TW201721941A - 非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法、及非水電解質二次電池的製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明是一種非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，該非水電解質二次電池用負極活性物質包含矽化合物SiOx，其中，0.5≦x≦1.6，該矽化合物包含鋰，該製造方法包含下述步驟：製作矽化合物SiOx，其中，0.5≦x≦1.6；以及，將矽化合物和對電極浸漬在至少包含硝酸鋰或亞硝酸鋰、或是上述兩者之非水溶液中，使矽化合物與對電極之間產生電位差而進行電解，藉此將鋰插入矽化合物。藉此，提供了一種非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，該製造方法能夠使電池容量增加並提升循環特性與起始效率。

Description

非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法、及非水電解質二次電池的製造方法

本發明關於非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法、及非水電解質二次電池的製造方法。

近年，以行動裝置等為代表的小型電子機器廣泛地普及，而強烈需要更為小型化、輕量化及長壽化。針對這樣的市場需求，正在開發能夠得到特別是小型且輕量又有高能量密度的二次電池。這樣的二次電池不限小型的電子機器，現正研究在大型電子機器、電力儲存系統上的應用，該電力儲存系統的代表為居家房屋等，而該大型電子機器的代表為汽車等。

其中，鋰離子二次電池容易進行小型化及高容量化，又，因為鋰離子二次電池能得到比鉛電池、鎳鎘電池更高的能量密度，所以受到很大的期待。

上述鋰離子二次電池具備正極和負極、隔板、及電解液，且負極包含與充放電反應相關的負極活性物質。

作為負極活性物質，廣泛使用碳材料，另一方面，從最近的市場要求來看，正尋求進一步提升電池容量。作為提升電池容量的要素，正在研究使用矽來作為負極活性物質材料。矽的理論容量（4199 mAh/g）比石墨的理論容量（372 mAh/g）大10倍以上，因此可以期待大幅提升電池容量。作為負極活性物質的矽材料的開發，不僅是針對矽單體，也正針對以合金、氧化物為代表的化合物等進行研究。就活性物質形狀而言，正在研究從利用碳材料的標準塗布型到直接沉積在集電體上的一體型。

然而，如果使用矽作為負極活性物質的主原料，則在充放電時負極活性物質顆粒會膨脹收縮，所以，主要在負極活性物質顆粒的表層附近容易碎裂。又，在活性物質內部會生成離子性物質，而使負極活性物質顆粒變得易於碎裂。因負極活性物質顆粒表層碎裂而產生新生面，使得負極活性物質顆粒的反應面積增加。此時，在新生面會發生電解液的分解反應，並且在新生面上會形成電解液的分解物也就是被膜，因此消耗電解液。基於此原因，電池的循環特性容易降低。

到目前為止，為了提升電池的起始效率和循環特性等，對於以矽材料為主要材料的鋰離子二次電池用負極材料、電極構造進行了各種研究。

具體而言，為了獲得良好的循環特性和高安全性，使用氣相法來使矽和非晶二氧化矽同時沉積（參照例如專利文獻1）。又，為了獲得高電池容量和安全性，在矽氧化物顆粒的表層設置碳材料（導電材料）（參照例如專利文獻2）。進一步，為了改善循環特性並且獲得高輸入輸出特性，製作含有矽和氧之活性物質，並且在集電體附近形成氧比率較高的活性物質層（參照例如專利文獻3）。又，為了使循環特性提升，使矽活性物質中含有氧，形成為平均含氧量為40原子%以下，並且以在集電體附近的含氧量較多（參照例如專利文獻4）。

又，為了改善起始充放電效率，使用含有矽（Si）相、SiO₂ 、M_y O金屬氧化物之奈米複合物（參照例如專利文獻5）。又，為了改善起始充放電效率，進行下述的預先摻雜：將含鋰物質添加到負極，在負極電位較高處使鋰分解，而使鋰回到正極（參照例如專利文獻6）

又，為了改善循環特性，將SiO_x （0.8≦x≦1.5，粒徑範圍=1微米～50微米）與碳材料混合，進行高溫焙燒（參照例如專利文獻7）。又，為了改善循環特性，將負極活性物質中的氧對矽的莫耳比設成0.1～1.2，並使活性物質與集電體界面附近的氧對矽的莫耳比的最大值與最小值之間的差成為0.4以下的範圍來進行活性物質的控制（參照例如專利文獻8）。又，為了提升電池負荷特性，使用含有鋰之金屬氧化物（參照例如專利文獻9）。又，為了改善循環特性，在矽材料表層形成矽烷化合物等的疏水層（參照例如專利文獻10）。

又，為了改善循環特性，使用氧化矽，並在其表層形成石墨被膜，藉此賦予導電性（參照例如專利文獻10）。在此情況，在專利文獻11中，關於由與石墨被膜相關的拉曼光譜（Raman spectrum）所獲得的偏移值，在1330 cm^-1 和1580 cm^-1 處出現寬峰，並且該等的強度比I₁₃₃₀ /I₁₅₈₀ 為1.5＜I₁₃₃₀ /I₁₅₈₀ ＜3。

又，為了有高電池容量、改善循環特性，使用具有分散在二氧化矽中的矽微晶相之顆粒（參照例如專利文獻12）。又，為了提升過充電、過放電特性，使用將矽與氧的原子數比控制成1:y（0＜y＜2）之矽氧化物（參照例如專利文獻13）。

又，為了有高電池容量、改善起始效率，以電化學手法將鋰預先摻雜至合金類負極（參照例如專利文獻14）。 [先前技術文獻] (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2001-185127號公報 專利文獻2：日本特開2002-042806號公報 專利文獻3：日本特開2006-164954號公報 專利文獻4：日本特開2006-114454號公報 專利文獻5：日本特開2009-070825號公報 專利文獻6：日本特表2013-513206號公報 專利文獻7：日本特開2008-282819號公報 專利文獻8：日本特開2008-251369號公報 專利文獻9：日本特開2008-177346號公報 專利文獻10：日本特開2007-234255號公報 專利文獻11：日本特開2009-212074號公報 專利文獻12：日本特開2009-205950號公報 專利文獻13：日本專利第2997741號公報 專利文獻14：日本特表2015-507316號公報

[發明所欲解決的問題] 如上所述，近年來，以行動裝置等為代表的小型電子機器的高性能化、多功能化不斷進展，其主要電源也就是非水電解質二次電池（特別是鋰離子二次電池）要求增加電池容量。作為解決此問題的方法之一，期望開發一種將矽材料用作為主要材料的負極所構成之非水電解質二次電池。又，期望使用矽材料而成之非水電解質二次電池與使用碳材料而成之非水電解質二次電池有同樣相近的循環特性。

於是，如專利文獻14所揭示，根據電解使鋰插入而改質矽氧化物，將該改質後的矽氧化物用作為負極活性物質，而藉此改善電池的循環維持率和起始效率。但是，在專利文獻14所記載的技術中，是將鹵化鋰一邊以由γ-丁内酯所組成之溶液回流一邊進行電解，來進行鋰的插入，然而為了效率良好地進行鋰的插入，必須要一邊將用於電解的溶液設定在高溫（204℃附近，這是γ-丁内酯的沸點）一邊進行電解。

但是，在電解時溶液必須設在高溫的情況中，有愈是設成高溫能量消耗愈大的問題。又，也有下述的問題：為了在沸點附近的溫度處理溶液，溶液會大量蒸發，在開放系的裝置中處理變得困難，裝置變得規模龐大。

又，在專利文獻14所揭示的技術中，因為使用鹵化鋰，所以與集電體的銅或活性物質的矽反應會以副產物的形式生成氯等的鹵素，而對集電體或矽化合物造成損壞。於是，有因這樣的損壞而招致電池特性惡化的問題。進一步，因為在沸點附近使用相對溶解能力高的γ-丁内酯，所以有使作為結合劑使用的PVDF、聚亞醯胺、聚丙烯酸等膨潤，而使強度降低的問題。

本發明是有鑑於前述問題而完成，其目的在於提供一種非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法及非水電解質二次電池的製造方法，該非水電解質二次電池用負極活性物質能夠使非水電解質二次電池的電池容量增加、提升循環特性與起始效率，且該製造方法還能夠以簡便的裝置且降低能量的消耗來製造所述非水電解質二次電池用負極活性物質。

為了達成上述目的，本發明提供一種非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，該非水電解質二次電池用負極活性物質包含矽化合物SiO_x ，其中，0.5≦x≦1.6，該矽化合物包含鋰，該製造方法包含下述步驟：製作矽化合物SiO_x ，其中，0.5≦x≦1.6；以及，將前述矽化合物和對電極浸漬在至少包含硝酸鋰或亞硝酸鋰、或是上述兩者之非水溶液中，使前述矽化合物與前述對電極之間產生電位差而進行電解，藉此將鋰插入前述矽化合物。

使用根據電解而有鋰插入之矽活性物質的二次電池，可抑制起始充放電時在負極處的鋰的消耗而提升起始效率，藉此，可抑制從正極脫離的鋰的量，正極的使用範圍變少，電池維持率提高。進一步，在使用於電解中的非水溶液包含硝酸鋰或亞硝酸鋰的情況中，能夠以相對較低的溫度來實施鋰對矽化合物的插入。這是因為，硝酸鋰或亞硝酸鋰對有機溶劑等的非水溶液的溶解度較高，即便在相對較低的溫度的溶液中，也能夠成為高濃度。又，因為能夠以相對較低的溫度實施鋰對矽化合物的插入，所以能夠使用簡便的裝置，而且，能量消耗少量即可。又，如本發明那樣使用硝酸鋰或亞硝酸鋰的情況中，由於電解時以副產物方式產生的是NO_x 氣體等，所以能夠將對集電體或矽化合物的損壞抑制在少量，而且也能夠將金屬材料用在電解部或配管。又，硝酸鋰和亞硝酸鋰價格便宜而易於使用。

此時，在進行前述電解的步驟中，較佳為使用包含一種以上的醚系溶劑之非水溶液作為前述的非水溶液。

醚系的電位窗(potential window)廣，所以當鋰對電位低的矽化合物進行插入反應時，能夠難以引起副反應。

又，此時，在進行前述電解的步驟中，較佳為使用含有至少硝酸鋰之非水溶液作為前述的非水溶液。

硝酸鋰是價格更為便宜、更為一般使用的物質，所以能夠合適地用於本發明。

此時，在進行前述電解的步驟中，較佳為將前述非水溶液的溫度設成80℃以上。

本發明雖然能夠在如上所述較低的溫度領域進行根據電解而實行的鋰對矽化合物的插入，但在該低溫度領域中，若將非水溶液的溫度設成80℃以上，則非水溶液中的鋰鹽的飽和濃度上升，且離子的活動變得活潑，離子導電性提升。藉此，進行效率更好的鋰的插入。

又，本發明的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法中，在進行前述電解的步驟前，包含形成電極的步驟，該電極包含前述矽化合物，並藉由使在該電極所含的矽化合物與前述對電極之間產生的電位差，而能夠進行前述電解。

本發明中，可藉由電解而將鋰插入電極所含的矽化合物中。

此時，在形成前述電極的步驟中，能夠將顆粒狀的前述矽化合物、或是與碳化合物混合後的顆粒狀的前述矽化合物之至少一種以上，與黏結劑混合，並塗布於集電體上，藉此形成前述電極。

本發明中，包含矽化合物之電極，能夠藉由上述那樣的塗布法製作。

又，本發明的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法中，在製作前述矽化合物的步驟中，使用氣相法，將前述矽化合物直接擔持於至少在表面上具有凹凸之集電體上，並藉由使在擔持於該集電體上的矽化合物與前述對電極之間產生電位差，而進行前述電解。

在使用氣相法來製作電極的情況中，因為比起塗布法，矽系活性物質之間（矽化合物之間）的空隙較少，不必使用黏結劑等物質，所以能夠使電池的每單位體積的電池容量進一步增大。

此時，能夠將前述矽化合物設成顆粒狀。

本發明可使用顆粒狀的矽化合物。

又，為了達成上述目的，本發明提供一種非水電解質二次電池的製造方法，其特徵在於：利用上述任一製造方法來製造包含非水電解質二次電池用負極活性物質之非水電解質二次電池用負極，並使用該製造出來的非水電解質二次電池用負極來製造非水電解質二次電池。

若以此方式製作，能夠製造電池容量大、循環特性、起始效率優良的非水電解質二次電池。

[發明的效果] 本發明的負極活性物質的製造方法及負極的製造方法，能夠以簡便的裝置且減低能量消耗來製造負極活性物質和負極，且該負極活性物質和負極在用於非水電解質二次電池時，能有高容量且能得到良好循環特性與起始充放電特性。

又，包含藉由本發明之製造方法製造的負極活性物質的二次電池，也能夠得到同樣的特性。又，使用本發明之二次電池的電子機器、電動工具、電動車及電力儲存系統等也能夠得到同樣的效果。

以下，雖針對本發明說明實施的形態，但本發明並不限定於此。

如前文所述，作為使非水電解質二次電池的電池容量增加的一個手法，現正研究將以矽材料用作主要材料的負極用作為非水電解質二次電池的負極。

雖期望使用此矽材料而成的非水電解質二次電池與使用碳材料而成的非水電解質二次電池有同樣相近的循環特性，但始終未提出有呈現與使用碳材料而成的非水電解質二次電池有同樣的循環穩定性的負極材料。又，特別是包含氧之矽化合物，因為比起碳材料起始效率低，所以就此而言電池容量的提升受限。

於是，根據鋰的插入而改質矽化合物，將此矽化合物用作為負極活性物質，藉此改善電池的循環維持率及起始效率。然而，為了改質矽化合物而執行的電解會造成對集電體或矽化合物等損壞，將那樣的集電體或矽化合物用於負極的非水電解質二次電池會有循環特性、起始效率等電池特性惡化的問題。而且，必須在高溫下電解的情況中，有能量消耗大而且必須要有規模龐大的裝置的問題點。

於是，發明人反覆認真研究在用於非水電解質二次電池之負極時能得到良好的循環特性及起始效率的負極活性物質的製造方法，而完成本發明。

本發明的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法包含下述步驟：製作矽化合物SiO_x ，其中，0.5≦x≦1.6；以及，將矽化合物和對電極浸漬在至少包含硝酸鋰或亞硝酸鋰、或是上述兩者之非水溶液中，使矽化合物與對電極之間產生電位差而進行電解，藉此將鋰插入矽化合物。又，可在進行電解的步驟前，在製作包含矽化合物之電極之後，對於電極所含的矽化合物實施電解，而將鋰插入矽化合物。

就以本發明的製造方法作成的矽系活性物質顆粒而言，矽系活性物質顆粒因包含鋰，所以在起始充放電時，不可逆容量減少。又，根據使用包含有對有機溶劑溶解度高的硝酸鋰或亞硝酸鋰之非水溶液，並藉由在相對較低的溫度進行電解，能夠以較少能量消耗且效率良好地使鋰插入。以此方式，若能夠有相對較低的溫度的電解，則因溶液蒸發量減低，故以開放系的裝置也能實施電解，使用於電解的裝置簡便即可。又，本發明的矽系活性物質顆粒因為是以矽化合物作為主體的負極活性物質，所以能夠使電池容量增大。

繼而，更具體地說明本發明的負極活性物質的製造方法。

＜1、負極活性物質的製造方法＞ 首先，製作矽化合物（SiO_x ：0.5≦x≦1.6）。以這樣的通式SiO_x （但0.5≦x≦1.6）表示的矽化合物，能夠例如根據以下的手法製作。首先，在非活性氣體的存在下或是在減壓下於900℃～1600℃的溫度範圍加熱產生氧化矽氣體的原料，而產生氧化矽氣體。此情況中，原料能夠使用金屬矽粉末與二氧化矽粉末的混合物，若考慮有金屬矽粉末的表面氧及反應爐中的微量氧存在，則期望混合莫耳比是在0.8＜金屬矽粉末/二氧化矽粉末＜1.3的範圍。顆粒中的矽微晶是根據備製範圍或氣化溫度的改變、以及生成後的熱處理而受到控制。產生的氣體沉積在吸著板上。以將反應爐內溫度下降到100℃的狀態取出沉積物，並使用球磨機、噴射磨碾機進行粉碎、粉末化。

作為矽化合物的組成，較佳為x接近1。這是因為能夠得到高循環特性。又，本發明中的矽材料組成不必然意味純度100%，可包含微量的雜質元素。

本發明中，對以此方式製作的顆粒狀矽化合物進行上述的電解，從而可將鋰插入作成電極前的顆粒狀的矽化合物，來進行矽化合物的改質。

作為電極前的顆粒狀的矽化合物的改質，例如能夠使用第1圖的改質裝置10而進行。如第1圖所示，改質裝置10具有：盛滿非水溶液13之浴槽17、配置在浴槽17內且連接電源16的一端之對電極11、配置在浴槽17內且連接電源16的另一端之粉末收納容器15、以及設置在對電極11與粉末收納容器15之間的隔板14。

非水溶液13至少包含硝酸鋰或亞硝酸鋰、或是上述兩者。這些鹽類對有機溶劑的溶解度高，而且價格便宜。特別是，硝酸鋰因更為普遍所以較佳。

作為非水溶液13的溶劑，較佳為包含醚系溶劑。這是因為，醚系溶劑的電位窗廣，所以在鋰向電位低的矽化合物插入反應時難以起副反應。作為這些溶劑，例如能夠使用二噁烷、1,2-乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚（二甘二甲醚，diglyme）、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚（四甘二甲醚，tetraglyme）、或是上述者之混合溶劑，較佳為使用二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚。又，溶劑中可包含醚系以外的溶劑。

又，較佳為將非水溶液的溫度設成80℃以上。本發明雖然能夠根據如上述般以相對較低的溫域電解而進行鋰對矽化合物的插入，但在其較低溫域中，如果將非水溶液的溫度設成80℃以上，則非水溶液中鋰鹽的飽和濃度上升，且離子的活動變得活潑，提升了離子導電性。藉此，更有效率地進行鋰的插入。

又，能夠將例如碳電極用於對電極11。粉末收納容器15中收納顆粒狀的矽化合物12。

然後，將矽化合物收納在粉末收納容器15，並透過電源將電壓施加於已收納了矽化合物之粉末收納容器15與對電極11。藉此，使矽化合物12與對電極11之間產生電位差，來進行電解，而能夠將鋰插入矽化合物12。又，如果施加與鋰插入時逆向的電場，則能夠使鋰從矽化合物12脫離。而且，可多次進行電場方向的順逆切換。

以此方式，根據電解進行改質，從而將矽化合物的內部生成的SiO₂ 成分的一部分選擇性地朝向鋰化合物改質，而能夠製作包含鋰的矽化合物。而且，在矽化合物的表面、內部、或是上述兩者處包含鋰化合物。選擇性的改質能夠在電解時根據進行電位控制而達成。根據電位控制，能夠選擇電解時鋰插入的位置，從而抑制活性鋰化合物的生成，提升電極在大氣下的處理性。

又，在進行顆粒狀的矽化合物的改質前，可於矽化合物的表面形成碳被膜。作為生成碳被膜的手法，期望是熱CVD（熱化學氣相沉積）。熱CVD，是將氧化矽粉末裝入爐內，並使烴氣充滿爐內，然後使爐內溫度升溫。分解溫度並無特別限定，但特別是期望1200℃以下，更期望是950℃以下。這是因為能夠抑制矽氧化物發生不希望的岐化。

根據熱CVD而生成碳被膜的情況中，例如，藉由調節爐內的壓力、溫度，而能夠一邊調節碳被膜的被覆率或厚度，一邊將碳被膜形成於粉末材料的表層。

在熱分解使用的烴氣並無特別限定，期望是C_n H_m 組成中3≧n。這是因為，能夠使製造成本低，並且分解生成物的物性較佳。

又，本發明中，在進行電解的步驟前，可包含形成包含矽化合物之電極的步驟。此情況中，根據使電極所含的矽化合物與對電極之間產生電位差，而能夠進行電解。

電極能夠例如為第2圖所示般構成。如第2圖所示，電極20為在集電體21上有活性物質層22的構造。此活性物質層22可設在集電體21的雙面或只設在集電體21的單面。又，活性物質層22中含有矽化合物。

[集電體] 集電體21是優良的導電材料，而且是由機械性強度優越的材料所構成。作為能夠用於集電體21的導電材料，例如可舉出銅（Cu）或鎳（Ni）、鐵（Fe）。此導電材料較佳為不與鋰（Li）形成金屬間化合物的材料。

集電體21較佳為在主要元素之外還包含碳（C）或硫（S）。這是為了使集電體21的物理強度提升。尤其，這是因為，在有充電時膨脹的包含矽化合物的活性物質層22的情況中，集電體如果包含上述元素，則有抑制包含集電體21的電極變形的效果。上述的所含有的元素的含量並無特別限定，其中較佳為100ppm以下。這是因為，能夠獲得更高的變形抑制效果。

集電體21的表面可進行粗糙化，也可不進行粗糙化。經粗糙化的集電體，能夠使用例如經過電解處理、壓紋處理、或化學蝕刻的金屬箔等。未被粗糙化的集電體能夠使用例如軋延金屬箔等。

[活性物質層] 活性物質層22除了矽化合物SiO_x （0.5≦x≦1.6）之外，還可在電池設計上，進一步包含黏結劑、導電助劑、及碳系活性物質等其他材料。又，矽化合物的表面可被碳被膜被覆。為了將碳被膜被覆在矽化合物的表面，可使用上述的熱CVD。

作為黏結劑，能夠使用例如聚亞醯胺、羧甲基纖維素、苯乙烯丁二烯橡膠等。

作為導電助劑，可舉出例如碳黑、乙炔黑、鱗片狀石墨等石墨、科琴黑（Ketjen Black）、奈米碳纖維等中的任一種以上。這些導電助劑較佳為呈顆粒狀，且其中值粒徑比矽化合物之顆粒還小。

作為碳系活性物質，能夠使用例如熱分解碳類、焦炭類、玻璃狀碳纖維、有機高分子化合物焙燒體、碳黑類等。根據包含碳系活性物質，不僅活性物質層22的電阻降低，而且也能夠緩和伴隨充電的膨脹應力。

電極20能夠以下述方式形成電極：將顆粒狀的矽化合物或混合了碳材料的顆粒狀的矽化合物之至少一種以上混合黏結劑，而塗布於集電體（下文中將此方法稱為塗布法）。在塗布法中，能夠在將矽化合物之顆粒與黏結劑等混合（或是視需要混合上述導電助劑、碳系活性物質）之後，分散於有機溶劑或水等而塗布。例如，能夠根據以下的順序製作電極20。

首先，進行與上述同樣的方式製作矽化合物（SiO_x ：0.5≦x≦1.6）的步驟。繼而，將所製作的矽化合物的顆粒混合導電助劑、黏結劑、及溶劑等，得到漿料。此時，視需要，可也混合碳系活性物質。就導電助劑而言，能夠添加中值粒徑比矽化合物顆粒小的碳系材料以作為導電助劑。此情況中，例如，能夠選擇乙炔黑進行添加。繼而，將漿料塗布於集電體21的表面，進行乾燥，而形成活性物質層22。根據以上方式，能夠藉由塗布法製作電極。

又，本發明中，在製作矽化合物的步驟中，使用氣相法，可將矽化合物直接擔持在至少在表面具有凹凸之集電體上。所謂氣相法，是將原料氣化，將氣化了的原料直接沉積至集電體21上的方法。

更具體而言，電極能夠使用氣相法而以下述方式製作。首先，將以混合莫耳比混合了金屬矽粉末和二氧化矽粉末而成的蒸鍍材料放入碳坩堝。若考慮金屬矽粉末的表面氧和反應爐中的微量氧的存在，則期望混合莫耳比是在0.8＜金屬矽粉末/二氧化矽粉末＜1.3的範圍。又，將集電體配設於碳坩堝的上方等處。其後，使用感應加熱或電阻加熱法，根據將蒸鍍材料加熱而產生一氧化矽氣體。此時，反應爐中的真空度可設成10^-2 Pa以下。以此方式，能夠直接地將矽化合物沉積在集電體上。

就氣相法中使用的集電體而言，期望使用其表面具有凹凸之集電體。作為表面經粗糙化的集電體，能夠使用例如經過電解處理、壓紋處理、或化學蝕刻的金屬箔等。集電體較佳為例如表面粗糙度Ra值為0.2微米以上。而且，本說明書中所謂的表面粗糙度Ra值是JIS B0601所規定的中心線平均粗糙度Ra。作為集電體，適合使用薄膜狀的電解銅箔。以上述方式，根據氣相法製作電極。

繼而，如第3圖所示，將以塗布法或氣相法製作的電極31設置於輥子35，並使其面向對電極32，且浸漬於設成預定溫度的包含硝酸鋰或亞硝酸鋰、或是上述二者之非水溶液33中。對電極32可例如設作碳電極。

然後，一邊利用輥子35將電極31以一方向饋送，一邊根據電源34使電極31所含的矽化合物與對電極32之間產生電位差來進行電解，而能夠將鋰插入矽化合物12。又，若施加與鋰插入時逆向的電場，則夠使鋰從矽化合物12脫離。而且，可多次進行電場方向的順逆切換。

使用以上述方式製作出來的包含鋰之矽化合物，來製造非水電解質二次電池用負極活性物質。

＜2. 鋰離子二次電池＞ 就本發明的非水電解質二次電池的製造方法而言，以上述的負極活性物質的製造方法來製造包含非水電解質二次電池用負極活性物質的非水電解質二次電池用負極，並使用該製造的非水電解質二次電池用負極來製造非水電解質二次電池。下文中，針對本發明的非水電解質二次電池的製造方法，以層合薄膜型二次電池的製作的情況為例子加以說明。

[層合薄膜型二次電池的構造] 如第4圖所示的層合薄膜型二次電池40，主要是在薄片狀外裝部材45的內部收納有捲繞電極體41。此捲繞電極體41，是在正極、負極間具有隔板，並捲繞而成。又，也存在有下述情況：正極、負極間具有隔板並收納有積層體。無論是在哪一種的電極體，正極上安裝有正極引線42，負極上安裝有負極引線43。電極體的最外周部是由保護膠帶所保護。

正負極引線，例如是從外裝部材45的內部朝向外部，以一方向導出。正極引線43，例如是由鋁等導電材料形成，負極引線43例如是由鎳、銅等導電材料形成。

外裝部材45，例如是由熔接層、金屬層、表面保護層以此順序積層而得之層合薄膜，就此層合薄膜而言，兩片薄膜的熔接層的外周邊部彼此熔接或是以黏著劑等貼合，而使熔接層面對捲繞電極體41。熔接部是例如聚乙烯或聚丙烯等之薄膜，金屬部是鋁箔等。保護層例如為尼龍。

外裝部材45與正負極引線之間，插入有密著薄膜44，該密著薄膜44是為了防止外部氣體入侵。此材料例如為聚乙烯、聚丙烯、聚烯烴樹脂。

[正極] 正極例如為與第2圖之電極20同樣在正極集電體的雙面或單面具有正極活性物質。

正極集電體例如為由鋁等之導電材料形成。

正極活性物質層包含能夠儲藏釋放鋰離子的正極材料之任一種或兩種以上，也可根據設計包含黏結劑、導電助劑、分散劑等其他材料。此情況中，關於黏結劑、導電助劑的詳細內容，例如與已記敘的負極黏結劑、負極導電助劑相同。

作為正極材料，期望是含鋰化合物。此含鋰化合物，可舉出例如：由鋰與過渡金屬金屬元素所成之複合氧化物、或具有鋰與過渡金屬金屬元素之磷酸化合物。這些正極材料中，較佳為具有鎳、鐵、錳、鈷之至少一種以上的化合物。作為這些化合物的化學式，例如是以Li_x M₁ O₂ 或是Li_y M₂ PO₄ 表示。該化學式中，M₁ 、M₂ 表示至少一種以上的過渡金屬元素。x、y的值雖根據電池充放電狀態而表示不同的值，但一般而表示為0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10。

作為具有鋰與過渡金屬元素之複合氧化物，可舉出例如鋰鈷複合氧化物（Li_x CoO₂ ）、鋰鎳複合氧化物（Li_x NiO₂ ），作為具有鋰與過渡金屬元素之磷酸化合物，可舉出例如鋰鐵磷酸化合物（LiFePO₄ ）或是鋰鐵錳磷酸化合物（LiFe_1-u Mn_u PO₄ ，0＜u＜1）等。這是因為，若使用這些正極材料，則不僅能得到高電池容量，也能得到優良的循環特性。

[負極] 負極具有與上述第2圖的電極20相同的構造，例如，於負極集電體的雙面具有負極活性物質層。相對於從正極活性物質劑所得的電容量（作為電池的充電容量），較佳為此負極的負極充電容量變大。這是為了能夠抑制在負極上有鋰金屬析出。

正極活性物質層設於正極集電體的雙面的一部分，負極活性物質層也設於負極集電體的雙面的一部分。此情況中，例如，就負極集電體上所設的負極活性物質層而言，設置有不存在相對向的正極活性物質層的區域。這是為了進行穩定的電池設計。

在非相對向區域中，也就是上述的負極活性物質層與正極活性物質層不相對向的區域中，幾乎不受充放電的影響。因此，負極活性物質層的狀態維持著剛形成後的樣子。藉此，能夠以不依賴於充放電的有無的方式，來再現性良好地且正確地調查負極活性物質的組成等。

[隔板] 隔板，將正極與負極隔離，來防止伴隨兩極接觸所引起的電流短路，並且使鋰離子通過。此隔板，例如由合成樹脂或是陶瓷所成的多孔膜而形成，也可具有兩種以上的多孔膜積層而得的積層構造。作為合成樹脂，可舉出例如聚四氟乙烯、聚丙烯、或是聚乙烯等。

[電解液] 液狀的電解質（電解液），浸透於活性物質層的至少一部分或是隔板。此電解液，在溶劑中溶解有電解質鹽類，且可包含添加劑等的其他材料。

溶劑，可使用例如非水溶液。作為非水溶液，例如，可舉出碳酸伸乙酯、碳酸伸丙酯、碳酸伸丁酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、1,2-二甲氧基乙烷、或四氫呋喃。

其中，期望使用碳酸伸乙酯、碳酸伸丙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯之中的至少一種以上。這是因為能得到更好的特性。又，此情況中，若將碳酸伸乙酯、碳酸伸丙酯等的高黏度溶劑、與碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等的低黏度溶劑組合，則能夠得到更為優越的特性。這是因為電解質鹽類的解離度或離子移動度向上。

作為溶劑添加物，較佳為包含不飽和碳鍵結環狀碳酸酯。這是因為，在充放電時於負極表面形成穩定的被膜，能夠抑制電解液的分解反應。作為不飽和碳鍵結環狀碳酸酯，可舉出例如碳酸亞乙烯酯或碳酸乙烯亞乙酯等。

又，作為溶劑添加物，較佳為包含磺内酯（環狀磺酸酯）。這是因為電池的化學穩定性提升。作為磺内酯，可舉出例如丙烷磺內酯、丙烯磺內酯等。

進一步，較佳為溶劑包含酸酐。這是因為電解液的化學穩定性提升。作為酸酐，可舉出例如丙二磺酸酐。

電解質鹽類能夠包含例如鋰鹽等輕金屬鹽之任何一種以上。作為鋰鹽，例如可舉出下述材料。可舉出六氟磷酸鋰（LiPF₆ ）、四氟硼酸鋰（LiBF₄ ）等。

較佳為，電解質鹽類的含量相對於溶劑為0.5 mol/kg以上且2.5 mol/kg以下。這是因為可得到高離子傳導性。

[層合薄膜型二次電池的製造方法] 一開始，使用上文所述的正極材料來製作正極電池。首先，將正極材料與根據需要而選擇的黏結劑、導電助劑等混合而作成正極混合劑，然後，將該正極混合劑分散於有機溶劑，作成正極混合劑漿料。繼而，以具有刀輥或模頭的模具塗布機等的塗布裝置將混合劑漿料塗布在正極集電體，並以熱風乾燥，而得到正極活性物質層。最後，以輥壓機等將正極活性物質壓縮成型。此時，可進行加熱。又，可多次反覆進行壓縮、加熱。

繼而，使用與上述的電極20的製作相同的操作順序，將負極活性物質層形成在負極集電體來製作負極。此外，本發明中，可在形成負極前先實施矽化合物的改質，也可在形成負極後才進行負極所含的矽化合物的改質。

又，能夠分別在正極集電體和負極集電體的雙面形成活性物質層。此時，任一電極的雙面部的活性物質塗布長度可不一致。

繼而，調製電解液。然後，根據超音波熔接等，將正極引線42安裝在正極集電體，並將負極引線43安裝在負極集電體（參照第4圖）。繼而，隔著隔板將正極與負極積層、或是隔著隔板來捲繞正極與負極而作成捲繞電極體，其最外周部黏接有保護膠帶。之後，使捲繞體成型而成為扁平的形狀。繼而，將捲繞電極體夾入已折疊好的薄膜狀外裝部材45之間，之後藉由熱熔融黏著法將外裝部材的絕緣部彼此黏著，於僅一方向開放的狀態使捲繞電極體封入。在正極引線42和負極引線43與外裝部材45之間插入密著薄膜44。從開放部投入預定量的上述調製的電解液，並進行真空浸透。浸透後，根據真空熱熔融黏著法來使開放部黏著。

以上述方式，能夠製造層合薄膜型二次電池40。

[實施例] 下文中，示出本發明的實施例及比較例來更具體地說明本發明，但本發明並不限定於這些實施例。

[實施例1] 一開始，如以下所述，藉由氣相法，製作包含矽化合物（矽系活性物質）之電極。首先，將混合了金屬矽與二氧化矽之原料（也稱氣化起始材料）設置在坩堝，一邊根據電阻加熱或感應加熱而加溫，一邊在10^-2 Pa的真空中將矽化合物沉積在粗糙化的集電體上，在雙面上都這樣進行，而得到電極，該電極具有厚度約7微米的負極活性物質層。此時，SiO_x 的x值為1。

繼而，進行電解。首先，將包含上述製作的矽化合物（矽系活性物質）之電極作為陰極，其長度方向的一部分面對作為陽極的碳板，一邊根據輥子遞送電極，一邊使其浸透至加溫到120℃的2mol/L的硝酸鋰/二甘二甲醚溶液，連續地進行電解。此時，為了除去以副產物形式生成的陽極氣體，將溶劑連接氣體除去裝置，置於氣體除去裝置內，並一邊使用超音波除去氣體一邊循環。以二甘二甲醚溶液清洗所得到的負極後，在100℃進行真空乾燥。

繼而，製作試驗電池單元，調查起始充放電特性，該實驗電池單元是由包含矽化合物之電極與對電極鋰所構成。此試驗電池單元使用2032型鈕扣型電池單元。

試驗電池單元的電解液是如以下方式製作。混合溶劑（4-氟-1,3-二氧雜戊環-2-酮（4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one，FEC）、碳酸伸乙酯（EC）及碳酸二甲酯（DMC））之後，溶解電解質鹽類（六氟磷酸鋰：LiPF₆ ），調製電解液。在此情況，溶劑的組成設成FEC：EC：DMC = 10:20:70（以體積比計），相對於溶劑的電解質鹽類的含量設為1.0 mol/kg。

試驗電池單元中，作為與包含矽化合物之電極相對的對電極，使用厚度0.5mm的金屬鋰箔。又，作為隔板，使用厚度20微米的聚乙烯。

繼而，重疊2032型鈕扣電池的底蓋、鋰箔、隔板，並注入150mL的電解液，之後重疊負極、間隔件（厚度1.0mm），並注入150mL的電解液，然後依序組裝好彈簧、鈕扣電池的上蓋，並以自動鈕扣電池單元封口機封口，藉此製作2032型鈕扣電池。

繼而，將所製作的2032型鈕扣電池以固定電流密度0.2mA/cm² 充電直到達到0.0V為止，在電壓達到0.0V的階段，以0.0V固定電壓充電直到電流密度達到0.02mA/cm² 為止，放電時，以0.2mA/cm² 的固定電流密度放電，直到電壓達到1.2V為止。然後，調查此起始充放電的起始充放電特性。

又，為了評估使用了根據本發明的負極活性物質的製造方法製造出來的負極活性物質的非水電解質二次電池的循環特性，製作如第4圖所示般的層合薄膜型的二次電池40。

一開始，製作使用在層合薄膜型的二次電池中的正極。正極活性物質是設作正極混合劑，該正極混合劑是將鋰鈷複合氧化物也就是LiCoO₂ 95質量份、正極導電助劑（乙炔黑）2.5質量份、及正極黏結劑（聚偏氟乙烯）2.5質量份混合而成。繼而，將正極混合劑分散於有機溶劑（N-甲基-2-吡咯酮：NMP）中，作成糊狀的漿料。繼而，以具有模頭之塗布裝置將漿料塗布在正極集電體的雙面，並以熱風式乾燥裝置乾燥。此時，正極集電體是使用厚度15微米的正極集電體。最後，以輥壓方式進行壓縮成型。

作為負極，是使用根據與上述試驗電池單元的包含矽化合物之電極相同的順序來製作的負極。

作為電解液，是使用根據與上述試驗電池單元的電解液相同的順序來製作的電解液。

繼而，如以下方式來組裝層合薄膜型的鋰離子二次電池。一開始，將鋁引線超音波熔接至正極集電體的一端，並將鎳引線熔接至負極集電體的一端。繼而，將正極、隔板、負極、隔板依此順序積層，並以縱向捲繞，而得到捲繞而成的電極體。此捲繞結束部分是以PET保護膠帶固定。隔板是使用12微米的積層薄膜，該積層薄膜是根據以多孔聚丙烯為主成分的薄膜夾著多孔聚乙烯為主成分的薄膜而成。繼而，將集電體夾在外裝部材間之後，除一邊之外將外周邊部彼此熱熔融黏著，而將電極體收納在內部。外裝部材是使用尼龍薄膜、鋁箔、及聚丙烯薄膜所積層的鋁層合薄膜。然後，從開口部注入所調製的電解液，在真空氛圍下浸透後，熱熔融黏著而封住。

調查以這樣的方式製作出來的層合薄膜型的鋰離子二次電池的循環特性（維持率%）。

關於循環特性，如以下的方式進行調查。一開始，為了電池的穩定化在25℃的氛圍下進行2個循環的充放電，測定第二次循環的放電容量。繼而，進行充放電直到總循環數成為100個循環為止，測定其每一次放電容量。最後，將第100次循環的放電容量除以第2次的循環的放電容量（為了以%表示而乘以100），算出容量維持率。作為循環條件，以電流密度2.5mA/cm² 充電直到達到4.3V為止，在達到電壓4.3V的階段，於4.3V固定電壓進行充電直到電流密度達到0.25mA/cm² 為止。又，放電時是以2.5mA/cm² 的固定電流密度放電直到電壓達到3.0V為止。

（實施例2～10、比較例1～3） 除了在電解步驟中所使用的非水溶液的組成與電解溫度如表1所示般地改變之外，以與實施例1相同的方式來製作試驗電池單元和層合薄膜型的二次電池，並評估起始充放電特性和循環特性。並且，在比較例1中，不實施電解步驟。

調查實施例1～10、比較例1～3的試驗電池單元的起始效率和層合薄膜型二次電池的容量維持率，得到表1所示的結果。

[表1]

如從表1可瞭解，根據利用電解而將鋰插入矽化合物，起始效率和電池維持率提升。這是因為，根據在鋰插入負極所含的矽化合物中的狀態下來製作電池，可抑制起始充放電時在負極處的鋰的消耗，而提升起始效率，從而可抑制從正極脫離的鋰的量，正極的使用範圍變少，所以電池維持率提升。

又，將包含硝酸鋰或亞硝酸鋰之非水溶液用於電解的情況，會比使用包含氯化鋰等之溶液的情況更提升電池特性。這是因為，硝酸鋰和亞硝酸鋰對相對較低的溫度的非水溶劑的溶解度較高，能夠效率良好地實施鋰的插入，比起與集電體的銅或活性物質的矽反應而造成氯等鹵素以副產物形式生成的情況（比較例2、3），在以副產物形式生成NO_x 氣體的硝酸鹽的情況中，對電極損壞較少。

又，溶液濃度濃的情況是較佳的，1mol/L以上較佳。這是因為，溶液濃度濃的情況因為溶液中的離子濃度變高，故溶液的離子導電性提升。又，溶液溫度較佳為100℃以上，較佳為120℃附近。這也是因為溶液的離子導電性提升。進一步，本發明中，即便在相對較低的溫度的120℃進行電解，也能充分改質矽化合物，與比較例2那樣的204℃進行的電解相比，能夠將能量消耗抑制成很小，又，由於在此作為溶劑使用的二甘二甲醚的沸點是162℃，所以能夠在比溶劑的沸點低約40℃的溫度進行電解。也就是說，在本發明中，因為能夠降低溶劑的蒸發量，確認能夠使用開放系的簡便裝置。又，作為溶劑，醚系溶劑較佳，二甘二甲醚或四甘二甲醚等的分子內有3個以上的醚鍵結的溶劑較佳。這是因為，這樣的溶劑極性高，溶液中的溶質的濃度會更進一步地提高。

（實施例11、12） 除了將電極的製作方法變更成塗布法外，以與實施例1相同的方式來製作試驗電池單元和層合薄膜型的二次電池，評估起始充放電特性和循環特性。實施例11中，使用矽化合物作為活性物質，並使用聚醯亞胺作為製作電極時的黏結劑。實施例12中，使用質量比10:90的矽化合物與石墨作為活性物質，並使用羧甲基纖維素（CMC）與苯乙烯丁二烯橡膠（SBR）作為製作電極時的黏結劑。並且，實施例11、12中，調查負極的每單位體積的容量，算出相對體積容量，該相對體積容量是以實施例12為基準之負極的每單位體積的容量的相對值。

（比較例4、5） 除了將電極的製作方法變更為塗布法且不實施電解的步驟之外，以與實施例1相同的方式來製作試驗電池單元和層合薄膜型的二次電池，評估起始充放電特性和循環特性。在比較例4中，使用矽化合物作為活性物質，並使用聚醯亞胺作為製作電極時的黏結劑。在比較例5中，使用質量比10:90的矽化合物與石墨作為活性物質，並使用CMC與SBR作為製作電極時的黏結劑。又，以與實施例11、12相同的方式，調查負極的每單位體積的容量，算出相對體積容量，該相對體積容量是以實施例12為基準之負極的每單位體積的容量的相對值。

將實施例11、12、比較例4、5的試驗電池單元的起始效率、層合薄膜型二次電池的容量維持率、及負極之每單位體積的容量的相對值顯示於表2。

[表2]

從表2可瞭解，利用氣相法作成的活性物質為SiO之電極，在電池維持率、電池起始效率、負極的相對體積容量方面都是較佳。這是因為，相較於塗布法，活性物質間的空隙少，且不需要黏結材料等的物質。而且，利用塗布法作成的活性物質為SiO/石墨（10/90質量%）之電極，雖然在電池維持率、電池起始效率方面勝過其他實施例，但負極的相對體積容量較差。這是因為，包含較多作為活性物質的石墨。沒有經過電解步驟的比較例1、4～5的電池起始效率較低。

此外，本發明並不受限於上述實施形態。上述實施形態為例示，任何具有實質上與本發明的申請專利範圍所記載的技術思想相同的構成且發揮相同功效者，皆包含在本發明的技術範圍內。

10‧‧‧改質裝置
11‧‧‧對電極
12‧‧‧矽化合物
13‧‧‧非水溶液
14‧‧‧隔板
15‧‧‧粉末收納容器
16‧‧‧電源
17‧‧‧浴槽
20‧‧‧電極
21‧‧‧集電體
22‧‧‧活性物質層
31‧‧‧電極
32‧‧‧對電極
33‧‧‧非水溶液
34‧‧‧電源
35‧‧‧輥子
40‧‧‧層合薄膜型二次電池
41‧‧‧捲繞電極體
42‧‧‧正極引線
43‧‧‧負極引線
44‧‧‧密著薄膜
45‧‧‧外裝部材

第1圖是顯示改質裝置的一個示例的示意圖，該改質裝置能夠用於矽化合物的顆粒的改質。 第2圖是顯示能夠用於本發明的電極的構造的一個示例的示意剖面圖。 第3圖是顯示電極所含的矽化合物的改質方法的一個示例的示意圖。 第4圖是顯示非水電解質二次電池（層合薄膜型鋰離子二次電池）的構造的一個示例的分解圖。

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10‧‧‧改質裝置

11‧‧‧對電極

12‧‧‧矽化合物

13‧‧‧非水溶液

14‧‧‧隔板

15‧‧‧粉末收納容器

16‧‧‧電源

17‧‧‧浴槽

Claims (13)

1. 一種非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，該非水電解質二次電池用負極活性物質包含矽化合物SiO_x ，其中，0.5≦x≦1.6，該矽化合物包含鋰，該製造方法包含下述步驟： 製作矽化合物SiOx，其中，0.5≦x≦1.6；以及將前述矽化合物和對電極浸漬在至少包含硝酸鋰或亞硝酸鋰、或是上述兩者之非水溶液中，使前述矽化合物與前述對電極之間產生電位差而進行電解，藉此將鋰插入前述矽化合物。
2. 如請求項1所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，在進行前述電解的步驟中，使用包含一種以上的醚系溶劑之非水溶液來作為前述非水溶液。
3. 如請求項1所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，在進行前述電解的步驟中，使用至少包含硝酸鋰之非水溶液來作為前述非水溶液。
4. 如請求項2所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，在進行前述電解的步驟中，使用至少包含硝酸鋰之非水溶液來作為前述非水溶液。
5. 如請求項1所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，在進行前述電解的步驟中，將前述非水溶液的溫度設成80℃以上。
6. 如請求項2所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，在進行前述電解的步驟中，將前述非水溶液的溫度設成80℃以上。
7. 如請求項3所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，在進行前述電解的步驟中，將前述非水溶液的溫度設成80℃以上。
8. 如請求項4所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，在進行前述電解的步驟中，將前述非水溶液的溫度設成80℃以上。
9. 如請求項1至請求項8中任一項所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，在進行前述電解的步驟前，包含形成電極的步驟，該電極包含前述矽化合物，並藉由使在該電極所含的矽化合物與前述對電極之間產生電位差，而進行前述電解。
10. 如請求項9所的之非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，在形成前述電極的步驟中，將顆粒狀的前述矽化合物、或是與碳化合物混合後的顆粒狀的前述矽化合物之至少一種以上，與黏結劑混合，並塗布於集電體上，藉此形成前述電極。
11. 如請求項1至請求項8中任一項所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，在製作前述矽化合物的步驟中，使用氣相法，將前述矽化合物直接擔持於至少在表面具有凹凸之集電體上，並藉由使在擔持於該集電體上的矽化合物與前述對電極之間產生電位差，而進行前述電解。
12. 如請求項1至請求項8中任一項所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法，其中，將前述矽化合物設成顆粒狀。
13. 一種非水電解質二次電池的製造方法，其特徵在於：利用如請求項1至請求項8中任一項所述的非水電解質二次電池用負極活性物質的製造方法來製造包含非水電解質二次電池用負極活性物質之非水電解質二次電池用負極，並使用該製造出來的非水電解質二次電池用負極來製造非水電解質二次電池。