WO2014017506A1 - リチウム二次電池用負極 - Google Patents

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silicon
negative electrode
material layer
secondary battery
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仁 八代
雅弘 細田
朗 繁田
山田　宗紀
寿史朗 江口
良彰 越後
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国立大学法人岩手大学
ユニチカ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery using silicon-based particles as an active material.
  • a negative electrode of a lithium ion secondary battery has an active material layer containing a particulate carbon-based active material such as graphite powder and an insulating binder, and a surface of a foil-like current collector such as a copper foil. What was formed in is used.
  • a binder polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, or the like is used.
  • a negative electrode using a carbon-based active material has a discharge capacity of about 350 mAh / g at most, a higher-capacity active material is required. Therefore, a negative electrode using a particulate silicon-based active material has been proposed as a next-generation active material that replaces the carbon-based active material. It is known that silicon exhibits a discharge capacity several times or more that of graphite due to an alloying reaction with lithium.
  • Patent Document 1 discloses that silicon particles having an average particle diameter of 1 to 10 microns are bonded using polyimide having excellent mechanical characteristics.
  • Patent Document 2 uses a composite of silicon and carbon as an active material.
  • a negative electrode bound with polyimide has been proposed.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 each propose a negative electrode using polyamideimide or polyacrylic acid as a binder for silicon particles.
  • Patent Document 3 a conductive adhesive layer containing a high-concentration binder is laminated on the surface of the current collector, and a silicon active material layer containing a binder such as polyimide is provided on the outer surface of the conductive adhesive layer.
  • a silicon negative electrode has been proposed.
  • a negative electrode for a lithium ion secondary battery capable of maintaining a high discharge capacity even after repeated charge and discharge when a silicon-based active material is used.
  • the purpose is to provide.
  • the inventor of the present invention has arrived at the present invention as a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems. That is, the gist of the present invention is as follows.
  • a negative electrode for a lithium secondary battery provided with an active material layer containing a particulate silicon-based active material and a binder, wherein the content of the silicon-based active material in the active material layer exceeds 50% by mass
  • a lithium secondary battery characterized in that the discharge capacity at the 20th time when charging / discharging is repeated 20 times is 1500 mAh / g-silicon-based active material or more under the cell configuration and charge / discharge conditions shown below. Negative electrode.
  • the negative electrode for a lithium secondary battery according to (1) wherein the active material layer has a porosity of 15 to 40% by volume and an electrolyte absorption rate of 300 seconds or less.
  • the silicon-based active material has an average particle size of less than 1 ⁇ m.
  • the negative electrode of the present invention maintains a high discharge capacity even after repeated charging and discharging, it can be suitably used as a negative electrode for a lithium secondary battery.
  • the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention is provided with an active material layer containing a particulate silicon-based active material and a binder, and the content of the silicon-based active material in the active material layer is more than 50% by mass. is there.
  • the discharge capacity at the 20th time when charging / discharging is repeated 20 times has a characteristic of 1500 mAh / g-silicon-based active material or more.
  • mAh / g-silicon-based active material shown as a unit of discharge capacity is silicon in which all of the measured electric charge (mAh) is blended in the active material layer. It is a value converted per 1 g of silicon-based active material on the assumption that it is based on charge / discharge of the system-based active material.
  • the discharge capacity is more preferably 1700 mAh / g or more, and still more preferably 2000 mAh / g or more. By doing in this way, it can be set as the negative electrode for lithium secondary batteries of the high discharge capacity excellent in cycling characteristics.
  • the measurement of the discharge capacity is performed using a known pouch type (laminate sheet type) cell. Unlike a coin-type cell, this cell uses a flexible aluminum laminate film (laminated film of resin film and aluminum foil) as an exterior material, and no pressure is applied to the electrodes during charging and discharging. In the state, the cell whose discharge capacity is measured.
  • This pouch-type cell can be manufactured as follows, for example. The obtained sheet-like negative electrode is cut into a 10 mm ⁇ 40 mm rectangular shape and covered with a fusion film, leaving an active material area of 10 mm ⁇ 10 mm.
  • a lithium plate having a thickness of 1 mm is cut into a 30 mm ⁇ 40 mm rectangular shape, and is folded in half on a nickel lead (5 mm ⁇ 50 mm) having a thickness of 0.5 mm.
  • Only the negative electrode is put in a bag-shaped separator (30 mm ⁇ 20 mm), and then facing the counter electrode to obtain an electrode group.
  • a rectangular polypropylene resin porous film (thickness 25 ⁇ m) is used.
  • This electrode group is covered with a pair of rectangular aluminum laminate films (50 mm ⁇ 40 mm), and the three sides are sealed, and then 1 mL of an electrolyte is injected into the bag-like aluminum laminate film.
  • the electrolytic solution a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent in which EC, DEC, and EMC are mixed at a volume ratio of 1: 1: 1 is used. Thereafter, the remaining one side is sealed to seal the inside of the bag-shaped aluminum laminate film. Further, when sealing the bag-shaped aluminum laminated film, one end of the negative electrode and the nickel lead is extended outward to form a terminal. In this way, a test cell is obtained. All of these operations are performed in an argon atmosphere glove box.
  • silicon-based active material particles (hereinafter sometimes abbreviated as “silicon-based particles”) in the active material layer needs to be more than 50% by mass, preferably more than 60% by mass. is there.
  • amount 50% by mass or less, even when the discharge capacity per gram of the silicon-based active material, which is the active material, is high, the discharge capacity when converted per gram of the active material layer is reduced. It ’s difficult.
  • the silicon-based particles include particles of silicon alone, a silicon alloy, a silicon-silicon dioxide composite, and the like, and the shape may be any shape such as an indefinite shape, a spherical shape, or a fibrous shape.
  • silicon-based particles since the discharge capacity of silicon single particles (hereinafter sometimes abbreviated as “silicon particles”) is the highest, it can be preferably used.
  • the silicon simple substance means crystalline or amorphous silicon having a purity of 95% by mass or more.
  • the average particle size of the silicon-based particles is preferably 5 ⁇ m or less, and more preferably less than 1 ⁇ m. Since the surface area of the particles increases as the average particle size decreases, a high discharge capacity can be obtained.
  • the said average particle diameter says the average particle diameter of the volume reference
  • a film-like active material layer is formed by blending the silicon-based particles with a binder and binding the silicon-based particles together.
  • the polyimide-type polymer which was excellent in the mechanical characteristics and excellent in the binding property with respect to a silicon-type particle.
  • the polyimide polymer is a polymer having an imide bond in the main chain. Specific examples include polyimide, polyamideimide, polyesterimide, and the like, but the polyimide polymer is not limited to these, and any polymer may be used as long as it has a imide bond in the main chain. be able to. These resins are usually used alone, but two or more kinds may be mixed and used.
  • the aromatic polyimide has a structure represented by the following general formula (1).
  • R1 is a tetravalent aromatic residue
  • R2 is a divalent aromatic residue.
  • This aromatic polyimide may be thermoplastic or non-thermoplastic.
  • the polyimide a precursor type polyimide obtained by thermosetting a polyimide precursor such as polyamic acid dissolved in a solvent or a solvent soluble type polyimide can be used, and a precursor type polyimide can be preferably used. The details of the precursor type polyimide using polyamic acid will be described later.
  • polyimide polymer Commercially available products may be used as the polyimide polymer.
  • polyamic acid type varnishes such as “Uimide AR”, “Uimide AH”, “Uimide CR”, “Uimide CH” (all manufactured by Unitika Ltd.) and U varnish A (manufactured by Ube Industries), “ Solvent-soluble polyimide varnish in which Rika Coat SN-20 "(manufactured by Shin Nippon Rika Co., Ltd.),” Matrimid 5218 "(manufactured by Huntsman) or the like is dissolved in a solvent, and polyamideimide such as Viromax HR-11NN (manufactured by Toyobo) Varnish can be used.
  • the content of the polyimide polymer in the active material layer is preferably 5 to 30% by mass and more preferably 15 to 25% by mass from the viewpoint of discharge capacity and cycle characteristics.
  • the porosity of the active material layer to be described later can be within a preferable range, and a negative electrode for a lithium secondary battery having a high discharge capacity and excellent cycle characteristics can be obtained.
  • the porosity of the active material layer is preferably 15 to 40% by volume, more preferably 25 to 35% by volume.
  • the porosity of the active material layer is calculated from the apparent density of the active material layer, the true density (specific gravity) of each material (silicon-based particles, binder, conductive particles, etc.) constituting the active material layer, and the blending amount. This value varies depending on the blending amount and particle size of each material. Specifically, silicon mass (true density Ag / cm 3 ) is X mass%, binder (true density B g / cm 3 ) is Y mass%, and conductive particles (true density C g / cm 3 ) are.
  • the porosity (volume%) when the apparent density of the active material layer containing Z mass% is Dg / cm 3 is calculated from the following calculation formula.
  • the porosity is 15 to 40% by volume and the electrolytic solution absorption rate of the active material layer is 300 seconds or less.
  • the electrolytic solution absorption rate is preferably 200 seconds or less, and more preferably 100 seconds or less.
  • the electrolytic solution absorption rate can be measured by the following method. That is, 5 ⁇ L of an electrolytic solution at 20 ° C. in which ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC)), and ethyl methyl carbonate (EMC) are mixed at a volume ratio of 1: 1: 1 is dropped onto the surface of the active material layer. Then, after dropping the electrolytic solution on the surface of the active material layer, the dropped electrolytic solution is completely absorbed into the layer from the surface of the active material layer, and the droplet disappears on the surface of the active material layer The time is measured visually. This measured time is taken as the electrolyte absorption rate.
  • EC ethylene carbonate
  • DEC diethyl carbonate
  • EMC ethyl methyl carbonate
  • the thickness of the active material layer is arbitrary, but can be about 10 to 300 ⁇ m.
  • conductive particles in the active material layer in order to reduce the internal resistance of the active material layer.
  • a particulate carbon material or a metal material is used.
  • carbon material graphite and carbon black are preferable, and graphite is more preferable.
  • silver, copper, or nickel is used as the metal material.
  • the average particle diameter of these carbon particles and metal particles is preferably 5 ⁇ m or less.
  • the content of the conductive particles in the active material layer is preferably 1 to 30% by mass, and more preferably 5 to 25% by mass.
  • the negative electrode of the present invention is preferably a laminate in which a conductive adhesive layer is provided between the active material layer and a sheet-like current collector.
  • the conductive adhesive layer is a layer in which conductive particles are blended in a binder.
  • the said polyimide polymer can be used preferably.
  • polyimide-based polymers polyamideimide and solvent-soluble polyimide that are excellent in adhesive properties with current collectors such as copper foil are particularly preferably used.
  • the polyamideimide has a structure represented by the following general formula (2).
  • R3 is a trivalent aromatic residue
  • R4 is a divalent aromatic residue.
  • the binder in the conductive adhesive layer may be the same as or different from the binder in the active material layer.
  • conductive particles used for the conductive adhesive layer for example, a particulate carbon material or a metal material is used.
  • the carbon material graphite and carbon black are preferable, and graphite is more preferable.
  • silver, copper, or nickel is used as the metal material.
  • the average particle diameter of these carbon particles and metal particles is preferably 5 ⁇ m or less.
  • the content of the binder in the conductive adhesive layer is preferably less than 30% by mass, that is, the content of the conductive particles is preferably 70% by mass or more, and the content of the binder in the conductive adhesive layer is More preferably, the content is less than 20% by mass, that is, the content of conductive particles is 80% by mass or more.
  • the porosity of the active material layer is set to 15 to 40% by volume. It is difficult to make the liquid absorption rate 300 seconds or less.
  • the electrolyte solution absorption rate of the active material layer is 1000 seconds or more. The reason for this is not clear, but it has been confirmed that the absorption rate of the electrolyte solution in the active material layer becomes slower as the binder content increases, regardless of the type of binder in the adhesive layer.
  • the configuration of the adhesive layer has some influence on the electrolyte solution absorption rate of the active material layer.
  • conductive particles such as graphite having almost no volume expansion / contraction are bound with a binder having the same content as the active material layer.
  • a current collector such as a copper foil and a binder having high adhesiveness, sufficient strength as a conductive adhesive layer can be obtained.
  • the thickness of the conductive adhesive layer is preferably 1 to 15 ⁇ m, and more preferably 2 to 5 ⁇ m, from the viewpoint of conductivity and adhesiveness between the current collector and the active material layer.
  • a metal foil such as a copper foil, a stainless steel foil, or a nickel foil is used, but a copper foil such as an electrolytic copper foil or a rolled copper foil is preferably used.
  • the thickness of the metal foil is preferably 5 to 50 ⁇ m, more preferably 9 to 18 ⁇ m.
  • the surface of the metal foil may be subjected to a roughening treatment or a rust prevention treatment.
  • the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention can be easily produced, for example, by the following steps.
  • a negative electrode formed by laminating a current collector, a conductive adhesive layer containing graphite particles and polyamideimide, and an active material layer containing silicon particles, graphite particles and polyimide in this order can be easily obtained. Can be manufactured.
  • the drying temperature in the second step is preferably 200 ° C. or lower, and more preferably 150 ° C. or lower. From the viewpoint of drying efficiency, the drying temperature in the second step (conductive coating film forming step) is preferably 100 ° C. or higher.
  • the conductive coating film is preferably dried to such an extent that the solvent used in the graphite dispersion remains in an amount of about 5 to 30% by mass in the conductive coating film. This remaining solvent contributes to the development of good adhesive strength between the conductive adhesive layer and the active material layer.
  • the drying temperature in the fourth step is preferably 200 ° C. or lower, and more preferably 150 ° C. or lower. From the viewpoint of drying efficiency, the drying temperature in the fourth step (active material coating film forming step) is preferably 100 ° C. or higher.
  • the heat treatment temperature in the fifth step is preferably 250 to 500 ° C. in that the polyimide precursor in the silicon-containing coating film can be sufficiently converted to polyimide without causing thermal damage to the negative electrode.
  • the heat treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas, but may be performed in air or under vacuum. Moreover, you may perform a heat
  • the dispersions in the second step and the fourth step may be applied only once or may be performed in a plurality of times.
  • a method of applying the conductive material dispersion to the current collector and a method of applying the active material dispersion to the conductive coating film any one of a method of applying continuously by roll-to-roll, or a method of applying in sheet form May be used.
  • the coating device for example, a die coater, a multilayer die coater, a gravure coater, a comma coater, a reverse roll coater, or a doctor blade coater is used.
  • a commercially available product as described above may be used as the polyamideimide solution, but a product obtained by blending the raw materials trimellitic anhydride and diisocyanate in approximately equimolar amounts and polymerizing them in a solvent is also preferable. Used.
  • trimellitic anhydride one obtained by partially replacing pyromellitic anhydride, benzophenonetetracarboxylic anhydride, or biphenyltetracarboxylic anhydride may be used.
  • diisocyanate examples include m-phenylene diisocyanate, p-phenylene diisocyanate, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate, 4,4′-diphenyl ether diisocyanate, diphenyl sulfone-4,4′-diisocyanate, diphenyl-4,4′-diisocyanate, o-Tolidine diisocyanate, 2,4-tolylene diisocyanate, 2,6-tolylene diisocyanate, xylylene diisocyanate, naphthalene diisocyanate are used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, 4,4′-diphenylmethane diisocyanate is preferable.
  • the solid content concentration of the polyamideimide in the polyamideimide solution is preferably 1 to 50% by mass, and more preferably 10 to 30% by mass.
  • the viscosity of the polyamideimide solution at 30 ° C. is preferably 1 to 150 Pa ⁇ s, more preferably 5 to 100 Pa ⁇ s.
  • the polyimide precursor solution may be a commercially available product as described above, but it is a polyamic obtained by blending the raw materials tetracarboxylic dianhydride and diamine in approximately equimolar amounts and polymerizing them in a solvent. An acid is also preferably used.
  • tetracarboxylic dianhydride examples include pyromellitic acid, 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic acid, 3,3 ′, 4,4′-benzophenonetetracarboxylic acid, 3,3 ′, 4,4'-diphenylsulfone tetracarboxylic acid, acid, 3,3 ', 4,4'-diphenyl ether tetracarboxylic acid, 2,3,3', 4'-benzophenone tetracarboxylic acid, 2,3,6,7- Naphthalenetetracarboxylic acid, 1,4,5,7-naphthalenetetracarboxylic acid, 1,2,5,6-naphthalenetetracarboxylic acid, 3,3 ', 4,4'-diphenylmethanetetracarboxylic acid, 2,2- Bis (3,4-dicarboxyphenyl) propane, 2,2-bis (3,4-dicarboxyphenyl)
  • diamine examples include p-phenylenediamine, m-phenylenediamine, 3,4'-diaminodiphenyl ether, 4,4'-diaminodiphenyl ether, 4,4'-diaminodiphenylmethane, and 3,3'-dimethyl-4,4.
  • the solid content concentration of the polyamic acid in the polyimide precursor solution is preferably 1 to 50% by mass, and more preferably 5 to 25% by mass.
  • the polyamic acid contained in the polyimide precursor solution may be partially imidized.
  • the viscosity of the polyimide precursor solution at 30 ° C. is preferably 1 to 150 Pa ⁇ s, and more preferably 10 to 100 Pa ⁇ s.
  • the solvent used in the polyamideimide solution or the polyimide precursor solution is not particularly limited as long as it is a solvent capable of dissolving polyamideimide and polyamic acid, but an amide solvent is preferably used.
  • the amide solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N, N-dimethylformamide (DMF), and N, N-dimethylacetamide (DMAc). These may be used alone or in combination of two or more.
  • known additives such as various surfactants and organosilane coupling agents may be added to the polyamideimide solution and the polyimide precursor solution within a range not impairing the effects of the present invention.
  • Electrode group Only the negative electrode was placed in a bag-shaped separator (30 mm ⁇ 20 mm), and then faced with the counter electrode to obtain an electrode group.
  • separator a rectangular polypropylene resin porous film (thickness 25 ⁇ m) was used.
  • This electrode group was covered with a set of two rectangular aluminum laminate films (50 mm ⁇ 40 mm), and the three sides were sealed, and then 1 mL of electrolyte was poured into the bag-like aluminum laminate film.
  • electrolytic solution a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent in which EC, DEC, and EMC were mixed at a volume ratio of 1: 1: 1 was used.
  • the methods for preparing the binder solution, the active material layer-forming silicon dispersion, and the conductive adhesive layer-forming graphite dispersion used in the examples and comparative examples are as follows.
  • [Preparation of polyimide precursor solution] An approximately equimolar amount of 3,3 ′, 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride (BPDA) and 4,4′-oxydianiline (ODA) are reacted in NMP to form a polyimide.
  • BPDA 4,4′-biphenyltetracarboxylic dianhydride
  • ODA 4,4′-oxydianiline
  • TMA trimellitic anhydride
  • DMI 4,4′-diphenylmethane diisocyanate
  • the composition shown in Table 1 contains silicon particles (purity: 99 mass%) having an average particle size of 0.7 ⁇ m and graphite particles having an average particle size of 3 ⁇ m in the solution (P-1) obtained above. After stirring to achieve uniform dispersion, NMP was added. In this way, a silicon dispersion having a composition shown in Table 1 (solid content concentration of about 25% by mass) was obtained.
  • Example 1 The conductive particle dispersion a1 was uniformly applied to one surface of an electrolytic copper foil (F2-WS, manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd.) having a thickness of 18 ⁇ m using a bar coater, and then dried at 130 ° C. for 10 minutes. As a result, a conductive coating film was obtained. The coating amount of the graphite dispersion was adjusted so that the resulting conductive adhesive layer had a thickness of 3 to 4 ⁇ m. Next, on the surface of the conductive coating film, the silicon dispersion A1 was uniformly applied in a sheet-like manner using a bar coater and dried at 130 ° C. for 10 minutes to obtain an active material coating film.
  • an electrolytic copper foil F2-WS, manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd.
  • the coating amount of the silicon dispersion was adjusted so that the thickness of the obtained active material layer was 40 to 50 ⁇ m.
  • stacking electrolytic copper foil, a conductive coating film, and an active material coating film in this order was obtained.
  • the obtained laminate was heated from 100 ° C. to 350 ° C. in a nitrogen gas atmosphere over 2 hours, and then heat-treated at 350 ° C. for 1 hour. By this heat treatment, the polyamic acid in the active material coating film was converted to polyimide.
  • negative electrode A1a1 formed by laminating the electrolytic copper foil, the conductive adhesive layer, and the active material layer in this order was obtained. Table 3 shows the characteristics of the negative electrode. In addition, FIG.
  • FIG. 1 shows the first, fifth, tenth, and twentieth charge / discharge curves during the charge / discharge cycle of the negative electrode. From FIG. 1, a high discharge capacity is obtained only for the first time, but in the repeated charge / discharge from the second time to the 20th time, the discharge capacity of the negative electrode is slightly reduced due to repetition although there are variations in the charge / discharge curve. I understand.
  • Negative electrodes A1a2 to A1a5 were obtained in the same manner as in Example 1, except that the conductive particle dispersion a1 was changed to the conductive particle dispersions a2 to a5.
  • Table 3 shows the characteristics of the negative electrode. In these negative electrodes, the charge / discharge curves also showed the same tendency as the negative electrode A1a1.
  • Negative electrodes A2a1 to A3a1 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the silicon dispersion A1 was changed to the silicon dispersions A2 to A3.
  • Table 3 shows the characteristics of the negative electrode. In these negative electrodes, the charge / discharge curves also showed the same tendency as the negative electrode A1a1.
  • Negative electrodes A1a6 to A1a10 were obtained in the same manner as in Example 1, except that the conductive particle dispersion a1 was changed to the conductive particle dispersions a6 to a10.
  • Table 3 shows the characteristics of the negative electrode. In these negative electrodes, the discharge capacity greatly decreased with repeated charge and discharge, and the 20th discharge capacity was as low as less than 1000 mAh / g-silicon-based active material.
  • a negative electrode A4a1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that the silicon dispersion A1 was changed to the silicon dispersion A4.
  • Table 3 shows the characteristics of the negative electrode.
  • the discharge capacity at the 20th time showed a value of 1500 mAh / g-silicon-based active material, but since the content of the silicon-based active material in the active material layer was as low as 45% by mass, the discharge capacity as the negative electrode was low.
  • the negative electrode of the example of the present invention since the negative electrode of the example of the present invention has a high discharge capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics, it can be suitably used as a negative electrode for a lithium secondary battery.

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Abstract

　本発明は、粒子状のシリコン系活物質とバインダとを含む活物質層が設けられたリチウム二次電池用負極であって、　活物質層中のシリコン系活物質の含有量が５０質量％超であり、　下記に示すセルの構成および充放電条件で、充放電を２０回繰り返した時の２０回目の放電容量が１５００ｍＡｈ／ｇ－シリコン系活物質以上である。 ＜セルの構成＞　電池：二極式ポーチ型セル　対極：金属リチウム　電解液：ＬｉＰＦ６が１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解した、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、およびジメチルカーボネートの混合溶媒（体積比１：１：１） ＜充放電条件＞　測定温度：３０℃　電圧範囲：０．０１～２Ｖ　充電電流および放電電流：５００ｍＡ／ｇ－シリコン系活物質

Description

リチウム二次電池用負極
　本発明は、シリコン系粒子を活物質として利用するリチウム二次電池用負極に関する。
　従来より、リチウムイオン二次電池の負極には、黒鉛粉末等の粒子状のカーボン系活物質と、絶縁性のバインダとを含む活物質層を、銅箔等、箔状の集電体の表面に形成したものが用いられている。バインダには、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等が用いられる。
　しかし、カーボン系活物質を用いた負極は、放電容量が高々３５０ｍＡｈ／ｇ程度であるため、さらに高容量の活物質が求められている。そこで、カーボン系活物質に代わる次世代の活物質として粒子状のシリコン系活物質を用いた負極が提案されている。シリコンはリチウムとの合金化反応により、黒鉛の数倍以上の放電容量を示すことが知られている。
　しかし、このシリコン系活物質は充放電に伴う体積変化が大きいため、充放電の繰り返しに伴い、シリコン系活物質が微粉化したり、集電体から脱離したりする。このため、負極の集電性および活物質量が低下し、負極の放電容量が大幅に減少するという問題があった。この繰り返し充放電時の体積変化に起因するサイクル特性の低下を改善する方法として、特許文献１には平均粒径が１～１０ミクロンのシリコン粒子を、力学的特性に優れたポリイミドを用いて結着した活物質を特定の銅箔からなる集電体の表面に設けることにより負極とする方法が提案されており、特許文献２にはシリコンとカーボンとからなるコンポジットを活物質として用い、これをポリイミドで結着した負極が提案されている。また、非特許文献１や２には、ポリアミドイミドやポリアクリル酸をシリコン粒子のバインダとして用いた負極がそれぞれ提案されている。
　さらに、特許文献３には、集電体の表面に高濃度のバインダを配合した導電性接着層が積層され、その導電性接着層の外表面にポリイミド等のバインダを含むシリコン活物質層を設けたシリコン負極が提案されている。
特許第４４７１８３６号明細書 国際公開第２０１１／０５６８４７号 特許第４２１２３９２号明細書
Journal of Power Sources 177 (2008) 590-594 ACS Appl. Mater. Interfaces, 2010, 2(11), 3004-3010
　しかしながら、前記の先行技術文献に記載の負極を用いた場合であっても、充放電の繰り返しに伴う放電容量の低下を十分に抑制することは困難であり、充放電を繰り返した後でも、高い放電容量を維持する負極が求められている。
　そこで、本発明では、前記の課題を解決するため、シリコン系活物質を用いた場合において、充放電を繰り返した後でも、高い放電容量を維持することが可能なリチウムイオン二次電池用負極を提供することを目的とする。
　本発明者は、前記の課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発明に到達した。すなわち、本発明の要旨は、下記の通りである。
（１）粒子状のシリコン系活物質とバインダとを含む活物質層が設けられたリチウム二次電池用負極であって、活物質層中におけるシリコン系活物質の含有量が５０質量％超であり、下記に示すセルの構成および充放電条件で、充放電を２０回繰り返した時の２０回目の放電容量が１５００ｍＡｈ／ｇ－シリコン系活物質以上であることを特徴とするリチウム二次電池用負極。
＜セルの構成＞
　電池：二極式ポーチ型セル
　対極：金属リチウム
　電解液：ＬｉＰＦ６が１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解した、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、およびジメチルカーボネートの混合溶媒（体積比１：１：１）
＜充放電条件＞
　測定温度：３０℃
　電圧範囲：０．０１～２Ｖ
　充電電流および放電電流：５００ｍＡ／ｇ－シリコン系活物質
（２）活物質層の気孔率が１５～４０体積％であり、かつその電解液吸収速度が３００秒以下であることを特徴とする（１）記載のリチウム二次電池用負極。
（３）シート状の集電体上に形成された導電性接着層の外表面に活物質層が積層された積層体からなる（１）または（２）記載のリチウム二次電池用負極。
（４）活物質がシリコン単体からなる粒子であることを特徴とする（１）～（３）のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
（５）シリコン系活物質の平均粒径が１μｍ未満であることを特徴とする（１）～（４）のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
　本発明の負極は、繰り返し充放電を行った後でも、高い放電容量を維持しているので、リチウム二次電池用負極として好適に用いることができる。
本発明の実施例１の負極を用いた場合の充放電曲線を示す図である。
　本発明のリチウム二次電池用負極は、粒子状のシリコン系活物質とバインダとを含む活物質層が設けられており、活物質層中におけるシリコン系活物質の含有量が５０質量％超である。そして、下記に示すセルの構成および充放電条件で、充放電を２０回繰り返した時の２０回目の放電容量が１５００ｍＡｈ／ｇ―シリコン系活物質以上という特性を有するものである。
＜セルの構成＞
　電池：二極式ポーチ型セル
　対極：金属リチウム
　電解液：ＬｉＰＦ６が１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解した、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、およびジメチルカーボネートの混合溶媒（体積比１：１：１）
＜充放電条件＞
　測定温度：３０℃
　電圧範囲：０．０１～２Ｖ
　充電電流および放電電流：５００ｍＡ／ｇ－シリコン系活物質
　ここで放電容量の単位として示されている「ｍＡｈ／ｇ―シリコン系活物質」とは、計測された放電の際の電気量（ｍＡｈ）の全てが、活物質層中に配合されているシリコン系活物質の充放電に基づくものであるという前提で、シリコン系活物質１ｇ当たりに換算した値である。
　前記放電容量は１７００ｍＡｈ／ｇ以上であることがより好ましく、２０００ｍＡｈ／ｇ以上であることが更に好ましい。このようにすることにより、サイクル特性に優れた高放電容量のリチウム二次電池用負極とすることができる。
　放電容量の測定は、公知のポーチ型（ラミネートシート型）のセルを用いて行われる。このセルは、コイン型のセルなどとは違い、柔軟なアルミラミネートフィルム（樹脂フィルムとアルミニウム箔の積層フィルム）を外装材として用いたセルであり、充放電の際、電極に圧力がかかっていない状態で、放電容量が測定されるセルである。このポーチ型のセルは、例えば、以下のように作製することができる。
　得られたシート状の負極を、１０ｍｍ×４０ｍｍの矩形状に裁断し、１０ｍｍ×１０ｍｍの活物質面積を残して融着フィルムで被覆する。対極として、厚み１ｍｍのリチウム板を、３０ｍｍ×４０ｍｍの矩形状に裁断し、厚み０．５ｍｍのニッケルリード(５ｍｍ×５０ｍｍ)に二つ折りにして圧着する。負極のみを、袋状のセパレータ（３０ｍｍ×２０ｍｍ）に入れた後、対極と向き合わせ、電極群を得る。セパレータには、矩形状のポリプロピレン樹脂製多孔質フィルム（厚み２５μｍ）を用いる。この電極群を二枚一組の矩形状のアルミラミネートフィルム（５０ｍｍ×４０ｍｍ）で覆い、その三辺をシールした後、袋状アルミラミネートフィルム内に電解液１ｍＬを注入する。電解液には、ＥＣと、ＤＥＣと、ＥＭＣとを、体積比１：１：１で混合した混合溶媒にＬｉＰＦ６を１モル／Ｌの濃度で溶解したものを用いる。その後、残りの一辺をシールして、袋状アルミラミネートフィルム内を密封する。また、袋状アルミラミネートフィルム内の密封の際には、負極およびニッケルリードの一端を外側に延出し、端子とする。このようにして、試験セルを得る。これらの操作のすべてを、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で行う。
　活物質層中におけるシリコン系活物質の粒子（以下、「シリコン系粒子」と略記することがある）の含有量は、５０質量％超であることが必要であり、好ましくは６０質量％超である。５０質量％以下であると、活物質であるシリコン系活物質１ｇ当たりの放電容量が高くても、活物質層１ｇ当たりに換算した時の放電容量が低下するので、放電容量の高い負極を得ることは難しい。
　前記シリコン系粒子としては、例えば、シリコン単体、シリコン合金、シリコン・２酸化珪素複合体等の粒子が挙げられ、その形状は、不定形状、球状、繊維状等、いかなる形状でもよい。これらシリコン系粒子の中でも、シリコン単体の粒子（以下、「シリコン粒子」と略記することがある）の放電容量が最も高いので、好ましく用いることができる。ここで、シリコン単体とは、純度が９５質量％以上の結晶質もしくは非晶質のシリコンを言う。
　シリコン系粒子の平均粒径は、５μｍ以下が好ましく、１μｍ未満がより好ましい。平均粒径が小さい程、粒子の表面積が大きくなるため、高放電容量が得られる。ここで、前記平均粒径は、例えばレーザー回折式粒度分布測定装置測定した体積基準の平均粒径を言う。この平均粒径は前記シリコン系粒子を用いて負極を得た後、その表面のＳＥＭ像から確認することもできる。
　前記シリコン系粒子にバインダを配合して前記シリコン系粒子同士を結着させることで、フィルム状の活物質層が形成される。用いるバインダの種類に制限はないが、力学的特性に優れ、かつシリコン系粒子に対する結着性に優れたたポリイミド系高分子を用いることが好ましい。ここで、ポリイミド系高分子とは、主鎖にイミド結合を有する高分子である。具体例としては、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミド等が挙げられるが、ポリイミド系高分子は、これらに限定されるものではなく、主鎖にイミド結合を有する樹脂であれば如何なる高分子も使用することができる。これらの樹脂は通常は単独で用いられるが、２種以上を混合して用いてもよい。
　これら、ポリイミド系高分子の中でも、特に力学的特性に優れたポリイミドを用いることが好ましく、ポリイミドのなかでも芳香族ポリイミドを用いることがさらに好ましい。　ここで芳香族ポリイミドとは、下記の一般式（１）で示される構造を有するものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
  
　一般式（１）中、Ｒ１は４価の芳香族残基であり、Ｒ２は２価の芳香族残基である。
　この芳香族ポリイミドは、熱可塑性であってもよく、非熱可塑性であってもよい。ポリイミドとしては、溶媒に溶解したポリアミック酸等のポリイミド前駆体を熱硬化して得られる前駆体型のポリイミドや、溶媒可溶型のポリイミドを用いることができ、前駆体型ポリイミドを好ましく用いることができる。なお、ポリアミック酸を用いた前駆体型ポリイミドの詳細については、後述する。
　前記ポリイミド系高分子としては、市販品を用いてもよい。例えば、「ＵイミドＡＲ」、「ＵイミドＡＨ」、「ＵイミドＣＲ」、「ＵイミドＣＨ」（いずれもユニチカ社製）やＵワニスＡ（宇部興産社製）等のポリアミック酸型ワニス、「リカコートＳＮ－２０」（新日本理化社製）や「マトリミド５２１８」（ハンツマン社製）等を溶媒に溶解させた溶媒可溶型ポリイミドワニス、バイロマックスＨＲ－１１ＮＮ（東洋紡社製）等のポリアミドイミドワニスを使用することができる。
　前記活物質層中のポリイミド系高分子の含有量は、放電容量およびサイクル特性の観点から、５～３０質量％が好ましく、１５～２５質量％がより好ましい。このように設定することにより、後述する活物質層の気孔率を好ましい範囲とすることができ、サイクル特性に優れた高放電容量のリチウム二次電池用負極とすることができる。
　前記活物質層の気孔率は１５～４０体積％とすることが好ましく、２５～３５体積％とすることがより好ましい。気孔率をこのように設定することにより、シリコン活物質の充放電に伴う体積変化により発生する活物質層へのストレスをこの気孔により吸収でき、それが為に充放電の際に活物質層に亀裂を生じさせることがなく、良好なサイクル特性が得られる。従い、気孔率がこの範囲外では、目的とする繰り返し充放電後の高放電容量が得られないことがある。
　前記活物質層の気孔率は、活物質層の見掛け密度と活物質層を構成する個々の材料（シリコン系粒子、バインダ、導電性粒子等）の真密度（比重）と配合量から算出される値であり、個々の材料の配合量や粒子サイズにより変化するものである。具体的には、シリコン系粒子（真密度Ａ　ｇ／ｃｍ３）をＸ質量％、バインダ（真密度Ｂ　ｇ／ｃｍ３）をＹ質量％、導電性粒子（真密度Ｃ　ｇ／ｃｍ３）をＺ質量％配合した活物質層の見掛け密度がＤｇ／ｃｍ３の場合の気孔率（体積％）は、以下の計算式から算出される。ここで、個々の材料の真密度は、ＪＩＳ　Ｚ８８０７に基づいて測定することにより得られる。
　気孔率（体積％）　＝　１００－Ｄ（Ｘ／Ａ＋Ｙ／Ｂ＋Ｚ／Ｃ）　
　本発明において、充放電サイクル後で高い放電容量を得るには、気孔率を１５～４０体積％とした上で、活物質層の電解液吸収速度を３００秒以下とすることが好ましい。ここで、電解液吸収速度は２００秒以下が好ましく、１００秒以下であることが更に好ましい。この電解液吸収速度を３００秒以下と設定することにより、電解液が繰り返し充放電の過程において、より効率的に活物質であるシリコン系粒子の表面と接触できるので、繰り返し充放電後の高い放電容量が達成される。従い、電解液吸収速度がこの範囲外では、目的とする繰り返し充放電後の高放電容量が得られないことがある。なお、電解液吸収速度の詳細については、後述する。
　ここで電解液吸収速度は、以下の方法で測定することが出来る。即ち、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ））、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）を１：１：１の体積比で配合した２０℃の電解液５μＬを、活物質層の表面に滴下する。そして、電解液を活物質層の表面に滴下してから、滴下された電解液が活物質層の表面から当該層中へ完全に吸収され、活物質層の表面にて液滴が消失するまでの時間を、目視で測定する。この測定された時間を電解液吸収速度とする。
　本発明では、前記活物質層の厚みは任意であるが、１０～３００μｍ程度の厚みとすることができる。
　本発明では、活物質層の内部抵抗を低減させるために、前記活物質層に導電性粒子を含ませることが好ましい。導電性粒子としては、例えば、粒子状のカーボン材料や金属材料が用いられる。カーボン材料としては、黒鉛、カーボンブラックが好ましく、黒鉛がより好ましい。金属材料としては、例えば、銀、銅、ニッケルが用いられる。これらカーボン粒子や金属粒子の粒子径としては平均粒径が５μｍ以下であることが好ましい。
　前記活物質層中の導電性粒子の含有量は、１～３０質量％であることが好ましく、５～２５質量％がより好ましい。
　本発明の負極は、前記活物質層と、シート状の集電体との間に、導電性接着層を設けた積層体であることが好ましい。これにより、充放電時の活物質層の膨張および収縮に伴い活物質層と集電体との界面で生じる応力を緩和し、活物質層の集電体からの剥離を抑制することができる。
　前記導電性接着層は、バインダに導電性粒子を配合した層である。ここで用いるバインダの種類に制限はないが、例えば、前記ポリイミド系高分子を好ましく用いることができる。ポリイミド系高分子のなかでも、銅箔等の集電体との接着特性に優れたポリアミドイミドや溶媒可溶型のポリイミドが特に好ましく用いられる。ここでポリアミドイミドとは、下記の一般式（２）で示される構造を有するものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
  
　一般式（２）中、Ｒ３は３価の芳香族残基であり、Ｒ４は２価の芳香族残基である。導電性接着剤層中のバインダは、前記活物質層中のバインダと同じ種類であっても違っていてもよい。
　前記導電性接着層に用いられる導電性粒子としては、例えば、粒子状のカーボン材料や金属材料が用いられる。カーボン材料としては、黒鉛、カーボンブラックが好ましく、黒鉛がより好ましい。
　金属材料としては、例えば、銀、銅、ニッケルが用いられる。これらカーボン粒子や金属粒子の粒子径としては平均粒径が５μｍ以下であることが好ましい。これら導電性粒子は前記活物質層に配合される導電性粒子と同じ種類であっても違っていてもよい。
　前記導電性接着層中のバインダの含有量は３０質量％未満であること、即ち導電性粒子の含有量が７０質量％以上であることが好ましく、前記導電性接着層中のバインダの含有量が２０質量％未満であること、即ち導電性粒子の含有量が８０質量％以上であることがより好ましい。
　バインダの含有量が３０質量％以上、即ち導電性粒子の含有量が７０質量％未満である導電性接着層を用いると、活物質層の気孔率を１５～４０体積％とした上で、電解液吸収速度を３００秒以下とすることは難しい。例えば、特許文献３の実施例１に記載されている、導電性接着層中のポリイミド含有量が８０質量％である負極では、本発明者らの検討では、活物質層の電解液吸収速度が１０００秒以上となる。その理由は明らかではないが、接着層中のバインダ種類とは無関係に、バインダの含有量が高くなるにつれて、活物質層の電解液の吸収速度が遅くなることが確認されているので、導電性接着層の構成が、活物質層の電解液吸収速度に何らかの影響を及ぼしていると考えられる。
　また、導電性接着層中におけるバインダ量が相対的に少ない場合でも、体積の膨張・収縮が殆どない黒鉛等の導電性粒子を、活物質層と同程度の含有量のバインダで結着させ、かつ銅箔等の集電体と高い接着性を有するバインダを用いることで、導電性接着層として十分な強度が得られる。
　導電性接着層の厚みは、集電体と活物質層との間の導電性および接着性の観点から、１～１５μｍが好ましく、２～５μｍがより好ましい。
　集電体としては、例えば、銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔等の金属箔が用いられるが、電解銅箔や圧延銅箔のような銅箔を用いるのが好ましい。金属箔の厚みは、５～５０μｍが好ましく、９～１８μｍがより好ましい。金属箔と導電性接着層との接着性を高めるために、金属箔の表面に粗面化処理や防錆処理を施してもよい。
　本発明のリチウム二次電池用負極は、例えば、以下の工程により簡単に製造することができる。
第１工程：ポリアミドイミド溶液に黒鉛粒子を配合して黒鉛分散体（導電性接着層形成用塗料）を得る。
第２工程：黒鉛分散体を銅箔上に塗布した後、乾燥し、導電塗膜を得る。
第３工程：ポリイミド前駆体溶液にシリコン粒子および黒鉛粒子を配合してシリコン分散体（活物質層形成用塗料）を得る。
第４工程：シリコン分散体を導電塗膜上に塗布した後、乾燥し、シリコン含有塗膜を得る。
第５工程：シリコン含有塗膜を熱処理することにより、ポリイミド前駆体を熱硬化しポリイミドに変換する。
　前記の方法により、集電体と、黒鉛粒子およびポリアミドイミドとを含む導電性接着層と、シリコン粒子、黒鉛粒子およびポリイミドとを含む活物質層とを、この順に積層してなる負極を容易に製造することができる。
　第２工程（導電塗膜形成工程）における乾燥温度は、２００℃以下が好ましく、１５０℃以下がより好ましい。乾燥効率の観点から、第２工程（導電塗膜形成工程）における乾燥温度は、１００℃以上が好ましい。
　第２工程では、黒鉛分散体で用いた溶媒が導電塗膜中に５～３０質量％程度残留する程度に、導電塗膜を乾燥させるのが好ましい。この残留する溶媒が、導電性接着層と活物質層との良好な接着強度の発現に寄与する。
　第４工程（活物質塗膜形成工程）における乾燥温度は、２００℃以下が好ましく、１５０℃以下がより好ましい。乾燥効率の観点から、第４工程（活物質塗膜形成工程）における乾燥温度は、１００℃以上が好ましい。
　負極に熱的損傷を与えることなく、シリコン含有塗膜中のポリイミド前駆体をポリイミドに十分に変換することができる点で、第５工程の熱処理温度は２５０～５００℃が好ましい。熱処理は、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましいが、空気中や真空下で行ってもよい。また、熱処理後に、必要に応じて熱加圧処理を行ってもよい。
　第２工程および第４工程の各分散体の塗布は、１回だけ行ってもよく、複数回に分けて行ってもよい。
　導電材分散体を集電体へ塗布する方法、および活物質分散体を導電塗膜へ塗布する方法としては、ロールツーロールにより連続的に塗布する方法、枚様で塗布する方法のいずれの方法を用いてもよい。塗布装置としては、例えば、ダイコータ、多層ダイコータ、グラビアコータ、コンマコータ、リバースロールコータ、ドクタブレードコータが用いられる。
　ポリアミドイミド溶液は、前記したような市販品を用いても良いが、原料であるトリメリット酸無水物およびジイソシアネートを略等モルで配合し、それを溶媒中で重合反応させて得られるものも好ましく用いられる。
　トリメリット酸無水物としては、その一部がピロメリット酸無水物、ベンゾフェノンテトラカルボン酸無水物、ビフェニルテトラカルボン酸無水物に置換されたものを用いてもよい。
　ジイソシアネートとしては、例えば、ｍ－フェニレンジイソシアネート、ｐ－フェニレンジイソシアネート、４，４‘－ジフェニルメタンジイソシアネート、４，４’－ジフェニルエーテルジイソシアネート、ジフェニルスルホンー４，４‘－ジイソシアネート、ジフェニルー４，４’－ジイソシアネート、ｏ－トリジンジイソシアネート、２，４－トリレンジイソシアネート、２，６－トリレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネートが用いられる。これら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。これらの中でも、４，４‘－ジフェニルメタンジイソシアネートが好ましい。
　ポリアミドイミド溶液中におけるポリアミドイミドの固形分濃度は、１～５０質量％が好ましく、１０～３０質量％がより好ましい。
　ポリアミドイミド溶液の３０℃における粘度は、１～１５０Ｐａ・ｓが好ましく、５～１００Ｐａ・ｓがより好ましい。
　ポリイミド前駆体溶液は、前記したような市販品を用いても良いが、原料であるテトラカルボン酸二無水物およびジアミンを略等モルで配合し、それを溶媒中で重合反応させて得られるポリアミック酸も好ましく用いられる。
　テトラカルボン酸二無水物としては、例えば、ピロメリット酸、３，３′，４，４′－ビフェニルテトラカルボン酸、３，３′，４，４′－ベンゾフェノンテトラカルボン酸、３，３′，４，４′－ジフェニルスルホンテトラカルボン、酸、３，３′，４，４′－ジフェニルエーテルテトラカルボン酸、２，３，３′，４′－ベンゾフェノンテトラカルボン酸、２，３，６，７－ナフタレンテトラカルボン酸、１，４，５，７－ナフタレンテトラカルボン酸、１，２，５，６－ナフタレンテトラカルボン酸、３，３′，４，４′－ジフェニルメタンテトラカルボン酸、２，２－ビス（３，４－ジカルボキシフェニル）プロパン、２，２－ビス（３，４－ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン、３，４，９，１０－テトラカルボキシペリレン、２，２－ビス［４－（３，４－ジカルボキシフェノキシ）フェニル］プロパン、２，２－ビス［４－（３，４－ジカルボキシフェノキシ）フェニル］ヘキサフルオロプロパン等の二無水物が用いられる。これら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。これらの中でも、ピロメリット酸、３，３′，４，４′－ビフェニルテトラカルボン酸が好ましい。
　ジアミンとしては、例えば、ｐ－フェニレンジアミン、ｍ－フェニレンジアミン、３，４′－ジアミノジフェニルエーテル、４，４′－ジアミノジフェニルエーテル、４，４′－ジアミノジフェニルメタン、３，３′－ジメチル－４，４′－ジアミノジフェニルメタン、２，２－ビス［４－（４－アミノフェノキシ）フェニル］プロパン、１，２－ビス（アニリノ）エタン、ジアミノジフェニルスルホン、ジアミノベンズアニリド、ジアミノベンゾエート、ジアミノジフェニルスルフィド、２，２－ビス（ｐ－アミノフェニル）プロパン、２，２－ビス（ｐ－アミノフェニル）ヘキサフルオロプロパン、１，５－ジアミノナフタレン、ジアミノトルエン、ジアミノベンゾトリフルオライド、１，４－ビス（ｐ－アミノフェノキシ）ベンゼン、４，４′－ビス（ｐ－アミノフェノキシ）ビフェニル、ジアミノアントラキノン、４，４′－ビス（３－アミノフェノキシフェニル）ジフェニルスルホン、１，３－ビス（アニリノ）ヘキサフルオロプロパン、１，４－ビス（アニリノ）オクタフルオロブタン、１，５－ビス（アニリノ）デカフルオロペンタン、１，７－ビス（アニリノ）テトラデカフルオロヘプタンが用いられる。これら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。これらの中でも、ｐ－フェニレンジアミン、４，４′－ジアミノジフェニルエーテル、２，２－ビス［４－（４－アミノフェノキシ）フェニル］プロパンが好ましい。
　ポリイミド前駆体溶液中におけるポリアミック酸の固形分濃度としては、１～５０質量％が好ましく、５～２５質量％がより好ましい。ポリイミド前駆体溶液中に含まれるポリアミック酸は、部分的にイミド化されていてもよい。
　ポリイミド前駆体溶液の３０℃における粘度は、１～１５０Ｐａ・ｓが好ましく、１０～１００Ｐａ・ｓがより好ましい。
　ポリアミドイミド溶液やポリイミド前駆体溶液に用いられる溶媒としては、ポリアミドイミドやポリアミック酸を溶解可能な溶媒であればよく、特に限定されないが、アミド系溶媒が好ましく用いられる。アミド系溶媒としては、例えば、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）が挙げられる。これら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。
　必要に応じて、ポリアミドイミド溶液やポリイミド前駆体溶液に、各種界面活性剤や有機シランカップリング剤のような公知の添加物を、本発明の効果を損なわない範囲で添加してもよい。また、必要に応じて、ポリアミドイミド溶液やポリイミド前駆体溶液に、ポリアミドイミドやポリイミド前駆体以外の他のポリマーを、本発明の効果を損なわない範囲で添加してもよい。
　以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されない。
　実施例および比較例における各種の特性値の測定および評価は、以下のとおりである。
（Ｉ）活物質層の気孔率および電解液吸収速度
　活物質層の気孔率および電解液吸収速度については、上述した方法により測定した。
（ＩＩ）シリコン系活物質層の放電特性
　まず、得られたシート状の負極を用いて、以下の手法により、負極の放電容量を測定するための試験セルとして二極式ポーチ型セル（ラミネートセル）を作製した。
　得られたシート状の負極を、１０ｍｍ×４０ｍｍの矩形状に裁断し、１０ｍｍ×１０ｍｍの活物質面積を残して融着フィルムで被覆した。対極として、厚み１ｍｍのリチウム板を、３０ｍｍ×４０ｍｍの矩形状に裁断し、厚み０．５ｍｍのニッケルリード(５ｍｍ×５０ｍｍ)に二つ折りにして圧着した。負極のみを、袋状のセパレータ（３０ｍｍ×２０ｍｍ）に入れた後、対極と向き合わせ、電極群を得た。セパレータには、矩形状のポリプロピレン樹脂製多孔質フィルム（厚み２５μｍ）を用いた。この電極群を二枚一組の矩形状のアルミラミネートフィルム（５０ｍｍ×４０ｍｍ）で覆い、その三辺をシールした後、袋状アルミラミネートフィルム内に電解液１ｍＬを注入した。電解液には、ＥＣと、ＤＥＣと、ＥＭＣとを、体積比１：１：１で混合した混合溶媒にＬｉＰＦ６を１モル／Ｌの濃度で溶解したものを用いた。その後、残りの一辺をシールして、袋状アルミラミネートフィルム内を密封した。また、袋状アルミラミネートフィルム内の密封の際には、負極およびニッケルリードの一端を外側に延出し、端子とした。このようにして、試験セルを得た。これらの操作のすべてを、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
　次に、得られた試験セルを用いて、上述した＜充放電条件＞に従って充放電を繰り返し、２０回目の放電容量を求めた。
　実施例および比較例に用いた、バインダ溶液、活物質層形成用シリコン分散体、および導電性接着層形成用黒鉛分散体の調製方法は、以下のとおりである。
［ポリイミド前駆体溶液の調製］
　略等モルの３，３’，４，４’－ビフェニルテトラカルボン酸二無水物（ＢＰＤＡ）と、４，４’－オキシジアニリン（ＯＤＡ）とを、ＮＭＰ中で反応させて、ポリイミドとしての固形分濃度が２０質量％および３０℃での粘度が２５Ｐａ・ｓである、均一なポリアミック酸溶液（Ｐ－１）を得た。
［ポリアミドイミド溶液の調製］
　略等モルのトリメリット酸無水物（ＴＭＡ）と、４，４‘－ジフェニルメタンジイソシアネート（ＤＭＩ）とを、ＮＭＰ中で反応させて、固形分濃度が１８質量％および３０℃での粘度が１５Ｐａ・ｓである、均一なポリアミドイミド溶液（Ｐ－２）を得た。
［活物質層形成用シリコン分散体の調製］
　前記で得られた溶液（Ｐ－１）に、平均粒径が０．７μｍであるシリコン粒子（純度：９９質量％）と、平均粒径が３μｍである黒鉛粒子とを、表１に示す組成で加え、均一に分散するように攪拌した後、ＮＭＰを加えた。このようにして、表１に示す組成を有するシリコン分散体（固形分濃度約２５質量％）を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  
［導電性接着層形成用導電性粒子分散体の調製］
　前記で得られた溶液（Ｐ－１）または溶液（Ｐ－２）に、平均粒径が３μｍである黒鉛粒子またはカーボンブラック（ケッチェンブラック）を表２に示す組成で加え、均一に分散するように攪拌した後、ＮＭＰを加えた。このようにして、表２に示す組成を有する導電性粒子分散体ａ１～ａ１０（固形分濃度約３０質量％）を得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
  
＜実施例１＞
　厚み１８μｍの電解銅箔（古河電気工業社製、Ｆ２－ＷＳ）の一方の表面に、導電性粒子分散体ａ１を、バーコータを用いて枚様で均一に塗布した後、１３０℃で１０分間乾燥し、導電塗膜を得た。黒鉛分散体の塗布量は、得られる導電接着層の厚みが３～４μｍになるように調製した。次に、導電塗膜の表面に、シリコン分散体Ａ１を、バーコータを用いて枚様で均一に塗布し、１３０℃で１０分間乾燥し、活物質塗膜を得た。シリコン分散体の塗布量は、得られる活物質層の厚みが４０～５０μｍになるように調製した。このようにして、電解銅箔と、導電塗膜と、活物質塗膜とを、この順に積層してなる積層体を得た。次に、得られた積層体を、窒素ガス雰囲気下で１００℃から３５０℃まで２時間かけて昇温した後、３５０℃で１時間熱処理した。この熱処理により、活物質塗膜中のポリアミック酸をポリイミドに変換した。このようにして、電解銅箔と、導電性接着層と、活物質層とを、この順に積層してなる負極Ａ１ａ１を得た。この負極の特性を表３に示す。
　また、この負極の充放電サイクルの際の、１回目、５回目、１０回目、および２０回目の充放電曲線を図１に示す。図１から、１回目のみ高い放電容量が得られているが、２回目以降２０回目までの繰り返し充放電では、充放電曲線にばらつきはあるものの繰り返しによる負極の放電容量の低下は僅かであることが判る。
＜実施例２～５＞
　導電性粒子分散体ａ１を導電性粒子分散体ａ２～ａ５に変えた以外は、実施例１と同様の方法により、負極Ａ１ａ２～Ａ１ａ５を得た。この負極の特性を表３に示す。これらの負極では、充放電曲線も負極Ａ１a１と同様の傾向を示した。
＜実施例６～７＞
　シリコン分散体Ａ１をシリコン分散体Ａ２～Ａ３に変えた以外は、実施例１と同様の方法により、負極Ａ２ａ１～Ａ３ａ１を得た。この負極の特性を表３に示す。これらの負極では、充放電曲線も負極Ａ１a１と同様の傾向を示した。
＜比較例１～５＞
　導電性粒子分散体ａ１を導電性粒子分散体ａ６～ａ１０に変えた以外は、実施例１と同様の方法により、負極Ａ１ａ６～Ａ１ａ１０を得た。この負極の特性を表３に示す。これらの負極では、充放電の繰り返しに伴い放電容量が大きく低下し、２０回目の放電容量は１０００ｍＡｈ／ｇ－シリコン系活物質未満と低いものであった。
＜比較例６＞
　シリコン分散体Ａ１をシリコン分散体Ａ４に変えた以外は、実施例１と同様の方法により、負極Ａ４a１を得た。この負極の特性を表３に示す。この負極では、２０回目の放電容量は１５００ｍＡｈ／ｇ－シリコン系活物質の値を示したが、活物質層中のシリコン系活物質の含有量が４５質量％と低いため、負極としての放電容量は低いものであった。
　以上のように、本発明の実施例の負極では、高い放電容量を有し、かつ充放電サイクル特性に優れているので、リチウム二次電池用の負極として好適に用いることできる。

Claims (5)

  1. 　粒子状のシリコン系活物質とバインダとを含む活物質層が設けられたリチウム二次電池用負極であって、
    　活物質層中におけるシリコン系活物質の含有量が５０質量％超であり、
    　下記に示すセルの構成および充放電条件で、充放電を２０回繰り返した時の２０回目の放電容量が１５００ｍＡｈ／ｇ－シリコン系活物質以上であることを特徴とするリチウム二次電池用負極。
    ＜セルの構成＞
    　電池：二極式ポーチ型セル
    　対極：金属リチウム
    　電解液：ＬｉＰＦ６が１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解した、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、およびジメチルカーボネートの混合溶媒（体積比１：１：１）
    ＜充放電条件＞
    　測定温度：３０℃
    　電圧範囲：０．０１～２Ｖ
    　充電電流および放電電流：５００ｍＡ／ｇ－シリコン系活物質
  2. 　活物質層の気孔率が１５～４０体積％であり、かつその電解液吸収速度が３００秒以下であることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池用負極。
  3. 　集電体上に形成された導電性接着層の外表面に活物質層が積層された積層体からなる請求項１または２記載のリチウム二次電池用負極。
  4. 　活物質がシリコン単体からなる粒子であ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二次電池用負極。
  5. 　シリコン系活物質の平均粒径が１μｍ未満であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
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