JP5729340B2 - 非水電解質二次電池又は電気化学キャパシタ負極活物質の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、非水電解質二次電池又は電気化学キャパシタ負極活物質の製造方法及び非水電解質二次電池又は電気化学キャパシタ負極活物質、ならびにリチウムイオン二次電池及び電気化学キャパシタに関するものである。

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、軽量化の観点から、高エネルギー密度の非水電解質二次電池が強く要望されている。従来、この種の非水電解質二次電池の高容量化策として、例えば、負極材料にＢ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｎｂ，Ｍｏ等の酸化物及びそれらの複合酸化物を用いる方法（特許第３００８２２８号公報、特許第３２４２７５１号公報：特許文献１，２）、熔湯急冷したＭ_100-xＳｉ_x（ｘ≧５０ａｔ％，Ｍ＝Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｎ）を負極材として適用する方法（特許第３８４６６６１号公報：特許文献３）、負極材料に酸化珪素を用いる方法（特許第２９９７７４１号公報：特許文献４）、負極材料にＳｉ₂Ｎ₂Ｏ，Ｇｅ₂Ｎ₂Ｏ及びＳｎ₂Ｎ₂Ｏを用いる方法（特許第３９１８３１１号公報：特許文献５）等が知られている。

珪素は現在実用化されている炭素材料の理論容量３７２ｍＡｈ／ｇより遙かに高い理論容量４，２００ｍＡｈ／ｇを示すことから、電池の小型化と高容量化において最も期待される材料である。珪素はその製法により結晶構造の異なった種々の形態が知られている。例えば、特許第２９６４７３２号公報（特許文献６）では単結晶珪素を負極活物質の支持体として使用したリチウムイオン二次電池を開示しており、特許第３０７９３４３号公報（特許文献７）では単結晶珪素、多結晶珪素及び非晶質珪素のＬｉ_xＳｉ（但し、ｘは０〜５）なるリチウム合金を使用したリチウムイオン二次電池を開示しており、特に非晶質珪素を用いたＬｉ_xＳｉが好ましく、モノシランをプラズマ分解した非晶質珪素で被覆した結晶性珪素の粉砕物が例示されている。しかしながら、この場合においては、実施例にあるように珪素分は３０部、導電剤としてのグラファイトを５５部使用しており、珪素の電池容量を十分発揮させることができなかった。

また、負極材に導電性を付与する目的として、酸化珪素を例とする金属酸化物と黒鉛とをメカニカルアロイング後、炭化処理する方法（特開２０００−２４３３９６号公報：特許文献８）、Ｓｉ粒子表面を化学蒸着法により炭素層で被覆する方法（特開２０００−２１５８８７号公報：特許文献９）、酸化珪素粒子表面を化学蒸着法により炭素層で被覆する方法（特開２００２−４２８０６号公報：特許文献１０）がある。粒子表面に炭素層を設けることによって導電性を改善することはできるが、珪素負極の克服すべき課題である充放電に伴う大きな体積変化の緩和、これに伴う集電性の劣化とサイクル特性低下を防止することはできなかった。

このため近年では、珪素の電池容量利用率を制限して体積膨張を抑制する方法（特開２０００−２１５８８７号公報、特開２０００−１７３５９６号公報、特許第３２９１２６０号公報、特開２００５−３１７３０９号公報：特許文献９，１１〜１３）、あるいは多結晶粒子の粒界を体積変化の緩衝帯とする方法としてアルミナを添加した珪素融液を急冷（特開２００３−１０９５９０号公報：特許文献１４）、α，β−ＦｅＳｉ₂の混相多結晶体からなる多結晶粒子（特開２００４−１８５９９１号公報：特許文献１５）、単結晶珪素インゴットの高温塑性加工（特開２００４−３０３５９３号公報：特許文献１６）が開示されている。

珪素活物質の積層構造を工夫することで体積膨張を緩和する方法も開示されており、例えば珪素負極を２層に配置する方法（特開２００５−１９０９０２号公報：特許文献１７）、炭素や他金属及び酸化物で被覆あるいはカプセル化して粒子の崩落を抑制する方法（特開２００５−２３５５８９号公報、特開２００６−２１６３７４号公報、特開２００６−２３６６８４号公報、特開２００６−３３９０９２号公報、特許第３６２２６２９号公報、特開２００２−７５３５１号公報、特許第３６２２６３１号公報：特許文献１８〜２４）等が開示されている。また、集電体に直接珪素を気相成長させる方法において、成長方向を制御することで体積膨張によるサイクル特性の低下を抑制する方法も開示されている（特開２００６−３３８９９６号公報：特許文献２５）。

以上のように、珪素表面を炭素被覆して導電化したり非晶質金属層で被覆したりする等して負極材のサイクル特性を高めるという方法では珪素本来の電池容量の半分程度を発揮できるにすぎず、更なる高容量化が求められていた。また、結晶粒界を持つ多結晶珪素では、開示された方法では冷却速度の制御が困難であり、安定した物性を再現することが難しかった。十分にＬｉの吸蔵、放出に伴う体積変化の抑制、粒子の割れによる微粉化や集電体からの剥離による導電性の低下を緩和することが可能であり、大量生産が可能で、コスト的有利であって、かつ携帯電話用等の特に繰り返しのサイクル特性を重要視される用途に適応することが可能な負極活物質が望まれていた。

特許第３００８２２８号公報 特許第３２４２７５１号公報 特許第３８４６６６１号公報 特許第２９９７７４１号公報 特許第３９１８３１１号公報 特許第２９６４７３２号公報 特許第３０７９３４３号公報 特開２０００−２４３３９６号公報 特開２０００−２１５８８７号公報 特開２００２−４２８０６号公報 特開２０００−１７３５９６号公報 特許第３２９１２６０号公報 特開２００５−３１７３０９号公報 特開２００３−１０９５９０号公報 特開２００４−１８５９９１号公報 特開２００４−３０３５９３号公報 特開２００５−１９０９０２号公報 特開２００５−２３５５８９号公報 特開２００６−２１６３７４号公報 特開２００６−２３６６８４号公報 特開２００６−３３９０９２号公報 特許第３６２２６２９号公報 特開２００２−７５３５１号公報 特許第３６２２６３１号公報 特開２００６−３３８９９６号公報

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、充放電サイクル特性が改善された、珪素又は珪素化合物を含む非水電解質二次電池又は電気化学キャパシタ負極材を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、珪素又は珪素化合物からなる非水電解質二次電池又は電気化学キャパシタの負極活物質の製造方法であって、珪素又は珪素化合物を、下記の特定の雰囲気中で粉砕する工程を含むことにより、得られた負極材を用いて、非水電解質二次電池又は電気化学キャパシタを作製することにより、充放電サイクル特性が改善されることを知見し、本発明をなすに至ったものである。

従って、本発明は下記を提供する。
［１］．珪素からなる非水電解質二次電池又は電気化学キャパシタの負極活物質の製造方法であって、珪素を、大気圧露点温度が−８０℃以上−４０℃以下で、かつ空気と窒素を混合して酸素濃度を３〜１５体積％の範囲に調整した雰囲気中で粉砕する工程を含むことを特徴とする製造方法。
［２］．［１］記載の製造方法で得られた非水電解質二次電池負極活物質。
［３］．［２］記載の非水電解質二次電池負極活物質を含むリチウムイオン二次電池。
［４］．［１］記載の製造方法で得られた電気化学キャパシタ負極活物質。
［５］．［４］記載の電気化学キャパシタ負極活物質を含む電気化学キャパシタ。

本発明によれば、珪素又は珪素化合物を、大気圧露点温度が−８０℃以上３０℃以下の雰囲気中で粉砕する工程を含むことにより、得られた珪素又は珪素化合物からなる非水電解質二次電池負極活物質を用いた非水電解質二次電池の充放電サイクル特性を改善することができる。

本発明の実施形態の一例を示すフロー図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の製造方法は、珪素又は珪素化合物からなる非水電解質二次電池負極活物質の製造方法であって、珪素又は珪素化合物（以下、珪素化合物等と略す場合がある。）を、大気圧露点温度が−８０℃以上−４０℃以下の雰囲気中で粉砕する工程を含むものである。

粉砕前の珪素又は珪素化合物としては特に限定されず、１種単独で又は２種以上を適宜組み合わせて用いることができる。珪素化合物としては、例えば、ＣａＳｉ₂，ＣｏＳｉ₂，ＣｒＳｉ₂，Ｃｕ₅Ｓｉ，ＦｅＳｉ₂，Ｍｇ₂Ｓｉ，ＭｎＳｉ₂，ＭｏＳｉ₂，ＮｂＳｉ₂，ＮｉＳｉ₂，ＴａＳｉ₂，ＴｉＳｉ₂，ＶＳｉ₂，ＷＳｉ₂，ＳｉＣ，ＳｉＢ₄，ＳｉＢ₆，Ｓｉ₃Ｎ₄及びＺｎＳｉ₂等が挙げられる。これら珪素化合物は、化学量論組成のものでも非化学量論組成のものでもよい。

上記珪素化合物等を、大気圧露点温度が−８０℃以上−４０℃以下の雰囲気中で粉砕し、微粉末状とする。このように、所定の大気圧露点温度雰囲気中において粉砕するのは、珪素化合物等の表面に形成される酸化膜を薄くするためである。これは、表面に形成される厚い酸化膜が珪素化合物等を含む負極を用いた二次電池のサイクル寿命を短くする一因であると考えられるからである。さらに、適正な露点で粉砕を行うことで、微粉の凝集を抑制することもできる。

粉砕する際の大気圧露点温度を−８０℃未満とすると、湿度が低すぎると粉砕時に微粉が凝集してしまい、目的とする粒径の粒子を得にくくなり、一方、３０℃より高いと、形成される酸化被膜が厚くなりすぎて、充放電時の抵抗が大きくなるためである。粉砕する際の大気圧露点温度は−６０℃以上１０℃以下が好ましく、−６０℃以上０℃以下がより好ましい。大気圧露点温度の制御は、粉砕ガスを加湿器（バブリング等）によりすることができる。

粉砕する際の雰囲気の条件は特に限定されないが、空気と窒素を混合し、酸素濃度が３〜１５体積％の範囲、特に８±２体積％になるように調整することが好ましい。

なお、珪素化合物等を複数種用いる場合には、この粉砕処理をそれらについて個別に行うようにしてもよく、混合して同時に行うようにしてもよい。

粉砕装置については乾式粉砕装置、例えば、ボール、ビーズ等の粉砕媒体を運動させ、その運動エネルギーによる衝撃力や摩擦力、圧縮力を利用して被砕物を粉砕するボールミル、媒体撹拌ミルや、ローラによる圧縮力を利用して粉砕を行うローラミルや、被砕物を高速で内張材に衝突もしくは粒子相互に衝突させ、その衝撃による衝撃力によって粉砕を行うジェットミルや、ハンマー、ブレード、ピン等を固設したローターの回転による衝撃力を利用して被砕物を粉砕するハンマーミル、ピンミル、ディスクミルや、剪断力を利用するコロイドミル等が適宜用いられる。

粉砕後に粒度分布を整えるため、乾式分級もしくはふるい分け分級を使用してもよい。乾式で分級機が一体となっているタイプでは、一度に粉砕・分級が行われ、所望の粒度分布とすることが可能となる。なお、粉砕前の珪素化合物等の大きさは特に限定されず、大きい分には最終粉砕物に影響はないが、１μｍ以下の微粉を含有していないことが望ましい。

粉砕後の平均粒子径は０．１〜５０μｍが好ましく、５〜２０μｍがより好ましい。平均粒子径が小さすぎると比表面積が大きく、負極膜密度が小さくなりすぎる場合があり、大きすぎるとセパレーターを貫通してショートする原因となる。平均粒子径はレーザー回折散乱式粒度分布測定法による累積質量平均値Ｄ₅₀（即ち、累積質量が５０％となる時の粒子径又はメジアン径）として測定した値である。

珪素化合物等の表面には空気中に曝されることにより酸化膜が形成されるが、粉砕時の雰囲気の酸素濃度や湿度によっては、新規に生成する表面に厚い酸化膜が形成される。そのため、珪素化合物同士の粒子間における電子伝導性は低くなり、これを用いた二次電池では充放電時の抵抗が大きくなって、充放電反応が円滑に進みにくい。さらに、珪素化合物等は充放電に伴い膨張収縮するので、充放電を繰り返すに従って粒子間の接触状態が徐々に弱くなり、接触抵抗が大きくなっていく。これらにより、充放電に伴って粒子間の電子伝導が円滑に進みにくくなり、次第に充放電に寄与しない粒子が増え、充放電容量が小さくなり、サイクル寿命が短くなるものと考えられる。そこで、本発明の方法では、珪素化合物等の表面に予め薄い酸化膜を形成し、厚い酸化膜が形成されることを防止することにより、粒子間の電子伝導性を改善し、サイクル特性を向上させるようにしている。

図１を用いて、ジェットミルを使用して粉砕する一例を示す。
コンプレッサー１で発生させた圧力空気と窒素発生装置２から供給された圧力窒素をタンク３で混合させ、酸素濃度計で約８体積％となるよう監視している。それぞれタンクに入る前に一旦ドライヤー４で除湿されているが、タンク３を出た後にバイパスラインを設けてそこに加湿器（バブリング等）５を設置し、露点計６により露点を制御できるようになっている。そのガスを約０．７ＭＰａでジェットミル７に供給し、粉砕ガスとする。原料８はジェットミル７内で粉砕され、粉砕された原料粒子はサイクロン９で微粉を分離され、最終品１０として回収される。サイクロン９で分離された微粉はバグ１１で回収される。

得られた粉砕後の珪素又は珪素化合物粒子は、さらに、常圧下又は減圧下で６００〜１，２００℃、好ましくは８００〜１，０００℃の温度で可能な限り短時間で炭化水素系化合物ガス及び／又は蒸気を導入して熱化学蒸着処理を施すことにより、珪素又は珪素化合物粒子表面にカーボン膜を形成し、それと同時に、珪素−炭素層の界面に炭化珪素層が形成された珪素複合体粒子としてもよい。

本発明で得られた珪素又は珪素化合物粒子は、これを非水電解質二次電池負極の負極活物質として用いることができ、現行のグラファイト等と比較して高容量であり、酸化珪素及び酸化珪素を原料にした材料（例えば、酸化珪素を不均化して得られる（珪素／二酸化珪素）分散複合体）と比較して初期効率が高く、珪素そのものと比較しても、充放電に伴う体積変化が小さくコントロールされ、粒子と結着剤間の接着性も優れること等より、サイクル特性の優れた非水電解質二次電池、特に、リチウムイオン二次電池を製造することができる。

上記活物質としての珪素又は珪素化合物粒子を含む負極材を用いて負極を作製する場合、結着剤としては、ポリイミド樹脂、芳香族ポリイミド樹脂を特に好適に採用し得る。芳香族ポリイミド樹脂は耐溶剤性に優れ、充放電による体積膨張に追随して集電体からの剥離や活物質の分離を抑制することができる。

芳香族ポリイミド樹脂は、一般に有機溶剤に対して難溶性であり、特に電解液に対して膨潤又は溶解しないことが必要である。このため、一般的に高沸点の有機溶剤、例えば、クレゾール等に溶解するのみであることから、電極ペーストの作製にはポリイミドの前駆体であって、種々の有機溶剤、例えば、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、酢酸エチル、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、ジオキソランに比較的易溶であるポリアミック酸の状態で添加し、３００℃以上の温度で長時間加熱処理することにより、脱水、イミド化させて結着剤とする。

この場合、芳香族ポリイミド樹脂としては、テトラカルボン酸二無水物とジアミンより構成される基本骨格を有するが、具体例としては、ピロメリット酸二無水物、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物及びビフェニルテトラカルボン酸二無水物等の芳香族テトラカルボン酸二無水物、シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物及びシクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物等の脂環式テトラカルボン酸二無水物、ブタンテトラカルボン酸二無水物等の脂肪族テトラカルボン酸二無水物等が挙げられる。

また、ジアミンとしては、ｐ−フェニレンジアミン、ｍ−フェニレンジアミン、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、２，２’−ジアミノジフェニルプロパン、４，４’−ジアミノジフェニルスルホン、４，４’−ジアミノベンゾフェノン、２，３−ジアミノナフタレン、１，３−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、１，４−ビス（４−アミノフェノキシ）ベンゼン、４，４’−ジ（４−アミノフェノキシ）ジフェニルスルホン、２，２’−ビス［４−（４−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン等の芳香族ジアミン、脂環式ジアミン、脂肪族ジアミン等が挙げられる。

ポリアミック酸中間体の合成方法としては、通常は溶液重合法が用いられる。溶液重合法に使用される溶剤としては、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ−メチルカプロラクタム、ジメチルスルホキシド、テトラメチル尿素、ピリジン、ジメチルスルホン、ヘキサメチルホスホルアミド及びブチロラクトン等が挙げられる。これらは単独でも又は混合して使用してもよい。反応温度は、通常、−２０〜１５０℃の範囲内であるが、特に−５〜１００℃の範囲が望ましい。

さらに、ポリアミック酸中間体をポリイミド樹脂に転化するには、通常は、加熱により脱水閉環する方法がとられる。この加熱脱水閉環温度は１４０〜４００℃、好ましくは１５０〜２５０℃の任意の温度を選択できる。この脱水閉環に要する時間は、上記反応温度にもよるが３０秒間〜１０時間、好ましくは５分間〜５時間が適当である。

このようなポリイミド樹脂としては、ポリイミド樹脂粉末のほか、ポリイミド前駆体のＮ−メチルピロリドン溶液等が入手できるが、例えばＵ−ワニスＡ、Ｕ−ワニスＳ、ＵＩＰ−Ｒ、ＵＩＰ−Ｓ（宇部興産（株）製）やＫＡＹＡＦＬＥＸ ＫＰＩ−１２１（日本化薬（株）製）、リカコートＳＮ−２０、ＰＮ−２０、ＥＮ−２０（新日本理化（株）製）が挙げられる。

本発明の負極材中の珪素又は珪素化合物からなる非水電解質二次電池負極活物質の配合量は、６０〜９７質量％、特に７０〜９５質量％、とりわけ７５〜９５質量％が好ましい。なお、後述する導電剤を配合した場合、その上限は９６質量％以下が好ましく、９４質量％以下がより好ましく、９３質量％以下がさらに好ましい。また、上記結着剤の配合量は、活物質全体中に３〜２０質量％の割合が好ましく、５〜１５質量％がより好ましい。結着剤が少なすぎると、負極活物質が分離してしまう場合があり、多すぎると空隙率が減少して絶縁膜が厚くなり、Ｌｉイオンの移動を阻害する場合がある。

活物質としての上記珪素又は珪素化合物粒子と、結着剤としてのポリイミド樹脂を用いて負極材を作製する場合、黒鉛等の導電剤を添加することができる。この場合、導電剤の種類は特に限定されず、構成された電池において、分解や変質を起こさない電子伝導性の材料であればよく、具体的にはＡｌ，Ｔｉ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｉ等の金属粉末や金属繊維、又は天然黒鉛、人造黒鉛、各種のコークス粉末、メソフェーズ炭素、気相成長炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、各種の樹脂焼成体等の黒鉛等を用いることができる。これらの導電剤は、予め水あるいはＮ−メチル−２−ピロリドン等の溶剤の分散物を作製し、添加することで、珪素又は珪素化合物粒子に均一に付着、分散した電極ペーストを作製することができることから、上記溶剤分散物として添加することが好ましい。なお、導電剤は上記溶剤に公知の界面活性剤を用いて分散を行うことができる。また、導電剤に用いる溶剤は、結着剤に用いる溶剤と同一のものであることが好ましい。

導電剤の添加量は、負極材全体中に０〜３７質量％であり、配合する場合は１〜３７質量％であることが好ましく、１〜２０質量％がより好ましく、２〜１０質量％がさらに好ましい。導電剤量が少ないと、負極材の導電性に乏しい場合があり、初期抵抗が高くなる傾向がある。一方、導電剤量の増加は電池容量の低下につながるおそれがある。

また、上記ポリイミド樹脂結着剤の他に、粘度調整剤としてカルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸ソーダ、その他のアクリル系ポリマーあるいは脂肪酸エステル等を添加してもよい。

本発明の非水電解質二次電池負極材は、例えば以下のように負極成型体とすることができる。即ち、上記負極活物質と、導電剤と、結着剤と、その他の添加剤とに、Ｎ−メチルピロリドンあるいは水等の結着剤の溶解、分散に適した溶剤を混練してペースト状の合剤とし、該合剤を集電体にシート状に塗布する。この場合、集電体としては、銅箔、ニッケル箔等、通常、負極の集電体として使用されている材料であれば、特に厚さ、表面処理の制限なく使用することができる。なお、合剤をシート状に成形する成形方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。

このようにして得られた負極成型体を用いることにより、非水電解質二次電池を製造することができる。この場合、非水電解質二次電池は、上記負極活物質を用いる点に特徴を有し、その他の正極、セパレーター、電解液、電解質等の材料及び電池形状等は限定されない。

正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び離脱することが可能な酸化物あるいは硫化物等が挙げられ、これらのいずれか１種又は２種以上が用いられる。具体的には、ＴｉＳ₂、ＭｏＳ₂、ＮｂＳ₂、ＺｒＳ₂、ＶＳ₂、Ｖ₂Ｏ₅、ＭｏＯ₃及びＭｇ（Ｖ₃Ｏ₈）₂等のリチウムを含有しない金属硫化物もしくは酸化物、又はリチウム及びリチウムを含有するリチウム複合酸化物が挙げられ、また、ＮｂＳｅ₂等の複合金属も挙げられる。中でも、エネルギー密度を高くするには、Ｌｉ_pＭｅｔＯ₂を主体とするリチウム複合酸化物が好ましい。なお、Ｍｅｔは、コバルト、ニッケル、鉄及びマンガンのうちの少なくとも１種が好ましく、ｐは、通常、０．０５≦ｐ≦１．１０の範囲内の値である。このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、層構造を持つＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＦｅＯ₂、Ｌｉ_qＮｉ_rＣｏ_1-rＯ₂（但し、ｑ及びｒの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、０＜ｑ＜１、０．７＜ｒ≦１）、スピネル構造のＬｉＭｎ₂Ｏ₄及び斜方晶ＬｉＭｎＯ₂が挙げられる。さらに高電圧対応型として置換スピネルマンガン化合物としてＬｉＭｅｔ_sＭｎ_1-sＯ₄（０＜ｓ＜１）も使用されており、この場合のＭｅｔはチタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅及び亜鉛等が挙げられる。

なお、上記のリチウム複合酸化物は、例えば、リチウムの炭酸塩、硝酸塩、酸化物あるいは水酸化物と、遷移金属の炭酸塩、硝酸塩、酸化物あるいは水酸化物とを所望の組成に応じて粉砕混合し、酸素雰囲気中において６００〜１，０００℃の範囲内の温度で焼成することにより調製することができる。

さらに、正極活物質としては有機物も使用することができる。例示すると、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセン、ポリスルフィド化合物等である。

以上の正極活物質は負極合材に使用した導電剤や結着剤と共に混練して集電体に塗布され、公知の方法により正極成型体とすることができる。

正極と負極の間に用いられるセパレーターは、電解液に対して安定であり、保液性に優れていれば特に制限はないが、一般的にはポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン及びこれらの共重合体やアラミド樹脂等の多孔質シート又は不織布が挙げられる。これらは単層あるいは多層に重ね合わせて使用してもよく、表面に金属酸化物等のセラミックスを積層してもよい。また、多孔質ガラス、セラミックス等も使用される。

本発明に使用される非水電解質二次電池用溶媒としては、非水電解液として使用できるものであれば特に制限はない。一般にエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等の非プロトン性高誘電率溶媒や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、１，３−ジオキソラン、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、メチルアセテート等の酢酸エステル類あるいはプロピオン酸エステル類等の非プロトン性低粘度溶媒が挙げられる。これらの非プロトン性高誘電率溶媒と非プロトン性低粘度溶媒を適当な混合比で併用することが好ましい。さらには、イミダゾリウム、アンモニウム、及びピリジニウム型のカチオンを用いたイオン液体を使用することができる。対アニオンは特に限定されるものではないが、ＢＦ₄ ^-、ＰＦ₆ ^-、（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂Ｎ^-等が挙げられる。イオン液体は前述の非水電解液溶媒と混合して使用することが可能である。

固体電解質やゲル電解質とする場合には、シリコーンゲル、シリコーンポリエーテルゲル、アクリルゲル、シリコーンアクリルゲル、アクリロニトリルゲル、ポリ（ビニリデンフルオライド）等を高分子材料として含有することが可能である。なお、これらは予め重合していてもよく、注液後重合してもよい。これらは単独もしくは混合物として使用可能である。

電解質塩としては、例えば、軽金属塩が挙げられる。軽金属塩にはリチウム塩、ナトリウム塩、あるいはカリウム塩等のアルカリ金属塩、又はマグネシウム塩あるいはカルシウム塩等のアルカリ土類金属塩、又はアルミニウム塩等があり、目的に応じて１種又は複数種が選択される。例えば、リチウム塩であれば、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆、ＣＦ₃ＳＯ₃Ｌｉ、（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂ＮＬｉ、Ｃ₄Ｆ₉ＳＯ₃Ｌｉ、ＣＦ₃ＣＯ₂Ｌｉ、（ＣＦ₃ＣＯ₂）₂ＮＬｉ、Ｃ₆Ｆ₅ＳＯ₃Ｌｉ、Ｃ₈Ｆ₁₇ＳＯ₃Ｌｉ、（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂ＮＬｉ、（Ｃ₄Ｆ₉ＳＯ₂）（ＣＦ₃ＳＯ₂）ＮＬｉ、（ＦＳＯ₂Ｃ₆Ｆ₄）（ＣＦ₃ＳＯ₂）ＮＬｉ、（（ＣＦ₃）₂ＣＨＯＳＯ₂）₂ＮＬｉ、（ＣＦ₃ＳＯ₂）₃ＣＬｉ、（３，５−（ＣＦ₃）₂Ｃ₆Ｆ₃）₄ＢＬｉ、ＬｉＣＦ₃、ＬｉＡｌＣｌ₄あるいはＣ₄ＢＯ₈Ｌｉが挙げられ、これらのうちのいずれか１種又は２種以上が混合して用いられる。

非水電解液の電解質塩の濃度は、電気伝導度の点から、０．５〜２．０ｍｏｌ／Ｌが好ましい。なお、この電解質の温度２５℃における導電率は０．０１Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、電解質塩の種類あるいはその濃度により調整される。

さらに、非水電解液中には必要に応じて各種添加剤を添加してもよい。例えば、サイクル寿命向上を目的としたビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、４−ビニルエチレンカーボネート等や、過充電防止を目的としたビフェニル、アルキルビフェニル、シクロヘキシルベンゼン、ｔ−ブチルベンゼン、ジフェニルエーテル、ベンゾフラン等や、脱酸や脱水を目的とした各種カーボネート化合物、各種カルボン酸無水物、各種含窒素及び含硫黄化合物が挙げられる。

非水電解質二次電池の形状は任意であり、特に制限はない。一般的にはコイン形状に打ち抜いた電極とセパレーターを積層したコインタイプ、電極シートとセパレーターをスパイラル状に捲回した角型あるいは円筒型等の電池が挙げられる。

また、電気化学キャパシタを得る場合は、電気化学キャパシタは、上記負極活物質を用いる点に特徴を有し、その他の電解質、セパレーター等の材料及びキャパシタ形状等は限定されない。例えば、電解質として六フッ化リン酸リチウム、過塩素リチウム、ホウフッ化リチウム、六フッ化砒素酸リチウム等のリチウム塩を含む非水溶液が用いられ、非水溶媒としてはプロピレンカーボネート、エ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、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、２−メチルテトラヒドロフラン等の１種又は２種類以上を組み合わせて用いられる。また、それ以外の種々の非水系電解質や固体電解質も使用できる。

以下、製造例、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。下記の例において％は質量％を示し、平均粒子径はレーザー光回折法による粒度分布測定における累積質量平均値Ｄ₅₀（又はメジアン径）により測定した値を示す。

［実施例１〜３，参考例１〜４］
図１に示すジェットミルを用いたフロー図に従い、珪素を粉砕した。
珪素をジョークラッシャーで破砕したものをジェットミル（ホソカワミクロン社製ＡＦＧ−１００）を用いて分級機の回転数６，８００ｒｐｍにて粉砕し、サイクロンにて回収した。粉砕ガスは圧縮空気と圧縮窒素を混合して酸素濃度が８体積％となるよう調整し、表１の実施例１〜３，参考例１〜４のように大気圧での露点温度をそれぞれ変化させた。粒度分布を島津製作所製 ＳＡＬＤ−３１００で測定し、粉末の酸素含有量を堀場製作所製ＥＭＧＡ−９２０で測定した。

［比較例１］
粉砕時のガス露点温度を大気圧下−１００℃としたことを除き、実施例１〜７と同様にして二次電池を作製した。微粉が凝集したことでサイクロン回収品の粒度分布は実施例よりも小さくなった。

［比較例２］
粉砕時のガス露点温度を大気圧下４０℃としたことを除き、実施例１〜７と同様にして二次電池を作製した。

得られた珪素粒子を負極活物質として用い、下記方法でコイン型リチウムイオン二次電池を調製し、サイクル特性を評価した。

<サイクル特性>
負極活物質を８１質量％、導電剤として人造黒鉛（平均粒子径Ｄ₅₀＝３μｍ）を９質量％、アセチレンブラックのＮ−メチルピロリドン分散物（固形分１７．５質量％）固形分で２．５質量％との混合物を、Ｎ−メチルピロリドンで希釈した。これに結着剤として宇部興産（株）製ポリイミド樹脂（商標名：Ｕ−ワニスＡ、固形分１８質量％）固形分換算で７．５質量％を加え、スラリーとした。

このスラリーを厚さ１２μｍの銅箔に５０μｍのドクターブレードを使用して塗布し、２００℃で２時間乾燥後、６０℃のローラープレスにより電極を加圧成形し、最終的には２ｃｍ²に打ち抜き、負極成型体とした。

得られた負極成型体を、対極にリチウム箔を使用し、非水電解質としてリチウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミドをエチレンカーボネートとジエチルカーボネートの１／１（体積比）混合液に１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解した非水電解質溶液を用い、セパレーターに厚さ３０μｍのポリエチレン製微多孔質フィルムを用いた評価用リチウムイオン二次電池を各４個作製した。

作製したコイン型リチウムイオン二次電池は、二晩室温で放置した後、二次電池充放電試験装置（（株）ナガノ製）を用い、テストセルの電圧が４．２Ｖに達するまで１．２ｍＡ（正極基準で０．２５ｃ）の定電流で充電を行い、４．２Ｖに達した後は、セル電圧を４．２Ｖに保つように電流を減少させて充電を行った。そして、電流値が０．３ｍＡを下回った時点で充電を終了した。放電は０．６ｍＡの定電流で行い、セル電圧が２．５Ｖに達した時点で放電を終了し、放電容量を求めた。これを２００サイクル継続した。これらの結果を表１に示す。

実施例１〜３の負極材に対して、比較例１のものは微粉が多くサイクル特性に劣っていた。また、比較例２のものはサイクル特性こそそれほど劣ってはいないが、ベースとなる初回充放電効率が低く、これは粉砕ガス露点が高いことによる厚い酸化膜が原因と推察される。上記のように、粉砕時の雰囲気ガス露点を制御することで、高容量・高サイクル性の珪素負極材が得られる。なお、ここでは具体的には説明しないが、負極材料として他の珪素化合物を用いる場合についても、同様の結果が得られる。また、負極材料として珪素と珪素化合物とを混合して用いても、同様の結果が得られる。

１ コンプレッサー
２ 窒素発生装置
３ タンク
４ ドライヤー
５ 加湿器
６ 露点計
７ ジェットミル
８ 原料
９ サイクロン
１０ 粉砕物（最終品）
１１ バグ

Claims (5)

1. 珪素からなる非水電解質二次電池又は電気化学キャパシタの負極活物質の製造方法であって、珪素を、大気圧露点温度が−８０℃以上−４０℃以下で、かつ空気と窒素を混合して酸素濃度を３〜１５体積％の範囲に調整した雰囲気中で粉砕する工程を含むことを特徴とする製造方法。
2. 請求項１記載の製造方法で得られた非水電解質二次電池負極活物質。
3. 請求項２記載の非水電解質二次電池負極活物質を含むリチウムイオン二次電池。
4. 請求項１記載の製造方法で得られた電気化学キャパシタ負極活物質。
5. 請求項４記載の電気化学キャパシタ負極活物質を含む電気化学キャパシタ。

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