JP2007250394A - 負極および電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高容量で、優れたサイクル特性を得ることができる負極およびそれを用いた電池を提供する。
【解決手段】負極活物質層１２は、構成元素として、スズと鉄と炭素とを少なくとも含有し、炭素の含有量が１１．９質量％以上２９．７質量％以下であり、かつスズと鉄との合計に対する鉄の割合が２６．４質量％以上４８．５質量％以下である負極活物質と、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料とを含有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、構成元素としてスズ（Ｓｎ）と鉄（Ｆｅ）と炭素（Ｃ）とを含有する負極活物質を含む負極、およびそれを用いた電池に関する。

近年、カメラ一体型ＶＴＲ（Videotape Recorder；ビデオテープレコーダー）、携帯電話、ノートパソコンなどのポータブル電子機器が多く登場し、その小型化および軽量化が図られている。それに伴い、それらの電子機器のポータブル電源として用いられている電池、特に二次電池についてエネルギー密度の向上が強く要請されている。

このような要求に応える二次電池としては、従来より、負極活物質にリチウムイオンのインターカレーション反応を利用した黒鉛材料、または細孔中へのリチウムイオンの吸蔵・放出作用を応用した炭素材料を用いたいわゆるリチウムイオン二次電池が実用化されている。

しかしながら、近年の携帯用機器の高性能化に伴い、二次電池の容量に対する要求はさらに強いものとなっている。このような要求に応える二次電池として、リチウム金属などの軽金属をそのまま負極活物質として用いることが提案されている。この電池では、充電過程において負極に軽金属がデンドライト状に析出しやすくなり、デンドライトの先端で電流密度が非常に高くなる。このため、非水電解液の分解などによりサイクル寿命が低下したり、また、過度にデンドライトが成長して電池の内部短絡が発生したりするという問題があった。

これに対し、種々の合金材料などを負極活物質として用いることが提案されている。例えば特許文献１〜５には、ケイ素合金について記載されている。また、特許文献６〜１４にはスズ−ニッケル合金、リチウム−アルミニウム−スズ合金、スズ−亜鉛合金、リン（Ｐ）を１質量％以上５５質量％以下の範囲内で含むスズ合金、Ｃｕ₂ ＮｉＳｎ、Ｍｇ₂ Ｓｎ、スズ−銅合金、あるいはリチウムを吸蔵するスズ含有相と、マンガン（Ｍｎ），鉄，コバルト，ニッケル（Ｎｉ）あるいは銅（Ｃｕ）から構成されるリチウム（Ｌｉ）を吸蔵しない相との混合物について記載されている。

しかしながら、これらの合金材料を用いた場合においても、十分なサイクル特性は得られず、合金材料における高容量負極の特長を十分に活かしきれていないのが実状である。
特開平７−３０２５８８号公報 特開平１０−１９９５２４号公報 特開平７−３２６３４２号公報 特開平１０−２５５７６８号公報 特開平１０−３０２７７０号公報 特公平４−１２５８６号公報 特開平１０−１６８２３号公報 特開昭１０−３０８２０７号公報 特開昭６１−６６３６９号公報 特開昭６２−１４５６５０号公報 特開平１０−１２５３１７号公報 特開平１０−２２３２２１号公報 特開昭１０−３０８２０７号公報 特開平１１−８６８５４号公報

そこで、サイクル特性を十分に向上させることができる負極活物質として、構成元素としてスズと鉄と炭素とを少なくとも含み、炭素の含有量が１１．９質量％以上２９．７質量％以下であり、かつスズと鉄との合計に対する鉄の割合が２６．４質量％以上４８．５質量％以下である材料を開発するに至った。しかし、この負極活物質においても、充放電に伴う膨張・収縮により、サイクル特性が低下してしまうという問題があり、さらなる改善が望まれていた。

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、高容量で、優れたサイクル特性を得ることができる負極およびそれを用いた電池を提供することにある。

本発明による負極は、構成元素として、スズ，鉄および炭素を少なくとも含み、炭素の含有量が１１．９質量％以上２９．７質量％以下であり、かつスズと鉄との合計に対する鉄の割合が２６．４質量％以上４８．５質量％以下である負極活物質と、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料とを含有するものである。

本発明による電池は、正極および負極と共に電解質を備えたものであって、負極は、構成元素としてスズ，鉄および炭素を少なくとも含み、炭素の含有量が１１．９質量％以上２９．７質量％以下であり、かつスズと鉄との合計に対する鉄の割合が２６．４質量％以上４８．５質量％以下である負極活物質と、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料とを含有するものである。

本発明の負極によれば、構成元素としてスズを含む負極活物質を含有するようにしたので、高容量を得ることができる。また、この負極活物質が構成元素として鉄を含み、スズと鉄との合計に対する鉄の割合を２６．４質量％以上４８．５質量％以下とするようにしたので、高容量を保ちつつ、サイクル特性を向上させることができる。更に、この負極活物質が構成元素として炭素を含み、その含有量を１１．９質量％以上２９．７質量％以下とするようにしたので、サイクル特性をより向上させることができる。加えて、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料を含むようにしたので、充放電に伴う負極活物質の膨張・収縮による電子伝導性の低下を抑制することができる。よって、この負極を用いた本発明の電池によれば、高容量を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができる。

また、負極活物質に、構成元素として銀（Ａｇ）を含むようにすれば、電解質との反応性を低減することができ、サイクル特性をより向上させることができる。特に、負極活物質における銀の含有量を０．１質量％以上９．９質量％以下とするようにすれば、より高い容量を得ることもできる。

更に、負極活物質に、構成元素として、アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），バナジウム（Ｖ），クロム（Ｃｒ）, ニオブ（Ｎｂ）およびタンタル（Ｔａ）からなる群のうちの少なくとも１種と、コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）からなる群のうちの少なくとも１種とを含むようにすれば、よりサイクル特性を向上させることができ、特に、これらの含有量をそれぞれ０．１質量％以上９．９質量％以下、０．５質量％以上１４．９質量％以下とするようにすれば、より高い容量を得ることもできる。

更にまた、負極における炭素材料の含有量を、負極活物質に対して１５質量％以上５０質量％以下とするようにすれば、容量およびサイクル特性について共に高い効果を得ることができる。

加えて、負極にポリフッ化ビニリデンおよびフッ化ビニリデンを成分として含む共重合体からなる群のうちの少なくとも１種の結着剤を含有するようにすれば、容量およびサイクル特性について共に高い効果を得ることができ、負極活物質層におけるこの結着剤の含有量を１質量％以上１０質量％以下とするようにすれば、特に好ましい。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る負極１０の構成を表したものである。負極１０は、例えば、一対の対向面を有する負極集電体１１と、負極集電体１１の片面に設けられた負極活物質層１２とを有している。なお、図示しないが、負極集電体１１の両面に負極活物質層１２を設けるようにしてもよい。

負極集電体１１は、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有することが好ましく、銅，ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料により構成されている。特に、銅は高い電気伝導性を有するので好ましい。

負極活物質層１２は、例えば、リチウムなどと反応可能であり、構成元素として、スズと鉄とを含む負極活物質を含有している。スズは単位質量あたりのリチウムの反応量が高く、高い容量を得ることができるからである。また、スズ単体では十分なサイクル特性を得ることは難しいが、鉄を含むことによりサイクル特性を向上させることができるからである。

この負極活物質における鉄の含有量は、スズと鉄との合計に対する鉄の割合で、２６．４質量％以上４８．５質量％以下であり、２９．３質量％以上４５．５質量％以下の範囲内であればより好ましい。割合が低いと鉄の含有量が低下し十分なサイクル特性が得られず、また、割合が高いとスズの含有量が低下し、従来の負極材料、例えば炭素材料の容量に対して優位性が得られないからである。

この負極活物質は、また、構成元素として、スズおよび鉄に加えて炭素を含んでいる。炭素を含むことによりサイクル特性をより向上させることができるからである。炭素の含有量は、１１．９質量％以上２９．７質量％以下の範囲内であり、１３．９質量％以上２７．７質量％以下の範囲内であれば好ましく、特に１５．８質量％以上２３．８質量％以下の範囲内であればより好ましい。この範囲内において高い効果を得ることができるからである。

この負極活物質は、更に、構成元素として、これらに加えて銀を含んだ方が好ましい場合もある。電解質との反応性を低減することができ、サイクル特性を向上させることができるからである。銀の含有量は、０．１質量％以上９．９質量％以下の範囲内であることが好ましく、１．０質量％以上７．４質量％以下の範囲内であることがより好ましく、特に、２．０質量％以上５．０質量％以下の範囲内であれば望ましい。少ないとサイクル特性を向上させる効果が十分でなく、多いとスズの含有量が低下して十分な容量が得られないからである。

この負極活物質は、更にまた、構成元素として、ケイ素を含んだ方が好ましい場合もある。ケイ素は単位質量あたりのリチウムの反応量が高く、容量をより向上させることができるからである。ケイ素の含有量は、０．５質量％以上７．９質量％以下の範囲内であることが好ましい。少ないと容量を高くする効果が十分でなく、多いとサイクル特性を低下させてしまうからである。ケイ素は、銀と共に含まれていてもよい。

この負極活物質は、また、構成元素として、アルミニウム，チタン，バナジウム，クロム，ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも１種と、コバルト，ニッケル，銅，亜鉛，ガリウムおよびインジウムからなる群のうちの少なくとも１種とを含んだ方が好ましい場合もある。これらを含むことによりサイクル特性をより向上させることができるからである。アルミニウム，チタン，バナジウム，クロム, ニオブおよびタンタルの含有量は、０．１質量％以上９．９質量％以下であることが好ましく、またコバルト，ニッケル，銅，亜鉛，ガリウムおよびインジウムの含有量は、０．５質量％以上１４．９質量％以下であることが好ましい。少ないと十分な効果が得られず、多いとスズの含有量が低下して十分な容量が得られないからである。これらの元素は、銀あるいはケイ素と共に含まれていてもよい。

また、この負極活物質は、結晶性の低いまたは非晶質な相を有している。この相は、リチウムなどと反応可能な反応相であり、これにより優れたサイクル特性を得ることができるようになっている。この相のＸ線回折により得られる回折ピークの半値幅は、特定Ｘ線としてＣｕＫα線を用い、掃引速度を１°／ｍｉｎとした場合に、回折角２θで０．５°以上であることが好ましい。リチウムなどをより円滑に吸蔵および放出させることができると共に、電解質との反応性をより低減させることができるからである。

なお、Ｘ線回折により得られた回折ピークがリチウムなどと反応可能な反応相に対応するものであるか否かは、リチウムなどとの電気化学的反応の前後におけるＸ線回折チャートを比較することにより容易に判断することができる。例えば、リチウムなどとの電気化学的反応の前後において回折ピークの位置が変化すれば、リチウムなどと反応可能な反応相に対応するものである。この負極活物質では、結晶性の低いまたは非晶質な反応相の回折ピークが例えば２θ＝２０°〜５０°の間に見られる。この結晶性の低いまたは非晶質な反応相は、例えば上述した各構成元素を含んでおり、主に炭素により低結晶化または非晶質化しているものと考えられる。

なお、この負極活物質は、この結晶性の低いまたは非晶質な相に加えて、各構成元素の単体または一部を含む相を有している場合もある。

元素の結合状態を調べる測定方法としては、例えばＸ線光電子分光法（X-ray Photoelectron Spectroscopy；ＸＰＳ）が挙げられる。このＸＰＳは、軟Ｘ線（市販の装置ではＡｌ−Ｋα線、またはＭｇ−Ｋα線を用いる）を試料表面に照射し、試料表面から飛び出してくる光電子の運動エネルギーを測定することによって、試料表面から数ｎｍの領域の元素組成、および元素の結合状態を調べる方法である。

元素の内殻軌道電子の束縛エネルギーは、第１近似的には、元素上の電荷密度と相関して変化する。例えば、炭素元素の電荷密度が近傍に存在する元素との相互作用により減少した場合には、２ｐ電子などの外殻電子が減少しているので、炭素元素の１ｓ電子は殻から強い束縛力を受けることになる。すなわち、元素の電荷密度が減少すると、束縛エネルギーは高くなる。ＸＰＳでは、束縛エネルギーが高くなると、高いエネルギー領域にピークはシフトするようになっている。

ＸＰＳでは、炭素の１ｓ軌道（Ｃ１ｓ）のピークは、グラファイトであれば、金原子の４ｆ軌道（Ａｕ４ｆ）のピークが８４．０ｅＶに得られるようにエネルギー較正された装置において、２８４．５ｅＶに現れる。また、表面汚染炭素であれば、２８４．８ｅＶに現れる。これに対して、炭素元素の電荷密度が高くなる場合、例えば炭素が金属元素または半金属元素と結合している場合には、Ｃ１ｓのピークは、２８４．５ｅＶよりも低い領域に現れる。すなわち、負極活物質について得られるＣ１ｓの合成波のピークが２８４．５ｅＶよりも低い領域に現れる場合には、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合している。

なお、負極活物質のＸＰＳ測定に際しては、表面が表面汚染炭素で覆われている場合、ＸＰＳ装置に付属のアルゴンイオン銃で表面を軽くスパッタすることが好ましい。また、測定対象の負極活物質が後述のように電池の負極中に存在する場合には、電池を解体して負極を取り出した後、炭酸ジメチルなどの揮発性溶媒で洗浄するとよい。負極の表面に存在する揮発性の低い溶媒と電解質塩とを除去するためである。これらのサンプリングは、不活性雰囲気下で行うことが望ましい。

また、ＸＰＳ測定では、スペクトルのエネルギー軸の補正に、例えばＣ１ｓのピークを用いる。通常、物質表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のＣ１ｓのピークを２８４．８ｅＶとし、これをエネルギー基準とする。なお、ＸＰＳ測定では、Ｃ１ｓのピークの波形は、表面汚染炭素のピークと負極活物質中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと、負極活物質中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準（２８４．８ｅＶ）とする。

この負極活物質は、例えば各構成元素の原料を混合して電気炉，高周波誘導炉あるいはアーク溶解炉などにより溶解しその後凝固することにより、また、ガスアトマイズあるいは水アトマイズなどの各種アトマイズ法、各種ロール法、またはメカニカルアロイング法あるいはメカニカルミリング法などのメカノケミカル反応を利用した方法により製造することができる。中でも、メカノケミカル反応を利用した方法により製造することが好ましい。負極活物質を低結晶化あるいは非晶質な構造とすることができるからである。この方法には、例えば、遊星ボールミル装置を用いることができる。

原料には、各構成元素の単体を混合して用いてもよいが、炭素以外の構成元素の一部については合金を用いることが好ましい。このような合金に炭素を加えてメカノケミカル反応を利用した方法により合成することにより、低結晶化あるいは非晶質な構造を有するようにすることができ、反応時間の短縮も図ることができるからである。なお、原料の形態は粉体であってもよいし、塊状であってもよい。

原料として用いる炭素には、難黒鉛化炭素，易黒鉛化炭素，グラファイト，熱分解炭素類，コークス，ガラス状炭素類，有機高分子化合物焼成体，活性炭およびカーボンブラックなどの炭素材料のいずれか１種または２種以上を用いることができる。このうち、コークス類には、ピッチコークス，ニードルコークスあるいは石油コークスなどがあり、有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子化合物を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。これらの炭素材料の形状は、繊維状，球状，粒状あるいは鱗片状のいずれでもよい。

負極活物質層１２は、また、リチウムなどを吸蔵および放出することが可能な炭素材料を含んでいることが好ましい。上述した負極活物質は充放電に伴い膨張・収縮し、負極１０における電子伝導性を低下させてしまうが、この炭素材料を含むことにより、電子伝導性の低下を抑制することができるからである。

このような炭素材料について、具体的に例を挙げれば、鱗状黒鉛，鱗片状黒鉛あるいは土状黒鉛などの天然黒鉛類、石油コークス，石炭コークス，メソフェーズピッチ，あるいはポリアクリロニトリル（ＰＡＮ），レーヨン，ポリアミド，リグニン，ポリビニルアルコールなどを高温で焼成したもの，気相成長炭素繊維あるいはカーボンナノチューブなどの人造黒鉛類が挙げられる。

この炭素材料の真比重は、２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であることが好ましい。導電性を高くすることができるからである。また、タップ密度は、０．８ｇ／ｃｍ³ 以下であることが好ましく、０．１ｇ／ｃｍ³ 以上であることがより好ましい。この範囲で、負極活物質が充放電に伴い膨張・収縮しても接触性を保つことができるからである。よって、これらの範囲で、負極１０における電子伝導性の低下を抑制する効果がより向上する。なお、真比重の上限値は、例えばグラファイトであれば、２．２６ｇ／ｃｍ³ 〜２．２８ｇ／ｃｍ³ である。また、タップ密度は、例えば、１５０ｍＬのメスシリンダーに１００ｃｍ³ の炭素材料を投入し、粉体減少度測定器を用いることにより測定することができる。

また、この炭素材料の含有量は、上述した負極活物質に対して１５質量％以上５０質量％以下の範囲内、特に２０質量％以上４０質量％以下の範囲内が好ましい。少ないと、負極活物質の充放電に伴う膨張・収縮による電子伝導性の低下を抑制する効果が低下していしまい、多いと負極活物質の含有量が低下するので、容量が低下してしまうからである。

負極活物質層１２は、必要に応じて結着剤を含んでいてもよい。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンを成分とする共重合体が好ましい。上述した負極活物質あるいは炭素材料などの負極活物質層１２を構成する材料の結着性を向上させることができ、負極活物質の膨張・収縮に伴う電子伝導性の低下をより抑制することができるからである。共重合体の具体例としては、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体，フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、あるいはこれらに更に他のエチレン性不飽和モノマーを共重合したものなどが挙げられる。共重合可能なエチレン性不飽和モノマーとしては、アクリル酸エステル，メタクリル酸エステル，酢酸ビニル，アクリロニトリル，アクリル酸，メタクリル酸，無水マレイン，ブタジエン，スチレン，Ｎ−ビニルピロリドン，Ｎ−ビニルピリジン，グリシジルメタクリレート，ヒドロキシエチルメタクリレートあるいはメチルビニルエーテルなどが挙げられるが、これらに限定されない。

結着剤の含有量は、負極活物質層１２を構成する材料全体に対して１質量１０質量％以下の範囲内、特に２質量％以上５質量％以下の範囲内が好ましい。少ないと負極活物質の膨張・収縮に伴う電子伝導性の低下を抑制する効果が低下してしまい、多いと負極活物質の含有量が低下するので、容量が低下してしまうからである。

負極活物質層１２は、また、上述した負極活物質および炭素材料に加えて他の負極活物質を含んでいてもよい。

負極１０は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、上述した負極活物質と、炭素材料と、必要に応じて結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤を分散媒に分散して負極合剤スラリーとする。分散媒としては、例えば、純水，Ｎ−メチル−２−ピロリドン，トルエン，キシレン，メタノール，エタノール，ｎ−プロパノール，イソプロピルアルコール，イソブチルアルコール，アセトン，メチルエチルケトン，メチルイソブチルケトン，シクロヘキサノン，酢酸エチル，酢酸ブチル，テトラヒドロフランあるいはジオキサンが挙げられる。中でも、純水あるいはＮ−メチル−２−ピロリドンが好ましい。

なお、この負極合剤スラリーには、必要に応じて増粘剤などを添加してもよい。増粘剤としては、例えば、でんぷん、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩，ナトリウム塩あるいはカリウム塩、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、またはジアセチルセルロースが挙げられる。中でも、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩あるいはナトリウム塩が好ましい。安定したスラリー特性を得ることができ、また、電極の反応を損なわないからである。増粘剤は１種類を単独で用いてもよいが、２種以上を混合して用いてもよい。

負極活物質、炭素材料および結着剤などの混合、混練、あるいは分散媒への分散には、公知のニーダー、ミキサー、ホモジナイザー、ディゾルバー、プラネタリミキサー、ペイントシェイカー、あるいはサンドミルなどのいずれの混合攪拌機を用いてもよい。

次いで、この負極合剤スラリーをドクターブレード法などにより負極集電体１１に均一に塗布し、塗布層を形成する。続いて、この塗布層を乾燥させて分散媒を除去したのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層１２を形成する。これにより、図１に示した負極１０が得られる。

この負極１０は、例えば、次のようにして二次電池に用いられる。

（第１の二次電池）
図２はその二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池はいわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶２１の内部に、帯状の正極３１と帯状の負極１０とがセパレータ３２を介して積層し巻回された巻回電極体３０を有している。電池缶２１は、例えばニッケルのめっきがされた鉄により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶２１の内部には、液状の電解質である電解液が注入され、セパレータ３２に含浸されている。また、巻回電極体３０を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板２２，２３がそれぞれ配置されている。

電池缶２１の開放端部には、電池蓋２４と、この電池蓋２４の内側に設けられた安全弁機構２５および熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient；ＰＴＣ素子）２６とが、ガスケット２７を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶２１の内部は密閉されている。電池蓋２４は、例えば、電池缶２１と同様の材料により構成されている。安全弁機構２５は、熱感抵抗素子２６を介して電池蓋２４と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板２５Ａが反転して電池蓋２４と巻回電極体３０との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子２６は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット２７は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。

巻回電極体３０の中心には、例えば、センターピン３３を挿入されている。巻回電極体３０の正極３１にはアルミニウムなどよりなる正極リード３４が接続されており、負極１０にはニッケルなどよりなる負極リード３５が接続されている。正極リード３４は安全弁機構２５に溶接されることにより電池蓋２４と電気的に接続されており、負極リード３５は電池缶２１に溶接され電気的に接続されている。

図３は図２に示した巻回電極体３０の一部を拡大して表すものである。負極１０は上述した構成を有している。これにより、高い容量を保ちつつ、サイクル特性を向上させることができるようになっている。なお、図３では、負極活物質層１２は、負極集電体１１の両面に形成されているように表されている。

正極３１は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体３１Ａの両面あるいは片面に正極活物質層３１Ｂが設けられた構造を有している。正極集電体３１Ａは、例えば、アルミニウムなどの金属材料により構成されている。正極活物質層３１Ｂは、例えば、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料のいずれか１種または２種以上を含んでおり、必要に応じて人造黒鉛あるいはカーボンブラックなどの導電助剤およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。

リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム酸化物、リチウム硫化物、リチウムを含む層間化合物あるいはリン酸化合物などのリチウム含有化合物が挙げられ、１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。中でも、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、またはリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物が好ましく、特に遷移金属元素として、コバルト，ニッケル，マンガン，鉄，アルミニウム，バナジウム，およびチタンのうちの少なくとも１種を含むものが好ましい。その化学式は、例えば、Ｌｉ_x ＭＩＯ₂ あるいはＬｉ_y ＭIIＰＯ₄ で表される。式中、ＭＩおよびＭIIは１種類以上の遷移金属元素を含む。ｘおよびｙの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、０．０５≦ｘ≦１．１０、０．０５≦ｙ≦１．１０である。

リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物の具体例としては、リチウムコバルト複合酸化物（Ｌｉ_x ＣｏＯ₂ ）、リチウムニッケル複合酸化物（Ｌｉ_x ＮｉＯ₂ ）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（Ｌｉ_x Ｎｉ_1-z Ｃｏ_z Ｏ₂ （ｚ＜１））、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（Ｌｉ_x Ｎｉ_(1-v-w) Ｃｏ_v Ｍｎ_w Ｏ₂ （ｖ＋ｗ＜１））、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ₂ Ｏ₄ ）などが挙げられる。リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物の具体例としては、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（ＬｉＦｅ_1-u Ｍｎ_u ＰＯ₄ （ｕ＜１））が挙げられる。

リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、また、リチウムを含有しない化合物が挙げられ、例えば、ＴｉＳ₂ あるいはＭｏＳ₂ などの金属硫化物、Ｖ₂ Ｏ₅ などの酸化物、ＮｂＳｅ₂ が挙げられる。更に、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、高分子材料も挙げられ、例えば、ポリアニリンあるいはポリチオフェンが挙げられる。

セパレータ３２は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン，ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜により構成されており、これら２種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。

セパレータ３２には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、例えば有機溶媒などの非水溶媒と、この非水溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。非水溶媒としては、例えば、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ビニレン、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、γーブチロラクトン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステル、あるいはプロピオン酸エステルが用いられる。これらは１種を単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。

電解質塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ₄ ，ＬｉＡｓＦ₆ ，ＬｉＰＦ₆ ，ＬｉＢＦ₄ ，ＬｉＢ（Ｃ₆ Ｈ₅ ）₄ ，ＣＨ₃ ＳＯ₃ Ｌｉ，ＣＦ₃ ＳＯ₃ Ｌｉ，ＬｉＣｌあるいはＬｉＢｒが用いられる。これらは１種を単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。

この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、例えば、上述したようにして負極１０を作製する。次いで、例えば、正極材料と、必要に応じて導電助剤および結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドンなどの分散媒に分散してペースト状の正極合剤スラリーとする。この正極合剤スラリーを正極集電体３１Ａに塗布し分散媒を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層３１Ｂを形成し、正極３１を作製する。

続いて、正極集電体３１Ａに正極リード３４を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体１１に負極リード３５を溶接などにより取り付ける。そののち、正極３１と負極１０とをセパレータ３２を介して積層して巻回し、正極リード３４の先端部を安全弁機構２５に溶接すると共に、負極リード３５の先端部を電池缶２１に溶接して、巻回した正極３１および負極１０を一対の絶縁板２２，２３で挟み電池缶２１の内部に収納する。次いで、例えば、電解液を電池缶２１の内部に注入し、セパレータ３２に含浸させる。そののち、電池缶２１の開口端部に電池蓋２４，安全弁機構２５および熱感抵抗素子２６をガスケット２７を介してかしめることにより固定する。これにより、図２および図３に示した二次電池が形成される。

この二次電池では、充電を行うと、正極活物質層３１Ｂからリチウムイオンが放出され、セパレータ３２に含浸された電解液を介して、負極活物質層１２に吸蔵される。次いで、放電を行うと、負極活物質層１２からリチウムイオンが放出され、セパレータ３２に含浸された電解液を介して、正極活物質層３１Ｂに吸蔵される。ここでは、負極１０が、スズ，鉄および炭素を上述した割合で含む負極活物質を含有しているので、高い容量を保ちつつ、サイクル特性が改善される。また、上述した真比重およびタップ密度を有する炭素材料を含有しているので、負極活物質の充放電に伴う膨張・収縮による電子伝導性の低下が抑制される。

このように本実施の形態に係る負極１０によれば、構成元素として、スズを含む負極活物質を含有するようにしたので、高容量を得ることができる。また、この負極活物質が構成元素として鉄を含み、スズと鉄との合計に対する鉄の割合を２６．４質量％以上４８．５質量％以下とするようにしたので、高容量を保ちつつ、サイクル特性を向上させることができる。更に、この負極活物質が構成元素として炭素を含み、その含有量を１１．９質量％以上２９．７質量％以下とするようにしたので、サイクル特性をより向上させることができる。加えて、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料を含むようにしたので、充放電に伴う負極活物質の膨張・収縮による電子伝導性の低下を抑制することができる。よって、この負極１０を用いた本発明の電池によれば、高容量を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができる。

また、負極活物質に、構成元素として銀を含むようにすれば、電解液との反応性を低減することができ、サイクル特性をより向上させることができる。特に、負極活物質における銀の含有量を０．１質量％以上９．９質量％以下とするようにすれば、より高い容量を得ることもできる。

更に、負極活物質に、構成元素として、アルミニウム，チタン，バナジウム，クロム, ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも１種と、コバルト，ニッケル，銅，亜鉛，ガリウムおよびインジウムからなる群のうちの少なくとも１種とを含むようにすれば、よりサイクル特性を向上させることができ、特に、これらの含有量をそれぞれ０．１質量％以上９．９質量％以下、０．５質量％以上１４．９質量％以下とするようにすれば、より高い容量を得ることもできる。

更にまた、負極１０における炭素材料の含有量を、負極活物質に対して１５質量％以上５０質量％以下とするようにすれば、高い効果を得ることができる。

加えて、負極にポリフッ化ビニリデンおよびフッ化ビニリデンを成分として含む共重合体からなる群のうちの少なくとも１種の結着剤を含有するようにすれば、高い効果を得ることができ、負極活物質層１２におけるこの結着剤の含有量を１質量％以上１０質量％以下とするようにすれば、特に好ましい。

（第２の二次電池）
図４は、第２の二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、正極リード４１および負極リード４２が取り付けられた巻回電極体４０をフィルム状の外装部材５０の内部に収容したものであり、小型化，軽量化および薄型化が可能となっている。

正極リード４１，負極リード４２は、それぞれ、外装部材５０の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。正極リード４１および負極リード４２は、例えば、アルミニウム，銅，ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。

外装部材５０は、例えば、ナイロンフィルム，アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材５０は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体４０とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材５０と正極リード４１および負極リード４２との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム５１が挿入されている。密着フィルム５１は、正極リード４１および負極リード４２に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン，ポリプロピレン，変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。

なお、外装部材５０は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム，ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。

図５は、図４に示した巻回電極体４０のＩ−Ｉ線に沿った断面構造を表すものである。巻回電極体４０は、正極４３と負極１０とをセパレータ４４および電解質層４５を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ４６により保護されている。

正極４３は、正極集電体４３Ａの片面あるいは両面に正極活物質層４３Ｂが設けられた構造を有している。負極１０は、負極集電体１１の片面あるいは両面に負極活物質層１２が設けられた構造を有しており、負極活物質層１２の側が正極活物質層４３Ｂと対向するように配置されている。正極集電体４３Ａ，正極活物質層４３Ｂ，およびセパレータ４４の構成は、それぞれ上述した正極集電体３１Ａ，正極活物質層３１Ｂ，およびセパレータ３２と同様である。

電解質層４５は、電解液と、この電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、いわゆるゲル状となった電解質により構成されている。ゲル状の電解質層４５は高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液を防止することができるので好ましい。電解液（すなわち溶媒および電解質塩など）の構成は、図２に示した円筒型の二次電池と同様である。高分子化合物は、例えばポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、またはポリアクリロニトリルなどが挙げられる。特に、酸化還元安定性の観点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。

この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、正極４３および負極１０のそれぞれに、電解液と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質層４５を形成する。そののち、正極集電体４３Ａの端部に正極リード４１を溶接により取り付けると共に、負極集電体１１の端部に負極リード４２を溶接により取り付ける。次いで、電解質層４５が形成された正極４３と負極１０とをセパレータ４４を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ４６を接着して巻回電極体４０を形成する。最後に、例えば、外装部材５０の間に巻回電極体４０を挟み込み、外装部材５０の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード４１および負極リード４２と外装部材５０との間には密着フィルム５１を挿入する。これにより、図４および図５に示した二次電池が完成する。

また、この二次電池は、次のようにして作製してもよい。まず、上述したようにして正極４３および負極１０を作製し、正極４３および負極１０に正極リード４１および負極リード４２を取り付けたのち、正極４３と負極１０とをセパレータ４４を介して積層して巻回し、最外周部に保護テープ４６を接着して、巻回電極体４０の前駆体である巻回体を形成する。次いで、この巻回体を外装部材５０で挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材５０の内部に収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、必要に応じて重合開始剤あるいは重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物とを用意し、外装部材５０の内部に注入する。

電解質用組成物を注入したのち、外装部材５０の開口部を真空雰囲気下で熱融着して密封する。次いで、必要に応じて熱を加えてモノマーを重合させて高分子化合物とすることによりゲル状の電解質層４５を形成し、図４および図５に示した二次電池を組み立てる。

この二次電池は、第１の二次電池と同様に作用し、同様の効果を得ることができる。

更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。

（実施例１−１）
まず、負極活物質を作製した。原料として鉄粉末と、スズ粉末と、グラファイト粉末とを用意し、鉄粉末とスズ粉末とを合金化して鉄・スズ合金粉末を作製したのち、この合金粉末にグラファイト粉末を加えて乾式混合した。その際、原料比は、質量比で、鉄粉末：スズ粉末：グラファイト粉末＝２５．６：５４．４：２０とした。なお、スズと鉄との合計に対する鉄の割合（以下、Fe／(Sn+Fe) 比という）は３２．０質量％とした。続いて、この混合物２０ｇを直径９ｍｍの鋼玉約４００ｇと共に、伊藤製作所製の遊星ボールミルの反応容器中にセットした。次いで、反応容器中をアルゴン雰囲気に置換し、毎分２５０回転の回転速度による１０分間の運転と、１０分間の休止とを運転時間の合計が３０時間になるまで繰り返した。そののち、反応容器を室温まで冷却して合成された負極活物質粉末を取り出し、２００メッシュのふるいを通して粗粉を取り除いた。

得られた負極活物質について組成の分析を行った。炭素の含有量は、炭素・硫黄分析装置により測定し、鉄およびスズの含有量は、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）発光分析により測定した。その結果、鉄の含有量は２５．８質量％、スズの含有量は５４．０質量％、炭素の含有量は１９．８質量％、Fe／(Sn+Fe) 比は３２．３質量％であった。また、この負極活物質についてＸＰＳを行ったところ、ピークＰ１が得られた。ピークＰ１を解析すると、表面汚染炭素のピークＰ２と、ピークＰ２よりも低エネルギー側に負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られた。このピークＰ３は、２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質中の炭素が他の元素と結合していることが確認された。

得られた負極活物質と、炭素材料と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンと、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースとを混合して負極合剤を調製したのち、この負極合剤を分散媒としての純水を用いてプラネタリーミキサーにより混合し、負極合剤スラリーを調製した。炭素材料は、真比重が２．２４ｇ／ｃｍ³ であり、タップ密度が０．６ｇ／ｃｍ³ の人造黒鉛を用いた。なお、真比重は、セイシン企業製のＭＡＴ−７０００により分散媒にブタノールを使用して測定した。また、タップ密度は、筒井理化学器械株式会社製の粉体減少度測定器（ＴＰＭ）を用い、１５０ｍＬのメスシリンダーに１００ｃｍ³ の炭素材料を静かに投入したのち、２０回運転後の密度を読み取った。更に炭素材料の混合量は、負極活物質に対して２０質量％とし、結着剤の混合量は、負極合剤全体に対して４．０質量％とし、増粘剤の混合量は、負極合剤全体に対して１質量％とした。

続いて、この負極合剤スラリーを帯状の銅箔よりなる負極集電体１１の上に塗布し、乾燥させたのちロールプレス機で圧縮成型したのち、更に、真空雰囲気中において２００℃で２時間熱処理を行うことにより負極活物質層１２を形成し、負極１０を作製した。そののち、負極集電体１１の一端にニッケル製の負極リード３５を取り付けた。

また、炭酸リチウム（Ｌｉ₂ ＣＯ₃ ）と炭酸コバルト（ＣｏＣＯ₃ ）とを０．５：１のモル比で混合し、空気中において９００℃で５時間焼成して、正極活物質としてのリチウム・コバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ₂ ）を得た。このＬｉＣｏＯ₂ ９１質量部と、導電助剤としてグラファイト６質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン３質量部とを混合し、分散媒としてのＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとした。そののち、この正極合剤スラリーを帯状のアルミニウム箔よりなる正極集電体３１Ａの両面に均一に塗布して乾燥させ、圧縮成型して正極活物質層３１Ｂを形成し正極３１を作製した。そののち、正極集電体３１Ａの一端にアルミニウム製の正極リード３４を取り付けた。

正極３１および負極１０をそれぞれ作製したのち、厚み２５μｍの微孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータ３２を用意し、負極１０，セパレータ３２，正極３１，セパレータ３２の順に積層してこの積層体を渦巻状に多数回巻回して巻回電極体３０を作製した。

巻回電極体３０を作製したのち、巻回電極体３０を一対の絶縁板２２，２３で挟み、負極リード３５を電池缶２１に溶接すると共に、正極リード３４を安全弁機構２５に溶接して、巻回電極体３０をニッケルめっきした鉄製の電池缶２１の内部に収納した。そののち、電池缶２１の内部に電解液を減圧方式により注入した。電解液には、炭酸エチレンと炭酸ジメチルとを１：１の体積比で混合した溶媒に、電解質塩としてＬｉＰＦ₆ を１ｍｏｌ／ｌとなるように溶解させたものを用いた。

電池缶２１の内部に電解液を注入したのち、表面にアスファルトを塗布したガスケット２７を介して電池蓋２４を電池缶２１にかしめることにより図２に示した円筒型の二次電池を得た。

実施例１−１に対する比較例１−１として、グラファイト粉末を用いなかったことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極活物質を合成し、二次電池を作製した。コバルト粉末とスズ粉末との原料比は、質量比で、鉄粉末：スズ粉末＝３２．０：６８．０とした。また、この負極活物質について、実施例１−１と同様にして組成の分析を行ったところ、鉄の含有量は３２．３質量％、スズの含有量は６７．５質量％であった。更に、ＸＰＳを行ったところ、ピークＰ４が得られ、これを解析したところ、表面汚染炭素のピークＰ２のみが得られた。

また、比較例１−２として、鉄とスズと炭素とを含む負極活物質を用いずに負極１０を作製したことを除き、具体的には、炭素材料の混合量を、負極合剤全体に対し９５質量％としたことを除き、他は実施例１−１と同様にして二次電池を作製した。

得られた実施例１−１および比較例１−１，１−２の二次電池について充放電試験を行い、放電容量、およびサイクル特性をそれぞれ求めた。その際、充電は、２３℃で０．５Ｃの定電流充電を上限４．２Ｖまで行った後、４．２Ｖで４時間にわたり定電圧充電を行い、放電は、０．５Ｃの定電流放電を終止電圧２．５Ｖまで行った。放電容量は、１サイクル目の放電容量について実施例１−１の値を１００とした場合の相対値で求めた。また、サイクル特性は、上述した条件で１００サイクル充放電を行い、１サイクル目の放電容量に対する１００サイクル目の放電容量の維持率、すなわち、（１００サイクル目の放電容量／１サイクル目の放電容量）×１００（％）から求めた。それらの結果を表１に示す。なお、負極活物質の各構成元素の前に記載した数値は、各構成元素の含有量を質量比で表したものである。また、０．５Ｃは、理論容量を２時間で放出できる電流値である。

表１に示したように、鉄とコバルトと炭素とを含有し、炭素の含有量が１１．９質量％以上２９．７質量％以下で、かつスズと鉄との合計に対する鉄の割合が２６．４質量％以上４８．５質量％以下である負極活物質を用いた実施例１−１によれば、炭素を含有しない負極活物質を用いた比較例１−１よりも、あるいはスズと鉄と炭素とを含有する負極活物質を用いていない比較例１−２よりも放電容量および放電維持率が飛躍的に向上した。

すなわち、スズと鉄と炭素とを含有し、１１．９質量％以上２９．７質量％以下で、かつスズと鉄との合計に対する鉄の割合が２６．４質量％以上４８．５質量％以下である負極活物質と、真比重が２．２４ｇ／ｃｍ³ 、タップ密度が０．６ｇ／ｃｍ³ である炭素材料とを用いた場合に、高容量で優れた充放電サイクル特性を得ることができることが分かった。

（実施例２−１，２−２）
炭素材料として、真比重が２．２６ｇ／ｃｍ³ であり、タップ密度が０．５ｇ／ｃｍ³ である人造黒鉛、または真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ であり、タップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ である人造黒鉛を用いて負極１０を作製したことを除き、他は実施例１−１と同様にして二次電池を作製した。

実施例２−１，２−２に対する比較例２−１〜２−６として、炭素材料の真比重およびタップ密度を表２に示したようにして負極１０を作製したことを除き、すなわち真比重を２．２３ｇ／ｃｍ³ 未満、あるいはタップ密度を０．８ｇ／ｃｍ³ 超として負極１０を作製したことを除き、他は実施例２−１，２−２と同様にして二次電池を作製した。

得られた実施例２−１，２−２および比較例２−１〜２−６について、実施例１−１と同様にして放電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表２に示す。なお、放電容量は、実施例１−１の値を１００とした場合の相対値で求めた。また、真比重とサイクル特性の関係を図６に示すと共に、タップ密度とサイクル特性との関係を図７に示す。なお、図６，７では、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上である領域、およびタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である領域は梨子地で表している。

表２および図６，７に示したように、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料を用いた実施例２−１，２−２によれば、これらの範囲外にある炭素材料を用いた比較例２−１〜２−６よりも、放電容量および放電容量維持率について高い値が得られた。

すなわち、炭素材料の真比重を２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上とし、かつタップ密度を０．８ｇ／ｃｍ³ 以下とすれば、高容量で、優れたサイクル特性を得ることができることが分かった。

（実施例３−１，４−１）
鉄粉末とスズ粉末とグラファイト粉末との原料比を変えて負極活物質を合成したことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極１０および二次電池を作製した。鉄粉末とスズ粉末とグラファイト粉末との原料比（質料比）は、実施例３−１では、鉄粉末：スズ粉末：グラファイト粉末＝２８．２：５９．８：１２．０とし、実施例４−１では、鉄粉末：スズ粉末：グラファイト粉末＝２２．４：４７．６：３０．０とした。なお、Fe／(Sn+Fe) 比は３２．０質量％とした。また、負極活物質と混合する炭素材料の真比重は２．２３ｇ／ｃｍ³ 、タップ密度は０．８ｇ／ｃｍ³ とし、実施例２−２で用いたものと同一のものを用いた。

得られた実施例３−１，４−１の負極活物質について、実施例１−１と同様にして組成の分析を行った。その結果、実施例３−１では、鉄の含有量は２８．５質量％、スズの含有量は５９．４質量％、炭素の含有量は１１．９質量％であり、Fe／(Sn+Fe) 比は３２質．４量％であった。また、実施例４−１では、鉄の含有量は２２．７質量％、スズの含有量は４７．３質量％、炭素の含有量は２９．７質量％であり、Fe／(Sn+Fe) 比は３２．４質量％であった。更に、これらの負極活物質についてＸＰＳを行ったところ、実施例３−１，４−１では、ピークＰ１が得られた。ピークＰ１を解析したところ、実施例１−１と同様に表面汚染炭素のピークＰ２と、負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、ピークＰ３は、いずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部は、他の元素と結合していることが確認された。

実施例３−１，４−１に対する比較例３−１〜３−６，４−１〜４−６として、炭素材料の真比重およびタップ密度を表３，４に示したように変化させて負極１０を作製したことを除き、すなわち真比重を２．２３ｇ／ｃｍ³ 未満、あるいはタップ密度を０．８ｇ／ｃｍ³ 超として負極１０を作製したことを除き、他は実施例３−１，４−１と同様にして二次電池を作製した。

得られた実施例３−１，４−１および比較例３−１〜３−６，４−１〜４−６の二次電池についても、実施例１−１と同様にして、放電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表３，４に示す。なお、放電容量は、実施例１−１の値を１００とした場合の相対値で求めた。

表３，４に示したように、実施例１−１，２−１，２−２と同様の結果が得られた。すなわち、負極活物質における炭素の含有量を１１．９質量％以上２９．７質量％とすれば、容量およびサイクル特性を向上させることができ、この負極活物質と、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料とを用いるようにすれば、高容量で、優れた充放電サイクル特性を得ることができることが分かった。

（実施例５−１，６−１）
鉄粉末とスズ粉末とグラファイト粉末との原料比を変えて負極活物質を合成したことを除き、他は実施例１−１と同様にして二次電池を作製した。鉄粉末とスズ粉末とグラファイト粉末との原料比（質料比）は、実施例５−１では、鉄粉末：スズ粉末：グラファイト粉末＝２２．９：６５．１：１２．０とし、実施例４−１では、鉄粉末：スズ粉末：グラファイト粉末＝４２．２：４５．８：１２．０し、Fe／(Sn+Fe) 比はそれぞれ２６．０質量％，４８．０質量％とした。また、負極活物質と混合する炭素材料の真比重は２．２３ｇ／ｃｍ³ 、タップ密度は０．８ｇ／ｃｍ³ とし、実施例２−２で用いたものと同一のものを用いた。

得られた実施例５−１，６−１の負極活物質について、実施例１−１と同様にして組成の分析を行った。その結果、実施例５−１では、鉄の含有量は２３．１質量％、スズの含有量は６４．５質量％、炭素の含有量は１１．９質量％であり、Fe／(Sn+Fe) 比は２６．４質量％であった。また、実施例５−１では、鉄の含有量は４２．７質量％、スズの含有量は４５．３質量％、炭素の含有量は１１．９質量％であり、Fe／(Sn+Fe) 比は４８．５質量％であった。更に、これらの負極活物質についてＸＰＳを行ったところ、実施例５−１，６−１では、ピークＰ１が得られた。ピークＰ１を解析したところ、実施例１−１と同様に表面汚染炭素のピークＰ２と、負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、ピークＰ３は、いずれについても２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部は、他の元素と結合していることが確認された。

実施例５−１，６−１に対する比較例５−１〜５−６，６−１〜６−６として、炭素材料の真比重およびタップ密度を表５，６に示したように変化させて負極１０を作製したことを除き、すなわち真比重を２．２３ｇ／ｃｍ³ 未満、あるいはタップ密度を０．８ｇ／ｃｍ³ 超として負極１０を作製したことを除き、他は実施例５−１，６−１と同様にして二次電池を作製した。

得られた実施例５−１，６−１および比較例５−１〜５−６，６−１〜６−６の二次電池についても、実施例１−１と同様にして、放電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表５，６に示す。なお、放電容量は、実施例１−１の値を１００とした場合の相対値で求めた。

表５，６に示したように、実施例１−１，２−１，２−２と同様の結果が得られた。すなわち、負極活物質におけるFe／(Sn+Fe) 比を２６．４質量％以上４８．５質量％以下とすれば、容量およびサイクル特性を向上させることができ、この負極活物質と、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料とを用いるようにすれば、高容量で、優れた充放電サイクル特性を得ることができることが分かった。

（実施例７−１〜７−６）
負極活物質に対する炭素材料の混合量を、表７に示したように１０質量％以上６０質量％以下の範囲内で変化させたことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極１０および二次電池を作製した。その際、負極活物質と混合する炭素材料は、実施例１−１と同様に、真比重が２．２４ｇ／ｃｍ³ であり、タップ密度が０．６ｇ／ｃｍ³ であるものとした。

得られた実施例７−１〜７−６の二次電池についても、実施例１−１と同様にして、放電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表７に示す。なお、放電容量は、実施例１−１の値を１００とした場合の相対値で求めた。

表７に示したように、放電容量は、負極活物質に対する炭素材料の混合量が増大するに伴い大きくなり、極大値を示したのち低下する傾向が観られた。また、放電容量維持率は、炭素材料の添加量が増大するに伴い大きくなり、ほぼ一定の値を示す傾向が観られた。

すなわち、負極１０における炭素材料の含有量は、負極活物質に対して１５質量％以上５０質量％以下の範囲内、特に２０質量％以上４０質量％以下の範囲内が好ましいことが分かった。

（実施例８−１〜８−６）
負極活物質に対する炭素材料の添加量を、表８に示したように１０質量％以上６０質量％以下の範囲内で変化させたことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極１０および二次電池を作製した。その際、炭素材料は、実施例２−１と同様に、真比重が２．２６ｇ／ｃｍ³ であり、タップ密度が０．５ｇ／ｃｍ³ であるものとした。

得られた実施例８−１〜８−６の二次電池についても、実施例１−１と同様にして、放電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表８に示す。なお、放電容量は、実施例１−１の値を１００とした場合の相対値で求めた。

表８に示したように、実施例７−１〜７−６と同様の結果が得られた。すなわち、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である要件を満たす他の炭素材料を用いた場合にも、炭素材料の含有量は、負極活物質に対して１５質量％以上５０質量％以下の範囲内、特に２０質量％以上４０質量％以下の範囲内が好ましいことが分かった。

（実施例９−１〜９−３）
結着剤としてポリフッ化ビニリデンに代えて、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、またはフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体を用いたことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極１０および二次電池を作製した。

得られた実施例９−１〜９−３の二次電池についても、実施例１−１と同様にして、放電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表９に示す。なお、放電容量は、実施例１−１の値を１００とした場合の相対値で求めた。

表９に示したように、実施例１−１と同様の結果が得られた。すなわち、結着剤にポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンを成分として含む共重合体を用いるようにすれば、好ましいことが分かった。

（実施例１０−１〜１０−７）
負極合剤における結着剤の混合量を、表１０に示したように０．５質量％以上１２．０質量％以下の範囲内で変化させたことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極１０および二次電池を作製した。

得られた実施例１０−１〜１０−７の二次電池についても、実施例１−１と同様にして、放電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表１０に示す。なお、放電容量は、実施例１−１の値を１００とした場合の相対値で求めた。

表１０に示したように、放電容量は、負極合剤における結着剤の混合量が増大するに伴い大きくなり、極大値を示したのち低下する傾向が観られた。また、放電容量維持率は、結着剤の混合量が増大するに伴い大きくなり、ほぼ一定の値を示す傾向が観られた。

すなわち、結着剤の含有量は、１質量％以上１０質量％以下の範囲内、特に２質量％以上５質量％以下の範囲内が好ましいことが分かった。

（実施例１１−１〜１１−１９）
実施例１１−１では、原料として鉄粉末とスズ粉末と銀粉末とグラファイト粉末とを用意し、これらの原料比を表１１に示したようにしたことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極活物質を合成した。その際、鉄粉末とスズ粉末と銀粉末とを合金化して鉄・スズ・銀合金粉末を作製したのち、この合金粉末にグラファイト粉末を混合して合成した。また、実施例１１−２〜１１−１７では、原料に、スズ粉末と、鉄粉末と、銀粉末と、グラファイト粉末と、第１成分としてアルミニウム粉末，チタン粉末，バナジウム粉末，クロム粉末，ニオブ粉末およびタンタル粉末からなる群のうちの少なくとも１種と、第２成分としてコバルト粉末，ニッケル粉末，銅粉末，亜鉛粉末，ガリウム粉末およびインジウム粉末のうちの少なくとも１種とを用い、スズと鉄と銀とグラファイトと第１成分と第２成分との原料比を表１１に示したようにしたことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極活物質を合成した。更に、実施例１１−１８では、原料に、スズ粉末と、鉄粉末と、銀粉末と、グラファイト粉末と、第１成分としてチタン粉末を用意し、スズと鉄と銀とグラファイトとチタンとの原料比を表１１に示したようにしたことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極活物質を合成した。更にまた、実施例１１−１９では、原料に、スズ粉末と、鉄粉末と、銀粉末と、グラファイト粉末と、第２成分として亜鉛粉末を用意し、スズと鉄と銀とグラファイトと亜鉛との原料比を表１１に示したようにしたことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極活物質を合成した。

これらの負極活物質についても実施例１−１と同様にして組成の分析を行った。それらの結果を表１１に示す。なお、銀，アルミニウム，チタン，バナジウム，クロム，ニオブ，タンタル，コバルト，ニッケル，銅，亜鉛，ガリウムおよびインジウムの含有量は、ＩＣＰ発光分析により測定した。また、ＸＰＳを行ったところピークＰ１が得られた。得られたピークを解析したところ、実施例１−１と同様に表面汚染炭素のピークＰ２と、負極活物質中におけるＣ１ｓのピークＰ３とが得られ、ピークＰ３は、いずれも２８４．５ｅＶよりも低い領域に得られた。すなわち、負極活物質に含まれる炭素の少なくとも一部は、他の元素と結合していることが確認された。

これらの負極活物質を用いて実施例１−１と同様にして負極１０および二次電池を作製し、実施例１−１と同様にして、放電容量および充放電サイクル特性を調べた。それらの結果を表１１に示す。なお、放電容量は、実施例１−１の値を１００とした場合の相対値で求めた。

表１１に示したように、負極活物質に銀を含む実施例１１−１によれば、銀を含まない実施例２−２よりも、放電容量維持率が向上した。また、負極活物質に第１成分と第２成分とを含む実施例１１−２〜１１−１７によれば、これらを含まない実施例１１−１、または第１成分のみあるいは第２成分のみを含む実施例１１−１８，１１−１９よりも、放電容量維持率が向上した。

また、第１成分の含有量が０．１質量％以上９．９質量％以下、第２成分の含有量が０．５質量％以上１４．９質量％以下である実施例１１−２〜１１−１５によれば、放電容量についても高い値が得られた。

すなわち、負極活物質に銀を含むようにすれば、サイクル特性を向上させることができることが分かった。

また、負極活物質に、アルミニウム，チタン，バナジウム，クロム，ニオブおよびタンタルからなる群のうちの少なくとも１種と、コバルト，ニッケル，銅，亜鉛，ガリウムおよびインジウムからなる群のうちの少なくとも１種とを含むようにすれば、サイクル特性をより向上させることができ、これらの含有量をそれぞれ０．１質量％以上９．９質量％以下、０．５質量％以上１４．９質量％以下とするようにすれば、高い容量を得ることができることが分かった。

（実施例１２−１〜１２−４，１３−１〜１３−４）
炭素材料として、真比重が２．２６ｇ／ｃｍ³ であり、タップ密度が０．５ｇ／ｃｍ³ である人造黒鉛、または真比重が２．２４ｇ／ｃｍ³ であり、タップ密度が０．６ｇ／ｃｍ³ である人造黒鉛を用いると共に、負極活物質として実施例１１−１，１１−３，１１−６，１１−１０と同様のものを用いたことを除き、他は実施例１−１と同様にして負極１０および二次電池を作製した。

作製した二次電池について、実施例１−１と同様にして、放電容量およびサイクル特性を調べた。それらの結果を表１２，１３に示す。なお、放電容量は、実施例１−１の値を１００とした場合の相対値で求めた。

表１２，１３に示したように、実施例１１−１，１１−３，１１−６，１１−１０と同様の結果が得られた。すなわち、負極１０に真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料とを用いるようにすれば、高容量で、優れたサイクル特性を得ることができることが分かった。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、巻回構造を有する二次電池を具体的に挙げて説明したが、本発明は、コイン型，ボタン型，シート型あるいは角型などの他の形状を有する二次電池、または正極および負極を複数積層した他の積層構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。

また、実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、負極活物質と反応可能であればナトリウム（Ｎａ）あるいはカリウム（Ｋ）などの長周期型周期表における他の１族の元素、またはマグネシウム（Ｍｇ）あるいはカルシウム（Ｃａ）などの長周期型周期表における２族の元素、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その際、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な正極活物質あるいは非水溶媒などは、その電極反応物質に応じて選択される。

更に、上記実施の形態および実施例では、電解質として電解液を用いる場合について説明し、更に上記実施の形態では、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状電解質を用いる場合についても説明したが、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、イオン伝導性セラミックス，イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などのイオン伝導性無機化合物、または他の無機化合物、またはこれらの無機化合物と電解液あるいはゲル状電解質とを混合したものが挙げられる。

本発明の一実施の形態に係る負極の構成を表す断面図である。 図１に示した負極を用いた二次電池の構成を表す断面図である。 図２に示した二次電池における巻回電極体の一部を拡大して表す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る他の二次電池の構成を表す分解斜視図である。 図４に示した巻回電極体のＩ−Ｉ線に沿った構成を表す断面図である。 炭素材料の真比重と放電容量維持率との関係を表す特性図である。 炭素材料のタップ密度と放電容量維持率との関係を表す特性図である。

符号の説明

１０…負極、１１…負極集電体、１２…負極活物質層、２１…電池缶、２２，２３…絶縁板、２４…電池蓋、２５…安全弁機構、２５Ａ…ディスク板、２６…熱感抵抗素子、２７…ガスケット、３０，４０…巻回電極体、３１，４３…正極、３１Ａ，４３Ａ…正極集電体、３１Ｂ，４３Ｂ…正極活物質層、３２，４４…セパレータ、３３…センターピン、３４，４１…正極リード、３５，４２…負極リード、４５…電解質層、４６…保護テープ、５０…外装部材、５１…密着フィルム。

Claims (18)

1. 構成元素として、スズ（Ｓｎ），鉄（Ｆｅ）および炭素（Ｃ）を少なくとも含み、炭素の含有量が１１．９質量％以上２９．７質量％以下であり、かつスズと鉄との合計に対する鉄の割合が２６．４質量％以上４８．５質量％以下である負極活物質と、
   真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料とを含有する
   ことを特徴とする負極。
2. 前記負極活物質は、更に、構成元素として銀（Ａｇ）を含むことを特徴とする請求項１記載の負極。
3. 前記負極活物質における銀の含有量は、０．１質量％以上９．９質量％以下であることを特徴とする請求項２記載の負極。
4. 前記負極活物質は、更に、構成元素として、アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），バナジウム（Ｖ），クロム（Ｃｒ）, ニオブ（Ｎｂ）およびタンタル（Ｔａ）からなる群のうちの少なくとも１種よりなる第１成分と、コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）からなる群のうちの少なくとも１種よりなる第２成分とを含むことを特徴とする請求項１記載の負極。
5. 前記負極活物質における前記第１成分の含有量は、０．１質量％以上９．９質量％以下であることを特徴とする請求項４記載の負極。
6. 前記負極活物質における前記第２成分の含有量は、０．５質量％以上１４．９質量％以下であることを特徴とする請求項４記載の負極。
7. 前記炭素材料の含有量は、前記負極活物質に対して１５質量％以上５０質量％以下であることを特徴とする請求項１記載の負極。
8. 更に、ポリフッ化ビニリデンおよびフッ化ビニリデンを成分として含む共重合体からなる群のうちの少なくとも１種の結着剤を含有することを特徴とする請求項１記載の負極。
9. 前記負極活物質，前記炭素材料および前記結着剤を含む負極活物質層と、この負極活物質層が設けられた負極集電体とを備え、
   前記負極活物質層における前記結着剤の含有量は、１質量％以上１０質量％以下であることを特徴とする請求項８記載の負極。
10. 正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
    前記負極は、構成元素としてスズ（Ｓｎ），鉄（Ｆｅ）および炭素（Ｃ）を少なくとも含み、炭素の含有量が１１．９質量％以上２９．７質量％以下であり、かつスズと鉄との合計に対する鉄の割合が２６．４質量％以上４８．５質量％以下である負極活物質と、真比重が２．２３ｇ／ｃｍ³ 以上であり、かつタップ密度が０．８ｇ／ｃｍ³ 以下である炭素材料とを含有する
    ことを特徴とする電池。
11. 前記負極活物質は、更に、構成元素として銀（Ａｇ）を含むことを特徴とする請求項１０記載の電池。
12. 前記負極活物質における銀の含有量は、０．１質量％以上９．９質量％以下であることを特徴とする請求項１１記載の電池。
13. 前記負極活物質は、更に、構成元素として、アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），バナジウム（Ｖ），クロム（Ｃｒ）, ニオブ（Ｎｂ）およびタンタル（Ｔａ）からなる群のうちの少なくとも１種よりなる第１成分と、コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ），銅（Ｃｕ），亜鉛（Ｚｎ），ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）からなる群のうちの少なくとも１種よりなる第２成分とを含むことを特徴とする請求項１０記載の電池。
14. 前記負極活物質における前記第１成分の含有量は、０．１質量％以上９．９質量％以下であることを特徴とする請求項１３記載の電池。
15. 前記負極活物質における前記第２成分の含有量は、０．５質量％以上１４．９質量％以下であることを特徴とする請求項１３記載の電池。
16. 前記炭素材料の含有量は、前記負極活物質に対して１５質量％以上５０質量％以下であることを特徴とする請求項１０記載の電池。
17. 更に、ポリフッ化ビニリデンおよびフッ化ビニリデンを成分として含む共重合体からなる群のうちの少なくとも１種の結着剤を含有することを特徴とする請求項１０記載の負極。
18. 前記負極は、前記負極活物質，前記炭素材料および前記結着剤を含む負極活物質層と、この負極活物質層が設けられた負極集電体とを備え、
    前記負極活物質層における前記結着剤の含有量は、１質量％以上１０質量％以下であることを特徴とする請求項１７記載の電池。
    

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