JP2010140885A - 二次電池および負極 - Google Patents

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Abstract

【課題】優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることが可能な二次電池を提供する。
【解決手段】正極２１および負極２２と共に電解液を備え、正極２１と負極２２との間に設けられたセパレータ２３に電解液が含浸されている。負極活物質層２２Ｂは、ケイ素を構成元素として有する複数の結晶性の負極活物質粒子を含んでおり、その複数の負極活物質粒子は、球状粒子および非球状粒子を含んでいる。これにより、負極活物質粒子の物性が経時変化しにくくなる。また、充放電時に負極活物質層２２Ｂが膨張および収縮しにくくなるため、負極集電体２２Ａが変形しにくくなる。
【選択図】図８

Description

本発明は、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極活物質層を負極集電体上に有する負極およびそれを用いた二次電池に関する。
近年、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話およびノートパソコンなどのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、電源として、電池、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。
中でも、充放電反応にリチウムイオンの吸蔵および放出を利用するリチウムイオン二次電池は、鉛電池および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、広く実用化されている。
リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な正極活物質を含む正極と、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な負極活物質を含む負極と、電解質とを備えている。
負極活物質としては、炭素材料が広く用いられている。しかしながら、最近では、ポータブル電子機器の高性能化および多機能化に伴い、電池容量のさらなる向上が求められていることから、炭素材料に代えてケイ素を用いることが検討されている。ケイ素の理論容量（４１９９ｍＡｈ／ｇ）は黒鉛の理論容量（３７２ｍＡｈ／ｇ）よりも格段に大きいため、電池容量の大幅な向上が期待されるからである。
負極活物質としてケイ素を用いる場合には、負極活物質層の形成方法として、蒸着法などの気相法が用いられている。負極集電体の表面にケイ素が直接堆積されることにより、負極活物質が負極集電体に連結（固定）されるため、充放電時において負極活物質層が膨張および収縮しにくくなるからである。
しかしながら、この場合には、以下の理由により、二次電池の重要な特性であるサイクル特性および膨れ特性の低下が懸念される。
第１に、充放電時においてリチウムイオンを吸蔵した負極活物質が高活性になるため、電解質が分解すると共にリチウムイオンの一部が不活性化しやすくなる。これにより、充放電を繰り返すと、放電容量が低下すると共に、電解質の分解により電池内にガスが発生しやすくなる。
第２に、負極活物質が負極集電体に連結されていても、充放電時における負極活物質層の膨張および収縮の程度によっては、負極活物質層が割れると共に負極集電体から脱落する可能性がある。これにより、充放電を繰り返すと、放電容量が低下しやすくなる。また、負極活物質層が激しく膨張および収縮すると、その影響を受けて負極集電体が変形しやすくなる。
第３に、ケイ素の堆積膜が非結晶性（非晶質）になるため、負極活物質が酸化の影響を受けやすくなる。このため、負極活物質の物性が経時変化すると共に負極集電体に対する負極活物質層の密着強度が低下しやすくなる。これにより、充放電を繰り返すと、放電容量が低下しやすくなる。
そこで、リチウムイオン二次電池のサイクル特性などを改善するために、いくつかの技術が提案されている。具体的には、結晶領域および非結晶領域を含むように負極活物質を形成している（例えば、特許文献１参照。）。また、ケイ素とリチウムとを含む複数の負極活物質粒子を用いて、それらを焼結あるいは溶融して結着させている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、気相法を用いて成長させた第１粒子を有する下層と、塗布法を用いて堆積させた第２粒子を有する上層とが積層されるように、負極活物質層を形成している（例えば、特許文献３参照。）。
国際公開第０１／０２９９１２号パンフレット 特開２００６−２６９３３１号公報 特開２００７−１２２９１５号公報
近年、ポータブル電子機器は益々高性能化および多機能化しており、その消費電力は増大しているため、二次電池の充放電は頻繁に繰り返される傾向にある。そこで、二次電池を高頻度で安全に使用するために、サイクル特性および膨れ特性についてより一層の向上が望まれている。
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、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることが可能な負極およびそれを用いた二次電池を提供することにある。
本発明の二次電池は、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な正極および負極と、溶媒および電解質塩を含む電解質とを備え、負極が負極集電体上に負極活物質層を有し、負極活物質層がケイ素を構成元素として有する複数の結晶性の負極活物質粒子を含み、複数の負極活物質粒子が球状粒子および非球状粒子を含むものである。また、本発明の負極は、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であると共に負極集電体上に負極活物質層を有し、負極活物質層がケイ素を構成元素として有する複数の結晶性の負極活物質を含み、複数の負極活物質粒子が球状粒子および非球状粒子を含むものである。
本発明の負極によれば、負極活物質層がケイ素を構成元素として有する複数の結晶性の負極活物質粒子を含み、その複数の負極活物質粒子が球状粒子および非球状粒子を含む。これにより、負極活物質粒子の物性が経時変化しにくくなる。また、電極反応時に負極活物質層が膨張および収縮しにくくなるため、負極集電体が変形しにくくなる。したがって、本発明の負極を用いた二次電池によれば、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。
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に示した負極の断面構造を表すＳＥＭ写真およびその模式図である。 図１に示した負極の他の断面構造を表すＳＥＭ写真およびその模式図である。 図１に示した負極の表面構造を表すＳＥＭ写真である。 図１に示した負極のさらに他の断面構造を表すＳＥＭ写真およびその模式図である。 図１に示した負極のさらに他の断面構造を表すＳＥＭ写真およびその模式図である。 本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第１の二次電池の構成を表す断面図である。 図７に示した第１の二次電池のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図である。 図８に示した正極および負極の構成を表す平面図である。 本発明の一実施の形態に係る負極を備えた第２の二次電池の構成を表す断面図である。 図１０に示した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負極を備えた第３の二次電池の構成を表す分解斜視図である。 図１２に示した巻回電極体のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面図である。 粒径と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。 円形度と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。 粒子数と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。 半値幅と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。 酸素含有量と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。 高酸素含有領域の数と放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。 十点平均粗さＲｚと放電容量維持率および膨れ率との間の相関を表す図である。
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。なお、説明する順序は、下記の通りである。

１．負極
２．負極を用いた電気化学デバイス（二次電池）
２−１．第１の二次電池（角型）
２−２．第２の二次電池（円筒型）
２−３．第３の二次電池（ラミネートフィルム型）
＜１．負極＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る負極の断面構成を表している。この負極は、例えば二次電池などの電気化学デバイスに用いられるものであり、一対の面を有する負極集電体１と、それに設けられた負極活物質層２とを有している。
［負極集電体］
負極集電体１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材料により構成されていることが好ましい。このような材料としては、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどが挙げられ、中でも、銅が好ましい。高い電気伝導性が得られるからである。
負極集電体１の表面は、粗面化されていることが好ましい。いわゆるアンカー効果により、負極集電体１と負極活物質層２との間の密着性が向上するからである。この場合には、少なくとも負極活物質層２と対向する領域において、負極集電体１の表面が粗面化されていればよい。粗面化の方法としては、例えば、電解処理により微粒子を形成する方法などが挙げられる。この電解処理とは、電解槽中において電解法により負極集電体１の表面に微粒子を形成して凹凸を設ける方法である。電解法により作製された銅箔は、一般に「電解銅箔」と呼ばれている。この他、粗面化の方法としては、例えば、圧延銅箔をサンドブラスト処理する方法なども挙げられる。
負極集電体１の表面の十点平均粗さＲｚは、特に限定されないが、中でも、１．５μｍ以上であることが好ましい。この場合には、１．５μｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましく、３μｍ以上３０μｍ以下であることがさらに好ましい。負極集電体１と負極活物質層２との間の密着性がより高くなるからである。詳細には、１．５μｍよりも小さいと、十分な密着性が得られない可能性があり、一方、３０μｍよりも大きいと、かえって密着性が低下する可能性がある。
［負極活物質層］
負極活物質層２は、例えば、負極集電体１の両面に設けられている。ただし、負極活物質層２は、負極集電体１の片面だけに設けられていてもよい。
この負極活物質層２は、負極活物質として、例えばリチウムイオンなどの電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか１種あるいは２種以上を含んでいる。なお、負極活物質層２は、必要に応じて、上記した負極活物質の他に、導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。
負極材料としては、ケイ素を構成元素として有する材料が好ましい。電極反応物質を吸蔵および放出する能力が優れているため、高いエネルギー密度が得られるからである。このような材料は、ケイ素の単体、合金あるいは化合物でもよいし、それらの１種あるいは２種以上の相を少なくとも一部に有するものでもよい。中でも、ケイ素の単体、合金および化合物のうちの少なくとも１種が好ましく、ケイ素の単体がより好ましい。
なお、本発明における合金には、２種以上の金属元素を有するものに加えて、１種以上の金属元素と１種以上の半金属元素とを有するものも含まれる。もちろん、上記した合金は、非金属元素を有していてもよい。その組織には、固溶体、共晶（共融混合物）、金属間化合物、あるいはそれらの２種以上の共存などがある。
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、以下の元素のうちの少なくとも１種を有するものなどが挙げられる。スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム（Ｉｎ）、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモンおよびクロムなどである。
ケイ素の化合物としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、酸素および炭素（Ｃ）を有するものなどが挙げられる。なお、ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、ケイ素の合金について説明した一連の元素のいずれか１種あるいは２種以上を有していてもよい。
ケイ素の合金あるいは化合物の一例としては、以下のものが挙げられる。ＳｉＢ4 、ＳｉＢ6 、Ｍｇ2 Ｓｉ、Ｎｉ2 Ｓｉ、ＴｉＳｉ2 、ＭｏＳｉ2 、ＣｏＳｉ2 、ＮｉＳｉ2 、ＣａＳｉ2 、ＣｒＳｉ2 、Ｃｕ5 Ｓｉ、ＦｅＳｉ2 、ＭｎＳｉ2 、ＮｂＳｉ2 、あるいはＴａＳｉ2 である。また、ＶＳｉ2 、ＷＳｉ2 、ＺｎＳｉ2 、ＳｉＣ、Ｓｉ3 Ｎ4 、Ｓｉ2 Ｎ2 Ｏ、ＳｉＯv （０＜ｖ≦２）、ＳｎＯw （０＜ｗ≦２）、あるいはＬｉＳｉＯなどである。
負極活物質は、上記したケイ素に加えて、酸素を構成元素として有していることが好ましい。電極反応時に負極活物質層２の膨張および収縮が抑制されるからである。この場合には、少なくとも一部の酸素が一部のケイ素と結合していることが好ましい。その結合の状態は、一酸化ケイ素あるいは二酸化ケイ素でもよいし、他の準安定状態でもよい。
負極活物質中の酸素含有量は、特に限定されないが、中でも、１．５原子数％以上４０原子数％以下であることが好ましい。負極活物質層２の膨張および収縮がより抑制されるからである。詳細には、１．５原子数％よりも少ないと、負極活物質層２の膨張および収縮が十分に抑制されない可能性があり、一方、４０原子数％よりも多いと、抵抗が増大しすぎる可能性がある。なお、電気化学デバイスにおいて負極が電解質と一緒に用いられる場合には、その電解質の分解により形成される被膜などは負極活物質に含めないこととする。すなわち、負極活物質中の酸素含有量を算出する場合には、上記した被膜中の酸素は含めないようにする。
この酸素を有する負極活物質は、例えば、負極材料を堆積させる際に、チャンバ内に連続的に酸素ガスを導入することにより形成される。特に、酸素ガスを導入しただけでは所望の酸素含有量が得られない場合には、チャンバ内に酸素の供給源として液体（例えば水蒸気など）を導入してもよい。
また、負極活物質は、上記したケイ素に加えて、金属元素を構成元素として有していることが好ましい。負極活物質の抵抗が低下すると共に、電極反応時に負極活物質層２の膨張および収縮がより抑制されるからである。このような金属元素としては、以下の元素のうちの少なくとも１種が挙げられる。鉄、ニッケル、モリブデン、チタン、クロム、コバルト、銅、マンガン、亜鉛、ゲルマニウム、アルミニウム、ジルコニウム、銀、スズ、アンチモンおよびタングステンである。負極活物質中における金属元素の含有量は、特に限定されない。ただし、負極が二次電池に用いられる場合には、金属元素の含有量が多くなりすぎると、所望の電池容量を得るために負極活物質層２を厚くしなければならないため、その負極活物質層２が割れると共に負極集電体１から剥がれる可能性がある。
この負極活物質は、全体に渡って金属元素を有していてもよいし、一部において金属元素を有していてもよい。この場合における負極活物質の状態は、完全な合金となった状態（合金状態）でもよいし、完全な合金となるまでには至らずにケイ素と金属元素とが混在している状態（化合物状態あるいは相分離状態）でもよい。この負極活物質の状態については、例えば、エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析（energy dispersive x-ray fluorescence spectroscopy ：ＥＤＸ）により確認できる。
この金属元素を有する負極活物質は、例えば、負極材料を堆積させる際に、合金粒子を形成材料として用いたり、負極材料と一緒に金属材料を堆積させることにより形成される。
なお、負極活物質層２は、その層中（厚さ方向）において、より高い酸素含有量を有する高酸素含有領域と、より低い酸素含有量を有する低酸素含有領域とを含んでいることが好ましい。電極反応時に負極活物質層２の膨張および収縮が抑制されるからである。低酸素含有領域における酸素の含有量は、できるだけ少ないことが好ましい。高酸素含有領域における酸素の含有量は、例えば、上記した負極活物質中の酸素含有量と同様である。
この場合には、低酸素含有領域により高酸素含有領域が挟まれていることが好ましく、低酸素含有領域と高酸素含有領域とが交互に繰り返して積層されていることがより好ましい。負極活物質層２の膨張および収縮がより抑制されるからである。低酸素含有領域と高酸素含有領域とが交互に積層される場合には、負極活物質層２中において酸素含有量が高低を繰り返しながら分布することになる。
高酸素含有領域および低酸素含有領域を含む負極活物質は、例えば、負極材料を堆積させる際に、チャンバ内に断続的に酸素ガスを導入したり、チャンバ内に導入する酸素ガスの量を変化させることにより形成される。もちろん、酸素ガスを導入しただけでは所望の酸素含有量が得られない場合には、チャンバ内に液体（例えば水蒸気など）を導入してもよい。
なお、高酸素含有領域と低酸素含有領域との間では、酸素含有量が明確に異なっていてもよいし、明確に異なっていなくてもよい。特に、上記した酸素ガスの導入量を連続的に変化させた場合には、酸素含有量も連続的に変化してもよい。高酸素含有領域および低酸素含有領域は、酸素ガスの導入量を断続的に変化させた場合にはいわゆる「層」となり、酸素ガスの導入量を連続的に変化させた場合には「層」というよりもむしろ「層状」となる。この場合には、高酸素含有領域と低酸素含有領域との間において、酸素の含有量が段階的あるいは連続的に変化していることが好ましい。酸素の含有量が急激に変化すると、イオンの拡散性が低下したり、抵抗が増大する可能性があるからである。
また、負極活物質は、結晶性である。酸化の影響を受けにくいため、負極活物質の物性が経時変化しにくいと共に、負極集電体１に対する負極活物質層２の密着性が低下しにくいからである。
負極活物質の結晶状態（結晶性あるは非結晶性）については、Ｘ線回折により確認できる。具体的には、負極活物質を分析した結果、シャープなピークが検出された場合には結晶性であり、一方、ブロードなピークな検出された場合には非結晶性である。
Ｘ線回折により得られる負極活物質の（１１１）結晶面における回折ピークの半値幅（２θ）は、特に限定されないが、中でも、２０°以下であることが好ましい。また、同結晶面に起因する結晶子サイズは、特に限定されないが、中でも、１０ｎｍ以上であることが好ましい。負極活物質の物性がより経時変化しにくくなると共に、電極反応物質の拡散性がより低下しにくくなるからである。
また、負極活物質は、負極集電体１の表面に連結されていることが好ましい。負極活物質層２が負極集電体１に対して物理的に固定されるため、電極反応時に負極活物質層２が膨張および収縮しにくくなるからである。上記した「負極活物質が連結されている」とは、負極材料が負極集電体１の表面上に直接堆積されていることを意味している。このため、例えば塗布法あるいは焼結法などを用いて負極活物質層２が形成されている場合には、負極活物質が負極集電体１の表面に連結されていることにはならない。この場合には、負極活物質が他の材料（例えば結着剤など）を介して負極集電体１に間接的に連結されていたり、単に負極活物質が負極集電体１の表面に隣接しているにすぎないからである。
なお、負極活物質は、少なくとも一部において負極集電体１の表面に接触していればよい。一部だけでも負極集電体１に接触していれば、全く接触されていない場合と比較して、負極集電体１に対する負極活物質層２の密着強度が向上するからである。負極活物質が一部において負極集電体１に接触している場合には、負極活物質層２は、負極活物質が負極集電体１に接触している部分と、それに接触していない部分を有することになる。
負極活物質が非接触部分を有していない場合には、その負極活物質が全体に渡って負極集電体１に接触するため、両者の間における電子伝導性が高くなる。その一方で、電極反応時に負極活物質層２が膨張および収縮した場合の逃げ場（緩和スペース）が存在しないため、それによる応力の影響を受けて負極集電体１が変形する可能性がある。
これに対して、負極活物質が非接触部分を有している場合には、電極反応時に負極活物質層２が膨張および収縮した場合の逃げ場（緩和スペース）が存在するため、それによる応力の影響を受けて負極集電体１が変形しにくくなる。その一方で、負極集電体１と負極活物質との間に接触していない部分があるため、両者の間における電子伝導性が低くなる可能性がある。
この場合には、負極活物質層２は、その内部に、空隙を有していることが好ましい。電極反応時に負極活物質層２が膨張および収縮した場合の逃げ場（緩和スペース）が得られるため、その負極活物質層２が膨張および収縮しにくくなるからである。
また、負極活物質は、負極集電体１との界面のうちの少なくとも一部において合金化していることが好ましい。負極集電体１に対する負極活物質層２の密着強度が高くなるため、電極反応時に負極活物質層２が膨張および収縮しにくくなるからである。また、負極集電体１と負極活物質層２との間において電子伝導性が向上するからである。この「合金化」とは、負極集電体１の構成元素と負極活物質の構成元素とが完全な合金を形成している場合だけでなく、両者の構成元素が混在している場合も含む。この場合には、両者の界面において、負極集電体１の構成元素が負極活物質に拡散していてもよいし、負極活物質の構成元素が負極集電体１に拡散していてもよいし、両者の構成元素が拡散しあっていてもよい。
特に、負極活物質は、複数の粒子状である。この場合には、負極活物質は、単一の堆積工程により形成された単層構造を有していてもよいし、複数回の堆積工程により形成された多層構造を有していてもよい。ただし、堆積時に高熱を伴う場合には、負極活物質が多層構造を有していることが好ましい。堆積工程を複数回に分割して行うことにより、その堆積工程を１回で行う場合と比較して、負極集電体１が高熱に晒される時間が短くなるからである。
複数の粒子状の負極活物質（負極活物質粒子）は、球状粒子および非球状粒子を含んでいる。球状粒子を含んでいない場合と比較して、電極反応時に負極活物質層２が膨張および収縮しにくくなるため、負極集電体１が変形しにくくなるからである。詳細には、球状粒子は、非球状粒子と比較して、抵抗が高くて電極反応に寄与しにくいため、電極反応時に膨張および収縮しにくい性質を有している。これにより、電極反応時に非球状粒子が膨張および収縮して内部応力が生じても、その内部応力が球状粒子により緩和されるため、負極集電体１が内部応力の影響を受けて変形しにくくなる。
上記した「球状粒子」とは、走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope：ＳＥＭ）を用いて８０００倍の倍率で負極活物質層２の表面を観察した場合に、球状の輪郭を有しているものと視認できる粒子である。一方、「非球状粒子」とは、上記した球状粒子以外の粒子であり、主に、ＳＥＭ（倍率＝８０００倍）を用いて負極活物質層２の表面を観察した場合に、多角形状あるいは板状の輪郭を有しているものと視認できる粒子である。
球状粒子の数は、特に限定されない。球状粒子を１つでも含んでいれば、全く含んでいない場合と比較して、負極集電体１が変形しにくくなるからである。ただし、電極反応に寄与しない球状粒子の数が多すぎると、電極反応物質の吸蔵放出量が低下する可能性がある。より具体的には、負極が二次電池に用いられた場合には、電池容量が低下する可能性がある。このため、球状粒子の数は、１０個以上２００個以下であることが好ましい。
上記した球状粒子の数とは、ＳＥＭ（倍率＝８０００倍）を用いて負極活物質層２の表面の画像（ＳＥＭ像）を３０枚撮影し、画像ごとに球状粒子の数をカウントしたのち、画像ごとのカウント数を平均化したものである。この場合には、ＳＥＭによる観察範囲（基準範囲）を縦１０．７５μｍ×横１６．００μｍとする。また、１枚の画像中に輪郭の全体が入っていない粒子（画像の端で輪郭の一部が途切れている粒子）については、カウントしないこととする。
なお、球状粒子の数をカウントする場合には、所定の範囲内の粒径（メジアン径）を有する球状粒子だけをカウントすることが好ましい。極微小な粒子をカウントするか否かに起因して人為的なばらつきを招いたり、ゴミなどの巨大な異物を誤ってカウントしないようにするためである。この所定の範囲とは、例えば、０．１μｍ以上４０μｍ以下である。もちろん、球状粒子の中には０．１μｍ未満の粒径を有するものも存在するが、そのような極微小な球状粒子は、上記した範囲内の粒径を有する球状粒子と比較して、負極活物質層２中に生じた内部応力を緩和しにくい傾向にある。このため、負極活物質層２中の内部応力を実質的に緩和するためには、上記した範囲内の粒径を有する球状粒子だけに着目すればよい。
球状粒子の粒径（メジアン径）は、０．５μｍ以上３５μｍ以下であることがより好ましい。電極反応時に負極活物質層２がより膨張および収縮しにくくなると共に、電極反応物質の吸蔵放出量が低下しにくくなるからである。詳細には、０．５μｍよりも小さいと、球状粒子が負極活物質層２中の内部応力を緩和しにくくなる可能性がある。一方、３５μｍよりも大きいと、電極反応物質の吸蔵放出量が低下する可能性があるため、負極が二次電池に用いられた場合には、電池容量が低下する可能性がある。上記した球状粒子の粒径の算出方法は、球状粒子の粒子数について説明した場合と同様である。
球状粒子の円形度は、特に限定されない。ただし、円形度が低すぎると、球状粒子が負極活物質層２中の内部応力を緩和しにくくなる可能性がある。このため、円形度は、０．５以上１以下であることが好ましい。上記した球状粒子の円形度の算出方法は、球状粒子の粒子数について説明した場合と同様である。この円形度は、ＳＥＭ像中において、球状粒子の周囲長をその球状粒子の面積に相当する円の周囲長で割ることにより算出される。
非球状粒子の形状は、どのような形状でもよいが、中でも、少なくとも一部の非球状粒子は、扁平状であることが好ましい。負極活物質同士が接触しやすくなると共に積み重なりやすくなるため、負極活物質粒子間の接触点が多くなるからである。これにより、負極活物質層２内の電子伝導性が高くなる。上記した「扁平状」とは、負極集電体１の表面に沿った方向に延在する形状、すなわち負極集電体１の表面に沿った方向に長軸を有すると共にその表面と交差する方向に短軸を有する略楕円状であることを意味している。この扁平形状は、例えば、溶射法により負極材料が堆積された場合において見られる特徴である。この場合には、負極材料の溶融温度を高くすれば、負極活物質粒子が扁平状になりやすい傾向にある。
なお、球状粒子および非球状粒子は、均一に分布していてもよいし、不均一に分布していてもよい。また、球状粒子および非球状粒子の位置関係（上下関係など）は、特に限定されない。負極活物質層２が非球状粒子と一緒に球状粒子を含んでさえいれば、負極集電体１が変形しにくくなるからである。
負極活物質層２は、例えば、溶射法により形成されたものである。この場合には、負極材料が溶融状態あるいは半溶融状態で負極集電体１に噴き付けられることにより、負極活物質層２が形成されている。これにより、負極活物質層２では、上記したように、負極活物質が結晶性であると共に負極集電体１の表面に連結されている。
なお、負極活物質層２は、負極材料としてケイ素を構成元素として有する材料を含んでいれば、他の負極材料を含んでいてもよい。
他の負極材料としては、例えば、電極反応物質を吸蔵よび放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を構成元素として有する材料（ケイ素を構成元素として有する材料に該当するものを除く）が挙げられる。高いエネルギー密度が得られるからである。このような材料は、金属元素あるいは半金属元素の単体、合金あるいは化合物でもよいし、それらの１種あるいは２種以上の相を少なくとも一部に有するものでもよい。
上記した金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、電極反応物質と合金を形成することが可能な金属元素あるいは半金属元素が挙げられ、具体的には、以下の元素のうちの少なくとも１種である。マグネシウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、スズおよび鉛（Ｐｂ）である。また、ビスマス、カドミウム（Ｃｄ）、銀、亜鉛、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム、イットリウム（Ｙ）、パラジウム（Ｐｄ）および白金（Ｐｔ）である。中でも、スズが好ましい。電極反応物質を吸蔵および放出する能力が優れているため、高いエネルギー密度が得られるからである。スズを有する材料は、スズの単体、合金あるいは化合物でもよいし、それらの１種あるいは２種以上の相を少なくとも一部に有するものでもよい。
スズの合金としては、例えば、スズ以外の構成元素として、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムのうちの少なくとも１種を有するものなどが挙げられる。スズの化合物としては、例えば、スズ以外の構成元素として、酸素あるいは炭素を有するものなどが挙げられる。なお、スズの化合物は、例えば、スズ以外の構成元素として、スズの合金について説明した一連の元素のいずれか１種あるいは２種以上を有していてもよい。スズの合金あるいは化合物の一例としては、ＳｎＳｉＯ3 、ＬｉＳｎＯ、あるいはＭｇ2 Ｓｎなどが挙げられる。
特に、スズを有する材料としては、例えば、スズを第１の構成元素とし、それに加えて第２および第３の構成元素を有するものが好ましい。負極が二次電池に用いられた場合に、サイクル特性が向上するからである。第２の構成元素は、以下の元素のうちの少なくとも１種である。コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウムおよびジルコニウムである。また、ニオブ、モリブデン、銀、インジウム、セリウム（Ｃｅ）、ハフニウム、タンタル、タングステン、ビスマスおよびケイ素である。第３の構成元素は、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリンのうちの少なくとも１種である。
中でも、スズ、コバルトおよび炭素を有すると共に、炭素の含有量が９．９質量％以上２９．７質量％以下、スズおよびコバルトの含有量の割合（Ｃｏ／（Ｓｎ＋Ｃｏ））が２０質量％以上７０質量％以下であるＳｎＣｏＣ含有材料が好ましい。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。ＳｎＣｏＣ含有材料では、構成元素である炭素のうちの少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合していることが好ましい。スズなどの凝集あるいは結晶化が抑制されるからである。
このＳｎＣｏＣ含有材料は、スズ、コバルトおよび炭素を含む相を有しており、その相は、低結晶性あるいは非晶質の相であることが好ましい。この相は、電極反応物質と反応可能な反応相であり、その反応相の存在により優れた特性が得られ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線を用いると共に挿引速度を１°／ｍｉｎとした場合に、回折角２θ＝２０°〜５０°において１°以上であることが好ましい。電極反応物質がより円滑に吸蔵および放出されると共に、電解質などとの反応性が低減するからである。なお、ＳｎＣｏＣ含有材料は、低結晶性あるいは非晶質の相に加えて、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。
なお、ＳｎＣｏＣ含有材料は、必要に応じて、さらに他の構成元素を有していてもよい。このような他の構成元素としては、ケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン、ガリウムあるいはビスマスなどが好ましく、それらの２種以上でもよい。
このＳｎＣｏＣ含有材料の他、スズ、コバルト、鉄および炭素を有するＳｎＣｏＦｅＣ含有材料も好ましい。このＳｎＣｏＦｅＣ含有材料の組成は、任意に設定可能である。例えば、鉄の含有量を少なめに設定する場合の組成は、以下の通りである。炭素の含有量は９．９質量％以上２９．７質量％以下、鉄の含有量は０．３質量％以上５．９質量％以下、スズおよびコバルトの含有量の割合（Ｃｏ／（Ｓｎ＋Ｃｏ））は３０質量％以上７０質量％以下である。また、例えば、鉄の含有量を多めに設定する場合の組成は、以下の通りである。炭素の含有量は１１．９質量％以上２９．７質量％以下である。また、スズ、コバルトおよび鉄の含有量の割合（（Ｃｏ＋Ｆｅ）／（Ｓｎ＋Ｃｏ＋Ｆｅ））は２６．４質量％以上４８．５質量％以下、コバルトおよび鉄の含有量の割合（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｆｅ））は９．９質量％以上７９．５質量％以下である。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。このＳｎＣｏＦｅＣ含有材料の物性等は、上記したＳｎＣｏＣ含有材料と同様である。
また、他の負極材料としては、例えば、炭素材料が挙げられる。電極反応物質の吸蔵および放出に伴う結晶構造の変化が非常に少ないと共に、高いエネルギー密度が得られるからである。また、導電剤としても機能するからである。この炭素材料は、例えば、易黒鉛化性炭素、（００２）面の面間隔が０．３７ｎｍ以上の難黒鉛化性炭素、あるいは（００２）面の面間隔が０．３４ｎｍ以下の黒鉛などである。より具体的には、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、活性炭あるいはカーボンブラック類などがある。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含まれる。有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。なお、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。
さらに、他の負極材料としては、例えば、金属酸化物あるいは高分子化合物が挙げられる。金属酸化物は、例えば、酸化鉄、酸化ルテニウムあるいは酸化モリブデンなどである。高分子化合物は、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリンあるいはポリピロールなどである。
もちろん、負極材料は、上記以外のものでもよい。また、一連の負極活物質は、任意の組み合わせで２種以上混合されてもよい。
なお、負極活物質層２は、負極活物質粒子間の隙間の少なくとも一部に金属層を有していることが好ましい。負極活物質粒子同士が金属層を介して結着されるため、電極反応時に負極活物質層２が膨張および収縮しても、その負極活物質層２が割れたり、負極集電体１から脱落しにくくなるからである。特に、負極材料が原子間結合力の弱いケイ素を構成元素として有する材料である場合には、負極活物質層２の脱落が効果的に抑制される。また、金属層が保護膜として機能するため、電極反応時に活性化した負極活物質粒子との接触に起因する分解反応が抑制されるからである。この分解反応が抑制されるものとしては、例えば、二次電池において負極と一緒に用いられる電解質などが挙げられる。
金属層は、上記したように、隙間の少なくとも一部に設けられていればよい。隙間の一部にだけでも金属層が設けられていれば、その金属層が全く設けられていない場合とは異なり、上記した効果が得られるからである。もちろん、隙間に占める金属層の割合は、できるだけ大きいことが好ましい。上記した効果がより高くなるからである。
この場合には、金属層が負極活物質粒子の表面の少なくとも一部を被覆していることが好ましい。負極活物質粒子同士が金属層を介して結着しやすくなると共に、その金属層がより広い範囲において保護膜として機能しやすくなるからである。このため、金属層による被覆範囲は、できるだけ広い範囲であることが好ましい。より高い効果が得られるからである。中でも、負極活物質層２の最表層に位置する負極活物質粒子の表面が金属層により被覆されていれば、電解質などの分解反応が効果的に抑制される。
金属層は、電極反応物質と反応しない金属元素を構成元素として有する材料を含んでいることが好ましい。電極反応時に電極反応物質の吸蔵および放出が阻害されることを防止するためである。具体的には、金属層は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、銅およびクロムのうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。リチウムイオンなどに代表される多様な電極反応物質と反応しにくいと共に、優れた結着機能および保護機能を発揮できるからである。ただし、金属層を構成する材料は、金属の単体に限らず、合金でもよいし、金属化合物でもよいし、それらの２種類以上を含む混合物でもよい。もちろん、金属層は、上記した鉄等以外の他の金属元素を含んでいてもよい。
金属層の厚さは、特に限定されないが、中でも、１ｎｍ以上３００００ｎｍ以下であることが好ましい。より高い効果が得られるからである。詳細には、厚さが１ｎｍよりも小さいと、金属層が少なすぎるため、十分な結着機能および保護機能が得られない可能性がある。一方、厚さが３０ｎｍよりも大きいと、金属層が多すぎるため、電極反応時に電極反応物質の吸蔵および放出がかえって阻害される可能性がある。なお、金属層の厚さの定義（算出手順）については、後述する（図６参照）。
この金属層の形成方法は、特に限定されないが、中でも、電解鍍金法あるいは無電解鍍金法が好ましく、双方を併用してもよい。負極活物質粒子間の隙間に入り込むと共に負極活物質粒子の表面を被覆するように鍍金膜が成長しやすいからである。
なお、最終的に負極活物質粒子間の隙間に金属層が形成されるのであれば、その金属層を含む負極活物質層２の形成手順は、特に限定されない。
一例を挙げると、無電解鍍金法あるいは電解鍍金法などを用いてあらかじめ複数の粒子状の負極材料の表面を被覆するように金属層を形成したのち、溶射法を用いて負極材料を堆積させてもよい。この場合には、負極材料が溶融状態あるいは半溶融状態で噴き付けられる際に、金属層も同様の状態で一緒に噴き付けられるため、負極活物質粒子間の隙間に金属層が形成される。この形成方法は、例えば、金属層の厚さを比較的大きく設定したい場合に有効である。あらかじめ形成する金属層の厚さを大きくすれば、溶射法による噴き付け後に形成される金属層の厚さも大きくなるからである。なお、無電解鍍金法などを用いて負極材料の表面に金属層を形成する場合には、例えば、鍍金膜を成長させやすくするために、負極材料を塩化パラジウム溶液中に浸漬させて濾過してから鍍金膜を成長させることが好ましい。
あるいは、溶射法などを用いて複数の負極活物質粒子を形成したのち、電解鍍金法などを用いて事後的に金属層を形成してもよい。この場合には、主に負極活物質粒子の表面に沿って鍍金膜が成長するため、負極活物質粒子間の隙間に金属層が形成される。なお、事後的に金属層を形成する場合には、負極活物質粒子を形成したのちに金属層を形成する工程を複数回繰り返してもよい。この形成方法は、例えば、負極活物質粒子の厚さを比較的大きく設定したい場合に有効である。負極活物質粒子および金属層が繰り返し形成されるため、負極活物質粒子の総厚が大きい場合においても十分な量の金属層が形成されるからである。
ここで、負極の詳細な構成例について説明する。
図２〜図６は、図１に示した負極の一部を拡大して表している。図２、図３、図５および図６において、（Ａ）は断面のＳＥＭ写真（二次電子像）、（Ｂ）は（Ａ）に示したＳＥＭ像の模式絵である。図４は、表面のＳＥＭ写真である。なお、図２〜図４では、負極活物質がケイ素の単体である場合を示しており、図５および図６では、負極活物質がケイ素および金属元素を有する材料である場合を示している。
負極活物質層２は、例えば、溶射法により負極集電体１の表面に負極材料が堆積されたものであり、その負極活物質層２は、複数の粒子状の負極活物質（負極活物質粒子２０１）を含んでいる。この負極活物質粒子２０１は、図２および図３に示したように、負極活物質層２の厚さ方向に積み重ねられた多層構造を有していてもよいし、図５に示したように、負極集電体１の表面に沿って配列された単層構造を有していてもよい。
この負極活物質層２は、例えば、図２および図３に示したように、負極活物質粒子２０１が負極集電体１に接触している部分（接触部分Ｐ１）と、それに接触していない部分（非接触部分Ｐ２）とを有している。また、負極活物質層２は、その内部に複数の空隙２Ｋを有している。
複数の負極活物質粒子２０１は、図２〜図６に示したように、球状粒子２０１Ｘおよび非球状粒子２０１Ｙを含んでいる。負極活物質層２を表面から見たとき、球状粒子２０１Ｘは、略円形状あるいは略楕円状の輪郭を有する粒子として視認されるのに対して、非球状粒子２０１Ｙは、多角形状あるいは板状の輪郭を有する粒子として視認される。このため、ＳＥＭ像中において球状粒子２０１Ｘと非球状粒子２０１Ｙとを明確に区別することができる。
また、非球状粒子２０１Ｙのうちの少なくとも一部は、例えば、扁平状である。すなわち、複数の非球状粒子２０１Ｙは、図３に示したように、扁平粒子２０１ＹＰを含んでいる。この扁平粒子２０１ＹＰは、隣り合う負極活物質粒子２０１と重なり合うように接触している。
負極活物質粒子２０１がケイ素および金属元素を有する場合には、例えば、その負極活物質粒子２０１のうちの一部がケイ素および金属元素を有している。この場合における負極活物質粒子２０１の状態は、合金状態（ＡＰ）でもよいし、化合物（相分離）状態（ＳＰ）でもよい。なお、ケイ素だけを有しており、金属元素を有していない負極活物質粒子２０１の状態は、単体状態（ＭＰ）である。
これらの３つの結晶状態（ＭＰ，ＡＰ，ＳＰ）は、図５中に明確に示されている。すなわち、単体状態（ＭＰ）の負極活物質粒子２０１は、均一な灰色の領域として観察される。合金状態（ＡＰ）の負極活物質粒子２０１は、均一な白色の領域として観察される。相分離状態（ＳＰ）の負極活物質粒子２０１は、灰色部分と白色部分とが混在した領域として観察される。
なお、負極活物質層２は、例えば、図６に示したように、負極活物質粒子２０１間の隙間に金属層２０２を有している。この金属層２０２は、例えば、負極活物質粒子２０１の表面を被覆するように設けられることにより、上記した隙間に存在している。この場合には、負極活物質層２の最表層に位置する負極活物質粒子２０１の表面を被覆するように金属層２０２が設けられていることが好ましい。この金属層２０２のうちの少なくとも一部は、ケイ素を含む合金でもよい。
金属層２０２の厚さの定義（算出手順）は、以下の通りである。最初に、複数の負極活物質粒子２０１および金属層２０２を含む負極活物質層２の断面のＳＥＭ写真（図６）を取得する。続いて、ＳＥＭ写真中の任意位置に垂線Ｌ（負極集電体１の表面に垂直な線）を引いたのち、その垂線Ｌと交わる金属層２０２の距離（厚さ）を測定する。図６（Ｂ）に示した場合には、金属層２０２が垂線Ｌに対して３箇所（位置Ｐ１〜Ｐ３）で交わっているため、各箇所における金属層２０２の厚さを測定したのち、それらの和を求める。続いて、垂線Ｌを引く場所を変更しながら、上記した金属層２０２の厚さ（和）を求める作業を５０回繰り返す。この場合には、垂線Ｌを引く場所を任意（ランダム）に変更してもよいが、その場所を規則的に決定するためには、例えば、５μｍ間隔ごとに垂線Ｌを引くことが好ましい。最後に、５０回に渡って求めた金属層２０２の厚さの平均値を算出する。
この負極は、例えば、以下の手順により製造される。
最初に、粗面化された電解銅箔などからなる負極集電体１を準備する。続いて、溶射法を用いて、負極材料としてケイ素を構成元素として有する材料を負極集電体１の表面に堆積させて、負極活物質層２を形成する。この場合には、負極材料が溶融状態あるいは半溶融状態で噴き付けられて負極集電体１の表面に堆積するため、複数の結晶性の負極活物質粒子（球状粒子および非球状粒子）を含むように負極活物質層２が形成される。これにより、負極が完成する。
溶射法を用いて負極活物質層２を形成する場合には、例えば、負極材料の粒径、材質、投入量および溶融温度、材料供給ガスの分量、ならびに基盤の冷却温度などを調整することにより、球状粒子の数、粒径（メジアン径）および円形度を変化させることができる。
この負極によれば、負極活物質層２は、ケイ素を構成元素として有する複数の結晶性の負極活物質粒子を含んでおり、その複数の負極活物質粒子は、球状粒子および非球状粒子を含んでいる。この場合には、負極活物質粒子が非結晶性である場合と比較して、負極活物質粒子の物性が経時変化しにくくなる。また、負極活物質粒子が球状粒子を含んでいない場合と比較して、電極反応時に負極活物質層２が膨張および収縮しにくくなるため、負極集電体１が変形しにくくなる。したがって、電気化学デバイスの性能向上に寄与することができる。より具体的には、負極が二次電池に用いられる場合には、サイクル特性および膨れ特性の向上に寄与することができる。
特に、Ｘ線回折により得られる負極活物質粒子の（１１１）結晶面における回折ピークの半値幅（２θ）が２０°以下であり、あるいは同結晶面に起因する結晶子サイズが１０ｎｍ以上であれば、より高い効果を得ることができる。また、球状粒子のメジアン径が０．５μｍ以上３５μｍ以下であり、あるいは球状粒子の円形度が０．５以上１以下であれば、より高い効果を得ることができる。
また、負極活物質粒子が酸素を有し、その負極活物質粒子中の酸素含有量が１．５原子数％以上４０原子数％以下であり、あるいは負極活物質粒子が鉄などの金属元素を有していれば、より高い効果を得ることができる。同様に、負極活物質層２が高酸素含有領域および低酸素含有領域を有していれば、より高い効果を得ることができる。
また、負極集電体１の表面が粗面化されていれば、負極集電体１と負極活物質層２との間の密着性を高めることができる。この場合には、負極集電体１の表面の十点平均粗さＲｚが１．５μｍ以上、好ましくは３μｍ以上３０μｍ以下であれば、より高い効果を得ることができる。
また、負極活物質層２が負極活物質粒子２０１間の隙間に金属層２０２を有していれば、サイクル特性をより向上させることができる。この場合には、金属層２０２が負極活物質粒子２０１の表面を被覆していれば、より高い効果を得ることができる。
＜２．負極を用いた電気化学デバイス（二次電池）＞
次に、上記した負極の使用例について説明する。ここで、電気化学デバイスの一例として二次電池を例に挙げると、上記した負極は、以下のようにして用いられる。
＜２−１．第１の二次電池（角型）＞
図７および図８は第１の二次電池の断面構成を表しており、図８では図７に示したＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面を示している。ここで説明する二次電池は、例えば、負極２２の容量が電極反応物質であるリチウムイオンの吸蔵および放出により表されるリチウムイオン二次電池である。
［二次電池の全体構成］
この二次電池は、主に、電池缶１１の内部に、扁平な巻回構造を有する電池素子２０が収納されたものである。
電池缶１１は、例えば、角型の外装部材である。この角型の外装部材とは、図８に示したように、長手方向における断面が矩形型あるいは略矩形型（一部に曲線を含む）の形状を有するものであり、矩形状だけでなくオーバル形状も含むものである。すなわち、角型の外装部材とは、矩形状あるいは円弧を直線で結んだ略矩形状（長円形状）の開口部を有する有底矩形型あるいは有底長円形状型の器状部材である。なお、図８では、電池缶１１が矩形型の断面形状を有する場合を示している。このような電池缶１１を含む電池構造は、いわゆる角型と呼ばれている。
この電池缶１１は、例えば、鉄、アルミニウムあるいはそれらの合金などにより構成されており、電極端子としての機能を有している場合もある。中でも、充放電時に電池缶１１の固さ（変形しにくさ）を利用して二次電池の膨れを抑えるために、アルミニウムよりも固い鉄が好ましい。なお、電池缶１１が鉄により構成される場合には、例えば、ニッケルなどの鍍金が施されていてもよい。
また、電池缶１１は、一端部が開放されると共に他端部が閉鎖された中空構造を有しており、その開放端部に絶縁板１２および電池蓋１３が取り付けられて密閉されている。絶縁板１２は、電池素子２０と電池蓋１３との間に、その電池素子２０の巻回周面に対して垂直に配置されており、例えば、ポリプロピレンなどにより構成されている。電池蓋１３は、例えば、電池缶１１と同様の材料により構成されており、それと同様に電極端子としての機能を有していてもよい。
電池蓋１３の外側には、正極端子となる端子板１４が設けられており、その端子板１４は、絶縁ケース１６を介して電池蓋１３から電気的に絶縁されている。この絶縁ケース１６は、例えば、ポリブチレンテレフタレートなどにより構成されている。また、電池蓋１３のほぼ中央部には貫通孔が設けられており、その貫通孔には、端子板１４と電気的に接続されると共にガスケット１７を介して電池蓋１３から電気的に絶縁されるように正極ピン１５が挿入されている。このガスケット１７は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面には、例えば、アスファルトが塗布されている。
電池蓋１３の周縁付近には、開裂弁１８および注入孔１９が設けられている。開裂弁１８は、電池蓋１３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起因して電池の内圧が一定以上となった場合に、電池蓋１３から切り離されて内圧を開放するようになっている。注入孔１９は、例えば、ステンレス鋼球などからなる封止部材１９Ａにより塞がれている。
電池素子２０は、セパレータ２３を介して正極２１と負極２２とが積層および巻回されたものであり、電池缶１１の形状に応じて扁平状になっている。正極２１の端部（例えば内終端部）にはアルミニウムなどにより構成された正極リード２４が取り付けられており、負極２２の端部（例えば外終端部）にはニッケルなどにより構成された負極リード２５が取り付けられている。正極リード２４は、正極ピン１５の一端に溶接されることにより端子板１４と電気的に接続されており、負極リード２５は、電池缶１１に溶接されることにより電気的に接続されている。
［正極］
正極２１は、例えば、一対の面を有する正極集電体２１Ａの両面に正極活物質層２１Ｂが設けられたものである。ただし、正極活物質層２１Ｂは、正極集電体２１Ａの片面だけに設けられていてもよい。
正極集電体２１Ａは、例えば、アルミニウム、ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。
正極活物質層２１Ｂは、正極活物質として、リチウムイオン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種あるいは２種以上を含んでおり、必要に応じて、正極結着剤あるいは正極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。
正極材料としては、リチウム含有化合物が好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。このリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを構成元素として有する複合酸化物、あるいはリチウムと遷移金属元素とを構成元素として有するリン酸化合物などが挙げられる。中でも、遷移金属元素としてコバルト、ニッケル、マンガンおよび鉄のうちの少なくとも１種を有するものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。その化学式は、例えば、Ｌｉx Ｍ１Ｏ2 あるいはＬｉy Ｍ２ＰＯ4 で表される。式中、Ｍ１およびＭ２は、１種類以上の遷移金属元素を表す。ｘおよびｙの値は、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（Ｌｉx ＣｏＯ2 ）、リチウムニッケル複合酸化物（Ｌｉx ＮｉＯ2 ）、あるいは式（１２）で表されるリチウムニッケル系複合酸化物などが挙げられる。また、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-Q Ｍｎu ＰＯ4 （ｕ＜１））などが挙げられる。高い電池容量が得られると共に、優れたサイクル特性も得られるからである。
ＬｉＮｉ1-x Ｍx Ｏ2 …（１２）
（Ｍはコバルト、マンガン、鉄、アルミニウム、バナジウム、スズ、マグネシウム、チタン、ストロンチウム、カルシウム、ジルコニウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、タンタル、タングステン、レニウム、イッテルビウム、銅、亜鉛、バリウム、ホウ素、クロム、ケイ素、ガリウム、リン、アンチモンおよびニオブのうちの少なくとも１種である。ｘは０．００５＜ｘ＜０．５である。）
この他、正極材料としては、例えば、酸化物、二硫化物、カルコゲン化物あるいは導電性高分子などが挙げられる。酸化物は、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどである。二硫化物は、例えば、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどである。カルコゲン化物は、例えば、セレン化ニオブなどである。導電性高分子は、例えば、硫黄、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどである。
もちろん、正極材料は、上記以外のものであってもよい。また、上記した一連の正極材料は、任意の組み合わせで２種以上混合されてもよい。
正極結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンなどの合成ゴム、またはポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
正極導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラックあるいはケチェンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、正極導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。
［負極］
負極２２は、例えば、一対の面を有する負極集電体２２Ａの両面に負極活物質層２２Ｂが設けられたものである。負極集電体２２Ａおよび負極活物質層２２Ｂの構成は、それぞれ上記した負極における負極集電体１および負極活物質層２の構成と同様であり、負極活物質層２２Ｂは、複数の負極活物質粒子として球状粒子および非球状粒子を含んでいる。この負極２２において、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な負極材料における充電可能な容量は、正極２１の放電容量よりも大きくなっていることが好ましい。
図９は、図８に示した正極２１および負極２２の平面構成を表している。なお、図９では、正極２１における正極活物質層２１Ｂの形成範囲に網掛けしており、負極２２における負極活物質層２２Ｂの形成範囲に網掛けしている。
この二次電池では、例えば、正極活物質層２１Ｂが正極集電体２１Ａの表面の一部（例えば、長手方向における中央領域）に設けられているのに対して、負極活物質層２２Ｂが負極集電体２２Ａの表面の全体に設けられている。すなわち、負極活物質層２２Ｂは、負極集電体２２Ａ上において、正極活物質層２１Ｂと対向する領域（対向領域Ｒ１）および対向しない領域（非対向領域Ｒ２）に設けられている。この場合には、負極活物質層２２Ｂのうち、対向領域Ｒ１に設けられている部分が充放電反応に関与し、非対向領域Ｒ２に設けられている部分は充放電反応にほとんど関与しない。
上記したように、負極活物質層２２Ｂは、複数の負極活物質粒子として球状粒子および非球状粒子を含んでいる。しかしながら、充放電時において負極活物質層２２Ｂが膨張および収縮すると、その影響を受けて球状粒子および非球状粒子が変形すると共に破壊される可能性がある。この場合において、非対向領域Ｒ２では、充放電反応の影響を受けず、負極活物質層２２Ｂの形成直後の状態がそのまま維持される。よって、球状粒子の有無および粒径などを調べる場合には、非対向領域Ｒ２における負極活物質層２２Ｂについて調べることが好ましい。充放電の履歴に依存せず、球状粒子の有無などを再現性よく調べることができるからである。
［セパレータ］
セパレータ２３は、正極２１と負極２２とを隔離し、両極の接触に起因する短絡を防止しながら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２３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からなる多孔質膜、またはセラミックからなる多孔質膜などにより構成されている。なお、セパレータ２３は、２種以上の多孔質膜が積層されたものであってもよい。
［電解質］
このセパレータ２３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、溶媒と、それに溶解された電解質塩とを含んでいる。
溶媒は、例えば、有機溶剤などの非水溶媒の１種あるいは２種以上を含んでいる。以下で説明する一連の溶媒は、任意に組み合わされてもよい。
非水溶媒としては、例えば、以下のものが挙げられる。炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、あるいはテトラヒドロフランである。また、２−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、１，３−ジオキサン、あるいは１，４−ジオキサンである。また、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチル、あるいはトリメチル酢酸エチルである。また、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、３−メトキシプロピオニトリル、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリジノン、あるいはＮ−メチルオキサゾリジノンである。さらに、Ｎ，Ｎ’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチル、あるいはジメチルスルホキシドである。
中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルのうちの少なくとも１種が好ましい。この場合には、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高粘度（高誘電率）溶媒（例えば比誘電率ε≧３０）と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒（例えば粘度≦１ｍＰａ・ｓ）との組み合わせがより好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するからである。
特に、溶媒は、式（１）で表されるハロゲンを構成元素として有する鎖状炭酸エステルおよび式（２）で表されるハロゲンを構成元素として有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。充放電時において負極２２の表面に安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解が抑制されるからである。これらの溶媒中における含有量（単独あるいは混合）は、特に限定されないが、例えば、０．０１重量％以上５０重量％以下であることが好ましい。なお、式（１）中のＲ１１〜Ｒ１６は、同一でもよいし、異なってもよい。式（２）中のＲ１７〜Ｒ２０についても、同様である。
Figure 2010140885
 （Ｒ１１〜Ｒ１６は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも１つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。）
Figure 2010140885
 （Ｒ１７〜Ｒ２０は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも１つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。）
ハロゲンの種類は、特に限定されないが、中でも、フッ素、塩素あるいは臭素が好ましく、フッ素がより好ましい。他のハロゲンと比較して、高い効果が得られるからである。ただし、ハロゲンの数は、１つよりも２つが好ましく、さらに３つ以上でもよい。保護膜を形成する能力が高くなり、より強固で安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応がより抑制されるからである。
式（１）に示したハロゲンを有する鎖状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス（フルオロメチル）あるいは炭酸ジフルオロメチルメチルなどが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
式（２）に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルとしては、例えば、下記の式（２−１）〜式（２−２１）で表される一連の化合物が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
Figure 2010140885
Figure 2010140885
中でも、式（２−１）に示した４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンあるいは式（２−３）に示した４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンが好ましく、後者がより好ましい。特に、後者としては、シス異性体よりもトランス異性体が好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。
また、溶媒は、式（３）〜式（５）で表される不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステルのうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。充放電時において負極２２の表面に安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解が抑制されるからである。これらの溶媒中における含有量（単独あるいは混合）は、特に限定されないが、例えば、０．０１重量％以上１０重量％以下であることが好ましい。
Figure 2010140885
 （Ｒ２１およびＲ２２は水素基あるいはアルキル基である。）
Figure 2010140885
 （Ｒ２３〜Ｒ２６は水素基、アルキル基、ビニル基あるいはアリル基であり、それらのうちの少なくとも１つはビニル基あるいはアリル基である。）
Figure 2010140885
 （Ｒ２７はアルキレン基である。）
式（３）に示した不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニレン系化合物である。この炭酸ビニレン系化合物としては、例えば、以下のものが挙げられる。炭酸ビニレン（１，３−ジオキソール−２−オン）、炭酸メチルビニレン（４−メチル−１，３−ジオキソール−２−オン）、あるいは炭酸エチルビニレン（４−エチル−１，３−ジオキソール−２−オン）である。また、４，５−ジメチル−１，３−ジオキソール−２−オン、４，５−ジエチル−１，３−ジオキソール−２−オン、４−フルオロ−１，３−ジオキソール−２−オン、あるいは４−トリフルオロメチル−１，３−ジオキソール−２−オンである。中でも、炭酸ビニレンが好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。
式（４）に示した不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸ビニルエチレン系化合物である。炭酸ビニルエチレン系化合物としては、例えば、以下のものが挙げられる。炭酸ビニルエチレン（４−ビニル−１，３−ジオキソラン−２−オン）、４−メチル−４−ビニル−１，３−ジオキソラン−２−オン、あるいは４−エチル−４−ビニル−１，３−ジオキソラン−２−オンである。また、４−ｎ−プロピル−４−ビニル−１，３−ジオキソラン−２−オン、５−メチル−４−ビニル−１，３−ジオキソラン−２−オン、４，４−ジビニル−１，３−ジオキソラン−２−オン、あるいは４，５−ジビニル−１，３−ジオキソラン−２−オンである。中でも、炭酸ビニルエチレンが好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。もちろん、Ｒ２３〜Ｒ２６としては、全てがビニル基でもよいし、全てがアリル基でもよいし、ビニル基とアリル基とが混在していてもよい。
式（５）に示した不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステルは、炭酸メチレンエチレン系化合物である。炭酸メチレンエチレン系化合物としては、例えば、以下のものが挙げられる。４−メチレン−１，３−ジオキソラン−２−オン、４，４−ジメチル−５−メチレン−１，３−ジオキソラン−２−オン、あるいは４，４−ジエチル−５−メチレン−１，３−ジオキソラン−２−オンである。この炭酸メチレンエチレン系化合物としては、１つのメチレン基を有するもの（式（５）に示した化合物）の他、２つのメチレン基を有するものであってもよい。
なお、不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステルとしては、式（３）〜式（５）に示したものの他、ベンゼン環を有する炭酸カテコール（カテコールカーボネート）などでもよい。
また、溶媒は、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。電解液の化学的安定性がより向上するからである。スルトンとしては、例えば、プロパンスルトンあるいはプロペンスルトンなどが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。溶媒中におけるスルトンの含有量は、例えば、０．５重量％以上５重量％以下である。
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より向上するからである。酸無水物としては、例えば、例えば、カルボン酸無水物、ジスルホン酸無水物、あるいはカルボン酸とスルホン酸との無水物などが挙げられる。カルボン酸無水物は、例えば、無水コハク酸、無水グルタル酸あるいは無水マレイン酸などである。ジスルホン酸無水物は、例えば、無水エタンジスルホン酸あるいは無水プロパンジスルホン酸などである。カルボン酸とスルホン酸との無水物は、例えば、無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸あるいは無水スルホ酪酸などである。これらは単独でもよいし、複数種類が混合されてもよい。溶媒中における酸無水物の含有量は、例えば、０．５重量％以上５重量％以下である。
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種類あるいは２種類以上を含んでいる。以下で説明する一連の電解質塩は、任意に組み合わせてもよい。
リチウム塩としては、例えば、以下のものが挙げられる。六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、あるいは六フッ化ヒ酸リチウムである。また、テトラフェニルホウ酸リチウム（ＬｉＢ（Ｃ6 Ｈ5 ）4 ）、メタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＨ3 ＳＯ3 ）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3 ＳＯ3 ）、あるいはテトラクロロアルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＣｌ4 ）である。さらに、六フッ化ケイ酸二リチウム（Ｌｉ2 ＳｉＦ6 ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、あるいは臭化リチウム（ＬｉＢｒ）である。
中でも、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムのうちの少なくとも１種が好ましく、六フッ化リン酸リチウムがより好ましい。内部抵抗が低下するため、より高い効果が得られるからである。
特に、電解質塩は、式（６）〜式（８）で表される化合物のうちの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、式（６）のＲ３１およびＲ３３は、同一でもよいし、異なってもよい。このことは、式（７）中のＲ４１〜Ｒ４３および式（８）中のＲ５１およびＲ５２についても同様である。
Figure 2010140885
 （Ｘ３１は長周期型周期表における１族元素あるいは２族元素、またはアルミニウムである。Ｍ３１は遷移金属元素、または長周期型周期表における１３族元素、１４族元素あるいは１５族元素である。Ｒ３１はハロゲン基である。Ｙ３１は−（Ｏ＝）Ｃ−Ｒ３２−Ｃ（＝Ｏ）−、−（Ｏ＝）Ｃ−Ｃ（Ｒ３３）2 −あるいは−（Ｏ＝）Ｃ−Ｃ（＝Ｏ）−である。ただし、Ｒ３２はアルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基あるいはハロゲン化アリーレン基である。Ｒ３３はアルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基あるいはハロゲン化アリール基である。なお、ａ３は１〜４の整数であり、ｂ３は０、２あるいは４であり、ｃ３、ｄ３、ｍ３およびｎ３は１〜３の整数である。）
Figure 2010140885
 （Ｘ４１は長周期型周期表における１族元素あるいは２族元素である。Ｍ４１は遷移金属元素、または長周期型周期表における１３族元素、１４族元素あるいは１５族元素である。Ｙ４１は−（Ｏ＝）Ｃ−（Ｃ（Ｒ４１）2 ）b4−Ｃ（＝Ｏ）−、−（Ｒ４３）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ４２）2 ）c4−Ｃ（＝Ｏ）−、−（Ｒ４３）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ４２）2 ）c4−Ｃ（Ｒ４３）2 −、−（Ｒ４３）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ４２）2 ）c4−Ｓ（＝Ｏ）2 −、−（Ｏ＝）2 Ｓ−（Ｃ（Ｒ４２）2 ）d4−Ｓ（＝Ｏ）2 −あるいは−（Ｏ＝）Ｃ−（Ｃ（Ｒ４２）2 ）d4−Ｓ（＝Ｏ）2 −である。ただし、Ｒ４１およびＲ４３は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それぞれのうちの少なくとも１つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。Ｒ４２は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、ａ４、ｅ４およびｎ４は１あるいは２であり、ｂ４およびｄ４は１〜４の整数であり、ｃ４は０〜４の整数であり、ｆ４およびｍ４は１〜３の整数である。）
Figure 2010140885
 （Ｘ５１は長周期型周期表における１族元素あるいは２族元素である。Ｍ５１は遷移金属元素、または長周期型周期表における１３族元素、１４族元素あるいは１５族元素である。Ｒｆはフッ素化アルキル基あるいはフッ素化アリール基であり、いずれの炭素数も１〜１０である。Ｙ５１は−（Ｏ＝）Ｃ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）d5−Ｃ（＝Ｏ）−、−（Ｒ５２）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）d5−Ｃ（＝Ｏ）−、−（Ｒ５２）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）d5−Ｃ（Ｒ５２）2 −、−（Ｒ５２）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）d5−Ｓ（＝Ｏ）2 −、−（Ｏ＝）2 Ｓ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）e5−Ｓ（＝Ｏ）2 −あるいは−（Ｏ＝）Ｃ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）e5−Ｓ（＝Ｏ）2 −である。ただし、Ｒ５１は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。Ｒ５２は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、そのうちの少なくとも１つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、ａ５、ｆ５およびｎ５は１あるいは２であり、ｂ５、ｃ５およびｅ５は１〜４の整数であり、ｄ５は０〜４の整数であり、ｇ５およびｍ５は１〜３の整数である。）
なお、１族元素とは、水素、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムおよびフランシウムである。２族元素とは、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよびラジウムである。１３族元素とは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウムである。１４族元素とは、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズおよび鉛である。１５族元素とは、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスである。
式（６）に示した化合物としては、例えば、式（６−１）〜式（６−６）で表される化合物などが挙げられる。式（７）に示した化合物としては、例えば、式（７−１）〜式（７−８）で表される化合物などが挙げられる。式（８）に示した化合物としては、例えば、式（８−１）で表される化合物などが挙げられる。なお、式（６）〜式（８）に示した構造を有する化合物であれば、上記した化合物に限定されないことは言うまでもない。
Figure 2010140885
Figure 2010140885
Figure 2010140885
また、電解質塩は、式（９）〜式（１１）で表される化合物のうちの少なくとも１種を含んでいてもよい。より高い効果が得られるからである。なお、式（９）中のｍおよびｎは、同一でもよいし、異なってもよい。式（１１）中のｐ、ｑおよびｒについても、同様である。
ＬｉＮ（Ｃm Ｆ2m+1ＳＯ2 ）（Ｃn Ｆ2n+1ＳＯ2 ）…（９）
（ｍおよびｎは１以上の整数である。）
Figure 2010140885
 （Ｒ６１は炭素数が２以上４以下の直鎖状あるいは分岐状のパーフルオロアルキレン基である。）
ＬｉＣ（Ｃp Ｆ2p+1ＳＯ2 ）（Ｃq Ｆ2q+1ＳＯ2 ）（Ｃr Ｆ2r+1ＳＯ2 ）…（１１）
（ｐ、ｑおよびｒは１以上の整数である。）
式（９）に示した鎖状のイミド化合物としては、例えば、以下のものが挙げられる。ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）2 ）、あるいはビス（ペンタフルオロエタンスルホニル）イミドリチウム（ＬｉＮ（Ｃ2 Ｆ5 ＳＯ2 ）2 ）である。また、（トリフルオロメタンスルホニル）（ペンタフルオロエタンスルホニル）イミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）（Ｃ2 Ｆ5 ＳＯ2 ））である。また、（トリフルオロメタンスルホニル）（ヘプタフルオロプロパンスルホニル）イミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）（Ｃ3 Ｆ7 ＳＯ2 ））である。さらに（トリフルオロメタンスルホニル）（ノナフルオロブタンスルホニル）イミドリチウム（ＬｉＮ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）（Ｃ4 Ｆ9 ＳＯ2 ））である。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
式（１０）に示した環状のイミド化合物としては、例えば、下記の式（１０−１）〜式（１０−４）で表される一連の化合物が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。
Figure 2010140885
式（１１）に示した鎖状のメチド化合物としては、例えば、リチウムトリス（トリフルオロメタンスルホニル）メチド（ＬｉＣ（ＣＦ3 ＳＯ2 ）3 ）などが挙げられる。
電解質塩の含有量は、溶媒に対して０．３ｍｏｌ／ｋｇ以上３．０ｍｏｌ／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。
［二次電池の動作］
この二次電池では、充電時において、例えば、正極２１からリチウムイオンが放出され、セパレータ２３に含浸された電解液を介して負極２２に吸蔵される。一方、放電時において、例えば、負極２２からリチウムイオンが放出され、セパレータ２３に含浸された電解液を介して正極２１に吸蔵される。
［二次電池の製造方法］
この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。
まず、正極２１を作製する。最初に、正極活物質、正極結着剤および正極導電剤を混合して正極合剤としたのち、有機溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、ドクタブレードあるいはバーコータなどを用いて正極集電体２１Ａの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布したのちに乾燥させて、正極活物質層２１Ｂを形成する。最後に、必要に応じて加熱しながら、ロールプレス機などを用いて正極活物質層２１Ｂを圧縮成型する。この場合には、圧縮成型を複数回に渡って繰り返してもよい。
次に、上記した負極の作製手順にしたがって、負極２２を作製する。この場合には、負極集電体２２Ａの両面に、複数の負極活物質粒子として球状粒子および非球状粒子を含む負極活物質層２２Ｂを形成する。
二次電池の組み立ては、以下のようにして行う。最初に、電池缶１１の内部に電池素子２０を収納したのち、その電池素子２０上に絶縁板１２を配置する。続いて、正極リード２４を正極ピン１５に溶接などして接続させると共に、負極リード２５を電池缶１１に溶接などして接続させたのち、レーザ溶接などにより電池缶１１の開放端部に電池蓋１３を固定する。最後に、注入孔１９から電池缶１１の内部に電解液を注入してセパレータ２３に含浸させたのち、その注入孔１９を封止部材１９Ａで塞ぐ。これにより、図６および図７に示した二次電池が完成する。
この第１の二次電池によれば、負極２２が上記した負極と同様の構成を有しているので、負極活物質粒子の物性が経時変化しにくくなると共に、充放電時に負極集電体２２Ａが変形しにくくなる。したがって、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。
特に、電解液の溶媒が、ハロゲンを有する鎖状炭酸エステル、ハロゲンを有する環状炭酸エステル、不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステル、スルトン、あるいは酸無水物を含んでいれば、サイクル特性をより向上させることができる。
また、電解液の電解質塩が、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムのうちの少なくとも１種、あるいは式（６）〜式（１１）に示した化合物を含んでいれば、サイクル特性をより向上させることができる。
＜２−２．第２の二次電池（円筒型）＞
図１０および図１１は、第２の二次電池の断面構成を表しており、図１１では図１０に示した巻回電極体４０の一部を拡大示している。
この二次電池は、上記した第１の二次電池と同様にリチウムイオン二次電池であり、主に、ほぼ中空円柱状の電池缶３１の内部に、巻回電極体４０と、一対の絶縁板３２，３３とが収納されたものである。このような電池缶３１を用いた電池構造は、円筒型と呼ばれている。
電池缶３１は、例えば、第１の二次電池における電池缶１１と同様の材料により構成されており、その一端部は開放されていると共に他端部は閉鎖されている。一対の絶縁板３２，３３は、巻回電極体４０を上下から挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。
電池缶３１の開放端部には、電池蓋３４と、その内側に設けられた安全弁機構３５および熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient：ＰＴＣ素子）３６とが、ガスケット３７を介してかしめられて取り付けられている。このかしめ加工により、電池缶３１の内部は密閉されている。電池蓋３４は、例えば、電池缶３１と同様の材料により構成されている。安全弁機構３５は、熱感抵抗素子３６を介して電池蓋３４と電気的に接続されている。この安全弁機構３５では、内部短絡、あるいは外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上となった場合に、ディスク板３５Ａが反転して電池蓋３４と巻回電極体４０との間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３６は、温度の上昇に応じて抵抗が増大することにより、電流を制限して大電流に起因する異常な発熱を防止するものである。ガスケット３７は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面には、例えば、アスファルトが塗布されている。
巻回電極体４０は、セパレータ４３を介して正極４１と負極４２とが積層および巻回されたものである。この巻回電極体４０の中心には、例えば、センターピン４４が挿入されている。この巻回電極体４０では、アルミニウムなどにより構成された正極リード４５が正極４１に接続されていると共に、ニッケルなどにより構成された負極リード４６が負極４２に接続されている。正極リード４５は、安全弁機構３５に溶接などされることにより電池蓋３４と電気的に接続されており、負極リード４６は、電池缶３１に溶接などされることにより電気的に接続されている。
正極４１は、例えば、一対の面を有する正極集電体４１Ａの両面に正極活物質層４１Ｂが設けられたものである。正極集電体４１Ａおよび正極活物質層４１Ｂの構成は、それぞれ第１の二次電池における正極集電体２１Ａおよび正極活物質層２１Ｂの構成と同様である。
負極４２は、例えば、一対の面を有する負極集電体４２Ａの両面に負極活物質層４２Ｂが設けられたものである。負極集電体４２Ａおよび負極活物質層４２Ｂの構成は、それぞれ第１の二次電池における負極集電体２２Ａおよび負極活物質層２２Ｂの構成と同様であり、負極活物質層４２Ｂは、複数の負極活物質粒子として球状粒子および非球状粒子を含んでいる。
なお、セパレータ４３の構成および電解液の組成は、それぞれ第１の二次電池におけるセパレータ２３の構成および電解液の組成と同様である。
この二次電池では、充電時において、例えば、正極４１からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極４２に吸蔵される。一方、放電時において、例えば、負極４２からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極４１に吸蔵される。
この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。
まず、例えば、第１の二次電池における正極２１および負極２２と同様の手順により、正極集電体４１Ａの両面に正極活物質層４１Ｂを形成して正極４１を作製すると共に、負極集電体４２Ａの両面に負極活物質層４２Ｂを形成して負極４２を作製する。続いて、正極４１に正極リード４５を溶接などして取り付けると共に、負極４２に負極リード４６を溶接などして取り付ける。続いて、セパレータ４３を介して正極４１と負極４２とを積層および巻回させて巻回電極体４０を作製したのち、その巻回中心にセンターピン４４を挿入する。続いて、一対の絶縁板３２，３３で挟みながら巻回電極体４０を電池缶３１の内部に収納する。この場合には、正極リード４５の先端部を安全弁機構３５に溶接すると共に、負極リード４６の先端部を電池缶３１に溶接する。続いて、電池缶３１の内部に電解液を注入してセパレータ４３に含浸させる。最後に、電池缶３１の開口端部に、ガスケット３７を介して電池蓋３４、安全弁機構３５および熱感抵抗素子３６をかしめる。これにより、図１０および図１１に示した二次電池が完成する。
この第２の二次電池によれば、負極４２が第１の二次電池における負極２２と同様の構成を有しているので、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。この二次電池に関する他の効果は、第１の二次電池と同様である。
＜２−３．第３の二次電池（ラミネートフィルム型）＞
図１２は第３の二次電池の分解斜視構成を表しており、図１３は図１２に示したＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面を拡大して示している。
この二次電池は、上記した第１の二次電池と同様にリチウムイオン二次電池であり、主に、フィルム状の外装部材６０の内部に、正極リード５１および負極リード５２が取り付けられた巻回電極体５０が収納されたものである。このような外装部材６０を用いた電池構造は、ラミネートフィルム型と呼ばれている。
正極リード５１および負極リード５２は、例えば、外装部材６０の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。ただし、巻回電極体５０に対する正極リード５１および負極リード５２の設置位置や、それらの導出方向などは、特に限定されない。正極リード５１は、例えば、アルミニウムなどにより構成されており、負極リード５２は、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。これらの材料は、例えば、薄板状あるいは網目状になっている。
外装部材６０は、例えば、融着層と、金属層と、表面保護層とがこの順に積層されたラミネートフィルムである。この場合には、例えば、融着層が巻回電極体５０と対向するように、２枚のフィルムの融着層における外縁部同士が融着、あるいは接着剤などにより貼り合わされている。融着層としては、例えば、ポリエチレンあるいはポリプロピレンなどのフィルムが挙げられる。金属層としては、例えば、アルミニウム箔などが挙げられる。表面保護層としては、例えば、ナイロンあるいはポリエチレンテレフタレートなどのフィルムが挙げられる。
中でも、外装部材６０としては、ポリエチレンフィルム、アルミニウム箔およびナイロンフィルムがこの順に積層されたアルミラミネートフィルムが好ましい。ただし、外装部材６０は、上記したアルミラミネートフィルムに代えて、他の積層構造を有するラミネートフィルムでもよいし、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でもよい。
外装部材６０と正極リード５１および負極リード５２との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム６１が挿入されている。この密着フィルム６１は、正極リード５１および負極リード５２に対して密着性を有する材料により構成されている。このような材料としては、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が挙げられる。
巻回電極体５０は、セパレータ５５および電解質層５６を介して正極５３と負極５４とが積層および巻回されたものであり、その最外周部は、保護テープ５７により保護されている。
正極５３は、例えば、一対の面を有する正極集電体５３Ａの両面に正極活物質層５３Ｂが設けられたものである。正極集電体５３Ａおよび正極活物質層５３Ｂの構成は、それぞれ第１の二次電池における正極集電体２１Ａおよび正極活物質層２１Ｂと同様である。
負極５４は、例えば、一対の面を有する負極集電体５４Ａの両面に負極活物質層５４Ｂが設けられたものである。負極集電体５４Ａおよび負極活物質層５４Ｂの構成は、それぞれ第１の二次電池における負極集電体２２Ａおよび負極活物質層２２Ｂの構成と同様であり、負極活物質層５４Ｂは、複数の負極活物質粒子として球状粒子および非球状粒子を含んでいる。
なお、セパレータ５５の構成は、第１の二次電池におけるセパレータ２３の構成と同様である。
電解質層５６は、電解液と、それを保持する高分子化合物とを含んでおり、いわゆるゲル状の電解質である。ゲル状の電解質は、高いイオン伝導率（例えば、室温で１ｍＳ／ｃｍ以上）が得られると共に電解液の漏液が防止されるので好ましい。
高分子化合物としては、例えば、以下のものが挙げられる。ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、あるいはポリフッ化ビニルである。また、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレン、あるいはポリカーボネートである。また、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体である。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、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ピレンとの共重合体が好ましい。電気化学的に安定だからである。
電解液の組成は、第１の二次電池における電解液の組成と同様である。ただし、ゲル状の電解質である電解質層５６において、電解液の溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。したがって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。
なお、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質層５６に代えて、電解液をそのまま用いてもよい。この場合には、電解液がセパレータ５５に含浸される。
この二次電池では、充電時において、例えば、正極５３からリチウムイオンが放出され、電解質層５６を介して負極５４に吸蔵される。一方、放電時において、例えば、負極５４からリチウムイオンが放出され、電解質層５６を介して正極５３に吸蔵される。
このゲル状の電解質層５６を備えた二次電池は、例えば、以下の３種類の手順により製造される。
第１の製造方法では、最初に、例えば、第１の二次電池における正極２１および負極２２と同様の作製手順により、正極５３および負極５４を作製する。具体的には、正極集電体５３Ａの両面に正極活物質層５３Ｂを形成して正極５３を作製すると共に、負極集電体５４Ａの両面に負極活物質層５４Ｂを形成して負極５４を作製する。続いて、電解液と、高分子化合物と、溶剤とを含む前駆溶液を調製して正極５３および負極５４に塗布したのち、溶剤を揮発させてゲル状の電解質層５６を形成する。続いて、正極集電体５３Ａに正極リード５１を溶接などすると共に、負極集電体５４Ａに負極リード５２を溶接などする。続いて、電解質層５６が形成された正極５３と負極５４とをセパレータ５５を介して積層および巻回したのち、その最外周部に保護テープ５７を接着させて、巻回電極体５０を作製する。最後に、例えば、２枚のフィルム状の外装部材６０の間に巻回電極体５０を挟み込んだのち、その外装部材６０の外縁部同士を熱融着などで接着させて、巻回電極体５０を封入する。この際、正極リード５１および負極リード５２と外装部材６０との間に、密着フィルム６１を挿入する。これにより、図１２および図１３に示した二次電池が完成する。
第２の製造方法では、最初に、正極５３に正極リード５１を取り付けると共に、負極５４に負極リード５２を取り付ける。続いて、セパレータ５５を介して正極５３と負極５４とを積層して巻回させたのち、その最外周部に保護テープ５７を接着させて、巻回電極体５０の前駆体である巻回体を作製する。続いて、２枚のフィルム状の外装部材６０の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を熱融着などで接着させて、袋状の外装部材６０の内部に巻回体を収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を調製し、袋状の外装部材６０の内部に注入したのち、その外装部材６０の開口部を熱融着などで密封する。最後に、モノマーを熱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５６を形成する。これにより、二次電池が完成する。
第３の製造方法では、最初に、高分子化合物が両面に塗布されたセパレータ５５を用いることを除き、上記した第２の製造方法と同様に、巻回体を形成して袋状の外装部材６０の内部に収納する。このセパレータ５５に塗布する高分子化合物としては、例えば、フッ化ビニリデンを成分とする重合体、すなわち単独重合体、共重合体、あるいは多元共重合体などが挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンおよびヘキサフルオロプロピレンを成分とする二元系共重合体、あるいはフッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびクロロトリフルオロエチレンを成分とする三元系共重合体などである。なお、高分子化合物は、上記したフッ化ビニリデンを成分とする重合体と共に、他の１種あるいは２種以上の高分子化合物を含んでいてもよい。続いて、電解液を調製して外装部材６０の内部に注入したのち、その外装部材６０の開口部を熱融着などで密封する。最後に、外装部材６０に加重をかけながら加熱して、高分子化合物を介してセパレータ５５を正極５３および負極５４に密着させる。これにより、電解液が高分子化合物に含浸し、その高分子化合物がゲル化して電解質層５６が形成されるため、二次電池が完成する。
この第３の製造方法では、第１の製造方法と比較して、二次電池の膨れが抑制される。また、第３の製造方法では、第２の製造方法と比較して、高分子化合物の原料であるモノマーあるいは溶媒などが電解質層５６中にほとんど残らず、しかも高分子化合物の形成工程が良好に制御される。このため、正極５３、負極５４およびセパレータ５５と電解質層５６との間において十分な密着性が得られる。
この第３の二次電池によれば、負極５４が第１の二次電池における負極２２と同様の構成を有しているので、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。この二次電池に関する他の効果は、第１の二次電池と同様である。
本発明の実施例について、詳細に説明する。
（実験例１−１〜１−１０）
以下の手順により、図１２および図１３に示したラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池を作製した。
まず、塗布法を用いて正極集電体５３Ａ上に正極活物質層５３Ｂを形成することにより、正極５３を作製した。
この場合には、最初に、炭酸リチウム（Ｌｉ2 ＣＯ2 ）と炭酸コバルト（ＣｏＣＯ3 ）とを０．５：１のモル比で混合したのち、空気中で９００℃×５時間焼成してリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ2 ）を得た。続いて、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物９１質量部と、正極導電剤としてグラファイト６質量部と、正極結着剤としてポリフッ化ビニリデン３質量部とを混合して、正極合剤とした。続いて、正極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてペースト状の正極合剤スラリーとした。続いて、正極集電体５３Ａの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布したのちに乾燥させて、正極活物質層５３Ｂを形成した。この正極集電体５３Ａとしては、帯状のアルミニウム箔（厚さ＝１２μｍ）を用いた。最後に、ロールプレス機を用いて正極活物質層５３Ｂを圧縮成型した。
次に、溶射法（ガスフレーム溶射法）を用いて負極集電体５４Ａ上に負極活物質層５４Ｂを形成することにより、負極５４を作製した。
この場合には、負極材料としてケイ素粉末（メジアン径＝１μｍ〜３００μｍ）を溶融状態あるいは半溶融状態で負極集電体５４Ａの両面に噴き付けて、複数の負極活物質粒子を含む負極活物質層５４Ｂを形成した。この負極集電体５４Ａとしては、粗面化された電解銅箔（厚さ＝１８μｍ，十点平均粗さＲｚ＝４μｍ）を用いた。球状粒子および非球状粒子の有無については、表１に示したように設定した。溶射工程では、溶射ガスとして水素および酸素の混合ガス（体積比で水素：酸素＝２：１）、材料供給ガスとして窒素ガスを用いると共に、噴き付け速度を約４５ｍ／秒〜５５ｍ／秒とした。この場合には、材料供給ガス量を調整して、単位時間当たりの材料投入量を制御した。また、負極集電体５４Ａが熱的ダメージを負わないようにするために、炭酸ガスで冷却しながら噴き付け処理を行った。特に、チャンバ内に酸素ガスを導入して、負極活物質粒子中の酸素含有量を５原子数％とした。
この負極活物質層５４Ｂを形成する場合には、負極材料のメジアン径、投入量および溶融温度、ならびに基盤の冷却温度を調整して、以下の条件を満たすようにした。第１に、非球状粒子が扁平粒子を含むようにした。第２に、Ｘ線回折により得られる負極活物質粒子の（１１１）結晶面における回折ピークの半値幅（２θ）を１°とし、同結晶面に起因する結晶子サイズを４０ｎｍとした。この場合には、リガク電機株式会社製のＸ線回折装置（官球：ＣｕＫａ）を用いると共に、官電圧を４０ｋＶ、官電流を４０ｍＡ、スキャン方法をθ−２θ法、測定範囲を２０°≦２θ≦９０°とした。第３に、球状粒子の有無、粒子数、粒径（メジアン径）および円形度を表１に示したように設定した。なお、上記した条件については、図９を参照して説明した負極活物質層５４Ｂの非対向領域Ｒ２において調べた。また、球状粒子の粒径および粒子数を算出する手順は、上記した負極について説明した通りである。
次に、溶媒として炭酸エチレン（ＥＣ）と炭酸ジエチル（ＤＥＣ）とを混合したのち、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6 ）を溶解させて、液状の電解質（電解液）を調製した。この場合には、溶媒の組成（ＥＣ：ＤＥＣ）を重量比で５０：５０とし、電解質塩の含有量を溶媒に対して１ｍｏｌ／ｋｇとした。
最後に、正極５３および負極５４と共に電解液を用いて二次電池を組み立てた。最初に、正極集電体５３Ａの一端にアルミニウム製の正極リード５１を溶接すると共に、負極集電体５４Ａの一端にニッケル製の負極リード５２を溶接した。続いて、正極５３と、セパレータ５５と、負極５４と、セパレータ５５とをこの順に積層してから長手方向に巻回させたのち、粘着テープからなる保護テープ５７で巻き終わり部分を固定して、巻回電極体５０の前駆体である巻回体を形成した。このセパレータ５５としては、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が挟まれた３層構造体（厚さ＝２３μｍ）を用いた。続いて、外装部材６０の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺を除く外縁部同士を熱融着して、袋状の外装部材６０の内部に巻回体を収納した。この外装部材６０としては、外側から、ナイロンフィルム（厚さ＝３０μｍ）と、アルミニウム箔（厚さ＝４０μｍ）と、無延伸ポリプロピレンフィルム（厚さ＝３０μｍ）とが積層された３層構造のラミネートフィルム（総厚＝１００μｍ）を用いた。続いて、外装部材６０の開口部から電解液を注入してセパレータ５５に含浸させて、巻回電極体５０を作製した。最後に、真空雰囲気中で外装部材６０の開口部を熱融着して封止することにより、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。この二次電池を作製する場合には、正極活物質層５３Ｂの厚さを調節して、満充電時において負極５４にリチウム金属が析出しないようにした。
これらの実験例１−１〜１−１０の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表１および図１４に示した結果が得られた。
サイクル特性を調べる際には、サイクル試験を行って放電容量維持率を求めた。最初に、電池状態を安定化させるために２３℃の雰囲気中で１サイクル充放電させたのち、再び充放電させて２サイクル目の放電容量を測定した。続いて、同雰囲気中で９９サイクル充放電させて１０１サイクル目の放電容量を測定した。最後に、放電容量維持率（％）＝（１０１サイクル目の放電容量／２サイクル目の放電容量）×１００を算出した。この場合には、３ｍＡ／ｃｍ2 の定電流密度で電池電圧が４．２Ｖに到達するまで充電したのち、引き続き４．２Ｖの定電圧で電流密度が０．３ｍＡ／ｃｍ2 に到達するまで充電した。また、３ｍＡ／ｃｍ2 の定電流密度で電池電圧が２．５Ｖに到達するまで放電した。
膨れ特性を調べる際には、上記したサイクル試験時の膨れ率を求めた。すなわち、２サイクル目および１０１サイクル目の放電後の厚さを測定したのち、膨れ率（％）＝［（１０１サイクル目の放電後の厚さ−２サイクル目の放電後の厚さ）／２サイクル目の放電後の厚さ］×１００を算出した。
なお、サイクル特性および膨れを調べる場合の手順および条件は、以降の一連の実験例においても同様である。
Figure 2010140885
複数の負極活物質粒子が球状粒子を含む実験例１−１〜１−９では、それを含まない実験例１−１０とは異なり、放電容量維持率が約８０％以上まで高くなると共に、膨れ率が約１％以下まで小さくなった。特に、球状粒子を含む場合には、粒径が大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加したのちに減少すると共に膨れ率が減少する傾向を示した。この場合には、粒径が０．５μｍ以上３５μｍ以下であると、放電容量維持率がより高くなると共に膨れ率がより小さくなり、十分な電池容量も得られた。これらのことから、複数の負極活物質粒子が球状粒子を含むことにより、優れたサイクル特性および膨れ率が得られる。この場合には、球状粒子の粒径（メジアン径）が０．５μｍ以上３５μｍ以下であれば、両特性がより向上する。
（実験例２−１〜２−８）
球状粒子の円形度を表２に示したように変更したことを除き、実験例１−５と同様の手順を経た。これらの実験例２−１〜２−８の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表２および図１５に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
円形度を変更した場合においても、複数の負極活物質粒子が球状粒子を含む実験例２−１〜２−８では、それを含まない実験例１−１０とは異なり、約８０％以上の放電容量維持率および約１％以下の膨れ率が得られた。特に、球状粒子を含む場合には、円形度が大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加すると共に膨れ率が減少する傾向を示した。この場合には、円形度が０．５以上１以下であると、放電容量維持率がより高くなると共に膨れ率がより小さくなり、十分な電池容量も得られた。これらのことから、球状粒子の円形度が０．５以上１以下であれば、両特性がより向上する。
（実験例３−１〜３−１１）
球状粒子の粒子数を表３に示したように変化させたことを除き、実験例１−４と同様の手順を経た。これらの実験例３−１〜３−１１の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表３および図１６に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
粒子数を変更した場合においても、複数の負極活物質粒子が球状粒子を含む実験例３−１〜３−１１では、それを含まない実験例１−１０とは異なり、約８０％以上の放電容量維持率および約１％以下の膨れ率が得られた。特に、球状粒子を含む場合には、粒子数が多くなるにしたがって、放電容量維持率が増加すると共に膨れ率が減少する傾向を示した。この場合には、粒子数が１０個以上２００個以下であると、放電容量維持率がより高くなると共に膨れ率がより小さくなり、十分な電池容量も得られた。これらのことから、球状粒子の粒子数が１０個以上２００個以下であれば、両特性がより向上する。
（実験例４−１〜４−５）
半値幅および結晶子サイズを表４に示したように変更したことを除き、実験例１−５と同様の手順を経た。これらの実験例４−１〜４−５の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表４および図１７に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
負極活物質粒子が結晶性である実験例４−１〜４−５では、半値幅が大きくなると共に結晶子サイズが小さくなるにしたがって、膨れ率は一定であったが、放電容量維持率は減少する傾向を示した。この場合には、半値幅が２０°以下であると共に結晶子サイズが１０ｎｍ以上であると、放電容量維持率がより高くなった。これらのことから、負極活物質粒子が結晶性であることにより、優れたサイクル特性が得られる。この場合には、Ｘ線回折により得られる負極活物質粒子の（１１１）結晶面における回折ピークの半値幅が２０°以下であると共に結晶子サイズが１０ｎｍ以上であれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例５−１〜５−４）
塗布法を用いて負極活物質層５４Ｂを形成したことを除き、実験例１−１〜１−１０と同様の手順を経た。この負極活物質層５４Ｂを形成する場合には、最初に、ケイ素粉末からなる球状粒子および非球状粒子を準備した。この場合には、ケイ素粉末を溶融後に急冷して球状粒子を得ると共に、ケイ素粉末を溶融後に冷却ガス（窒素ガス）で緩やかに冷却して非球状粒子を得た。続いて、負極活物質として上記したケイ素粉末（球状粒子および非球状粒子）と、負極結着剤を形成するためのポリアミック酸溶液（溶媒はＮ−メチル−２−ピロリドンおよびＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド）とを乾燥重量比８０：２０で混合して、負極合剤とした。続いて、負極合剤をＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させてペースト状の負極合剤スラリーとした。続いて、コーティング装置を用いて負極集電体５４Ａの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布したのちに乾燥させた。最後に、真空雰囲気中において４００℃×１時間の条件で熱処理して、負極活物質層５４Ｂを形成した。この場合における球状粒子の有無、粒子数、粒径および円形度は、表５に示した通りである。これらの実験例５−１〜５−４の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表５に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
負極活物質層５４Ｂの形成方法として塗布法を用いた実験例５−１〜５−４では、溶射法を用いた実験例１−１〜１−１０と比較して、放電容量維持率が低くなると共に、膨れ率が大きくなった。この結果は、塗布法を用いると、溶射法を用いた場合とは異なり、球状粒子および非球状粒子が混在した理想的な系を形成することができないため、充放電時に負極活物質層５４Ｂの膨張・収縮を十分に抑制できないことを表している。これらのことから、溶射法を用いて負極活物質層５４Ｂを形成することにより、球状粒子および非球状粒子が混在した理想的な系を形成できるため、優れたサイクル特性が得られる。
（実験例６−１〜６−３）
非球状粒子が扁平粒子を含まないようにしたことを除き、実験例１−５，１−６，１−１０と同様の手順を経た。これらの実験例６−１〜６−３の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表６に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
扁平粒子を含まない場合においても、複数の負極活物質粒子が球状粒子を含む実験例６−１，６−２では、それを含まない実験例６−３と比較して、放電容量維持率が約７０％以上まで高くなると共に、膨れ率が約１％以下まで小さくなった。特に、扁平粒子を含む場合には、それを含まない場合と比較して、放電容量維持率が高くなると共に、膨れ率が小さくなった。これらのことから、非球状粒子が扁平粒子を含むようにすれば、サイクル特性および膨れ特性がより向上する。
（実験例７−１〜７−９）
負極活物質粒子中の酸素含有量を表７に示したように変更したことを除き、実験例１−５と同様の手順を経た。これらの実験例７−１〜７−９の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表７および図１８に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
酸素含有量を変更した場合においても、複数の負極活物質粒子が球状粒子を含む実験例７−１〜７−９では、それを含まない実験例１−１０と比較して、約８０％以上の放電容量維持率および約１％以下の膨れ率が得られた。特に、球状粒子を含む場合には、酸素含有量が大きくなるにしたがって、膨れ率は一定であったが、放電容量維持率は増加する傾向を示した。この場合には、酸素含有量が１．５原子数％以上４０原子数％以下であると、放電容量維持率がより高くなると共に膨れ率がより小さくなり、十分な電池容量も得られた。これらのことから、負極活物質粒子中の酸素含有量が１．５原子数％以上４０原子数％以下であれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例８−１〜８−１６）
負極活物質が表８および表９に示した金属元素を有するようにしたことを除き、実験例１−５と同様の手順を経た。この場合には、負極活物質層５４Ｂを形成する際に、ケイ素と一緒に各金属を堆積させることにより、負極活物質粒子中における金属元素の含有量を５原子数％とした。これらの実験例８−１〜８−１６の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表８および表９に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
Figure 2010140885
負極活物質粒子が金属元素を有する場合においても、複数の負極活物質粒子が球状粒子を含む実験例８−１〜８−１６では、それを含まない実験例１−１０と比較して、約８０％以上の放電容量維持率および約１％以下の膨れ率が得られた。特に、金属元素を有する場合には、それを有しない場合と比較して、膨れ率は同等であったが、放電容量維持率は高くなった。これらのことから、負極活物質粒子が金属元素を有すれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例９−１〜９−３）
低酸素含有量領域により高酸素含有領域が挟まれると共にそれらが交互に積層されるように負極活物質層５４Ｂを形成したことを除き、実験例１−５と同様の手順を経た。この場合には、高酸素含有領域の数を表１０に示したように設定した。これらの実験例９−１〜９−３の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表１０および図１９に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
高酸素含有領域および低酸素含有領域を有する場合においても、複数の負極活物質粒子が球状粒子を含む実験例９−１〜９−３では、それを含まない実験例１−１０と比較して、約８０％以上の放電容量維持率および約１％以下の膨れ率が得られた。特に、高酸素含有領域および低酸素含有領域を有する場合には、それらを有しない場合と比較して、放電容量維持率が高くなると共に、膨れ率が小さくなった。この場合には、高酸素含有領域の数が多くなると、放電容量維持率がより高くなると共に、膨れ率がより小さくなった。これらのことから、負極活物質層５４Ｂが高酸素含有領域および低酸素含有領域を有すれば、サイクル特性および膨れ特性がより向上する。
（実験例１０−１〜１０−１３）
負極集電体５４Ａの表面の十点平均粗さＲｚを表１１に示したように変更したことを除き、実験例１−５と同様の手順を経た。これらの実験例１０−１〜１０−１３の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表１１および図２０に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
十点平均粗さＲｚを変更した場合においても、複数の負極活物質粒子が球状粒子を含む実験例１０−１〜１０−１３では、それを含まない実験例１−１０と比較して、約７０％以上の放電容量維持率および約１％以下の膨れ率が得られた。特に、球状粒子を含む場合には、十点平均粗さＲｚが大きくなるにしたがって、膨れ率は一定であったが、放電容量維持率は増加したのちに減少する傾向を示した。この場合には、十点平均粗さＲｚが１．５μｍ以上、さらに３μｍ以上３０μｍ以下であると、放電容量維持率がより高くなると共に、十分な電池容量も得られた。これらのことから、負極集電体２２Ａの表面の十点平均粗さＲｚが１．５μｍ以上、好ましくは３μｍ以上３０μｍ以下であれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例１１−１〜１１−８）
電解液の組成を表１２および表１３に示したように変更したことを除き、実験例１−５と同様の手順を経た。この場合には、溶媒として、式（２）に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルである４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＦＥＣ）、あるいは４，５−ジフルオロ−１、３−ジオキソラン−２−オン（ＤＦＥＣ）を用いた。また、他の溶媒として、式（３）に示した不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステルである炭酸ビニレン（ＶＣ）、あるいは式（４）に示した不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステルである炭酸ビニルエチレン（ＶＥＣ）を用いた。さらに、電解質塩として、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4 ）を用いた。この他、他の溶媒として、スルトンであるプロペンスルトン（ＰＲＳ）を用いた。また、酸無水物である無水スルホ安息香酸（ＳＢＡＨ）、あるいは無水スルホプロピオン酸（ＳＰＡＨ）を用いた。この場合には、溶媒中における他の溶媒の含有量を１重量％とした。これらの実施例１１−１〜１１−８の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表１２および表１３に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
Figure 2010140885
溶媒および他の溶媒としてＦＥＣ等を加えると共に電解質塩としてＬｉＢＦ4 を加えた実験例１１−１〜１１−８では、それらを加えなかった実験例１−５と比較して、膨れ率は同等であったが、放電容量維持率が高くなった。また、ＰＲＳ等を加えた実験例１１−６〜１１−８では、それらを加えなかった実験例１−５と比較して、膨れ率が小さくなった。これらのことから、溶媒として、ハロゲンを有する鎖状炭酸エステルあるいは環状炭酸エステル、不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステル、スルトン、または酸無水物を用いれば、サイクル特性が向上する。また、電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウムを用いれば、サイクル特性がより向上する。さらに、溶媒としてスルトンあるいは酸無水物を用いれば、膨れ特性が向上する。
（実験例１２−１〜１２−４）
正極活物質として表１４に示したリチウムニッケル系複合酸化物を用いたことを除き、実験例１−５と同様の手順を経た。この場合には、リチウムニッケル系複合酸化物として、ＬｉＮｉ0.70Ｃｏ0.25Ａｌ0.05Ｏ2 、ＬｉＮｉ0.79Ｃｏ0.14Ａｌ0.07Ｏ2 、ＬｉＮｉ0.70Ｃｏ0.25Ｍｇ0.05Ｏ2 、あるいはＬｉＮｉ0.70Ｃｏ0.25Ｆｅ0.05Ｏ2 を用いた。これらの実験例１２−１〜１２−４の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表１４に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
正極活物質としてリチウムニッケルコバルト系複合酸化物を用いた実験例１２−１〜１２−４では、リチウムコバルト複合酸化物を用いた実験例１−５と比較して、膨れ率は同等であったが、放電容量維持率は高くなった。これらのことから、正極活物質としてリチウムニッケルコバルト系複合酸化物を用いれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例１３−１，１３−２）
角型の二次電池を作製したことを除き、実験例１−５と同様の手順を経た。この二次電池を作製する場合には、最初に、正極２１および負極２２を作製したのち、正極集電体２１Ａにアルミニウム製の正極リード２４を溶接すると共に、負極集電体２２Ａにニッケル製の負極リード２５を溶接した。続いて、正極２１と、セパレータ２３と、負極２２とをこの順に積層してから長手方向において巻回させたのち、扁平状に成形して電池素子２０を作製した。続いて、表１５に示した材質からなる電池缶１１の内部に電池素子２０を収納したのち、その電池素子２０上に絶縁板１２を配置した。続いて、正極リード２４を正極ピン１５を溶接すると共に、負極リード２５を電池缶１１に溶接したのち、電池缶１１の開放端部に電池蓋１３をレーザ溶接した。最後に、注入孔１９を通じて電池缶１１の内部に電解液を注入したのち、その注入孔１９を封止部材１９Ａで塞ぐことにより、角型電池が完成した。これらの実験例１３−１，１３−２の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表１５に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
電池構造が角型である実験例１３−１，１３−２では、ラミネートフィルム型である実験例１−５と比較して、放電容量維持率が高くなると共に、膨れ率が小さくなった。また、角型の場合には、電池缶１１の材質が鉄であると、放電容量維持率がより高くなると共に、膨れ率がより小さくなった。これらのことから、電池構造が角型であれば、サイクル特性および膨れ特性がより向上する。
（実験例１４−１〜１４−１８）
表１６および表１７に示したように、負極活物質粒子の組成（結晶性サイズおよび金属元素の含有量）を変更すると共に金属層を形成したことを除き、実験例８−１と同様の手順を経た。負極活物質層５４Ｂを形成する場合には、溶射法を用いて複数の負極活物質粒子を形成したのち、電解鍍金法を用いて金属層を形成する工程を複数回繰り返した。この場合には、鍍金液として日本高純度化学株式会社製の鉄鍍金液を用いると共に、電流密度を２Ａ／ｄｍ2 〜５Ａ／ｄｍ2 、鍍金速度を５ｎｍ／秒とした。また、鍍金液の濃度および鍍金時間を調整して金属層の厚さを変化させた。これらの実験例１４−１〜１４−８の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表１６および表１７に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
Figure 2010140885
金属層を形成した実験例１４−１〜１４−１７では、それを形成しなかった実験例１４−８と比較して、放電容量維持率が高くなった。この結果は、金属層を形成すると、負極活物質粒子同士が金属層を介して結着されると共に、その金属層により電解液が負極活物質粒子から保護されることを表している。特に、金属層の厚さが大きくなるにしたがって、放電容量維持率が増加する傾向を示した。この場合には、厚さが１ｎｍ以上３００００ｎｍ以下であると、放電容量維持率が高くなると共に十分な電池容量も得られた。これらのことから、金属層を形成すれば、サイクル特性がより向上すると共に、その金属層の厚さを１ｎｍ以上３００００ｎｍ以下とすれば、優れた電池容量およびサイクル特性が得られる。
（実験例１５−１〜１５−１９）
表１８および表１９に示したように金属層の形成材料および厚さを変更したことを除き、実験例１４−１〜１４−１７と同様の手順を経た。金属層を形成する場合には、鍍金液として日本高純度化学株式会社製の銅鍍金液、ニッケル鍍金液、コバルト鍍金液、亜鉛鍍金液およびクロム鍍金液を用いると共に、鍍金速度を５ｎｍ／秒とした。また、電流密度を銅鍍金液で２Ａ／ｄｍ2 〜８Ａ／ｄｍ2 、ニッケル鍍金液で２Ａ／ｄｍ2 〜１０Ａ／ｄｍ2 、コバルト鍍金液で１Ａ／ｄｍ2 〜８Ａ／ｄｍ2 、亜鉛鍍金液で１Ａ／ｄｍ2 〜３Ａ／ｄｍ2 、クロム鍍金液で２Ａ／ｄｍ2 〜６Ａ／ｄｍ2 とした。これらの実験例１５−１〜１５−１９の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表１８および表１９に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
Figure 2010140885
金属層の形成材料を変更した実験例１５−１〜１５−１９においても、金属層を形成しなかった実験例１４−１８と比較して、放電容量維持率が高くなった。このことから、金属層の形成材料を変更しても、サイクル特性がより向上する。
（実験例１６−１〜１６−２５）
表２０および表２１に示したように、負極活物質粒子中に鉄を含有させず、あるいは負極活物質粒子中における鉄の含有量を変更し、または負極活物質粒子中に含有させる金属元素の種類を変更したことを除き、実験例１４−７と同様の手順を経た。これらの実験例１６−１〜１６−２５の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表２０および表２１に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
Figure 2010140885
負極活物質粒子中に含有させる金属元素の組成を変更した実験例１６−１〜１６−２５においても、金属層を形成しなかった実験例１４−１８と比較して、放電容量維持率が高くなった。このことから、負極活物質中に含有させる金属元素の組成を変更しても、サイクル特性がより向上する。
（実験例１７−１〜１７−１３）
表２２に示したように半値幅および結晶子サイズを変更したことを除き、実験例１４−７と同様の手順を経た。これらの実験例１７−１〜１７−１３の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表２２に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
金属層を形成した実験例１７−１〜１７−１３においても、半値幅が２０°以下であると共に結晶子サイズが１０ｎｍ以上であると、放電容量維持率がより高くなった。このことから、金属層を形成した場合においても、Ｘ線回折により得られる負極活物質粒子の（１１１）結晶面における回折ピークの半値幅が２０°以下であると共に結晶子サイズが１０ｎｍ以上であれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例１８−１〜１８−３）
非球状粒子が扁平粒子を含まないようにしたことを除き、実験例１４−６，１４−７，１４−９と同様の手順を経た。この実験例１８−１の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表２３に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
扁平粒子を含んでいない実験例１８−１〜１８−３においても、金属層を形成しなかった実験例１４−１８と比較して、放電容量維持率がより高くなった。このことから、金属層を形成した場合においても、扁平粒子を含んでいれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例１９−１〜１９−９）
表２４に示したように負極活物質粒子中の酸素含有量を変更したことを除き、実験例１４−７と同様の手順を経た。これらの実験例１９−１〜１９−９の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表２４に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
酸素含有量を変更した場合においても、金属層を形成した実験例１９−１〜１９−９では、それを形成しなかった実験例１４−１８と比較して、放電容量維持率が高くなった。この場合には、酸素含有量が１．５原子数％以上４０原子数％以下であると、放電容量維持率がより高くなる共に十分な電池容量も得られた。これらのことから、金属層を形成した場合においても、負極活物質粒子中の酸素含有量が１．５原子数％以上４０原子数％以下であれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例２０−１〜２０−３）
表２５に示したように高酸素含有量領域および低酸素含有領域を含む負極活物質層５４Ｂを形成したことを除き、実験例１４−７と同様の手順を経た。これらの実験例２０−１〜２０−３の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表２５に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
高酸素含有領域および低酸素含有領域を有する場合においても、金属層を形成した実験例２０−１〜２０−３では、それを形成しなかった実験例１４−１８と比較して、放電容量維持率が高くなった。このことから、金属層を形成した場合においても、負極活物質層５４Ｂが高酸素含有領域および低酸素含有領域を有すれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例２１−１〜２１−１２）
表２６に示したように負極集電体５４Ａの表面の十点平均粗さＲｚを変更したことを除き、実験例１４−７と同様の手順を経た。これらの実験例２１−１〜２１−１２の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表２６に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
十点平均粗さＲｚを変更した場合においても、金属層を形成した実験例２１−１〜２１−１２では、それを形成しなかった実験例１４−８と比較して、放電容量維持率が高くなった。この場合には、十点平均粗さＲｚが１．５μｍ以上、さらに３μｍ以上３０μｍ以下であると、放電容量維持率がより高くなった。これらのことから、金属層を形成した場合においても、負極集電体５４Ａの表面の十点平均粗さＲｚが１．５μｍ以上、好ましくは３μｍ以上３０μｍ以下であれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例２２−１〜２２−８）
表２７および表２８に示したように電解液の組成を変更したことを除き、実験例１４−７と同様の手順を経た。具体的な電解液の組成は、実験例１１−１〜１１−８と同様である。これらの実施例２２−１〜２２−８の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表２７および表２８に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
Figure 2010140885
電解液の組成を変更した場合においても、金属層を形成した実験例２２−１〜２２−８では、それを形成しなかった実験例１４−１８と比較して、放電容量維持率が高くなった。このことから、金属層を形成した場合においても、ハロゲンを有する鎖状炭酸エステルあるいは環状炭酸エステル、不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステル、スルトン、または酸無水物を用いれば、サイクル特性がより向上する。また、電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウムを用いれば、サイクル特性がより向上する。さらに、溶媒としてスルトンあるいは酸無水物を用いれば、サイクル特性がより向上する。
（実験例２３−１，２３−２）
表２９に示したように角型の二次電池を作製したことを除き、実験例１４−７と同様の手順を経た。角型の二次電池を作製する手順は、実験例１３−１，１３−２と同様である。これらの実験例２３−１，２３−２の二次電池についてサイクル特性を調べたところ、表２９に示した結果が得られた。
Figure 2010140885
電池構造を変更した場合においても、金属層を形成した実験例２３−１，２３−２では、それを形成しなかった実験例１４−１８と比較して、放電容量維持率が高くなった。この場合には、電池構造が角型であれば、放電容量維持率がより高くなった。このことから、金属層を形成した場合においても、電池構造が角型であれば、サイクル特性がより向上する。
上記した表１〜表２９および図１４〜図２０の結果から、本発明の二次電池における負極活物質層は、ケイ素を構成元素として有する複数の結晶性の負極活物質粒子を含んでおり、その複数の負極活物質粒子は、球状粒子および非球状粒子を含んでいる。これにより、負極活物質粒子中の酸素含有量、負極活物質粒子中における金属元素の有無、電解液の組成、電池構造、あるいは金属層の有無などに依存せずに、優れたサイクル特性および膨れ特性が得られる。
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、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明の負極の使用用途は、必ずしも二次電池に限らず、二次電池以外の他の電気化学デバイスであってもよい。他の用途としては、例えば、キャパシタなどが挙げられる。
また、上記した実施の形態および実施例では、二次電池の種類として、負極の容量がリチウムイオンの吸蔵および放出により表されるリチウムイオン二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られない。本発明の二次電池は、負極の容量がリチウムイオンの吸蔵および放出による容量とリチウム金属の析出および溶解による容量とを含み、かつ、それらの容量の和により表される二次電池についても、同様に適用可能である。この場合には、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な材料が用いられると共に、その材料における充電可能な容量が正極の放電容量よりも小さくなるように設定される。
また、上記した実施の形態および実施例では、電池構造が角型、円筒型あるいはラミネートフィルム型である場合、ならびに電池素子が巻回構造を有する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明の二次電池は、コイン型あるいはボタン型などの他の電池構造を有する場合や、電池素子が積層構造などの他の構造を有する場合についても同様に適用可能である。
また、上記し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、必ずしもこれに限られない。電極反応物質は、例えば、ナトリウム（Ｎａ）あるいはカリウム（Ｋ）などの他の１族元素や、マグネシウムあるいはカルシウムなどの２族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属でもよい。本発明の効果は、電極反応物質の種類に依存せずに得られるはずであるため、その電極反応物質の種類を変更しても、同様の効果を得ることができる。
また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の二次電池に関する球状粒子の粒径について、実施例の結果から導き出された適正範囲を説明しているが、その説明は、存在率が上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、粒径が上記した範囲から多少外れてもよい。このことは、球状粒子の円形度、負極活物質粒子の半値幅および結晶子サイズ、負極活物質粒子中の酸素含有量、負極集電体の表面の十点平均粗さＲｚ、あるいは金属層の厚さについても、同様である。
１，２２Ａ，４２Ａ，５４Ａ…負極集電体、２，２２Ｂ，４２Ｂ，５４Ｂ…負極活物質層、２Ｋ…空隙、１１，３１…電池缶、１２，３２，３３…絶縁板、１３，３４…電池蓋、１４…端子板、１５…正極ピン、１６…絶縁ケース、１７，３７…ガスケット、１８…開裂弁、１９…注入孔、１９Ａ…封止部材、２０…電池素子、２１，４１，５３…正極、２１Ａ，４１Ａ，５３Ａ…正極集電体、２１Ｂ，４１Ｂ，５３Ｂ…正極活物質層、２２，４２，５４…負極、２３，４３，５５…セパレータ、２４，４５，５１…正極リード、２５，４６，５２…負極リード、３５…安全弁機構、３５Ａ…ディスク板、３６…熱感抵抗素子、４０，５０…巻回電極体、４４…センターピン、５６…電解質、５７…保護テープ、６１…密着フィルム、６０…外装部材、２０１…負極活物質粒子、２０１Ｘ…球状粒子、２０１Ｙ…非球状粒子、２０１ＹＰ…扁平粒子、２０２…金属層、Ｐ１…接触部分、Ｐ２…非接触部分。

Claims (20)

  1. 電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な正極および負極と、溶媒および電解質塩を含む電解質と、を備え、
    前記負極は、負極集電体上に負極活物質層を有し、
    前記負極活物質層は、ケイ素（Ｓｉ）を構成元素として有する複数の結晶性の負極活物質粒子を含み、
    前記複数の負極活物質粒子は、球状粒子および非球状粒子を含む
    二次電池。
  2. Ｘ線回折により得られる前記負極活物質粒子の（１１１）結晶面における回折ピークの半値幅（２θ）は２０°以下であり、あるいは、Ｘ線回折により得られる前記負極活物質粒子の（１１１）結晶面に起因する結晶子サイズは１０ｎｍ以上である、請求項１記載の二次電池。
  3. 前記球状粒子の粒径（メジアン径）は０．５μｍ以上３５μｍ以下である、請求項１記載の二次電池。
  4. 前記球状粒子の円形度は０．５以上１以下である、請求項１記載の二次電池。
  5. 前記非球状粒子のうちの少なくとも一部は扁平状である、請求項１記載の二次電池。
  6. 前記負極活物質粒子は溶射法により形成されている、請求項１記載の二次電池。
  7. 前記負極活物質粒子は、前記負極集電体との界面の少なくとも一部において合金化している、請求項１記載の二次電池。
  8. 前記負極活物質粒子はケイ素の単体、合金および化合物のうちの少なくとも１種である、請求項１記載の二次電池。
  9. 前記負極活物質粒子は酸素（Ｏ）を構成元素として有し、前記負極活物質粒子中の酸素含有量は１．５原子数％以上４０原子数％以下である、請求項１記載の二次電池。
  10. 前記負極活物質粒子は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）およびタングステン（Ｗ）のうちの少なくとも１種の金属元素を構成元素として有する、請求項１記載の二次電池。
  11. 前記負極活物質層は、その厚さ方向において、より高い酸素含有量を有する高酸素含有領域とより低い酸素含有量を有する低酸素含有領域とを含む、請求項１記載の二次電池。
  12. 前記負極集電体の表面の十点平均粗さＲｚは１．５μｍ以上である、請求項１記載の二次電池。
  13. 前記溶媒は、式（１）で表されるハロゲンを構成元素として有する鎖状炭酸エステル、式（２）で表されるハロゲンを構成元素として有する環状炭酸エステル、式（３）〜式（５）で表される不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステル、スルトン、および酸無水物のうちの少なくとも１種を含む、請求項１記載の二次電池。
    Figure 2010140885
     （Ｒ１１〜Ｒ１６は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも１つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。）
    Figure 2010140885
     （Ｒ１７〜Ｒ２０は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも１つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。）
    Figure 2010140885
     （Ｒ２１およびＲ２２は水素基あるいはアルキル基である。）
    Figure 2010140885
     （Ｒ２３〜Ｒ２６は水素基、アルキル基、ビニル基あるいはアリル基であり、それらのうちの少なくとも１つはビニル基あるいはアリル基である。）
    Figure 2010140885
     （Ｒ２７はアルキレン基である。）
  14. 前記電解質塩は、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6 ）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4 ）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4 ）、六フッ化ヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ6 ）、および式（６）〜式（１１）で表される化合物のうちの少なくとも１種を含む、請求項１記載の二次電池。
    Figure 2010140885
     （Ｘ３１は長周期型周期表における１族元素あるいは２族元素、またはアルミニウムである。Ｍ３１は遷移金属元素、または長周期型周期表における１３族元素、１４族元素あるいは１５族元素である。Ｒ３１はハロゲン基である。Ｙ３１は−（Ｏ＝）Ｃ−Ｒ３２−Ｃ（＝Ｏ）−、−（Ｏ＝）Ｃ−Ｃ（Ｒ３３）2 −あるいは−（Ｏ＝）Ｃ−Ｃ（＝Ｏ）−である。ただし、Ｒ３２はアルキレン基、ハロゲン化アルキレン基、アリーレン基あるいはハロゲン化アリーレン基である。Ｒ３３はアルキル基、ハロゲン化アルキル基、アリール基あるいはハロゲン化アリール基である。なお、ａ３は１〜４の整数であり、ｂ３は０、２あるいは４であり、ｃ３、ｄ３、ｍ３およびｎ３は１〜３の整数である。）
    Figure 2010140885
     （Ｘ４１は長周期型周期表における１族元素あるいは２族元素である。Ｍ４１は遷移金属元素、または長周期型周期表における１３族元素、１４族元素あるいは１５族元素である。Ｙ４１は−（Ｏ＝）Ｃ−（Ｃ（Ｒ４１）2 ）b4−Ｃ（＝Ｏ）−、−（Ｒ４３）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ４２）2 ）c4−Ｃ（＝Ｏ）−、−（Ｒ４３）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ４２）2 ）c4−Ｃ（Ｒ４３）2 −、−（Ｒ４３）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ４２）2 ）c4−Ｓ（＝Ｏ）2 −、−（Ｏ＝）2 Ｓ−（Ｃ（Ｒ４２）2 ）d4−Ｓ（＝Ｏ）2 −あるいは−（Ｏ＝）Ｃ−（Ｃ（Ｒ４２）2 ）d4−Ｓ（＝Ｏ）2 −である。ただし、Ｒ４１およびＲ４３は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それぞれのうちの少なくとも１つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。Ｒ４２は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、ａ４、ｅ４およびｎ４は１あるいは２であり、ｂ４およびｄ４は１〜４の整数であり、ｃ４は０〜４の整数であり、ｆ４およびｍ４は１〜３の整数である。）
    Figure 2010140885
     （Ｘ５１は長周期型周期表における１族元素あるいは２族元素である。Ｍ５１は遷移金属元素、または長周期型周期表における１３族元素、１４族元素あるいは１５族元素である。Ｒｆはフッ素化アルキル基あるいはフッ素化アリール基であり、いずれの炭素数も１〜１０である。Ｙ５１は−（Ｏ＝）Ｃ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）d5−Ｃ（＝Ｏ）−、−（Ｒ５２）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）d5−Ｃ（＝Ｏ）−、−（Ｒ５２）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）d5−Ｃ（Ｒ５２）2 −、−（Ｒ５２）2 Ｃ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）d5−Ｓ（＝Ｏ）2 −、−（Ｏ＝）2 Ｓ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）e5−Ｓ（＝Ｏ）2 −あるいは−（Ｏ＝）Ｃ−（Ｃ（Ｒ５１）2 ）e5−Ｓ（＝Ｏ）2 −である。ただし、Ｒ５１は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。Ｒ５２は水素基、アルキル基、ハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基であり、そのうちの少なくとも１つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。なお、ａ５、ｆ５およびｎ５は１あるいは２であり、ｂ５、ｃ５およびｅ５は１〜４の整数であり、ｄ５は０〜４の整数であり、ｇ５およびｍ５は１〜３の整数である。）
    ＬｉＮ（Ｃm Ｆ2m+1ＳＯ2 ）（Ｃn Ｆ2n+1ＳＯ2 ）…（９）
    （ｍおよびｎは１以上の整数である。）
    Figure 2010140885
     （Ｒ６１は炭素数２以上４以下の直鎖状あるいは分岐状のパーフルオロアルキレン基である。）
    ＬｉＣ（Ｃp Ｆ2p+1ＳＯ2 ）（Ｃq Ｆ2q+1ＳＯ2 ）（Ｃr Ｆ2r+1ＳＯ2 ）…（１１）
    （ｐ、ｑおよびｒは１以上の整数である。）
  15. 前記正極は、正極活物質として、式（１２）で表される複合酸化物を含む、請求項１記載の二次電池。
    ＬｉＮｉ1-x Ｍx Ｏ2 …（１２）
    （Ｍはコバルト、マンガン、鉄、アルミニウム、バナジウム（Ｖ）、スズ、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）、ジルコニウム、モリブデン、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン、レニウム（Ｒｅ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、銅、亜鉛、バリウム（Ｂａ）、ホウ素（Ｂ）、クロム、ケイ素、ガリウム（Ｇａ）、リン（Ｐ）、アンチモンおよびニオブ（Ｎｂ）のうちの少なくとも１種である。ｘは０．００５＜ｘ＜０．５である。）
  16. 前記負極活物質層は、前記負極活物質粒子間の隙間の少なくとも一部に金属層を有する、請求項１記載の二次電池。
  17. 前記金属層は、前記負極活物質粒子の表面の少なくとも一部を被覆している、請求項１６記載の二次電池。
  18. 前記金属層は、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、銅およびクロムのうちの少なくとも１種の金属元素を構成元素として有する、請求項１６記載の二次電池。
  19. 前記金属層の厚さは、１ｎｍ以上３００００ｎｍ以下である、請求項１６記載の二次電池。
  20. 電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であると共に、負極集電体上に負極活物質層を有し、
    前記負極活物質層は、ケイ素を構成元素として有する複数の結晶性の負極活物質粒子を含み、
    前記複数の負極活物質粒子は、球状粒子および非球状粒子を含む
    負極。
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