WO2016098207A1 - 電気デバイス用負極活物質、およびこれを用いた電気デバイス - Google Patents

電気デバイス用負極活物質、およびこれを用いた電気デバイス Download PDF

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silicide
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千葉　啓貴
智裕 蕪木
渡邉　学
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
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    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a negative electrode active material for an electric device and an electric device using the same.
  • the negative electrode active material for an electric device and the electric device using the same according to the present invention include, for example, a driving power source and an auxiliary power source for a motor of a vehicle such as an electric vehicle, a fuel cell vehicle, and a hybrid electric vehicle as a secondary battery or a capacitor. Used for.
  • Motor drive secondary batteries are required to have extremely high output characteristics and high energy compared to consumer lithium ion secondary batteries used in mobile phones and notebook computers. Therefore, lithium ion secondary batteries having the highest theoretical energy among all the batteries are attracting attention, and are currently being developed rapidly.
  • a lithium ion secondary battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of a negative electrode current collector using a binder.
  • a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder
  • a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of a negative electrode current collector using a binder.
  • it has the structure connected through an electrolyte layer and accommodated in a battery case.
  • a battery using a material that is alloyed with Li for the negative electrode is expected as a negative electrode material for vehicle use because the energy density is improved as compared with a conventional carbon / graphite negative electrode material.
  • a lithium ion secondary battery using a material that is alloyed with Li for the negative electrode has a large expansion and contraction in the negative electrode during charge and discharge.
  • the volume expansion is about 1.2 times in graphite materials
  • Si materials when Si and Li are alloyed, transition from the amorphous state to the crystalline state causes a large volume change. (Approximately 4 times), there was a problem of reducing the cycle life of the electrode.
  • the capacity and the cycle durability are in a trade-off relationship, and there is a problem that it is difficult to improve the cycle durability while exhibiting a high capacity.
  • Patent Document 1 discloses an invention that aims to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having a negative electrode pellet having a high capacity and an excellent cycle life.
  • a silicon-containing alloy obtained by mixing silicon powder and titanium powder by a mechanical alloying method and wet-pulverizing the first phase mainly composed of silicon and a silicide of titanium (such as TiSi 2 ) ) Containing a second phase containing) is disclosed as a negative electrode active material.
  • a silicon-containing alloy obtained by mixing silicon powder and titanium powder by a mechanical alloying method and wet-pulverizing the first phase mainly composed of silicon and a silicide of titanium (such as TiSi 2 ) ) Containing a second phase containing) is disclosed as a negative electrode active material.
  • at least one of these two phases is amorphous or low crystalline.
  • an object of the present invention is to provide means capable of improving cycle durability of an electric device such as a lithium ion secondary battery.
  • the present inventors have conducted intensive research to solve the above problems.
  • the above problem is solved by setting the silicide phase having an aspect ratio of 3 or more to a predetermined ratio or more with respect to the total number of silicide phases.
  • the present invention has been completed.
  • the present invention relates to a negative electrode active material for electric devices.
  • the negative active material for an electric device is made of a silicon-containing alloy having a structure in which a silicide phase containing a silicide of a transition metal is dispersed in a parent phase mainly composed of amorphous or low crystalline silicon.
  • the silicon-containing alloy has the following chemical formula (1):
  • A is an inevitable impurity
  • M is one or more transition metal elements
  • the silicide phase having an aspect ratio of 3 or more is characterized by being 2% or more with respect to the total number of silicide phases.
  • the expansion and contraction of the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the charge / discharge process of the electric device is achieved by setting the silicide phase having an aspect ratio of 3 or more to a predetermined ratio or more with respect to the total number of silicide phases. This suppresses the decrease in the conductivity of the negative electrode active material. As a result, cycle durability of an electric device using the negative electrode active material can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an outline of a laminated flat non-bipolar lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of an electric device according to the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the appearance of a stacked flat lithium ion secondary battery that is a representative embodiment of an electric device according to the present invention.
  • 2 is a photograph obtained by EDX analysis (energy dispersive X-ray analysis) of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder obtained in Example 1.
  • EDX analysis energy dispersive X-ray analysis
  • 4 is a photograph obtained by EDX analysis (energy dispersive X-ray analysis) of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder obtained in Example 2.
  • 4 is a photograph obtained by EDX analysis (energy dispersive X-ray analysis) of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder obtained in Example 3.
  • 4 is a photograph obtained by EDX analysis (energy dispersive X-ray analysis) of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder obtained in Comparative Example 1.
  • 6 is a graph showing cumulative relative frequencies with respect to the aspect ratio of a silicide phase contained in silicon-containing alloy (negative electrode active material) powders obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
  • a negative electrode active material for an electric device is provided.
  • the negative active material for an electric device is made of a silicon-containing alloy having a structure in which a silicide phase containing a silicide of a transition metal is dispersed in a parent phase mainly composed of amorphous or low crystalline silicon.
  • the silicon-containing alloy has the following chemical formula (1):
  • A is an inevitable impurity
  • M is one or more transition metal elements
  • the silicide phase having an aspect ratio of 3 or more is characterized by being 2% or more with respect to the total number of silicide phases.
  • a negative electrode for a lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of a negative electrode including a negative electrode active material for an electric device according to the present invention, and a lithium ion secondary battery using the same
  • a cell (single cell layer) ) Voltage is large, and high energy density and high power density can be achieved. Therefore, the lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment is excellent as a vehicle driving power source or an auxiliary power source.
  • it can be suitably used as a lithium ion secondary battery for a vehicle driving power source or the like.
  • the present invention can be sufficiently applied to lithium ion secondary batteries for portable devices such as mobile phones.
  • the lithium ion secondary battery that is the subject of the present embodiment may be any one that uses the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment described below. It should not be restricted in particular.
  • the lithium ion secondary battery when distinguished by form / structure, it can be applied to any conventionally known form / structure such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery. Is.
  • a stacked (flat) battery structure By adopting a stacked (flat) battery structure, long-term reliability can be secured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.
  • a solution electrolyte type battery using a solution electrolyte such as a nonaqueous electrolyte solution for the electrolyte layer, a polymer battery using a polymer electrolyte for the electrolyte layer, etc. It can be applied to any conventionally known electrolyte layer type.
  • the polymer battery is further divided into a gel electrolyte type battery using a polymer gel electrolyte (also simply referred to as gel electrolyte) and a solid polymer (all solid) type battery using a polymer solid electrolyte (also simply referred to as polymer electrolyte). It is done.
  • the non-bipolar (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of this embodiment will be described very simply with reference to the drawings.
  • the technical scope of the lithium ion secondary battery of the present embodiment should not be limited to these.
  • FIG. 1 schematically shows the overall structure of a flat (stacked) lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “stacked battery”), which is a typical embodiment of the electrical device of the present invention.
  • stacked battery a flat (stacked) lithium ion secondary battery
  • the stacked battery 10 of the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate sheet 29 that is an exterior body.
  • the positive electrode in which the positive electrode active material layer 15 is disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 12, the electrolyte layer 17, and the negative electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 11. It has a configuration in which a negative electrode is laminated. Specifically, the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order so that one positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. .
  • the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 shown in FIG. 1 has a configuration in which a plurality of single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel.
  • the positive electrode current collector 15 located on both outermost layers of the power generation element 21 has the positive electrode active material layer 15 disposed only on one side, but the active material layers may be provided on both sides. . That is, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer provided with an active material layer only on one side, a current collector having an active material layer on both sides may be used as it is as an outermost current collector. Further, by reversing the arrangement of the positive electrode and the negative electrode as compared with FIG. 1, the outermost negative electrode current collector is positioned on both outermost layers of the power generation element 21, and one side of the outermost negative electrode current collector or A negative electrode active material layer may be disposed on both sides.
  • the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 are attached to the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25 that are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), and are sandwiched between the end portions of the laminate sheet 29. Thus, it has a structure led out of the laminate sheet 29.
  • the positive electrode current collector 27 and the negative electrode current collector 25 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 of each electrode via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown), respectively, as necessary. Or resistance welding or the like.
  • the lithium ion secondary battery described above is characterized by a negative electrode.
  • main components of the battery including the negative electrode will be described.
  • the active material layer 13 or 15 contains an active material, and further contains other additives as necessary.
  • the positive electrode active material layer 15 includes a positive electrode active material.
  • the positive electrode active material examples include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni—Mn—Co) O 2, and lithium-- such as those in which some of these transition metals are substituted with other elements.
  • Examples include transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds.
  • two or more positive electrode active materials may be used in combination.
  • a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material.
  • a composite oxide containing lithium and nickel is used, and more preferably Li (Ni—Mn—Co) O 2 and a part of these transition metals substituted with other elements (hereinafter, referred to as “following”) Simply referred to as “NMC composite oxide”).
  • the NMC composite oxide has a layered crystal structure in which a lithium atomic layer and a transition metal (Mn, Ni, and Co are arranged in order) are stacked alternately via an oxygen atomic layer.
  • One Li atom is contained, and the amount of Li that can be taken out is twice that of the spinel lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is doubled, so that a high capacity can be obtained.
  • the NMC composite oxide includes a composite oxide in which a part of the transition metal element is substituted with another metal element.
  • Other elements in that case include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, Cu , Ag, Zn, etc., preferably Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, more preferably Ti, Zr, P, Al, Mg, From the viewpoint of improving cycle characteristics, Ti, Zr, Al, Mg, and Cr are more preferable.
  • a represents the atomic ratio of Li
  • b represents the atomic ratio of Ni
  • c represents the atomic ratio of Mn
  • d represents the atomic ratio of Co
  • x represents the atomic ratio of M. Represents. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that 0.4 ⁇ b ⁇ 0.6 in the above general formula.
  • the composition of each element can be measured by, for example, inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry.
  • ICP inductively coupled plasma
  • Ni nickel
  • Co cobalt
  • Mn manganese
  • Ti or the like partially replaces the transition metal in the crystal lattice. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that a part of the transition element is substituted with another metal element, and it is particularly preferable that 0 ⁇ x ⁇ 0.3 in the above general formula. Since at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr is dissolved, the crystal structure is stabilized. It is considered that the battery capacity can be prevented from decreasing even if the above is repeated, and that excellent cycle characteristics can be realized.
  • b, c and d are 0.44 ⁇ b ⁇ 0.51, 0.27 ⁇ c ⁇ 0.31, 0.19 ⁇ d ⁇ 0.26.
  • LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2, etc. that have been proven in general consumer batteries.
  • the capacity per unit weight is large, and the energy density can be improved, so that a battery having a compact and high capacity can be produced, which is preferable from the viewpoint of cruising distance.
  • LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 is more advantageous in terms of a larger capacity, but there are difficulties in life characteristics.
  • LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 has life characteristics as excellent as LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 .
  • two or more positive electrode active materials may be used in combination.
  • a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material.
  • positive electrode active materials other than those described above may be used.
  • the average particle diameter of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 15 is not particularly limited, but is preferably 1 to 30 ⁇ m, more preferably 5 to 20 ⁇ m from the viewpoint of increasing the output.
  • the “particle diameter” refers to the outline of the active material particles (observation surface) observed using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). It means the maximum distance among any two points.
  • the value of “average particle diameter” is the value of particles observed in several to several tens of fields using observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of the particle diameter shall be adopted.
  • the particle diameters and average particle diameters of other components can be defined in the same manner.
  • the positive electrode active material layer 15 may contain a binder.
  • Binder is added for the purpose of maintaining the electrode structure by binding the active materials or the active material and the current collector.
  • a binder used for a positive electrode active material layer For example, the following materials are mentioned.
  • polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene / butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyamide, and polyamideimide are more preferable.
  • These suitable binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used alone or in combination of two.
  • the amount of the binder contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it can bind the active material, but it is preferably 0.5 to 15% by mass with respect to the active material layer. More preferably, it is 1 to 10% by mass.
  • the positive electrode (positive electrode active material layer) can be applied by any one of a kneading method, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, a PVD method, an ion plating method, and a thermal spraying method in addition to a method of applying (coating) a normal slurry. Can be formed.
  • the negative electrode active material layer 13 includes a negative electrode active material.
  • the negative electrode active material is composed of a silicon-containing alloy having a specific element composition and a structure.
  • the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment is first provided with a parent phase mainly composed of amorphous or amorphous silicon.
  • a parent phase mainly composed of amorphous or amorphous silicon.
  • the parent phase constituting the silicon-containing alloy may be a phase containing silicon as a main component, and is preferably a Si single phase (phase consisting of only Si).
  • This parent phase (phase containing Si as a main component) is a phase involved in occlusion / release of lithium ions during operation of the electrical device (lithium ion secondary battery) of the present embodiment, and electrochemically reacts with Li. It is a possible phase.
  • the Si single phase it is possible to occlude and release a large amount of Li per weight and per volume.
  • the parent phase may contain a small amount of additive elements such as phosphorus and boron, transition metals, and the like.
  • the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment includes a silicide phase dispersed in the parent phase in addition to the parent phase.
  • This silicide phase is a phase containing a transition metal silicide. Since this silicide phase contains silicide (silicide), it has excellent affinity with the parent phase and can suppress cracks at the crystal interface particularly during volume expansion during charging. Furthermore, the silicide phase is superior in terms of electron conductivity and hardness compared to the parent phase. For this reason, the silicide phase plays a role of improving the low electron conductivity of the parent phase and maintaining the shape of the active material against the stress during expansion.
  • a plurality of phases may exist in the silicide phase.
  • two or more phases for example, MSi 2 and MSi
  • two or more phases may exist by including a silicide with different transition metal elements.
  • the type of transition metal contained in the silicide phase is not particularly limited, but is preferably at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ni, Cu, and Fe, and more preferably Ti or Zr. Yes, particularly preferably Ti.
  • These elements have a higher electron conductivity and higher strength than silicides of other elements when silicides are formed.
  • TiSi 2 which is silicide when the transition metal element is Ti is preferable because it exhibits very excellent electron conductivity.
  • the diffraction showing the crystallinity of the silicide phase is performed by performing electron diffraction measurement under the following measuring device and conditions.
  • the presence or absence of the spot may be confirmed, and the presence of such a spot supports the presence of the silicide phase.
  • the presence of the halo pattern confirms that the matrix is amorphous or low crystalline.
  • the silicon-containing alloy has a composition represented by the following chemical formula (1).
  • A is an inevitable impurity
  • M is one or more transition metal elements
  • the silicon-containing alloy must be a ternary system of Si, Sn, and M (transition metal).
  • Si, Sn and M transition metal
  • the silicon-containing alloy must be a ternary system of Si, Sn and M (transition metal).
  • a ternary system of Si, Sn and M makes it easier to form a silicide phase having an aspect ratio of 3 or more. I can think of it.
  • the “inevitable impurities” means an Si-containing alloy that exists in a raw material or is inevitably mixed in a manufacturing process. The inevitable impurities are originally unnecessary impurities, but are a very small amount and do not affect the characteristics of the Si alloy.
  • M is preferably titanium (Ti).
  • the amorphous-crystal phase transition is suppressed because, in the Si material, when Si and Li are alloyed, the amorphous state transitions to the crystalline state and a large volume change (about 4 times) occurs. This is because the particles themselves are broken and the function as an active material is lost. Therefore, by suppressing the amorphous-crystal phase transition, it is possible to suppress the collapse of the particles themselves, maintain the function as the active material (high capacity), and improve the cycle life. By selecting such an additive element, a Si alloy negative electrode active material having a high capacity and high cycle durability can be provided.
  • the composition ratio z of the transition metal M (particularly Ti) is preferably 7 ⁇ z ⁇ 100, more preferably 10 ⁇ z ⁇ 100, and 15 ⁇ z ⁇ 100. It is more preferable that 20 ⁇ z ⁇ 100.
  • the x, y, and z are represented by the following formula (1) or (2):
  • the content of the transition metal M is preferably in the range of more than 7% by mass. That is, the x, y, and z are represented by the following formula (3) or (4):
  • the x, y, and z are represented by the following formula (5) or (6):
  • the x, y, and z are expressed by the following formula (7):
  • A is an impurity (unavoidable impurity) other than the above three components derived from the raw materials and the manufacturing method.
  • the a is 0 ⁇ a ⁇ 0.5, and preferably 0 ⁇ a ⁇ 0.1.
  • the negative electrode active material (silicon-containing alloy) has the composition of the above chemical formula (1) is determined by qualitative analysis by fluorescent X-ray analysis (XRF) and quantitative analysis by inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy. It is possible to confirm by
  • the silicide phase having an aspect ratio of 3 or more is 2% or more with respect to the total number of silicide phases contained in the alloy.
  • the silicide phase having an aspect ratio of 3 or more is more preferably present in a proportion of 7% or more, and in a proportion of 9.1% or more.
  • the upper limit of the proportion of the silicide phase having an aspect ratio of 3 or more is not particularly limited, but it is 50% or less in consideration of a decrease in productivity due to an increase in alloying time.
  • the silicide phase is excellent in electron conductivity (conductivity)
  • a silicide having an aspect ratio of 3 or more is preferable.
  • the id phase is present in a specific ratio or more, a conductive network in the silicon-containing alloy can be formed satisfactorily, so that even when the silicon-containing alloy expands and contracts during the charge and discharge process of the electric device, The network is maintained, and the portion involved in the insertion and extraction of lithium ions can be prevented from decreasing, and as a result, the cycle durability of the electric device can be improved.
  • the aspect ratio of the silicide phase and the existence ratio of the silicide phase having an aspect ratio of 3 or more are determined by EDX analysis (energy dispersive X-ray analysis; Energy dispersive X-ray spectrometry) described later (especially in Examples) or HAADF-STEM (High Angle Scattering Circular Dark Field Scanning Transmission Microscopy; High-AngleAnAnnular Dark Field Scanning TEM It can be obtained by analyzing an image of an alloy cross-section obtained by the above method.
  • the volume fraction of the silicide phase in the silicon-containing alloy in the present embodiment is preferably 30% or more, and more preferably 40% or more. It is further preferably 43.5% or more, particularly preferably 50% or more, and most preferably 67.3% or more.
  • the upper limit of the volume fraction is not particularly limited, but is preferably 90% or less, and preferably 80% or less in consideration of the Li storage / release capacity per weight and volume of the silicon-containing alloy. More preferred.
  • the volume fraction of the silicide phase in the silicon-containing alloy can be obtained by analyzing an image of the alloy cross section obtained by a technique such as EDX analysis or HAADF-STEM described later (particularly in the examples).
  • the closest distance between adjacent silicide phases is preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less. More preferably, it is 1 nm or less.
  • the lower limit value of the closest distance is not particularly limited.
  • the closest distance between the silicide phases is within the above range, a tunnel current easily flows between the silicide phases, so that a conductive network in the alloy is easily secured. As a result, higher levels of cycling characteristics can be achieved in electrical devices.
  • the “closest distance between adjacent silicide phases” means the distance (shortest distance) between adjacent silicide phases in the cross section of the alloy.
  • the combination of adjacent silicide phases is preferably 10% or more, more preferably 30% or more, still more preferably 50% or more, still more preferably 70% or more, and particularly preferably 90% or more. Most preferably, 100% should satisfy the above numerical range.
  • the closest distance between adjacent silicide phases in a silicon-containing alloy can be obtained by analyzing an image of an alloy cross section obtained by a technique such as EDX analysis or HAADF-STEM described later (particularly in Examples). it can.
  • the structure of the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment can be analyzed using a technique such as EDX analysis or HAADF-STEM.
  • EDX analysis refers to detecting characteristic X-rays or fluorescent X-rays generated when an object is irradiated with primary rays such as electron beams and X-rays using an energy dispersive detector such as a semiconductor detector. This is an elemental analysis technique that examines the elements and concentration of an object from its energy and intensity.
  • HAADF-STEM is a technique for obtaining an image of a sample by applying a finely focused electron beam while scanning the sample, and detecting the scattered electrons scattered at a high angle with a ring detector. .
  • a HAADF-STEM image is obtained under the following conditions.
  • FIB focused ion beam
  • Microsampling system Hitachi FB-2000A
  • Use Al grid (measuring equipment and conditions)
  • Apparatus Atomic resolution analytical electron microscope (JEM-JEM-ARM200F) JED2 JED-2300 (100mm 2 silicon drift (SDD) type)
  • an image of the microstructure of the cross section of the alloy obtained by the above-described technique such as EDX analysis or HAADF-STEM is image-processed by the method described in the examples described later, so that the matrix phase and the silicide phase The dispersion state of can be observed.
  • the particle diameter of the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment is not particularly limited, but the average particle diameter is preferably 0.1 to 20 ⁇ m, more preferably 0.2 to 10 ⁇ m.
  • the following manufacturing method is provided as a manufacturing method for setting the ratio of the silicide phase having an aspect ratio of 3 or more to 2% or more with respect to the total number of silicide phases contained in the silicon-containing alloy.
  • the manufacturing method includes a step of obtaining a mixed powder by mixing raw materials of a silicon-containing alloy, and a step of obtaining a negative electrode active material for an electric device made of a silicon-containing alloy by performing an alloying treatment on the mixed powder. .
  • it demonstrates in order of a process.
  • a process for obtaining a mixed powder by mixing raw materials of a silicon-containing alloy is performed.
  • the composition of the obtained negative electrode active material silicon-containing alloy
  • raw materials for the alloy are mixed.
  • the composition ratio of the transition metal M (particularly Ti) is increased, the proportion of the silicide phase having an aspect ratio of 3 or more contained in the silicon-containing alloy, There is a tendency for the volume fraction of to increase. Therefore, the silicon-containing alloy of this embodiment can be produced by appropriately adjusting the ratio of the transition metal M (particularly Ti) in the alloy raw material.
  • the raw material of the alloy is not particularly limited as long as the ratio of elements necessary as the negative electrode active material can be realized.
  • the negative electrode active material mixed in a target ratio, an alloy having a target element ratio, a solid solution, or an intermetallic compound.
  • raw materials in a powder state are mixed. Thereby, the mixed powder which consists of a raw material is obtained.
  • Examples of alloying methods include a solid phase method, a liquid phase method, and a gas phase method.
  • a mechanical alloy method for example, a mechanical alloy method, an arc plasma melting method, a casting method, a gas atomizing method, a liquid quenching method, an ion beam sputtering method, a vacuum method, and the like.
  • Examples include vapor deposition, plating, and gas phase chemical reaction.
  • a step of melting the raw material and a step of rapidly cooling and solidifying the molten material may be included.
  • the alloying treatment described above is preferably performed for 12 hours or more, more preferably for 24 hours or more.
  • it can be set as the structure which consists of a mother phase / silicide phase as mentioned above.
  • the alloying treatment time is 24 hours or more, a silicide phase having an aspect ratio of 3 or more is sufficiently formed, and a negative electrode active material (silicon-containing alloy) capable of exhibiting desired cycle durability is obtained.
  • the alloying treatment time is preferably 30 hours or more, more preferably 36 hours or more, still more preferably 42 hours or more, and particularly preferably 48 hours or more.
  • the upper limit of the time for alloying process is not set in particular, it may usually be 72 hours or less.
  • the alloying treatment by the method described above is usually performed in a dry atmosphere, but the particle size distribution after the alloying treatment may be very large or small. For this reason, it is preferable to perform the grinding
  • the predetermined alloy included in the negative electrode active material layer has been described, but the negative electrode active material layer may contain other negative electrode active materials.
  • the negative electrode active material other than the predetermined alloy include natural graphite, artificial graphite, carbon black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, carbon such as hard carbon, pure metal such as Si and Sn, and the predetermined composition. Alloy-based active material out of ratio, or metal oxide such as TiO, Ti 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , SiO, SnO 2 , lithium such as Li 4/3 Ti 5/3 O 4 or Li 7 MnN And transition metal complex oxides, Li—Pb alloys, Li—Al alloys, Li and the like.
  • the content of the predetermined silicon-containing alloy occupying 100% by mass of the total amount of the negative electrode active material from the viewpoint of sufficiently exerting the effects obtained by using the predetermined silicon-containing alloy as the negative electrode active material.
  • the negative electrode active material layer 13 includes a binder.
  • Binder is added for the purpose of maintaining the electrode structure by binding the active materials or the active material and the current collector.
  • the amount of the binder contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it can bind the active material, but is preferably 0.5 to It is 20% by mass, more preferably 1 to 15% by mass.
  • the positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 include a conductive additive, an electrolyte salt (lithium salt), an ion conductive polymer, and the like as necessary.
  • the negative electrode active material layer 13 essentially includes a conductive additive.
  • Conductive auxiliary agent means the additive mix
  • Examples of the conductive assistant include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and vapor grown carbon fiber.
  • the content of the conductive additive mixed into the active material layer is in the range of 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and further preferably 5% by mass or more with respect to the total amount of the active material layer.
  • the content of the conductive additive mixed in the active material layer is 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and further preferably 7% by mass or less with respect to the total amount of the active material layer. is there.
  • the conductive binder having the functions of the conductive assistant and the binder may be used in place of the conductive assistant and the binder, or may be used in combination with one or both of the conductive assistant and the binder.
  • Commercially available TAB-2 (manufactured by Hosen Co., Ltd.) can be used as the conductive binder.
  • Electrolyte salt lithium salt
  • Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
  • Ion conductive polymer examples include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.
  • the compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is not particularly limited.
  • the mixing ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about the non-aqueous solvent secondary battery.
  • each active material layer (active material layer on one side of the current collector) is not particularly limited, and conventionally known knowledge about the battery can be appropriately referred to.
  • the thickness of each active material layer is usually about 1 to 500 ⁇ m, preferably 2 to 100 ⁇ m, taking into consideration the intended use of the battery (emphasis on output, energy, etc.) and ion conductivity.
  • the current collectors 11 and 12 are made of a conductive material.
  • the size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, if it is used for a large battery that requires a high energy density, a current collector having a large area is used.
  • the thickness of the current collector is usually about 1 to 100 ⁇ m.
  • the shape of the current collector is not particularly limited.
  • a mesh shape (such as an expanded grid) can be used.
  • the negative electrode active material is formed directly on the negative electrode current collector 12 by sputtering or the like, it is desirable to use a current collector foil.
  • a metal or a resin in which a conductive filler is added to a conductive polymer material or a non-conductive polymer material can be employed.
  • examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper.
  • a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these metals can be preferably used.
  • covered on the metal surface may be sufficient.
  • aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material by sputtering to the current collector.
  • examples of the conductive polymer material include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylene vinylene, polyacrylonitrile, and polyoxadiazole. Since such a conductive polymer material has sufficient conductivity without adding a conductive filler, it is advantageous in terms of facilitating the manufacturing process or reducing the weight of the current collector.
  • Non-conductive polymer materials include, for example, polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA) , Polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS).
  • PE polyethylene
  • HDPE high density polyethylene
  • LDPE low density polyethylene
  • PP polypropylene
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyether nitrile
  • PI polyimide
  • PAI polyamideimide
  • PA polyamide
  • PTFE polytetraflu
  • a conductive filler may be added to the conductive polymer material or the non-conductive polymer material as necessary.
  • a conductive filler is inevitably necessary to impart conductivity to the resin.
  • the conductive filler can be used without particular limitation as long as it has a conductivity.
  • metals, conductive carbon, etc. are mentioned as a material excellent in electroconductivity, electric potential resistance, or lithium ion barrier
  • the metal is not particularly limited, but at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb, and K, or these metals It is preferable to contain an alloy or metal oxide containing.
  • it includes at least one selected from the group consisting of acetylene black, vulcan, black pearl, carbon nanofiber, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene.
  • the amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it is an amount capable of imparting sufficient conductivity to the current collector, and is generally about 5 to 35% by mass.
  • a liquid electrolyte or a polymer electrolyte can be used as the electrolyte constituting the electrolyte layer 17.
  • the liquid electrolyte has a form in which a lithium salt (electrolyte salt) is dissolved in an organic solvent.
  • organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), Examples include carbonates such as methylpropyl carbonate (MPC).
  • Li (CF 3 SO 2) 2 N Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiClO 4, LiCF 3 SO 3 , etc.
  • a compound that can be added to the active material layer of the electrode can be employed.
  • polymer electrolytes are classified into gel electrolytes containing an electrolytic solution and intrinsic polymer electrolytes not containing an electrolytic solution.
  • the gel electrolyte has a configuration in which the above liquid electrolyte (electrolytic solution) is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer.
  • the use of a gel polymer electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost and it is easy to block ion conduction between the layers.
  • Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof.
  • PEO polyethylene oxide
  • PPO polypropylene oxide
  • electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved.
  • the ratio of the liquid electrolyte (electrolytic solution) in the gel electrolyte is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity.
  • the gel electrolyte having a large amount of electrolytic solution having a ratio of the electrolytic solution of 70% by mass or more is particularly effective.
  • a separator may be used for the electrolyte layer.
  • the separator include a microporous film made of polyolefin such as polyethylene and polypropylene, a porous flat plate, and a non-woven fabric.
  • the intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the above matrix polymer, and does not contain an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.
  • a supporting salt lithium salt
  • the matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can express excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure.
  • thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator.
  • a polymerization treatment may be performed.
  • a current collecting plate may be used for the purpose of taking out the current outside the battery.
  • the current collector plate is electrically connected to the current collector and the lead, and is taken out of the laminate sheet that is a battery exterior material.
  • the material constituting the current collector plate is not particularly limited, and a known highly conductive material conventionally used as a current collector plate for a lithium ion secondary battery can be used.
  • a constituent material of the current collector plate for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and aluminum is more preferable from the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity. Copper or the like is preferable. Note that the same material may be used for the positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate, or different materials may be used.
  • ⁇ Use positive terminal lead and negative terminal lead as required.
  • a terminal lead used in a known lithium ion secondary battery can be used.
  • the part taken out from the battery outer packaging material 29 has a heat insulating property so as not to affect the product (for example, automobile parts, particularly electronic devices) by contacting with peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.
  • ⁇ Battery exterior material> As the battery exterior material 29, a known metal can case can be used, and a bag-like case using a laminate film containing aluminum that can cover the power generation element can be used.
  • a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto.
  • a laminate film is desirable from the viewpoint that it is excellent in high output and cooling performance, and can be suitably used for a battery for large equipment for EV and HEV.
  • said lithium ion secondary battery can be manufactured with a conventionally well-known manufacturing method.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a stacked flat lithium ion secondary battery.
  • the stacked flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive current collector 59 for taking out power from both sides thereof, a negative current collector, and the like.
  • the electric plate 58 is pulled out.
  • the power generation element 57 is wrapped by the battery outer packaging material 52 of the lithium ion secondary battery 50 and the periphery thereof is heat-sealed.
  • the power generation element 57 pulls out the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 to the outside. Sealed.
  • the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the lithium ion secondary battery (stacked battery) 10 shown in FIG.
  • the power generation element 57 is formed by laminating a plurality of single battery layers (single cells) 19 including a positive electrode (positive electrode active material layer) 13, an electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode active material layer) 15.
  • the lithium ion secondary battery is not limited to a laminated flat shape (laminate cell).
  • a cylindrical shape coin cell
  • a prismatic shape square cell
  • it may be a cylindrical cell, and is not particularly limited.
  • the cylindrical or prismatic shape is not particularly limited, for example, a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) may be used as the exterior material.
  • the power generation element is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.
  • the removal of the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 shown in FIG. 2 is not particularly limited.
  • the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be drawn out from the same side, or the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side. It is not limited to the one shown in FIG.
  • a terminal instead of the current collector plate, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).
  • the negative electrode active material for an electric device of this embodiment the cycle durability of the electric device can be improved. Therefore, the negative electrode and electric device using the negative electrode active material can be suitably used as a large-capacity power source for electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, hybrid fuel cell vehicles, and the like. That is, it can be suitably used for a vehicle driving power source and an auxiliary power source that require high volume energy density and high volume output density over a long period of time.
  • the lithium ion battery is exemplified as the electric device.
  • the present invention is not limited to this, and can be applied to other types of secondary batteries and further to primary batteries. Moreover, it can be applied not only to batteries but also to capacitors.
  • Example 1 [Manufacture of silicon-containing alloys] A silicon-containing alloy (Si 59 Sn 22 Ti 19 ) was produced by a mechanical alloy method. Specifically, using a planetary ball mill device P-6 manufactured by Fricht, Germany, zirconia pulverized balls and alloy raw material powders were put into a zirconia pulverized pot and alloyed at 600 rpm for 50 hours (alloying treatment). ), And then pulverization was performed at 400 rpm for 1 hour. In addition, the average particle diameter of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 0.3 ⁇ m.
  • a gasket is attached, the following electrolyte is injected with a syringe, the spring and spacer are stacked, the upper side of the coin cell is overlapped and sealed by caulking. A lithium ion secondary battery was obtained.
  • lithium (LiPF 6) was used dissolved at a concentration of 1 mol / L.
  • Example 2 A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were prepared in the same manner as in Example 1 except that the alloying treatment time for producing the silicon-containing alloy was changed to 25 hours. Produced. In addition, the average particle diameter of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 0.3 ⁇ m.
  • Example 3 Except for changing the composition of the silicon-containing alloy to Si 90 Sn 5 Ti 5 and changing the alloying treatment time to 24 hours, the negative electrode active material, the negative electrode and A lithium ion secondary battery (coin cell) was produced. In addition, the average particle diameter of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 0.3 ⁇ m.
  • Example 1 A negative electrode active material, a negative electrode, and lithium ions were obtained in the same manner as in Example 1 except that the composition of the silicon-containing alloy was changed to Si 90 Ti 10 and the alloying time was changed to 24 hours. A secondary battery (coin cell) was produced. In addition, the average particle diameter of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 0.3 ⁇ m.
  • FIG. 3A a photograph obtained by EDX analysis (energy dispersive X-ray analysis) of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) obtained in Example 1 is shown in FIG. 3A.
  • the photograph in FIG. 3A is obtained by performing image processing on the mapping image obtained by EDX analysis by the following method, and the visual field range is 100 nm in length ⁇ 100 nm in width.
  • a mapping image obtained by EDX analysis was first input to an image processing apparatus (digital imaging software: AxioVision, manufactured by Zeiss), and a Si image and a Ti image were output as binarized images. Then, the two images were overlapped, and only the overlapping portion was output as a Si—Ti image.
  • the binary image was superimposed on a transmission electron microscope (TEM) photograph, and the particles were manually separated.
  • TEM transmission electron microscope
  • FIG. 3A blue indicates a site where Si is present, and red indicates a site where Ti is present.
  • the yellow boundary line indicates the interface between the silicide phase and the parent phase.
  • the silicon-containing alloys obtained in Examples 2 to 3 and Comparative Example 1 were similarly subjected to EDX analysis and image processing (FIGS. 3B to 3D).
  • FIG. 4 is a graph showing the cumulative relative frequency with respect to the aspect ratio of the silicide phase contained in the silicon-containing alloys obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1.
  • the vertical axis indicates the cumulative relative frequency
  • the horizontal axis indicates the aspect ratio for each class.
  • the ratio (%) of the area of the silicide phase to the entire area of FIGS. 3A to 3D was obtained. Assuming that the silicide phase is uniformly and isotropically dispersed in the silicon-containing alloy, the area fraction (%) of the silicide phase in FIGS. 3A to 3D obtained is expressed as the volume of the silicide phase in the silicon-containing alloy. Considered as a fraction (%).
  • the evaluation cell is in a constant current / constant voltage mode in the charging process (referring to the Li insertion process to the evaluation electrode) in a thermostat set to the above evaluation temperature using a charge / discharge tester.
  • the battery was charged from 2 V to 10 mV at 0.3 mA.
  • a constant current mode was set and discharge was performed from 0.3 C, 10 mV to 2 V.
  • the charge / discharge test was conducted from the initial cycle (1 cycle) to 70 cycles under the same charge / discharge conditions with the above charge / discharge cycle as one cycle.
  • the results of determining the ratio of the discharge capacity at the 70th cycle to the discharge capacity at the 1st cycle are shown in Table 1 below.
  • the lithium ion battery using the negative electrode active material according to the present invention has a high discharge capacity retention rate and is excellent in cycle durability.
  • Lithium ion secondary battery (stacked battery), 11 negative electrode current collector, 12 positive electrode current collector, 13 negative electrode active material layer, 15 positive electrode active material layer, 17 electrolyte layer, 19 cell layer, 21, 57 power generation element, 25, 58 negative electrode current collector plate, 27, 59 positive current collector, 29, 52 Battery exterior material (laminate film).

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Abstract

【課題】リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 【解決手段】本発明は、電気デバイス用負極活物質に関する。当該電気デバイス用負極活物質は、非晶質または低結晶性のケイ素を主成分とする母相中に、遷移金属のケイ化物を含むシリサイド相が分散されてなる構造を有するケイ素含有合金からなる。ケイ素含有合金は、下記化学式（１）： （上記化学式（１）において、　Ａは、不可避不純物であり、　Ｍは、１または２以上の遷移金属元素であり、　ｘ、ｙ、ｚ、およびａは、質量％の値を表し、この際、０＜ｘ＜１００、０＜ｙ＜１００、０＜ｚ＜１００、および０≦ａ＜０．５であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ａ＝１００である。） で表される組成を有する。そして、アスペクト比が３以上であるシリサイド相が、シリサイド相の総数に対し、２％以上である点に特徴を有する。

Description

電気デバイス用負極活物質、およびこれを用いた電気デバイス
　本発明は、電気デバイス用負極活物質、およびこれを用いた電気デバイスに関する。本発明の電気デバイス用負極活物質およびこれを用いた電気デバイスは、例えば、二次電池やキャパシタ等として電気自動車、燃料電池車およびハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源に用いられる。
　近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの電気デバイスの開発が盛んに行われている。
　モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。
　リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。
　従来、リチウムイオン二次電池の負極には充放電サイクルの寿命やコスト面で有利な炭素・黒鉛系材料が用いられてきた。しかし、炭素・黒鉛系の負極材料ではリチウムイオンの黒鉛結晶中への吸蔵・放出により充放電がなされるため、最大リチウム導入化合物であるＬｉＣ６から得られる理論容量３７２ｍＡｈ／ｇ以上の充放電容量が得られないという欠点がある。このため、炭素・黒鉛系負極材料で車両用途の実用化レベルを満足する容量、エネルギー密度を得るのは困難である。
　これに対し、負極にＬｉと合金化する材料を用いた電池は、従来の炭素・黒鉛系負極材料と比較しエネルギー密度が向上するため、車両用途における負極材料として期待されている。例えば、Ｓｉ材料は、充放電において下記の反応式（Ａ）のように１ｍｏｌあたり３．７５ｍｏｌのリチウムイオンを吸蔵放出し、Ｌｉ１５Ｓｉ４（＝Ｌｉ３．７５Ｓｉ）においては理論容量３６００ｍＡｈ／ｇである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
　しかしながら、負極にＬｉと合金化する材料を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電時の負極での膨張収縮が大きい。例えば、Ｌｉイオンを吸蔵した場合の体積膨張は、黒鉛材料では約１．２倍であるのに対し、Ｓｉ材料ではＳｉとＬｉが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し大きな体積変化（約４倍）を起こすため、電極のサイクル寿命を低下させる問題があった。また、Ｓｉ負極活物質の場合、容量とサイクル耐久性とはトレードオフの関係であり、高容量を示しつつサイクル耐久性を向上させることが困難であるといった問題があった。
　ここで、特許文献１では、高容量で、かつサイクル寿命に優れた負極ペレットを有する非水電解質二次電池を提供することを課題とした発明が開示されている。具体的には、ケイ素粉末とチタン粉末とをメカニカルアロイング法により混合し、湿式粉砕して得られるケイ素含有合金であって、ケイ素を主体とする第１相とチタンのケイ化物（ＴｉＳｉ２など）を含む第２相とを含むものを負極活物質として用いることが開示されている。この際、これらの２つの相の少なくとも一方を非晶質または低結晶性とすることも開示されている。
国際公開第２００６／１２９４１５号パンフレット
　本発明者らの検討によれば、上記特許文献１に記載の負極ペレットを用いたリチウムイオン二次電池等の電気デバイスでは、良好なサイクル耐久性を示すことができるとされているにもかかわらず、サイクル耐久性が十分ではない場合があることが判明した。
　そこで本発明は、リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性を向上させうる手段を提供することを目的とする。
　本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を行った。その結果、特定の構造を有するケイ素含有合金からなる負極活物質において、アスペクト比が３以上であるシリサイド相を、シリサイド相の総数に対して所定の割合以上とすることで、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。
　すなわち、本発明は、電気デバイス用負極活物質に関する。当該電気デバイス用負極活物質は、非晶質または低結晶性のケイ素を主成分とする母相中に、遷移金属のケイ化物を含むシリサイド相が分散されてなる構造を有するケイ素含有合金からなる。ケイ素含有合金は、下記化学式（１）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
（上記化学式（１）において、
　Ａは、不可避不純物であり、
　Ｍは、１または２以上の遷移金属元素であり、
　ｘ、ｙ、ｚ、およびａは、質量％の値を表し、この際、０＜ｘ＜１００、０＜ｙ＜１００、０＜ｚ＜１００、および０≦ａ＜０．５であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ａ＝１００である。）
で表される組成を有する。そして、アスペクト比が３以上であるシリサイド相が、シリサイド相の総数に対し、２％以上である点に特徴を有する。
　本発明によれば、アスペクト比が３以上であるシリサイド相をシリサイド相の総数に対し所定の割合以上とすることで、電気デバイスの充放電過程における負極活物質を構成するケイ素含有合金の膨張収縮による、負極活物質の導電性の低下が抑制される。その結果、当該負極活物質が用いられる電気デバイスのサイクル耐久性が向上しうる。
本発明に係る電気デバイスの代表的な一実施形態である積層型の扁平な非双極型リチウムイオン二次電池の概要を模式的に表した断面概略図である。 本発明に係る電気デバイスの代表的な実施形態である積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を模式的に表した斜視図である。 実施例１で得られたケイ素含有合金（負極活物質）粉末についてのＥＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線分析）により得られた写真である。 実施例２で得られたケイ素含有合金（負極活物質）粉末についてのＥＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線分析）により得られた写真である。 実施例３で得られたケイ素含有合金（負極活物質）粉末についてのＥＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線分析）により得られた写真である。 比較例１で得られたケイ素含有合金（負極活物質）粉末についてのＥＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線分析）により得られた写真である。 実施例１～３および比較例１で得られたケイ素含有合金（負極活物質）粉末に含まれるシリサイド相のアスペクト比についての累積相対度数を表すグラフである。
　以下、図面を参照しながら、本発明の電気デバイス用負極活物質およびこれを用いてなる電気デバイスの実施形態を説明する。但し、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
　本発明の一形態によると、電気デバイス用負極活物質が提供される。当該電気デバイス用負極活物質は、非晶質または低結晶性のケイ素を主成分とする母相中に、遷移金属のケイ化物を含むシリサイド相が分散されてなる構造を有するケイ素含有合金からなる。ケイ素含有合金は、下記化学式（１）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
（上記化学式（１）において、
　Ａは、不可避不純物であり、
　Ｍは、１または２以上の遷移金属元素であり、
　ｘ、ｙ、ｚ、およびａは、質量％の値を表し、この際、０＜ｘ＜１００、０＜ｙ＜１００、０＜ｚ＜１００、および０≦ａ＜０．５であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ａ＝１００である。）
で表される組成を有する。そして、アスペクト比が３以上であるシリサイド相が、シリサイド相の総数に対し、２％以上である点に特徴を有する。
　以下、本発明の電気デバイス用負極活物質が適用されうる電気デバイス用負極および電気デバイスの基本的な構成を、図面を用いて説明する。本実施形態では、電気デバイスとしてリチウムイオン二次電池を例示して説明する。
　まず、本発明に係る電気デバイス用負極活物質を含む負極の代表的な一実施形態であるリチウムイオン二次電池用の負極およびこれを用いてなるリチウムイオン二次電池では、セル（単電池層）の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる。そのため本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるリチウムイオン二次電池では、車両の駆動電源用や補助電源用として優れている。その結果、車両の駆動電源用等のリチウムイオン二次電池として好適に利用できる。このほかにも、携帯電話などの携帯機器向けのリチウムイオン二次電池にも十分に適用可能である。
　すなわち、本実施形態の対象となるリチウムイオン二次電池は、以下に説明する本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるものであればよく、他の構成要件に関しては、特に制限されるべきものではない。
　例えば、上記リチウムイオン二次電池を形態・構造で区別した場合には、積層型（扁平型）電池、巻回型（円筒型）電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型（扁平型）電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。
　また、リチウムイオン二次電池内の電気的な接続形態（電極構造）で見た場合、非双極型（内部並列接続タイプ）電池および双極型（内部直列接続タイプ）電池のいずれにも適用し得るものである。
　リチウムイオン二次電池内の電解質層の種類で区別した場合には、電解質層に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質層に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質層のタイプにも適用し得るものである。該ポリマー電池は、さらに高分子ゲル電解質（単にゲル電解質ともいう）を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質（単にポリマー電解質ともいう）を用いた固体高分子（全固体）型電池に分けられる。
　したがって、以下の説明では、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなる非双極型（内部並列接続タイプ）リチウムイオン二次電池につき図面を用いてごく簡単に説明する。但し、本実施形態のリチウムイオン二次電池の技術的範囲が、これらに制限されるべきものではない。
　＜電池の全体構造＞
　図１は、本発明の電気デバイスの代表的な一実施形態である、扁平型（積層型）のリチウムイオン二次電池（以下、単に「積層型電池」ともいう）の全体構造を模式的に表した断面概略図である。
　図１に示すように、本実施形態の積層型電池１０は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素２１が、外装体であるラミネートシート２９の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素２１は、正極集電体１２の両面に正極活物質層１５が配置された正極と、電解質層１７と、負極集電体１１の両面に負極活物質層１３が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、１つの正極活物質層１５とこれに隣接する負極活物質層１３とが、電解質層１７を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。
　これにより、隣接する正極、電解質層、および負極は、１つの単電池層１９を構成する。したがって、図１に示す積層型電池１０は、単電池層１９が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素２１の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層１５が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図１とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素２１の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面または両面に負極活物質層が配置されているようにしてもよい。
　正極集電体１２および負極集電体１１は、各電極（正極および負極）と導通される正極集電板２７および負極集電板２５がそれぞれ取り付けられ、ラミネートシート２９の端部に挟まれるようにしてラミネートシート２９の外部に導出される構造を有している。正極集電板２７および負極集電板２５は、それぞれ必要に応じて正極リードおよび負極リード（図示せず）を介して、各電極の正極集電体１２および負極集電体１１に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。
　上記で説明したリチウムイオン二次電池は、負極に特徴を有する。以下、当該負極を含めた電池の主要な構成部材について説明する。
　＜活物質層＞
　活物質層１３または１５は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
　［正極活物質層］
　正極活物質層１５は、正極活物質を含む。
　（正極活物質）
　正極活物質としては、例えば、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、Ｌｉ（Ｎｉ－Ｍｎ－Ｃｏ）Ｏ２およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム－遷移金属複合酸化物、リチウム－遷移金属リン酸化合物、リチウム－遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム－遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられ、さらに好ましくはＬｉ（Ｎｉ－Ｍｎ－Ｃｏ）Ｏ２およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの（以下、単に「ＮＭＣ複合酸化物」とも称する）が用いられる。ＮＭＣ複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属（Ｍｎ、ＮｉおよびＣｏが秩序正しく配置）原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Ｍの１原子あたり１個のＬｉ原子が含まれ、取り出せるＬｉ量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の２倍、つまり供給能力が２倍になり、高い容量を持つことができる。
　ＮＭＣ複合酸化物は、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｙ、Ｓｎ、Ｖ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎなどが挙げられ、好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｒであり、より好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｐ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｒであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｒである。
　ＮＭＣ複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式：ＬｉａＮｉｂＭｎｃＣｏｄＭｘＯ２（但し、式中、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｘは、０．９≦ａ≦１．２、０＜ｂ＜１、０＜ｃ≦０．５、０＜ｄ≦０．５、０≦ｘ≦０．３、ｂ＋ｃ＋ｄ＝１を満たす。ＭはＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｃｒから選ばれる元素で少なくとも１種類である）で表される組成を有する。ここで、ａは、Ｌｉの原子比を表し、ｂは、Ｎｉの原子比を表し、ｃは、Ｍｎの原子比を表し、ｄは、Ｃｏの原子比を表し、ｘは、Ｍの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、上記一般式において、０．４≦ｂ≦０．６であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析法により測定できる。
　一般に、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）およびマンガン（Ｍｎ）は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ｔｉ等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点からは、遷移元素の一部が他の金属元素により置換されていることが好ましく、特に上記一般式において０＜ｘ≦０．３であることが好ましい。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｖ、Ｃａ、ＳｒおよびＣｒからなる群から選ばれる少なくとも１種が固溶することにより結晶構造が安定化されるため、その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。
　より好ましい実施形態としては、上記一般式において、ｂ、ｃおよびｄが、０．４４≦ｂ≦０．５１、０．２７≦ｃ≦０．３１、０．１９≦ｄ≦０．２６であることが、容量と寿命特性とのバランスを向上させるという観点からは好ましい。例えば、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．３Ｃｏ０．２Ｏ２は、一般的な民生電池で実績のあるＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２などと比較して、単位重量あたりの容量が大きく、エネルギー密度の向上が可能となることでコンパクトかつ高容量の電池を作製できるという利点を有しており、航続距離の観点からも好ましい。なお、より容量が大きいという点ではＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１Ａｌ０．１Ｏ２がより有利であるが、寿命特性に難がある。これに対し、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．３Ｃｏ０．２Ｏ２はＬｉＮｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３Ｏ２並みに優れた寿命特性を有しているのである。
　場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム－遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。
　正極活物質層１５に含まれる正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは１～３０μｍであり、より好ましくは５～２０μｍである。なお、本明細書において、「粒子径」とは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察手段を用いて観察される活物質粒子（観察面）の輪郭線上の任意の２点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、本明細書において、「平均粒子径」の値は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察手段を用い、数～数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。他の構成成分の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。
　正極活物質層１５は、バインダを含みうる。
　（バインダ）
　バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。正極活物質層に用いられるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、エチレン－酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド－ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＨＦＰ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド－ヘキサフルオロプロピレン－テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＨＦＰ－ＴＦＥ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド－ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＰＦＰ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド－ペンタフルオロプロピレン－テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＰＦＰ－ＴＦＥ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド－パーフルオロメチルビニルエーテル－テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＰＦＭＶＥ－ＴＦＥ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド－クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＣＴＦＥ系フッ素ゴム）等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアミドイミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、１種単独で用いてもよいし、２種併用してもよい。
　正極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは活物質層に対して、０．５～１５質量％であり、より好ましくは１～１０質量％である。
　正極（正極活物質層）は、通常のスラリーを塗布（コーティング）する方法のほか、混練法、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、イオンプレーティング法および溶射法のいずれかの方法によって形成することができる。
　［負極活物質層］
　負極活物質層１３は、負極活物質を含む。
　（負極活物質）
　本実施形態において、負極活物質は、特定の元素組成および組織構造を有するケイ素含有合金から構成されることを特徴とする。
　上述したように、本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、まず、非晶質（アモルファス）または低結晶性のケイ素を主成分とする母相を備えている。このように、母相を構成するケイ素が非晶質または低結晶性であると、高容量でかつサイクル耐久性に優れた電気デバイスが提供されうる。
　ケイ素含有合金を構成する母相は、ケイ素を主成分として含有する相であればよく、好ましくはＳｉ単相（Ｓｉのみからなる相）である。この母相（Ｓｉを主成分とする相）は、本実施形態の電気デバイス（リチウムイオン二次電池）の作動時にリチウムイオンの吸蔵・放出に関与する相であり、電気化学的にＬｉと反応可能な相である。Ｓｉ単相である場合、重量あたりおよび体積あたりに多量のＬｉを吸蔵・放出することが可能である。ただし、Ｓｉは電子伝導性に乏しいことから、母相にはリンやホウ素などの微量の添加元素や遷移金属などが含まれていてもよい。
　一方、本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、上記母相に加えて、当該母相中に分散されてなるシリサイド相をも含んでいる。このシリサイド相は、遷移金属のケイ化物を含む相である。このシリサイド相は、ケイ化物（シリサイド）を含むことで母相との親和性に優れ、特に充電時の体積膨張における結晶界面での割れを抑制することができる。さらに、シリサイド相は母相と比較して電子伝導性および硬度の観点で優れている。このため、シリサイド相は母相の低い電子伝導性を改善し、かつ膨張時の応力に対して活物質の形状を維持する役割をも担っている。
　シリサイド相には複数の相が存在していてもよく、例えば遷移金属元素ＭとＳｉとの組成比が異なる２相以上（例えば、ＭＳｉ２およびＭＳｉ）が存在していてもよい。また、異なる遷移金属元素とのケイ化物を含むことにより、２相以上が存在していてもよい。ここで、シリサイド相に含まれる遷移金属の種類について特に制限はないが、好ましくはＴｉ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＦｅからなる群より選ばれる少なくとも１種であり、より好ましくはＴｉまたはＺｒであり、特に好ましくはＴｉである。これらの元素は、ケイ化物を形成した際に他の元素のケイ化物よりも高い電子伝導度を示し、かつ高い強度を有するものである。特に遷移金属元素がＴｉである場合のシリサイドであるＴｉＳｉ２は、非常に優れた電子伝導性を示すため、好ましい。
　ここで、本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金であるか否かを判定するには、以下の測定装置および条件による電子回折測定を行うことで、シリサイド相の結晶性を示す回折スポットの有無を確認すればよく、かようなスポットの存在はシリサイド相の存在を裏付ける。また、母相が非晶質または低結晶性であるか否かの判定には、同様の電子回折測定において回折像が幅広く明確でない、いわゆる「ハローパターン」の有無を確認することが有効であり、ハローパターンの存在は母相が非晶質または低結晶性であることを裏付ける。
　（電子回折測定）
　１）装置：電界放出型電子顕微鏡（ＪＥＯＬ製ＪＥＭ２１００Ｆ）
　　　　画像取得：Digital Micrograph
　２）測定条件：加速電圧＝２００ｋＶ
　　　　　　　　ビーム径＝１．０ｎｍφ程度。
　本実施形態において、ケイ素含有合金は、下記化学式（１）で表される組成を有する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
　上記化学式（１）において、Ａは、不可避不純物であり、Ｍは、１または２以上の遷移金属元素であり、ｘ、ｙ、ｚ、およびａは、質量％の値を表し、この際、０＜ｘ＜１００、０＜ｙ＜１００、０＜ｚ＜１００、および０≦ａ＜０．５であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ａ＝１００である。
　上記化学式（１）から明らかなように、本実施形態において、ケイ素含有合金は、Ｓｉ、ＳｎおよびＭ（遷移金属）の三元系であることを必須とする。このように、Ｓｉ、ＳｎおよびＭの三元系であることにより、優れたサイクル耐久性が発揮されうる。また、理由は定かではないが、後述の実施例および比較例の結果から、Ｓｉ、ＳｎおよびＭの三元系とすることにより、アスペクト比が３以上であるシリサイド相が形成されやすくなるものと考えらえる。また、本明細書において「不可避不純物」とは、Ｓｉ含有合金において、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりするものを意味する。当該不可避不純物は、本来は不要なものであるが、微量であり、Ｓｉ合金の特性に影響を及ぼさないため、許容されている不純物である。
　本実施形態において、特に、負極活物質（ケイ素含有合金）への添加元素としてＴｉを選択し、さらに第２添加元素としてＳｎを添加することで、Ｌｉ合金化の際に、より一層アモルファス－結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、従来の負極活物質（例えば、炭素系負極活物質）よりも高容量のものとなる。したがって、本発明の好ましい実施形態によると、上記化学式（１）で表される組成において、Ｍがチタン（Ｔｉ）であることが好ましい。
　ここでＬｉ合金化の際、アモルファス－結晶の相転移を抑制するのは、Ｓｉ材料ではＳｉとＬｉとが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し大きな体積変化（約４倍）を起こすため、粒子自体が壊れてしまい活物質としての機能が失われるためである。そのためアモルファス－結晶の相転移を抑制することで、粒子自体の崩壊を抑制し活物質としての機能（高容量）を保持することができ、サイクル寿命も向上させることができるものである。かかる添加元素を選定することにより、高容量で高サイクル耐久性を有するＳｉ合金負極活物質を提供できる。
　上記化学式（１）の組成において、遷移金属Ｍ（特にＴｉ）の組成比ｚは、７＜ｚ＜１００であることが好ましく、１０＜ｚ＜１００であることがより好ましく、１５＜ｚ＜１００であることがさらに好ましく、２０≦ｚ＜１００であることが特に好ましい。遷移金属Ｍ（特にＴｉ）の組成比ｚをこのような範囲とすることにより、サイクル特性をより一層向上させることができる。
　より好ましくは、化学式（１）における、前記ｘ、ｙ、およびｚは、下記数式（１）または（２）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
を満たすことが好ましい。各成分含有量が上記範囲内にあると、１０００Ａｈ／ｇを超える初期放電容量を得ることができ、サイクル寿命についても９０％（５０サイクル）を超えうる。
　なお、当該負極活物質の上記特性のさらなる向上を図る観点からは、遷移金属Ｍ（特にＴｉ）の含有量は７質量％超の範囲とすることが望ましい。すなわち、前記ｘ、ｙ、およびｚが、下記数式（３）または（４）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
を満たすことが好ましい。これにより、サイクル特性をよりいっそう向上させることが可能となる。
　そして、より良好なサイクル耐久性を確保する観点から、前記ｘ、ｙ、およびｚが、下記数式（５）または（６）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
を満たすことが好ましい。
　そして、初期放電容量およびサイクル耐久性の観点から、本実施形態の負極活物質では、前記ｘ、ｙ、およびｚが、下記数式（７）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
を満たすことが好ましい。
　なお、Ａは上述のように、原料や製法に由来する上記３成分以外の不純物（不可避不純物）である。前記ａは、０≦ａ＜０．５であり、０≦ａ＜０．１であることが好ましい。
　なお、負極活物質（ケイ素含有合金）が上記化学式（１）の組成を有するか否かは、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）による定性分析、および誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法による定量分析により確認することが可能である。
　本実施形態では、このようなケイ素含有合金において、アスペクト比が３以上である（（一定の異方形状を有する）シリサイド相が、合金中に含まれるシリサイド相の総数に対し、２％以上の割合で存在することを特徴とする。当該アスペクト比が３以上である（異方形状を有する）シリサイド相は、７％以上の割合で存在することがより好ましく、９．１％以上の割合で存在することがさらに好ましい。なお、当該アスペクト比が３以上であるシリサイド相の存在割合の上限は、特に制限されないが、合金化処理時間の増加に伴う生産性低下を考慮すると、５０％以下とすることが好ましく、３０％以下とすることがより好ましい。上述のように、シリサイド相は、電子伝導性（導電性）に優れるため、アスペクト比が３以上であるシリサイド相が特定の割合以上存在することにより、ケイ素含有合金内の導電ネットワークが良好に形成されうる。これにより、電気デバイスの充放電過程においてケイ素含有合金が膨張収縮した場合であっても、導電ネットワークが維持され、リチウムイオンの吸蔵・放出に関与する部分が減少するのを防ぐことができる。その結果、電気デバイスのサイクル耐久性を向上させることが可能となるのである。なお、ケイ素含有合金中における、シリサイド相のアスペクト比およびアスペクト比が３以上であるシリサイド相の存在割合は、後述（特に実施例）に記載のＥＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線分析；Energy dispersive X-ray spectrometry）またはＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ（高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法；High-Angle Annular Dark Field Scanning TEM）等の手法によって得られる合金断面の画像を解析することによって、求めることができる。
　また、電気デバイスのサイクル耐久性をより一層向上させる観点から、本実施形態においてケイ素含有合金におけるシリサイド相の体積分率は、３０％以上であることが好ましく、４０％以上であることがより好ましく、４３．５％以上であることがさらに好ましく、５０％以上であることが特に好ましく、６７．３％以上であることが最も好ましい。なお、当該体積分率の上限は、特に制限されないが、ケイ素含有合金の重量あたりおよび体積あたりのＬｉ吸蔵・放出能を考慮すると、９０％以下とすることが好ましく、８０％以下とすることがより好ましい。このように、ケイ素含有合金におけるシリサイド相の体積分率を所定の割合とすることにより、ケイ素含有合金内の導電ネットワークがより一層良好に形成され、電気デバイスにおいてより高いレベルのサイクル特性が達成されうる。なお、ケイ素含有合金におけるシリサイド相の体積分率は、後述（特に実施例）に記載のＥＤＸ分析またはＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ等の手法によって得られる合金断面の画像を解析することによって、求めることができる。
　さらに、電気デバイスのサイクル耐久性をより一層向上させる観点から、本実施形態におけるケイ素含有合金は、隣接するシリサイド相間の最近接距離が５ｎｍ以下であることが好ましく、３ｎｍ以下であることがより好ましく、１ｎｍ以下であることがさらに好ましい。当該最近接距離の下限値は特に制限されない。シリサイド相間の最近接距離が上記範囲内であると、シリサイド相間においてトンネル電流が流れやすくなるため、合金内の導電ネットワークが確保されやすくなる。その結果、電気デバイスにおいてより高いレベルのサイクル特性が達成されうる。ここで、本明細書において、「隣接するシリサイド相間の最近接距離」とは、合金の断面における隣接するシリサイド相間の距離（最短距離）を意味する。本発明においては、最近接距離が上記範囲内となる隣接するシリサイド相の組み合わせが１つでも存在すればよいものとする。ただし、好ましい実施形態として、隣接するシリサイド相の組み合わせのうち、好ましくは１０％以上、より好ましくは３０％以上、さらに好ましくは５０％以上、いっそう好ましくは７０％以上、特に好ましくは９０％以上、最も好ましくは１００％が上記数値範囲を満たすとよい。なお、ケイ素含有合金における隣接するシリサイド相間の最近接距離は、後述（特に実施例）に記載のＥＤＸ分析またはＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ等の手法によって得られる合金断面の画像を解析することによって、求めることができる。
　本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金の組織構造は、ＥＤＸ分析またはＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ等の手法を用いて分析することができる。
　ここで、ＥＤＸ分析とは、電子線やＸ線などの一次線を物体に照射した際に発生する特性Ｘ線もしくは蛍光Ｘ線を半導体検出器などのようなエネルギー分散型検出器にて検出し、そのエネルギーと強度から、物体を構成する元素と濃度を調べる元素分析手法である。
　また、「ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ」とは、細く絞った電子線を試料に走査させながら当て、透過電子のうち高角に散乱したものを環状の検出器で検出することにより試料の像を得る手法である。本明細書では、以下の条件によりＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像を得るものとする。
　（試料調製）
　ＦＩＢ（集束イオンビーム）法：マイクロサンプリングシステム（日立製ＦＢ－２０００Ａ）
　Ａｌグリッドを使用
　（測定装置および条件）
　１）装置：原子分解能分析電子顕微鏡（ＪＥＯＬ製ＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆ）
　　　　ＪＥＯＬ製ＪＥＤ－２３００（１００ｍｍ２シリコンドリフト（ＳＤＤ）型）
　　　　システム：Analysis Station
　　　　画像取得：Digital Micrograph
　２）測定条件：加速電圧＝２００ｋＶ
　　　　　　　　ビーム径＝約０．２ｍｍφ
　　　　　　　　エネルギー分解能＝約０．５ｅＶ ＦＷＨＭ。
　本実施形態では、上述のＥＤＸ分析またはＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ等の手法によって得られた合金断面の組織構造の画像を、後述の実施例に記載の方法によって画像処理することにより、母相中およびシリサイド相の分散状態を観察することができる。
　本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金の粒子径は特に制限されないが、平均粒子径として、好ましくは０．１～２０μｍであり、より好ましくは０．２～１０μｍである。
　（負極活物質の製造方法）
　本実施形態に係る電気デバイス用負極活物質の製造方法について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、ケイ素含有合金に含まれるシリサイド相の総数に対し、アスペクト比が３以上であるシリサイド相の割合を２％以上とするための製造方法として、以下のような製造方法が提供される。当該製造方法は、ケイ素含有合金の原料を混合して混合粉末を得る工程と、混合粉末に対して合金化処理を行うことによりケイ素含有合金からなる電気デバイス用負極活物質を得る工程とを有する。以下、工程順に説明する。
　まず、ケイ素含有合金の原料を混合して混合粉末を得る工程を行う。この工程では、得られる負極活物質（ケイ素含有合金）の組成を考慮して、当該合金の原料を混合する。特に、後述の実施例・比較例の結果より、遷移金属Ｍ（特にＴｉ）の組成比を大きくするにつれ、ケイ素含有合金中に含まれるアスペクト比が３以上のシリサイド相の存在割合や、シリサイド相の体積分率が大きくなる傾向が見られる。したがって、合金原料における遷移金属Ｍ（特にＴｉ）の割合を適宜調整することにより、本実施形態のケイ素含有合金を製造することが可能である。当該合金の原料としては、負極活物質として必要な元素の比率を実現できれば、その形態などは特に限定されない。例えば、負極活物質を構成する元素単体を、目的とする比率に混合したものや、目的とする元素比率を有する合金、固溶体、または金属間化合物を用いることができる。また、通常は粉末状態の原料を混合する。これにより、原料からなる混合粉末が得られる。
　続いて、上記で得られた混合粉末に対して合金化処理を行う。これにより、電気デバイス用負極活物質として用いることが可能なケイ素含有合金が得られる。
　合金化処理の手法としては、固相法、液相法、気相法があるが、例えば、メカニカルアロイ法やアークプラズマ溶融法、鋳造法、ガスアトマイズ法、液体急冷法、イオンビームスパッタリング法、真空蒸着法、メッキ法、気相化学反応法などが挙げられる。なかでも、メカニカルアロイ法を用いて合金化処理を行うことが好ましい。メカニカルアロイ法により合金化処理を行うことで、相の状態の制御を容易に行うことができるため、好ましい。また、合金化処理を行う前に、原材料を溶融する工程や前記溶融した溶融物を急冷して凝固させる工程が含まれてもよい。
　本形態に係る製造方法では、上述した合金化処理を好ましくは１２時間以上、より好ましくは２４時間以上行う。これにより、上述したような母相／シリサイド相からなる構造とすることができる。特に、合金化処理の時間が２４時間以上であると、アスペクト比が３以上であるシリサイド相が十分に形成され、所望のサイクル耐久性を発揮させうる負極活物質（ケイ素含有合金）を得ることができる。なお、合金化処理の時間は、好ましくは３０時間以上であり、より好ましくは３６時間以上であり、さらに好ましくは４２時間以上であり、特に好ましくは４８時間以上である。なお、合金化処理のための時間の上限値は特に設定されないが、通常は７２時間以下であればよい。
　上述した手法による合金化処理は、通常乾式雰囲気下で行われるが、合金化処理後の粒度分布は大小の幅が非常に大きい場合がある。このため、粒度を整えるための粉砕処理および／または分級処理を行うことが好ましい。
　以上、負極活物質層に必須に含まれる所定の合金について説明したが、負極活物質層はその他の負極活物質を含んでいてもよい。上記所定の合金以外の負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどのカーボン、ＳｉやＳｎなどの純金属や上記所定の組成比を外れる合金系活物質、あるいはＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉＯ２、もしくはＳｉＯ２、ＳｉＯ、ＳｎＯ２などの金属酸化物、Ｌｉ４／３Ｔｉ５／３Ｏ４もしくはＬｉ７ＭｎＮなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物、Ｌｉ－Ｐｂ系合金、Ｌｉ－Ａｌ系合金、Ｌｉなどが挙げられる。ただし、上記所定のケイ素含有合金を負極活物質として用いることにより奏される作用効果を十分に発揮させるという観点からは、負極活物質の全量１００質量％に占める上記所定のケイ素含有合金の含有量は、好ましくは５０～１００質量％であり、より好ましくは８０～１００質量％であり、さらに好ましくは９０～１００質量％であり、特に好ましくは９５～１００質量％であり、最も好ましくは１００質量％である。
　続いて、負極活物質層１３は、バインダを含む。
　（バインダ）
　バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。負極活物質層に用いられるバインダの種類についても特に制限はなく、正極活物質層に用いられるバインダとして上述したものが同様に用いられうる。よって、ここでは詳細な説明は省略する。
　なお、負極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは負極活物質層に対して、０．５～２０質量％であり、より好ましくは１～１５質量％である。
　（正極および負極活物質層１５、１３に共通する要件）
　以下に、正極および負極活物質層１５、１３に共通する要件につき、説明する。
　正極活物質層１５および負極活物質層１３は、必要に応じて、導電助剤、電解質塩（リチウム塩）、イオン伝導性ポリマー等を含む。特に、負極活物質層１３は、導電助剤をも必須に含む。
　導電助剤
　導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
　活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、１質量％以上、より好ましくは３質量％以上、さらに好ましくは５質量％以上の範囲である。また、活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、１５質量％以下、より好ましくは１０質量％以下、さらに好ましくは７質量％以下の範囲である。活物質自体の電子導電性は低く導電助剤の量によって電極抵抗を低減できる活物質層での導電助剤の配合比（含有量）を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。即ち、電極反応を阻害することなく、電子導電性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができる。
　また、上記導電助剤とバインダの機能を併せ持つ導電性結着剤をこれら導電助剤とバインダに代えて用いてもよいし、あるいはこれら導電助剤とバインダの一方ないし双方と併用してもよい。導電性結着剤としては、既に市販のＴＡＢ－２（宝泉株式会社製）を用いることができる。
　電解質塩（リチウム塩）
　電解質塩（リチウム塩）としては、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３等が挙げられる。
　イオン伝導性ポリマー
　イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）系およびポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）系のポリマーが挙げられる。
　正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。
　各活物質層（集電体片面の活物質層）の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層の厚さは、電池の使用目的（出力重視、エネルギー重視など）、イオン伝導性を考慮し、通常１～５００μｍ程度、好ましくは２～１００μｍである。
　＜集電体＞
　集電体１１、１２は導電性材料から構成される。集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。
　集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は１～１００μｍ程度である。
　集電体の形状についても特に制限されない。図１に示す積層型電池１０では、集電箔のほか、網目形状（エキスパンドグリッド等）等を用いることができる。
　なお、負極活物質をスパッタ法等により薄膜合金を負極集電体１２上に直接形成する場合には、集電箔を用いるのが望ましい。
　集電体を構成する材料に特に制限はない。例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が採用されうる。
　具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。
　また、導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または集電体の軽量化の点において有利である。
　非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン（ＰＥ；高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）など）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリメチルアクリレート（ＰＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、またはポリスチレン（ＰＳ）などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。
　上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。
　導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、およびＫからなる群から選択される少なくとも１種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン、ブラックパール、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも１種を含むものである。
　導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、５～３５質量％程度である。
　＜電解質層＞
　電解質層１７を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
　液体電解質は、有機溶媒にリチウム塩（電解質塩）が溶解した形態を有する。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、メチルプロピルカーボネート（ＭＰＣ）等のカーボネート類が例示される。
　また、リチウム塩としては、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、Ｌｉ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＴａＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３等の電極の活物質層に添加され得る化合物を採用することができる。
　一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質とに分類される。
　ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質（電解液）が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導を遮断することが容易になる点で優れている。
　マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリプロピレンオキシド（ＰＰＯ）、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。
　ゲル電解質中の上記液体電解質（電解液）の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量％～９８質量％程度とするのが望ましい。本実施形態では、電解液の割合が７０質量％以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。
　なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質や真性ポリマー電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータ（不織布を含む）の具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜や多孔質の平板、更には不織布が挙げられる。
　真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩（リチウム塩）が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。
　ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー（例えば、ＰＥＯやＰＰＯ）に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。
　＜集電板およびリード＞
　電池外部に電流を取り出す目的で、集電板を用いてもよい。集電板は集電体やリードに電気的に接続され、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。
　集電板を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極集電板と負極集電板とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。
　正極端子リードおよび負極端子リードに関しても、必要に応じて使用する。正極端子リードおよび負極端子リードの材料は、公知のリチウムイオン二次電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材２９から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品（例えば、自動車部品、特に電子機器等）に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。
　＜電池外装材＞
　電池外装材２９としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、ＰＰ、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる３層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、ＥＶ、ＨＥＶ用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。
　なお、上記のリチウムイオン二次電池は、従来公知の製造方法により製造することができる。
　＜リチウムイオン二次電池の外観構成＞
　図２は、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
　図２に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池５０では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板５９、負極集電板５８が引き出されている。発電要素５７は、リチウムイオン二次電池５０の電池外装材５２によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素５７は、正極集電板５９および負極集電板５８を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素５７は、図１に示すリチウムイオン二次電池（積層型電池）１０の発電要素２１に相当するものである。発電要素５７は、正極（正極活物質層）１３、電解質層１７および負極（負極活物質層）１５で構成される単電池層（単セル）１９が複数積層されたものである。
　なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のもの（ラミネートセル）に制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のもの（コインセル）や角柱型形状（角型セル）のもの、こうした円筒型形状のものを変形させて長方形状の扁平な形状にしたようなもの、更にシリンダー状セルであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型や角柱型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶（金属缶）を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。
　また、図２に示す正極集電板５９、負極集電板５８の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板５９と負極集電板５８とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板５９と負極集電板５８をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出すようにしてもよいなど、図２に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、集電板に変えて、例えば、円筒缶（金属缶）を利用して端子を形成すればよい。
　上記したように、本実施形態の電気デバイス用の負極活物質によると、電気デバイスのサイクル耐久性を向上させることができる。そのため、当該負極活物質を用いてなる負極および電気デバイスは、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、好適に利用することができる。即ち、長期間に亘って高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
　なお、上記実施形態では、電気デバイスとして、リチウムイオン電池を例示したが、これに制限されるわけではなく、他のタイプの二次電池、さらには一次電池にも適用できる。また、電池だけではなくキャパシタにも適用できる。
　本発明を、以下の実施例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
　（実施例１）
　［ケイ素含有合金の製造］
　ケイ素含有合金（Ｓｉ５９Ｓｎ２２Ｔｉ１９）を、メカニカルアロイ法により製造した。具体的には、ドイツ　フリッチュ社製遊星ボールミル装置Ｐ－６を用いて、ジルコニア製粉砕ポットにジルコニア製粉砕ボールおよび合金の原料粉末を投入し、６００ｒｐｍ、５０時間かけて合金化させ（合金化処理）、その後４００ｒｐｍで１時間、粉砕処理を実施した。なお、得られたケイ素含有合金（負極活物質）粉末の平均粒子径は０．３μｍであった。
　［負極の作製］
　負極活物質である上記で製造したケイ素含有合金（Ｓｉ５９Ｓｎ２２Ｔｉ１９）８０質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック　５質量部と、バインダであるポリアミドイミド　１５質量部と、を混合し、Ｎ－メチルピロリドンに分散させて負極スラリーを得た。次いで、得られた負極スラリーを、銅箔よりなる負極集電体の両面にそれぞれ負極活物質層の厚さが３０μｍとなるように均一に塗布し、真空中で２４時間乾燥させて、負極を得た。
　［リチウムイオン二次電池（コインセル）の作製］
　上記で作製した負極と対極Ｌｉ（直径１５ｍｍ、厚さ２００μｍ、本城金属株式会社製）とを対向させ、この間にセパレータ（ポリオレフィン、膜厚２０μｍ）を配置した。次いで、負極、セパレータ、および対極Ｌｉの積層体をコインセル（ＣＲ２０３２、材質：ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６））の底部側に配置した。さらに、正極と負極との間の絶縁性を保つためガスケットを装着し、下記電解液をシリンジにより注入し、スプリングおよびスペーサを積層し、コインセルの上部側を重ねあわせ、かしめることにより密閉して、リチウムイオン二次電池を得た。
　なお、上記電解液としては、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ＥＣ：ＤＣ＝１：２（体積比）の割合で混合した有機溶媒に、リチウム塩である六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させたものを用いた。
　（実施例２）
　ケイ素含有合金を作製する際の合金化処理の時間を２５時間へと変更したこと以外は、上述した実施例１と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池（コインセル）を作製した。なお、得られたケイ素含有合金（負極活物質）粉末の平均粒子径は０．３μｍであった。
　（実施例３）
　ケイ素含有合金の組成をＳｉ９０Ｓｎ５Ｔｉ５へと変更し、合金化処理の時間を２４時間へと変更したこと以外は、上述した実施例１と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池（コインセル）を作製した。なお、得られたケイ素含有合金（負極活物質）粉末の平均粒子径は０．３μｍであった。
　（比較例１）
　ケイ素含有合金の組成をＳｉ９０Ｔｉ１０へと変更し、合金化処理の時間を２４時間へと変更したこと以外は、上述した実施例１と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池（コインセル）を作製した。なお、得られたケイ素含有合金（負極活物質）粉末の平均粒子径は０．３μｍであった。
　［負極活物質の組織構造の分析］
　実施例１～３および比較例１のそれぞれにおいて作製した負極活物質（ケイ素含有合金）の組織構造を分析したところ、上述した電子回折測定の結果、実施例１～３および比較例１のいずれについてもシリサイド相の結晶性を示す回折スポットおよびハローパターンが観察され、母相であるケイ素相中にシリサイド相が分散した組織構造を有することが確認された。
　ここで、実施例１で得られたケイ素含有合金（負極活物質）についてのＥＤＸ分析（エネルギー分散型Ｘ線分析）により得られた写真を図３Ａに示す。なお、図３Ａの写真は、ＥＤＸ分析によって得られたマッピング画像を以下の手法で画像処理したものであり、視野範囲は、縦１００ｎｍ×横１００ｎｍである。図３Ａの写真は、まず、ＥＤＸ分析によって得られたマッピング画像を画像処理装置（デジタルイメージングソフトウェア：ＡｘｉｏＶｉｓｉｏｎ、Ｚｅｉｓｓ社製）に入力し、Ｓｉ像、Ｔｉ像を２値化像として出力した。そして、２つの像を重ね、重なる箇所のみをＳｉ－Ｔｉ像として出力した。粒子（シリサイド相）を分離するため、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真に上記２値化像を重ね、手動にて粒子分離を行った。図３Ａにおいて、青色はＳｉの存在部位を示し、赤色はＴｉの存在部位を示す。また、黄色の境界線は、シリサイド相と母相との界面を示す。実施例２～３および比較例１で得たケイ素含有合金についても同様にＥＤＸ分析および画像処理を行った（図３Ｂ～３Ｄ）。
　また、実施例１～３および比較例１のそれぞれにおいて作製したケイ素含有合金について電子回折分析を行ったところ、非晶質ケイ素相と想定される部位は非晶質であることが確認され、シリサイド相と想定される部位は結晶質であることが確認された。
　ここで、別途行ったＸ線回折分析（ＸＲＤ分析）の結果、ケイ素含有合金に含まれるＴｉはすべてシリサイド相として存在していることがわかっている。
　以上のことから、実施例１～３および比較例１で得られたケイ素含有合金において、隣接するシリサイド相間の最近接距離は５ｎｍ以下であることが確認された。
　また、各シリサイド相（粒子）につき、慣性モーメントに基づき楕円体を作成し、長軸と短軸とを求め、これらの値に基づきアスペクト比を求めた。そして、図３Ａ～３Ｄ中に存在するシリサイドの総数に対する、アスペクト比が３以上であるシリサイド相の割合（％）を求めた。なお、図４は、実施例１～３および比較例１で得られたケイ素含有合金に含まれるシリサイド相のアスペクト比についての累積相対度数を示すグラフである。図４のグラフにおいて、縦軸は累積相対度数を示し、横軸は各階級ごとのアスペクト比を示す。
　さらに、図３Ａ～３Ｄの全体の面積に対する、シリサイド相の面積の割合（％）を求めた。ケイ素含有合金中にシリサイド相が均一にかつ等方的に分散していると仮定し、得られた図３Ａ～３Ｄにおけるシリサイド相の面積分率（％）を、ケイ素含有合金におけるシリサイド相の体積分率（％）とみなす。
　以上の結果を表１に示す。なお、上述したＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ法によっても同様の結果が確認された。
　［サイクル耐久性の評価］
　上記で作製した各リチウムイオン二次電池（コインセル）について以下の充放電試験条件に従ってサイクル耐久性評価を行った。
　（充放電試験条件）
　　１）充放電試験機：ＨＪ０５０１ＳＭ８Ａ（北斗電工株式会社製）
　　２）充放電条件［充電過程］０．３Ｃ、２Ｖ→１０ｍＶ（定電流・定電圧モード）
　　　　　　　　　［放電過程］０．３Ｃ、１０ｍＶ→２Ｖ（定電流モード）
　　３）恒温槽：ＰＦＵ－３Ｋ（エスペック株式会社製）
　　４）評価温度：３００Ｋ（２７℃）。
　評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程（評価用電極へのＬｉ挿入過程を言う）では、定電流・定電圧モードとし、０．３ｍＡにて２Ｖから１０ｍＶまで充電した。その後、放電過程（評価用電極からのＬｉ脱離過程を言う）では、定電流モードとし、０．３Ｃ、１０ｍＶから２Ｖまで放電した。以上の充放電サイクルを１サイクルとして、同じ充放電条件にて、初期サイクル（１サイクル）～７０サイクルまで充放電試験を行った。そして、１サイクル目の放電容量に対する７０サイクル目の放電容量の割合（放電容量維持率［％］）を求めた結果を、下記の表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　上記表１に示す結果から、本発明に係る負極活物質を用いたリチウムイオン電池は、放電容量維持率が高い値に維持されており、サイクル耐久性に優れるものであることがわかる。
　また、負極活物質を構成するケイ素含有合金において、シリサイド相の体積分率が３０％以上である実施例１および２では、特に高いサイクル耐久性が発揮されることが分かった。
１０、５０　　リチウムイオン二次電池（積層型電池）、
１１　　負極集電体、
１２　　正極集電体、
１３　　負極活物質層、
１５　　正極活物質層、
１７　　電解質層、
１９　　単電池層、
２１、５７　　発電要素、
２５、５８　　負極集電板、
２７、５９　　正極集電板、
２９、５２　　電池外装材（ラミネートフィルム）。

Claims (8)

  1. 　非晶質または低結晶性のケイ素を主成分とする母相中に、遷移金属のケイ化物を含むシリサイド相が分散されてなる構造を有するケイ素含有合金からなり、
    　前記ケイ素含有合金の組成が、下記化学式（１）：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
     （上記化学式（１）において、
    　Ａは、不可避不純物であり、
    　Ｍは、１または２以上の遷移金属元素であり、
    　ｘ、ｙ、ｚ、およびａは、質量％の値を表し、この際、０＜ｘ＜１００、０＜ｙ＜１００、０＜ｚ＜１００、および０≦ａ＜０．５であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ａ＝１００である。）
    で表され、
    　アスペクト比が３以上である前記シリサイド相が、前記シリサイド相の総数に対し、２％以上である、電気デバイス用負極活物質。
  2. 　前記ケイ素含有合金における前記シリサイド相の体積分率が、３０％以上である、請求項１に記載の電気デバイス用負極活物質、
  3. 　アスペクト比が３以上である前記シリサイド相が、前記シリサイド相の総数に対し、７％以上である、請求項１または２に記載の電気デバイス用負極活物質。
  4. 　前記化学式（１）において、Ｍはチタン（Ｔｉ）である、請求項１～３のいずれか１項に記載の電気デバイス用負極活物質。
  5. 　前記化学式（１）において、７＜ｚ＜１００である、請求項１～４のいずれか１項に記載の電気デバイス用負極活物質。
  6. 　隣接する前記シリサイド相間の最近接距離が５ｎｍ以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載の電気デバイス用負極活物質。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の電気デバイス用負極活物質を用いてなる、電気デバイス用負極。
  8. 　請求項７に記載の電気デバイス用負極を用いてなる、電気デバイス。
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