JP5648070B2 - リチウムイオン二次電池負極材用粉末、これを用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタ - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に用いることにより放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好であり、実用レベルでの使用に耐え得るリチウムイオン二次電池を得ることができる負極材用粉末に関する。また本発明は、この負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタに関する。

近年、携帯型の電子機器、通信機器等の著しい発展に伴い、経済性と機器の小型化および軽量化の観点から、高エネルギー密度の二次電池の開発が強く要望されている。現在、高エネルギー密度の二次電池として、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池およびポリマー電池等がある。このうち、リチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比べて格段に高寿命かつ高容量であることから、その需要は電源市場において高い伸びを示している。

図１は、コイン形状のリチウムイオン二次電池の構成例を示す図である。リチウムイオン二次電池は、図１に示すように、正極１、負極２、電解液を含浸させたセパレーター３、および正極１と負極２の電気的絶縁性を保つとともに電池内容物を封止するガスケット４から構成されている。充放電を行うと、リチウムイオンがセパレーター３の電解液を介して正極１と負極２の間を往復する。

正極１は、対極ケース１ａと対極集電体１ｂと対極１ｃとで構成され、対極１ｃにはコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）やマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）が主に使用される。負極２は、作用極ケース２ａと作用極集電体２ｂと作用極２ｃとで構成され、作用極２ｃに用いる負極材は、一般に、リチウムイオンの吸蔵放出が可能な活物質（負極活物質）と導電助剤およびバインダーとで構成される。

従来、リチウムイオン二次電池の負極活物質としては、カーボン系材料が用いられている。従来のものよりもリチウムイオン二次電池を高容量とする新規負極活物質として、リチウムとホウ素の複合酸化物、リチウムと遷移金属（Ｖ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等）との複合酸化物、Ｓｉ、ＧｅまたはＳｎとＮおよびＯを含む化合物、化学蒸着により表面を炭素層で被覆したＳｉ粒子等が提案されている。

しかし、これらの負極活物質はいずれも、充放電容量を向上させ、エネルギー密度を高めることができるものの、リチウムイオンの吸蔵、放出時の膨張や収縮が大きくなる。そのため、これらの負極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電の繰り返しによる放電容量の維持性（以下、「サイクル特性」という）が不十分である。

これに対し、負極活物質としてＳｉＯ等、ＳｉＯ_ｘ（０＜ｘ≦２）で表される酸化珪素の粉末を用いることが、従来から試みられている。酸化珪素は、充放電時のリチウムイオンの吸蔵、放出による結晶構造の崩壊や不可逆物質の生成等の劣化が小さいことから、有効な充放電容量がより大きな負極活物質となり得る。そのため、酸化珪素を負極活物質として用いることにより、カーボンを用いた場合と比較して高容量であり、ＳｉやＳｎ合金といった高容量負極材を用いた場合と比較してサイクル特性が良好なリチウムイオン二次電池が得られている。

負極活物質として酸化珪素粉末を用いる場合、酸化珪素の電気伝導度の低さを補うために、一般に導電助剤としてカーボン粉末等が混合される。これにより、酸化珪素粉末と導電助剤との接触部近辺の電気伝導性は確保できる。しかし、接触部から離れた箇所では電気伝導性が確保できず、負極活物質として機能しにくい。

この問題を解決するため、特許文献１では、珪素の微結晶が二酸化珪素に分散した構造を有する粒子（導電性珪素複合体）の表面にＣＶＤ（化学気相成長）で炭素の皮膜を形成した非水電解質二次電池負極材用の導電性珪素複合体およびその製造方法が提案されている。

特許第３９５２１８０号公報

特許文献１で提案された方法によれば、導電性珪素複合体に均一な炭素皮膜が形成され、十分な電気伝導性を付与することができる。しかし、本発明者らの検討によると、特許文献１の導電性珪素複合体を用いたリチウムイオン二次電池は、珪素の微結晶が分散した二酸化珪素を負極材として用いるため、充放電時におけるリチウムイオンの吸蔵、放出時の膨張、収縮が大きくなり、充放電を繰り返すと、ある時点で容量が突然低下する等の課題があった。また、放電容量およびサイクル特性が十分ではなかった。

この課題を解決するために、本発明者らは、特にリチウムイオン二次電池の高容量化を図れる負極材用粉末（負極活物質）であると考えられる酸化珪素について種々検討を行った。その結果、初期効率（リチウムイオン二次電池の製造後、最初の充放電時（初回充放電時）の、放電容量の充電容量に対する比の値）の低下は、下記（１）式に示すＬｉ_４ＳｉＯ_４の生成によるものと考えるに至った。（１）式の右辺第１項のＬｉ_２２Ｓｉ_５が可逆容量、第２項のＬｉ_４ＳｉＯ_４が不可逆容量を担う成分である。Ｌｉ_４ＳｉＯ_４はリチウムイオンを放出することができない。
ＳｉＯ_ｘ＋（４４−ｘ）／１０Ｌｉ^＋＋（４４−ｘ）／１０ｅ⁻
→ （４−ｘ）／２０Ｌｉ_２２Ｓｉ_５＋ｘ／４Ｌｉ_４ＳｉＯ_４ …（１）

本発明者らの検討によると、酸化珪素（ＳｉＯ_ｘ）を負極材用粉末とし、ｘ＝１である場合のリチウムイオン二次電池の理論上の特性は、可逆容量が２００７ｍＡｈ／ｇであり、初期効率は７６％であることがわかった。これまでの酸化珪素を負極材用粉末として用いたリチウムイオン二次電池では可逆容量の大きいものであっても１５００ｍＡｈ／ｇ程度であったため、酸化珪素を負極材用粉末として用いたリチウムイオン二次電池の可逆容量には未だに改善の余地があることがわかった。

本発明者らがさらに検討を進めたところ、特許文献１に記載の条件で酸化珪素粉末の表面に炭素皮膜を形成した負極材用粉末を、バインダーや導電助剤と混合してスラリーにする時に、微細な気泡が生成することを発見した。スラリーに気泡が含まれると、バインダーと電極基板との接触面積が減少するため、負極（前記図１の作用極２ｃ）と、銅板からなる電極基板（同、作用極集電体２ｂ）との密着性が弱くなり、初期放電容量が少なくなる。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好であり、実用レベルでの使用に耐え得るリチウムイオン二次電池の負極材用粉末、この負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池負極およびキャパシタ負極、ならびにリチウムイオン二次電池およびキャパシタを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、スラリー作製時の気泡の生成を抑制する方法について検討した。発明者らは、ＳｉＯ_ｘ粉末の中でも微粉が気泡を生成させやすい原因であると推定した。そして、沈降分離によって微粉を除去し、粒度分布の広がりを抑制したＳｉＯ_ｘ粉末を使用したところ、微粉を除去しないものと比較してスラリーの生成時の気泡が少ないことを知見した。また、微粉を除去したＳｉＯ_ｘ粉末を使用したスラリーは、微粉を除去しないものと比較して密度が高く、このスラリーを負極材に使用したリチウムイオン二次電池は初期放電容量が高いことを知見した。これらは、スラリー内部の気泡が減少したことに起因すると考えられる。

さらに検討したところ、ＳｉＯ_ｘ粉末の粒度分布におけるＤ５０とＤ１０の関係について１．４≦Ｄ５０／Ｄ１０≦２．４を満足させることにより、リチウムイオン二次電池の初期放電容量が優れた値となることを知見した。

本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記（１）〜（４）のリチウムイオン二次電池負極材用粉末、下記（５）のリチウムイオン二次電池負極および下記（６）のキャパシタ負極、ならびに下記（７）のリチウムイオン二次電池および下記（８）のキャパシタにある。

（１）ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満足するＳｉＯ_xの粉末である低級酸化珪素粉末の表面に導電性炭素皮膜を有し、この酸化珪素粉末の粒度分布において、１μｍ≦Ｄ５０≦２０μｍであり、Ｄ５０とＤ１０の関係が１．４≦Ｄ５０／Ｄ１０≦２．４を満足し、
ＢＥＴ法で測定した比表面積が、０．３ｍ²／ｇ以上、７．０ｍ²／ｇ以下であり、
ＴＰＤ−ＭＳで測定したタール成分の合計含有率が、１質量ｐｐｍ以上、４０００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材用粉末。

（２）前記導電性炭素皮膜の厚さが、１．５ｎｍ以上、７．５ｎｍ以下であることを特徴とする前記（１）のリチウムイオン二次電池負極材用粉末。

（３）前記導電性炭素皮膜の占める割合が、０．５質量％以上、１０質量％以下であることを特徴とする前記（１）または（２）のリチウムイオン二次電池負極材用粉末。

（４）ＣｕＫ_α線を用いたＸＲＤで測定した場合に、２θ＝１０°〜３０°に現れるＳｉＯ_xに由来するハローの最大値Ｐ１と、２θ＝２８．４±０．３°に現れるＳｉ（１１１）の最強線ピークの値Ｐ２の関係が、Ｐ２／Ｐ１＜０．０１を満足することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかのリチウムイオン二次電池負極材用粉末。

（５）前記（１）〜（４）のいずれかのリチウムイオン二次電池負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池負極。

（６）前記（１）〜（４）のいずれかのリチウムイオン二次電池負極材用粉末を用いたキャパシタ負極。

（７）前記（５）のリチウムイオン二次電池負極を用いたリチウムイオン二次電池。

（８）前記（６）のキャパシタ負極を用いたキャパシタ。

本発明において、「低級酸化珪素粉末」とは、ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満足するＳｉＯ_ｘの粉末である。ＳｉＯ_ｘのｘ、Ｄ５０、Ｄ１０、導電性炭素皮膜の厚さ、比表面積、負極材用粉末において導電性炭素皮膜の占める割合、およびタール成分含有率の、それぞれの測定方法については後述する。

低級酸化珪素粉末について「表面に導電性炭素皮膜を有する」とは、後述するように、Ｘ線光電子分光分析装置を用いて表面分析を行った結果、ＳｉとＣのモル比の値Ｓｉ／Ｃが０．１以下であることをいう。

本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末、ならびにリチウムイオン二次電池負極またはキャパシタ負極を用いることにより、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好であり、実用レベルでの使用に耐え得るリチウムイオン二次電池またはキャパシタを得ることができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池およびキャパシタは、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好である。

図１はコイン形状のリチウムイオン二次電池の構成例を示す図である。 図２は酸化珪素の製造装置の構成例を示す図である。 図３はＳｉＯ粉末の沈降分離前後の粒度分布を示す図であり、同図（ａ）は沈降分離前の分布、同図（ｂ）は沈降分離後の分布を示す。

１．本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末は、低級酸化珪素粉末の表面に導電性炭素皮膜を有し、この酸化珪素粉末の粒度分布において、１μｍ≦Ｄ５０≦２０μｍであり、Ｄ５０とＤ１０の関係が１．４≦Ｄ５０／Ｄ１０≦２．４を満足することを特徴とする。

低級酸化珪素粉末とは、上述のように、ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満足するＳｉＯ_ｘの粉末である。ｘをこの範囲とする理由は、ｘの値が０．４を下回ると、本発明の負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池およびキャパシタの充放電サイクルに伴う劣化が激しく、１．２を超えると電池の容量が小さくなるからである。また、ｘは、０．８≦ｘ≦１．０５を満足するのが好ましい。

絶縁体である低級酸化珪素粉末に導電性炭素皮膜を形成することで、この低級酸化珪素粉末を負極材用粉末として用いたリチウムイオン二次電池の放電容量を改善することができる。導電性炭素皮膜の厚さは、１．５ｎｍ以上、７．５ｎｍ以下とするのが好ましい。導電性炭素皮膜が１．５ｎｍ未満では電気伝導性が不足する可能性があり、７．５ｎｍを超えて厚いと低級酸化珪素粉末の表面から剥離しやすく、いずれの場合とも、リチウムイオン二次電池の放電容量が不十分となるおそれがあるからである。導電性被膜の厚さは、２．０ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下とするのがより好ましい。

本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末は、粒度分布において、１μｍ≦Ｄ５０≦２０μｍである。Ｄｎ（０＜ｎ≦１００）とは、粒径が小さい方からの積算頻度がｎ％に達する時の粒径である。Ｄ５０＜１μｍでは、スラリーの作製時に気泡が発生しやすくなるため、電極基板と負極との密着性が弱くなる。一方、２０μｍ＜Ｄ５０では、負極表面の粗さが大きくなり、この場合も電極基板と負極との密着性が弱くなる。Ｄ５０は、３μｍ≦Ｄ５０≦１２μｍを満足するのが好ましい。

また、本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末は、粒度分布におけるＤ５０とＤ１０の関係が、１．４≦Ｄ５０／Ｄ１０≦２．４を満足する。１．４≦Ｄ５０／Ｄ１０≦２．４とは、粒度分布が適度にシャープであることを表す。

Ｄ５０／Ｄ１０＜１．４では、粒度分布が過度にシャープであり、負極材用粉末をバインダーや導電助剤と混合して作製したスラリーの嵩密度が高くなり、この場合もスラリーに気泡が含まれる場合と同様に、塗布した作用極集電体から剥離しやすいため、リチウムイオン二次電池の放電容量が低下する。また、Ｄ５０／Ｄ１０＞２．４では、粒度分布がブロードであり、スラリーの作製時に気泡の生成量が多く、均一に混合することが困難であり、電極として使用した場合にリチウムイオン二次電池の放電容量が低下する。Ｄ５０とＤ１０の関係は、１．６≦Ｄ５０／Ｄ１０≦２．１を満足するのが好ましい。

本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末は、ＢＥＴ法で測定した比表面積が、０．３ｍ²／ｇ以上、７．０ｍ²／ｇ以下である。負極材用粉末の比表面積が小さいと、初回充放電時の電極表面におけるＳＥＩ膜（Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、不可逆容量成分）の生成を抑制することができる。しかし、粒径が約１０μｍの粉末の場合、比表面積が０．３ｍ²／ｇよりも小さい粉末の製造は、経済的な観点から工業化が困難である。また、比表面積が７．０ｍ²／ｇよりも大きいと、表面積が相当広くなるため、粒子表面に形成されるＳＥＩ膜の比率が大きくなり、リチウムイオン二次電池の容量が小さくなるおそれがある。ＢＥＴ法で測定した比表面積は、０．５ｍ²／ｇ以上、６．０ｍ²／ｇ以下とするのがより好ましい。

リチウムイオン二次電池負極材用粉末は、導電性炭素皮膜の占める割合（以下、「炭素皮膜率」という）を、０．５質量％以上、１０質量％以下とするのが好ましい。これは、以下の理由による。

炭素皮膜も、低級酸化珪素と同様にリチウムイオン二次電池の充放電容量に寄与するものの、その単位質量あたりの充放電容量は低級酸化珪素に比較して小さい。そのため、リチウムイオン二次電池負極材用粉末の炭素皮膜率は１０質量％以下であることが、リチウムイオン二次電池の充放電容量を確保する観点から好ましい。一方、炭素皮膜率が０．５質量％よりも小さいと、導電性炭素皮膜による導電性付与の効果が得られず、この負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池が電池として作用しにくい。炭素皮膜率は、０．５質量％以上、２．５質量％以下とするのがより好ましい。

本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末のタール成分の合計含有率は、１質量ｐｐｍ以上、４０００質量ｐｐｍ以下である。タール成分は、後述するように、導電性炭素皮膜を形成する際に生成する。タール成分の合計含有率が４０００質量ｐｐｍよりも多いと、リチウムイオン二次電池の充放電に伴う負極の膨張、収縮への耐性が乏しく、サイクル特性に劣る。一方、４０００質量ｐｐｍ以下であると、初期効率およびサイクル特性が良好なリチウムイオン二次電池を得ることができ、特にサイクル特性が良好となる。１５００質量ｐｐｍ以下ではさらに初期効率およびサイクル特性が良好となる。また、タール成分の合計含有率を１質量ｐｐｍ以下とするのには、リチウムイオン二次電池負極材用粉末の真空処理の時間が長くなり、製造コストがかかるからである。これらのことから、タール成分の合計含有率は、４０質量ｐｐｍ以上、１５００質量ｐｐｍ以下とするのがより好ましい。

リチウムイオン二次電池負極材用粉末は、ＣｕＫ_α線を用いたＸＲＤで測定した場合に、１０°≦２θ≦３０°に現れるＳｉＯ_ｘに由来するハローの最大値Ｐ１と、２θ＝２８．４±０．３°に現れるＳｉ（１１１）の最強線ピークの値Ｐ２が、Ｐ２／Ｐ１＜０．０１を満足すること、すなわちアモルファスであることが好ましい。これは、負極材用粉末中の低級酸化珪素粉末が、結晶性を有する場合と比較して、アモルファスである場合にはリチウムイオンの侵入による膨張が緩和されやすく、リチウムイオン二次電池のサイクル特性に優れるからである。

２．分析方法
２−１．ＳｉＯ_ｘのｘの算出方法
ＳｉＯ_ｘのｘは、リチウムイオン二次電池負極材用粉末中のＯ含有率とＳｉ含有率のモル比（Ｏ／Ｓｉ）であり、例えば下記測定方法で測定したＯ含有率およびＳｉ含有率を用いて算出することができる。

２−２．Ｏ含有率の測定方法
リチウムイオン二次電池負極材用粉末中のＯ含有率は、酸素濃度分析装置（Ｌｅｃｏ社製、ＴＣ４３６）を用いて、試料１０ｍｇを不活性ガス融解・赤外線吸収法によって分析することで定量評価した試料中のＯ含有量から算出する。

２−３．Ｓｉ含有率の測定方法
リチウムイオン二次電池負極材用粉末中のＳｉ含有率は、試料に硝酸およびフッ酸を加えて試料を溶解させ、得られた溶液をＩＣＰ発光分光分析装置（株式会社島津製作所製）で分析することによって定量評価下試料中のＳｉ含有量から算出する。

２−４．導電性炭素皮膜の形成状態の評価方法
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末において、「低級酸化珪素粉末の表面に導電性炭素皮膜を有する」とは、ＡｌＫ_α線（１４８６．６ｅＶ）を用いたＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）で、導電性炭素皮膜の形成処理を施した低級酸化珪素粉末の表面分析を行った場合に、ＳｉとＣとのモル比の値Ｓｉ／Ｃが０．１以下であることをいう。ＸＰＳの測定条件は表１に示す通りとする。リチウムイオン二次電池負極材用粉末に十分に電気伝導性を付与するには、Ｓｉ／Ｃは、０．０５以下が好ましく、０．０２以下がさらに好ましい。「Ｓｉ／Ｃが０．０２以下」とは、低級酸化珪素粉末の表面のほとんどがＣに覆われており、Ｓｉがほとんど露出していない状態である。

２−５．粒度分布におけるＤ５０およびＤ１０の測定方法
Ｄ５０およびＤ１０は、レーザー回折式粒度分布測定装置を使用して測定することができる。測定条件は表２に示す条件とし、２ｇの試料を装置に入れて、分散剤として２ｇ／Ｌのヘキサメタリン酸ナトリウムを添加する。測定範囲は０．０２μｍから２０００μｍまでとし、重量分布を測定する。Ｄ１０は、粒径が小さい方からの積算頻度が１０％に達する時の粒径であり、Ｄ５０は、粒径が小さい方からの積算頻度が１０％に達する時の粒径である。

２−６．導電性炭素皮膜の厚さの測定方法
導電性炭素皮膜の厚さは、厚さが均一である場合の値を、後述するＢＥＴ法によって測定した低級酸化珪素粉末の比表面積と炭素被膜率から算出することができる。組成や黒鉛化度によって多少異なるが、低級酸化珪素および炭素の密度はともに約２．２ｇ／ｃｍ^３である。これらの密度が等しいとすると、導電性炭素皮膜の厚さがナノメートルのオーダーと小さい場合には、皮膜の厚さＡ［ｎｍ］は、比表面積Ｂ［ｍ^２／ｇ］および炭素被覆率Ｃ［ｗｔ％］から、下記（１）式を用いて算出することができる。
Ａ＝４．５５×Ｃ÷Ｂ …（１）

２−７．導電性炭素皮膜を形成した低級酸化珪素粉末の比表面積の測定方法
導電性炭素皮膜を形成した低級酸化珪素粉末の比表面積は、以下のＢＥＴ法によって測定することができる。試料０．５ｇをガラスセルに入れて、２００℃で約５時間、減圧乾燥する。そして、この試料について測定した液体窒素温度（−１９６℃）における窒素ガス吸着等温線から比表面積を算出する。測定条件は表３に示す通りとする。

２−８．炭素皮膜率の測定方法
炭素皮膜率は、リチウムイオン二次電池負極材用粉末の質量と、炭素濃度分析装置（Ｌｅｃｏ社製、ＣＳ４００）を用いて酸素気流燃焼−赤外線吸収法によってＣＯ_２ガスを分析することで定量評価した炭素量の結果から算出する。ルツボはセラミックルツボを、助燃剤は銅を用い、分析時間は４０秒とする。

２−９．ＴＰＤ−ＭＳによるタール成分の含有量の測定方法
リチウムイオン二次電池負極材用粉末の残留タール成分量は、以下のＴＰＤ−ＭＳ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ‐Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；昇温熱脱離・質量分析法）によって測定することができる。試料５０ｍｇをシリカ製セルに入れ、５０ｍＬ／ｍｉｎのヘリウムガスフロー中で、室温から１０００℃まで１０Ｋ／ｍｉｎの速度で昇温する。そして、発生したガスを質量分析計（株式会社島津製作所製、ＧＣ／ＭＳ ＱＰ５０５０Ａ）で分析する。

タール成分とは、炭化水素または有機物のガスを熱分解した時に生じる、芳香族炭化水素等の高分子量成分をいう。本発明では、分子量が５７、１０６、１７８、２０２、２５２および２７６の成分量の合計を、残留タール成分量とする（後述の表５参照）。各分子量の代表化学種は、１０６はキシレン、１７８はフェナントレンおよびアントラセン、２０２はピレン、２５２はペリレンおよびベンゾピレン、２７６はペンタセンおよびピセンである。

３．低級酸化珪素粉末の製造方法
図２は、酸化珪素の製造装置の構成例を示す図である。この装置は、真空室５と、真空室５内に配置された原料室６と、原料室６の上部に配置された析出室７とを備える。

原料室６は円筒体で構成され、その中心部には、円筒状の原料容器８と、原料容器８を囲繞する加熱源１０が配置される。加熱源１０としては、例えば電熱ヒーターを用いることができる。

析出室７は、原料容器８と軸が一致するように配置された円筒体で構成される。析出室７の内周面には、原料室６で昇華して発生した気体状の酸化珪素を蒸着させるためのステンレス鋼からなる析出基体１１が設けられる。

原料室６と析出室７とを収容する真空室５には、雰囲気ガスを排出するための真空装置（図示せず）が接続されており、矢印Ａ方向にガスが排出される。

図２に示す製造装置を用いて低級酸化珪素を製造する場合、原料として珪素粉末と二酸化珪素粉末とを所定の割合で配合し、混合、造粒および乾燥した混合造粒原料９を用いる。この混合造粒原料９を原料容器８に充填し、不活性ガス雰囲気または真空中で加熱源１０によって加熱してＳｉＯを生成（昇華）させる。昇華により発生した気体状のＳｉＯは、原料室６から上昇して析出室７に入り、周囲の析出基体１１上に蒸着し、低級酸化珪素１２として析出する。その後、析出基体１１から析出した低級酸化珪素１２を取り外し、ボールミル等を使用して粉砕することにより、低級酸化珪素粉末が得られる。

４．粒度の調整方法
このようにして得られた低級酸化珪素粉末は微粉を含有するため、例えば次の方法で微粉を除去する。水深１０ｃｍとなるように水を入れたビーカー内で低級酸化珪素粉末を浸漬させ、超音波洗浄機によって超音波振動を付与する。その後、自然沈降を行い、上澄みの水を捨てることによって水層に残った微粉を除去し、沈降した粉末のみを回収する。析出低級酸化珪素の粉砕時間および低級酸化珪素粉末の沈降時間を調整することにより、低級酸化珪素粉末の粒度を調整し、Ｄ５０／Ｄ１０の値を所定の範囲とすることができる。沈降時間が長いと、粒径の大きなもののみならず、水層に残った微粉も沈むため、Ｄ５０／Ｄ１０の値が大きくなる。

図３は、沈降分離前後の粒度分布を示す図であり、同図（ａ）は沈降分離前、同図（ｂ）は沈降分離後の分布を示す。同図（ａ）は後述の実施例における比較例である試験番号４、同図（ｂ）は本発明例である試験番号１についての粒度分布である。これらの図から、沈降分離によって、粒径が約１μｍの微粉が除去されていることがわかる。

回収された低級酸化珪素粉末は、オーブンを用いて大気圧下、１３０℃の条件で２４時間以上乾燥させる。その後、メノウ乳鉢で解砕し、さらに同条件で乾燥させる。

低級酸化珪素粉末の粒度の調整方法は、沈降分離に限られず、風力分級等によっても行うことができる。

５．導電性炭素皮膜の形成方法
粒度を調整した低級酸化珪素粉末の表面への導電性炭素皮膜の形成は、ＣＶＤ等により行う。具体的には、装置としてロータリーキルンを用い、ガスとして炭素源である炭化水素ガスまたは有機物含有ガスと、不活性ガスとの混合ガスを用いて行う。

ただし、炭素源として炭化水素以外の有機物を用いると、ＯやＮといったＣおよびＨ以外の成分が酸化珪素と反応し、ＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４を生成するため、リチウムイオンの収容、放出に寄与し得るＳｉ量が減少し、リチウムイオン二次電池の容量が小さくなる。そのため、炭素源としてはＣおよびＨのみからなる炭化水素ガスが好ましい。炭素源として炭化水素ガスを用いた場合には、タール成分としてＣとＨのみからなる芳香族が生成し、分子量が５７、１０６、１７８、２０２、２５２および２７６の成分が主成分となる。

導電性炭素皮膜の形成処理温度は、７００℃以上、７５０℃以下とする。また、処理時間は、２０分以上、１２０分以下とし、形成する導電性炭素皮膜の厚さに応じて設定する。この処理条件は、結晶性の低い導電性炭素皮膜を得られる範囲である。また、低級酸化珪素粉末の表面と炭素皮膜との界面近傍におけるＳｉＣの生成が抑制される範囲でもある。

本発明者らの調査によると、導電性炭素皮膜は結晶性が低い方がリチウムイオン二次電池のサイクル特性に優れていることがわかっている。これは、導電性炭素皮膜の結晶性が高いほど、リチウムイオンの受け入れ速度が小さく、かつ酸化珪素の膨張、収縮を緩和する能力が低いことに起因すると考えられる。また、ＳｉＣは、加熱温度が過度に高い場合に低級酸化珪素粉末の表面と炭素皮膜との界面近傍に生成する。ＳｉＣが生成すると電池の容量に寄与し得るＳｉの量が減少するため、ＳｉＣの生成は抑制することが好ましい。

６．導電性炭素皮膜を形成した低級酸化珪素粉末の真空処理方法
導電性炭素皮膜を形成した低級酸化珪素粉末には、真空下で、６００℃以上、７５０℃以下の温度に１０分以上、１時間以下保持する真空処理を施す。真空処理は、低級酸化珪素粉末を真空槽に収容した状態で行い、真空槽の内圧は、油拡散ポンプを用いて１Ｐａ以下に保つ。この内圧は、ピラニー真空計を用いて測定する。

真空処理により、炭素皮膜の形成時に生成したタール成分を炭素皮膜から揮発除去することができる。また、加熱保持温度が上記範囲である場合には、酸化珪素と炭素皮膜との界面近傍におけるＳｉＣの生成が抑制される。

７．リチウムイオン二次電池の構成
本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末およびリチウムイオン二次電池負極を用いた、コイン形状のリチウムイオン二次電池の構成例を、前記図１を参照して説明する。同図に示すリチウムイオン二次電池の基本的構成は、上述の通りである。

負極２、すなわち本発明のリチウムイオン二次電池負極を構成する作用極２ｃに用いる負極材は、本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末を用いて構成する。具体的には、活物質である本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末とその他の活物質と導電助剤とバインダーとで構成することができる。負極材中の構成材料のうち、バインダーを除いた構成材料の合計に対する本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末の割合は２０質量％以上とする。本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末以外の活物質は必ずしも添加しなくてもよい。導電助剤としては、例えばアセチレンブラックやカーボンブラックを使用することができ、バインダーとしては例えばポリアクリル酸（ＰＡＡ）やポリフッ化ビニリデンを使用することができる。

本発明のリチウムイオン二次電池は、上述の本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末およびリチウムイオン二次電池負極を用いたため、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好であり、実用レベルでの使用に耐え得る。

また、本発明の負極材用粉末およびこれを用いた負極は、キャパシタにも適用することができる。

本発明の効果を確認するため、リチウムイオン二次電池を用いた以下の試験を行い、その結果を評価した。

１．試験条件
１−１．リチウムイオン二次電池の構成
リチウムイオン二次電池の構成は、前記図１に示すコイン形状とした。

最初に負極２について説明する。珪素粉末と二酸化珪素粉末とを所定の割合で配合し、混合、造粒および乾燥した混合造粒原料を原料とし、前記図２に示す装置を用いて析出基板上に低級酸化珪素を析出させた。析出した低級酸化珪素は、アルミナ製ボールミルを使用して２４時間粉砕してＤ５０が４．４μｍの粉末とした。この低級酸化珪素粉末は、上述の方法で最大１６８時間の自然沈降により粒度調整を行った。沈降時間、粒度調整後のＤ５０、Ｄ１０およびＤ５０／Ｄ１０の値は後掲の表４〜６に示す通りとした（試験番号１〜１４）。この低級酸化珪素（ＳｉＯ_ｘ）の粉末は、ｘ＝１を満たしていた。

低級酸化珪素粉末の表面には導電性炭素皮膜を形成し、リチウムイオン二次電池負極材用粉末とした。炭素皮膜の形成には、装置としてロータリーキルン、ガスとしてノルマルブタンとＡｒとの混合ガスを使用し、処理温度は７００℃とした。炭素皮膜の形成処理温度、炭素皮膜率および炭素皮膜の厚さは、表４〜６に示す通りとした。

表４に示す試験番号１〜６では、沈降時間を変化させてＤ５０／Ｄ１０の値を変化させた。試験番号２および３は本発明例であり、Ｄ５０／Ｄ１０の値が本発明の規定を満足した。試験番号１および４〜６は比較例であり、Ｄ５０／Ｄ１０の値、およびタール成分の合計含有率の少なくとも一方が本発明の規定を満足しなかった。

表５に示す試験番号７および８では、導電性炭素皮膜を形成した後、真空処理を施した。保持温度は７００℃、保持時間は表４に示す条件とし、真空槽の内圧は油拡散ポンプを用いて１Ｐａ以下に保った。また、表６に示す試験番号９〜１４では、炭素皮膜率を変化させた。試験番号７〜１４はいずれも本発明例であり、Ｄ５０／Ｄ１０の値が本発明の規定を満足した。試験番号１および７〜１４では、沈降時間を２４時間に統一したため、Ｄ５０／Ｄ１０の値は１．７０以上、１．８０以下の範囲に揃っている。

このリチウムイオン二次電池負極材用粉末を６５質量％、アセチレンブラックを１０質量％、ＰＡＡを２５質量％とした混合物に、ｎ‐メチルピロリドンを加えてスラリーを作製する。このスラリーを厚さ２０μｍの銅箔に塗布し、１２０℃の雰囲気下で３０分乾燥した後、片面の面積が１ｃｍ^２となる大きさに打ち抜いて負極２とした。

対極１ｃはリチウム箔とした。電解質は、ＥＣ（エチレンカーボネート）とＤＥＣ（ジエチルカーボネート）を１：１の体積比とした混合液に、ＬｉＰＦ_６（六フッ化リンリチウム）を１モル／リットルの割合となるように溶解させた溶液とした。セパレーターには厚さ３０μｍのポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。

１−２．充放電試験条件
充放電試験には、二次電池充放電試験装置（株式会社ナガノ製）を用いた。充電は、リチウムイオン二次電池の両極間の電圧が０Ｖに達するまでは１ｍＡの定電流で行い、電圧が０Ｖに達した後は、０Ｖを維持したまま充電を行った。その後、電流値が２０μＡを下回った時点で充電を終了した。放電は、リチウムイオン二次電池の両極間の電圧が１．５Ｖに達するまでは１ｍＡの定電流で行った。以上の充放電試験は１０サイクル行った。

２．試験結果
上記条件で作製したリチウムイオン二次電池について充放電試験を行い、初回放電容量を指標として評価を行った。また、リチウムイオン二次電池負極材用粉末について、ＢＥＴ法で測定した比表面積、炭素皮膜率、炭素皮膜の厚さも測定した。試験番号１、７および８についてはタール成分の合計含有率も測定した。これらの値を試験条件と併せて前記表４〜６に示す。

２−１．粒度分布の影響
前記表４に示す試験結果に基づいて、粒度分布、すなわちＤ５０／Ｄ１０の値の影響について説明する。試験番号１〜６の全てにおいて、比表面積、炭素被覆率および炭素皮膜の厚さは、本発明で規定される範囲内または好ましいとする範囲内であった。

試験番号４では沈降を行わなかったため、試験番号５では沈降時間が長すぎて水層から微粉が沈降したため、いずれも低級酸化珪素粉末に微粉が多く含まれており、Ｄ５０／Ｄ１０の値は本発明の規定する範囲よりも大きかった。また、試験番号６は、沈降時間が短すぎたため、低級酸化珪素粉末には微粉とともに粒径の小さいものも少なく、Ｄ５０／Ｄ１０の値は１．３４と本発明の規定する範囲よりも小さかった。そのため、試験番号４〜６では、初回放電容量は１６１９ｍＡｈ／ｇ以下と小さかった。

一方、試験番号１〜３では沈降時間が適切であったため、Ｄ５０／Ｄ１０の値は本発明の規定する範囲内であり、初回放電容量は１７０６ｍＡｈ／ｇ以上と優れた値であった。

２−２．タール成分の合計含有率の影響
前記表５に示す試験結果に基づいて、タール成分の合計含有率の影響について説明する。試験番号７および８のいずれも、比表面積、炭素被覆率および炭素皮膜の厚さは、本発明で規定される範囲内または好ましいとする範囲内であった。表５には、比較対象として試験番号１も記載している。

前記表４に示すように、タール成分を除去しなかった試験番号１〜６では試験番号１において初回放電容量が最も優れた値であった。しかし、表５に示すように、Ｄ５０／Ｄ１０の値を試験番号１と同等とした試験番号７および８では、タール成分を除去し、タール成分の合計含有率を４０００質量ｐｐｍ以下とすることにより、初回放電容量がさらに優れた値となった。表５に示す結果から、真空処理時間が長いほど、タール成分の合計含有率が低下し、初回放電容量が大きいことがわかる。

２−３．炭素被覆率および炭素皮膜の厚さの影響
前記表６に示す試験結果に基づいて、炭素被覆率および炭素皮膜の影響について説明する。表６に示す試験番号９〜１４のうち、試験番号９〜１２はいずれも、比表面積、炭素被覆率および炭素皮膜の厚さは、本発明で規定される範囲内または好ましいとする範囲内であった。試験番号１３は炭素皮膜の厚さが、試験番号１４は炭素被覆率および炭素皮膜の厚さが、それぞれ本発明で好ましいとする範囲外であった。

表６に示すように、試験番号９〜１４はいずれも初期放電容量が１６５９ｍＡｈ／ｇ以上と優れた値であった。しかし、試験番号９〜１３のように炭素被覆率を０．５質量％以上、１０質量％以下とすることにより、また、試験番号９〜１２のように炭素皮膜の厚さを１．５ｎｍ以上、７．５ｎｍ以下とすることにより、さらに優れた値となった。

特に、試験番号９は、炭素被覆率が０．５質量％以上、２．５質量％以下であり、かつ炭素皮膜の厚さが２．０ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下であり、初期放電容量が１７３４ｍＡｈ／ｇと最も優れた値であった。

また、試験番号１〜１４のいずれのリチウムイオン二次電池とも、１０回目の放電容量と初回放電容量との比の値が９３％と、サイクル特性が優れていたことを確認した。

本発明のリチウムイオン二次電池負極材用粉末、ならびにリチウムイオン二次電池負極またはキャパシタ負極を用いることにより、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好であり、実用レベルでの使用に耐え得るリチウムイオン二次電池またはキャパシタを得ることができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池およびキャパシタは、放電容量が大きく、かつサイクル特性が良好である。したがって、本発明は、二次電池およびキャパシタの分野において有用な技術である。

１：正極、 １ａ：対極ケース、 １ｂ：対極集電体、 １ｃ：対極、
２：負極、 ２ａ：作用極ケース、 ２ｂ：作用極集電体、
２ｃ：作用極、 ３：セパレーター、 ４：ガスケット、 ５：真空室、
６：原料室、 ７：析出室、 ８：原料容器、 ９：混合造粒原料、
１０：加熱源、 １１：析出基体、 １２：低級酸化珪素

Claims (8)

1. ｘが０．４≦ｘ≦１．２を満足するＳｉＯ_xの粉末である低級酸化珪素粉末の表面に導電性炭素皮膜を有し、この酸化珪素粉末の粒度分布において、１μｍ≦Ｄ５０≦２０μｍであり、Ｄ５０とＤ１０の関係が１．４≦Ｄ５０／Ｄ１０≦２．４を満足し、
   ＢＥＴ法で測定した比表面積が、０．３ｍ²／ｇ以上、７．０ｍ²／ｇ以下であり、
   ＴＰＤ−ＭＳで測定したタール成分の合計含有率が、１質量ｐｐｍ以上、４０００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池負極材用粉末。
2. 前記導電性炭素皮膜の厚さが、１．５ｎｍ以上、７．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池負極材用粉末。
3. 前記導電性炭素皮膜の占める割合が、０．５質量％以上、１０質量％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウムイオン二次電池負極材用粉末。
4. ＣｕＫ_α線を用いたＸ線回折装置で測定した場合に、２θ＝１０°〜３０°に現れるＳｉＯ_xに由来するハローの最大値Ｐ１と、２θ＝２８．４±０．３°に現れるＳｉ（１１１）の最強線ピークの値Ｐ２の関係が、Ｐ２／Ｐ１＜０．０１を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池負極材用粉末。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池負極材用粉末を用いたリチウムイオン二次電池負極。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池負極材用粉末を用いたキャパシタ負極。
7. 請求項５に記載のリチウムイオン二次電池負極を用いたリチウムイオン二次電池。
8. 請求項６に記載のキャパシタ負極を用いたキャパシタ。
   

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