JP4541315B2 - ケイ素系またはスズ系アノード活性材料を含むリチウム二次電池 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、ケイ素系またはスズ系アノード活性材料を含むリチウム二次電池に関する。より詳しくは、本発明は、アノード活性材料としてケイ素系またはスズ系活性材料を包含するアノード混合物、および結合剤として、エポキシ誘導体、ポリエステルアクリレートおよびエポキシアクリレートからなる群から選択された一種以上のモノマー、またはそれらのオリゴマーもしくは重合体、から構成された光重合可能な材料を含んでなるリチウム二次電池に関し、該アノード混合物を集電装置に塗布し、該塗布されたアノード混合物を光照射により重合させることによる、簡単な製造方法により短時間でアノードを製造することができ、さらに、電池を充電／放電する際に起こるアノード活性材料の重大な体積変化にも関わらず、活性材料間および活性材料と集電装置との間の結合が安定して維持されるために、電池の優れた充電／放電サイクル特性が得られる。

発明の背景

移動装置の技術開発および需要増加により、エネルギー供給源として二次電池の需要が急速に伸びている。これらの二次電池の中で、エネルギー密度および放電電圧が高いリチウム二次電池に多くの調査および研究が集中しており、そのようなリチウム二次電池の一部は市販され、広く使用されている。リチウム二次電池は、一般的にカソード活性材料としてリチウム遷移金属酸化物およびアノード活性材料として炭素質材料を使用する。

しかし、炭素質材料を基材とするアノードは、最大理論容量が３７２ｍＡｈ／ｇ（８４４ｍＡｈ／ｃｃ）に過ぎず、その容量増加が限られているのが難点である。アノード材料としての使用が研究されているリチウム金属は、高いエネルギー密度を有し、従って、高容量を実現できるが、デンドライトの成長による安全性の問題、および電池を繰り返し充電／放電するにつれて充電／放電サイクル寿命が短くなるという問題がある。

これらの欠点および問題のため、高容量を示し、リチウム金属を置き換えることができる材料の候補として、ケイ素、スズまたはそれらの合金に多くの研究および提案がなされている。例えば、ケイ素（Ｓｉ）は、ケイ素とリチウムの反応を通して、リチウムを可逆的に吸収（挿入）および脱着（放出）し、最大理論容量が約４２００ｍＡｈ／ｇ（９３６６ｍＡｈ／ｃｃ、比重２．２３）であり、これは炭素質材料よりもはるかに大きく、従って、高容量アノード材料として有望である。

しかし、充電／放電工程を行う時、ケイ素、スズまたはそれらの合金は、リチウムと反応し、体積の重大な変化、すなわち２００〜３００％、を受け、従って、連続的な充電／放電により、アノード活性材料が集電装置から分離するか、またはアノード活性材料間の接触界面で重大な物理化学的変化が起こり、抵抗が増加することがある。従って、充電／放電サイクルが繰り返されるにつれて、電池の容量が急速に低下し、電池のサイクル寿命が短くなるという難点がある。これらの理由から、炭素系アノード活性材料用の結合剤を、特別な処理または加工をせずに、ケイ素系アノード活性材料に直接使用すると、所望の効果が達成できなくなる。

そのような問題に対処するために、先行技術のあるものは、ケイ素系アノード活性材料の体積変化により生じる、集電装置とアノード活性材料との間、および／またはアノード活性材料間の結合力の低下を抑制するために、結合剤としてポリアミド酸を使用し、結合剤としてポリアミド酸を包含するアノード混合物を集電装置に塗布し、塗布されたアノード混合物を高温（３００℃を超える）で熱処理し、それによって、ポリアミド酸をイミド化によりポリイミドに転化する方法を提案している。しかし、この方法では、高温で長時間（例えば１０時間）熱処理する必要があり、従って、電池の生産性が著しく低下するという問題がある。

そのような問題に対して、本発明は、結合剤として、光重合可能な特性を有する材料を使用する技術を提案する。二次電池における電極の製造に光重合可能な材料を使用することは、重合体電解質を使用する二次電池の幾つかで公知である。

例えば、特開平１０−１６２８３２号は、分子鎖の末端に重合可能な官能基を有し、その分子構造中にフルオロ−アルキル基を含むモノマーを結合剤として使用し、光重合によりカソードまたはアノードを製造する技術を開示している。

さらに、特開２００５−４４６８１号は、分子鎖の末端に（メタ）アクリロイル基を有するウレタン（メタ）アクリレート系化合物（Ａ）および／または分子鎖末端の少なくとも一個が（メタ）アクリロイル基であり、残りが炭化水素基であるポリイソシアネート系誘導体（Ｂ）を結合剤として使用する、光重合または熱重合により、カソードまたはアノードを製造する技術を開示している。

上記の日本国特許で採用されているそのような結合剤は、主として重合体電解質を基材とするリチウム二次電池におけるカソードまたはアノードを製造するための結合剤であり、従来のフッ素系重合体、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、よりも優れたサイクル特性を得ることができる。しかし、これらの結合剤では、炭素系アノード活性材料と比較して、充電／放電工程の際にはるかに大きな体積変化を受けるケイ素系またはスズ系アノード活性材料を使用する二次電池で望ましいレベルのサイクル特性は得られないことが確認された。

従って、ケイ素系またはスズ系アノード活性材料を使用するリチウム二次電池で充電／放電工程の際に起こるアノード活性材料の重大な体積変化を抑制するのに十分強い結合力を与え、製造方法に関して経済的でもある、電池製造技術の開発が緊急に求められている。

従って、本発明は、解決すべき上記の問題および他の技術的問題を解決するためになされたものである。

上記の問題を解決するための様々な広範囲で集中的な研究の結果、本発明の発明者らは、驚くべきことに、ケイ素系またはスズ系アノード活性材料を使用するリチウム二次電池で、特定の光重合可能な材料をアノード混合物用の結合剤として使用することにより、電池を充電／放電する際にアノード活性材料で起こる重大な体積変化にも関わらず、活性材料間の界面変化が起こり難くなるために抵抗増加が少なくなり、活性材料と集電装置との間の結合力が高く、分離し難くいために、電池の充電／放電特性が著しく改良されることを見出した。本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。

発明の概要

本発明の一態様により、上記および他の目的は、アノード活性材料としてケイ素系またはスズ系活性材料、および結合剤として光重合可能な材料を包含するアノード混合物を含んでなるリチウム二次電池であって、該ケイ素系またはスズ系アノード活性材料、およびエポキシ誘導体、ポリエステルアクリレートおよびエポキシアクリレートからなる群から選択された一種以上のモノマー、またはそれらのオリゴマーもしくは重合体、から構成された該光重合可能な材料を包含する該アノード混合物を集電装置に塗布し、該塗布されたアノード混合物を光照射により重合させ、該アノード活性材料間および該アノード活性材料と集電装置との間の結合力を確保する、リチウム二次電池を提供することにより達成することができる。

従って、本発明のリチウム二次電池は、結合剤として特定の光重合可能な材料を使用し、該光重合可能な材料を光照射により重合させ、電池の充電／放電により重大な体積変化を受ける該ケイ素系またはスズ系アノード活性材料間の結合力および／または該アノード活性材料と集電装置との間の結合力を強化することにより、優れた充電／放電サイクル特性を与える。さらに、本発明は、光により誘発される重合を採用しているために、製造工程を、苛酷な条件下ではなく、穏やかな条件下で、短時間で行うことができる。

用語「ケイ素系またはスズ系アノード活性材料」は、ケイ素粒子、スズ粒子、ケイ素−スズ合金粒子、ケイ素合金粒子、スズ合金粒子、それらの複合体(complex)等を包含する。ケイ素合金の代表的な例には、Ａｌ−Ｓｉ、Ｍｎ−Ｓｉ、Ｆｅ−ＳｉおよびＴｉ−Ｓｉの固溶体、金属間化合物および共融合金が挙げられるが、これらに限定するものではない。複合体の好ましい一例としては、ケイ素／炭素複合体を使用することができ、本出願者に譲渡された、ここにその開示全体を参考として含めるＰＣＴ国際公開ＷＯ２００５／０１１０３０号明細書に記載されている。

本発明で使用する光重合可能な材料は、その重合が光により誘発される材料であり、上記のように、エポキシ誘導体、ポリエステルアクリレートおよびエポキシアクリレートからなる群から選択されたモノマー、およびそれらのオリゴマーまたは重合体を包含することができる。必要であれば、２種類以上の材料の混合物を光重合可能な材料として使用することができる。

エポキシ誘導体の代表的な例は、ビスフェノールＡを包含することができ、エポキシアクリレートの代表的な例には、ビスフェノールＡエポキシジアクリレート、二官能性ビスフェノールエポキシアクリレートおよびノボラックエポキシアクリレートが挙げられるが、これらに限定するものではない。必要であれば、光重合可能な材料を、それらの使用前に、グリコールアクリレート化合物、例えばトリプロピレングリコールジアクリレート、で希釈するか、またはポリオールアクリレート化合物、例えば１，６−ヘキサンジオールジアクリレート、と併用することもできる。

オリゴマーは、約２〜２５モノマーの重合生成物であり、光照射により、より高度に重合した重合体に形成することができる。重合体は、例えば、線状重合体、架橋重合体、等でよく、重合度が低いか、または低粘度を有し、光重合により連鎖延長、架橋、等を受けることができる高分子量材料を指す。従って、ここで使用する重合は、問題とする材料の固化により、活性材料間および／または活性材料と集電装置との間に結合力を造り出すことができる反応を意味し、重合と架橋の両方を含む概念である。

光重合可能な材料は、アノード混合物の総重量に対して約１〜５０重量％、好ましくは２〜３０重量％の範囲内で包含することができる。光重合可能な材料の含有量が低過ぎる場合、所望の付加効果を達成するのが困難になる。反対に、光重合可能な材料の含有量が高過ぎる場合、アノード中の抵抗が増加し、電池の特性が低下するので好ましくない。

好ましくは、アノード混合物は、触媒として光反応開始剤をさらに包含することができる。本発明で使用できる光反応開始剤は、ラジカルを形成するラジカル光反応開始剤および陽イオンを形成する陽イオン系光反応開始剤でよい。ラジカル光反応開始剤の例には、ジアルコキシアセトフェノン、ベンジルケタール、ヒドロキシアルキルフェニルケトン、ベンゾイルオキシムエステルおよびアミノケトンが挙げられるが、これらに限定するものではない。陽イオン系光反応開始剤の例には、オニウム塩、典型的にはジアルキルヨードニウム塩およびトリアリールスルホニウム塩が挙げられるが、これらに限定するものではない。具体的には、光反応開始剤は、混合されたトリアリールスルホニウムヘキサフルオロアンチモン酸塩、または１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトンとベンゾフェノンの混合物でよい。

光反応開始剤は、単独でも、それらのいずれかの組合せででも、使用できる。効率をさらに高めるために、光増感剤をさらに使用できる。光増感剤には、チオキサントンおよびアミンが挙げられるが、これらに限定するものではない。

光反応開始剤の分解に使用する光源としては、ＵＶ光、可視光、電子線、Ｘ線、ガンマ線およびレーザー光線を挙げることができる。

上記のケイ素系またはスズ系アノード活性材料、光重合可能な材料および光反応開始剤に加えて、アノード混合物は、他の成分、例えば粘度調節剤、伝導性材料および充填材をさらに包含することができ、これらの材料は、単独で、またはそれらのいずれかの組合せで使用する。

粘度調節剤は、アノード混合物の混合工程およびアノード混合物を集電装置に塗布する工程を容易に行えるように、アノード混合物の粘度を調節する成分である。粘度調節剤は、アノード混合物の総重量に対して０〜３０重量％の量で添加することができる。粘度調節剤の例には、カルボキシメチルセルロースおよびポリビニルアルコールが挙げられるが、これらに限定するものではない。あるいは、アノード混合物の粘度を調節するために、溶剤、例えばＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、をアノード混合物の総重量に対して０〜３０重量％の量で使用することができる。この場合、そのような溶剤を、重合または硬化の前または後に乾燥させることにより、電極を製造する。

伝導性材料は、アノード活性材料の伝導性を改良するのに使用する成分であり、アノード混合物の総重量に対して１〜５０重量％の量で添加することができる。伝導性材料には、好適な伝導性を有し、製造された電池中で化学反応を引き起こさない限り、特別な制限は無い。伝導性材料の例としては、グラファイト、例えば天然または人造グラファイト、カーボンブラック、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、Ketjenブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラックおよびサーマルブラック、伝導性繊維、例えば炭素繊維および金属繊維、メタル粉末、例えばフッ化炭素粉末、アルミニウム粉末およびニッケル粉末、伝導性ホイスカー、例えば酸化亜鉛およびチタン酸カリウム、伝導性金属酸化物、例えば酸化チタン、およびポリフェニレン誘導体を挙げることができる。

充填材は、アノードの膨脹を抑制するために所望により使用する成分である。充填材には、製造された電池中で化学反応を引き起こさず、繊維状材料である限り、特別な制限は無い。充填材の例としては、オレフィン重合体、例えばポリエチレンおよびポリプロピレン、および繊維状材料、例えばガラス繊維および炭素繊維、を使用できる。

本発明の二次電池は、アノード混合物を集電装置に塗布し、圧延し、乾燥させ、硬化させることにより、製造する。

アノード集電装置は、一般的に厚さが３〜５００μｍになるように製造する。アノード集電装置には、製造された電池中で化学反応を引き起こさずに、好適な導電率を有する限り、特別な制限は無い。アノード集電装置の例としては、銅、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼結した炭素、炭素、ニッケル、チタンまたは銀で表面処理した銅またはステンレス鋼、およびアルミニウム−カドミウム合金を挙げることができる。カソード集電装置と同様に、アノード集電装置も、アノード活性材料に対する密着性を強化するために、表面上の微細な不規則性物（凸凹物）が小さくなるように製造するとよい。さらに、アノード集電装置は、フィルム、シート、ホイル、網、多孔質構造、フォームおよび不織布を包含する様々な形態を取ることができる。

以下に、本発明のリチウム二次電池に必要なその他の成分を説明する。

リチウム二次電池は、上記の様に製造したアノード、カソード、セパレータおよびリチウム塩を含む非水性電解質から構成される。

カソードは、例えば、カソード活性材料、伝導性材料および結合剤の混合物をカソード集電装置に塗布し、続いて乾燥させることにより、製造する。所望により、上記の混合物に充填材をさらに加えることができる。

本発明で使用できるカソード活性材料の例には、層状化合物、例えば酸化リチウムコバルト（ＬｉＣｏＯ_２）および酸化リチウムニッケル（ＬｉＮｉＯ_２）、または一種以上の遷移金属で置換された化合物、酸化リチウムマンガン、例えば式Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_２−ｘＯ_４（０≦ｘ≦０．３３）の化合物、ＬｉＭｎＯ_３、ＬｉＭｎ_２Ｏ_３およびＬｉＭｎＯ_２、酸化リチウム銅（Ｌｉ_２ＣｕＯ_２）、酸化バナジウム、例えばＬｉＶ_３Ｏ_８、ＬｉＦｅ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５およびＣｕ_２Ｖ_２Ｏ_７、式Ｌｉ_１−ｘＭｎ_ｘＯ_２（Ｍ＝Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＢまたはＧａ、０．０１≦ｘ≦０．３）のＮｉサイト型酸化リチウムニッケル、式ＬｉＭｎ_２−ｘＭ_ｘＯ_２（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＺｎまたはＴａ、０．０１≦ｘ≦０．１）、または式Ｌｉ_２Ｍｎ_３ＭＯ_８（Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕまたはＺｎ）のリチウムマンガン複合酸化物、Ｌｉの一部がアルカリ土類金属イオンで置換されているＬｉＭｎＯ_４、二硫化化合物、およびＦｅ_２（ＭｏＯ_４）_３が挙げられるが、これらに限定するものではない。

カソード集電装置は、一般的に厚さが３〜５００μｍになるように製造する。カソード集電装置には、製造された電池中で化学反応を引き起こさずに、高い導電率を有する限り、特別な制限は無い。カソード集電装置の例としては、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼結した炭素、炭素、ニッケル、チタンまたは銀で表面処理したアルミニウムまたはステンレス鋼を挙げることができる。カソード集電装置は、カソード活性材料に対する密着性を強化するために、表面上の不規則性が小さくなるように製造するとよい。さらに、カソード集電装置は、フィルム、シート、ホイル、網、多孔質構造、フォームおよび不織布を包含する様々な形態を取ることができる。

カソード活性材料用の結合剤は、活性材料と伝導性材料との間、および集電装置との結合を支援する成分である。本発明で使用する結合剤は、典型的にはカソード混合物の総重量に対して１〜５０重量％の量で添加する。結合剤の例としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、デンプン、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ）、スルホン化ＥＰＤＭ、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴムおよび各種の共重合体を挙げることができる。

他の伝導性材料および充填材の詳細は、アノードと同様である。

カソードとアノードとの間には、セパレータを挿入する。セパレータとしては、高いイオン透過性および機械的強度を有する絶縁性の薄いフィルムを使用する。セパレータは、典型的には細孔直径が０．０１〜１０μｍ、厚さが５〜３００μｍである。セパレータとしては、耐薬品性および疎水性を有する、オレフィン重合体、例えばポリプロピレンおよび／またはガラス繊維またはポリエチレンから製造された不織布のシートを使用する。固体の電解質、例えば重合体を電解質として使用する場合、その固体電解質は、セパレータおよび電解質の両方として作用することができる。

リチウム塩を含む非水性電解質は、非水性有機溶剤およびリチウム塩から構成される。

本発明で使用できる有機溶剤は、例えば、非プロトン性有機溶剤、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ガンマ−ブチロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロキシFranc、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、ギ酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エーテル、プロピオン酸メチルおよびプロピオン酸エチルを挙げることができる。

リチウム塩は、上記の非水性電解質に容易に溶解する材料であり、例えばＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＢ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＣＨ_３ＳＯ_３Ｌｉ、ＣＦ_３ＳＯ_３Ｌｉ、（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２ＮＬｉ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、リチウムテトラフェニルボレートおよびイミドを包含することができる。

さらに、充電／放電特性および難燃性を改良するために、例えばピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、ｎ−グライム(glyme)、ヘキサホスホリックトリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、Ｎ−置換されたオキサゾリジノン、Ｎ，Ｎ−置換されたイミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、２−メトキシエタノール、三塩化アルミニウム、等を非水性電解質に加えることができる。必要であれば、不燃性を付与するために、非水性電解質は、ハロゲン含有溶剤、例えば四塩化炭素および三フッ化エチレン、をさらに包含することができる。さらに、高温貯蔵安定性を改良するために、非水性電解質は、二酸化炭素ガスをさらに包含することができる。

実施の態様

ここで、下記の例を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。これらの例は、単に本発明を説明するためであって、本発明の範囲および精神を制限するものではない。

［例１〜６］
アノード活性材料としてケイ素−炭素質材料複合体（Ｓｉ−Ｃ）、結合剤として下記の表１に示すような、光硬化し得るモノマーまたはオリゴマーおよび光反応開始剤の混合物、および伝導性材料として２重量％カーボンブラック粉末を混合し、アノード混合物を調製した。次いで、溶剤として、アノード混合物に対して１００重量部のＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を加えた。得られた混合物を約３０分間攪拌し、アノード用スラリーを調製した。こうして得られたスラリーを、厚さ１８μｍの銅（Ｃｕ）ホイルに厚さ約９０μｍに塗布し、ＵＶ硬化装置中、光線量１０Ｊ／ｃｍ^２で光硬化させた後、溶剤を１３０℃で１時間熱乾燥させ、アノードを調製した。

カソード活性材料として酸化リチウムコバルト、結合剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）および伝導性材料としてカーボンブラック粉末３重量％を混合し、カソード混合物を調製した。次いで、カソード混合物１００重量部に対してＮＭＰ２００重量部を加えた。得られた混合物を約３０分間攪拌し、カソード用スラリーを調製した。こうして得られたスラリーを、厚さ１８μｍのアルミニウム（Ａｌ）ホイルに厚さ約９０μｍに塗布した後、溶剤を１３０℃で１時間熱乾燥させ、カソードを調製した。

ポリプロピレン製の多孔質フィルムを、上記の様に調製したアノードとカソードとの間に挿入し、これに１Ｍ−ＬｉＰＦ_６を含むＥＣ：ＥＭＣ（１：２）を加え、コイン電池を製造した。

［比較例１］
結合剤として、イソホロンジイソシアネート、ポリエチレングリコールおよびヒドロキシエチルアクリレートを使用して調製したウレタン（メタ）アクリレート、およびメトキシポリエチレングリコールモノアクリレートの、重量比４：１の混合物、および光反応開始剤として、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、を使用してアノードを製造した以外は、例１と同じ様式でコイン電池を製造した。

［比較例２］
結合剤として、下記の構造
ＣＦ_３−（ＣＦ_２）_５−（ＣＨ_２）_２−Ｏ−Ｃ−ＣＨ＝ＣＨ_２
‖
Ｏ
を有するアクリレート化合物を使用してアノードを製造した以外は、例１と同じ様式でコイン電池を製造した。

［実験例１］
例１〜６および比較例１および２で製造した各コイン電池に対する電池性能を評価するために、充電／放電測定装置を使用して充電／放電特性の変化を試験した。すなわち、それぞれのコイン電池に対して、０．１Ｃ率における充電／放電２サイクルおよび０．５Ｃ率における充電／放電５０サイクルを、それぞれ温度２３℃で、一定電流／一定電圧法を使用して繰り返した。対応するコイン電池に対する、５０サイクル目における容量保持率（％）と初期容量関係を下記の表１に示す。評価を、例１〜６および比較例１および２に関してそれぞれ６個以上のコイン電池を使用して行い、平均値で表した。

Ebecryl 600 ビスフェノールＡエポキシジアクリレート（Radcureから市販）
Ebecryl 3603 ノボラックエポキシアクリレート、２０％トリプロピレングリコールジアクリレートで希釈剤（Radcureから市販）
CN120 二官能性ビスフェノールエポキシアクリレート（Sartomerから市販）
CN2200 ポリエステルアクリレートオリゴマー（Sartomerから市販）
SR238 １，６−ヘキサンジオールジアクリレート（Sartomerから市販）
Irgacure 500 １−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン５０％およびベンゾフェノン５０％の混合物（Ciba-Geigyから市販）
UVI-6974 混合トリアリールスルホニウムヘキサフルオロアンチモン酸塩（Cyracureから市販）

表１から分かるように、本発明の結合剤を使用する例１〜６の電池は、５０充電／放電サイクルの後でも、初期容量と比較して少なくとも８０％の容量を保持している。これは、アノード活性材料、すなわちケイ素−炭素質材料複合体（Ｓｉ−Ｃ）の、充電／放電により起こる重大な体積変化が、本発明の結合剤の強い結合力により抑制され、従って、活性材料間の界面変化も大幅に抑制され、それによって、抵抗があまり増加せず、材料間の高い結合力のために、活性材料の、集電装置からの分離が阻止されるためである。対照的に、比較例１および２の電池は、中で使用されている結合剤が、そのようなアノード活性材料の重大な体積変化に耐えきれなかったので、容量が著しく低下している。

上記の説明から明らかなように、本発明のリチウム二次電池は、ケイ素系またはスズ系アノード活性材料の使用により、大容量リチウム二次電池に製造することができる。さらに、本発明のリチウム二次電池は、アノード混合物の結合剤として光重合可能な材料材料を使用することにより、充電／放電の際に起こるアノード活性材料における重大な体積変化にも関わらず、活性材料間および活性材料と集電装置との間の結合力を安定して維持することにより、優れた充電／放電サイクル特性を示し、簡素化された製造方法によりアノードを短時間で製造することができる。

本発明の好ましい実施態様を例示目的に説明したが、当業者には明らかなように、請求項に規定する本発明の範囲および精神から離れることなく、様々な修正、追加および置き換えが可能である。

Claims (10)

1. リチウム二次電池であって、
   アノード活性材料としてケイ素系またはスズ系活性材料と、結合剤として光重合可能な材料を包含するアノード混合物を含んでなり、
   前記ケイ素系またはスズ系アノード活性材料と、エポキシ誘導体、ポリエステルアクリレートおよびエポキシアクリレートからなる群から選択される一種以上のモノマー、または前記モノマーのオリゴマーもしくは重合体から構成された前記光重合可能な材料を包含する前記アノード混合物を集電装置に塗布し、
   前記塗布されたアノード混合物を光照射により重合させることにより、前記アノード活性材料間および前記アノード活性材料と集電装置との間を結合した、リチウム二次電池。
2. 前記ケイ素系またはスズ系アノード活性材料が、ケイ素粒子、スズ粒子、ケイ素−スズ合金粒子、ケイ素合金粒子またはスズ合金粒子、またはそれらの複合体である、請求項１に記載の電池。
3. 前記ケイ素合金が、Ａｌ−Ｓｉ、Ｍｎ−Ｓｉ、Ｆｅ−ＳｉまたはＴｉ−Ｓｉの固溶体、金属間化合物または共融合金である、請求項２に記載の電池。
4. 前記エポキシ誘導体がビスフェノールＡであり、
   前記エポキシアクリレートがビスフェノールＡエポキシジアクリレート、二官能性ビスフェノールエポキシアクリレートまたはノボラックエポキシアクリレートである、請求項１に記載の電池。
5. 前記光重合可能な材料が、それらの使用前に、グリコールアクリレート化合物で希釈されるか、またはポリオールアクリレート化合物をさらに加えて使用される、請求項１に記載の電池。
6. 前記光重合可能な材料が、前記アノード混合物の総重量に対して１〜５０重量％の範囲内で含まれる、請求項１に記載の電池。
7. 前記アノード混合物が、触媒量の光反応開始剤をさらに包含する、請求項１に記載の電池。
8. 前記光反応開始剤が、ジアルコキシアセトフェノン、ベンジルケタール、ヒドロキシアルキルフェニルケトン、ベンゾイルオキシムエステルまたはアミノケトンであるラジカル光反応開始剤、或いは、ジアルキルヨードニウム塩またはトリアリールスルホニウム塩であるオニウム塩を使用する陽イオン系光反応開始剤である、請求項７に記載の電池。
9. 前記アノード混合物が、粘度調節剤、伝導性材料および充填材からなる群から選択される一種以上の他の成分をさらに包含する、請求項１に記載の電池。
10. 前記アノード集電装置が、３〜５００μｍの厚さを有し、及び
    前記アノード集電装置の表面上に細かい不規則性物が形成されてなる、請求項１に記載の電池。