆容量を低減することができる。
より具体的には以下のように負極活物質を製造できる。先ず、酸化珪素ガスを発生する原料を不活性ガスの存在下、減圧下で９００℃〜１６００℃の温度範囲で加熱し、酸化珪素ガスを発生させる。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。
発生した酸化珪素ガスは吸着板上で固体化され堆積される。次に、反応炉内温度を１００℃以下に下げた状態で酸化珪素の堆積物を取出し、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。以上のようにして、ケイ素化合物粒子を作製することができる。なお、ケイ素化合物粒子中のＳｉ結晶子は、気化温度の変更、又は、生成後の熱処理で制御できる。
ここで、ケイ素化合物粒子の表層に炭素材の層を生成しても良い。炭素材の層を生成する方法としては、熱分解ＣＶＤ法が望ましい。熱分解ＣＶＤ法で炭素材の層を生成する方法について説明する。
先ず、ケイ素化合物粒子を炉内にセットする。次に、炉内に炭化水素ガスを導入し、炉内温度を昇温させる。分解温度は特に限定しないが、１２００℃以下が望ましく、より望ましいのは９５０℃以下である。分解温度を１２００℃以下にすることで、ケイ素化合物粒子の意図しない不均化を抑制することができる。所定の温度まで炉内温度を昇温させた後に、ケイ素化合物粒子の表面に炭素層を生成する。これにより負極活物質粒子が製造できる。また、炭素材の原料となる炭化水素ガスは、特に限定しないが、ＣｎＨｍ組成においてｎ≦３であることが望ましい。ｎ≦３であれは、製造コストを低くでき、また、分解生成物の物性を良好にすることができる。
次に、上記のように作製した負極活物質粒子に、Ｌｉを挿入して改質しても良い。このとき、負極活物質粒子にＬｉ２ＳｉＯ３、Ｌｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上を含有させることが好ましい。Ｌｉの挿入は、酸化還元法により行うことが好ましい。
酸化還元法による改質では、例えば、まず、エーテル溶媒にリチウムを溶解した溶液Ａに負極活物質粒子を浸漬することで、リチウムを挿入できる。この溶液Ａに更に多環芳香族化合物又は直鎖ポリフェニレン化合物を含ませても良い。リチウムの挿入後、多環芳香族化合物やその誘導体を含む溶液Ｂに負極活物質粒子を浸漬することで、負極活物質粒子から活性なリチウムを脱離できる。この溶液Ｂの溶媒は例えば、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、アルコール系溶媒、アミン系溶媒、又はこれらの混合溶媒を使用できる。さらに、溶液Ｂに浸漬した後、アルコール系溶媒、カルボン酸系溶媒、水、又はこれらの混合溶媒を含む溶液Ｃに負極活物質粒子を浸漬することで、負極活物質粒子から活性なリチウムをより多く脱離できる。また、溶液Ｃの代わりに、溶質として分子中にキノイド構造を持つ化合物を含み、溶媒としてエーテル系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、又はこれらの混合溶媒を含む溶液Ｃ’を用いても良い。また、溶液Ｂ、Ｃ、Ｃ’への負極活物質粒子の浸漬は繰り返し行っても良い。このようにして、リチウムの挿入後、活性なリチウムを脱離すれば、ケイ素化合物粒子内のＳｉ−Ｌｉを低減することができ、より耐水性の高い負極活物質となる。その後、アルコール、炭酸リチウムを溶解したアルカリ水、弱酸、又は純水などで洗浄する方法などで洗浄しても良い。また、本手法により負極活物質粒子に生成するリチウムシリケートはアモルファスである。
次に、改質後の負極活物質粒子から、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、−４０〜−６０ｐｐｍに得られるアモルファスケイ素に由来するピークの強度Ａと、−１１０ｐｐｍ付近に得られる二酸化ケイ素領域に由来するピークの強度Ｂ、及び−８３ｐｐｍ付近に得られるＳｉに由来するピークの強度Ｃが、下記式１及び式２を満たすものを選別する。
Ｂ≦１．５×Ａ ・・・ （１）
Ｂ＜Ｃ ・・・ （２）
２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲは以下のような条件にて実施できる。
２９Ｓｉ ＭＡＳ ＮＭＲ
・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℃。
ピークの強度は、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲスペクトルから算出されたベースラインからのピークの高さで表される。この際、ベースラインは通常の方法によって定めることができる。
尚、負極活物質粒子の選別は、必ずしも負極活物質の製造の都度行う必要はなく、上記の式１及び式２を満たす製造条件を見出して選択すれば、その後は、その選択された条件と同じ条件で負極活物質を製造することができる。
以上のようにして作製した負極活物質を、負極結着剤、導電助剤などの他の材料と混合して、負極合剤とした後に、有機溶剤又は水などを加えてスラリーとする。次に負極集電体の表面に、上記のスラリーを塗布し、乾燥させて、負極活物質層を形成する。この時、必要に応じて加熱プレスなどを行ってもよい。また、負極集電体が炭素および硫黄をそれぞれ７０ｐｐｍ以下含んでいれば、負極の変形を抑える効果を得ることができる。以上のようにして、負極を作製できる。
＜リチウムイオン二次電池＞
次に、本発明のリチウムイオン二次電池について説明する。本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明の負極活物質を含む負極を用いたものである。ここでは具体例として、ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池を例に挙げる。
［ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池の構成］
図２に示すラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池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。
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。
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。
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。
［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。
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。
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。
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。これら記述される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。
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）などが挙げられる。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（０＜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。
［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。
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。これは、安定した電池設計を行うためである。
非対向領域、すなわち、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。
［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、ポリエチレンなどが挙げられる。
［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。
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、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−ジメトキシエタン又はテトラヒドロフランなどが挙げられる。この中でも、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種以上を用いることが望ましい。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ことにより、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。
合金系負極を用いる場合、特に溶媒として、ハロゲン化鎖状炭酸エステル、又は、ハロゲン化環状炭酸エステルのうち少なくとも１種を含んでいることが望ましい。これにより、充放電時、特に充電時において、負極活物質表面に安定な被膜が形成される。ここで、ハロゲン化鎖状炭酸エステルとは、ハロゲンを構成元素として有する（少なくとも１つの水素がハロゲンにより置換された）鎖状炭酸エステルである。また、ハロゲン化環状炭酸エステルとは、ハロゲンを構成元素として有する（すなわち、少なくとも１つの水素がハロゲンにより置換された）環状炭酸エステルである。
ハロゲンの種類は特に限定されないが、フッ素が好ましい。これは、他のハロゲンよりも良質な被膜を形成するからである。また、ハロゲン数は多いほど望ましい。これは、得られる被膜がより安定的であり、電解液の分解反応が低減されるからである。
ハロゲン化鎖状炭酸エステルは、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ジフルオロメチルメチルなどが挙げられる。ハロゲン化環状炭酸エステルとしては、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、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。
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挙げられる。
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。
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。
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、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。
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。
［ラミネートフィルム型二次電池の製造方法］
本発明では、上記の本発明の負極活物質の製造方法によって製造した負極活物質を用いて負極を作製し、該作製した負極を用いてリチウムイオン二次電池を製造する。
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、ナイフロール又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、加熱しても良く、また加熱又は圧縮を複数回繰り返しても良い。
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。
正極及び負極を作製する際に、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）。
続いて、電解液を調整する。続いて、超音波溶接などにより、図２のように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２１を作製し、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、及び負極リードと外装部材の間に密着フィルムを挿入する。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。以上のようにして、ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池２０を製造することができる。
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、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（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リチウム二次電池２０を作製した。
最初に正極を作製した。正極活物質はリチウムニッケルコバルト複合酸化物（ＮＣＡ）であるＬｉＮｉ０．７Ｃｏ０．２５Ａｌ０．０５Ｏを９５質量％と、正極導電助剤２．５質量％と、正極結着剤（ポリフッ化ビニリデン：ＰＶＤＦ）２．５質量％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のものを用いた。最後にロールプレスで圧縮成型を行った。
次に負極を作製した。まず、負極活物質を以下のようにして作製した。金属ケイ素と二酸化ケイ素を混合した原料を反応炉に導入し、１０Ｐａの真空度の雰囲気中で気化させたものを吸着板上に堆積させ、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。このようにして得たケイ素化合物粒子のＳｉＯｘのｘの値は１．０であった。続いて、ケイ素化合物粒子の粒径を分級により調整した。その後、熱分解ＣＶＤを行うことで、ケイ素化合物粒子の表面に炭素材を被覆した。これを負極活物質粒子とした。
続いて、負極活物質粒子に酸化還元法によりリチウムを挿入し改質した。まず、負極活物質粒子を、リチウム片とビフェニルをテトラヒドロフラン（以下、ＴＨＦとも呼称する）に溶解させた溶液（溶液Ａ１）に浸漬した。実施例１−１の溶液Ａ１は、ＴＨＦ溶媒にビフェニルを１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させた後に、このＴＨＦとビフェニルの混合液に対して１０質量％の質量分のリチウム片を加えることで作製した。また、負極活物質粒子を浸漬する際の溶液の温度は２０℃で、浸漬時間は４８時間とした。その後、負極活物質粒子を濾取した。以上の処理により、負極活物質粒子にリチウムを挿入した。
次に、ＴＨＦにナフタレンを溶解させた溶液（溶液Ｂ）に、リチウム挿入後の負極活物質粒子を浸漬した。実施例１−１の溶液Ｂは、ＴＨＦ溶媒にナフタレンを２ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させて作製した。また、負極活物質粒子を浸漬する際の溶液の温度は２０℃、浸漬時間は３０時間とした。その後、負極活物質粒子を濾取した。
次に、溶液Ｂに接触させた後の負極活物質粒子を、ＴＨＦにｐ−ベンゾキノンを１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させた溶液（溶液Ｃ）に浸漬した。浸漬時間は１０時間とした。その後、負極活物質粒子を濾取した。
次に、負極活物質粒子を洗浄処理し、洗浄処理後の負極活物質粒子を減圧下で乾燥処理した。
ここで、実施例１−１で作製した負極活物質粒子を２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲによって測定したところ、図４のようなスペクトルが得られた。図４のスペクトルにおいてベースラインを設定し、ピーク強度を算出したところ、ケミカルシフト値が−４０〜−６０ｐｐｍに得られるアモルファスケイ素に由来するピークの強度Ａ、ケミカルシフト値が−１１０ｐｐｍ付近に得られる二酸化ケイ素領域に由来するピークの強度Ｂ、ケミカルシフト値が−８３ｐｐｍ付近に得られるＳｉに由来するピークの強度Ｃが、下記の式１及び式２を満たしていた。
Ｂ≦１．５×Ａ ・・・ （１）
Ｂ＜Ｃ ・・・ （２）
また、ケミカルシフト値が−１３０ｐｐｍ近辺の位置にもピークが得られた。このピークもアモルファスケイ素に由来するピークと推測される。
以上のようにして作製した負極活物質粒子と、炭素系活物質を１：９の質量比で配合し、負極活物質を作製した。ここで、炭素系活物質としては、ピッチ層で被覆した天然黒鉛及び人造黒鉛を５：５の質量比で混合したものを使用した。また、炭素系活物質のメジアン径は２０μｍであった。
次に、作製した負極活物質、導電助剤１（カーボンナノチューブ、ＣＮＴ）、導電助剤２（メジアン径が約５０ｎｍの炭素微粒子）、スチレンブタジエンゴム（スチレンブタジエンコポリマー、以下、ＳＢＲと称する）、カルボキシメチルセルロース（以下、ＣＭＣと称する）９２．５：１：１：２．５：３の乾燥質量比で混合した後、純水で希釈し負極合剤スラリーとした。尚、上記のＳＢＲ、ＣＭＣは負極バインダー（負極結着剤）である。
また、負極集電体としては、厚さ１５μｍの電解銅箔を用いた。この電解銅箔には、炭素及び硫黄がそれぞれ７０質量ｐｐｍの濃度で含まれていた。最後に、負極合剤スラリーを負極集電体に塗布し真空雰囲気中で１００℃×１時間の乾燥を行った。乾燥後の、負極の片面における単位面積あたりの負極活物質層の堆積量（面積密度とも称する）は５ｍｇ／ｃｍ２であった。
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）およびジメチルカーボネート（ＤＭＣ））を混合した後、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、溶媒の組成を堆積比で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。
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、負極集電体の一端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、長手方向に倦回させ倦回電極体を得た。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（厚さ１２μｍ）を用いた。続いて、外装部材間に電極体を挟んだ後、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。
以上のようにして作製した二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を評価した。
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、０．２Ｃで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４９９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、０．２Ｃ充放電で得られた５００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、容量維持率（以下、単に維持率ともいう）を算出した。通常サイクル、すなわち３サイクル目から４９９サイクル目までは、充電０．７Ｃ、放電０．５Ｃで充放電を行った。
初回充放電特性を調べる場合には、初回効率（以下では初期効率と呼ぶ場合もある）を算出した。初回効率は、初回効率（％）＝（初回放電容量／初回充電容量）×１００で表される式から算出した。雰囲気、温度は、サイクル特性を調べた場合と同様にした。
また、上記のように作製した負極と対極リチウムとから、２０３２サイズのコイン電池型の試験セルを作製し、その放電挙動を評価した。より具体的には、まず、対極Ｌｉで０Ｖまで定電流定電圧充電を行い、電流密度が０．０５ｍＡ／ｃｍ２に達した時点で充電を終止させた。その後、１．２Ｖまで定電流放電を行った。この時の電流密度は０．２ｍＡ／ｃｍ２であった。この充放電を３０回繰り返し、各充放電において得られたデータから、縦軸を容量の変化率（ｄＱ／ｄＶ）、横軸を電圧（Ｖ）としてグラフを描き、Ｖが０．４〜０．５５（Ｖ）の範囲にピークが得られるかを確認した。その結果、３０回以内の充放電においてＶが０．４〜０．５５（Ｖ）の範囲にピークが得られ、このピークが初めて発現した充放電から３０回目の充放電まで、全ての充放電においてこのピークが得られた。
また、以下のようにして、ケイ素系活物質単独（ＳｉＯｘ単独）の初回効率を算出した。まず、上記作製した負極活物質粒子とポリアクリル酸を８５：１５の質量比で混ぜ、この混合物を銅箔に塗布した。この時塗布した混合物の面積密度は約２ｍｇ／ｃｍ２であった。その後、９０℃で１時間真空乾燥した後に２０３２サイズのコイン電池形態で、対極Ｌｉを用いて、電圧０Ｖで電流密度０．２ｍＡ／ｃｍ２で定電流定電圧充電を開始した。そして、電流値が０．１ｍＡとなった時点で定電流定電圧充電を終止させた。続いて、定電流放電を行い電圧が１．２Ｖに達した時点で放電を終止させた。放電時の電流密度は充電と同じとした。この時、負極にＬｉをインプットする条件を充電、負極からＬｉを取り出す条件を放電とした場合、ケイ素系活物質単独（ＳｉＯｘ単独）の初回効率は（放電容量）／（充電容量）×１００（％）となる。この式を用いてＳｉＯｘ単独の初回効率を算出した。その結果、ＳｉＯｘ単独の初回効率は８５．４％であった。
（比較例１−１）
図４に示すように、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲスペクトルにおけるピーク強度Ａ、Ｂ、Ｃが式１及び式２を満たさない負極活物質粒子を用いたこと以外、実施例１−１と同様に、二次電池の製造を行った。図４からわかるように、ケミカルシフト値が−１１０ｐｐｍ付近に得られる二酸化ケイ素領域に由来するピークの強度Ｂが最も大きいスペクトルとなっている。なお、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲスペクトルのケミカルシフト値が−１３０ｐｐｍ付近にピークが有るか否かは判別することができなかった。比較例１−１では、実施例１−１の改質を行っていないこと以外、実施例１−１と同様の手順で作製した負極活物質粒子を用いた。
また、比較例１−１で作製した二次電池と同様の負極と対極リチウムとから、２０３２サイズのコイン電池型の試験セルを作製し、その放電挙動を実施例１−１と同様に評価した。その結果、３０回以内の充放電においてＶが０．４〜０．５５（Ｖ）の範囲にピークが得られた。また、この改質を行っていない粒子について、実施例１−１と同様にＳｉＯｘ単独の初回効率を算出したところ、ＳｉＯｘ単独の初回効率は７１％であった。
（比較例１−２）
図４に示すように、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲスペクトルにおけるピーク強度Ａ、Ｂ、Ｃが式２を満たさない負極活物質粒子を用いたこと以外、実施例１−１と同様に、二次電池の製造を行った。なお、２９Ｓｉ−ＭＡＳ−ＮＭＲスペクトルのケミカルシフト値が−１３０ｐｐｍ付近にピークが発現していた。
比較例１−２では、酸化還元法による改質時の負極活物質粒子の各溶液への浸漬時間を実施例１−１の半分としたこと以外、実施例１−１と同様の手順で作製した負極活物質粒子を用いた。酸化還元法では溶液への浸漬時間や撹拌条件を調整することで、負極活物質粒子へＬｉを挿入する深度が調整可能である。これにより、ピーク強度Ａ、Ｂ、Ｃを調整できる。実施例１−１では比較例１−２よりも深い深度までＬｉが挿入されていた。
また、比較例１−２で作製した二次電池と同様の負極と対極リチウムとから、２０３２サイズのコイン電池型の試験セルを作製し、その放電挙動を実施例１−１と同様に評価した。その結果、３０回以内の充放電においてＶが０．４〜０．５５（Ｖ）の範囲にピークが得られた。また、この粒子について、実施例１−１と同様にＳｉＯｘ単独の初回効率を算出したところ、ＳｉＯｘ単独の初回効率は８０．１％であった。
このとき、実施例１−１及び比較例１−１、１−２の負極活物質粒子は以下のような性質を有していた。負極活物質粒子のメジアン径Ｄ５０は４．０μｍであった。また、ケイ素化合物は、Ｘ線回折により得られるＳｉ（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が２．５９３°であり、Ｓｉ（１１１）結晶面に起因する結晶子サイズは３．２９ｎｍであった。また、負極活物質粒子の表面の炭素材の平均厚さは１００ｎｍであった。
表１に実施例１−１、比較例１−１、１−２の結果を示す。
Figure 2017097955
表１から分かるように、式１及び式２を両方とも満たす実施例１−１では、比較例１−１、１−２よりも初期効率が向上した。また、サイクル特性については、実施例１−１では、負極効率が向上することで負極終止電位が低くなり、Ｌｉシリケート分解領域を使用しづらい方向へシフトするため、サイクル維持率も向上した。特に、ＮＣＡを用いた正極と本発明の負極を組み合わせることで電池特性の向上効果を効果的に発揮することができる。さらに、ＮＣＡを用いた正極は実電池使用範囲における初期効率が約８９％程度であり、実施例１−１で作製した負極の効率と類似している。そのため正極側を安全に使うことができる。
（実施例２−１、２−２、比較例２−１、２−２）
ケイ素化合物のバルク内酸素量を調整したことを除き、実施例１−１と同様に、二次電池の製造を行った。この場合、ケイ素化合物の原料中の金属ケイ素と二酸化ケイ素との比率や加熱温度を変化させることで、酸素量を調整した。実施例２−１、２−２、比較例２−１、２−２における、ＳｉＯｘで表されるケイ素化合物のｘの値を表２中に示した。
Figure 2017097955
表２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の範囲内の場合、電池特性がより向上した。比較例２−１のように、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２−２に示すように、酸素量が多い場合（ｘ＝１．８）は、酸素量が多過ぎるため、リチウムの吸蔵脱離が起きづらいため、実質的にケイ素酸化物の容量が発現しないため、評価を停止した。
（実施例３−１〜３−４、比較例３−１、３−２）
ケイ素化合物粒子の結晶性を表３のように変化させたこと以外、実施例１−１と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性及び初回効率を評価した。なお、ケイ素化合物粒子中の結晶性は、原料の気化温度の変更、又は、ケイ素化合物粒子の生成後の熱処理で制御できる。また、比較例３−１、３−２のようにケイ素化合物粒子の結晶性が高い場合、二酸化ケイ素のピーク強度Ｂに対して、アモルファスケイ素に由来するピーク強度Ａの値が小さくなるため、式１を満たさなかった。
Figure 2017097955
ケイ素化合物粒子の結晶性に応じて容量維持率および初回効率が変化した。特に半値幅が１．２°以上で、尚且つＳｉ（１１１）面に起因する結晶子サイズが７．５ｎｍ以下の低結晶性材料で高い容量維持率が得られた。
（実施例４−１〜４−５）
負極活物質粒子のメジアン径を表４のように変化させたこと以外、実施例１−１と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性及び初回効率を評価した。
Figure 2017097955
ケイ素化合物のメジアン径が０．５μｍ以上であれば、維持率が向上した。これは、ケイ素化合物の質量当たりの表面積が大すぎず、副反応が起きる面積を小さくでき、電解液の消費を抑制できたためと考えられる。一方、メジアン径が１５μｍ以下であれば、充電時に粒子が割れ難く、充放電時に新生面によるＳＥＩ（固体電解質界面）が生成し難いため、可逆Ｌｉの損失を抑制することができる。また、ケイ素系活物質粒子のメジアン径が１５μｍ以下であれば、充電時のケイ素化合物粒子の膨張量が大きくならないため、膨張による負極活物質層の物理的、電気的破壊を防止できる。
（実施例５−１）
ケイ素化合物粒子の表面に炭素材を被覆しなかったこと以外、実施例１−１と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性及び初回効率を評価した。
（実施例５−２〜５−６）
ケイ素化合物粒子の表面に被覆された炭素材の平均厚さを変更したこと以外、実施例１−１と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性及び初回効率を評価した。炭素材の平均厚さは、ＣＶＤ条件を変更することで調整できる。
Figure 2017097955
表５からわかるように、炭素材の平均厚さが１０ｎｍ以上で導電性が特に向上するため、容量維持率及び初期効率を向上させることができる。一方、炭素材の平均厚さが５０００ｎｍ以下であれば、電池設計上、ケイ素化合物粒子の量を十分に確保できるため、電池容量が低下することが無い。
（実施例６−１）
負極の集電体として、炭素及び硫黄を含まない銅箔を用いたこと以外、実施例１−１と同じ条件で二次電池を作製し、サイクル特性及び初回効率を評価した。
Figure 2017097955
負極の集電体に炭素及び硫黄をそれぞれ７０質量ｐｐｍ以下含む場合、集電体の強度が向上する。従って、二次電池の充放電時における膨張、収縮が大きいケイ素系負極活物質を用いる場合、これに伴う集電体の変形及び歪みを抑制でき、実施例１−１のように電池特性、特にサイクル特性が向上する。
（実施例７−１）
負極活物質中の負極活物質粒子（ケイ素系活物質粒子）の質量の割合を変更したこと以外、実施例１−１と同じ条件で二次電池を作製し、電池容量の増加率を評価した。
（比較例７−１）
負極活物質中の負極活物質粒子（ケイ素系活物質粒子）の質量の割合を変更したこと以外、比較例１−１と同じ条件で二次電池を作製し、電池容量の増加率を評価した。
図５に、実施例７−１と比較例７−１における負極活物質の総量に対するケイ素系活物質粒子の割合と二次電池の電池容量の増加率との関係を表すグラフを示す。図５から分かるように、実施例７−１においてケイ素系の化合物の割合が６質量％以上となると、電池容量の増加率は比較例７−１に比べて大きくなり、体積エネルギー密度が、特に顕著に増加する。
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。
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…巻回電極体、
２２…正極リード、 ２３…負極リード、 ２４…密着フィルム、
２５…外装部材。

Claims (14)

  1. 負極活物質粒子を含む負極活物質であって、
    前記負極活物質粒子は、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含有し、
    前記ケイ素化合物粒子は、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、−４０〜−６０ｐｐｍに得られるアモルファスケイ素に由来するピークの強度Ａ、−１１０ｐｐｍ付近に得られる二酸化ケイ素に由来するピークの強度Ｂ、及び−８３ｐｐｍ付近に得られるＳｉに由来するピークの強度Ｃが、下記式１及び式２を満たすものであることを特徴とする負極活物質。
    Ｂ≦１．５×Ａ ・・・ （１）
    Ｂ＜Ｃ ・・・ （２）
  2. 前記負極活物質粒子は、Ｌｉ２ＳｉＯ３及びＬｉ４ＳｉＯ４のうち少なくとも１種以上を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の負極活物質。
  3. 前記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−１３０ｐｐｍ付近にピークを有するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の負極活物質。
  4. 前記ケイ素化合物粒子は、Ｘ線回折により得られるＳｉ（１１１）結晶面に起因する回折ピークの半値幅（２θ）が１．２°以上であるとともに、その結晶面に対応する結晶子サイズは７．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の負極活物質。
  5. 前記負極活物質と炭素系活物質との混合物を含む負極電極と対極リチウムとから成る試験セルを作製し、該試験セルにおいて、前記負極活物質にリチウムを挿入するよう電流を流す充電と、前記負極活物質からリチウムを脱離するよう電流を流す放電とから成る充放電を３０回実施し、各充放電における放電容量Ｑを前記対極リチウムを基準とする前記負極電極の電位Ｖで微分した微分値ｄＱ／ｄＶと前記電位Ｖとの関係を示すグラフを描いた場合に、Ｘ回目以降（１≦Ｘ≦３０）の放電時における、前記負極電極の電位Ｖが０．４０Ｖ〜０．５５Ｖの範囲にピークを有する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項に記載の負極活物質。
  6. 前記負極活物質粒子はメジアン径が１．０μｍ以上１５μｍ以下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項に記載の負極活物質。
  7. 前記負極活物質粒子は、表層部に炭素材を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の負極活物質。
  8. 前記炭素材の平均厚さは１０ｎｍ以上５０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の負極活物質。
  9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の負極活物質と炭素系活物質とを含むことを特徴とする混合負極活物質材料。
  10. 請求項９に記載の混合負極活物質材料を含み、前記負極活物質と前記炭素系活物質の質量の合計に対する、前記負極活物質の質量の割合が６質量％以上であることを特徴とする非水電解質二次電池用負極。
  11. 請求項９に記載の混合負極活物質材料で形成された負極活物質層と、
    負極集電体とを有し、
    前記負極活物質層は前記負極集電体上に形成されており、
    前記負極集電体は炭素及び硫黄を含むとともに、それらの含有量がいずれも７０質量ｐｐｍ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。
  12. 負極として、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の負極活物質を含む負極を用いたものであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
  13. ケイ素化合物粒子を含有する負極活物質粒子を含む負極活物質を製造する方法であって、
    ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を含有する負極活物質粒子を作製する工程と、
    前記負極活物質粒子から、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、−４０〜−６０ｐｐｍに得られるアモルファスケイ素に由来するピークの強度Ａ、−１１０ｐｐｍ付近に得られる二酸化ケイ素領域に由来するピークの強度Ｂ、及び−８３ｐｐｍ付近に得られるＳｉに由来するピークの強度Ｃが、下記式１及び式２を満たすものを選別する工程とを含み、
    該選別した前記負極活物質粒子を用いて、負極活物質を製造することを特徴とする負極活物質の製造方法。
    Ｂ≦１．５×Ａ ・・・ （１）
    Ｂ＜Ｃ ・・・ （２）
  14. 請求項１３に記載の負極活物質の製造方法によって製造した負極活物質を用いて負極を作製し、該作製した負極を用いてリチウムイオン二次電池を製造することを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。
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