JP7209266B2

JP7209266B2 - 非水電解質二次電池用負極活物質

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Publication number: JP7209266B2
Application number: JP2019562798A
Authority: JP
Inventors: 洋平内山; 格久山本; 達哉明楽
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2023-01-20
Anticipated expiration: 2038-10-29
Also published as: JPWO2019130787A1; EP3734723A1; EP3734723A4; US11990606B2; CN111357140A; CN111357140B; US20200350563A1; WO2019130787A1

Description

本発明は、主として、非水電解質二次電池用負極活物質の改良に関する。

近年、非水電解質二次電池は、高電圧かつ高エネルギー密度を有するため、小型民生用途、電力貯蔵装置および電気自動車の電源として期待されている。電池の高エネルギー密度化が求められる中、理論容量密度の高い負極活物質として、リチウムと合金化するケイ素（シリコン）を含む材料の利用が期待されている。

しかし、ケイ素を含む材料は、不可逆容量が大きいため、初期の充放電効率（特に初回充電容量に対する初回放電容量の比）が低いという問題がある。そこで、不可逆容量に相当するリチウムを、予めケイ素を含む材料に導入する、様々な技術が提案されている。具体的には、リチウムシリケート相と、リチウムシリケート相内に分散しているシリコン粒子とを含む複合粒子を用いることが提案されている（特許文献１）。シリコン粒子が、充放電反応（可逆的なリチウムの吸蔵および放出）に寄与する。

特開２０１５－１５３５２０号公報

充放電時において、リチウムの吸蔵および放出に伴うシリコン粒子の膨張および収縮の度合が大きいことが知られている。このため、シリコン粒子の膨張および収縮に伴いシリコン粒子の周囲に存在するリチウムシリケート相に大きな応力が生じ、それにより複合粒子に亀裂や割れが生じる。これに伴い、複合粒子とその周辺の結着材との結合力が弱まり、特に割れた複合粒子は周囲の粒子との導電経路を失って孤立する。よって、充放電サイクル特性の低下を引き起こす。

以上に鑑み、本発明の一側面は、リチウムシリケート相と、リチウムシリケート相内に分散しているシリコン粒子と、を含むリチウムシリケート複合粒子を備え、リチウムシリケート相は、Ｌｉと、Ｓｉと、Ｏと、Ｍと、を含む酸化物相であり、Ｍは、以下の元素：アルカリ金属の第１族、酸素族の第１６族、希ガスの第１８族元素およびＳｉ、を除く元素であり、リチウムシリケート相におけるＬｉ、ＳｉおよびＭの合計に対する各元素の含有量は、Ｌｉが３～５５モル％であり、Ｓｉが２５モル％以上であり、Ｍが３～５０モル％であり、リチウムシリケート複合粒子の内部に、炭素材料が存在しており、リチウムシリケート複合粒子の断面に占める炭素材料の面積割合は、０．００８～６％である、非水電解質二次電池用負極活物質に関する。

本発明の負極活物質を用いれば、優れた充放電サイクル特性を有する非水電解質二次電池を得ることができる。

本発明の一実施形態に係る負極活物質を模式的に示す断面図である。本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の一部を切欠いた概略斜視図である。

本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池用負極活物質は、リチウムシリケート相と、リチウムシリケート相内に分散しているシリコン粒子とを含むリチウムシリケート複合粒子（以下、ＬＳＸ粒子とも称する）を備える。換言すると、ＬＳＸ粒子は、海島構造の海部であるリチウムシリケート相と、島部であるシリコン粒子を有する。リチウムシリケート相は、Ｌｉと、Ｓｉと、Ｏと、Ｍ（Ｍは、アルカリ金属の第１族、酸素族の第１６族、希ガスの第１８族元素およびＳｉを除く元素）と、を含む酸化物相である。リチウムシリケート相におけるＬｉ、ＳｉおよびＭの合計に対する各元素の含有量は、Ｌｉが３～５５モル％（好ましくは１０～４０モル％）であり、Ｓｉが２５モル％以上（好ましくは４０～７０モル％）であり、Ｍが３～５０モル％（好ましくは５～３０モル％）である。Ｍは、１種のみを用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

リチウムシリケート相は、Ｍを含む非晶質、結晶質または非晶質と結晶質との混合相の酸化物相として存在する。Ｍは、リチウムシリケートに組み込まれており、例えばＭ単独の酸化物（ＭＯ、ＭＯ_２、Ｍ_３Ｏ_３等）として単離されるものではない。Ｍを含むリチウムシリケート相のＬｉ含有量は、ＬｉとＳｉとＯのみからなるリチウムシリケート相（例えば、Ｌｉ_２Ｓｉ_２Ｏ_５）のＬｉ含有量と比べて減少し得る。これにより、イオン導電性を保持した状態で、海島構造の海部の硬度（例えば、ビッカース硬度）を高めることができる。海部のリチウムシリケート相の硬度が高められることで、硬いシリコン粒子とリチウムシリケート相との複合化において、リチウムシリケート相の崩壊が抑制される。その結果、シリコン粒子をより細かく粉砕することが可能となる。これにより、充放電サイクルに伴うＳｉの膨張収縮を抑制することができる。

リチウムシリケート相の硬度を十分に高める観点から、リチウムシリケート相におけるＳｉに対するＬｉの割合は、モル比で０＜Ｌｉ／Ｓｉ＜１を満たすことが好ましく、０＜Ｌｉ／Ｓｉ≦０．７を満たすことがより好ましい。

Ｍとしては、第２族元素、第１３族元素、遷移元素などが好ましい。例えば、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｌａ、Ｖ、Ｙ、Ｔｉ、ＰおよびＷよりなる群から選択される少なくとも１種を用いることができる。具体的には、例えば、Ｂは、融点が低く焼結での流動性を上げ、焼結性を改善し、硬度を上げる作用がある。Ｃａは、イオン伝導を低下させるものの、硬度を上げる作用がある。Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴａおよびＬａは、イオン伝導性を保持したまま、硬度を上げる働きがある。

次に、ＬＳＸ粒子の内部には炭素材料が存在する。ＬＳＸ粒子の断面に占める炭素材料の面積割合は、０．００８～６％である。リチウムシリケート相に炭素材料が特定の割合で存在することで、ＬＳＸ粒子のイオン導電性の低下が抑制されるとともに、充放電時のシリコン粒子の膨張収縮に伴うリチウムシリケート相に生じる応力が緩和される。リチウムシリケート相の硬度が高められることに加え、充放電の繰り返しに伴う応力が緩和されることで、複合粒子の亀裂や割れの発生が高度に抑制される。その結果、充放電サイクル特性が向上する。

ＬＳＸ粒子の断面に占める炭素材料の面積割合が０．００８％未満である場合、ＬＳＸ粒子の亀裂や割れの発生の抑制が不十分となり、充放電サイクル特性が低下する。ＬＳＸ粒子の断面に占める炭素材料の面積割合が６％超である場合、充放電に寄与するシリコン粒子の存在割合が小さくなるため、電池容量が低下する。電池容量および充放電サイクル特性を更に高めるためには、ＬＳＸ粒子の断面に占める炭素材料の面積割合が、好ましくは０．０５～６％であり、更に好ましくは１～３％である。

炭素材料は、リチウムシリケート相内に存在していてもよく、リチウムシリケート相とシリコン粒子との間に存在していてもよい。炭素材料は、ＬＳＸ粒子の断面において、点状に分布していてもよく、線状に分布していてもよい。

より具体的には、炭素材料が、リチウムシリケート相とシリコン粒子とを含む複数の一次粒子が凝集したリチウムシリケート相の二次粒子の内部において、隣り合う一次粒子の界面の少なくとも一部に存在していることが好ましい。

リチウムシリケート相に含まれる各元素の含有量は、例えば、以下の手法により求められる。まず、リチウムシリケート相を加熱した酸溶液（フッ化水素酸、硝酸および硫酸の混酸）で試料を全溶解し、溶解残渣の炭素を濾過して除去する。その後、得られた濾液を誘導結合プラズマ発光分光分析法（ＩＣＰ－ＡＥＳ）にて分析して、各金属元素のスペクトル強度を測定する。続いて、市販されている金属元素の標準溶液を用いて検量線を作成し、リチウムシリケート相に含まれる各金属元素の含有量を算出する。なお、シリコン、ホウ素については、炭酸ナトリウムで融解して、濾過後に同様に測定する。

リチウムシリケート相のビッカース硬度は、例えば６００Ｈｖ以上が好ましく、６５０Ｈｖ以上がより好ましく、７００Ｈｖ以上が更に好ましい。ビッカース硬度は、以下のように測定することができる。リチウムシリケート相を熱硬化性樹脂に埋め込み、４００番の研磨紙で研磨してＬＳＸ粒子の断面を表出させる。さらに、２０００番の研磨紙、バフ研磨で断面を鏡面仕上げする。なお、リチウムシリケート相は水に溶解する可能性があるため、水を用いずに研磨を行う。研磨後の断面について、荷重１ｋｇ、保持時間１５秒の条件におけるビッカース硬度をビッカース硬度計により測定する。

リチウムシリケート相は、電子伝導性に乏しいため、ＬＳＸ粒子の導電性も低くなりがちである。一方、複数の一次粒子が凝集したリチウムシリケート相の二次粒子の表面を導電性材料で被覆して導電層を形成することで、ＬＳＸ粒子の導電性を飛躍的に高めることができる。導電性材料としては炭素材料が好ましい。

ＬＳＸ粒子が、二次粒子の表面の少なくとも一部を被覆する導電性材料を備える場合、ＬＳＸ粒子の内部に存在する炭素材料が導電層に接していてもよい。このとき、ＬＳＸ粒子の内部に存在する炭素材料は、その断面において、隣り合う一次粒子の界面に沿って、二次粒子の内部から表面に向かって線状に延びていることが好ましい。線状に延びる炭素材料の二次粒子の表面側の端部を導電層に接触させればよい。

導電性材料の被覆によりＬＳＸ粒子の表面に形成される導電層は、実質上、ＬＳＸ粒子の平均粒径に影響しない程度に薄いことが好ましい。導電層の厚さは、導電性の確保とリチウムイオンの拡散性を考慮すると、１～２００ｎｍが好ましく、５～１００ｎｍがより好ましい。導電層の厚さは、ＳＥＭまたはＴＥＭを用いた粒子の断面観察により計測できる。

ＬＳＸ粒子の断面に占める炭素材料の面積割合は、例えば、以下の手法により求められる。まず、電池を解体して、負極を取り出し、クロスセクションポリッシャ（ＣＰ）を用いて負極合剤層の断面を得る。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて負極合剤層の断面を観察する。負極合剤層の反射電子像の断面画像から、粒子の最大径が５μｍ以上のＬＳＸ粒子を無作為に１０個選び出して、それぞれについてエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）による炭素のマッピング分析を行う。画像解析ソフトを用いてその画像の炭素含有面積を算出する。観察倍率は２０００～２００００倍が望ましい。得られた粒子１０個の炭素含有面積の測定値を平均して求める。

なお、充放電の過程で、電解質の分解などにより、ＬＳＸ粒子の表面に被膜が形成される。また、後述のように、ＬＳＸ粒子が、更に、複合粒子の表面を被覆する導電層を備える場合がある。よって、ＥＤＸによるマッピング分析は、測定範囲に薄い被膜や導電層が含まれないように、ＬＳＸ粒子の断面の周端縁から１μｍ内側の範囲に対して行われる。ＥＤＸによるマッピング分析により、ＬＳＸ粒子の内部における炭素材料の分布の状態も確認することができる。サイクル末期では電解質の分解生成物との判別が付きにくくなるためサイクル前またはサイクル初期のサンプルの測定が好ましい。

炭素材料は、炭素化合物および炭素質物よりなる群から選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。中でも、炭素質物がより好ましい。炭素化合物としては、例えば、炭素および水素を含む化合物や、炭素、水素、および酸素を含む化合物が挙げられる。

炭素質物としては、カーボンブラック、石炭、コークス、木炭、および活性炭のような結晶性の低い無定形炭素や、結晶性の高い黒鉛などを用いることができる。中でも、硬度が低く、充放電で体積変化するシリコン粒子に対する緩衝作用が大きいことから、無定形炭素が好ましい。無定形炭素は、易黒鉛化炭素（ソフトカーボン）でもよく、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）でもよい。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラックが挙げられる。黒鉛とは、黒鉛型結晶構造を有する材料を意味し、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン粒子が挙げられる。

リチウムシリケート相は、リチウムと反応し得るサイトを多くは有さないため、充放電時に新たな不可逆反応を起こしにくい。よって、充放電の初期に、優れた充放電効率を示す。

次に、ＬＳＸ粒子の製造方法について、詳述する。

工程（i）
リチウムシリケートの原料には、Ｓｉ原料と、Ｌｉ原料と、Ｍの原料を用いることができる。上記原料を所定量混合した混合物を溶解し、融液を金属ロールに通してフレーク化してシリケートを作製する。その後フレーク化したシリケートを大気雰囲気で、ガラス転移点以上、融点以下の温度で熱処理により結晶化させる。なおフレーク化したシリケートは結晶化させずに使用することも可能である。また所定量混合した混合物を溶解せずに、融点以下の温度で焼成して固相反応によりシリケートを製造することも可能である。Ｓｉ原料は酸化ケイ素を用いることができる。Ｌｉ原料は、例えば、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウム、水素化リチウムなどを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。Ｍの原料は、Ｍの酸化物、水酸化物、炭酸化合物等が挙げられる。リチウム以外のアルカリ金属（ナトリウム、カリウムなど）は５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。リチウム以外のアルカリ金属がシリケートに共存するとイオン伝導が低下するため、可能ならリチウム以外のアルカリ金属の共存を避けることが好ましい。

工程（ii）
次に、リチウムシリケートに原料シリコンを配合して複合化が行われる。例えば、以下の工程（ａ）～（ｃ）を経て、複合粒子が作製される。

工程（ａ）
まず、原料シリコンの粉末とリチウムシリケートの粉末とを、例えば、２０：８０～９５：５の質量比で混合する。原料シリコンには、平均粒径が数μｍ～数十μｍ程度のシリコンの粗粒子を用いればよい。

工程（ｂ）
次に、ボールミルのような粉砕装置を用いて、原料シリコンとリチウムシリケートの混合物を微粒子化しながら攪拌する。このとき、混合物に有機溶媒を添加して、湿式粉砕することが好ましい。所定量の有機溶媒を粉砕初期に一度に粉砕容器に投入してもよく、粉砕過程で所定量の有機溶媒を複数回に分けて間欠的に粉砕容器に投入してもよい。有機溶媒は、粉砕対象物の粉砕容器の内壁への付着を防ぐ役割と、複合粒子に内在させる炭素材料の原料としての役割とを兼ねる。

有機溶媒としては、アルコール、エーテル、脂肪酸、アルカン、シクロアルカン、珪酸エステル、金属アルコキシドなどを用いることができる。アルコールとしては、第一級アルコール、第二級アルコール、第三級アルコールが挙げられる。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、ブタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、グリセリン、オクタノール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール、オレイルアルコール、リノリルアルコールが挙げられる。エーテルとしては、例えば、ジエチルエーテルが挙げられる。

脂肪酸は、飽和脂肪酸でもよく、不飽和脂肪酸でもよい。脂肪酸としては、例えば、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナデカン、イコサン酸が挙げられる。

アルカンとしては、例えば、メタン、エタン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、トリデカン、テトラデカン、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、オクタデカン、ノナデカン、イコサンが挙げられる。シクロアルカンとしては、例えば、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロノナン、シクロデカン、シクロウンデカン、シクロドデカン、シクロトリデカン、シクロテトラデカン、シクロペンタデカン、シクロヘキサデカン、シクロヘプタデカン、シクロオクタデカン、シクロノナデカン、シクロイコサンが挙げられる。珪酸エステルとしては、例えば、正珪酸エチル、正珪酸メチルが挙げられる。金属アルコキシドとしては、例えば、メチルトリメトキシシランが挙げられる。有機溶媒は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

有機溶媒を使用しない場合は、原料シリコンの粉末と、リチウムシリケートの粉末と、炭素材料の粉末との混合物を、粉砕容器に投入してもよい。

なお、原料シリコンとリチウムシリケートとを、それぞれ別々に微粒子化してから混合してもよい。また、粉砕装置を使用せずに、シリコンナノ粒子、リチウムシリケートナノ粒子、およびカーボンナノ粒子を作製し、これらを混合してもよい。ナノ粒子の作製には、気相法（例えばプラズマ法）や液相法（例えば液相還元法）などの公知の手法を用いればよい。

工程（ｃ）
次に、微粒子化された混合物を、例えば不活性雰囲気（例えば、アルゴン、窒素などの雰囲気）中で、４５０℃～１０００℃で加熱し、焼成する。このようにして、リチウムシリケート相とリチウムシリケート相内に分散しているシリコン粒子とを含む複合粒子を得てもよい。

また、上記加熱時に、ホットプレスなどで混合物（一次粒子）に圧力を印加しながら（一次粒子を凝集させながら）焼成して、混合物の焼結体を作製してもよい。得られる焼結体は、リチウムシリケート相とリチウムシリケート相内に分散しているシリコン粒子とを含む複数の一次粒子の凝集体で構成される。

リチウムシリケートは、４５０℃～１０００℃では安定で、シリコンとほとんど反応しないため、容量低下は生じても軽微である。

焼結体（一次粒子の凝集体）は、その後、粒状物になるまで粉砕して、複合粒子（二次粒子）とすればよい。このとき、粉砕条件を適宜選択することにより、所定の平均粒径の二次粒子を得ることができる。二次粒子の平均粒径は、例えば、１～２０μｍである。なお、二次粒子の平均粒径は、レーザー回折散乱法で測定される粒度分布において、体積積算値が５０％となる粒径（体積平均粒径）を意味する。

工程（ｂ）で混合物に有機溶媒を添加して微粒子化する場合、上記微粒子化された混合物は有機溶媒を含む。粉砕過程で、有機溶媒は、粉砕に伴う微粒子の衝突エネルギーによる温度上昇で変化し、微粒子と化学結合し、当該微粒子の表面に局在化しやすい。よって、得られる二次粒子（焼結片）の内部において、有機溶媒由来の炭素材料（例えば、無定形炭素）が一次粒子（微粒子）の表面に沿って網目状に形成されやすい。有機溶媒の添加のタイミングなどにより一次粒子の内部にも有機溶媒由来の炭素材料は形成され得る。有機溶媒の添加量を変えることで、複合粒子に占める炭素材料の面積割合を制御することができる。

工程（iii）
次に、複合粒子（二次粒子）の表面の少なくとも一部を、導電性材料で被覆して導電層を形成してもよい。導電性材料は、電気化学的に安定であることが好ましく、導電性炭素材料が好ましい。導電性炭素材料で複合粒子の表面を被覆する方法としては、アセチレン、メタンなどの炭化水素ガスを原料に用いるＣＶＤ法、石炭ピッチ、石油ピッチ、フェノール樹脂などを複合粒子と混合し、加熱して炭化させる方法などが例示できる。また、カーボンブラックを複合粒子の表面に付着させてもよい。

工程（iv）
複合粒子（表面に導電層を有する場合を含む。）を酸で洗浄する工程を行ってもよい。例えば、酸性水溶液で複合粒子を洗浄することで、原料シリコンとリチウムシリケートとを複合化させる際に生じ得る、複合粒子の表面に存在する微量のアルカリ成分を溶解させ、除去することができる。酸性水溶液としては、塩酸、フッ化水素酸、硫酸、硝酸、リン酸、炭酸などの無機酸の水溶液や、クエン酸、酢酸などの有機酸の水溶液を用いることができる。

図１に、負極材料の一例としてＬＸＳ粒子２０の断面を模式的に示す。

ＬＸＳ粒子２０は、複数の一次粒子２４が凝集した二次粒子で構成される母粒子２３を備える。母粒子２３（一次粒子２４）は、リチウムシリケート相２１と、リチウムシリケート相２１内に分散しているシリコン粒子２２とを備える。

図１に示すように、炭素材料２５は、母粒子２３の内部において、隣り合う一次粒子２４の界面の少なくとも一部に存在していることが好ましい。また、炭素材料（図示しない）は、一次粒子２４の内部（例えば、リチウムシリケート相２１の内部や、リチウムシリケート相２１とシリコン粒子２２との間）に存在してもよい。

図１に示すように、ＬＳＸ粒子２０は、更に、母粒子２３の表面の少なくとも一部を被覆する導電性材料（導電層２６）を備えることが好ましい。この場合、図１に示すように、炭素材料２５は、隣り合う一次粒子２４の界面に沿って、母粒子２３の内部から表面に向かって線状に延びるように存在しており、炭素材料２５における母粒子２３の表面側の端部が、導電性材料（導電層２６）に接していることが好ましい。炭素材料２５および導電性材料（導電層２６）により、母粒子２３の表面から内部にかけて、良好な導電ネットワークが形成され、電池容量および充放電サイクル特性を更に高めることができる。

リチウムシリケート相２１内には、シリコン粒子２２が略均一に分散していることが好適である。母粒子２３（一次粒子２４）は、例えば、リチウムシリケート相２１のマトリックス中に微細なシリコン粒子が分散した海島構造を有する。この場合、母粒子２３（一次粒子２４）の任意の断面において、シリコン粒子２２（単体Ｓｉ）が一部の領域に偏在することなく、略均一に点在している。

リチウムシリケート相２１およびシリコン粒子２２は、いずれも微細粒子の集合により構成されることが好適である。リチウムシリケート相２１は、シリコン粒子２２よりも更に微細な粒子から構成されることが好ましい。この場合、負極材料ＬＳＸ２０のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンでは、単体Ｓｉの（１１１）面に帰属される回折ピーク強度は、リチウムシリケートの（１１１）面に帰属される回折ピーク強度よりも大きくなる。

母粒子２３は、リチウムシリケート相２１、シリコン粒子２２、および炭素材料以外に、他の成分を含んでもよい。例えば、リチウムシリケート相２１は、リチウムシリケートの他に、結晶性または非晶質のＳｉＯ₂を少量含んでもよい。Ｓｉ－ＮＭＲにより測定される母粒子２３中に占めるＳｉＯ₂含有量は、例えば３０質量％以下が好ましく、７質量％未満がより好ましい。

Ｓｉ－ＮＭＲにより測定される母粒子２３に占めるシリコン粒子２２（単体Ｓｉ）の含有量は、高容量化およびサイクル特性の向上の観点から、２０質量％～９５質量％が好ましく、３５質量％～７５質量％がより好ましい。これにより、高い充放電容量を確保できるとともに、リチウムイオンの拡散が良好になり、優れた負荷特性を得やすくなる。また、リチウムシリケート相で覆われずに露出して電解質と接触するシリコン粒子の表面が減少するため、サイクル特性の低下が抑制される。

以下に、望ましいＳｉ－ＮＭＲの測定条件を示す。

＜Ｓｉ－ＮＭＲ測定条件＞
測定装置：バリアン社製、固体核磁気共鳴スペクトル測定装置（ＩＮＯＶＡ‐４００）
プローブ：Ｖａｒｉａｎ７ｍｍＣＰＭＡＳ－２
ＭＡＳ：４．２ｋＨｚ
ＭＡＳ速度：４ｋＨｚ
パルス：ＤＤ（４５°パルス＋シグナル取込時間１Ｈデカップル)
繰り返し時間：１２００ｓｅｃ
観測幅：１００ｋＨｚ
観測中心：－１００ｐｐｍ付近
シグナル取込時間：０．０５ｓｅｃ
積算回数：５６０
試料量：２０７．６ｍｇ
一次粒子２４の平均粒径は、０.２～１０μｍが好ましく、２～８μｍがより好ましい。これにより、充放電に伴う負極材料の体積変化による応力を更に緩和しやすく、良好なサイクル特性を得やすくなる。また、複合粒子の表面積が適度になるため、電解質との副反応による容量低下も抑制される。

なお、一次粒子２４の平均粒径は、負極材料の断面を、ＳＥＭを用いて観察することにより測定される。具体的には、任意の１００個の一次粒子２４の断面積の相当円（一次粒子の断面積と同じ面積を有する円）の直径を平均して求められる。

シリコン粒子２２の平均粒径は、初回充電前において、５００ｎｍ以下であり、２００ｎｍ以下が好ましく、５０ｎｍ以下がより好ましい。シリコン粒子２２を、このように適度に微細化することにより、充放電時の体積変化が小さくなり、構造安定性が向上する。シリコン粒子２２の平均粒径は、負極材料の断面をＳＥＭまたはＴＥＭを用いて観察することにより測定される。具体的には、任意の１００個のシリコン粒子２２の最大径を平均して求められる。

本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池は、上記の負極材料を含む負極と、正極と、電解質とを備える。以下、負極、正極、および電解質について説明する。

［負極］
負極は、例えば、負極集電体と、負極集電体の表面に形成され、かつ負極活物質を含む負極合剤層とを具備する。負極合剤層は、負極合剤を分散媒に分散させた負極スラリーを、負極集電体の表面に塗布し、乾燥させることにより形成できる。乾燥後の塗膜を、必要により圧延してもよい。負極合剤層は、負極集電体の一方の表面に形成してもよく、両方の表面に形成してもよい。

負極合剤は、負極活物質として、上記の負極材料を必須成分として含み、任意成分として、結着剤、導電剤、増粘剤などを含むことができる。負極材料中のシリコン粒子は、多くのリチウムイオンを吸蔵できることから、負極の高容量化に寄与する。

負極活物質は、更に、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵および放出する炭素系活物質を含むことが好ましい。負極材料は、充放電に伴って体積が膨張収縮するため、負極活物質に占めるその比率が大きくなると、充放電に伴って負極活物質と負極集電体との接触不良が生じやすい。一方、負極材料と炭素系活物質とを併用することで、シリコン粒子の高容量を負極に付与しながらも、優れたサイクル特性を達成することが可能になる。負極材料と炭素系活物質との合計に占める負極材料の割合は、例えば３～３０質量％が好ましい。これにより、高容量化とサイクル特性の向上を両立し易くなる。

炭素系活物質としては、例えば、黒鉛、易黒鉛化炭素（ソフトカーボン）、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）などが例示できる。中でも、充放電の安定性に優れ、不可逆容量も少ない黒鉛が好ましい。黒鉛とは、黒鉛型結晶構造を有する材料を意味し、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン粒子などが含まれる。炭素系活物質は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

負極集電体としては、無孔の導電性基板（金属箔など）、多孔性の導電性基板（メッシュ体、ネット体、パンチングシートなど）が使用される。負極集電体の材質としては、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金などが例示できる。負極集電体の厚さは、特に限定されないが、負極の強度と軽量化とのバランスの観点から、１～５０μｍが好ましく、５～２０μｍがより望ましい。

結着剤は、少なくとも第１樹脂を含むことが好ましい。ここで、第１樹脂とは、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩およびそれらの誘導体よりなる群から選択される少なくとも１種である。ポリアクリル酸塩としては、Ｌｉ塩若しくはＮａ塩が好ましく用いられる。中でも架橋型ポリアクリル酸リチウムを用いることが好ましい。

負極活物質層における第１樹脂の含有量は、２質量％以下が好ましく、より好ましくは０．２質量％以上、２質量％以下である。

なお、第１樹脂に、その他の第２樹脂を組み合わせてもよい。第２樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などのフッ素樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂；アラミド樹脂などのポリアミド樹脂；ポリイミド、ポリアミドイミドなどのポリイミド樹脂；ポリ酢酸ビニルなどのビニル樹脂；ポリビニルピロリドン；ポリエーテルサルフォン；スチレン－ブタジエン共重合ゴム（ＳＢＲ）などのゴム状材料などが例示できる。これらは、１種若しくは２種以上を組み合わせて用いてもよい。第２樹脂は、第１樹脂以外のアクリル樹脂であってもよい。第１樹脂以外のアクリル樹脂としては、例えば、ポリアクリル酸メチル、エチレン－アクリル酸共重合体、ポリアクリルニトリル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸塩およびそれらの誘導体が挙げられる。

導電剤としては、例えば、アセチレンブラックなどのカーボンブラック類；炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維類；フッ化カーボン；アルミニウムなどの金属粉末類；酸化亜鉛やチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類；酸化チタンなどの導電性金属酸化物；フェニレン誘導体などの有機導電性材料などが例示できる。これらは、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびその変性体（Ｎａ塩などの塩も含む）、メチルセルロースなどのセルロース誘導体（セルロースエーテルなど）；ポリビニルアルコールなどの酢酸ビニルユニットを有するポリマーのケン化物；ポリエーテル（ポリエチレンオキシドなどのポリアルキレンオキサイドなど）などが挙げられる。これらは１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

分散媒としては、特に制限されないが、例えば、水、エタノールなどのアルコール、テトラヒドロフランなどのエーテル、ジメチルホルムアミドなどのアミド、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）、またはこれらの混合溶媒などが例示できる。

［正極］
正極は、例えば、正極集電体と、正極集電体の表面に形成された正極合剤層とを具備する。正極合剤層は、正極合剤を分散媒に分散させた正極スラリーを、正極集電体の表面に塗布し、乾燥させることにより形成できる。乾燥後の塗膜を、必要により圧延してもよい。正極合剤層は、正極集電体の一方の表面に形成してもよく、両方の表面に形成してもよい。

正極合剤は、必須成分として正極活物質を含み、任意成分として、結着剤、導電剤などを含むことができる。

正極活物質としては、リチウム複合金属酸化物を用いることができる。リチウム複合金属酸化物としては、例えば、Ｌｉ_aＣｏＯ₂、Ｌｉ_aＮｉＯ₂、Ｌｉ_aＭｎＯ₂、Ｌｉ_aＣｏ_bＮｉ_1-bＯ₂、Ｌｉ_aＣｏ_bＭ_1-bＯ_c、Ｌｉ_aＮｉ_1-bＭ_bＯ_c、Ｌｉ_aＭｎ₂Ｏ₄、Ｌｉ_aＭｎ_2-bＭ_bＯ_4、ＬｉＭｅＰＯ_4、Ｌｉ₂ＭｅＰＯ₄Ｆが挙げられる。ここで、Ｍは、Ｎａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｓｂ、およびＢよりなる群から選択される少なくとも１種である。Ｍｅは、少なくとも遷移元素を含む（例えば、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉよりなる群から選択される少なくとも１種を含む）。ａ＝０～１．２、ｂ＝０～０．９、ｃ＝２．０～２．３である。なお、リチウムのモル比を示すａ値は、活物質作製直後の値であり、充放電により増減する。

結着剤および導電剤としては、負極について例示したものと同様のものが使用できる。導電剤としては、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛を用いてもよい。

正極集電体の形状および厚みは、負極集電体に準じた形状および範囲からそれぞれ選択できる。正極集電体の材質としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタンなどが例示できる。

［電解質］
電解質は、溶媒と、溶媒に溶解したリチウム塩を含む。電解質におけるリチウム塩の濃度は、例えば、０．５～２ｍｏｌ／Ｌである。電解質は、公知の添加剤を含有してもよい。

溶媒は、水系溶媒若しくは非水溶媒を用いる。非水溶媒としては、例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステルなどが用いられる。環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）などが挙げられる。鎖状炭酸エステルとしては、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）などが挙げられる。環状カルボン酸エステルとしては、γ－ブチロラクトン（ＧＢＬ）、γ－バレロラクトン（ＧＶＬ）などが挙げられる。非水溶媒は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

リチウム塩としては、例えば、塩素含有酸のリチウム塩（ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｌＣｌ₄、ＬｉＢ₁₀Ｃｌ₁₀など）、フッ素含有酸のリチウム塩（ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＳｂＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＣＦ₃ＣＯ₂など）、フッ素含有酸イミドのリチウム塩（ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）（Ｃ₄Ｆ₉ＳＯ₂）、ＬｉＮ（Ｃ₂Ｆ₅ＳＯ₂）₂など）、リチウムハライド（ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩなど）などが使用できる。リチウム塩は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

［セパレータ］
通常、正極と負極との間には、セパレータを介在させることが望ましい。セパレータは、イオン透過度が高く、適度な機械的強度および絶縁性を備えている。セパレータとしては、微多孔薄膜、織布、不織布などを用いることができる。セパレータの材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンが好ましい。

非水電解質二次電池の構造の一例としては、正極および負極がセパレータを介して巻回されてなる電極群と、電解質とが外装体に収容された構造が挙げられる。或いは、巻回型の電極群の代わりに、正極および負極がセパレータを介して積層されてなる積層型の電極群など、他の形態の電極群が適用されてもよい。非水電解質二次電池は、例えば円筒型、角型、コイン型、ボタン型、ラミネート型など、いずれの形態であってもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係る角形の非水電解質二次電池の一部を切欠いた概略斜視図である。

電池は、有底角形の電池ケース６と、電池ケース６内に収容された電極群９および電解質（図示せず）とを備えている。電極群９は、長尺帯状の負極と、長尺帯状の正極と、これらの間に介在し、かつ直接接触を防ぐセパレータとを有する。電極群９は、負極、正極、およびセパレータは、平板状の巻芯を中心にして捲回され、巻芯を抜き取ることにより形成される。

負極の負極集電体には、負極リード１４の一端が溶接などにより取り付けられている。正極の正極集電体には、正極リード１１の一端が溶接などにより取り付けられている。負極リード１４の他端は、封口板５に設けられた負極端子１３に電気的に接続される。正極リード１１の他端は、正極端子を兼ねる電池ケース６に電気的に接続される。電極群９の上部には、電極群９と封口板５とを隔離するとともに負極リード１４と電池ケース６とを隔離する樹脂製の枠体４が配置されている。そして、電池ケース６の開口部は、封口板５で封口される。

以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
［ＬＳＸ粒子の調製］
工程（i）
酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ホウ素、および酸化アルミニウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３＝２２／７２／１／２／３となるように混合し、混合物を不活性雰囲気中で１５００℃、５時間溶解し、融液を金属ローラに通してフレーク状とし、７５０℃、５時間の熱処理により、Ｌｉ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｂ、およびＡｌを含み、非晶質と結晶質の混合相として存在するチウムシリケート複合酸化物を得た。得られたリチウムシリケート複合酸化物は平均粒径１０μｍになるように粉砕した。

工程（ii）
平均粒径１０μｍのリチウムシリケート複合酸化物と原料シリコン（３Ｎ、平均粒径１０μｍ）とを、５０：５０の質量比で混合した。混合物を遊星ボールミル（フリッチュ社製、Ｐ－５）のポット（ＳＵＳ製、容積：５００ｍＬ）に充填し、ＳＵＳ製ボール（直径２０ｍｍ）を２４個入れて蓋を閉め、不活性雰囲気中で、２００ｒｐｍで混合物を２５時間粉砕処理した。上記において、ポットに充填した上記混合物に、有機溶媒としてエタノールを添加した。エタノールの添加量は、リチウムシリケート複合酸化物および原料シリコンの混合物１００質量部あたり０．０１６質量部とした。

次に、不活性雰囲気中で粉末状の混合物を取り出し、不活性雰囲気中で、ホットプレスで混合物に圧力を印加しながら６００℃で４時間焼成して、混合物の焼結体を得た。

工程（iii）
その後、焼結体を粉砕し、４０μｍのメッシュに通した後、石炭ピッチ（ＪＦＥケミカル株式会社製、ＭＣＰ２５０）と混合し、混合物を不活性雰囲気中で、８００℃で５時間焼成し、複合粒子の表面を導電性炭素で被覆して導電層を形成した。導電層の被覆量は、複合粒子と導電層との総質量に対して５質量％とした。その後、篩を用いて、複合粒子と、複合粒子の表面に形成された導電層とを備える、平均粒径１０μｍのＬＳＸ粒子（二次粒子）を得た。

［複合粒子の分析］
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いてＬＳＸ粒子の断面を観察したところ、複合粒子は、一次粒子（平均粒径３μｍ）が凝集した二次粒子で構成されることが確認された。また、複合粒子においては、Ｌｉ、Ｓｉ、Ｃａ、ＢおよびＡｌを含む非晶質と結晶質の混合相のリチウムシリケート複合酸化物からなるマトリックス中に、平均粒径５０ｎｍのシリコン粒子が略均一に分散していることが確認された。また、ＩＣＰ発光分光分析法により、リチウムシリケート相における各元素の含有量を算出した。なお、リチウムシリケート相におけるＳｉ元素は、複合粒子中にリチウムシリケートとシリコン粒子が存在するため、両者を区別する必要がある。具体的には、ＩＣＰ発光分光分析法により、負極活物質全体に含まれるＳｉ量を測定した。リチウムシリケート相に分散したＳｉ粒子は、真空雰囲気中において９３０℃×１０時間加熱して結晶化させ、その粉末のＸＲＤ分析におけるＳｉピーク積分値よりＳｉ含有量を算出した。測定結果から、演算によってリチウムシリケート相中のＳｉ元素の量を測定した。その結果、Ｌｉが３４．６モル％、Ｓｉが５６．７モル％、Ｃａが０．８モル％、Ｂが３．１モル％、Ａｌが４．７モル％であった。複合粒子のＸＲＤパターンには、主に単体Ｓｉに由来する回折ピークが確認されたが、Ｌｉ、Ｓｉ、Ｃａ、ＢおよびＡｌを含む非晶質相のリチウムシリケート複合酸化物のピークや、Ｌｉ_２Ｏ、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３等のピークは観察されなかった。

ＳＥＭによるＬＳＸ粒子の断面画像を用いて、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）による元素分析を行った。ＥＤＸによる元素マッピングの結果、複合粒子の内部において、炭素材料の大部分は、隣り合う一次粒子の界面に存在しており、一次粒子の内部にも炭素材料が存在することが確認された。また、複合粒子をＳｉ－ＮＭＲで測定した結果、ＳｉＯ₂の含有量は７質量％未満（検出下限値未満）、複合粒子断面に占める炭素材料の面積割合は０．０１％であった。

リチウムシリケート相の断面のビッカース硬度を測定したところ、荷重１ｋｇ、保持時間１５秒の条件におけるビッカース硬度は、７０８Ｈｖであった。

［負極の作製］
導電層を有する複合粒子と黒鉛とを５：９５の質量比で混合し、負極活物質として用いた。負極活物質と、カルボキシメチルセルロースナトリウム（ＣＭＣ－Ｎａ）と、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリル酸リチウム塩とを、９６．５：１：１．５：１の質量比で混合し、水を添加した後、混合機（プライミクス社製、Ｔ．Ｋ．ハイビスミックス）を用いて攪拌し、負極スラリーを調製した。次に、銅箔の表面に１ｍ²当りの負極合剤の質量が１９０ｇとなるように負極スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して、銅箔の両面に、密度１．５ｇ／ｃｍ³の負極合剤層が形成された負極を作製した。

［正極の作製］
コバルト酸リチウムと、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデンとを、９５：２．５：２．５の質量比で混合し、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）を添加した後、混合機（プライミクス社製、Ｔ．Ｋ．ハイビスミックス）を用いて攪拌し、正極スラリーを調製した。次に、アルミニウム箔の表面に正極スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して、アルミニウム箔の両面に、密度３．６ｇ／ｃｍ³の正極合剤層が形成された正極を作製した。

［電解液の調製］
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを３：７の体積比で含む混合溶媒にＬｉＰＦ₆を１．０ｍｏｌ／Ｌ濃度で溶解して非水電解液を調製した。

［非水電解質二次電池の作製］
各電極にタブをそれぞれ取り付け、タブが最外周部に位置するように、セパレータを介して正極および負極を渦巻き状に巻回することにより電極群を作製した。電極群をアルミニウムラミネートフィルム製の外装体内に挿入し、１０５℃で２時間真空乾燥した後、非水電解液を注入し、外装体の開口部を封止して、非水電解質二次電池Ｘ１を得た。

＜比較例１＞
工程（ii）において、粉砕工程においてエタノールを添加しなかった以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｙ１を作製した。

＜実施例２～実施例７、比較例２～比較例５＞
工程（ii）において、エタノールの添加量を表１に示す値に変えた以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ２～Ｘ７、Ｙ２～Ｙ５を作製した。

＜実施例８＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化ホウ素および酸化アルミニウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３＝２２／５８／１０／１０となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を１９時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ８を作製した。

＜実施例９＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化ホウ素および酸化アルミニウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３＝２２／４８／１５／１５となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を１８時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ９を作製した。

＜実施例１０＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ホウ素および酸化アルミニウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／ＭｇＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３＝２２／６７／１／５／２／３となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を２６時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ１０を作製した。

＜実施例１１＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３／ＺｒＯ_２＝２２／６７／１／２／３／５となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を２０時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ１１を作製した。

＜実施例１２＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アルミニウムおよび酸化ニオブをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｎｂ_２Ｏ_５＝２２／６７／１／２／３／５となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を２１時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ１２を作製した。

＜実施例１３＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アルミニウムおよび酸化タンタルをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｔａ_２Ｏ_５＝２２／６７／１／２／３／５となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を２０時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ１３を作製した。

＜実施例１４＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アルミニウムおよび酸化ランタンをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｌａ_２Ｏ_５＝２２／６７／１／２／３／５となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を２０時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ１４を作製した。

＜実施例１５＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アルミニウムおよび酸化バナジウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｖ_２Ｏ_５＝２２／６７／１／２／３／５となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を１９時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ１５を作製した。

＜実施例１６＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アルミニウムおよび酸化イットリウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｙ_２Ｏ_３＝２２／６７／１／２／３／５となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を１８時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ１６を作製した。

＜実施例１７＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アルミニウムおよび酸化チタニウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３／ＴｉＯ_２＝２２／６７／１／２／３／５となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を３２時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ１７を作製した。

＜実施例１８＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アルミニウムおよび五酸化リンをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｐ_２Ｏ_５＝２２／６７／１／２／３／５となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を４０時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ１８を作製した。

＜実施例１９＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アルミニウムおよび酸化タングステンをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３／ＷＯ_３＝２２／６７／１／２／３／５となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を３５時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ１９を作製した。

＜実施例２０＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、五酸化リンおよび酸化タングステンをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ／ＭｇＯ／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３／ＺｒＯ_２／ＴｉＯ_２／Ｐ_２Ｏ_５／ＷＯ_３＝２２／５５／２／３／５／５／１／１／５／１となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を２３時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ２０を作製した。

＜実施例２１＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化ホウ素および酸化アルミニウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３＝１５／６５／１０／１０となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を１７時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ２１を作製した。

＜実施例２２＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化ホウ素および酸化アルミニウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３＝８／７２／１０／１０となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を１６時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ２２を作製した。

＜実施例２３＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素、酸化ホウ素および酸化アルミニウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／Ｂ_２Ｏ_３／Ａｌ_２Ｏ_３＝３／７７／１０／１０となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を１５時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ２３を作製した。

＜実施例２４＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素および酸化ホウ素をモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／Ｂ_２Ｏ_３＝３３／４７／２０となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を３５時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｘ２４を作製した。

＜比較例６＞
工程（ｉ）において、酸化リチウムおよび二酸化ケイ素をモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２＝５０／５０となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を５０時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｙ６を作製した。

＜比較例７＞
工程（ｉ）において、酸化リチウム、二酸化ケイ素および酸化カルシウムをモル比として、Ｌｉ_２Ｏ／ＳｉＯ_２／ＣａＯ＝３３／４７／２０となるように混合し、工程（ii）において、リチウムシリケート複合酸化物と原料シリコンの混合物を４０時間粉砕処理し、当該混合物１００質量部あたり２質量部のエタノールを添加した以外は、実施例１と同様の方法により非水電解質二次電池Ｙ７を作製した。

実施例および比較例の各電池について、以下の評価を行った。

［複合粒子の断面に占める炭素材料の面積割合］
後述する充放電サイクル試験後の電池を解体して、負極を取り出し、クロスセクションポリッシャ（ＣＰ）を用いて負極合剤層の断面を得た。ＳＥＭによる負極合剤層の断面画像から、粒子の最大径が５μｍ以上のＬＳＸ粒子を無作為に１０個選び出して、それぞれについてＥＤＸ分析を行い、複合粒子の断面に占める炭素材料の面積割合を求めた。得られた１０個の測定値を平均した。なお、ＥＤＸ分析は、測定範囲に、複合粒子の表面を覆う導電層と、充放電により導電層の表面に形成された被膜とが含まれないようにするために、ＬＳＸ粒子の断面の周端縁から１μｍ内側の範囲に対して行った。

［初回充電容量］
１Ｉｔ（８００ｍＡ）の電流で電圧が４．２Ｖになるまで定電流充電を行い、その後、４．２Ｖの電圧で電流が１／２０Ｉｔ（４０ｍＡ）になるまで定電圧充電した。充電容量を、比較例１の充電容量を１００とした指数として表した。充電容量が９２以上であれば初期容量は良好であると判断した。

［充放電サイクル試験］
下記条件で充放電を繰り返し行った。

＜充電＞
１Ｉｔ（８００ｍＡ）の電流で電圧が４．２Ｖになるまで定電流充電を行い、その後、４．２Ｖの電圧で電流が１／２０Ｉｔ（４０ｍＡ）になるまで定電圧充電した。

＜放電＞
１Ｉｔ（８００ｍＡ）の電流で電圧が２．７５Ｖになるまで定電流放電を行った。

充電と放電との間の休止期間は１０分とした。１サイクル目の放電容量に対する１００サイクル目の放電容量の割合を、サイクル維持率とし、実施例５のサイクル数を１００として他を規格化した。サイクル維持率が８５以上であれば充放電サイクル特性は良好であると判断した。

評価結果を表１に示す。なお、リチウムシリケート相の断面におけるビッカース硬度の測定結果についても表１に示す。

複合粒子の内部に炭素材料が存在し、複合粒子の断面に占める炭素材料の面積割合が０．００８～６％であるＸ１～Ｘ７の電池では、初回充電容量（初期容量）が９２以上であり、サイクル維持率が８５以上であることがわかる。

複合粒子の内部に炭素材料が存在しないＹ１の電池、および複合粒子の断面に占める炭素材料の面積割合が０．００８％未満であるＹ２およびＹ３の電池では、充放電の繰り返しに伴い粒子割れが生じたため、充放電サイクル特性が低下した。また、複合粒子の断面に占める炭素材料の面積割合が６％超であるＹ４およびＹ５の電池では、複合粒子の内部に存在するシリコン粒子の量が減少したため、初期容量が低下した。

リチウムシリケート相における各元素の含有量として、Ｌｉが３～５５モル％、Ｓｉが２５モル％、Ｍが３～５０モル％であるＸ８～Ｘ２４の電池においても、初回充電容量（初期容量）が９２以上であり、サイクル維持率が８５以上であることがわかる。

リチウムシリケート相における各元素の含有量として、Ｌｉが３～５５モル％、Ｓｉが２５モル％、Ｍが３～５０モル％の数値範囲を満たさないＹ６およびＹ７の電池では、リチウムシリケート相のビッカース硬度が低いため、充放電の繰り返しに伴うＳｉの膨張収縮に追随することが困難になり、充放電サイクル特性が低下することがわかる。

本発明は、高容量かつ良好な充放電サイクル特性を有する非水電解質二次電池を提供することができる。本発明の非水電解質二次電池は、移動体通信機器、携帯電子機器などの主電源に有用である。

４枠体
５封口板
６電池ケース
９電極群
１１負極リード
１３負極端子
１４正極リード
２０ＬＳＸ粒子
２１リチウムシリケート相
２２シリコン粒子
２３母粒子
２４一次粒子
２５炭素材料
２６導電層

Claims

集電体と、前記集電体に担持された負極合剤層とを具備し、
前記負極合剤質層は、負極活物質と、結着剤と、を含み、
前記負極活物質は、リチウムシリケート相と、前記リチウムシリケート相内に分散しているシリコン粒子と、を含むリチウムシリケート複合粒子を備え、
前記リチウムシリケート相は、Ｌｉと、Ｓｉと、Ｏと、Ｍと、を含む酸化物相であり、
Ｍは、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｌａ、Ｖ、Ｙ、Ｔｉ、ＰおよびＷよりなる群から選択される少なくとも１種の元素であり、
前記リチウムシリケート相におけるＬｉ、ＳｉおよびＭの合計に対する前記各元素の含有量は、Ｌｉが３～５５モル％であり、Ｓｉが２５モル％以上であり、Ｍが３～５０モル％であり、
前記リチウムシリケート複合粒子の内部に、炭素材料が存在しており、
前記リチウムシリケート複合粒子の断面に占める前記炭素材料の面積割合は、０．００８～６％であり、かつ、クロスセクションポリッシャ（ＣＰ）を用いて前記負極合剤層の断面を形成して前記負極合剤層の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）撮像し、得られたＳＥＭ像から最大径が５μｍ以上の前記リチウムシリケート複合粒子の粒子断面を無作為に１０個選び出し、前記１０個の粒子断面についてそれぞれエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）分析を行って前記粒子断面に占める炭素材料の面積割合を求めて平均した値である、非水電解質二次電池用負極。
前記リチウムシリケート相におけるＳｉに対するＬｉの割合が、モル比で、０＜Ｌｉ／Ｓｉ＜１である、請求項１に記載の非水電解質二次電池用負極。
前記リチウムシリケート複合粒子の断面に占める前記炭素材料の面積割合は、１～５％である、請求項１または２に記載の非水電解質二次電池用負極。
前記炭素材料は、炭素化合物および炭素質物よりなる群から選択される少なくとも一種を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極。
前記リチウムシリケート複合粒子は、前記リチウムシリケート相と前記シリコン粒子とを含む複数の一次粒子が凝集した二次粒子を含み、
前記粒子断面において、前記炭素材料は、前記二次粒子の内部において、隣り合う前記一次粒子の界面の少なくとも一部に存在している、請求項１～４のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池用負極。
前記リチウムシリケート複合粒子は、さらに、前記二次粒子の表面の少なくとも一部を被覆する導電性材料を備え、
前記炭素材料は、隣り合う前記一次粒子の界面に沿って、前記二次粒子の内部から表面に向かって、前記断面において線状に延びるように存在しており、
前記炭素材料における前記二次粒子の表面側の端部が、前記導電性材料に接している、請求項５に記載の非水電解質二次電池用負極。