JP2011086427A - 非水系二次電池用負極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】珪素を含む活物質に対し高い耐久性を有する結着剤を用いた電極を提供する。
【解決手段】該結着剤として、ポリイミド−シリカハイブリッド樹脂を含む。

【選択図】なし

Description

本発明は、非水系二次電池に関するものであり、特に、非水系二次電池に用いられる負極に関するものである。

リチウムイオン二次電池などの二次電池は、小型で大容量であるため、携帯電話やノートパソコンといった幅広い分野で用いられている。リチウムイオン二次電池は、リチウム（Ｌｉ）を挿入および脱離することができる活物質を正極と負極にそれぞれ有する。そして、両極間に設けられた電解液内をＬｉイオンが移動することによって動作する。

二次電池の性能は、二次電池を構成する電極材料に左右される。たとえば、リチウム二次電池の電極材料には、高エネルギー密度の電池が得られることから、リチウム金属またはリチウム合金を活物質として使用することが多い。また、最近では、リチウムと合金を形成することが可能な元素である珪素（Ｓｉ）からなる活物質も注目されている。たとえば、Ｌｉ_ｘＳｉ（０≦ｘ≦５）を負極活物質として用いた非水電解質二次電池が知られている。

しかしながら、Ｌｉ_ｘＳｉのような珪素を含む活物質（「珪素系活物質」と略記）は、充放電サイクルにより膨張および収縮することが知られている。珪素系活物質が膨張したり収縮したりすることで、珪素系活物質を集電体に保持する役割を果たす結着剤に負荷がかかり、珪素系活物質と集電体との密着性が低下したり、電極内の導電パスが破壊されて容量が著しく低下したり、といった問題がある。その結果、電池の耐久性、たとえばサイクル寿命は低下する。

集電体と活物質との密着性を向上させるために、特許文献１には、集電体の表面を粗面化する処理を行うとよいことが記載されている。そして、一般的に、珪素系活物質を用いた電池の耐久性を向上させるためには、集電体の粗面化が必要であることが知られている。また、特許文献２には、珪素系活物質の膨張および収縮により発生する珪素系活物質の集電体からの剥離を抑制するために、集電体の表面に凹凸を設けることが記載されている。特許文献３では、膨張および収縮にともなう珪素系活物質の微粉化や脱離を防止することができるバインダー樹脂を開示している。

特開２００８−１４０８０９号公報 特開２００８−３００２５５号公報 特開２００９− ４３６７８号公報

負極に珪素系活物質を用いる場合であっても、特許文献１や特許文献２に記載のように集電体の表面を粗面化することは、電池の耐久性の面で有効であると思われる。このとき、活物質は集電体の両面に保持されることが多いため、電極両面において耐久性を同等にするために、集電体の表裏面の表面粗さは同程度にする必要がある。しかし、集電体の表面粗さを表裏面で同じ粗さに処理するのは、高度な技術を必要とする。また、粗面化処理を行うこと自体、製造コストの上昇に繋がる。

特許文献２では、珪素系活物質を蒸着膜として集電体の表面に固定しおり、結着剤を用いていないため、結着剤にかかる負荷が低減されているわけではない。また、特許文献３において結着剤について検討されているが、さらに性能を向上させる必要がある。

そこで本発明は、珪素を含む負極活物質に対して特定の結着剤を用いることで、高い耐久性を有する非水系二次電池を構成することが可能な非水系二次電池用負極を提供することを目的とする。

本発明の非水系二次電池用負極は、負極集電体と、珪素（Ｓｉ）を含む負極活物質および結着剤を少なくとも含む負極合材からなり該負極集電体の表面に形成された負極合材層と、からなり、
前記結着剤は、下記式（式中、Ｒ^１は３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基を９０モル％以上含む芳香族テトラカルボン酸二無水物残基、Ｒ^２は４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基を９０モル％以上含む芳香族ジアミン残基、Ｒ^３は炭素数１〜８のアルキル基、Ｒ^４は炭素数１〜８のアルキル基またはアルコキシル基をそれぞれ独立に示し、ｑは１〜５０００、ｒは１〜１０００、ｍは１〜１００である。）で示されるシラン変性ポリアミック酸をゾル−ゲル硬化および脱水閉環させたポリイミド−シリカハイブリッド樹脂を含むことを特徴とする。

本発明の非水系二次電池用負極は、負極活物質としてＳｉを含む珪素系活物質が用いられる。前述のように、珪素系活物質は、充放電サイクルにより膨張・収縮を生じるが、この珪素系活物質に対して上記のポリイミド−シリカハイブリッド樹脂を含む結着剤を使用することで、本発明の非水系二次電池用負極の耐久性は向上する。理由は明らかではないが、次のように考えられる。

本発明の非水系二次電池用負極において、結着剤に含まれるポリイミド−シリカハイブリッド樹脂は、上記の式で示されるシラン変性ポリアミック酸を前駆体とする。このシラン変性ポリアミック酸は、第一のポリアミック酸のセグメントと、第二のポリアミック酸のセグメントと、から構成されるブロック共重合構造を有している。そして、一方のポリアミック酸のセグメントは、シラン変性されたポリアミック酸からなり、反応性の無機成分であるアルコキシシラン部分縮合物を側鎖に有する。アルコキシシラン部分縮合物は、ゾル−ゲル反応によってシリカを含む無機部を形成する。この無機部は、分子間架橋を形成するとともに、負極集電体および負極活物質への密着性に寄与すると考えられる。また、ポリアミック酸、特にシラン変性されていないポリアミック酸のセグメントは、ポリイミド−シリカハイブリッド樹脂の機械的特性に関与すると考えられる。すなわち、珪素系活物質とともに使用される結着剤には、充放電サイクルにともなう珪素系活物質の膨張および収縮により発生する繰り返しの応力の負荷に耐えうる機械的特性が必要である。ポリイミド部分が特定の構造を有するポリイミド−シリカハイブリッド樹脂を含む結着剤は、充放電サイクルにともなう珪素系活物質の膨張および収縮に追従しやすいため、本発明の非水系二次電池用負極は、充放電を繰り返した後の高いサイクル数においても電池特性が維持されると考えられる。

また、本発明の非水系二次電池用負極において、前記負極集電体の表面粗さは、十点平均粗さ（Ｒｚ）で４．５μｍ以下さらには１．５〜３μｍであるのが好ましい。集電体として使用される導電性材料は、表面に粗面化処理を施さない限り、高い表面粗さの値を示すことはない。本発明の非水系二次電池用負極では、表面を粗面化した集電体を使用しなくても、耐久性に優れる。

また、本発明の非水系二次電池用負極の製造方法は、珪素（Ｓｉ）を含む負極活物質と、上記のシラン変性ポリアミック酸を含む結着剤原料溶液と、を含む負極合材層形成用組成物を調製する負極合材層形成用組成物調製工程と、
前記組成物を集電体に付与して負極合材層を形成する負極合材層形成工程と、
前記負極合材層を加熱して前記シラン変性ポリアミック酸をゾル−ゲル硬化および脱水閉環させる加熱工程と、
を経て、結着剤としてポリイミド−シリカハイブリッド樹脂を含む負極を得ることを特徴とする。

本発明の非水系二次電池用負極および本発明の製造方法により製造された非水系二次電池用負極は、耐久性に優れる。

本発明の非水系二次電池用負極（＃１−１）を備える電池および従来の負極（＃２−１、＃３−１および＃４−１）を備える電池を用いた充放電試験の結果を示すグラフであって、サイクル数の増加に対する放電容量維持率を示す。 本発明の非水系二次電池用負極（＃１−２）を備える電池および従来の負極（＃２−２、＃３−２および＃４−２）を備える電池を用いた充放電試験の結果を示すグラフであって、サイクル数の増加に対する放電容量維持率を示す。 本発明の非水系二次電池用負極（＃１−３）を備える電池および従来の負極（＃２−３、＃３−３および＃４−３）を備える電池を用いた充放電試験の結果を示すグラフであって、サイクル数の増加に対する放電容量維持率を示す。 本発明の非水系二次電池用負極（＃１−４）を備える電池および従来の負極（＃２−４、＃３−４および＃４−４）を備える電池を用いた充放電試験の結果を示すグラフであって、サイクル数の増加に対する放電容量維持率を示す。 ラミネートセルの極板群の構成を示す説明図である。 本発明の非水系二次電池用負極に使用したポリイミド−シリカハイブリッド樹脂および従来から結着剤として用いられているポリイミド−シリカハイブリッド樹脂の応力ひずみ曲線を示す。

以下に、本発明の非水系二次電池用負極およびその製造方法を実施するための形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「ｘ〜ｙ」は、下限ｘおよび上限ｙをその範囲に含む。そして、これらの上限値および下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。

＜非水系二次電池用負極＞
非水系二次電池用負極は、負極集電体と、負極活物質および結着剤、必要に応じて導電助材を含む負極合材からなり負極集電体の表面に形成された負極合材層と、からなる。結着剤は、負極活物質あるいは負極活物質と導電助材とを結着し、それらを負極集電体に保持する。

負極活物質は、珪素（Ｓｉ）を含む。すなわち、負極活物質は、珪素および／または珪素化合物からなり、粉末状で用いられるとよい。具体的には、Ｓｉの単体、Ｓｉを含む酸化物、Ｓｉを含む窒化物、およびＳｉを含む合金などの粉末が挙げられる。具体的には、酸化珪素、窒化珪素、等が挙げられる。また、負極活物質は、既に公知の他の活物質を含んでもよい。具体的には、黒鉛、Ｓｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｃｄ、Ｐｄ等である。これらのうち１種または２種以上を混合して用いることができる。これらの負極活物質は、当該分野で公知の方法を用いて製造することができる。負極活物質の平均粒径は、０．０１〜１００μｍさらには１〜１０μｍであるのが好ましい。なお、負極活物質は、結晶質であってもよいし、非晶質であってもよい。

導電助材としては、非水系二次電池の電極で一般的に用いられている材料を用いればよい。たとえば、カーボンブラック、アセチレンブラック、炭素繊維などの導電性炭素材料を用いるのが好ましく、これらの炭素材料の他にも、導電性有機化合物などの既知の導電助材を用いてもよい。これらのうちの１種を単独でまたは２種以上を混合して用いるとよい。導電助材の配合割合は、質量比で、負極活物質：導電助材＝１：０．０１〜１：０．３さらには１：０．０５〜１：０．０８であるのが好ましい。あるいは、負極活物質、結着剤および導電助材の合計を１００質量％としたとき、導電助材を１〜２０質量％さらには４〜６質量％含むのが好ましい。導電助材が少なすぎると良好な導電ネットワークを形成できず、また、導電助材が多すぎると電極の成形性が悪くなるとともに電極のエネルギー密度が低くなるためである。

結着剤は、ポリイミド−シリカハイブリッド樹脂を含む。ポリイミド−シリカハイブリッド樹脂の前駆体であるシラン変性ポリアミック酸の化学式を以下に示す。

上記の化学式において、Ｒ^１は３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基を９０モル％以上含む芳香族テトラカルボン酸二無水物残基、Ｒ^２は４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基を９０モル％以上含む芳香族ジアミン残基、Ｒ^３は炭素数１〜８のアルキル基、Ｒ^４は炭素数１〜８のアルキル基またはアルコキシル基をそれぞれ独立に示し、ｑは１〜５０００、ｒは１〜１０００、ｍは１〜１００である。

上記のシラン変性ポリアミック酸は、テトラカルボン酸二無水物およびジアミンを反応させて得られるポリアミック酸と、エポキシ基含有アルコキシシラン部分縮合物と、を反応させて得られたシラン変性ポリアミック酸に、さらに、テトラカルボン酸二無水物およびジアミン（つまりポリアミック酸）を反応させて得られる。

ポリアミック酸の主な構成原料は、テトラカルボン酸類およびジアミン類である。本発明においてＲ^１（１００モル％とする）は、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基を９０モル％以上好ましくは９５モル％以上さらに好ましくは１００モル％含む芳香族テトラカルボン酸二無水物残基である。すなわち、Ｒ^１としては、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物の他、ピロメリット酸無水物、１，２，３，４−ベンゼンテトラカルボン酸無水物、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸無水物、２，３，６，７−ナフタレンテトラカルボン酸無水物、２，２’，３，３’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、２，２−ビス（３，３’，４，４’−テトラカルボキシフェニル）テトラフルオロプロパン二無水物、２，２’−ビス（３，４−ジカルボキシフェノキシフェニル）スルホン二無水物、２，２−ビス（２，３−ジカルボキシフェニル）プロパン二無水物、２，２−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）プロパン二無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸無水物、ブタン−１，２，３，４−テトラカルボン酸、２，３，５−トリカルボキシシクロペンチル酢酸無水物、などに例示される芳香族テトラカルボン酸類由来の部位であり、これらは１種単独であってもよく２種以上が組み合わされたものであってもよい。

また、本発明においてＲ^２は、４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基を９０モル％以上好ましくは９５モル％以上さらに好ましくは１００モル％含む芳香族ジアミン残基である。すなわち、Ｒ^２としては、４，４’ジアミノジフェニルエーテルの他、ｐ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、３，３’−ジアミノジフェニルエーテル、３，４’−ジアミノジフェニルエーテル、３，３’−ジアミノジフェニルスルフィド、３，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、３，３’−ジアミノジフェニルスルホン、３，４’−ジアミノジフェニルスルホン、４，４’−ジアミノジフェニルスルホン、３，３’−ジアミノベンゾフェノン、４，４’−ジアミノベンゾフェノン、３，４’−ジアミノベンゾフェノン、３，３’−ジアミノジフェニルメタン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、３，４’−ジアミノジフェニルメタン、２，２−ジ（３−アミノフェニル）プロパン、２，２−ジ（４−アミノフェニル）プロパン、２−（３−アミノフェニル）−２−（４−アミノフェニル）プロパン、２，２−ジ（３−アミノフェニル）−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン、２，２−ジ（４−アミノフェニル）−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン、２−（３−アミノフェニル）−２−（４−アミノフェニル）−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン、１，１−ジ（３−アミノフェニル）−１−フェニルエタン、１，１−ジ（４−アミノフェニル）−１−フェニルエタン、１−（３−アミノフェニル）−１−（４−アミノフェニル）−１−フェニルエタン、１，３−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼン、１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、１，４−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼン、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、１，３−ビス（３−アミノベンゾイル）ベンゼン、１，３−ビス（４−アミノベンゾイル）ベンゼン、１，４−ビス（３−アミノベンゾイル）ベンゼン、１，４−ビス（４−アミノベンゾイル）ベンゼン、１，３−ビス（３−アミノ−α，α−ジメチルベンジル）ベンゼン、１，３−ビス（４−アミノ−α，α−ジメチルベンジル）ベンゼン、１，４−ビス（３−アミノ−α，α−ジメチルベンジル）ベンゼン、１，４−ビス（４−アミノ−α，α−ジメチルベンジル）ベンゼン、１，３−ビス（３−アミノ−α，α−ジトリフルオロメチルベンジル）ベンゼン、１，３−ビス（４−アミノ−α，α−ジトリフルオロメチルベンジル）ベンゼン、１，４−ビス（３−アミノ−α，α−ジトリフルオロメチルベンジル）ベンゼン、１，４−ビス（４−アミノ−α，α−ジトリフルオロメチルベンジル）ベンゼン、２，６−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゾニトリル、２，６−ビス（３−アミノフェノキシ）ピリジン、４，４’−ビス（３−アミノフェノキシ）ビフェニル、４，４’−ビス（４−アミノフェノキシ）ビフェニル、ビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］ケトン、ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］ケトン、ビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］スルフィド、ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］スルフィド、ビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］スルホン、ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］スルホン、ビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］エーテル、ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］エーテル、２，２−ビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン、２，２−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン、２，２−ビス［３−（３−アミノフェノキシ）フェニル］−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン、２，２−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン、１，３−ビス［４−（３−アミノフェノキシ）ベンゾイル］ベンゼン、１，３−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）ベンゾイル］ベンゼン、１，４−ビス［４−（３−アミノフェノキシ）ベンゾイル］ベンゼン、１，４−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）ベンゾイル］ベンゼン、１，３−ビス［４−（３−アミノフェノキシ）−α，α−ジメチルベンジル］ベンゼン、１，３−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）−α，α−ジメチルベンジル］ベンゼン、１，４−ビス［４−（３−アミノフェノキシ）−α，α−ジメチルベンジル］ベンゼン、１，４−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）−α，α−ジメチルベンジル］ベンゼン、４，４’−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）ベンゾイル］ジフェニルエーテル、４，４’−ビス［４−（４−アミノ−α，α−ジメチルベンジル）フェノキシ］ベンゾフェノン、４，４’−ビス［４−（４−アミノ−α，α−ジメチルベンジル）フェノキシ］ジフェニルスルホン、４，４’−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェノキシ］ジフェニルスルホン、３，３’−ジアミノ−４，４’−ジフェノキシベンゾフェノン、３，３’−ジアミノ−４，４’−ジビフェノキシベンゾフェノン、３，３’−ジアミノ−４−フェノキシベンゾフェノン、３，３’−ジアミノ−４−ビフェノキシベンゾフェノン、などに例示される芳香族ジアミン類由来の部位であり、これらは１種単独であってもよく、２種以上が組み合わされたものであってもよい。

Ｒ^３は炭素数１〜８のアルキル基、Ｒ^４は炭素数１〜８のアルコキシ基またはアルキル基であるとよい。ｍは、１〜１００好ましくは１〜５である。なお、以上説明したＲ^１〜Ｒ^４は、いずれの化学式においてもそれぞれ独立であり、それぞれ独立に上記の列挙された構成を示すものである。

前述の通り、シラン変性ポリアミック酸は、ポリアミック酸とエポキシ基含有アルコキシシラン部分縮合物とを反応させて得られる。ポリアミック酸とエポキシ基含有アルコキシシラン部分縮合物の使用割合は、特に制限されないが、ｑは１〜５０００好ましくは１〜２５００、ｒは１〜１０００好ましくは１〜１００である。また、［エポキシ基含有アルコキシシラン部分縮合物のエポキシ基の当量］／［ポリアミック酸に使用したテトラカルボン酸類のカルボン酸基の当量］が０．０１〜０．４程度の範囲とするのが好ましい。上記数値を０．０１以上０．４以下とすることで製膜後の塗膜の透明性が良好になるため好ましい。なお、ｑとｒの和が５０以上のポリアミック酸を使用した場合、上記値が０．３以上であると、エポキシ基とカルボン酸基の反応によりゲル化する場合があるため注意が必要である。

本発明に特に好適なシラン変性ポリアミック酸は、前記式中、Ｒ^１が３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基、Ｒ^２が４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基、Ｒ^３がメチル基、Ｒ^４がメトキシ基、ｑが１〜２５００、ｒが１〜１００、ｍが１〜５である。

シラン変性ポリアミック酸は、ゾル−ゲル硬化および脱水閉環させることで、ポリイミド−シリカハイブリッド樹脂の硬化物となる。この硬化物は、ゲル化した微細なシリカ（ＳｉＯ_２）およびアミド酸基からイミド基への閉環反応によるポリイミドを含む。なお、シリカにはＲ^３およびＲ^４が由来の構造が表面に存在しており、シリカの部位とポリイミドの部位とは、結合した状態である。このとき、ポリイミド−シリカハイブリッド樹脂は、シラン変性ポリアミック酸のアミド酸基を１００モル％としたときに、９０モル％以上好ましくは９５モル％以上さらに好ましくは１００モル％がイミド化している（イミド化率）のがよい。なお、イミド化率は、後に詳説する加熱温度および加熱時間により調整することが可能である。イミド化率は、たとえば、核磁気共鳴分光法のような公知の方法により測定することが可能である。ポリイミド−シリカハイブリッド樹脂は、非水電解液に溶解したり膨潤したりし難い。

なお、上記のポリイミド−シリカハイブリッド樹脂は、破断伸度が高いことが特徴である。破断伸度を規定するのであれば、ＪＩＳ Ｋ７１２７に定められる方法で測定した破断伸度が５０％以上さらには５０〜１５０％であるのが好ましい。

また、結着剤は、ポリイミド−シリカハイブリッド樹脂とともに他の樹脂を含んでもよい。他の樹脂としては、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリフッ化ビニリデン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース等が挙げられ、これらのうちの一種以上を使用することができる。

負極集電体は、金属製のメッシュや金属箔を用いることができる。集電体としては、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、アルミニウム、銅などの金属材料または導電性樹脂からなる多孔性または無孔の導電性基板が挙げられる。多孔性導電性基板としては、たとえば、メッシュ体、ネット体、パンチングシート、ラス体、多孔質体、発泡体、不織布などの繊維群成形体、などが挙げられる。無孔の導電性基板としては、たとえば、箔、シート、フィルムなどが挙げられる。

本発明の非水系二次電池用負極においては、集電体の表面粗さを大きくする必要はない。十点平均粗さＲｚ（ＪＩＳ）で４．５μｍ以下、４μｍ以下さらには１．５〜３μｍの表面粗さであればよい。上記の結着剤であれば、４．５μｍ以下の表面粗さであっても、珪素系活物質の膨張および収縮により発生する繰り返しの応力の負荷に耐えうる。ただし、４．５μｍを超える表面粗さをもつ集電体を用いても、耐久性を大きく悪化させることはない。この程度の表面粗さをもつ金属材料として、粗面化処理されていない電解金属箔または圧延金属箔がある。これらの表面粗さは、Ｒｚで０．５〜３μｍが一般的である。なお、十点表面粗さは、日本工業規格（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４)に定められており、表面粗さ計などにより測定することができる。

＜非水系二次電池用負極の製造方法＞
上記非水系二次電池用負極は、次に説明する負極合材層形成用組成物調製工程、負極合材層形成工程および加熱工程を経て作製可能である。

負極合材層形成用組成物調製工程は、Ｓｉを含む負極活物質とシラン変性ポリアミック酸を含む結着剤原料溶液とを含む負極合材層形成用組成物を調製する工程である。なお、この工程においては、さらに導電助材を混合してもよい。負極活物質およびシラン変性ポリアミック酸については、既に説明した通りである。結着剤と混合するに先立ち、少なくとも負極活物質を１００μｍ以下さらには１０μｍ以下に分級（篩い分け）しておくとよい。

シラン変性ポリアミック酸などの結着剤の原料は、粉末状あるいは有機溶剤に溶解（または分散）された溶液（または分散液）の状態で、負極活物質などと混合される。なお、粉末状の結着剤であっても、粉末に有機溶剤を添加することで、集電体に付与しやすいペースト状の負極合材層形成用組成物が得られる。使用可能な有機溶剤としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、メタノール、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）などが挙げられる。

なお、有機溶剤の配合割合は、得られる負極合材層形成用組成物が、後の負極合材層形成工程において集電体に付与されるのに適した粘度、具体的には、室温（２５℃）における回転式（Ｂ型）粘度計による値で、１０００〜９０００ｍＰａ・ｓになるように選定することが望ましい。

負極活物質と結着剤原料溶液とを混合する際には、プラネタリーミキサー、脱泡ニーダー、ボールミル、ペイントシェーカー、振動ミル、ライカイ機、アジテーターミル等の一般的な混合装置を使用すればよい。

負極合材層形成工程は、負極合材層形成用組成物調製工程にて調製された組成物を集電体に付与して負極合材層を形成する工程である。非水系二次電池用負極は、少なくとも負極活物質が結着剤で結着されてなる活物質層が、集電体に付着してなるのが一般的である。そのため、得られた負極合材は、集電体の表面に塗布されるとよい。塗布方法としては、ドクターブレード、バーコーターなどの従来から公知の方法を用いればよい。負極合材層は、１０〜３００μｍ程度の厚さで負極集電体の表面に形成するとよい。

加熱工程は、負極合材層を加熱してシラン変性ポリアミック酸をゾル−ゲル硬化および脱水閉環させる工程である。加熱により、シラン変性ポリアミック酸はポリイミド−シリカハイブリッド樹脂、に硬化する。加熱の温度および時間は、負極合材層の厚さにもよるが、３５０〜４３０℃で１〜２時間の加熱することで、ほぼ１００％イミド化する。加熱は、大気中で行ってもよいし、真空中、不活性ガス雰囲気中で行ってもよいが、真空中または不活性ガス雰囲気中が好ましい。本明細書において加熱の温度は、加熱の雰囲気温度である。なお、イミド化率９０モル％の加熱条件の目安としては、３００℃で１時間程度である。

さらに、ロールプレス、加圧プレスなどの公知の方法により、所望の厚み、密度になるように負極を成形したりしてもよい。得られる負極はシート状であって、作製する非水系二次電池の仕様に応じた寸法に裁断して用いられる。

＜非水系二次電池＞
正極と、上記の非水系二次電池用負極と、電解質材料を有機溶媒に溶解した非水電解液と、で非水系二次電池が構成される。この非水系二次電池は、一般の二次電池と同様、正極および負極の他に、正極と負極の間に挟装されるセパレータおよび非水電解液を備える。

セパレータは、正極と負極とを分離し非水電解液を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜を用いることができる。

非水電解液は、有機溶媒に電解質であるアルカリ金属塩を溶解させたものである。上記の非水系二次電池用負極を備える非水系二次電池で使用される非水電解液の種類に特に限定はない。非水電解液としては、非プロトン性有機溶媒、たとえばプロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等から選ばれる一種以上を用いることができる。また、溶解させる電解質としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ_４、ＮａＰＦ_６、ＮａＢＦ_４、ＮａＡｓＦ_６、ＬｉＢＯＢ等の有機溶媒に可溶なアルカリ金属塩を用いることができる。

負極は、既に説明した通りである。正極は、アルカリ金属イオンを挿入・脱離可能な正極活物質と、正極活物質を結着する結着剤と、を含む。さらに、導電助材を含んでもよい。正極活物質、導電助材および結着剤は、特に限定はなく、非水系二次電池で使用可能なものであればよい。具体的には、正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、Ｌｉ_２ＭｎＯ_２、Ｓなどが挙げられる。また、集電体は、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼など、非水系二次電池の正極に一般的に使用されるものであればよい。

非水系二次電池の形状に特に限定はなく、円筒型、積層型、コイン型等、種々の形状を採用することができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極にセパレータを挟装させ電極体とし、正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を、集電用リード等を用いて接続した後、この電極体を非水電解液とともに電池ケースに密閉して電池となる。

以上、本発明の非水系二次電池用負極およびその製造方法の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。

以下に、本発明の非水系二次電池用負極およびその製造方法の実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。

＜リチウムイオン二次電池用負極の作製＞
負極活物質として純度９９．９％以上の市販のＳｉ粉末（福田金属株式会社製、粒径１０μｍ以下）、導電助材としてケッチェンブラック（ＫＢ：平均粒径：３０〜５０ｎｍ）を準備した。また、これらの負極活物質および導電助材を結着する結着剤の原料として、２種類のシラン変性ポリアミック酸（（Ｉ）高破断伸度タイプおよび（ＩＩ）高破断強度タイプ）および２種類のポリアミック酸（（ＩＩＩ）高破断伸度タイプおよび（ＩＶ）高破断強度タイプ）を準備した。

シラン変性ポリアミック酸（Ｉ）および（ＩＩ）は、既に説明した上記の式で示され、Ｒ^１〜Ｒ^４、ｑ、ｒおよびｍは次の通りであった。

（Ｉ）Ｒ^１が３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基、Ｒ^２が４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基、Ｒ^３がメチル基、Ｒ^４がメトキシ基。ｑは１〜２５００、ｒは１〜１００、ｍは１〜５。

（ＩＩ）Ｒ^１が３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基（９５モル％）およびピロメリット酸無水物残基（５モル％）、Ｒ^２がｐ−フェニレンジアミン残基（７５モル％）および４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基（２５モル％）、Ｒ^３がメチル基、Ｒ^４がメトキシ基。ｑは１〜２５００、ｒは１〜１００、ｍは１〜５。

ポリアミック酸（ＩＩＩ）および（ＩＶ）は、既に説明した上記の式で示され、Ｒ^６〜Ｒ^７、ｎは次の通りであった。

（ＩＩＩ）Ｒ^６が３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基、Ｒ^７が４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基、ｎは１００〜３００。

（ＩＶ）Ｒ^６が３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基（９５モル％）およびピロメリット酸無水物残基（５モル％）、Ｒ^７がｐ−フェニレンジアミン残基（７５モル％）および４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基（２５モル％）、ｎは１００〜３００。

また、上記の（Ｉ）〜（ＩＶ）を完全に硬化させた試験片を作製して測定した応力ひずみ曲線（ＳＳカーブ）を図６に示す。なお、図６に示すＳＳカーブは、ＪＩＳ Ｋ７１２７に定められる方法により測定した。（ＩＩＩ）および（ＩＶ）の樹脂は、シリカを含まないポリイミド樹脂であるため、破断伸度が６０％を超えた。一方、（Ｉ）および（ＩＩ）の樹脂は、シリカの存在により破断伸度は低下した。それでも（Ｉ）の樹脂は、７０％程度の破断伸度が維持されることがわかった。すなわち、ポリアミック酸からなるセグメントの構造の違いにより、ＳＳカーブが大きく異なることがわかった。なお、〔化１〕において、Ｒ^１は３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基を９０モル％以上含む芳香族テトラカルボン酸二無水物残基、Ｒ^２は４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基を９０モル％以上含む芳香族ジアミン残基、Ｒ^３は炭素数１〜８のアルキル基、Ｒ^４は炭素数１〜８のアルキル基またはアルコキシル基をそれぞれ独立に示し、ｑは１〜５０００、ｒは１〜１０００、ｍは１〜１００であるシラン変性ポリアミック酸から得られるポリイミド−シリカハイブリッド樹脂は、図６の（Ｉ）と同様のＳＳカーブをもつ。

Ｓｉ粉末、シラン変性ポリアミック酸またはポリアミック酸、ケッチェンブラックの固形分の配合量（作製される負極の組成にほぼ一致）が、Ｓｉ粉末：バインダー樹脂：ＫＢ＝８０：１５：５（質量比）となるように混合し、さらに、集電体への塗布が容易な粘度となるようにＮＭＰを添加して、４種類のペースト状の負極合材層形成用組成物を得た。

負極集電体は、次に示す４種類を準備した。（ｉ）福田金属株式会社製圧延銅箔（厚さ：１５μｍ、Ｒｚ：１．６６μｍ）、（ｉｉ）古河電工株式会社製電解銅箔（厚さ：１８μｍ、Ｒｚ：１．６８μｍ）、（ｉｉｉ）古河電工株式会社製電解銅箔（厚さ：１８μｍ、Ｒｚ：２．７μｍ）、（ｉｖ）福田金属株式会社製電解銅箔（厚さ：１８μｍ、Ｒｚ：５μｍ）。

上記の組成物を集電体の表面に１０μｍ程度の厚さとなるように塗布し、乾燥して有機溶剤を揮発させた後プレスし、所定の形状に打ち抜いた。その後、真空炉で３５０℃１時間程度加熱して、表１に示す１６種類の負極を得た。

得られた負極の構成を、図５を用いて説明する。図５は、後に詳説するラミネートセルの極板群の構成を示す説明図であって、上記の手順で作製した負極は図５の電極１１に相当する。電極１１は、銅箔からなるシート状の集電箔１２と、集電箔１２の表面に形成された負極活物質層１３と、からなる。集電箔１２は、矩形状（２６ｍｍ×３１ｍｍ）の合材塗付部１２ａと、合材塗付部１２ａの隅部から延出するタブ溶接部１２ｂと、を備える。合材塗付部１２ａの一方の面には、負極活物質層１３が形成されている。負極活物質層１３は、前述したように、Ｓｉ粉末、導電助材および両者を結着する結着剤からなる。

集電箔１２のタブ溶接部１２ｂには、ニッケル製のタブ１４を抵抗溶接した。さらに、タブ溶接部１２ｂには、樹脂フィルム１５を被着した。

＜リチウムイオン二次電池の作製＞
正極活物質としてＬｉＣｏＯ_２を含む正極を、上記の手順で得られた負極の対極として用い、ラミネートセルを作製した。ラミネートセルは、上記のうちのいずれかの電極１１、対極１６およびセパレータ１９が積層されてなる極板群１０と、極板群１０を包み込んで密閉するラミネートフィルム（図示せず）と、ラミネートフィルム内に注入される非水電解液と、を備える。ラミネートセルの作製手順を、図５を用いて説明する。

電極１１の構成は、既に説明した通りにした。対極１６には、正極活物質としてＬｉＣｏＯ_２（パイオトレック株式会社製）を含む正極を用いた。この正極は、集電体として厚さ１５μｍのアルミニウム箔が用いられ、容量は２．２ｍＡｈ／ｃｍ^２、電極密度は２．８ｇ／ｃｍ^２であった。対極１６は、電極１１と同様に、矩形状（２５ｍｍ×３０ｍｍ）の合材塗付部１６ａと、合材塗付部１６ａの隅部から延出するタブ溶接部１６ｂと、を備え、いずれもアルミニウム箔からなる構成とした。合材塗付部１６ａの一方の面には、ＬｉＣｏＯ_２を含む正極活物質層を形成した。タブ溶接部１６ｂには、アルミニウム製のタブ１７を抵抗溶接した。さらに、タブ溶接部１６ｂには、樹脂フィルム１８を被着した。

セパレータ１９には、ポリプロピレン樹脂からなる矩形状シート（２７ｍｍ×３２ｍｍ、厚さ２５μｍ）を用いた。電極１１の合材塗付部１２ａ、セパレータ１９、対極１６の合材塗付部１６ａの順に、負極活物質層と正極活物質層とがセパレータ１９を介して対向するように積層して、極板群１０を構成した。

非水電解液は、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とをＥＣ：ＤＥＣ＝１：１（体積比）で混合した混合溶媒に、ＬｉＰＦ_６を１モルの濃度で溶解して得た。次に、極板群１０を２枚一組のラミネートフィルムで覆い、三辺をシールした後、袋状となったラミネートフィルムに非水電解液を注入した。その後、残りの一辺をシールすることで、四辺が気密にシールされ、極板群１０および非水電解液が密閉されたラミネートセルを得た。なお、両極のタブ１４および１７の一部は、外部との電気的接続のため外側へ延出している。

＜耐久性の評価：充放電試験＞
上記の手順で作製したラミネートセルについて、室温（３０℃）にて充放電試験を行った。充放電試験は、１Ｃで４．２ＶまでＣＣＣＶ充電（定電流定電圧充電）を２．５時間行った後、１Ｃで３ＶまでＣＣ放電（定電流放電）を行い、これを１サイクルとして８０サイクル繰り返した。電流は、１６．５ｍＡの定電流とした。そして、１サイクル目の放電容量を１００としたときの、各サイクルにおける放電容量を算出し、放電容量維持率（％）とした。結果を図１〜図４に示す。

＃１−１〜＃１−４および＃２−１〜＃２−４は、いずれもポリイミド−シリカハイブリッド樹脂を結着剤として使用している。高破断伸度タイプのポリイミド−シリカハイブリッド樹脂（Ｉ）を使用した＃１−１〜＃１−４の負極を用いた電池は、いずれの表面粗さの集電体において比較しても、高破断強度タイプのポリイミド−シリカハイブリッド樹脂（ＩＩ）を使用した＃２−１〜＃２−４の負極を用いた電池よりも、サイクル寿命に優れた。

なお、高破断強度タイプのポリイミド樹脂（ＩＶ）は、高破断伸度タイプのポリイミド−シリカハイブリッド樹脂（Ｉ）と同等の破断伸度を示した（図６参照）。しかしながら、＃４−１〜＃４−４のいずれの結果を見ても、８０サイクル後の放電容量維持率は、３０％を下回った。

また、＃１−１〜＃１−４および＃３−１〜＃３−４は、いずれも高破断伸度タイプの樹脂を結着剤として使用している。ポリイミド−シリカハイブリッド樹脂（Ｉ）を使用した＃１−１〜＃１−４の負極を用いた電池は、ポリイミド樹脂（ＩＩＩ）を使用した＃３−１〜＃３−４の負極を用いた電池にくらべ、同程度あるいはそれ以上のサイクル寿命を示した。＃１−４の負極を用いた電池および＃３−４の負極を用いた電池は、いずれも表面粗さＲｚが５μｍの集電体を使用しているが、７０〜８０サイクルにおいて同程度の放電容量維持率を示した。しかし、７０〜８０サイクルにおける放電容量維持率を比較すると、Ｒｚが小さい集電体をもつ＃３−１〜＃３−３の負極を用いた電池のよりも、Ｒｚが大きい集電体をもつ＃３−４の負極を用いた電池の方が優れていた。つまり、高破断伸度タイプポリイミド樹脂（ＩＩＩ）を用いると集電体の表面を粗面化したほうが耐久性を高くできるが、高破断伸度タイプポリイミド−シリカハイブリッド樹脂（Ｉ）を用いれば、集電体の表面を粗面化しなくても耐久性が維持される。そのため、仮に、表裏で表面粗さが異なる銅箔を集電体として用いても、高破断伸度タイプポリイミド−シリカハイブリッド樹脂（Ｉ）であれば、電極両面において耐久性を同等にすることができる。

Claims (8)

1. 負極集電体と、珪素（Ｓｉ）を含む負極活物質および結着剤を少なくとも含む負極合材からなり該負極集電体の表面に形成された負極合材層と、からなり、
   前記結着剤は、下記式（式中、Ｒ^１は３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基を９０モル％以上含む芳香族テトラカルボン酸二無水物残基、Ｒ^２は４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基を９０モル％以上含む芳香族ジアミン残基、Ｒ^３は炭素数１〜８のアルキル基、Ｒ^４は炭素数１〜８のアルキル基またはアルコキシル基をそれぞれ独立に示し、ｑは１〜５０００、ｒは１〜１０００、ｍは１〜１００である。）で示されるシラン変性ポリアミック酸をゾル−ゲル硬化および脱水閉環させたポリイミド−シリカハイブリッド樹脂を含むことを特徴とする非水系二次電池用負極。
   

   
2. 前記負極集電体の表面粗さは、十点平均粗さ（Ｒｚ）で４．５μｍ以下である請求項１記載の非水系二次電池用負極。
3. 前記負極集電体の表面粗さは、十点平均粗さ（Ｒｚ）で１．５〜３μｍである請求項２記載の非水系二次電池用負極。
4. 前記集電体は、粗面化処理されていない電解金属箔または圧延金属箔である請求項１〜３のいずれかに記載の非水系二次電池用負極。
5. 前記式中、Ｒ^１は３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基、Ｒ^２は４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基、Ｒ^３はメチル基、Ｒ^４はメトキシ基、ｑは１〜２５００、ｒは１〜１００、ｍは１〜５である請求項１〜４のいずれかに記載の非水系二次電池用負極。
6. 前記結着剤は、前記シラン変性ポリアミック酸のアミド酸基のうちの９０モル％以上がイミド化してなる請求項１〜５のいずれかに記載の非水系二次電池用負極。
7. 珪素（Ｓｉ）を含む負極活物質と、下記式（式中、Ｒ^１は３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物残基を９０モル％以上含む芳香族テトラカルボン酸二無水物残基、Ｒ^２は４，４’ジアミノジフェニルエーテル残基を９０モル％以上含む芳香族ジアミン残基、Ｒ^３は炭素数１〜８のアルキル基、Ｒ^４は炭素数１〜８のアルキル基またはアルコキシル基をそれぞれ独立に示し、ｑは１〜５０００、ｒは１〜１０００、ｍは１〜１００である。）で示されるシラン変性ポリアミック酸を含む結着剤原料溶液と、を含む負極合材層形成用組成物を調製する負極合材層形成用組成物調製工程と、
   前記組成物を集電体に付与して負極合材層を形成する負極合材層形成工程と、
   前記負極合材層を加熱して前記シラン変性ポリアミック酸をゾル−ゲル硬化および脱水閉環させる加熱工程と、
   を経て、結着剤としてポリイミド−シリカハイブリッド樹脂を含む負極を得ることを特徴とする非水系二次電池用負極の製造方法。
   

   
8. 前記加熱工程は、３５０〜４３０℃で１〜２時間加熱する工程である請求項７記載の非水系二次電池用負極の製造方法。

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