JP2023105614A - 非水電解質二次電池用負極活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 水系スラリー中でも長期間安定であり、高容量であるとともに、サイクル特性及び初回効率が良好な非水電解質二次電池用負極活物質を提供する。【解決手段】 負極活物質粒子を有し、該負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）粒子を含有するものである非水電解質二次電池用負極活物質であって、前記負極活物質粒子が、少なくともその一部を炭素材で被覆されており、前記負極活物質粒子にＬｉが含有されており、該Ｌｉの含有量が前記負極活物質粒子に対して９．７質量％以上１３．２質量％未満であり、前記Ｌｉの少なくとも一部がＬｉ２ＳｉＯ３として存在し、前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉに起因する２θ＝４７．５°付近のピークの強度Ｉａと、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク強度Ｉｂが、１≦Ｉｂ／Ｉａ≦１８を満たすものである非水電解質二次電池用負極活物質。【選択図】 図１
Description
本発明は、非水電解質二次電池用負極活物質及びその製造方法に関する。
近年、モバイル端末などに代表される小型の電子機器が広く普及しており、さらなる小型化、軽量化、及び、長寿命化が強く求められている。このような市場要求に対し、特に小型かつ軽量で高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。この二次電池は、小型の電子機器に限らず、自動車などに代表される大型の電子機器、家屋などに代表される電力貯蔵システムへの適用も検討されている。
その中でも、リチウムイオン二次電池は小型かつ高容量化が行いやすく、また、鉛電池、ニッケルカドミウム電池よりも高いエネルギー密度が得られるため、大いに期待されている。
上記のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、及び、セパレータと共に電解液を備えており、負極は充放電反応に関わる負極活物質を含んでいる。
この負極活物質としては、炭素材料（炭素系活物質）が広く使用されている一方で、最近の市場要求から電池容量のさらなる向上が求められている。電池容量向上のために、負極活物質材としてケイ素を用いることが検討されている。なぜならば、ケイ素の理論容量（４１９９ｍＡｈ／ｇ）は黒鉛の理論容量（３７２ｍＡｈ／ｇ）よりも１０倍以上大きいため、電池容量の大幅な向上を期待できるからである。負極活物質材としてのケイ素材の開発はケイ素単体だけではなく、合金、酸化物に代表される化合物などについても検討されている。また、活物質形状は、炭素系活物質では標準的な塗布型から、集電体に直接堆積する一体型まで検討されている。
しかしながら、負極活物質としてケイ素を主原料として用いると、充放電時に負極活物質が膨張及び収縮するため、主に負極活物質表層近傍で割れやすくなる。また、活物質内部にイオン性物質が生成し、負極活物質が割れやすい物質となる。負極活物質表層が割れると、それによって新表面が生じ、活物質の反応面積が増加する。この時、新表面において電解液の分解反応が生じるとともに、新表面に電解液の分解物である被膜が形成されるため電解液が消費される。このためサイクル特性が低下しやすくなる。
これまでに、電池初期効率やサイクル特性を向上させるために、負極活物質であるケイ素酸化物にリチウムドープすることが試みられている（たとえば下記特許文献１参照）。負極活物質であるケイ素酸化物にリチウムを含有させることにより、これを用いて負極とした場合に不可逆成分を減少させることができるため、初期効率の改善が期待できる。また、この初期効率の改善によりリチウムイオン二次電池の容量増加が期待できる。
しかしながら、負極活物質であるケイ素酸化物を初回効率は改善されつつあるものの、現行のＬｉＣｏＯ２（リチウムコバルト酸化物）などの正極材に比べてまだ低く（例えば、特許文献２参照）、更なる効率改善が必要である。
また、ケイ素化合物中のリチウム化合物は水に溶解し、塩基性となるため、ケイ素化合物と反応し、水素ガスを発生する。これにより、このような負極活物質を用いて水系スラリーを作製する場合に塗工不良となり電池特性の劣化につながることも課題であった。
そのため、水系スラリーでの安定性を保つための手法が開発されている。例えば、ケイ素化合物粒子にリチウムをドープした後に、表面処理する手法（例えば、特許文献３）や、水に対して安定なリチウムシリケートにする手法（例えば、特許文献４）が提案されている。
しかしながら、特許文献４に開示されているリチウムシリケート化の手法について実施例を参照すると、目的のリチウムシリケートを得るためにリチウムドープ後に酸性水溶液による洗浄を行っており、ドープしたリチウムを酸洗浄により水中でも安定な量まで引き抜いてしまっている。そのため、リチウムをドープできる量は限定的であり、結果として電池特性の向上も限定的になってしまうという問題があった。
本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、水系スラリーでも高い安定性を示し、電池特性（初期効率と容量維持率）に優れた非水電解質二次電池用負極活物質を提供することを目的とする。また、本発明はそのような負極活物質粒子の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を解決するために、本発明は、負極活物質粒子を有し、該負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）粒子を含有するものである非水電解質二次電池用負極活物質であって、前記負極活物質粒子が、少なくともその一部を炭素材で被覆されており、前記負極活物質粒子にＬｉが含有されており、該Ｌｉの含有量が前記負極活物質粒子に対して９．７質量％以上１３．２質量％未満であり、前記Ｌｉの少なくとも一部がＬｉ２ＳｉＯ３として存在し、前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉに起因する２θ＝４７．５°付近のピークの強度Ｉａと、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク強度Ｉｂが、１≦Ｉｂ／Ｉａ≦１８を満たすものであることを特徴とする非水電解質二次電池用負極活物質を提供する。
本発明の負極活物質は、ケイ素化合物粒子を含む負極活物質粒子を含むため、高い電池容量を有する。また、ケイ素化合物中の、電池の充放電時のリチウムの挿入、脱離時に不安定化するＳｉＯ２成分部を予め別のＬｉ化合物に改質させたものであるので、充電時に発生する不可逆容量を低減することができる。また、この負極活物質粒子は、炭素被膜を含むため適度な導電性を持ち、容量維持率及び初期効率を向上できる。さらに、この負極活物質粒子は、Ｌｉ含有量が９．７質量％以上１３．２質量％未満であることにより、ＬｉＣｏＯ２などの正極材料と同等程度の初回効率を得ることができるとともに、水に対する安定性も確保できる。Ｌｉ含有量が９．７質量％未満では、酸化ケイ素を含む負極活物質の初回効率は正極材料の初回効率に対して大きく低くなってしまう。また、Ｌｉ含有量が１３．２質量％を超える場合、水に対する安定性が低下してしまう。また、この負極活物質粒子は、水に対して安定なリチウム化合物であるＬｉ２ＳｉＯ３を含んでいることにより水系スラリーにおいてもガス発生することなく、安定な状態を維持することができ、結果として初期効率及び容量維持率を向上することができる。また、この負極活物質粒子は、Ｘ線回折により得られるＳｉピークに起因する２θ＝４７．５°付近の強度Ｉａに対して、Ｌｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近の強度Ｉｂが、１≦Ｉｂ／Ｉａ≦１８を満たすことにより、上述の効果を発揮することが可能となる。強度比Ｉｂ／Ｉａが１８よりも大きい場合、水系スラリー中でガス発生するため、スラリーの安定性が確保できない。強度比Ｉｂ／Ｉａが１よりも小さい場合、ドープしたＬｉが安定化されていないため、水系スラリー中でガス発生してしまう。なお、以下、ケイ素化合物粒子を含有する負極活物質粒子のことを、ケイ素系活物質粒子とも呼称する。また、このケイ素系活物質粒子を含む負極活物質のことを、ケイ素系活物質とも呼称する。
このとき、前記負極活物質粒子は、最表層に結晶性のＬｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏが含まれていないものであることが好ましい。
また、前記負極活物質粒子は、最表層に結晶性のＬｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏの少なくともいずれか１種が含まれているものであり、前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＣＯ３に起因する２θ＝２１°付近のピーク強度Ｉｃが、０≦Ｉｃ／Ｉａ≦１０を満たし、かつ、該Ｘ線回折により得られるＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏに起因する２θ＝３２°付近のピーク強度Ｉｄが、０≦Ｉｄ／Ｉａ≦２０を満たすものとすることもできる。
負極活物質粒子の最表層に結晶性のＬｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏの少なくともいずれか１種のイオン性物質が含まれている場合、水系スラリー作製時のバインダーの結着性が向上する。また、上記Ｉｃ／Ｉａ、Ｉｄ／Ｉａが、Ｉｃ／Ｉａ≦１０、かつＩｄ／Ｉａ≦２０の場合、水系スラリーを作製した際に、スラリーのｐＨを上げすぎないため、ガス発生やスラリーの粘度低下の要因となることを防ぐことができる。また、バインダー結着性向上とｐＨ上昇の両面からの観点からは、実質的には結晶性のＬｉ２ＣＯ３、ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏが含まれないことが好ましい。この場合、０＝Ｉｃ／Ｉａ、０＝Ｉｄ／Ｉａが好ましい。
また、本発明の負極活物質粒子においては、前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉ（２２０）結晶面に起因する結晶子サイズが５ｎｍ以下であることが好ましい。
このようにＳｉ（２２０）結晶面に起因する結晶子サイズが上記の範囲であれば、より良好な電池特性を得ることができる。
また、前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク半値幅が０．５°以上３．０°以下であることが好ましい。
このように、Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピーク半値幅が０．５°以上３．０°以下であることにより、水系スラリーへのアルカリ成分の溶出を抑制することができ、より良好な電池特性が得られる。
また、前記負極活物質粒子の２９Ｓｉ－ＭＡＳ－ＮＭＲスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として、－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満の領域と、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域と、－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満の領域のうち少なくも一つの領域に、少なくとも一つ以上のピークを有することが好ましい。
ケイ素化合物粒子を有する負極活物質粒子において、ケミカルシフト値として－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満付近のピークは低価数のケイ素酸化物に由来し、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満付近のピークはＬｉ６Ｓｉ２Ｏ７成分に由来し、－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満付近のピークはＬｉ２ＳｉＯ３成分に由来する。そのため、上記の領域のうち少なくとも一つの領域に、少なくとも一つ以上のピークを有することで水系スラリーへのアルカリ成分の溶出を抑制することができ、より良好な電池特性が得られる。なお、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域付近のピークとして、Ｌｉ６Ｓｉ２Ｏ７成分に由来するピークがあっても良いが、実質的に存在しないことがより好ましい。すなわち、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域付近のピークが存在するよりも、－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満付近のピーク及び－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満付近のピークの少なくともいずれか一方が存在することがより好ましい。
また、前記負極活物質粒子の２９Ｓｉ－ＭＡＳ－ＮＭＲスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満の領域で得られるピークのピーク強度をＩｅとし、ケミカルシフト値として－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域で得られるピークのピーク強度をＩｆとし、ケミカルシフト値として－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満の領域で得られるピークのピーク強度をＩｇとしたときに、０≦Ｉｅ／Ｉｇ≦０．２３、０≦Ｉｆ／Ｉｇ≦１．１であることが好ましい。
これらのようなＮＭＲピークを有するケイ素系化合物粒子は、水系スラリーへのアルカリ成分の溶出を抑制することができ、より良好な電池特性が得られる。なお、上記のように、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域付近のピークは、Ｌｉ６Ｓｉ２Ｏ７成分に由来するピークであり、このピークは存在しない方が実質的に好ましく、Ｉｆ／Ｉｇ＝０がより好ましい。
また、前記負極活物質粒子の炭素被覆量が，前記ケイ素化合物と炭素被覆層の合計に対し０．３質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。
このように、負極活物質粒子における炭素被覆量が０．３質量％以上１０質量％以下であれば、十分な導電性を確保できるため、より良好な電池特性が得られる。
また、前記負極活物質粒子のラマン分光分析によるＤバンドとＧバンドの強度比ＩＤ／ＩＧが０．４≦ＩＤ／ＩＧ≦１．１であることが好ましい。
このように０．４≦ＩＤ／ＩＧ≦１．１であれば、膨張収縮による炭素膜のはがれや炭素表面での副反応を抑制することができるため、より良好な電池特性が得られる。
また、前記負極活物質粒子のラマン分光分析によるＧ’バンドとＧバンドの強度比ＩＧ’／ＩＧが０≦ＩＧ’／ＩＧ≦０．０５であることが好ましい。
このように０≦ＩＧ’／ＩＧ≦０．０５であれば、充電時に炭素表面全域から均一にＬｉが挿入されるため、より良好な電池特性が得られる。
また、前記負極活物質粒子のラマン分光分析によるＳｉピーク強度とＧバンドの強度比ＩＳｉ／ＩＧが０≦ＩＳｉ／ＩＧ≦１．０であることが好ましい。
このように０≦ＩＳｉ／ＩＧ≦１．０であれば、ケイ素系化合物粒子の表面露出を抑制することができ、水系スラリーでのガス発生を遅延させることができるため、結果としてより良好な電池特性が得られる。
前記ケイ素化合物粒子のメディアン径が０．５μｍ以上２０μｍ以下のものであることが好ましい。
このメディアン径が０．５μｍ以上であれば、負極活物質粒子の表面における副反応が起きる面積が小さいため、Ｌｉを余分に消費せず、電池のサイクル維持率を高く維持できる。また、このメディアン径が２０μｍ以下であれば、Ｌｉ挿入時の膨張が小さく、割れ難くなり、かつ、亀裂が生じにくい。さらに、負極活物質粒子の膨張が小さいため、例えば一般的に使用されているケイ素系活物質に炭素活物質を混合した負極活物質層などが破壊され難い。
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記のいずれかの非水電解質二次電池用負極活物質を含むことを特徴とする非水電解質二次電池を提供する。
このような二次電池は、高いサイクル維持率及び初回効率を有するとともに、工業的に優位に製造することが可能なものである。
また、上記目的を達成するために、本発明は、負極活物質粒子を含む非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法であって、ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を作製する工程と、前記ケイ素化合物粒子の少なくとも一部を炭素材で被覆する工程と、前記ケイ素化合物粒子にＬｉを挿入してＬｉ２ＳｉＯ３を生成し、該Ｌｉの含有量を前記負極活物質粒子に対して９．７質量％以上１３．２質量％未満とする工程とを含み、該作製した負極活物質粒子から、前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉに起因する２θ＝４７．５°付近のピークの強度Ｉａと、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク強度Ｉｂが、１≦Ｉｂ／Ｉａ≦１８を満たすものを選別する工程をさらに有することを特徴とする非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法を提供する。
このような非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法であれば、Ｌｉを用いて改質されたケイ素酸化物本来の特性を生かした高い電池容量及び良好なサイクル維持率を有する非水負極活物質を得ることができる。
本発明の負極活物質は、二次電池の製造時に作製するスラリーの安定性を向上させることができ、このスラリーを用いれば、工業的に使用可能な塗膜を形成できるので、実質的に電池容量、サイクル特性、及び初回充放電特性を向上させることができる。また、この負極活物質を含む本発明の二次電池は、工業的に優位に生産可能であり、電池容量、サイクル特性、及び初回充放電特性が良好なものとなる。また、本発明の二次電池を用いた電子機器、電動工具、電気自動車及び電力貯蔵システム等でも同様の効果を得ることができる。
また、本発明の負極活物質の製造方法は、二次電池の製造時に作製するスラリーの安定性を向上させ、かつ、電池容量、サイクル特性、及び初回充放電特性を向上させることができる負極材を製造できる。
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述のように、リチウムイオン二次電池の電池容量を増加させる１つの手法として、ケイ素系活物質を主材として用いた負極をリチウムイオン二次電池の負極として用いることが検討されている。ケイ素系活物質を主材として用いたリチウムイオン二次電池は、炭素材（炭素系負極活物質）を用いたリチウムイオン二次電池と同等に近い初期効率、サイクル特性が望まれているが、炭素材を用いた非水電解質二次電池と同等のサイクル安定性を示す負極材は提案されていなかった。また、特に酸素を含むケイ素化合物は、炭素材と比較し初期効率が低いため、その分電池容量の向上は限定的であった。
そこで、本発明者らは、高電池容量であるとともに、サイクル特性及び初期効率が良好な非水電解質二次電池を容易に製造することが可能な負極活物質を得るために鋭意検討を重ね、本発明に至った。
［本発明の負極活物質］
本発明の非水電解質二次電池用負極活物質は、負極活物質粒子を有する。また、該負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）粒子を含有するものである。さらに、この負極活物質粒子（ケイ素系活物質粒子）は、少なくともその一部を炭素材で被覆される。また、この負極活物質粒子（ケイ素系活物質粒子）にＬｉが含有されており、該Ｌｉの含有量が前記負極活物質粒子に対して９．７質量％以上１３．２質量％未満である。このＬｉの少なくとも一部はＬｉ２ＳｉＯ３として存在する。さらに、この負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉに起因する２θ＝４７．５°付近のピークの強度Ｉａと、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク強度Ｉｂが、１≦Ｉｂ／Ｉａ≦１８を満たすものである。
本発明の非水電解質二次電池用負極活物質は、負極活物質粒子を有する。また、該負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）粒子を含有するものである。さらに、この負極活物質粒子（ケイ素系活物質粒子）は、少なくともその一部を炭素材で被覆される。また、この負極活物質粒子（ケイ素系活物質粒子）にＬｉが含有されており、該Ｌｉの含有量が前記負極活物質粒子に対して９．７質量％以上１３．２質量％未満である。このＬｉの少なくとも一部はＬｉ２ＳｉＯ３として存在する。さらに、この負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉに起因する２θ＝４７．５°付近のピークの強度Ｉａと、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク強度Ｉｂが、１≦Ｉｂ／Ｉａ≦１８を満たすものである。
このような負極活物質は、ケイ素化合物を含む負極活物質粒子を含むため、高い電池容量を有する。また、ケイ素化合物中の、電池の充放電時のリチウムの挿入、脱離時に不安定化するＳｉＯ２成分部を予め別のＬｉ化合物に改質させたものであるので、充電時に発生する不可逆容量を低減することができる。また、この負極活物質粒子は、炭素被膜を含むため適度な導電性を持ち、容量維持率及び初期効率を向上できる。さらに、この負極活物質粒子は、水に対して安定なリチウム化合物であるＬｉ２ＳｉＯ３（シリケートの１種）を含んでいることにより、水系スラリーにおいてもガス発生することなく、安定な状態を維持することができ、結果として初期効率及び容量維持率を向上することができる。この負極活物質粒子は、Ｃｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折において、Ｓｉピークに起因する２θ＝４７．５°付近の強度Ｉａに対してＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近の強度Ｉｂが、１≦Ｉｂ／Ｉａ≦１８を満たすことにより、上述の効果を発揮することが可能となる。強度比Ｉｂ／Ｉａが１８よりも大きい場合、水系スラリー中でガス発生するため、スラリーの安定性が確保できない。
本発明の負極活物質のＸＲＤスペクトルの一例を図４に示した。これは、後述の実施例２－１の負極活物質のＸＲＤスペクトルである。
このピーク強度は、ＸＲＤピーク解析により算出することができる。例えば、以下の条件により行うことができる。
ＸＲＤ測定
・装置 ：ブルカー社製Ｄ２ ＰＨＡＳＥＲ
・Ｘ線源 ：Ｃｕ
・発散スリット：０．５°
・入射側ソラー：４°
・受光側ソラー：４°
ピーク強度の算出
・ソフト ：ＤＩＦＦＲＡＣ．ＥＶＡ
ＸＲＤ測定
・装置 ：ブルカー社製Ｄ２ ＰＨＡＳＥＲ
・Ｘ線源 ：Ｃｕ
・発散スリット：０．５°
・入射側ソラー：４°
・受光側ソラー：４°
ピーク強度の算出
・ソフト ：ＤＩＦＦＲＡＣ．ＥＶＡ
［負極の構成］
続いて、このような本発明の負極活物質を含む二次電池の負極の構成について説明する。
続いて、このような本発明の負極活物質を含む二次電池の負極の構成について説明する。
図１は、本発明の負極活物質を含む負極の断面図を表している。図１に示すように、負極１０は、負極集電体１１の上に負極活物質層１２を有する構成になっている。この負極活物質層１２は負極集電体１１の両面、又は、片面だけに設けられていても良い。さらに、本発明の非水電解質二次電池用負極活物質が用いられたものであれば、負極集電体１１はなくてもよい。
［負極集電体］
負極集電体１１は、優れた導電性材料であり、かつ、機械的な強度に長けた物で構成される。負極集電体１１に用いることができる導電性材料として、例えば銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）があげられる。この導電性材料は、リチウム（Ｌｉ）と金属間化合物を形成しない材料であることが好ましい。
負極集電体１１は、優れた導電性材料であり、かつ、機械的な強度に長けた物で構成される。負極集電体１１に用いることができる導電性材料として、例えば銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）があげられる。この導電性材料は、リチウム（Ｌｉ）と金属間化合物を形成しない材料であることが好ましい。
負極集電体１１は、主元素以外に炭素（Ｃ）や硫黄（Ｓ）を含んでいることが好ましい。負極集電体の物理的強度が向上するためである。特に、充電時に膨張する活物質層を有する場合、集電体が上記の元素を含んでいれば、集電体を含む電極変形を抑制する効果があるからである。上記の含有元素の含有量は、特に限定されないが、中でも、１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。これは、より高い変形抑制効果が得られるからである。
また、負極集電体１１の表面は粗化されていてもよいし、粗化されていなくてもよい。粗化されている負極集電体は、例えば、電解処理、エンボス処理、又は、化学エッチング処理された金属箔などである。粗化されていない負極集電体は、例えば、圧延金属箔などである。
［負極活物質層］
負極活物質層１２は、ケイ素系活物質粒子の他に炭素系活物質などの複数の種類の負極活物質を含んでいてよい。さらに、電池設計上、増粘剤（「結着剤」、「バインダー」とも呼称する）や導電助剤等の他の材料を含んでいてもよい。また、負極活物質の形状は粒子状であってよい。
負極活物質層１２は、ケイ素系活物質粒子の他に炭素系活物質などの複数の種類の負極活物質を含んでいてよい。さらに、電池設計上、増粘剤（「結着剤」、「バインダー」とも呼称する）や導電助剤等の他の材料を含んでいてもよい。また、負極活物質の形状は粒子状であってよい。
また、上述のように、本発明の負極活物質は、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．６）からなるケイ素系活物質粒子を含む。このケイ素系活物質粒子は酸化ケイ素材（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）であり、その組成としてはｘが１に近い方が好ましい。これは、高いサイクル特性が得られるからである。なお、本発明における酸化ケイ素材の組成は必ずしも純度１００％を意味しているわけではなく、微量の不純物元素やＬｉを含んでいてもよい。
また、本発明において、ケイ素化合物の結晶性（Ｓｉ結晶子の結晶性）は低いほどよい。具体的には、負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉ（２２０）結晶面に起因する結晶子サイズが５ｎｍ以下であることが好ましい。また、Ｘ線回折により得られる（２２０）結晶面に起因する回折ピークの半値幅が１．５°以上であることが好ましい。特に、回折ピークがブロードで明確なピークがないことが好ましい。このように、特に結晶性が低くＳｉ結晶の存在量が少ないことにより、電池特性を向上させるだけでなく、安定的なＬｉ化合物の生成をすることができる。
このＳｉ（２２０）結晶面に起因する結晶子サイズは普通の解析では算出できないが、ＸＲＤピーク解析により算出することができる。ＸＲＤによる結晶子サイズの算出は、例えば、以下の条件により行うことができる。ブロードピークに対しては、解析ソフトＴＯＰＡＳを用いて、例えば、以下の条件により行うことができる。
ＸＲＤ測定
・装置 ：ブルカー社製Ｄ２ ＰＨＡＳＥＲ
・Ｘ線源 ：Ｃｕ
・発散スリット：０．５°
・入射側ソラー：４°
・受光側ソラー：４°
結晶子サイズの算出
・解析ソフト ：ＤＩＦＦＲＡＣ．ＴＯＰＡＳ
・解析方法 ：ピークフィッテイング法
・Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｆｉｌｅ：ＣｕＫａ５．ｌａｍ
・関数 ：ＦＰ（Ｆｉｒｓｔ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）関数
・Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｏｐｔｉｏｎ：”Ｃａｌｕｃｕｌａｔｅ Ｅｒｒｏｒ”， “Ｕｓｅ Ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ”を選択
ＸＲＤ測定
・装置 ：ブルカー社製Ｄ２ ＰＨＡＳＥＲ
・Ｘ線源 ：Ｃｕ
・発散スリット：０．５°
・入射側ソラー：４°
・受光側ソラー：４°
結晶子サイズの算出
・解析ソフト ：ＤＩＦＦＲＡＣ．ＴＯＰＡＳ
・解析方法 ：ピークフィッテイング法
・Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｆｉｌｅ：ＣｕＫａ５．ｌａｍ
・関数 ：ＦＰ（Ｆｉｒｓｔ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）関数
・Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｏｐｔｉｏｎ：”Ｃａｌｕｃｕｌａｔｅ Ｅｒｒｏｒ”， “Ｕｓｅ Ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎ”を選択
また、ケイ素化合物粒子のメディアン径は特に限定されないが、中でも０．５μｍ以上２０μｍ以下（体積基準）であることが好ましい。この範囲であれば、充放電時においてリチウムイオンの吸蔵放出がされやすくなるとともに、ケイ素系活物質粒子が割れにくくなるからである。このメディアン径が０．５μｍ以上であれば、表面積が大きすぎないため、充放電時に副反応を起こしにくく、電池不可逆容量を低減することができる。一方、メディアン径が２０μｍ以下であれば、ケイ素系活物質粒子が割れにくく新生面が出にくいため好ましい。
更に、本発明において、ケイ素系活物質は、ケイ素化合物に含まれるＬｉ化合物として、Ｌｉ２ＳｉＯ３の他にもＬｉ４ＳｉＯ４やＬｉ６Ｓｉ２Ｏ７が存在するものであってもよい。Ｌｉ２ＳｉＯ３の他にもＬｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ６Ｓｉ２Ｏ７のようなＬｉシリケートは、他のＬｉ化合物よりも比較的安定しているため、これらのＬｉ化合物を含むケイ素系活物質は、より安定した電池特性を得ることができる。これらのＬｉ化合物は、ケイ素化合物の内部に生成するＳｉＯ２成分の一部をＬｉ化合物へ選択的に変更し、ケイ素化合物を改質することにより得ることができる。
負極活物質粒子及びケイ素化合物粒子の内部のＬｉ化合物はＮＭＲ（核磁気共鳴）とＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）で定量可能である。ＸＰＳとＮＭＲの測定は、例えば、以下の条件により行うことができる。
ＸＰＳ
・装置： Ｘ線光電子分光装置、
・Ｘ線源： 単色化Ａｌ Ｋα線、
・Ｘ線スポット径： １００μｍ、
・Ａｒイオン銃スパッタ条件： ０．５ｋＶ ２ｍｍ×２ｍｍ。
２９Ｓｉ ＭＡＳ ＮＭＲ（マジック角回転核磁気共鳴）
・装置： Ｂｒｕｋｅｒ社製７００ＮＭＲ分光器、
・プローブ： ４ｍｍＨＲ－ＭＡＳローター ５０μＬ、
・試料回転速度： １０ｋＨｚ、
・測定環境温度： ２５℃
ＸＰＳ
・装置： Ｘ線光電子分光装置、
・Ｘ線源： 単色化Ａｌ Ｋα線、
・Ｘ線スポット径： １００μｍ、
・Ａｒイオン銃スパッタ条件： ０．５ｋＶ ２ｍｍ×２ｍｍ。
２９Ｓｉ ＭＡＳ ＮＭＲ（マジック角回転核磁気共鳴）
・装置： Ｂｒｕｋｅｒ社製７００ＮＭＲ分光器、
・プローブ： ４ｍｍＨＲ－ＭＡＳローター ５０μＬ、
・試料回転速度： １０ｋＨｚ、
・測定環境温度： ２５℃
また、本発明において、ケイ素化合物の改質を行う際に、電気化学的手法や、酸化還元反応による改質、及び物理的手法である熱ドープ等の手法を用いることができる。特に、電気化学的手法及び酸化還元による改質を用いてケイ素化合物を改質した場合、負極活物質の電池特性が向上する。また、改質では、ケイ素化合物へのＬｉの挿入だけでなく、熱処理によるＬｉ化合物の安定化やケイ素化合物からのＬｉの脱離を合わせて行うと良い。これにより、負極活物質の耐水性などといったスラリーに対する安定性がより向上する。ただし、本発明におけるＬｉ含有量及びピーク強度比Ｉｂ／Ｉａの範囲内とすることが必要である。
また、本発明の負極活物質では、ケイ素化合物が、２９Ｓｉ－ＭＡＳ－ＮＭＲスペクトルから得られるケミカルシフト値として、－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満の領域付近に与えられるケイ素酸化物の低価数領域に由来するピークを持ち、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域付近に与えられるＬｉ６Ｓｉ２Ｏ７領域に由来するピークを持ち、－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満の領域付近に与えられるＬｉ２ＳｉＯ３領域に由来するピークを持つことができる。このように、改質によってＬｉシリケートにすることによりスラリーに対する安定性がより向上する。
また、上述のように本発明において、ケイ素系活物質粒子中のケイ素化合物粒子は表面の少なくとも一部に炭素被覆を含むため、適度な導電性を得ることができる。
また、本発明の負極活物質において、負極活物質粒子は、最表層に結晶性のＬｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏの少なくともいずれか１種が含まれているものであり、負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＣＯ３に起因する２θ＝２１°付近のピーク強度Ｉｃが、０≦Ｉｃ／Ｉａ≦１０を満たし、かつ、該Ｘ線回折により得られるＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏに起因する２θ＝３２°付近のピーク強度Ｉｄが、０≦Ｉｄ／Ｉａ≦２０を満たすものとすることができる。
このように、負極活物質粒子の最表層に結晶性のＬｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏの少なくともいずれか１種のイオン性物質が含まれている場合、水系スラリー作製時のバインダーの結着性が向上する。また、上記Ｉｃ／Ｉａ、Ｉｄ／Ｉａが、Ｉｃ／Ｉａ≦１０、かつＩｄ／Ｉａ≦２０の場合、水系スラリーを作製した際に、スラリーのｐＨを上げすぎないため、ガス発生やスラリーの粘度低下の要因となることを防ぐことができる。
また、本発明の負極活物質において、特に、負極活物質粒子は、最表層に結晶性のＬｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏが含まれていないものであることが好ましい。バインダー結着性向上とｐＨ上昇の両面から、実質的には結晶性のＬｉ２ＣＯ３、ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏが含まれないことが好ましい。この場合、０＝Ｉｃ／Ｉａ、０＝Ｉｄ／Ｉａが好ましい。
また、本発明の負極活物質において、負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク半値幅が０．５°以上３．０°以下であることが好ましい。このように、Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピーク半値幅が０．５°以上３．０°以下であることにより、水系スラリーへのアルカリ成分の溶出を抑制することができ、より良好な電池特性が得られる。
また、負極活物質粒子の２９Ｓｉ－ＭＡＳ－ＮＭＲスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として、－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満の領域と、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域と、－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満の領域のうち少なくも一つの領域に、少なくとも一つ以上のピークを有することが好ましい。
ケイ素化合物粒子を有する負極活物質粒子において、ケミカルシフト値として－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満付近のピークは低価数のケイ素酸化物に由来し、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満付近のピークはＬｉ６Ｓｉ２Ｏ７成分に由来し、－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満付近のピークはＬｉ２ＳｉＯ３成分に由来する。そのため、上記の領域のうち少なくとも一つの領域に、少なくとも一つ以上のピークを有することで水系スラリーへのアルカリ成分の溶出を抑制することができ、より良好な電池特性が得られる。なお、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域付近のピークとして、Ｌｉ６Ｓｉ２Ｏ７成分に由来するピークがあっても良いが、実質的に存在しないことがより好ましい。すなわち、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域付近のピークが存在するよりも、－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満付近のピーク及び－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満付近のピークの少なくともいずれか一方が存在することがより好ましい。
また、負極活物質粒子の２９Ｓｉ－ＭＡＳ－ＮＭＲスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満の領域で得られるピークのピーク強度をＩｅとし、ケミカルシフト値として－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域で得られるピークのピーク強度をＩｆとし、ケミカルシフト値として－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満の領域で得られるピークのピーク強度をＩｇとしたときに、０≦Ｉｅ／Ｉｇ≦０．２３、０≦Ｉｆ／Ｉｇ≦１．１であることが好ましい。
これらのようなＮＭＲピークを有するケイ素系化合物粒子は、水系スラリーへのアルカリ成分の溶出を抑制することができ、より良好な電池特性が得られる。なお、上記のように、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域付近のピークは、Ｌｉ６Ｓｉ２Ｏ７成分に由来するピークであり、このピークは存在しない方が実質的に好ましく、Ｉｆ／Ｉｇ＝０がより好ましい。
また、本発明の負極活物質において、負極活物質粒子の炭素被覆量が、ケイ素化合物と炭素被覆層の合計に対し０．３質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。このように、負極活物質粒子における炭素被覆量が０．３質量％以上１０質量％以下であれば、十分な導電性を確保できるため、より良好な電池特性が得られる。
また、本発明の負極活物質において、負極活物質粒子のラマン分光分析によるＤバンドとＧバンドの強度比ＩＤ／ＩＧが０．４≦ＩＤ／ＩＧ≦１．１であることが好ましい。このように０．４≦ＩＤ／ＩＧ≦１．１であれば、膨張収縮による炭素膜のはがれや炭素表面での副反応を抑制することができるため、より良好な電池特性が得られる。
また、本発明の負極活物質において、負極活物質粒子のラマン分光分析によるＧ’バンドとＧバンドの強度比ＩＧ’／ＩＧが０≦ＩＧ’／ＩＧ≦０．０５であることが好ましい。このように０≦ＩＧ’／ＩＧ≦０．０５であれば、充電時に炭素表面全域から均一にＬｉが挿入されるため、より良好な電池特性が得られる。
また、本発明の負極活物質において、負極活物質粒子のラマン分光分析によるＳｉピーク強度とＧバンドの強度比ＩＳｉ／ＩＧが０≦ＩＳｉ／ＩＧ≦１．０であることが好ましい。このように０≦ＩＳｉ／ＩＧ≦１．０であれば、ケイ素系化合物粒子の表面露出を抑制することができ、水系スラリーでのガス発生を遅延させることができるため、結果としてより良好な電池特性が得られる。
［負極の製造方法］
続いて、本発明の非水電解質二次電池の負極の製造方法の一例を説明する。
続いて、本発明の非水電解質二次電池の負極の製造方法の一例を説明する。
最初に負極に含まれる負極材の製造方法を説明する。まず、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．６）で表されるケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を作製する。次に、ケイ素化合物粒子の少なくとも一部を炭素材で被覆する。次に、ケイ素化合物粒子にＬｉを挿入することにより、ケイ素化合物粒子を改質する。このＬｉ挿入の際には、Ｌｉの脱離も行ってよい。このＬｉ挿入により、Ｌｉ２ＳｉＯ３を生成するとともに、該Ｌｉの含有量を負極活物質粒子に対して９．７質量％以上１３．２質量％未満とする。このとき、同時にケイ素化合物粒子の内部や表面にＬｉ化合物を生成させることができる。そして、改質後の負極活物質粒子から、負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉに起因する２θ＝４７．５°付近のピークの強度Ｉａと、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク強度Ｉｂが、１≦Ｉｂ／Ｉａ≦１８を満たすものを選別する。このようなケイ素化合物粒子を含む負極活物質粒子を用いて、導電助剤やバインダーと混合するなどして、負極材及び負極電極を製造できる。
より具体的には、負極活物質は、例えば、以下の手順により製造される。
まず、酸化ケイ素ガスを発生する原料を不活性ガスの存在下もしくは減圧下９００℃～１６００℃の温度範囲で加熱し、酸化ケイ素ガスを発生させる。この場合、原料は金属珪素粉末と二酸化ケイ素粉末との混合であり、金属珪素粉末の表面酸素及び反応炉中の微量酸素の存在を考慮すると、混合モル比が、０．８＜金属珪素粉末／二酸化ケイ素粉末＜１．３の範囲であることが望ましい。粒子中のＳｉ結晶子は仕込み範囲や気化温度の変更、また生成後の熱処理で制御される。発生したガスは吸着板に堆積される。反応炉内温度を１００℃以下に下げた状態で堆積物を取出し、ボールミル、ジェットミルなどを用いて粉砕、粉末化を行う。
次に、得られた酸化ケイ素粉末材料（ケイ素化合物粒子）の表層に炭素被膜を形成する。炭素被膜は、負極活物質の電池特性をより向上させるには効果的である。
粉末材料の表層に炭素被膜を形成する手法としては、熱分解ＣＶＤが望ましい。熱分解ＣＶＤは炉内に酸化ケイ素粉末をセットし、炉内に炭化水素ガスを充満させ炉内温度を昇温させる。分解温度は特に限定しないが特に１２００℃以下が望ましい。より望ましいのは９５０℃以下であり、意図しないケイ素酸化物の不均化を抑制することが可能である。炭化水素ガスは特に限定することはないが、ＣｎＨｍ組成のうち２≧ｎが望ましい。低製造コスト及び分解生成物の物性が良いからである。
次に、上記のように作製したケイ素活物質粒子を含む負極活物質粒子に、Ｌｉを挿入し、Ｌｉ２ＳｉＯ３を含有させる。Ｌｉの挿入は、電気化学的方法または酸化還元的方法により行うことが好ましい。
電気化学的方法による改質では、特に装置構造を限定することはないが、例えば図２に示すバルク内改質装置２０を用いて、バルク内改質を行うことができる。バルク内改質装置２０は、有機溶媒２３で満たされた浴槽２７と、浴槽２７内に配置され、電源２６の一方に接続された陽電極（リチウム源、改質源）２１と、浴槽２７内に配置され、電源２６の他方に接続された粉末格納容器２５と、陽電極２１と粉末格納容器２５との間に設けられたセパレータ２４とを有している。粉末格納容器２５には、酸化ケイ素の粉末２２が格納される。そして、粉末格納容器には、ケイ素化合物（酸化珪素粒子）を格納し、電源により酸化珪素粒子を格納した粉末格納容器と陽電極（リチウム源）に電圧をかける。これにより、ケイ素化合物粒子にリチウムを挿入、脱離することができるため、酸化珪素の粉末２２を改質できる。得られた酸化珪素を４００～８００℃で熱処理することによりＬｉ化合物を安定化させることができる。
浴槽２７内の有機溶媒２３として、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ジフルオロメチルメチルなどを用いることができる。また、有機溶媒２３に含まれる電解質塩として、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）などを用いることができる。
陽電極２１はＬｉ箔を用いてもよく、また、Ｌｉ含有化合物を用いてもよい。Ｌｉ含有化合物として、炭酸リチウム、酸化リチウム、コバルト酸リチウム、オリビン鉄リチウム、ニッケル酸リチウム、リン酸バナジウムリチウムなどがあげられる。
電気化学的Ｌｉドープ改質後には、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウムを溶解したアルカリ水、アルコール、弱酸、または純水などで洗浄しても良い。洗浄することにより余分なアルカリ成分を溶出させることができ、スラリー安定性が向上する。
酸化還元法による改質では、例えば、まず、エーテル系溶媒にリチウムを溶解した溶液Ａにケイ素活物質粒子を浸漬することで、リチウムを挿入できる。この溶液Ａにさらに多環芳香族化合物または直鎖ポリフェニレン化合物を含ませても良い。得られた酸化珪素を４００～８００℃で熱処理することによりＬｉ化合物を安定化させることができる。また、リチウムの挿入後、多環報告族化合物または直鎖ポリフェニレン化合物やその誘導体を含む溶液Ｂにケイ素活物質粒素を浸漬することで、ケイ素活物質粒子から活性なリチウムを脱離しても良い。この溶液Ｂの溶媒は例えば、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、アルコール系溶媒、アミン系溶媒、またはこれらの混合溶媒を使用できる。炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウムを溶解したアルカリ水、アルコール、弱酸、または純水などで洗浄しても良い。洗浄することにより余分なアルカリ成分を溶出させることができ、スラリー安定性が向上する。
溶液Ａに用いるエーテル系溶媒としては、ジエチルエーテル、ｔｅｒｔブチルメチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、１，２－ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、またはこれらの混合溶媒等を用いることができる。この中で特にテトラヒドロフラン、ジオキサン、１，２－ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテルを用いることが好ましい。これらの溶媒は、脱水されていることが好ましく、脱酸素されていることが好ましい。
また、溶液Ａに含まれている多環芳香族化合物としては、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ナフタレン、ペンタセン、ピレン、トリフェニレン、コロネン、クリセン、およびこれらの誘導体のうち１種類以上を用いることができ、直鎖ポリフェニレン化合物としては、ビフェニル、ターフェニル、およびこれらの誘導体のうち１種類以上を用いることができる。
溶液Ｂに含まれる多環芳香族化合物としえては、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ナフタレン、ペンタセン、ピレン、トリフェニレン、コロネン、クリセン、およびこれらの誘導体のうち１種類以上を用いることができる。
また溶液Ｂのエーテル系溶媒としては、ジエチルエーテル、ｔｅｒｔブチルメチルエーテル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、１，２－ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、またはこれらの混合溶媒等を用いることができる。
ケトン系溶媒としては、アセトン、アセトフェニン等を用いることができる。
エステル系溶媒としては、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、および酢酸イソプロピル等を用いることができる。
アルコール系溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、およびイソプロピルアルコノール等を用いることができる。
アミン系溶媒としては、メチルアミン、エチルアミン、およびエチレンジアミン等を用いることができる。
また、熱ドープ法によって、負極活物質粒子にＬｉを挿入しても良い。この場合、例えば、負極活物質粒子をＬｉＨ粉やＬｉ粉と混合し、非酸化雰囲気下で加熱をすることで改質可能である。非酸化雰囲気としては、例えば、Ａｒ雰囲気などが使用できる。より具体的には、まず、Ａｒ雰囲気下でＬｉＨ粉又はＬｉ粉と酸化珪素粉末を十分に混ぜ、封止を行い、封止した容器ごと撹拌することで均一化する。その後、７００℃～７５０℃の範囲で加熱し改質を行う。またこの場合、Ｌｉをケイ素化合物から脱離するには、加熱後の粉末を十分に冷却し、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウムを溶解したアルカリ水、アルコール、弱酸、または純水などで洗浄しても良い。洗浄することにより余分なアルカリ成分を溶出させることができ、スラリー安定性が向上する。
＜水系負極スラリー組成物＞
以上のようにして作製した負極活物質に、必要に応じて、負極結着剤、導電助剤などの他の材料も混合した後に、水を加える（水に加えて有機溶剤等を加えることもできる。）ことで水系負極スラリー組成物を得ることができる。
以上のようにして作製した負極活物質に、必要に応じて、負極結着剤、導電助剤などの他の材料も混合した後に、水を加える（水に加えて有機溶剤等を加えることもできる。）ことで水系負極スラリー組成物を得ることができる。
このような水系負極スラリー組成物であれば、保管時のガス発生などによる経時変化を小さく抑えることができるため、製造プロセスの自由度も大きく、工業化に適している。また、上記の水系負極スラリー組成物を用いて負極を作製することで、高容量であるとともに良好な初期充放電特性を有する二次電池とすることができる。
次に、負極集電体の表面に、上記の水系負極スラリー組成物を塗布し、乾燥させて、負極活物質層を形成する。この時、必要に応じて加熱プレスなどを行ってもよい。以上のようにして、負極を作製できる。
＜リチウムイオン二次電池＞
次に、上記した本発明の非水電解質二次電池の具体例として、ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池について説明する。
次に、上記した本発明の非水電解質二次電池の具体例として、ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池について説明する。
［ラミネートフィルム型二次電池の構成］
図３に示すラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池３０は、主にシート状の外装部材３５の内部に巻回電極体３１が収納されたものである。この巻回電極体３１は正極、負極間にセパレータを有し、巻回されたものである。また、巻回はせずに、正極、負極間にセパレータを有した積層体を収納した場合も存在する。どちらの電極体においても、正極に正極リード３２が取り付けられ、負極に負極リード３３が取り付けられている。電極体の最外周部は保護テープにより保護されている。
図３に示すラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池３０は、主にシート状の外装部材３５の内部に巻回電極体３１が収納されたものである。この巻回電極体３１は正極、負極間にセパレータを有し、巻回されたものである。また、巻回はせずに、正極、負極間にセパレータを有した積層体を収納した場合も存在する。どちらの電極体においても、正極に正極リード３２が取り付けられ、負極に負極リード３３が取り付けられている。電極体の最外周部は保護テープにより保護されている。
正負極リード３２、３３は、例えば、外装部材３５の内部から外部に向かって一方向で導出されている。正極リード３２は、例えば、アルミニウムなどの導電性材料により形成され、負極リード３３は、例えば、ニッケル、銅などの導電性材料により形成される。
外装部材３５は、例えば、融着層、金属層、表面保護層がこの順に積層されたラミネートフィルムであり、このラミネートフィルムは融着層が電極体３１と対向するように、２枚のフィルムの融着層における外周縁部同士が融着、又は、接着剤などで張り合わされている。融着部は、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどのフィルムであり、金属部はアルミ箔などである。保護層は例えば、ナイロンなどである。
外装部材３５と正負極リードとの間には、外気侵入防止のため密着フィルム３４が挿入されている。この材料は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン樹脂である。
正極は、例えば、図１の負極１０と同様に、正極集電体の両面又は片面に正極活物質層を有している。
正極集電体は、例えば、アルミニウムなどの導電性材により形成されている。
正極活物質層は、リチウムイオンの吸蔵放出可能な正極材のいずれか１種又は２種以上を含んでおり、設計に応じて正極結着剤、正極導電助剤、分散剤などの他の材料を含んでいても良い。この場合、正極結着剤、正極導電助剤に関する詳細は、例えば既に記述した負極結着剤、負極導電助剤と同様である。
正極材料としては、リチウム含有化合物が望ましい。このリチウム含有化合物は、例えばリチウムと遷移金属元素からなる複合酸化物、又はリチウムと遷移金属元素を有するリン酸化合物があげられる。これらの正極材の中でもニッケル、鉄、マンガン、コバルトの少なくとも１種以上を有する化合物が好ましい。これらの化学式として、例えば、ＬｉｘＭ１Ｏ２あるいはＬｉｙＭ２ＰＯ４で表される。式中、Ｍ１、Ｍ２は少なくとも１種以上の遷移金属元素を示す。ｘ、ｙの値は電池充放電状態によって異なる値を示すが、一般的に０．０５≦ｘ≦１．１０、０．０５≦ｙ≦１．１０で示される。
リチウムと遷移金属元素とを有する複合酸化物としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉｘＣｏＯ２）、リチウムニッケル複合酸化物（ＬｉｘＮｉＯ２）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物などが挙げられる。リチウムニッケルコバルト複合酸化物としては、例えばリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物（ＮＣＡ）やリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＮＣＭ）などが挙げられる。
リチウムと遷移金属元素とを有するリン酸化合物としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ４）あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物（ＬｉＦｅ１－ｕＭｎｕＰＯ４（０＜ｕ＜１））などが挙げられる。これらの正極材を用いれば、高い電池容量を得ることができるとともに、優れたサイクル特性も得ることができる。
［負極］
負極は、上記した図１のリチウムイオン二次電池用負極１０と同様の構成を有し、例えば、集電体の両面に負極活物質層を有している。この負極は、正極活物質剤から得られる電気容量（電池としての充電容量）に対して、負極充電容量が大きくなることが好ましい。これにより、負極上でのリチウム金属の析出を抑制することができる。
負極は、上記した図１のリチウムイオン二次電池用負極１０と同様の構成を有し、例えば、集電体の両面に負極活物質層を有している。この負極は、正極活物質剤から得られる電気容量（電池としての充電容量）に対して、負極充電容量が大きくなることが好ましい。これにより、負極上でのリチウム金属の析出を抑制することができる。
正極活物質層は、正極集電体の両面の一部に設けられており、同様に負極活物質層も負極集電体の両面の一部に設けられている。この場合、例えば、負極集電体上に設けられた負極活物質層は対向する正極活物質層が存在しない領域が設けられている。これは、安定した電池設計を行うためである。
上記の負極活物質層と正極活物質層とが対向しない領域では、充放電の影響をほとんど受けることが無い。そのため、負極活物質層の状態が形成直後のまま維持され、これによって負極活物質の組成などを、充放電の有無に依存せずに再現性良く正確に調べることができる。
［セパレータ］
セパレータは正極と負極を隔離し、両極接触に伴う電流短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータは、例えば合成樹脂、あるいはセラミックからなる多孔質膜により形成されており、２種以上の多孔質膜が積層された積層構造を有してもよい。合成樹脂として例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
セパレータは正極と負極を隔離し、両極接触に伴う電流短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。このセパレータは、例えば合成樹脂、あるいはセラミックからなる多孔質膜により形成されており、２種以上の多孔質膜が積層された積層構造を有してもよい。合成樹脂として例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが挙げられる。
［電解液］
活物質層の少なくとも一部、又は、セパレータには、液状の電解質（電解液）が含浸されている。この電解液は、溶媒中に電解質塩が溶解されており、添加剤など他の材料を含んでいてもよい。
活物質層の少なくとも一部、又は、セパレータには、液状の電解質（電解液）が含浸されている。この電解液は、溶媒中に電解質塩が溶解されており、添加剤など他の材料を含んでいてもよい。
溶媒は、例えば、非水溶媒を用いることができる。非水溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、１，２－ジメトキシエタン、又はテトラヒドロフランなどが挙げられる。この中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチルのうちの少なくとも１種以上を用いることが望ましい。より良い特性が得られるからである。またこの場合、炭酸エチレン、炭酸プロピレンなどの高粘度溶媒と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチル、炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒を組み合わせることにより、より優位な特性を得ることができる。これは、電解質塩の解離性やイオン移動度が向上するためである。
溶媒添加物として、不飽和炭素結合環状炭酸エステルを含んでいることが好ましい。充放電時に負極表面に安定な被膜が形成され、電解液の分解反応が抑制できるからである。不飽和炭素結合環状炭酸エステルとして、例えば炭酸ビニレン又は炭酸ビニルエチレンなどが挙げられる。
また溶媒添加物として、スルトン（環状スルホン酸エステル）を含んでいることが好ましい。電池の化学的安定性が向上するからである。スルトンとしては、例えばプロパンスルトン、プロペンスルトンが挙げられる。
さらに、溶媒は、酸無水物を含んでいることが好ましい。電解液の化学的安定性が向上するからである。酸無水物としては、例えば、プロパンジスルホン酸無水物が挙げられる。
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩のいずれか１種類以上含むことができる。リチウム塩として、例えば、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）などが挙げられる。
電解質塩の含有量は、溶媒に対して０．５ｍｏｌ／ｋｇ以上２．５ｍｏｌ／ｋｇ以下であることが好ましい。これは、高いイオン伝導性が得られるからである。
［ラミネートフィルム型二次電池の製造方法］
最初に上記した正極材を用い正極電極を作製する。まず、正極活物質と、必要に応じて正極結着剤、正極導電助剤などを混合し正極合剤としたのち、有機溶剤に分散させ正極合剤スラリーとする。続いて、ナイフロール又はダイヘッドを有するダイコーターなどのコーティング装置で正極集電体に合剤スラリーを塗布し、熱風乾燥させて正極活物質層を得る。最後に、ロールプレス機などで正極活物質層を圧縮成型する。この時、加熱しても良く、また圧縮を複数回繰り返してもよい。
最初に上記した正極材を用い正極電極を作製する。まず、正極活物質と、必要に応じて正極結着剤、正極導電助剤などを混合し正極合剤としたのち、有機溶剤に分散させ正極合剤スラリーとする。続いて、ナイフロール又はダイヘッドを有するダイコーターなどのコーティング装置で正極集電体に合剤スラリーを塗布し、熱風乾燥させて正極活物質層を得る。最後に、ロールプレス機などで正極活物質層を圧縮成型する。この時、加熱しても良く、また圧縮を複数回繰り返してもよい。
次に、上記したリチウムイオン二次電池用負極１０の作製と同様の作業手順を用い、負極集電体に負極活物質層を形成し負極を作製する。
正極及び負極を作製する際に、正極及び負極集電体の両面にそれぞれの活物質層を形成する。この時、どちらの電極においても両面部の活物質塗布長がずれていても良い（図１を参照）。
続いて、電解液を調整する。続いて、超音波溶接などにより、正極集電体に正極リード３２を取り付けると共に、負極集電体に負極リード３３を取り付ける。続いて、正極と負極とをセパレータを介して積層、又は巻回させて巻回電極体３１を作製し、その最外周部に保護テープを接着させる。次に、扁平な形状となるように巻回体を成型する。続いて、折りたたんだフィルム状の外装部材３５の間に巻回電極体を挟み込んだ後、熱融着法により外装部材の絶縁部同士を接着させ、一方向のみ解放状態にて、巻回電極体を封入する。続いて、正極リード、及び負極リードと外装部材の間に密着フィルムを挿入する。続いて、解放部から上記調整した電解液を所定量投入し、真空含浸を行う。含浸後、解放部を真空熱融着法により接着させる。以上のようにして、ラミネートフィルム型二次電池３０を製造することができる。
上記作製したラミネートフィルム型二次電池３０等の本発明の非水電解質二次電池において、充放電時の負極利用率が９３％以上９９％以下であることが好ましい。負極利用率を９３％以上の範囲とすれば、初回充電効率が低下せず、電池容量の向上を大きくできる。また、負極利用率を９９％以下の範囲とすれば、Ｌｉが析出してしまうことがなく安全性を確保できる。
以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１－１）
以下の手順により、図３に示したラミネートフィルム型の二次電池３０を作製した。
以下の手順により、図３に示したラミネートフィルム型の二次電池３０を作製した。
最初に正極を作製した。正極活物質はリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物（ＬｉＮｉ０．７Ｃｏ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ）９５質量部と、正極導電助剤（アセチレンブラック）２．５質量部と、正極結着剤（ポリフッ化ビニリデン、ＰＶＤＦ）２．５質量部とを混合し正極合剤とした。続いて正極合剤を有機溶剤（Ｎ－メチル－２－ピロリドン、ＮＭＰ）に分散させてペースト状のスラリーとした。続いてダイヘッドを有するコーティング装置で正極集電体の両面にスラリーを塗布し、熱風式乾燥装置で乾燥した。この時、正極集電体は厚み１５μｍのものを用いた。最後にロールプレスで圧縮成型を行った。
次に負極を作製した。まず、ケイ素系活物質を以下のように作製した。金属ケイ素と二酸化ケイ素を混合した原料（気化出発材）を反応炉へ設置し、１０Ｐａの真空度の雰囲気中で気化させたものを吸着板上に堆積させ、十分に冷却した後、堆積物を取出しボールミルで粉砕した。粒径を調整した後、熱ＣＶＤを行うことで炭素被膜を被覆した。続いて、炭素被膜を被覆したケイ素化合物に対して酸化還元法によりケイ素化合物粒子にリチウムを挿入し改質を行った。まず。負極活物質粒子を、リチウム片と、芳香族化合物であるナフタレンとをテトラヒドロフラン（以下、ＴＨＦと呼称する）に溶解させた溶液（溶液Ａ）に浸漬した。この溶液Ａ、ＴＨＦ溶媒にナフタレンを０．２ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させたのちに、このＴＨＦとナフタレンの混合液に対して１２質量％の質量分のリチウム片を加えることで作製した。また、負極活物質粒子を浸漬する際の溶液の温度は２０℃で、浸漬時間は２０時間とした。その後、負極活物質粒子を濾取した。以上の処理により負極活物質粒子にリチウムを挿入した。
得られたケイ素化合物粒子をアルゴン雰囲気下６５０℃以下で２４時間熱処理を行いＬｉ化合物の安定化を行った。
このようにして、負極活物質粒子（ケイ素系活物質粒子）の改質を行った。以上の処理により、負極活物質粒子を作製した。なお、負極活物質粒子におけるＬｉ含有量は１０．０質量％、炭素被覆率は３質量％、負極活物質粒子のメディアン径（体積基準、Ｄ５０）は８．９μｍであった。
得られた負極活物質粒子のＸＲＤ測定、２９Ｓｉ－ＮＭＲ測定、ラマン分光分析、粒度分布測定を行った。
以上のようにして作製したケイ素系活物質と、炭素系活物質を２：８の質量比で配合し、負極活物質を作製した。ここで、炭素系活物質としては、ピッチ層で被覆した天然黒鉛及び人造黒鉛を５：５の質量比で混合したものを使用した。また、炭素系活物質のメディアン径は２０μｍであった。
次に、作製した負極活物質、導電助剤１（カーボンナノチューブ、ＣＮＴ）、導電助剤２（メディアン径が約５０ｎｍの炭素微粒子）、スチレンブタジエンゴム（スチレンブタジエンコポリマー、以下、ＳＢＲと称する）、カルボキシメチルセルロース（以下、ＣＭＣと称する）９２．５：１：１：２．５：３の乾燥質量比で混合した後、純水で希釈し負極合剤スラリーとした。尚、上記のＳＢＲ、ＣＭＣは負極バインダー（負極結着剤）である。ここで、負極合剤スラリーの安定性を測定するため、作製した負極合剤スラリーの一部を二次電池の作製用のものとは別に３０ｇ取り出し、２０℃で保存し、負極合剤スラリー作製後からガス発生状況を確認した。このガス発生状況は、スラリー作製後からガスが発生するまでの時間で評価した。この時間が長いほどスラリーがより安定していると言える。
また、負極集電体としては、電解銅箔（厚さ１５μｍ）を用いた。最後に、負極合剤スラリーを負極集電体に塗布し真空雰囲気中で１００℃×１時間の乾燥を行った。乾燥後の、負極の片面における単位面積あたりの負極活物質層の堆積量（面積密度とも称する）は５ｍｇ／ｃｍ２であった。
次に、溶媒として、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）及びジエチルカーボネート（ＤＥＣ））を混合したのち、電解質塩（六フッ化リン酸リチウム：ＬｉＰＦ６）を溶解させて電解液を調製した。この場合には、溶媒の組成を体積比でＦＥＣ：ＥＣ：ＤＥＣ＝１：２：７とし、電解質塩の含有量を溶媒に対して１．０ｍｏｌ／ｋｇとした。さらに、得られた電解液にビニレンカーボネート（ＶＣ）を１．５質量％添加した。
次に、以下のようにして二次電池を組み立てた。最初に、正極集電体の一端にアルミリードを超音波溶接し、負極集電体にはニッケルリードを溶接した。続いて、正極、セパレータ、負極、セパレータをこの順に積層し、長手方向に巻回させ巻回電極体を得た。その捲き終わり部分をＰＥＴ保護テープで固定した。セパレータは多孔性ポリプロピレンを主成分とするフィルムにより多孔性ポリエチレンを主成分とするフィルムに挟まれた積層フィルム１２μｍを用いた。続いて、外装部材間に電極体を挟んだのち、一辺を除く外周縁部同士を熱融着し、内部に電極体を収納した。外装部材はナイロンフィルム、アルミ箔及び、ポリプロピレンフィルムが積層されたアルミラミネートフィルムを用いた。続いて、開口部から調整した電解液を注入し、真空雰囲気下で含浸した後、熱融着し封止した。
以上のようにして作製した二次電池のサイクル特性及び初回充放電特性を評価した。
サイクル特性については、以下のようにして調べた。最初に、電池安定化のため２５℃の雰囲気下、０．２Ｃで２サイクル充放電を行い、２サイクル目の放電容量を測定した。続いて、総サイクル数が２９９サイクルとなるまで充放電を行い、その都度放電容量を測定した。最後に、０．２Ｃ充放電で得られた３００サイクル目の放電容量を２サイクル目の放電容量で割り、容量維持率（以下、単に維持率ともいう）を算出した。通常サイクル、すなわち３サイクル目から２９９サイクル目までは、充電０．７Ｃ、放電０．５Ｃで充放電を行った。
初回充放電特性を調べる場合には、初期効率（以下では初期効率と呼ぶ場合もある）を算出した。初期効率は、初期効率（％）＝（初回放電容量／初回充電容量）×１００で表される式から算出した。雰囲気温度は、サイクル特性を調べた場合と同様にした。また、この初期効率は１．２Ｖまでの放電容量で計算した効率とした。
（比較例１－１、１－２）
ケイ素系負極活物質粒子におけるＸ線回折のピーク強度比Ｉｂ／Ｉａを表１のように変更したこと以外、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。ピーク強度比Ｉｂ／Ｉａは、Ｌｉ含有量、熱処理条件（温度、時間）で調整した。
ケイ素系負極活物質粒子におけるＸ線回折のピーク強度比Ｉｂ／Ｉａを表１のように変更したこと以外、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。ピーク強度比Ｉｂ／Ｉａは、Ｌｉ含有量、熱処理条件（温度、時間）で調整した。
実施例１－１、比較例１－１、１－２の評価結果を表１に示す。
表１に示すように、ＳｉＯｘで表されるケイ素化合物において、強度比Ｉｂ／Ｉａが１８を超えるとＬｉ２ＳｉＯ３のピーク強度が強すぎるために結果として電池特性が悪化してしまう。比較例１－１では、Ｌｉ２ＳｉＯ３のピーク強度が強く、初回効率が悪い。一方で、比較例１－２では、Ｓｉのピークが強いため、スラリー中でのガス発生が激しく、結果として電池特性が悪化する。一方で、強度比Ｉｂ／Ｉａが１８以下の場合、スラリー安定性に問題なく、良好な電池特性（高い初期効率及びサイクル維持率）が得られた。
（実施例２－１～実施例２－５、比較例２－１、２－２）
ケイ素化合物粒子のＬｉ含有量及びＸ線回折のピーク強度比Ｉｂ／Ｉａを調整したことを除き、実施例１－１と同様に、二次電池の製造を行った。Ｌｉ含有量の調整はＬｉドープ量で調整した。
ケイ素化合物粒子のＬｉ含有量及びＸ線回折のピーク強度比Ｉｂ／Ｉａを調整したことを除き、実施例１－１と同様に、二次電池の製造を行った。Ｌｉ含有量の調整はＬｉドープ量で調整した。
表２に示すように、Ｌｉ含有量を調整した。その結果、Ｌｉ含有量が１３．２質量％以上の場合、スラリー安定性が悪化して、電池評価を実施することができなかった。例えば、比較例２－２に示すように、Ｌｉ含有量が１３．２質量％以上の場合、スラリー安定性が悪化し、電極作製が困難になってしまうため電池評価ができない。一方、比較例２－１に示すようにＬｉ含有量が少ない場合（９．４質量％）、電池特性の向上がみられない。
（実施例３－１～実施例３－１０）
負極活物質粒子の最表層における、Ｌｉ化合物（結晶性のＬｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ）の生成量の調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。結晶性のＬｉ２ＣＯ３，ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏは大気暴露時間を調整することにより調整することができる。実施例１－１、実施例３－１～実施例３－１０の評価結果を表３に示す。
負極活物質粒子の最表層における、Ｌｉ化合物（結晶性のＬｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ）の生成量の調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。結晶性のＬｉ２ＣＯ３，ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏは大気暴露時間を調整することにより調整することができる。実施例１－１、実施例３－１～実施例３－１０の評価結果を表３に示す。
表３に示したように、Ｘ線回折スペクトルにおける各ピーク強度比は、Ｉｃ／Ｉａ強度比が１０以下である場合、初回効率がより高く、ガス発生日数も良好であった。その結果として電池特性の向上につながっている。一方で、Ｉｄ／Ｉａが２０以下の場合も、初回効率の低下およびガス発生日数の向上につながる。
（実施例４－１～実施例４－７）
次に、負極活物質粒子におけるＳｉ（２２０）面の結晶子サイズの調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。この結晶子サイズは、ケイ素酸化物の熱負荷により調整することができる。実施例１－１、実施例４－１～実施例４－７の評価結果を表４に示す。
次に、負極活物質粒子におけるＳｉ（２２０）面の結晶子サイズの調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。この結晶子サイズは、ケイ素酸化物の熱負荷により調整することができる。実施例１－１、実施例４－１～実施例４－７の評価結果を表４に示す。
表４に示したように、結晶子サイズが５ｎｍ以下である場合、ガス発生が抑えられるとともに、より良好な電池特性を得られた。
（実施例５－１～実施例５－５、比較例５－１）
次に、負極活物質粒子におけるＸＲＤスペクトルで得られるＬｉ２ＳｉＯ３のピークの半値幅の調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。このピーク半値幅は、熱処理条件（温度、時間）で調整した。実施例１－１、実施例５－１～実施例５－５、比較例５－１の評価結果を表５に示す。
次に、負極活物質粒子におけるＸＲＤスペクトルで得られるＬｉ２ＳｉＯ３のピークの半値幅の調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。このピーク半値幅は、熱処理条件（温度、時間）で調整した。実施例１－１、実施例５－１～実施例５－５、比較例５－１の評価結果を表５に示す。
表５に示すように、Ｌｉ２ＳｉＯ３のピークの半値幅が３°を超えると、Ｌｉ含有量が多くなる傾向がある。言い換えれば、Ｌｉ含有量が多くなりすぎると、Ｌｉ２ＳｉＯ３の半値幅が広くなってしまう傾向がある。この場合、スラリーのガス発生が顕著となり、結果として電池特性の低下につながる。Ｌｉ２ＳｉＯ３の半値幅は０．５°以上、３°以下が好ましい。
（実施例６－１～実施例６－１０）
次に、負極活物質粒子におけるピーク強度比Ｉｅ／ＩｇとＩｆ／Ｉｇの調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。ピーク強度比はＬｉ含有ケイ素酸化物の熱処理条件により調整することができる。実施例６－１～実施例６－１０の評価結果を表６に示す。
次に、負極活物質粒子におけるピーク強度比Ｉｅ／ＩｇとＩｆ／Ｉｇの調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。ピーク強度比はＬｉ含有ケイ素酸化物の熱処理条件により調整することができる。実施例６－１～実施例６－１０の評価結果を表６に示す。
表６に示すように、Ｉｅ／Ｉｇが０．２３以下かつＩｆ／Ｉｇが１．１以下の場合では、ドープしたＬｉの安定化が十分であるため、スラリー作製中のガス発生が抑制されるとともに、良好な電池特性が見られた。
（実施例７－１～実施例７－５）
次に、負極活物質粒子における炭素被覆量の調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。炭素被覆量は熱ＣＶＤ時間により調整することができる。実施例１－１、実施例７－１～実施例７－５の評価結果を表７に示す。
次に、負極活物質粒子における炭素被覆量の調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。炭素被覆量は熱ＣＶＤ時間により調整することができる。実施例１－１、実施例７－１～実施例７－５の評価結果を表７に示す。
表７に示すように、炭素被覆量が０．３質量％以上の場合、表面に疎水膜が十分にあり、ドープしたＬｉの溶出量が抑制され、スラリー中でのガス発生が抑制される。また、炭素被覆量が０．３質量％以上であれば、表面に導電性膜が十分にあるため、初回効率・３００サイクル時の容量維持率が向上する。
（実施例８－１～実施例８－７）
次に、負極活物質粒子における、ラマン分光分析によるＩＤ／ＩＧ、ＩＧ’／ＩＧ，ＩＳｉ／ＩＧの強度比の調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。これらのピーク強度比は、熱ＣＶＤ時の条件（温度、圧力、ガス流量）により調整することができる。実施例１－１、実施例８－１～実施例８－７の評価結果を表８に示す。
次に、負極活物質粒子における、ラマン分光分析によるＩＤ／ＩＧ、ＩＧ’／ＩＧ，ＩＳｉ／ＩＧの強度比の調整を行った他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。これらのピーク強度比は、熱ＣＶＤ時の条件（温度、圧力、ガス流量）により調整することができる。実施例１－１、実施例８－１～実施例８－７の評価結果を表８に示す。
表８に示すように、ＩＤ／ＩＧ強度比は０．４から１．１の範囲が好ましい。この範囲内であればｓｐ３成分が多すぎないため、炭素膜の導電性が良好となり、優れた電池特性が得られる。また、ＩＧ’／ＩＧは０．０５以下であることが好ましい。ＩＧ’／ＩＧが０．０５以下であることにより、充電時の副反応が抑制されるため、結果として良好な電池特性が得られる。また、ＩＳｉ／ＩＧが１．０以下であることが好ましい。ＩＳｉ／ＩＧが１．１を超えると、炭素被膜で覆われていない露出面が多くなってしまい、スラリー中でのガス発生の要因となってしまい、結果として電池特性がやや低下する。
（実施例９－１～実施例９－７）
次に、ケイ素化合物粒子のＤ１０（体積累積基準で１０％の粒径）とＤ５０（メディアン径）を変化させた他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。実施例１－１、実施例９－１～実施例９－７の評価結果を表９に示す。
次に、ケイ素化合物粒子のＤ１０（体積累積基準で１０％の粒径）とＤ５０（メディアン径）を変化させた他は、実施例１－１と同じ条件で二次電池を作製し、各評価を行った。実施例１－１、実施例９－１～実施例９－７の評価結果を表９に示す。
ケイ素化合物粒子のメディアン径が０．５μｍ以上、特に３μｍ以上であれば、初期効率および維持率がより向上した。これは、ケイ素化合物粒子の質量足りの表面積が大きすぎないため、副反応が抑制されたためと考えられる。一方で、メディアン径が２０μｍ以下であれば、充電時に粒子が割れにくく、充放電時に新生面によるＳＥＩ（固体電解質界面）が生成し難いため、可逆Ｌｉの損失を抑制することができる。また、ケイ素化合物粒子のメディアン径が２０μｍ以下の場合、充電時におけるケイ素化合物粒子の膨張量が大きくなり過ぎないため、膨張による負極活物質層の物理的・電気的破壊を防止できる。また、Ｄ１０は、２μｍ以上で１６μｍ以下であることが好ましい。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１０…負極、 １１…負極集電体、 １２…負極活物質層、
２０…バルク内改質装置、 ２１…陽電極（リチウム源、改質源）、
２２…ケイ素化合物粒子（炭素被覆を有するケイ素化合物粒子）、
２３…有機溶媒、 ２４…セパレータ、
２５…粉末格納容器、 ２６…電源、 ２７…浴槽、
３０…リチウム二次電池（ラミネートフィルム型）、 ３１…電極体、
３２…正極リード（正極アルミリード）、
３３…負極リード（負極ニッケルリード）、
３４…密着フィルム、 ３５…外装部材。
２０…バルク内改質装置、 ２１…陽電極（リチウム源、改質源）、
２２…ケイ素化合物粒子（炭素被覆を有するケイ素化合物粒子）、
２３…有機溶媒、 ２４…セパレータ、
２５…粉末格納容器、 ２６…電源、 ２７…浴槽、
３０…リチウム二次電池（ラミネートフィルム型）、 ３１…電極体、
３２…正極リード（正極アルミリード）、
３３…負極リード（負極ニッケルリード）、
３４…密着フィルム、 ３５…外装部材。
Claims (14)
- 負極活物質粒子を有し、該負極活物質粒子はケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）粒子を含有するものである非水電解質二次電池用負極活物質であって、
前記負極活物質粒子が、少なくともその一部を炭素材で被覆されており、
前記負極活物質粒子にＬｉが含有されており、該Ｌｉの含有量が前記負極活物質粒子に対して９．７質量％以上１３．２質量％未満であり、
前記Ｌｉの少なくとも一部がＬｉ２ＳｉＯ３として存在し、
前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉに起因する２θ＝４７．５°付近のピークの強度Ｉａと、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク強度Ｉｂが、１≦Ｉｂ／Ｉａ≦１８を満たすものであることを特徴とする非水電解質二次電池用負極活物質。 - 前記負極活物質粒子は、最表層に結晶性のＬｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏが含まれていないものであることを特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質粒子は、最表層に結晶性のＬｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏの少なくともいずれか１種が含まれているものであり、
前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＣＯ３に起因する２θ＝２１°付近のピーク強度Ｉｃが、０≦Ｉｃ／Ｉａ≦１０を満たし、かつ、該Ｘ線回折により得られるＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏに起因する２θ＝３２°付近のピーク強度Ｉｄが、０≦Ｉｄ／Ｉａ≦２０を満たすものであることを特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。 - 前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉ（２２０）結晶面に起因する結晶子サイズが５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク半値幅が０．５°以上３．０°以下であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質粒子の２９Ｓｉ－ＭＡＳ－ＮＭＲスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として、－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満の領域と、－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域と、－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満の領域のうち少なくも一つの領域に、少なくとも一つ以上のピークを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質粒子の２９Ｓｉ－ＭＡＳ－ＮＭＲスペクトルから得られる、ケミカルシフト値として－６０ｐｐｍ以上－３０ｐｐｍ未満の領域で得られるピークのピーク強度をＩｅとし、ケミカルシフト値として－７０ｐｐｍ以上－６０ｐｐｍ未満の領域で得られるピークのピーク強度をＩｆとし、ケミカルシフト値として－８０ｐｐｍ以上－７０ｐｐｍ未満の領域で得られるピークのピーク強度をＩｇとしたときに、０≦Ｉｅ／Ｉｇ≦０．２３、０≦Ｉｆ／Ｉｇ≦１．１であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質粒子の炭素被覆量が，前記ケイ素化合物粒子と炭素被覆層の合計に対し０．３質量％以上１０質量％以下であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質のラマン分光分析によるＤバンドとＧバンドの強度比ＩＤ／ＩＧが０．４≦ＩＤ／ＩＧ≦１．１であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質のラマン分光分析によるＧ’バンドとＧバンドの強度比ＩＧ’／ＩＧが０≦ＩＧ’／ＩＧ≦０．０５であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
- 前記負極活物質のラマン分光分析によるＳｉピーク強度とＧバンドの強度比ＩＳｉ／ＩＧが０≦ＩＳｉ／ＩＧ≦１．０であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
- 前記ケイ素化合物粒子のメディアン径が０．５μｍ以上２０μｍ以下のものであることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質。
- 請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極活物質を含むことを特徴とする非水電解質二次電池。
- 負極活物質粒子を含む非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法であって、
ケイ素化合物（ＳｉＯｘ：０．５≦ｘ≦１．６）を含むケイ素化合物粒子を作製する工程と、
前記ケイ素化合物粒子の少なくとも一部を炭素材で被覆する工程と、
前記ケイ素化合物粒子にＬｉを挿入してＬｉ２ＳｉＯ３を生成し、該Ｌｉの含有量を前記負極活物質粒子に対して９．７質量％以上１３．２質量％未満とする工程と
を含み、
該作製した負極活物質粒子から、前記負極活物質粒子をＣｕ－Ｋα線を用いたＸ線回折により測定したときに、該Ｘ線回折により得られるＳｉに起因する２θ＝４７．５°付近のピークの強度Ｉａと、該Ｘ線回折により得られるＬｉ２ＳｉＯ３に起因する２θ＝１８．７°付近のピークのピーク強度Ｉｂが、１≦Ｉｂ／Ｉａ≦１８を満たすものを選別する工程をさらに有することを特徴とする非水電解質二次電池用負極活物質の製造方法。
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