JP2012142156A - リチウムイオン二次電池、正極活物質、正極、電動工具、電動車両および電力貯蔵システム - Google Patents

Abstract

【課題】優れた電池容量特性およびガス放出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の正極活物質層２１Ｂは、正極活物質として、第１および第２リチウム複合酸化物を含んでいる。第２リチウム複合酸化物は、Ｌｉ_1+a （Ｎｉ_b Ｍ１_c Ｍ２_1-bー_c ）_1.5-0.5aＯ₂ （Ｍ１はＡｌなど、Ｍ２はＣｏなど、ａは０．９５≦ａ≦１．０５、ｂは０＜ｂ≦０．９９、ｃは０＜ｃ≦０．１５）である。ただし、単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、第１リチウム複合酸化物よりも第２リチウム複合酸化物において大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、リチウムおよび遷移金属を構成元素として含む複合酸化物を含有する正極活物質、その正極活物質を用いた正極およびリチウムイオン二次電池、ならびにそのリチウムイオン二次電池を用いた電動工具、電動車両および電力貯蔵システムに関する。

近年、携帯用端末機器などに代表される小型の電子機器が広く普及しており、そのさらなる小型化、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。この二次電池は、最近では、小型の電子機器に限らず、自動車などに代表される大型の電子機器への応用も検討されている。

二次電池としては、さまざまな充放電原理を利用するものが提案されているが、中でも、リチウムイオンの吸蔵放出を利用するリチウムイオン二次電池が有望視されている。鉛電池およびニッケルカドミウム電池などよりも高いエネルギー密度が得られるからである。

リチウムイオン二次電池は、正極および負極と共に電解液を備えており、その正極および負極は、それぞれリチウムイオンを吸蔵放出する正極活物質および負極活物質を含んでいる。正極活物質としては、リチウムおよび遷移金属を構成元素として含む複合酸化物が広く用いられている。充放電反応に直接関わる正極活物質は、電池性能に大きな影響を及ぼすことから、複合酸化物の種類および組成などについては、さまざまな検討がなされている。

具体的には、負極のリチウム取り込みによる容量減少を防止するために、ＬｉＣｏＯ₂ などと一緒に、それよりも電位が低いと共に容量密度が高い含リチウム化合物を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この含リチウム化合物は、一般式Ｌｉ_x ＭＯ_y （ＭはＭｏなどの遷移金属、ｘ／ｙ≧０．５以上）で表されるＬｉ₂ ＮｉＯ₂ などである。

充放電による充放電容量の低下を抑制するために、リチウム銅複合酸化物を用いることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。このリチウム銅複合酸化物は、一般式Ｌｉ₂ （Ｃｕ_1-x-y Ｍ_x Ｄ_y ）Ｏ₂ （Ｍは１３族元素などから選択される１種類以上の元素、ＤはＴｉなどから選択される１種以上の元素、０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．５、ｘ＋ｙ＜０．５）で表されるＬｉ₂ （Ｃｕ_0.8 Ａｌ_0.1 Ｚｒ_0.1 ）Ｏ₂ などである。

充放電容量を増加させるために、リチウム亜鉛銅複合酸化物を用いることが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。このリチウム亜鉛銅複合酸化物は、一般式Ｌｉ_2-2xＺｎ_x ＣｕＯ₂ （０．０１≦ｘ≦０．４９）で表されるＬｉ_1.98Ｚｎ_0.01ＣｕＯ₂ などである。

大容量を実現するために、リチウムニッケル複合酸化物を用いることが提案されている（例えば、特許文献４，５参照。）。このリチウムニッケル複合酸化物は、一般式Ｌｉ₂ ＮｉＯ_2+y （０＜ｙ＜０．３）で表されるＬｉ₂ ＮｉＯ_2.2 などであり、または一般式Ｌｉ_2+x Ｎｉ_1-x Ｏ₂ （０＜ｙ＜１／７）で表されるＬｉ_2.05Ｎｉ_0.95Ｏ₂ などである。

電池容量およびサイクル特性を向上させるために、４．５Ｖ〜３Ｖ（リチウム基準）における初期のリチウムイオン離脱量に対する次のリチウムイオン再挿入量が８０％以上である第１リチウム層状化合物と１５％以下である第２リチウム層状化合物とを用いることが提案されている（例えば、特許文献６参照。）。第１リチウム層状化合物は、Ｃｏ、ＮｉおよびＮｉのうちの少なくとも１種を含有するＬｉＣｏＯ₂ などである。第２リチウム層状化合物は、Ｆｅ、ＭｎおよびＮｉのうちの少なくとも１種を含有するＬｉ_1.29（Ｎｉ_0.33Ｆｅ_0.33Ｍｎ_0.33）_0.71Ｏ₂ などである。

この他、関連技術として、負極に関する検討もなされている。具体的には、初回の充放電時に生じる不可逆容量を補填するために、負極活物質としてリチウム含有金属化合物を用いることが提案されている（例えば、特許文献７参照。）。このリチウム含有金属化合物は、少なくとも放電時においてリチウムを放出可能である。

不可逆容量を補填するために、金属リチウムを用いて、負極にリチウムを直接付与することが提案されている（例えば、特許文献８参照。）。

特開平０６−３４２６７３号公報 特開２００６−１２７９１１号公報 特開２０００−３４８７２１号公報 特開平０９−２４１０２７号公報 特開平０９−２４１０２６号公報 特開２０１０−００９８０６号公報 特開２００７−１７２９５４号公報 特開２００８−２９３９５４号公報

充放電を繰り返しても高い電池容量を得るためには、既に提案されているように、初回の充放電時において負極で生じる不可逆容量を補填することが有効である。そこで、正極活物質として、ＬｉＣｏＯ₂ などの一般的な高容量用途の複合酸化物と一緒に、補填用のＬｉ₂ ＮｉＯ₂ 系の複合酸化物が用いられている。このＬｉ₂ ＮｉＯ₂ 系の複合酸化物とは、Ｌｉ₂ ＮｉＯ₂ 、あるいはそのＮｉの一部が他の１種類または２種類以上の遷移金属元素に置き換えられた材料である。

しかしながら、Ｌｉ₂ ＮｉＯ₂ 系の複合酸化物を用いると、充放電時において生じるＮｉ₂ Ｏなどの分解反応により酸素ガスが発生するため、安全性が懸念される。よって、従来は、電池性能（電池容量特性）と安全性（ガス放出特性）とがトレードオフの関係にあるため、両者を両立させることが困難であった。

なお、金属リチウムを直接補填することが既に提案されているが、その金属リチウムは水分に対して極めて活性であるため、電極の取り扱いが困難になると共に製造コストが増大する可能性がある。

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、優れた電池容量特性およびガス放出特性を得ることが可能な正極活物質、正極、リチウムイオン二次電池、電動工具、電動車両および電力貯蔵システムを提供することにある。

本発明の正極活物質は、第１リチウム複合酸化物と、下記の式（１）で表される第２リチウム複合酸化物とを含むものである。ただし、単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、第１リチウム複合酸化物よりも第２リチウム複合酸化物において大きくなっている。

Ｌｉ_1+a （Ｎｉ_b Ｍ１_c Ｍ２_1-bー_c ）_1.5-0.5aＯ₂ ・・・（１）
（Ｍ１は長周期型周期表における１３族〜１５族の元素（ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）および窒素（Ｎ）を除く）のうちの少なくとも１種であり、Ｍ２は３族〜１２族の元素のうちの少なくとも１種である。ａは０．９５≦ａ≦１．０５、ｂは０＜ｂ≦０．９９、ｃは０＜ｃ≦０．１５である。）

本発明の正極は、上記した正極活物質を含むものである。また、本発明のリチウムイオン二次電池は、正極および負極と共に電解液を備え、その正極が上記した正極活物質を含むものである。さらに、本発明の電動工具、電動車両および電力貯蔵システムは、上記したリチウムイオン二次電池を用いるものである。

ここで、リチウム複合酸化物とは、リチウム（Ｌｉ）と共に１種類または２種類以上の遷移金属を構成元素として含む複合酸化物であり、さらに遷移金属元素以外の他の元素を含んでいてもよい。

第１リチウム複合酸化物の単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、その第１リチウム複合酸化物に固有の充電能力の実力値であり、リチウム金属を対極とする試験用の二次電池を作製して求められる。具体的には、第１リチウム複合酸化物およびリチウム金属をそれぞれ試験極および対極とする試験用の二次電池を作製したのち、その二次電池を充電させて充電容量（ｍＡｈ）を測定する。この充電容量を測定する場合の詳細な条件については、後述する実施例で説明している。測定した充電容量と第１リチウム複合酸化物の重量（ｇ）および真密度（ｇ／ｃｍ³ ）とから、単位体積当たりの充電容量（ｍＡｈ／ｃｍ³ ）＝［充電容量（ｍＡｈ）／重量（ｇ）］×真密度（ｇ／ｃｍ³ ）を算出する。なお、第２リチウム複合酸化物の単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）の算出方法も同様である。

本発明の正極活物質、正極またはリチウムイオン二次電池によれば、第１リチウム複合酸化物と式（１）に示した第２リチウム複合酸化物とを含んでおり、単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）が第１リチウム複合酸化物よりも第２リチウム複合酸化物において大きくなっている。この場合には、正極活物質または正極を用いたリチウムイオン二次電池が充放電されると、初回の充放電時において第２リチウム複合酸化物が優先的に用いられるため、その第２リチウム複合酸化物により不可逆容量が補填される。また、初回以降の充放電時において第１リチウム複合酸化物が優先的に用いられるため、その高エネルギー密度の第１リチウム複合酸化物により高い電池容量が得られる。しかも、第２リチウム複合酸化物がＭ１を構成元素として有しているため、充放電時において酸素ガスの発生が抑制される。よって、電池容量特性およびガス放出特性に関するトレードオフの関係が打破されるため、優れた電池容量特性およびガス放出特性を得ることができる。また、上記したリチウムイオン二次電池を用いた電動工具、電動車両および電力貯蔵システムにおいても、同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態の正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池（円筒型）の構成を表す断面図である。 図１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。 本発明の一実施形態の正極活物質を用いた他のリチウムイオン二次電池（ラミネートフィルム型）の構成を表す斜視図である。 図３に示した巻回電極体のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 試験用の二次電池（コイン型）の構成を表す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、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．正極活物質
２．正極活物質の適用例
２−１．正極およびリチウムイオン二次電池（円筒型）
２−２．正極およびリチウムイオン二次電池（ラミネートフィルム型）
３．リチウムイオン二次電池の用途

＜１．正極活物質＞
［正極活物質の構成］
本発明の一実施形態の正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池（以下、単に「二次電池」という。）の正極に用いられるものである。

この正極活物質は、第１リチウム複合酸化物と、下記の式（１）で表される第２リチウム複合酸化物とを含んでいる。ただし、単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、第１リチウム複合酸化物よりも第２リチウム複合酸化物において大きくなっている。

Ｌｉ_1+a （Ｎｉ_b Ｍ１_c Ｍ２_1-bー_c ）_1.5-0.5aＯ₂ ・・・（１）
（Ｍ１は長周期型周期表における１３族〜１５族の元素（ホウ素、炭素および窒素を除く）のうちの少なくとも１種であり、Ｍ２は３族〜１２族の元素のうちの少なくとも１種である。ａは０．９５≦ａ≦１．０５、ｂは０＜ｂ≦０．９９、ｃは０＜ｃ≦０．１５である。）

第１リチウム複合酸化物は、リチウム（Ｌｉ）と共に１種類または２種類以上の遷移金属等を構成元素として含むリチウム遷移金属複合酸化物である。この第１リチウム複合酸化物の種類は、単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）が第２リチウム複合酸化物よりも小さい化合物であれば、特に限定されない。

単位体積当たりの充電容量が相対的に小さい第１リチウム複合酸化物は、主に、二次電池の初回以降（２サイクル目以降）の充放電時において、正極活物質がリチウムイオンを吸蔵放出するために優先的に用いられるものである。

中でも、第１リチウム複合酸化物は、下記の式（２）〜式（４）で表される化合物のうちの少なくとも１種であることが好ましい。二次電池の実質的な使用時である初回以降の充放電時において、高いエネルギー密度（電池容量）が得られると共に、サイクル特性も向上するからである。

Ｌｉ_d Ｎｉ_1-e-f Ｍｎ_e Ｍ３_f Ｏ_2-g Ｘ_h ・・・（２）
（Ｍ３は長周期型周期表における２族〜１５族の元素（ニッケルおよびマンガンを除く））のうちの少なくとも１種であり、Ｘは１６族および１７族の元素（酸素（Ｏ）を除く）のうちの少なくとも１種である。ｄは０≦ｄ≦１．５、ｅは０≦ｅ≦１、ｆは０≦ｆ≦１、ｇは−０．１≦ｇ≦０．２、ｈは０≦ｈ≦０．２である。）

Ｌｉ_j Ｍｎ_2-k Ｍ４_k Ｏ_m Ｆ_n ・・・（３）
（Ｍ４はコバルト、ニッケル、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素、チタン、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄、銅、亜鉛、モリブデン、スズ、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）およびタングステン（Ｗ）のうちの少なくとも１種である。ｊはｊ≧０．９、ｋは０≦ｋ≦０．６、ｍは３．７≦ｍ≦４．１、ｎは０≦ｎ≦０．１である。）

Ｌｉ_p Ｍ５_q ＰＯ₄ ・・・（４）
（Ｍ５は長周期型周期表における２族〜１５族の元素のうちの少なくとも１種である。ｐは０≦ｐ≦２、ｑは０．５≦ｑ≦２である。）

式（２）に示した化合物は、いわゆる層状型である。式（２）において、Ｍ３の種類は、長周期型周期表における２族〜１５族の元素（ニッケルおよびマンガンを除く））のうちの少なくとも１種であれば特に限定されないが、例えば、コバルト、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、チタン、バナジウム、クロム、鉄、銅、亜鉛、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、スズ（Ｓｎ）、カルシウム、ストロンチウムおよびタングステンのうちの少なくとも１種である。また、Ｘの種類は、１６族および１７族の元素（酸素を除く）のうちの少なくとも１種であれば特に限定されないが、例えば、フッ素（Ｆ）などのハロゲンである。式（２）に示した化合物の具体例は、ＬｉＮｉＯ₂ 、ＬｉＣｏＯ₂ またはＬｉＮｉ_0.8 Ｃｏ_0.18Ａｌ_0.02Ｏ₂ などである。

式（３）に示した化合物は、いわゆるスピネル型であり、例えば、ＬｉＭｎ₂ Ｏ₄ などである。

式（４）に示した化合物は、いわゆるオリビン型である。式（４）において、Ｍ５の種類は、長周期型周期表における２族〜１５族の元素のうちの少なくとも１種であれば特に限定されないが、例えば、コバルト、マンガン、鉄、ニッケル、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、チタン、バナジウム、ニオブ（Ｎｂ）、銅、亜鉛、モリブデン、カルシウム、ストロンチウム、タングステンおよびジルコニウムのうちの少なくとも１種である。式（４）に示した化合物の具体例は、ＬｉＦｅＰＯ₄ などである。

第２リチウム複合酸化物は、リチウムと共に１種類または２種類以上の非遷移金属（Ｍ１）および１種類または２種類以上の遷移金属（Ｍ２）を構成元素として含むリチウムリッチの複合酸化物である。言い替えれば、第２リチウム複合酸化物は、ベース材料であるリチウムリッチのＬｉ_1+a ＮｉＯ₂ のうち、そのＮｉの一部がＭ１およびＭ２に置き換えられたものである。なお、第２リチウム複合酸化物は、そのベース材料であるＬｉ_1+a ＮｉＯ₂ と同等の耐湿性を有するため、塗布法などの既存の方法に適用可能である。

式（１）に示したＭ１の種類は、長周期型周期表における１３族〜１５族の元素のうちの少なくとも１種（ただし、ホウ素、炭素および窒素を除く）であれば、特に限定されない。Ｍ２の種類は、３族〜１１族の遷移金属元素のうちの少なくとも１種であれば、特に限定されない。なお、Ｍ１は必ず第２リチウム複合酸化物に含まれるのに対して、Ｍ２は必ずしも第２リチウム複合酸化物に含まれるとは限らない。

単位体積当たりの充電容量が相対的に大きい第２リチウム複合酸化物は、第１リチウム複合酸化物とは異なり、主に、二次電池の初回（１サイクル目）の充放電時において、正極活物質がリチウムイオンを吸蔵放出するために優先的に用いられるものである。二次電池の初回の充放電時には、負極の表面に安定な被膜（ＳＥＩ膜など）が形成されるため、不可逆容量が生じることが知られている。これに伴い、初回の充放電時において第１リチウム複合酸化物から吸蔵放出されるリチウムイオンは、主に、上記した被膜を形成する（不可逆容量を生じさせる）ために消費される。

なお、負極の負極活物質がケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を構成元素として含む金属系材料、あるいはその酸化物（例えばＳｉＯなど）である場合には、そのことによっても不可逆容量が生じる場合もある。初回の充放電時において正極活物質から放出されたリチウムイオンがケイ素等または酸素と不可逆的に結合するからである。上記した金属系材料は、例えば、ケイ素の単体、合金および化合物、ならびにスズの単体、合金および化合物のうちの少なくとも１種などであり、金属系材料の酸化物は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_x ：０．２＜ｘ＜１．４）などである。

中でも、式（１）に示したＭ１は、アルミニウム、ケイ素、インジウム（Ｉｎ）およびスズのうちの少なくとも１種であることが好ましく、アルミニウムおよびケイ素のうちの少なくとも一方がより好ましい。電池容量にほとんど影響を与えずに、酸素ガスの発生が抑制されるからである。また、Ｍ２は、銅、コバルト、マンガン、鉄、亜鉛、イットリウム（Ｙ）、チタンおよびモリブデンのうちの少なくとも１種であることが好ましく、銅、コバルト、マンガン、鉄、亜鉛およびチタンのうちの少なくとも１種であることがより好ましい。第２リチウム複合酸化物の単位体積当たりの充電容量が確保されるからである。

ここで、正極活物質が第１および第２リチウム複合酸化物を含んでいるのは、上記した第１および第２リチウム複合酸化物の役割分担により、二次電池の実質的な使用時である初回以降の充放電時において、高い電池容量が安定して得られるからである。

詳細には、初回の充放電時において、第２リチウム複合酸化物は、不可逆容量を生じさせるために優先的に消費されるのに対して、第１リチウム複合酸化物は、ほとんど消費されずに維持される。すなわち、第２リチウム複合酸化物は、本来であれば不可逆容量を生じさせるために消費されるはずである第１リチウム複合酸化物を肩代わり（補填）する役割を果たす。これにより、初回以降の充放電時において使用可能な第１リチウム複合酸化物の絶対量が確保されるため、その初回以降の充放電時において第１リチウム複合酸化物により高い電池容量が安定して得られる。この場合には、初回の充放電時において第２リチウム複合酸化物が実質的に消費されるため、初回以降の充放電時において第２リチウム複合酸化物を用いずに第１リチウム複合酸化物だけを用いた場合と同等のサイクル特性も得られる。

上記した利点は、特に、二次電池において負極の充放電効率が正極の充放電効率よりも低い場合において効果的である。

詳細には、負極活物質として金属系材料を用いた場合には、充放電時において負極が激しく膨張収縮することを抑制するために、その負極の利用率を低くする（負極容量よりも正極容量を低くする）ことが好ましい。この場合には、負極の全充電容量に対してＳＥＩ膜の形成等に消費されるリチウムイオンの割合が多くなるため、負極の充放電効率が低下する。また、負極活物質として金属系材料の酸化物を用いた場合には、金属系材料を用いた場合よりも負極の膨張収縮が抑制されるため、その負極の利用率を高くできるが、初回の充放電時においてリチウムイオンの一部が酸素と不可逆的に結合するため、やはり負極の充放電効率が低下する。

この点に関して、正極活物質が第１および第２リチウム複合酸化物を含んでいると、上記したように、初回の充放電時において消費される第１リチウム複合酸化物の絶対量が少なく抑えられると共に、初回以降の充放電時において電池容量を生じさせるために使用される第１リチウム複合酸化物の絶対量が確保される。よって、負極の充放電効率が低くても、可能な限り高い電池容量が得られる。これらのことから、第１および第２リチウム複合酸化物を含む正極活物質は、負極の充放電効率が正極の充放電効率よりも低い場合において特に有効である。

この他、正極活物質が第１および第２リチウム複合酸化物を含んでいると、第２リチウム複合酸化物が約２．５Ｖ以下（対リチウム金属標準電位）に放電容量を有しているため、二次電池の過放電時において第１リチウム複合酸化物の分解反応が抑制される。また、第１リチウム複合酸化物としてコバルト含有酸化物（例えばＬｉＣｏＯ₂ など）を用いる場合には、第２リチウム複合酸化物として非コバルト含有複合酸化物を用いると、高価なコバルトの使用量が減少するため、コスト面でも利点が得られる。

単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）が第１リチウム複合酸化物よりも第２リチウム複合酸化物において大きいのは、初回の充放電時において被膜を形成する（不可逆容量を生じさせる）ために第１リチウム複合酸化物よりも第２リチウム複合酸化物が優先的に消費されるため、その第２リチウム複合酸化物の消費量が少なくて済むからである。これにより、初回以降の充放電時において電池容量を得るために使用可能な第１リチウム複合酸化物の絶対量（正極活物質全体に占める割合）が確保されるため、電池容量が高くなる。参考までに説明しておくと、単位体積当たりの充電容量（充電時のカットオフ電圧＝４．３Ｖ）は、第１リチウム複合酸化物（ＬｉＮｉＯ₂ またはＬｉＣｏＯ₂ ）において約８００ｍＡｈ／ｃｍ³ 〜１０００ｍＡｈ／ｃｍ³ 、第２リチウム複合酸化物のベース材料（Ｌｉ₂ ＮｉＯ₂ ）において約１３００ｍＡｈ／ｃｍ³ 〜１４５１ｍＡｈ／ｃｍ³ である。

第２リチウム複合酸化物がＭ１を構成元素として含んでいるのは、そのＭ１を含んでいない場合と比較して、充放電時において酸素ガスの発生が抑制されるからである。

詳細には、リチウムリッチのＬｉ₂ ＮｉＯ₂ などでは、充放電時において１分子当たり１個以上のリチウムイオンが離脱（デインターカレート）すると、Ｎｉ₂ Ｏが生じる。このＮｉ₂ Ｏは、構造上不安定であるため、自己分解反応によりＮｉＯおよびＯ₂ に分解しやすい傾向にある。このため、正極の電位（対リチウム金属標準電位）が約３．８Ｖよりも高くなると、その正極において酸素ガスが発生する。この酸素ガスは、電池膨れの発生や、電池特性（負荷特性など）および安全性の低下だけでなく、導電パスの遮断による充放電の異常停止なども引き起こす要因となる。この点に関して、上記したＭ１を構成元素として含む第２リチウム複合酸化物では、Ｎｉ₂ Ｏの自己分解反応が抑制されるため、酸素ガスが発生しにくくなる。

第２リチウム複合酸化物のうち、リチウムおよび酸素以外の成分（Ｎｉ_b Ｍ１_c Ｍ２_1-bー_c ）におけるＭ１の割合（ｃ）は、モル比で１５％以下であることが好ましく、１％以上１５％以下であることがより好ましい。電池容量が大きく減少せずに、Ｎｉ₂ Ｏの自己分解反応が抑制されるからである。Ｍ１の割合が１５％よりも多くなると、Ｎｉなどの割合が相対的に少なくなるため、電池容量が減少しすぎる可能性がある。また、第２リチウム複合酸化物の形成時において、後述する焼成温度を調整しても、単位体積当たりの充電容量が第１リチウム複合酸化物よりも高くなりにくい可能性がある。一方、Ｍ１の割合が１％よりも少ないと、Ｍ１が根本的に少なすぎるため、Ｎｉ₂ Ｏの自己分解反応が十分に抑制されない可能性がある。

第２リチウム複合酸化物がＮｉを必須の構成元素として含んでいるのは、Ｃｕなどを必須の構成元素として含んでいる場合と比較して、酸化還元時における価数補償の観点から第２リチウム複合酸化物の自己分解反応が抑制されるため、酸素ガスが発生しにくくなるからである。また、第２リチウム複合酸化物がＭ２を構成元素として含んでいるのは、不可逆容量を補填するために用いられる第１リチウム複合酸化物の単位体積当たりの充電容量が増大するからである。

なお、第２リチウム複合酸化物は、例えば、原料（Ｌｉ、Ｎｉ、Ｍ１およびＭ２を含む２種類以上の酸化物）を混合したのち、その混合物を所定の温度（焼成温度）で焼成して形成される。この焼成温度は、安定な結晶構造を有する第２リチウム複合酸化物を形成できるか否かだけでなく、その単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）にも影響を与える。よって、第１リチウム複合酸化物よりも第２リチウム複合酸化物において単位体積当たりの充電容量を大きくするためには、焼成温度を適正に設定する必要がある。この適正な焼成温度は、例えば、約６００℃〜８３０℃である。焼成温度が６００℃よりも低いと、第２リチウム複合酸化物の結晶性が低下するため、充放電時において酸素ガスが発生しやすくなる可能性がある。一方、焼成温度が８３０℃よりも高いと、原料の酸化物（例えばＮｉＯなど）が安定化するため、第２リチウム複合酸化物を形成することが困難になる可能性がある。

上記した第１リチウム複合酸化物の特性値、すなわち単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、上記したように、その第１リチウム複合酸化物に固有の充電能力の実力値であるため、リチウム金属を対極とする試験用の二次電池を作製して求められる。なお、第２リチウム複合酸化物の特性値についても、同様の手順により求められる。

単位体積当たりの充電容量を求める場合には、第１リチウム複合酸化物およびリチウム金属をそれぞれ試験極および対極とする試験用の二次電池を作製したのち、その二次電池を充電させて充電容量（ｍＡｈ）を測定する。この充電容量と第１リチウム複合酸化物の重量（ｇ）および真密度（ｇ／ｃｍ³ ）とに基づいて、単位体積当たりの充電容量（ｍＡｈ／ｃｍ³ ）＝［充電容量（ｍＡｈ）／重量（ｇ）］×真密度（ｇ／ｃｍ³ ）を算出する。この充電容量（ｍＡｈ）の測定条件については、後述する実施例で説明している。

なお、正極活物質が二次電池に組み込まれている場合には、後述するように、正極のうち、絶縁性の保護テープの存在に起因して充放電が行われない領域において、第１および第２リチウム複合酸化物の特性値を調べることが好ましい。この領域では充放電前の状態（未充放電状態）が維持されているため、充放電の有無に関係せずに第１および第２リチウム複合酸化物の特性値を調べることができるからである。

第１および第２リチウム複合酸化物の混合比は、特に限定されないが、中でも、第１リチウム複合酸化物の割合は第２リチウム複合酸化物の割合よりも多いことが好ましい。初回の充放電時において、最低限の量の第２リチウム複合酸化物により不可逆容量を補填しつつ、初回以降の充放電時において、十分な量の第２リチウム複合酸化物により高い電池容量を安定して得る必要があるからである。

より具体的には、初回の充放電時において負極で生じる不可逆容量がその負極の全充電容量（対正極）に対してＺ％であるとき、第１および第２リチウム複合酸化物における第２リチウム複合酸化物の割合は、その第２リチウム複合酸化物の充電容量（対負極）が正極の全充電容量に対してＺ％以下となるように設定されることが好ましい。一例を挙げると、不可逆容量が負極の全充電容量に対して３０％であるとき、第２リチウム複合酸化物の割合は、その充電容量が正極の全充電容量に対して３０％以下となるように設定されることが好ましい。

［正極活物質の分析方法］
正極活物質が第１および第２リチウム複合酸化物を含んでいることを確認するためには、各種の元素分析法を用いて正極活物質を分析すればよい。この元素分析法は、例えば、Ｘ線回折（ＸＲＤ：x-ray diffraction ）法、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：inductively coupled plasma）発光分光分析法、ラマン分光分析法またはエネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＸ：energy dispersive x-ray spectrometry）などである。

なお、二次電池において充放電が行われる領域（正極と負極とが対向している領域）では、充放電により第１および第２リチウム複合酸化物の結晶構造が変化するため、Ｘ線回折法などでは充放電後において第１および第２リチウム複合酸化物の結晶構造を確認できない可能性がある。しかしながら、正極に充放電が行われない領域（未充放電領域）が存在する場合には、その領域において元素分析することが好ましい。この未充放電領域では充放電前の結晶構造が維持されているため、充放電の有無に関係せずに正極活物質の組成を分析できるからである。この「未充放電領域」は、例えば、安全性確保のために正極（正極活物質層）の端部表面に絶縁性の保護テープが貼り付けられているため、その絶縁性の保護テープの存在に起因して正極と負極との間で充放電を行うことができない領域などである。

［正極活物質の使用条件］
この正極活物質を用いた二次電池を充放電させる場合には、初回の充電時と初回以降の充電時とにおいて充電電圧を等しくしてもよいし、初回以降の充電時よりも初回の充電時において充電電圧を高くしてもよい。後者の場合には、初回の充放電時において負極の不可逆容量を生じさせるためにリチウムリッチの第２リチウム複合酸化物が優先的かつ十分に消費されやすくなるからである。ただし、第２リチウム複合酸化物の分解反応を抑制するために、初回の充電時における充電電圧は４．６Ｖ以下であることが好ましい。

［正極活物質の作用および効果］
この正極活物質によれば、第１リチウム複合酸化物と、式（１）に示した第２リチウム複合酸化物とを含んでいると共に、単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、第１リチウム複合酸化物よりも第２リチウム複合酸化物において大きくなっている。この場合には、正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池が充放電されると、初回の充放電時において第２リチウム複合酸化物により不可逆容量が補填されると共に、初回以降の充放電時において第１リチウム複合酸化物により高い電池容量が得られる。しかも、第２リチウム複合酸化物がＭ１を構成元素として含んでいるため、充放電時において酸素ガスの発生が抑制される。よって、電池容量特性およびガス放出特性に関するトレードオフの関係が打破されるため、優れた電池容量特性およびガス放出特性を得ることができる。

＜２．正極活物質の適用例＞
次に、上記した正極活物質の適用例について説明する。この正極活物質は、例えば、リチウムイオン二次電池の正極に用いられる。

＜２−１．正極およびリチウムイオン二次電池（円筒型）＞
図１および図２は、二次電池の一例である円筒型のリチウムイオン二次電池の断面構成を表しており、図２では、図１に示した巻回電極体２０の一部を拡大している。

［二次電池の全体構成］
この二次電池は、主に、ほぼ中空円柱状の電池缶１１の内部に巻回電極体２０および一対の絶縁板１２，１３が収納されたものである。この巻回電極体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る。

電池缶１１は、一端部が閉鎖されると共に他端部が開放された中空構造を有していると共に、例えば、鉄、アルミニウムまたはそれらの合金などにより形成されている。なお、電池缶１１が鉄製である場合には、その電池缶１１の表面にニッケルなどが鍍金されていてもよい。一対の絶縁板１２，１３は、巻回電極体２０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１１の開放端部には、電池蓋１４、安全弁機構１５および熱感抵抗素子（Positive Temperature Coefficient：ＰＴＣ素子）１６がガスケット１７を介してかしめられている。これにより、電池缶１１は密閉されている。電池蓋１４は、例えば、電池缶１１と同様の材料により形成されている。安全弁機構１５および熱感抵抗素子１６は、電池蓋１４の内側に設けられており、その安全弁機構１５は、熱感抵抗素子１６を介して電池蓋１４と電気的に接続されている。この安全弁機構１５では、内部短絡、また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１５Ａが反転して電池蓋１４と巻回電極体２０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１６は、温度上昇に応じた抵抗増加により、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１７は、例えば、絶縁材料により形成されており、その表面には、アスファルトが塗布されていてもよい。

巻回電極体２０の中心には、センターピン２４が挿入されていてもよい。正極２１には、アルミニウムなどの導電性材料により形成された正極リード２５が接続されていると共に、負極２２には、ニッケルなどの導電性材料により形成された負極リード２６が接続されている。正極リード２５は、安全弁機構１５に溶接などされ、電池蓋１４と電気的に接続されていると共に、負極リード２６は、電池缶１１に溶接などされ、それと電気的に接続されている。

［正極］
正極２１は、例えば、正極集電体２１Ａの片面または両面に正極活物質層２１Ｂが設けられたものである。正極集電体２１Ａは、例えば、アルミニウム、ニッケルまたはステンレスなどの導電性材料により形成されている。正極活物質層２１Ｂは、上記した正極活物質（第１および第２リチウム複合酸化物）を含んでおり、必要に応じて正極結着剤または正極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。

正極結着剤は、例えば、合成ゴムまたは高分子材料などのいずれか１種類または２種類以上である。合成ゴムは、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムまたはエチレンプロピレンジエンなどである。高分子材料は、例えば、ポリフッ化ビニリデンまたはポリイミドなどである。

正極導電剤は、例えば、炭素材料などのいずれか１種類または２種類以上である。炭素材料は、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラックまたはケチェンブラックなどである。なお、正極導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料または導電性高分子などでもよい。

［負極］
負極２２は、例えば、負極集電体２２Ａの片面または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は、例えば、銅、ニッケルまたはステンレスなどの導電性材料により形成されている。この負極集電体２２Ａ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２２Ａに対する負極活物質層２２Ｂ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２２Ｂと対向する領域において、負極集電体２２Ａ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、電解処理で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、電解槽中で電解法により負極集電体２２Ａの表面に微粒子を形成して凹凸を設ける方法である。電解法で作製された銅箔は、一般に電解銅箔と呼ばれている。

負極活物質層２２Ｂは、負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵放出可能な負極材料のいずれか１種類または２種類以上を含んでおり、必要に応じて負極結着剤または負極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。なお、負極結着剤および負極導電剤に関する詳細は、例えば、それぞれ正極結着剤および正極導電剤と同様である。この負極活物質層２２Ｂでは、例えば、充放電時において意図せずにリチウム金属が析出することを防止するために、負極材料の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。

負極材料は、例えば、炭素材料である。リチウムイオンの吸蔵放出時における結晶構造の変化が非常に少ないため、高いエネルギー密度および優れたサイクル特性が得られるからである。また、負極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、または（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、活性炭またはカーボンブラック類などである。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスまた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、フェノールこの他、炭素材料は、約１０００℃以下で熱処理された低結晶性炭素または非晶質炭素でもよい。樹脂または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。この他、炭素材料は、約１０００℃以下で熱処理された低結晶性炭素または非晶質炭素でもよい。なお、炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状または鱗片状のいずれでもよい。

また、負極材料は、例えば、金属元素および半金属元素のいずれか１種類または２種類以上を構成元素として含む材料（金属系材料）である。高いエネルギー密度が得られるからである。この金属系材料は、金属元素または半金属元素の単体、合金または化合物でもよいし、それらの２種類以上でもよいし、それらの１種類または２種類以上の相を少なくとも一部に含むものでもよい。なお、本発明における合金には、２種類以上の金属元素からなる材料に加えて、１種類以上の金属元素と１種類以上の半金属元素とを含む材料も含まれる。また、合金は、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には、固溶体、共晶（共融混合物）、金属間化合物、またはそれらの２種類以上の共存物などがある。

上記した金属元素または半金属元素は、例えば、リチウムと合金を形成可能な金属元素または半金属元素であり、具体的には、以下の元素の１種類または２種類以上である。マグネシウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ケイ素、ゲルマニウム（Ｇｅ）、スズまたは鉛（Ｐｂ）である。ビスマス（Ｂｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、銀（Ａｇ）、亜鉛、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウムイットリウム、パラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）である。中でも、ケイ素およびスズのうちの少なくとも一方が好ましい。リチウムイオンを吸蔵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。

ケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を構成元素として含む材料は、ケイ素またはスズの単体、合金または化合物でもよいし、それらの２種類以上でもよいし、それらの１種類または２種類以上の相を少なくとも一部に含むものでもよい。なお、単体とは、あくまで一般的な意味合いでの単体（微量の不純物を含んでいてもよい）であり、必ずしも純度１００％を意味しているわけではない。

ケイ素の合金は、例えば、ケイ素以外の構成元素として以下の元素の１種類または２種類以上を含む材料である。スズ、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、アンチモンまたはクロムである。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または炭素を含む材料が挙げられる。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元素のいずれか１種類または２種類以上を含んでいてもよい。

ケイ素の合金または化合物は、例えば、以下の材料などである。ＳｉＢ₄ 、ＳｉＢ₆ 、Ｍｇ₂ Ｓｉ、Ｎｉ₂ Ｓｉ、ＴｉＳｉ₂ 、ＭｏＳｉ₂ 、ＣｏＳｉ₂ 、ＮｉＳｉ₂ 、ＣａＳｉ₂ 、ＣｒＳｉ₂ 、Ｃｕ₅ Ｓｉ、ＦｅＳｉ₂ 、ＭｎＳｉ₂ 、ＮｂＳｉ₂ またはＴａＳｉ₂ である。ＶＳｉ₂ 、ＷＳｉ₂ 、ＺｎＳｉ₂ 、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、Ｓｉ₂ Ｎ₂ Ｏ、ＳｉＯ_v （０＜ｖ≦２）またはＬｉＳｉＯである。なお、ＳｉＯ_v におけるｖは、０．２＜ｖ＜１．４でもよい。

スズの合金は、例えば、スズ以外の構成元素として以下の元素の１種類または２種類以上を含む材料などである。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、アンチモンまたはクロムである。スズの化合物としては、例えば、酸素または炭素を構成元素として含む材料などが挙げられる。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元素のいずれか１種類または２種類以上を含んでいてもよい。スズの合金または化合物としては、例えば、ＳｎＯ_w （０＜ｗ≦２）、ＳｎＳｉＯ₃ 、ＬｉＳｎＯまたはＭｇ₂ Ｓｎなどが挙げられる。

また、スズを含む材料としては、例えば、スズを第１構成元素とし、それに加えて第２および第３構成元素を含む材料が好ましい。第２構成元素は、例えば、以下の元素の１種類または２種類以上である。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、ガリウムまたはジルコニウムである。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（Ｗ）、ビスマスまたはケイ素である。第３構成元素は、例えば、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリンの１種類または２種類以上である。第２および第３構成元素を含むと、高い電池容量および優れたサイクル特性などが得られるからである。

中でも、スズ、コバルトおよび炭素を含む材料（ＳｎＣｏＣ含有材料）が好ましい。ＳｎＣｏＣ含有材料の組成としては、例えば、炭素の含有量が９．９質量％〜２９．７質量％であり、スズおよびコバルトの含有量の割合（Ｃｏ／（Ｓｎ＋Ｃｏ））が２０質量％〜７０質量％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、低結晶性または非晶質であることが好ましい。この相は、リチウム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。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で１．０°以上であることが好ましい。リチウムイオンがより円滑に吸蔵放出されると共に、電解液との反応性が低減するからである。なお、ＳｎＣｏＣ含有材料は、低結晶性また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含んでいる場合もある。

Ｘ線回折により得られた回折ピークがリチウム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れば容易に判断できる。例えば、リチウムとの電気化学的反応の前後で回折ピークの位置が変化すれば、リチウムと反応可能な反応相に対応するものである。この場合には、例えば、低結晶性または非晶質の反応相の回折ピークが２θ＝２０°〜５０°の間に見られる。このような反応相は、例えば、上記した各構成元素を有しており、主に、炭素の存在に起因して低結晶化または非晶質化しているものと考えられる。

ＳｎＣｏＣ含有材料では、構成元素であ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ことが好ましい。スズなどの凝集または結晶化が抑制されるからである。元素の結合状態については、例えば、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：x-ray photoelectron spectroscopy）で確認できる。市販の装置では、例えば、軟Ｘ線としてＡｌ−Ｋα線またはＭｇ−Ｋα線などが用いられる。炭素の少なくとも一部が金属元素または半金属元素などと結合している場合には、炭素の１ｓ軌道（Ｃ１ｓ）の合成波のピークは２８４．５ｅＶよりも低い領域に現れる。なお、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ているものとする。この際、通常、物質表面には表面汚染炭素が存在しているため、表面汚染炭素のＣ１ｓのピークを２８４．８ｅＶとし、それをエネルギー基準とする。ＸＰＳ測定では、Ｃ１ｓのピークの波形が表面汚染炭素のピークとＳｎＣｏＣ含有材料中の炭素のピークとを含んだ形で得られるため、例えば、市販のソフトウエアを用いて解析して、両者のピークを分離する。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。

なお、ＳｎＣｏＣ含有材料は、必要に応じて、さらに他の構成元素を含んでいてもよい。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、ガリウムおよびビスマスの１種類または２種類以上が挙げられる。

このＳｎＣｏＣ含有材料の他、スズ、コバルト、鉄および炭素を含む材料（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％〜２９．７質量％であり、鉄の含有量は０．３質量％〜５．９質量％であり、スズおよびコバルトの含有量の割合（Ｃｏ／（Ｓｎ＋Ｃｏ））は３０質量％〜７０質量％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％〜２９．７質量％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％〜４８．５質量％であり、コバルトおよび鉄の含有量の割合（Ｃｏ／（Ｃｏ＋Ｆｅ））は９．９質量％〜７９．５質量％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（半値幅など）は、上記したＳｎＣｏＣ含有材料と同様である。

また、他の負極材料は、例えば、金属酸化物または高分子化合物などである。金属酸化物は、例えば、酸化鉄、酸化ルテニウムまた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、ポリアニリンまたはポリピロールなどである。

負極活物質層２２Ｂは、例えば、塗布法、気相法、液相法、溶射法または焼成法（焼結法）、あるいはそれらの２種類以上の方法により形成されている。塗布法とは、例えば、粒子状の負極活物質を結着剤などと混合したのち、有機溶剤などの溶媒に分散させて塗布する方法である。気相法としては、例えば、物理堆積法または化学堆積法などが挙げられる。具体的には、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、熱化学気相成長、化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition ）法またはプラズマ化学気相成長法などである。液相法としては、例えば、電解鍍金法または無電解鍍金法などが挙げられる。溶射法とは、負極活物質を溶融状態または半溶融状態で吹き付ける方法である。焼成法とは、例えば、塗布法と同様の手順で塗布したのち、結着剤などの融点よりも高い温度で熱処理する方法である。焼成法については、公知の手法を用いることができる。一例としては、例えば、雰囲気焼成法、反応焼成法またはホットプレス焼成法などが挙げられる。

なお、負極活物質層２２Ｂの空隙率（体積％）は、特に限定されないが、中でも、３０％以下であることが好ましい。負極活物質層２２Ｂの表面積が十分に小さく抑えられ、充電時において正極２１から発生した酸素ガスによる負極活物質層２２Ｂの酸化および電解液の分解が抑制されるため、電池容量が低下しにくくなるからである。この空隙率は、負極活物質層２２Ｂの圧縮成型時におけるプレス圧に応じて決定される。また、空隙率は、負極活物質層の厚さおよび重さと、その負極活物質層に含まれる各材料の真密度とに基づいて算出される。

［セパレータ］
セパレータ２３は、正極２１と負極２２とを隔離して、両極の接触に起因する電流の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には、液状の電解質（電解液）である電解液が含浸されている。セパレータ２３は、例えば、合成樹脂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おり、それらの２種類以上の多孔質膜が積層されたものでもよい。合成樹脂は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンまたはポリエチレンなどである。

［電解液］
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、以下で説明する非水溶媒（有機溶媒）のいずれか１種類または２種類以上である。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−ジメトキシエタンまたはテトラヒドロフランである。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−ジオキサンまたは１，４−ジオキサンである。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またはトリメチル酢酸エチルである。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またはＮ−メチルオキサゾリジノンである。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、燐酸トリメチルまたはジメチルスルホキシドである。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。

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。より優れた特性が得られるからである。この場合には、炭酸エチレンまた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、炭酸エチルメチルまた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、１または２以上の不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステル（不飽和炭素結合環状炭酸エステル）でもよい。充放電時において負極２２表面に安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応が抑制されるからである。不飽和炭素結合環状炭酸エステルは、例えば、炭酸ビニレンまたは炭酸ビニルエチレンなどである。なお、非水溶媒中における不飽和炭素結合環状炭酸エステルの含有量は、例えば、０．０１重量％以上１０重量％以下である。電池容量を低下させすぎずに、電解液の分解反応が抑制されるからである。

また、溶媒は、１または２以上のハロゲン基を有する鎖状炭酸エステル（ハロゲン化鎖状炭酸エステル）、および１または２以上のハロゲン基を有する環状炭酸エステル（ハロゲン化環状炭酸エステル）のうちの少なくとも１種でもよい。充放電時において負極２２表面に安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応が抑制されるからである。ハロゲン基の種類は、特に限定されないが、中でも、フッ素基、塩素基または臭素基が好ましく、フッ素基がより好ましい。高い効果が得られるからである。ただし、ハロゲン基の数は、１つよりも２つが好ましく、さらに３つ以上でもよい。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。ハロゲン化鎖状炭酸エステルは、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス（フルオロメチル）または炭酸ジフルオロメチルメチルなどである。ハロゲン化環状炭酸エステルは、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンまたは４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンなどである。なお、非水溶媒中におけるハロゲン化鎖状炭酸エステルおよびハロゲン化環状炭酸エステルの含有量は、例えば、０．０１重量％以上５０重量％以下である。電池容量を低下させすぎずに、電解液の分解反応が抑制されるからである。

また、溶媒は、スルトン（環状スルホン酸エステル）でもよい。電解液の化学的安定性が向上するからである。スルトンは、例えば、プロパンスルトンまたはプロペンスルトンなどである。なお、非水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。電池容量を低下させすぎずに、電解液の分解反応が抑制されるからである。

さらに、溶媒は、酸無水物でもよい。電解液の化学的安定性がより向上するからである。酸無水物は、例えば、例えば、ジカルボン酸無水物、ジスルホン酸無水物またはカルボン酸スルホン酸無水物などである。ジカルボン酸無水物は、例えば、無水コハク酸、無水グルタル酸また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または無水プロパンジスルホン酸などである。カルボン酸スルホン酸無水物は、例えば、無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸または無水スルホ酪酸などである。なお、非水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。電池容量を低下させすぎずに、電解液の分解反応が抑制されるからである。

［電解質塩］
電解質塩は、例えば、以下で説明するリチウム塩のいずれか１種類または２種類以上である。ただし、電解質塩は、リチウム塩以外の他の塩（例えばリチウム塩以外の軽金属塩）でもよい。

リチウム塩は、例えば、以下の化合物などである。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 ）または六フッ化ヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ₆ ）である。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 ）またはテトラクロロアルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＣｌ₄ ）である。六フッ化ケイ酸二リチウム（Ｌｉ₂ ＳｉＦ₆ ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）または臭化リチウム（ＬｉＢｒ）である。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。

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。

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。

なお、電解液は、溶媒および電解質塩と共に、各種の添加剤を含んでいてもよい。この添加剤の種類は、特に限定されないが、例えば、ヘテロポリ酸またはその化合物（以下、「ヘテロポリ酸等」という。）である。ヘテロポリ酸等は、酸素ガスを吸収する性質を有するため、充放電時において、酸素ガスの発生量がより減少するからである。ヘテロポリ酸等は、例えば、ケイタングステン酸（Ｈ₄ ［ＳｉＷ₁₂Ｏ₄₀］・ｎＨ₂ Ｏ：ｎ≒３０）などである。ただし、ヘテロポリ酸等の添加剤は、正極２１、負極２２および電解液のうちの少なくとも１つに含有されていればよい。

［二次電池の動作］
この二次電池では、例えば、充電時において、正極２１から放出されたリチウムイオンが電解液を介して負極２２に吸蔵される。また、例えば、放電時において、負極２２から放出されたリチウムイオンが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（第１および第２リチウム複合酸化物）と、必要に応じて正極結着剤および正極導電剤などとを混合して正極合剤としたのち、有機溶剤など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、正極集電体２１Ａの両面に正極合剤スラリーを塗布してから乾燥させて、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、圧縮成型を複数回繰り返してもよい。

次に、上記した正極２１と同様の手順により、負極２２を作製する。この場合には、負極活物質と、必要に応じて負極結着剤および負極導電剤などとを混合した負極合剤を有機溶剤などに分散させて、ペースト状の負極合剤スラリーとする。続いて、負極集電体２２Ａの両面に負極合剤スラリーを塗布してから乾燥させて負極活物質層２２Ｂを形成したのち、必要に応じて負極活物質層２２Ｂを圧縮成型する。

なお、正極２１とは異なる手順により、負極２２を作製してもよい。この場合には、例えば、蒸着法などの気相法を用いて負極集電体２２Ａの両面に負極材料を堆積させて、負極活物質層２２Ｂを形成する。

最後に、正極２１および負極２２を用いて二次電池を組み立てる。最初に、正極集電体２１Ａに正極リード２５を溶接などして取り付けると共に、負極集電体２２Ａに負極リード２６を溶接などして取り付ける。続いて、セパレータ２３を介して正極２１と負極２２とを積層および巻回させて巻回電極体２０を作製したのち、その巻回中心にセンターピン２４を挿入する。続いて、一対の絶縁板１２，１３で挟みながら、巻回電極体２０を電池缶１１の内部に収納する。この場合には、正極リード２５の先端部を安全弁機構１５に溶接などして取り付けると共に、負極リード２６の先端部を電池缶１１に溶接などして取り付ける。続いて、電池缶１１の内部に電解液を注入してセパレータ２３に含浸させる。最後に、ガスケット１７を介して電池缶１１の開口端部に電池蓋１４、安全弁機構１５および熱感抵抗素子１６をかしめる。これにより、図１および図２に示した二次電池が完成する。

［二次電池の作用および効果］
この円筒型のリチウムイオン二次電池によれば、正極２１の正極活物質層２１Ｂが上記した正極活物質（第１および第２リチウム複合酸化物）を含んでいるので、高い電池容量が安定して得られると共に、酸素ガスの発生が抑制される。よって、優れた電池容量特性およびガス放出特性を得ることができる。

特に、負極２２の負極活物質として不可逆容量が大きくなる材料を用いた場合において、より高い効果を得ることができる。このような材料としては、ケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を構成元素として含む材料（特に、酸化ケイ素（ＳｉＯ_x ：０．２＜ｘ＜１．４））や、炭素材料（低結晶性炭素または非晶質炭素）などが挙げられる。

＜２−２．正極およびリチウムイオン二次電池（ラミネートフィルム型）＞
図３は、ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池の分解斜視構成を表しており、図４は、図３に示した巻回電極体３０のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を拡大して示している。以下では、既に説明した円筒型のリチウムイオン二次電池の構成要素を随時引用する。

［二次電池の全体構成］
この二次電池は、主に、フィルム状の外装部材４０の内部に巻回電極体３０が収納されたものである。この巻回電極体３０は、セパレータ３５および電解質層３６を介して正極３３と負極３４とが積層および巻回されたものである。正極３３には正極リード３１が取り付けられていると共に、負極３４には負極リード３２が取り付けられている。この巻回電極体３０の最外周部は、保護テープ３７により保護されている。

正極リード３１および負極リード３２は、例えば、外装部材４０の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極リード３１は、例えば、アルミニウムなどの導電性材料により形成されていると共に、負極リード３２は、例えば、銅、ニッケルまたはステンレスなどの導電性材料により形成されている。これらの材料は、例えば、薄板状または網目状になっている。

外装部材４０は、例えば、融着層、金属層および表面保護層がこの順に積層されたラミネートフィルムである。このラミネートフィルムでは、例えば、融着層が巻回電極体３０と対向するように、２枚のフィルムの融着層における外周縁部同士が融着、または接着剤などにより貼り合わされている。融着層は、例えば、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどのフィルムである。金属層は、例えば、アルミニウム箔などである。表面保護層は、例えば、ナイロンまたはポリエチレンテレフタレートなどのフィルムである。

中でも、外装部材４０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４０は、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、または金属フィルムでもよい。

外装部材４０と正極リード３１および負極リード３２との間には、外気の侵入を防止するために密着フィルム４１が挿入されている。この密着フィルム４１は、正極リード３１および負極リード３２に対して密着性を有する材料により形成されている。このような材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンまたは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂である。

正極３３は、例えば、正極集電体３３Ａの両面に正極活物質層３３Ｂが設けられたものである。負極３４は、例えば、負極集電体３４Ａの両面に負極活物質層３４Ｂが設けられたものである。正極集電体３３Ａ、正極活物質層３３Ｂ、負極集電体３４Ａおよび負極活物質層３４Ｂの構成は、それぞれ正極集電体２１Ａ、正極活物質層２１Ｂ、負極集電体２２Ａおよび負極活物質層２２Ｂの構成と同様である。また、セパレータ３５の構成は、セパレータ２３の構成と同様である。

電解質層３６は、高分子化合物により電解液が保持されたものであり、必要に応じて添加剤などの他の材料を含んでいてもよい。この電解質層３６は、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。

高分子化合物は、例えば、以下の高分子材料などのいずれか１種類または２種類以上である。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、ポリシロキサンまたはポリフッ化ビニルである。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、ポリスチレンまたはポリカーボネートである。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。中でも、ポリフッ化ビニリデン、また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、円筒型について説明した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３６において、電解液の非水溶媒とは、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材料まで含む広い概念である。よって、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、ゲル状の電解質層３６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３５に含浸される。

［リチウムイオン二次電池の動作］
この二次電池では、例えば、充電時において、正極３３から放出されたリチウムイオンが電解質層３６を介して負極３４に吸蔵される。また、例えば、放電時において、負極３４から放出されたリチウムイオンが電解質層３６を介して正極５３に吸蔵される。

［リチウムイオン二次電池の製造方法］
このゲル状の電解質層３６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手順では、最初に、正極２１および負極２２と同様の作製手順により、正極３３および負極３４を作製する。この場合には、正極集電体３３Ａの両面に正極活物質層３３Ｂを形成して正極３３を作製すると共に、負極集電体３４Ａの両面に負極活物質層３４Ｂを形成して負極３４を作製する。続いて、電解液と、高分子化合物と、有機溶剤などの溶媒とを含む前駆溶液を調製したのち、その前駆溶液を正極３３および負極３４に塗布してゲル状の電解質層３６を形成する。続いて、正極集電体３３Ａに正極リード３１を溶接などして取り付けると共に、負極集電体３４Ａに負極リード３２を溶接などして取り付ける。続いて、電解質層３６が形成された正極３３と負極３４とをセパレータ３５を介して積層および巻回させて巻回電極体３０を作製したのち、その最外周部に保護テープ３７を接着させる。最後に、２枚のフィルム状の外装部材４０の間に巻回電極体３０を挟み込んだのち、外装部材４０の外周縁部同士を熱融着などして接着させて、その外装部材４０に巻回電極体３０を封入する。この場合には、正極リード３１および負極リード３２と外装部材４０との間に密着フィルム４１を挿入する。

第２手順では、最初に、正極３３に正極リード３１を取り付けると共に、負極３４に負極リード５２を取り付ける。続いて、セパレータ３５を介して正極３３および負極３４を積層および巻回させて巻回電極体３０の前駆体である巻回体を作製したのち、その最外周部に保護テープ３７を接着させる。続いて、２枚のフィルム状の外装部材４０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して接着させて、袋状の外装部材４０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て袋状の外装部材４０の内部に注入したのち、外装部材４０の開口部を熱融着などして密封する。最後に、モノマーを熱重合させて高分子化合物とし、ゲル状の電解質層３６を形成する。

第３手順では、最初に、高分子化合物が両面に塗布されたセパレータ３５を用いることを除き、上記した第２手順と同様に、巻回体を作製して袋状の外装部材４０の内部に収納する。このセパレータ３５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（単独重合体、共重合体また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、また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、フッ化ビニリデンを成分とする重合体と一緒に、他の１種類または２種類以上の高分子化合物を用いてもよい。続いて、電解液を調製して外装部材４０の内部に注入したのち、熱融着法などで外装部材４０の開口部を密封する。最後に、外装部材４０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３５を正極３３および負極３４に密着させる。これにより、電解液が高分子化合物に含浸するため、その高分子化合物がゲル化して電解質層３６が形成される。

この第３手順では、第１手順よりも電池膨れが抑制される。また、第３手順では、第２手順よりも高分子化合物の原料であるモノマーまたは溶媒などが電解質層３６中にほとんど残らないため、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３３、負極３４およびセパレータ３５と電解質層３６との間において十分な密着性が得られる。

［リチウムイオン二次電池の作用および効果］
このラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池によれば、正極３３の正極活物質層３３Ｂが上記した正極活物質（第１および第２リチウム複合酸化物）を含んでいるので、優れた容量特性およびガス放出特性を得ることができる。これ以外の作用および効果は、円筒型と同様である。

＜３．リチウムイオン二次電池の用途＞
次に、上記したリチウムイオン二次電池の適用例について説明する。

この二次電池の用途は、それを駆動用の電源または電力蓄積用の電力貯蔵源などとして用いることが可能な機械、機器、器具、装置またはシステム（複数の機器などの集合体）などであれば、特に限定されない。二次電池が電源として用いられる場合、それは主電源（優先的に使用される電源）でもよいし、補助電源（主電源に代えて、または主電源から切り換えて使用される電源）でもよい。この主電源の種類は、二次電池に限られない。

二次電池の用途としては、例えば、以下の用途などが挙げられる。ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、ノートパソコン、コードレス電話機、ヘッドホンステレオ、携帯用ラジオ、携帯用テレビまたは携帯用情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistant）などの携帯用電子機器である。電気シェーバなどの生活用電気器具である。バックアップ電源またはメモリーカードなどの記憶用装置である。電動ドリルまたは電動のこぎりなどの電動工具である。ペースメーカーまたは補聴器などの医療用電子機器である。電動車両（ハイブリッド自動車を含む）である。非常時などに備えて電力を蓄積しておく家庭用バッテリシステムなどの電力貯蔵システムである。

中でも、二次電池は、電動工具、電動車両または電力貯蔵システムなどに適用されることが有効である。二次電池について優れた特性が要求されるため、本発明の二次電池を用いることにより、有効に特性向上を図ることができるからである。なお、電動工具は、二次電池を駆動用の電源として可動部（例えばドリルなど）が可動するものである。電動車両は、二次電池を駆動用電源として作動（走行）するものであり、上記したように、二次電池以外の駆動源も併せて備えた自動車（ハイブリッド自動車など）でもよい。電力貯蔵システムは、二次電池を電力貯蔵源として用いるシステムである。例えば、家庭用の電力貯蔵システムでは、電力貯蔵源である二次電池に電力が蓄積されており、その二次電池に貯蔵された電力が必要に応じて消費されることにより、家庭用電気製品などの各種機器が使用可能になる。

本発明の具体的な実施例について、詳細に説明する。

（実験例１−１〜１−１７）
［正極活物質の合成］
以下の手順により、正極活物質である第１および第２リチウム複合酸化物を得た。

まず、表１に示した第１リチウム複合酸化物を合成した。この場合には、原料である炭酸リチウム（Ｌｉ₂ ＣＯ₃ ）および炭酸コバルト（ＣｏＣＯ₃ ）の粉末をＬｉ：Ｃｏ＝１：１のモル比となるように混合したのち、大気中で９００℃×５時間焼成して、ＬｉＣｏＯ₂ を得た。

この他、さらに原料として酸化ニッケル（ＮｉＯ）および酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）の粉末を用いて、表１に示したモル比となるように混合したことを除いて同様の手順により、ＬｉＮｉ_0.8 Ｃｏ_0.18Ａｌ_0.02Ｏ₂ を合成した。

次に、表１に示した第２リチウム複合酸化物を合成した。この場合には、原料である酸化リチウム（Ｌｉ₂ Ｏ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）および酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）のそれぞれの粉末をＬｉ：Ｎｉ：Ａｌ ＝２：０．９５：０．０５のモル比となるように混合したのち、ボールミルを用いて粉砕した。続いて、粉砕後の混合粉末を加圧整形してペレット化し、窒素雰囲気中において表２に示した焼成温度で２０時間焼成したのち、解粉した。

解粉後の粉末について、ＸＲＤ法を用いて結晶構造を分析したところ、第２リチウム複合酸化物のベース材料であるＬｉ₂ ＮｉＯ₂ に帰属する結晶ピークが検出された。また、ＩＣＰ発光分光分析法を用いて同粉末の組成を分析したところ、原子比がＮｉ：Ａｌ＝０．９５：０．０５であることが確認された。

この他、モル比を変更したことを除いて同様の手順により、Ｌｉ₂ Ｎｉ_0.99Ａｌ_0.01Ｏ₂ またはＬｉ₂ Ｎｉ_0.85Ａｌ_0.15Ｏ₂ を合成した。また、原料として酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化鉄（Ｆｅ₂ Ｏ₃ ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ₃ ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）および酸化コバルト（ＣｏＯ）のうちの１種類または２種類以上を表１に示したモル比となるように混合すると共に、必要に応じて焼成温度を変更したことを除いて同様の手順によりリ、Ｌｉ₂ Ｎｉ_0.95Ｓｉ_0.05Ｏ₂ 等も合成した。これらの場合においても、ＸＲＤ法を用いてＬｉ₂ ＮｉＯ₂ に帰属する結晶ピークを検出したと共に、ＩＣＰ発光分光分析法を用いて原子比を確認した。

正極活物質（第１および第２リチウム複合酸化物）およびそれを用いたリチウムイオン二次電池の諸特性を調べたところ、表１および表２に示した結果が得られた。

［単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）の算出］
単位体積当たりの充電容量を求めるために、図５に示したコイン型のリチウムイオン二次電池を作製した。この二次電池は、正極活物質を用いた試験極５１を外装缶５２に収容すると共に、対極５３を外装カップ５４に貼り付けたのち、電解液が含浸されたセパレータ５５を介して外装缶５２と外装カップ５５とを積層させてからガスケット５６を介してかしめたものである。

試験極５１を作製する場合には、正極活物質（第１リチウム複合酸化物）９６質量部と、正極結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）３質量部と、正極導電剤であるカーボンブラック１質量部とを混合したのち、分量外のＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）と共に混練して正極合剤スラリーとした。続いて、正極集電体（アルミニウム箔：厚さ＝１５μｍ）の両面に正極合剤スラリーを塗布してから乾燥させて正極活物質層を形成した。続いて、プレス機を用いて正極活物質層を圧縮成型したのち、ペレット状（直径＝１５ｍｍ）に打ち抜いた。対極５３としては、リチウム金属板（直径＝１６ｍ）を用いた。電解液を調製する場合には、溶媒である炭酸エチレン（ＥＣ）および炭酸ジメチル（ＤＭＣ）を混合したのち、電解質塩である六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆ ）を溶解させた。この場合には、溶媒の組成（質量比）をＥＣ：ＤＭＣ＝５０：５０、電解質塩の含有量を溶媒に対して１ｍｏｌ／ｄｍ³ （＝１ｍｏｌ／ｌ）とした。

この二次電池を用いて、０．２ｍＡ／ｃｍ² の電流密度に相当する電流で電池電圧が４．３５Ｖに到達するまで定電流定電圧充電したのち、電流が設計容量の５％に絞られた時点で充電終了として、充電容量（ｍＡｈ）を測定した。続いて、第１リチウム複合酸化物の重量（ｇ）に基づいて、単位重量当たりの充電容量（ｍＡｈ／ｇ）＝充電容量（ｍＡｈ）／重量（ｇ）を算出した。最後に、ガス置換法を用いて測定された第１リチウム複合酸化物の真密度（ｇ／ｃｍ³ ）に基づいて、単位体積当たりの充電容量（ｍＡｈ／ｃｍ³ ）＝単位重量当たりの充電容量（ｍＡｈ／ｇ）×真密度（ｇ／ｃｍ₃ ）を算出した。

なお、第２リチウム複合酸化物についても、同様の手順により、単位体積当たりの充電容量を算出した。

［放電容量の算出］
放電容量を求めるために、上記した正極活物質を用いて、他のコイン型のリチウムイオン二次電池（電極面積＝１．７７ｃｍ² ）を作製した。

試験極５１を作製する場合には、最初に、正極活物質（第１および第２リチウム複合酸化物：メジアン径＝１０μｍ）９６質量部と、正極結着剤であるＰＶＤＦ３質量部と、正極導電剤であるカーボンブラック１質量部とを混合したのち、分量外のＮＭＰと共に混練して正極合剤スラリーとした。第１および第２リチウム複合酸化物の混合比は、表１に示した通りである。続いて、バーコータ（ギャップ＝１５０μｍ）を用いて正極集電体（アルミニウム箔：厚さ＝１５μｍ）の両面に正極合剤スラリーを塗布したのち、１００℃で乾燥させて正極活物質層を形成した。最後に、ロールプレス機を用いて正極活物質層を圧縮成型した。

対極５３を作製する場合には、最初に、負極活物質であるケイ素（Ｓｉ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ）またはスズ（Ｓｎ）（いずれもメジアン系＝７μｍ）と、ポリイミドの２０重量％ＮＭＰ溶液とを７：２の重量比で混合して、負極合剤スラリーとした。続いて、バーコータ（ギャップ＝１５０μｍ）を用いて負極集電体（銅箔：１５μｍ厚）の両面に負極合剤スラリーを塗布したのち、８０℃で乾燥させて負極活物質層を形成した。最後に、ロールプレス機を用いて負極活物質層を圧縮成型したのち、７００℃×３時間焼成した。この場合には、プレス圧を調整して、負極活物質層中における空隙の割合（体積％）を３０％とした。この空隙の割合は、焼成後における負極活物質層の厚さおよび重さを測定したのち、その負極活物質層に含まれる各材料の真密度に基づいて算出された。

続いて、試験極５１を外装缶５２に収容すると共に、対極５３を外装カップ５４に貼り付けたのち、電解液が含浸されたセパレータ５５を介して外装缶５２および外装カップ５４を積層させると共に、ガスケット５６を介して外装缶５２および外装カップ５４をかしめた。セパレータ５５としては、多孔質ポリプロピレンフィルム（厚さ＝２５μｍ）を用いた。電解液を調製する場合には、溶媒である４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＦＥＣ）および炭酸ジメチル（ＤＭＣ）を混合したのち、電解質塩であるＬｉＰＦ₆ を溶解させた。この場合には、溶媒の組成（質量比）をＦＥＣ：ＤＭＣ＝５０：５０、電解質塩の含有量を溶媒に対して１ｍｏｌ／ｄｍ³ （＝１ｍｏｌ／ｌ）とした。なお、必要に応じて、電解液中に添加剤であるケイタングステン酸を３重量％加えた。

放電容量を測定する場合には、コイン型の二次電池を２組準備した。１つ目の二次電池を用いて、０．２ｍＡ／ｃｍ² の電流密度に相当する電流で電池電圧が４．４Ｖに到達するまで定電流定電圧充電したのち、電流が設計容量の５％に絞られた時点で充電終了とした。この際、二次電池を解体して試験極５１および対極５３を取り出したのち、段差計を用いて正極活物質層および負極活物質層の厚さを測定して、充電後における正極活物質層および負極活物質層の総体積（ｃｍ³ ）を算出した。一方、２つ目の二次電池を用いて、同様の条件で充電したのち、０．２ｍＡ／ｃｍ² の電流密度に相当する電流で電池電圧が２．５Ｖになるまで定電流放電して、放電容量（ｍＡｈ）を測定した。最後に、正極活物質層および負極活物質層の総体積当たりの放電容量（ｍＡｈ／ｃｍ³ ）＝放電容量（ｍＡｈ）／総体積（ｃｍ³ ）を算出した。

［ガス発生量の算出］
ガス発生量を調べるために、上記した正極活物質を用いて、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。この場合には、単位体積当たりの充電容量を算出するために作製した試験極５１を矩形状（５ｃｍ×５ｃｍ）に加工して正極とすると共に、リチウム金属が片面に蒸着された銅箔を試験極５１と同サイズに加工して負極とした。続いて、単位体積当たりの充電容量を算出するために調製した電解液が含浸されたセパレータを介して正極および負極を積層したのち、袋状（６ｃｍ×６ｃｍ）のフィルム状外装部材（アルミラミネートフィルム）の内部に収容して封止した。

ガス発生量を算出する場合には、まず、二次電池を用いて、０．２ｍＡ／ｃｍ² の電流密度に相当する電流で電池電圧が４．３５Ｖに到達するまで定電流定電圧充電した。続いて、二次電池の外観を黙視で観察して、ガス発生に起因する電池膨れが発生していると認められた場合には、気液置換法を用いてフィルム状外装部材の内部のガスを採取してガス量（ｃｍ³ ）を測定した。最後に、第２リチウム複合酸化物の重量（ｇ）に基づいて、単位重量当たりのガス発生量（ｃｍ³ ／ｇ）＝ガス量（ｃｍ³ ）／重量（ｇ）を算出した。

（実験例２−１〜２−１１）
［正極活物質の合成］
比較のために、表３および表４に示したように、第１および第２リチウム複合酸化物の組成等を変更したことを除いて同様の手順により、第１および第２リチウム複合酸化物ならびにリチウムイオン二次電池の諸特性を調べた。

正極活物質が第１リチウム複合酸化物とそれよりも単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）が大きい第２リチウム複合酸化物とを含む場合には、その条件を満たさない場合と比較して、高い放電容量が得られると共に、ガス発生量が少なく抑えられた。

詳細には、第１リチウム複合酸化物だけを用いると、ガスは発生しないが、十分な放電容量は得られない。一方、第２リチウム複合酸化物だけを用いると、ガス発生量は少なく抑えられるが、放電容量は激減してしまう。これに対して、第１および第２リチウム複合酸化物を組み合わせると、十分な放電容量が得られるだけでなく、ガス発生量も少なく抑えられる。

Ｍ１（アルミニウム等）が構成元素として含まれていない複合酸化物（Ｌｉ₂ ＮｉＯ₂ ）を用いると、十分な放電容量は得られるが、ガス発生量は増加してしまう。これに対して、Ｍ１が構成元素として含まれている第２リチウム複合酸化物（Ｌｉ₂ Ｎｉ_0.95Ａｌ_0.05Ｏ₂ 等）を用いると、十分な放電容量が得られるだけでなく、ガス発生量が少なく抑えられる。

銅およびＭ１（アルミニウム等）が構成元素として含まれている複合酸化物（Ｌｉ₂ Ｎｉ_0.4 Ｃｕ_0.55Ａｌ_0.05Ｏ₂ ）を用いると、若干ながら、ガス放出量は増加する傾向にある。しかしながら、銅は構成元素として含まれているがＭ１は構成元素として含まれていない複合酸化物（Ｌｉ₂ Ｎｉ_0.4 Ｃｕ_0.6 Ｏ₂ ）を用いた場合と比較すると、ガス発生量は大幅に減少する。

主成分の遷移金属元素が銅である複合酸化物（Ｌｉ₂ Ｃｕ_0.95Ａｌ_0.05Ｏ₂ ）を用いると、ガス放出量が著しく増加する。これに対して、主成分の遷移金属元素がニッケルである複合酸化物（Ｌｉ₂ Ｎｉ_0.95Ａｌ_0.05Ｏ₂ 等）を用いると、放電容量が高くなるだけでなく、ガス放出量が大幅に減少する。このように主成分の遷移金属元素の違いに応じて異なる結果が得られる原因は、以下の通りである。ニッケルは４価になり、ＮｉＯ₂ という形態を取り得るため、Ｍ１（アルミニウム等）によるＮｉＯ₂ の安定化という有利な作用が得られる。これに対して、銅は４価にならず、ＣｕＯ₂ という形態を取り得ないため、上記したＭ１による有利な作用が得られない。

第２リチウム複合酸化物の単位体積当たりの充電容量は、焼成温度に応じて増減する。この場合には、焼成温度が６００℃〜８３０℃以下であると、安定した結晶構造を有する第２リチウム複合酸化物が得られると共に、その単位体積当たりの充電容量が第１リチウム複合酸化物よりも高くなる。なお、焼成温度が６００℃よりも低いと、結晶構造が不安定になるため、放電容量が著しく減少する。一方、焼成温度が８３０℃よりも高いと、原料の酸化物が安定化するため、十分な放電容量が得られない。

負極活物質の種類に着目すると、ケイ素よりも酸化ケイ素を用いた場合において、放電容量が減少する傾向にある。この原因は、上記したように、初回の充放電時においてリチウムイオンの一部が酸化ケイ素中の酸素と不可逆的に結合しやすいからであると考えられる。

この他、電解液がケイタングステン酸を含んでいると、放電容量が維持されたまま、ガス放出量がより減少した。また、負極活物質層中における空隙の割合が３０％以下であると、放電容量がより高くなった。

表１〜表４の結果から、正極活物質が第１リチウム複合酸化物とそれよりも単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）が大きい第２リチウム複合酸化物とを含んでいると、優れた電池容量特性およびガス放出特性が得られた。

以上、実施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、実施形態および実施例で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、本発明の正極活物質は、負極の容量がリチウムイオンの吸蔵放出による容量とリチウム金属の析出溶解に伴う容量とを含み、それらの容量の和により表されるリチウムイオン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、負極材料の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、実施形態および実施例では、電池構造が円筒型、ラミネートフィルム型またはコイン型である場合、あるいは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が、これに限られない。本発明のリチウムイオン二次電池は、角型またはボタン型などの他の電池構造を有する場合、あるいは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、実施形態および実施例では、式（１）に示した第２リチウム複合酸化物の組成（ａ等の値）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。しかしながら、その説明は、組成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るため、本発明の効果が得られるのであれば、上記した範囲から組成が多少外れてもよい。このことは、式（２）〜（４）に示した第１リチウム複合酸化物の組成（ｄ等の値）についても同様である。

また、例えば、本発明の正極活物質または正極は、リチウムイオン二次電池に限らず、キャパシタなどの他のデバイスに適用されてもよい。

１１…電池缶、１２，１３…絶縁板、１４…電池蓋、１５…安全弁機構、１５Ａ…ディスク板、１６…熱感抵抗素子、１７…ガスケット、２０，３０…巻回電極体、２１，３３…正極、２１Ａ，３３Ａ…正極集電体、２１Ｂ，３３Ｂ…正極活物質層、２２，３４…負極、２２Ａ，３４Ａ…負極集電体、２２Ｂ，３４Ｂ…負極活物質層、２３，３５…セパレータ、２４…センターピン、２５，３１…正極リード、２６，３２…負極リード、３６…電解質、３７…保護テープ、４０…外装部材、４１…密着フィルム。

Claims (12)

1. 正極および負極と共に電解液を備え、
   前記正極は、正極活物質として、第１リチウム複合酸化物と、下記の式（１）で表される第２リチウム複合酸化物とを含み、
   単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、前記第１リチウム複合酸化物よりも前記第２リチウム複合酸化物において大きい、
   リチウムイオン二次電池。
   Ｌｉ_1+a （Ｎｉ_b Ｍ１_c Ｍ２_1-b-c ）_1.5-0.5aＯ₂ ・・・（１）
   （Ｍ１は長周期型周期表における１３族〜１５族の元素（ホウ素（Ｂ）、炭素（Ｃ）および窒素（Ｎ）を除く）のうちの少なくとも１種であり、Ｍ２は３族〜１２族の元素のうちの少なくとも１種である。ａは０．９５≦ａ≦１．０５、ｂは０＜ｂ≦０．９９、ｃは０＜ｃ≦０．１５である。）
2. 前記式（１）において、前記Ｍ１はアルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、インジウム（Ｉｎ）およびスズ（Ｓｎ）のうちの少なくとも１種であると共に、前記Ｍ２は銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、イットリウム（Ｙ）、チタン（Ｔｉ）およびモリブデン（Ｍｏ）のうちの少なくとも１種である、請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
3. 前記第１リチウム複合酸化物は、下記の式（２）〜式（４）で表される化合物のうちの少なくとも１種である、請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
   Ｌｉ_d Ｎｉ_1-e-f Ｍｎ_e Ｍ３_f Ｏ_2-gＸ_h ・・・（２）
   （Ｍ３は長周期型周期表における２族〜１５族の元素（ニッケルおよびマンガンを除く））のうちの少なくとも１種であり、Ｘは１６族および１７族の元素（酸素（Ｏ）を除く）のうちの少なくとも１種である。ｄは０≦ｄ≦１．５、ｅは０≦ｅ≦１、ｆは０≦ｆ≦１、ｇは−０．１≦ｇ≦０．２、ｈは０≦ｈ≦０．２である。）
   Ｌｉ_j Ｍｎ_2-k Ｍ４_k Ｏ_m Ｆ_n ・・・（３）
   （Ｍ４はコバルト、ニッケル、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素、チタン、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄、銅、亜鉛、モリブデン、スズ、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）およびタングステン（Ｗ）のうちの少なくとも１種である。ｊはｊ≧０．９、ｋは０≦ｋ≦０．６、ｍは３．７≦ｍ≦４．１、ｎは０≦ｎ≦０．１である。）
   Ｌｉ_p Ｍ５_q ＰＯ₄ ・・・（４）
   （Ｍ５は長周期型周期表における２族〜１５族の元素のうちの少なくとも１種である。ｐは０≦ｐ≦２、ｑは０．５≦ｑ≦２である。）
4. 前記式（２）において、前記Ｍ３はコバルト、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、チタン、バナジウム、クロム、鉄、銅、亜鉛、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン、スズ、カルシウム、ストロンチウムおよびタングステンのうちの少なくとも１種であると共に、
   前記式（４）において、前記Ｍ５はコバルト、マンガン、鉄、ニッケル、マグネシウム、アルミニウム、ホウ素、チタン、バナジウム、ニオブ（Ｎｂ）、銅、亜鉛、モリブデン、カルシウム、ストロンチウム、タングステンおよびジルコニウムのうちの少なくとも１種である、
   請求項３記載のリチウムイオン二次電池。
5. 初回の充放電時において前記負極で生じる不可逆容量がその負極の全充電容量（対正極）に対してＺ％であるとき、前記第１および第２リチウム複合酸化物における前記第２リチウム複合酸化物の割合は、その第２リチウム複合酸化物の充電容量（対負極）が前記正極の全充電容量に対してＺ％以下となるように設定されている、請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
6. 前記負極は、負極活物質として、ケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を構成元素として含む材料を含有する、請求項１記載のリチウムイオン二次電池。
7. 前記負極活物質は酸化ケイ素（ＳｉＯ_x ：０．２＜ｘ＜１．４）である、請求項６記載のリチウムイオン二次電池。
8. 第１リチウム複合酸化物と、下記の式（１）で表される第２リチウム複合酸化物とを含み、
   単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、前記第１リチウム複合酸化物よりも前記第２リチウム複合酸化物において大きい、
   正極活物質。
   Ｌｉ_1+a （Ｎｉ_b Ｍ１_c Ｍ２_1-bー_c ）_1.5-0.5aＯ₂ ・・・（１）
   （Ｍ１は長周期型周期表における１３族〜１５族の元素（ホウ素、炭素および窒素を除く）のうちの少なくとも１種であり、Ｍ２は３族〜１２族の元素のうちの少なくとも１種である。ａは０．９５≦ａ≦１．０５、ｂは０＜ｂ≦０．９９、ｃは０＜ｃ≦０．１５である。）
9. 正極活物質として、第１リチウム複合酸化物と、下記の式（１）で表される第２リチウム複合酸化物とを含み、
   単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、前記第１リチウム複合酸化物よりも前記第２リチウム複合酸化物において大きい、
   正極。
   Ｌｉ_1+a （Ｎｉ_b Ｍ１_c Ｍ２_1-bー_c ）_1.5-0.5aＯ₂ ・・・（１）
   （Ｍ１は長周期型周期表における１３族〜１５族の元素（ホウ素、炭素および窒素を除く）のうちの少なくとも１種であり、Ｍ２は３族〜１２族の元素のうちの少なくとも１種である。ａは０．９５≦ａ≦１．０５、ｂは０＜ｂ≦０．９９、ｃは０＜ｃ≦０．１５である。）
10. 正極および負極と共に電解液を備えたリチウムイオン二次電池を電源として可動し、
    前記正極は、正極活物質として、第１リチウム複合酸化物と、下記の式（１）で表される第２リチウム複合酸化物とを含み、
    単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、前記第１リチウム複合酸化物よりも前記第２リチウム複合酸化物において大きい、
    電動工具。
    Ｌｉ_1+a （Ｎｉ_b Ｍ１_c Ｍ２_1-bー_c ）_1.5-0.5aＯ₂ ・・・（１）
    （Ｍ１は長周期型周期表における１３族〜１５族の元素（ホウ素、炭素および窒素を除く）のうちの少なくとも１種であり、Ｍ２は３族〜１２族の元素のうちの少なくとも１種である。ａは０．９５≦ａ≦１．０５、ｂは０＜ｂ≦０．９９、ｃは０＜ｃ≦０．１５である。）
11. 正極および負極と共に電解液を備えたリチウムイオン二次電池を電源として作動し、
    前記正極は、正極活物質として、第１リチウム複合酸化物と、下記の式（１）で表される第２リチウム複合酸化物とを含み、
    単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、前記第１リチウム複合酸化物よりも前記第２リチウム複合酸化物において大きい、
    電動車両。
    Ｌｉ_1+a （Ｎｉ_b Ｍ１_c Ｍ２_1-bー_c ）_1.5-0.5aＯ₂ ・・・（１）
    （Ｍ１は長周期型周期表における１３族〜１５族の元素（ホウ素、炭素および窒素を除く）のうちの少なくとも１種であり、Ｍ２は３族〜１２族の元素のうちの少なくとも１種である。ａは０．９５≦ａ≦１．０５、ｂは０＜ｂ≦０．９９、ｃは０＜ｃ≦０．１５である。）
12. 正極および負極と共に電解液を備えたリチウムイオン二次電池を電力貯蔵源として用い、
    前記正極は、正極活物質として、第１リチウム複合酸化物と、下記の式（１）で表される第２リチウム複合酸化物とを含み、
    単位体積当たりの充電容量（対リチウム金属）は、前記第１リチウム複合酸化物よりも前記第２リチウム複合酸化物において大きい、
    電力貯蔵システム。
    Ｌｉ_1+a （Ｎｉ_b Ｍ１_c Ｍ２_1-bー_c ）_1.5-0.5aＯ₂ ・・・（１）
    （Ｍ１は長周期型周期表における１３族〜１５族の元素（ホウ素、炭素および窒素を除く）のうちの少なくとも１種であり、Ｍ２は３族〜１２族の元素のうちの少なくとも１種である。ａは０．９５≦ａ≦１．０５、ｂは０＜ｂ≦０．９９、ｃは０＜ｃ≦０．１５である。）

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