特許 7087889 複合粒子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-13

(45)【発行日】2022-06-21

(54)【発明の名称】複合粒子

(51)【国際特許分類】

   C01G 49/00 20060101AFI20220614BHJP

   H01M 4/62 20060101ALI20220614BHJP

   C01B 32/00 20170101ALI20220614BHJP

【ＦＩ】

C01G49/00 A

H01M4/62 Z

C01B32/00

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018182945

(22)【出願日】2018-09-27

(65)【公開番号】P2020050554

(43)【公開日】2020-04-02

【審査請求日】2021-02-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110000604

【氏名又は名称】弁理士法人 共立特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大川 侑久

(72)【発明者】

【氏名】江口 達哉

(72)【発明者】

【氏名】君島 健之

(72)【発明者】

【氏名】新村 和寛

(72)【発明者】

【氏名】岩田 孝二

(72)【発明者】

【氏名】田崎 智之

(72)【発明者】

【氏名】間瀬 浩平

【審査官】廣野 知子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－３０２６７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１３０３５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０９９３１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１５７６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１８００２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００６／１０７００２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０１Ｇ ４９／００－４９／１０

Ｈ０１Ｍ ４／００－４／６２

Ｃ０１Ｂ ３２／００－３２／９９１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｌｉ_５ＦｅＯ_４と炭素とを含む複合粒子であって、
前記複合粒子をラマン分光光度計にて分析することで得られるラマン分光スペクトルにおいて、Ｇ－Ｂａｎｄの半値幅が３０ｃｍ^－１以下である、複合粒子。

【請求項2】

前記ラマン分光スペクトルにおいて、Ｇ－ＢａｎｄとＤ－Ｂａｎｄのピーク強度の比率であるＧ／Ｄ比は、１．５以上である、請求項１に記載の複合粒子。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の複合粒子を具備する正極。

【請求項4】

請求項３に記載の正極を具備するリチウムイオン二次電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、リチウムイオン二次電池の正極材料等に用いられるＬｉ_５ＦｅＯ_４に関するものである。

【背景技術】

【0002】

リチウムイオン二次電池は小型で大容量であるため、携帯電話やノート型パソコンなどの種々の機器の電池として用いられている。リチウムイオン二次電池は、主な構成要素として、正極、負極及び電解液を備える。正極は、集電体と、該集電体の表面に形成され、正極活物質を含有する正極活物質層とを有する。

【0003】

リチウムイオン二次電池の正極活物質として、種々のリチウム金属複合酸化物が用いられることが知られており、その一種として、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４が知られている。また、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４は可逆容量が小さいことや、充電に伴いガスを発生することも知られており、負極の不可逆容量を補うためのリチウムイオン供給剤としての用途や、正極の添加剤としての用途で用いられることも知られている。

【0004】

例えば、特許文献１には、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４とＬｉ_５ＦｅＯ_４とを質量比９５：５で用いた正極を具備するリチウムイオン二次電池が具体的に記載されており、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の添加により、負極活物質の初期容量ロスを補うことができた旨が記載されている。

【0005】

特許文献２には、正極活物質としてＬｉ_５ＦｅＯ_４のみを具備するリチウムイオン二次電池、及び、正極活物質としてＬｉ_５ＦｅＯ_４及びＬｉを含まない金属酸化物を具備するリチウムイオン二次電池が、具体的に記載されている。

【0006】

特許文献３には、正極活物質としてＬｉＣｏＯ_２とＬｉ_５ＦｅＯ_４とを質量比９１：９～９７：３で用いた正極を具備するリチウムイオン二次電池が具体的に記載されており、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の添加により、初期充電容量を向上させることができた旨が記載されている。

【0007】

特許文献４には、初回充電時にガス発生する正極添加剤としてＬｉ_５ＦｅＯ_４を正極活物質層に添加することが記載されており、初回充電時のガス発生により、正極活物質層内に空孔を形成し得ることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２００７－２８７４４６号公報

【文献】特開２０１２－９９３１６号公報

【文献】特開２０１４－１５７６５３号公報

【文献】国際公開第２０１４／１１８８３４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

近年、産業界からは、電池特性に優れるリチウムイオン二次電池や、リチウムイオン二次電池を製造する際の優れた材料が求められており、それを実現するための新たな技術が求められている。

【0010】

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものであり、新たなＬｉ_５ＦｅＯ_４関連材料を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明者が、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４についての検討を行ったところ、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４を具備する電池が、十分に容量を発現しない現象を知見した。本発明者は、かかる現象は、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の低導電性、すなわち高抵抗との性質に因ると推定した。そして、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の導電性を増加させる目的で、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の表面を炭素膜で被覆させた炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４を製造し、保管した。その結果、保管条件によっては、当該炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４が劣化する可能性があることを知見した。具体的には、大気下で保管した炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４は、吸湿してしまう場合がある。吸湿した炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４は、水との反応により劣化する可能性がある。

【0012】

本発明者は、当該保管による劣化を抑制すべく、様々な条件で炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の製造を試み、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４と炭素とを含む複合粒子を製造することを志向した。本発明者は、更なる鋭意研究を重ねて本発明を完成した。

【0013】

本発明の複合粒子は、
Ｌｉ_５ＦｅＯ_４と炭素とを含み、
前記複合粒子をラマン分光光度計にて分析することで得られるラマン分光スペクトルにおいて、Ｇ－Ｂａｎｄの半値幅が３０ｃｍ^－１以下であるものである。

【発明の効果】

【0014】

本発明の複合粒子は、保管による劣化が抑制されたものである。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】評価例１における実施例１の複合粒子のＳＥＭ像である。

【図2】評価例２における実施例１の複合粒子、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４、及び、比較例２の複合粒子のＸ線回折チャートである。

【図3】評価例６における実施例１の複合粒子、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４、比較例２の複合粒子、及び、黒鉛のラマン分光スペクトルである。

【図4】評価例７における実施例１の複合粒子、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４、及び、比較例２の複合粒子の質量の経時変化を表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に、本発明を実施するための形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「ａ～ｂ」は、下限ａ及び上限ｂをその範囲に含む。そして、これらの上限値及び下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。さらに、これらの数値範囲内から任意に選択した数値を、新たな上限や下限の数値とすることができる。

【0017】

本発明の複合粒子は、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４と炭素とを含む複合粒子である。視点を変えると、本発明の複合粒子は、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の相と炭素の相とが複合された粒子ともいい得る。
以下、必要に応じて、本発明の複合粒子に含まれるＬｉ_５ＦｅＯ_４の相をＬｉ_５ＦｅＯ_４相と称し、炭素の相を炭素相と称する。
Ｌｉ_５ＦｅＯ_４相は、主として電池反応に関与する部分であるものの比較的導電性に劣り、炭素相は自身の優れた導電性により当該Ｌｉ_５ＦｅＯ_４相の導電性を補う役割を担う部分であるといえる。

【0018】

本発明の複合粒子は、当該複合粒子をラマン分光光度計にて分析することで得られるラマン分光スペクトルにおいて、Ｇ－Ｂａｎｄの半値幅が３０ｃｍ^－１以下であるものである。

【0019】

本発明の複合粒子は既述した炭素相を有するところ、炭素単体には、ラマン分光スペクトルの１２００～１７００ｍ^－１に、グラファイト構造に由来するＧ－Ｂａｎｄと称されるピークや、ダングリングボンドに由来するＤ－Ｂａｎｄと称されるピークが検出される場合がある。
本発明の複合粒子のラマン散乱分光スペクトルには、Ｇ－Ｂａｎｄが検出される。このため、本発明の複合粒子は炭素相にグラファイト構造を有すると推測される。また、当該Ｇ－Ｂａｎｄの半値幅が３０ｃｍ^－１以下であることから、本発明の複合粒子における炭素相は、比較的結晶性の高い相であると推測される。

【0020】

実施例の欄で詳説するが、本発明の複合粒子は、炭素相の結晶性が高く、保管による劣化が抑制されたものであるといえる。

【0021】

本発明の複合粒子のラマン分光スペクトルにおいて、Ｇ－Ｂａｎｄの半値幅は、３０ｃｍ^－１以下でさえあれば良いが、２５ｃｍ^－１以下であるのが好ましく、２２ｃｍ^－１以下であるのがより好ましく、２０ｃｍ^－１以下であるのが特に好ましい。換言すると、本発明の複合粒子は、炭素相の結晶性のより高いものであるのが好ましい。

【0022】

本発明の複合粒子は、上記ラマン分光スペクトルにおいて、Ｄ－Ｂａｎｄの検出されるものであっても良い。つまり、本発明の複合粒子は、炭素相にダングリングボンドを有しても良い。

【0023】

ダングリングボンドを有する炭素相は、当該ダングリングボンドの部分において水と反応し易いと考えられる。このため、吸湿による複合粒子の劣化を抑制することを考慮すると、炭素相にダングリングボンドが多いのは不利と考えられる。しかし、少量であれば、ダングリングボンドの存在も許容される。具体的には、ダングリングボンドの量は、Ｇ／Ｄ比、すなわち、Ｄ－Ｂａｎｄと上記したＧ－Ｂａｎｄとのピーク強度の比率によって規定できる。当該Ｇ／Ｄ比が小さければ、相対的に、炭素相にダングリングボンドが多いとみなし得る。また、当該Ｇ／Ｄ比が大きければ、相対的に、炭素相にダングリングボンドが少ないとみなし得る。
本発明の複合粒子におけるＧ／Ｄ比の好ましい範囲としては、１．５以上、２．０以上、２．５以上、３．０以上、３．５以上の各範囲が挙げられる。

【0024】

本発明の複合粒子は、既述したように、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４相及び炭素相を有するものである。当該Ｌｉ_５ＦｅＯ_４相および炭素相は、如何なる大きさであっても良いし如何なる形状であっても良いが、本発明の複合粒子をリチウムイオン二次電池の正極材料に用いるのであれば、粒子状のＬｉ_５ＦｅＯ_４相の表面に炭素相が存在するのが好ましい。既述したように、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４相は主として電池反応に関与し、炭素相はＬｉ_５ＦｅＯ_４相の導電性を補う役割を担うためである。

【0025】

粒子状のＬｉ_５ＦｅＯ_４相の表面に存在する炭素相は、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４よりも小径の粒子状であるのが良く、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の表面全体に点在していても良いし、当該Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の表面の一部にのみ存在していても良い。

【0026】

本発明の複合粒子における炭素の質量％（Ｗｃ）は、特に問わないが、１≦Ｗｃ≦１０の範囲内であるのが好ましい。当該炭素の質量のより好ましい範囲としては、２．０＜Ｗｃ≦８．０の範囲内、２．５≦Ｗｃ≦６．０の範囲内、３．０≦Ｗｃ≦５．０の範囲内を挙げることができる。

【0027】

本発明の複合粒子のＢＥＴ比表面積は特に問わないが、０．１～１５．０ｍ^２／ｇ、０．５～１０．０ｍ^２／ｇ、０．７～５．０ｍ^２／ｇ、１．０～３．８ｍ^２／ｇの各範囲を挙げることができる。
なお、ＢＥＴ比表面積が過小であれば、容量に劣る場合がある。他方、ＢＥＴ比表面積が過大であれば、大気中の水分や二酸化炭素と反応して、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４が劣化する場合や、正極製造時のスラリーの物性などに悪影響を及ぼす場合がある。

【0028】

本発明の複合粒子は、粉末状態であるものが好ましい。本発明の複合粒子の粉体抵抗値としては、１０^－１～５×１０^３Ωｃｍ、１～１×１０^３Ωｃｍ、１０～５×１０^２Ωｃｍを例示できる。
なお、本明細書における粉体抵抗値とは、測定試料に４ｋＮの荷重をかけた際の体積抵抗値を意味する。

【0029】

本発明の複合粒子は、Ｌｉ_２ＣＯ_３とＦｅ源と黒鉛とを加熱することで製造できる。以下、必要に応じて、Ｌｉ_２ＣＯ_３とＦｅ源と黒鉛とを加熱する工程を含む複合粒子の製造方法を、本発明の複合粒子の製造方法、又は、単に本発明の製造方法と称する。また、当該本発明の製造方法における、Ｌｉ_２ＣＯ_３とＦｅ源と黒鉛とを加熱する工程を、必要に応じて、合成工程と称する。

【0030】

ところで、既述した、本発明者が製造した炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４は、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の粒子を有機物からなる炭素源とともに当該炭素源の炭化温度以上に加熱することで、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の表面を所謂熱ＣＶＤ法による炭素膜で被覆したものである。本発明の製造方法は、当該熱ＣＶＤ法により炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４を製造する方法とは、本質的に異なる。

【0031】

Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の合成方法としては、Ｌｉ源及びＦｅ源を加熱条件下で反応させて合成する方法が知られている。Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の合成に用いるＬｉ源としては、リチウム単体、酸化リチウム、水酸化リチウム、炭酸リチウム、炭酸水素リチウム、フッ化リチウムが例示される。本発明の製造方法は、このうち、炭酸リチウムをＬｉ源として用いるものである。

【0032】

Ｌｉ_５ＦｅＯ_４用のＬｉ源としては、従来、酸化リチウムが主に用いられている。しかし酸化リチウムは比較的高価であるため、本発明者は、複合粒子を安価に提供すべくより安価なＬｉ源を用いることを志向した。本発明者は、酸化リチウムよりも安価なＬｉ源を用いて、実際に、Ｌｉ源とＦｅ源と黒鉛とを加熱する方法によって、複合粒子を製造した。その結果、炭酸リチウムをＬｉ源とした場合に、他のＬｉ源を用いる場合に比べて、上記した保管による劣化が大きく抑制されることを知見した。
なお、炭酸リチウムをＬｉ源として得られた当該複合粒子において、ラマン分光スペクトルにおけるＧ－Ｂａｎｄの半値幅は３０ｃｍ^－１以下であった。つまり、本発明の製造方法は、Ｌｉ源として炭酸リチウムすなわちＬｉ_２ＣＯ_３を用いることにより、保管による劣化が抑制される本発明の複合粒子を製造するものである。

【0033】

Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の原料たるＦｅ源としては、鉄単体、酸化鉄、水酸化鉄、オキシ水酸化鉄、硫酸鉄、硝酸鉄、塩化鉄が例示される。本発明の製造方法においては、Ｆｅ源は特に規定しないが、生成物の純度の点から、鉄単体又は酸化鉄を選択するのが好ましい。

【0034】

合成工程においては、Ｌｉ_２ＣＯ_３及びＦｅ源に加えて黒鉛の存在する反応系でＬｉ_５ＦｅＯ_４を合成し、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４相と炭素相とを有する複合粒子を製造する。
黒鉛はそのまま炭素相となるため、本発明の製造方法の合成工程では、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４相は炭素相と接触した状態で合成され、炭素相がＬｉ_５ＦｅＯ_４の粒子の表面に付着した複合粒子が得られると考えられる。つまり、本発明の製造方法における合成工程では、有機物等の炭素源を炭化する必要はなく、合成工程では、Ｌｉ源、Ｆｅ源及び黒鉛をＬｉ_５ＦｅＯ_４の合成温度で加熱すれば良い。
なお、黒鉛は、リチウムイオン二次電池の正極における導電助剤として用いられている実績があるため、リチウムイオン二次電池の正極に用いられる複合粒子の炭素相としては特に好ましいといえる。
以下、必要に応じて、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｆｅ源及び黒鉛を含み合成工程に供される複合粒子の原料を、混合原料と称する。

【0035】

ところで、Ｌｉ源としてＬｉ_２ＣＯ_３を用いる場合には、合成工程において、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｆｅ源及び黒鉛を含む混合原料を加熱する加熱装置の反応器に、Ｌｉ_２ＣＯ_３が固着してしまう場合がある。当該Ｌｉ_２ＣＯ_３の固着が生じると、複合粒子の収率が悪化する。
混合原料に、ショ糖脂肪酸エステルや脂肪酸等の潤滑剤として機能し得る有機添加剤を添加することで、このＬｉ_２ＣＯ_３の固着の問題を抑制することができる。有機添加剤としては、ショ糖脂肪酸エステル、脂肪酸、脂肪酸塩、脂肪酸アミド、Ｎ，Ｎ’－エチレンビス脂肪酸アミド、フマル酸アルキルエステルアルカリ金属塩及び硬化油が例示される。

【0036】

有機添加剤の添加により、上述したように加熱装置の反応器へのＬｉ_２ＣＯ_３の固着を抑制できるだけでなく、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の粒子が粗大化するのを抑制できる利点もある。
有機添加剤の添加量としては、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｆｅ源及び黒鉛を含む混合原料の全体に対して、０．１～１０質量％の範囲内、０．５～５質量％の範囲内、１～３質量％の範囲内、の各範囲を挙げることができる。

【0037】

合成工程において、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｆｅ源および黒鉛の混合原料を加熱する装置としては、例えば、ホットウォール型、コールドウォール型、横型、縦型などの型式の、流動層反応炉、回転炉、トンネル炉、バッチ式焼成炉、ロータリーキルンなどの公知の加熱装置を用いればよい。

【0038】

なお、合成工程は、上記の混合原料を流動状態にして行うことが望ましい。このようにすることで、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｆｅ源および黒鉛を均一に分散させることができ、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４を効率良く製造し得るとともに、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４相の表面に炭素相が均一に形成された複合粒子を製造し得る。更にこの場合には複合粒子同士の結着を抑制することもできる。混合原料を流動状態にするには、流動床を用いるなど各種方法があるが、混合原料を撹拌するのが好ましい。例えば、内部に邪魔板をもつ回転炉を用いれば、邪魔板に留まった混合原料が回転炉の回転に伴って所定高さから落下することで撹拌される。

【0039】

合成工程における加熱温度は、Ｌｉ_２ＣＯ_３を原料とするＬｉ_５ＦｅＯ_４の合成温度である７３０℃付近とすれば良い。好ましい加熱温度としては、７２０℃、７３０℃及び７４０℃が挙げられる。

【0040】

加熱温度を７２０℃以上とする場合、好ましい加熱時間として、１５時間以上、２０時間以上、２４時間超、２６時間以上の各範囲が挙げられる。加熱温度を７３０℃以上とする場合、好ましい加熱時間として、８時間以上、１０時間以上、１３時間以上の各範囲が挙げられる。また、加熱温度を７４０℃以上とする場合、好ましい加熱時間として、６時間以上、８時間以上、１０時間以上、１２時間以上、１３時間以上の各範囲が挙げられる。

【0041】

合成工程は、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガス雰囲気下で行っても良いし、酸化性ガス雰囲気下で行っても良い。合成工程を酸化性ガス雰囲気下で行う場合には、Ｆｅ_２Ｏ_３等のＦｅ源やＬｉ_５ＦｅＯ_４の還元を抑制しつつ、効率よくＬｉ_５ＦｅＯ_４の合成を行い得る利点がある。

【0042】

合成工程の原料となる混合原料には、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の合成反応の量論比に基づいた量のＬｉ_２ＣＯ_３及びＦｅ源を配合すれば良い。黒鉛の量は特に問わないが、好ましい範囲として、当該合成工程で生成するＬｉ_５ＦｅＯ_４を１００質量％としたときに、０．５質量％～４．５質量％となる量、０．５質量％～４質量％となる量、０．５質量％～３．５質量％となる量、の各範囲が挙げられる。または、黒鉛量の好ましい範囲として、炭素換算で、Ｌｉ_２ＣＯ_３に含まれるリチウム１ｍｏｌに対して０．０５ｍｏｌ～５ｍｏｌ、０．１ｍｏｌ～３ｍｏｌ、０．２ｍｏｌ～１ｍｏｌの各範囲が挙げられる。

【0043】

混合原料に含まれるＬｉ_２ＣＯ_３及びＦｅ源は、予め粉砕しておくのが好ましい。必要に応じて、黒鉛を粉砕しても良い。混合原料は、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｆｅ源及び黒鉛を単に足し加えたものであっても良いし、混合したものであっても良いが、手動で又は混合装置を用いて均一に混合したものであるのが好ましい。例えば、混合原料は、ボールミル、遊星型ボールミル、株式会社奈良機械製作所のハイブリダイゼーションシステム（ＮＨＳ）及びミラーロ（ＭＩＲＡＬＯ）、ホソカワミクロン株式会社のメカノフュージョン及びノビルタ、株式会社徳寿工作所のシータ・コンポーザ等の装置により、粉砕、混合又は一体化させることができる。

【0044】

本発明の複合粒子は、正極活物質として、リチウムイオン供給剤として、又は、各種の添加剤として機能し得る。特に、本発明の複合粒子は、リチウムイオン二次電池用正極材料であって、リチウムイオン二次電池の正極において、初回充電時のリチウムイオン供給剤として好適に機能する。以下、本発明の複合粒子を具備するリチウムイオン二次電池用正極を「本発明の正極」といい、本発明の正極を具備するリチウムイオン二次電池を「本発明のリチウムイオン二次電池」という。

【0045】

本発明の正極において、本発明の複合粒子は、正極活物質が存在する正極活物質層に添加されるのが好ましい。本発明の正極の一態様は、本発明の複合粒子を含む正極活物質層、及び、集電体を具備する。正極活物質層は集電体上に形成される。本発明の複合粒子がリチウムイオン供給剤の場合は、正極活物質層における本発明の複合粒子の配合量は、負極の不可逆容量に応じて決定すればよい。

【0046】

集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子伝導体をいう。集電体の材料は、使用する活物質に適した電圧に耐え得る金属であれば特に制限はない。集電体の材料としては、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いても良い。

【0047】

正極の電位をリチウム基準で４Ｖ以上とする場合には、正極用集電体としてアルミニウムを採用するのが好ましい。

【0048】

具体的には、正極用集電体として、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものを用いるのが好ましい。ここでアルミニウムは、純アルミニウムを指し、純度９９．０％以上のアルミニウムを純アルミニウムと称する。純アルミニウムに種々の元素を添加して合金としたものをアルミニウム合金と称する。アルミニウム合金としては、Ａｌ－Ｃｕ系、Ａｌ－Ｍｎ系、Ａｌ－Ｆｅ系、Ａｌ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｍｇ系、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ系が挙げられる。

【0049】

また、アルミニウム又はアルミニウム合金として、具体的には、例えばＪＩＳ Ａ１０８５、Ａ１Ｎ３０等のＡ１０００系合金（純アルミニウム系)、ＪＩＳ Ａ３００３、Ａ３００４等のＡ３０００系合金（Ａｌ－Ｍｎ系）、ＪＩＳ Ａ８０７９、Ａ８０２１等のＡ８０００系合金（Ａｌ－Ｆｅ系）が挙げられる。

【0050】

集電体は箔、シート、フィルム、線状、棒状、メッシュなどの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えば、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体が箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが１μｍ～１００μｍの範囲内であることが好ましい。

【0051】

正極活物質層には、本発明の複合粒子以外に公知の正極活物質が含まれるのが好ましい。
正極活物質としては、層状岩塩構造の一般式：Ｌｉ_ａＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＤ_ｅＯ_ｆ(０．２≦ａ≦２、ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｅ＜１、ＤはＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｂａ、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｇａ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｉｒ、Ｈｆ、Ｒｈ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｓｃ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｙ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｐ、Ｖから選ばれる少なくとも１の元素、１．７≦ｆ≦３)で表されるリチウム複合金属酸化物、Ｌｉ_ａＮｉ_ｂＣｏ_ｃＡｌ_ｄＤ_ｅＯ_ｆ(０．２≦ａ≦２、ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｅ＜１、ＤはＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｂａ、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｉｒ、Ｈｆ、Ｒｈ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｓｃ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｙ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｐ、Ｖから選ばれる少なくとも１の元素、１．７≦ｆ≦３)で表されるリチウム複合金属酸化物、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３を挙げることができる。また、正極活物質として、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等のスピネル構造の金属酸化物、スピネル構造の金属酸化物と層状化合物の混合物で構成される固溶体、ＬｉＭＰＯ_４、ＬｉＭＶＯ_４又はＬｉ_２ＭＳｉＯ_４（式中のＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅのうちの少なくとも一種から選択される）などで表されるポリアニオン系化合物を挙げることができる。さらに、正極活物質として、ＬｉＦｅＰＯ_４ＦなどのＬｉＭＰＯ_４Ｆ（Ｍは遷移金属）で表されるタボライト系化合物、ＬｉＦｅＢＯ_３などのＬｉＭＢＯ_３（Ｍは遷移金属）で表されるボレート系化合物を挙げることができる。正極活物質として用いられるいずれの金属酸化物も上記の組成式を基本組成とすればよく、基本組成に含まれる金属元素を他の金属元素で置換したものも使用可能である。また、正極活物質として、電荷担体（例えば充放電に寄与するリチウムイオン）を含まないものを用いても良い。例えば、硫黄単体、硫黄と炭素を複合化した化合物、ＴｉＳ_２などの金属硫化物、Ｖ_２Ｏ_５、ＭｎＯ_２などの酸化物、ポリアニリン及びアントラキノン並びにこれら芳香族を化学構造に含む化合物、共役二酢酸系有機物などの共役系材料、その他公知の材料を用いることもできる。さらに、ニトロキシド、ニトロニルニトロキシド、ガルビノキシル、フェノキシルなどの安定なラジカルを有する化合物を正極活物質として採用してもよい。リチウム等の電荷担体を含まない正極活物質材料を用いる場合には、正極及び／又は負極に、公知の方法により、予め電荷担体を添加しておく必要がある。電荷担体は、イオンの状態で添加しても良いし、金属等の非イオンの状態で添加しても良い。例えば、電荷担体がリチウムである場合には、リチウム箔を正極及び／又は負極に貼り付けるなどして一体化しても良い。

【0052】

高容量及び耐久性などに優れる点から、正極活物質として、層状岩塩構造の一般式：Ｌｉ_ａＮｉ_ｂＣｏ_ｃＭｎ_ｄＤ_ｅＯ_ｆ(０．２≦ａ≦２、ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｅ＜１、ＤはＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｂａ、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｇａ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｉｒ、Ｈｆ、Ｒｈ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｓｃ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｙ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｐ、Ｖから選ばれる少なくとも１の元素、１．７≦ｆ≦３) で表されるリチウム複合金属酸化物、又は、Ｌｉ_ａＮｉ_ｂＣｏ_ｃＡｌ_ｄＤ_ｅＯ_ｆ(０．２≦ａ≦２、ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１、０≦ｅ＜１、ＤはＷ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｂａ、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｐｂ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｉｒ、Ｈｆ、Ｒｈ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｓｃ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｙ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｐ、Ｖから選ばれる少なくとも１の元素、１．７≦ｆ≦３)で表されるリチウム複合金属酸化物を採用することが好ましい。

【0053】

高容量及び耐久性などに優れる点から、正極活物質として、スピネル構造のＬｉ_ｘＭｎ_２―ｙＡ_ｙＯ_４（Ａは、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓ、Ｓｉ、Ｎａ、Ｋ、Ａｌ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅから選ばれる少なくとも１の元素、及び、Ｎｉなどの遷移金属元素から選ばれる少なくとも１種の金属元素から選択される。０＜ｘ≦２．２、０≦ｙ≦１）を例示できる。ｘの値の範囲としては、０．５≦ｘ≦１．８、０．７≦ｘ≦１．５、０．９≦ｘ≦１．２を例示でき、ｙの値の範囲としては、０≦ｙ≦０．８、０≦ｙ≦０．６を例示できる。具体的なスピネル構造の化合物として、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＭｎ_１．５Ｎｉ_０．５Ｏ_４を例示できる。

【0054】

具体的な正極活物質として、ＬｉＦｅＰＯ_４、Ｌｉ_２ＦｅＳｉＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４、Ｌｉ_２ＣｏＰＯ_４、Ｌｉ_２ＭｎＰＯ_４、Ｌｉ_２ＭｎＳｉＯ_４、Ｌｉ_２ＣｏＰＯ_４Ｆを例示できる。他の具体的な正極活物質として、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３－ＬｉＣｏＯ_２を例示できる。

【0055】

正極活物質層には、結着剤及び導電助剤が含まれているのが好ましい。正極活物質層に含まれる結着剤及び導電助剤としては、後述の負極で説明するものを適宜適切に採用すればよい。

【0056】

本発明のリチウムイオン二次電池は、具体的に、本発明の正極と、負極と、電解液と、セパレータとを具備する。負極は、集電体と集電体上に形成された負極活物質層を具備する。負極活物質層は負極活物質を含み、必要に応じて結着剤及び導電助剤等の添加剤を含み得る。負極の集電体としては、本発明の正極で説明したものから適宜適切に選択すればよい。

【0057】

負極活物質としては、電荷担体を吸蔵及び放出し得る材料が使用可能である。したがって、リチウムイオンなどの電荷担体を吸蔵及び放出可能である単体、合金又は化合物であれば特に限定はない。たとえば、負極活物質としてＬｉや、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、錫などの１４族元素、アルミニウム、インジウムなどの１３族元素、亜鉛、カドミウムなどの１２族元素、アンチモン、ビスマスなどの１５族元素、マグネシウム、カルシウムなどのアルカリ土類金属、銀、金などの１１族元素をそれぞれ単体で採用すればよい。合金又は化合物の具体例としては、Ａｇ－Ｓｎ合金、Ｃｕ－Ｓｎ合金、Ｃｏ－Ｓｎ合金等の錫系材料、各種黒鉛などの炭素系材料、ケイ素単体と二酸化ケイ素に不均化するＳｉＯ_ｘ（０．３≦ｘ≦１．６）などのケイ素系材料、ケイ素単体若しくはケイ素系材料と炭素系材料を組み合わせた複合体が挙げられる。また、負極活物質として、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２、ＷＯ_２、ＭｏＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３等の酸化物、又は、Ｌｉ_３－ｘＭ_ｘＮ（Ｍ＝Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ）で表される窒化物を採用しても良い。負極活物質として、これらのものの一種以上を使用することができる。

【0058】

高容量化の可能性の点から、好ましい負極活物質として、黒鉛、Ｓｉ含有材料、Ｓｎ含有材料を挙げることができる。特に、負極活物質として、不可逆容量の存在が重要な問題となるＳｉ含有材料を採用した場合に、本発明の複合粒子に含まれるＬｉ_５ＦｅＯ_４のリチウムイオン供給剤としての効果が顕著に発揮される。

【0059】

Ｓｉ含有材料の具体例として、Ｓｉ単体や、Ｓｉ相とケイ素酸化物相との２相に不均化されたＳｉＯ_ｘ（０．３≦ｘ≦１．６）を例示できる。ＳｉＯ_ｘにおけるＳｉ相は、リチウムイオンを吸蔵及び放出でき、二次電池の充放電に伴って体積変化する。ケイ素酸化物相はＳｉ相に比べて充放電に伴う体積変化が少ない。つまり、負極活物質としてのＳｉＯ_ｘは、Ｓｉ相により高容量を実現するとともに、ケイ素酸化物相を有することにより負極活物質全体の体積変化を抑制する。なお、ｘが下限値未満であると、Ｓｉの比率が過大になるため、充放電時の体積変化が大きくなりすぎて二次電池のサイクル特性が低下する。一方、ｘが上限値を超えると、Ｓｉ比率が過小になってエネルギー密度が低下する。ｘの範囲は０．５≦ｘ≦１．５であるのがより好ましく、０．７≦ｘ≦１．２であるのがさらに好ましい。

【0060】

なお、上記したＳｉＯ_ｘにおいては、リチウムイオン二次電池の充放電時にリチウムとＳｉ相のケイ素とによる合金化反応が生じると考えられている。そして、この合金化反応がリチウムイオン二次電池の充放電に寄与すると考えられている。後述するＳｎ含有材料についても、同様に、スズとリチウムとの合金化反応によって充放電できると考えられている。

【0061】

Ｓｎ含有材料の具体例として、Ｓｎ単体、Ｃｕ－ＳｎやＣｏ－Ｓｎなどのスズ合金、アモルファススズ酸化物、スズケイ素酸化物を例示できる。アモルファススズ酸化物としてはＳｎＢ_０．４Ｐ_０．６Ｏ_３．１を例示でき、スズケイ素酸化物としてはＳｎＳｉＯ_３を例示できる。

【0062】

Ｓｉ含有材料、及び、Ｓｎ含有材料は、炭素材料と複合化して負極活物質とすることが好ましい。複合化に因り、特にケイ素及び／又はスズの構造が安定し、負極の耐久性が向上する。上記複合化は、既知の方法で行えば良い。複合化に用いられる炭素材料としては、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等を採用すればよい。黒鉛は、天然黒鉛でもよく、人造黒鉛でもよい。

【0063】

Ｓｉ含有材料の具体例として、国際公開第２０１４／０８０６０８号などに開示されるシリコン材料（以下、単に「シリコン材料」という。）を挙げることができる。

【0064】

シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有するものである。シリコン材料は、例えば、ＣａＳｉ_２と酸とを反応させてポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成する工程、さらに、当該層状シリコン化合物を３００℃以上で加熱して水素を離脱させる工程を経て製造されるものである。

【0065】

シリコン材料の製造方法を、酸として塩化水素を用いた場合の理想的な反応式で示すと以下のとおりとなる。
３ＣａＳｉ_２＋６ＨＣｌ → Ｓｉ_６Ｈ_６＋３ＣａＣｌ_２
Ｓｉ_６Ｈ_６ → ６Ｓｉ＋３Ｈ_２↑

【0066】

ただし、ポリシランであるＳｉ_６Ｈ_６を合成する上段の反応では、副生物や不純物除去の観点から、通常、反応溶媒として水が用いられる。そして、Ｓｉ_６Ｈ_６は水と反応し得るため、上段の反応を含む層状シリコン化合物を合成する工程において、層状シリコン化合物がＳｉ_６Ｈ_６のみを含むものとして製造されることはほとんどなく、層状シリコン化合物はＳｉ_６Ｈ_ｓ(ＯＨ)_ｔＸ_ｕ（Ｘは酸のアニオン由来の元素若しくは基、ｓ＋ｔ＋ｕ＝６、０＜ｓ＜６、０＜ｔ＜６、０＜ｕ＜６）で表されるものとして製造される。なお、上記の化学式においては、残存し得るＣａなどの不可避不純物については、考慮していない。そして、当該層状シリコン化合物を加熱して得られるシリコン材料も、酸素や酸のアニオン由来の元素を含む。

【0067】

既述のとおり、シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する。リチウムイオン等の電荷担体が効率的に吸蔵及び放出されるためには、板状シリコン体は厚さが１０ｎｍ～１００ｎｍの範囲内のものが好ましく、２０ｎｍ～５０ｎｍの範囲内のものがより好ましい。板状シリコン体の長手方向の長さは、０．１μｍ～５０μｍの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、（長手方向の長さ）／（厚さ）が２～１０００の範囲内であるのが好ましい。板状シリコン体の積層構造は走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。また、この積層構造は、原料のＣａＳｉ_２におけるＳｉ層の名残りであると考えられる。

【0068】

シリコン材料には、アモルファスシリコン及び／又はシリコン結晶子が含まれるのが好ましい。特に、上記板状シリコン体において、アモルファスシリコンをマトリックスとし、シリコン結晶子が当該マトリックス中に点在している状態が好ましい。シリコン結晶子のサイズは、０．５ｎｍ～３００ｎｍの範囲内が好ましく、１ｎｍ～１００ｎｍの範囲内がより好ましく、１ｎｍ～５０ｎｍの範囲内がさらに好ましく、１ｎｍ～１０ｎｍの範囲内が特に好ましい。なお、シリコン結晶子のサイズは、シリコン材料に対してＸ線回折測定を行い、得られたＸ線回折チャートのＳｉ（１１１）面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。

【0069】

シリコン材料に含まれる板状シリコン体、アモルファスシリコン及びシリコン結晶子の存在量や大きさは、主に加熱温度や加熱時間に左右される。加熱温度は、３５０℃～９５０℃の範囲内が好ましく、４００℃～９００℃の範囲内がより好ましい。

【0070】

シリコン材料は炭素で被覆されていてもよい。炭素で被覆されたシリコン材料は導電性に優れる。

【0071】

シリコン材料の平均粒子径は、２～７μｍの範囲内が好ましく、２．５～６．５μｍの範囲内がより好ましい。平均粒子径が小さすぎるシリコン材料を用いると、凝集性や濡れ性の観点から、負極製造が困難になる場合がある。具体的には、負極製造時に調製するスラリー中において、平均粒子径が小さすぎるシリコン材料が凝集する場合がある。他方、平均粒子径が大きすぎるシリコン材料を用いた負極を具備するリチウムイオン二次電池は、好適な充放電ができない場合がある。平均粒子径が大きすぎるシリコン材料においては、リチウムイオンが当該シリコン材料の内部まで十分に拡散し得ないことが原因と推測される。なお、本明細書における平均粒子径とは、一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で試料を測定した場合におけるＤ５０を意味する。

【0072】

結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴムなどの公知のものを採用すればよい。

【0073】

また、国際公開第２０１６／０６３８８２号に開示される、ポリアクリル酸やポリメタクリル酸などのカルボキシル基含有ポリマーをジアミンなどのポリアミンで架橋した架橋ポリマーを、結着剤として用いてもよい。

【0074】

架橋ポリマーに用いられるジアミンとしては、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等のアルキレンジアミン、１，４－ジアミノシクロヘキサン、１，３－ジアミノシクロヘキサン、イソホロンジアミン、ビス（４－アミノシクロヘキシル）メタン等の含飽和炭素環ジアミン、ｍ－フェニレンジアミン、ｐ－フェニレンジアミン、４，４’－ジアミノジフェニルメタン、４，４’－ジアミノジフェニルエーテル、ビス（４－アミノフェニル）スルホン、ベンジジン、ｏ－トリジン、２，４－トリレンジアミン、２，６－トリレンジアミン、キシリレンジアミン、ナフタレンジアミン等の芳香族ジアミンが挙げられる。

【0075】

活物質層中の結着剤の配合割合は、０．５～２０質量％が好ましく、１～１５質量％がより好ましく、２～１０質量％がさらに好ましく、３～５質量％が特に好ましい。結着剤が少なすぎると電極の成形性が低下し、また、結着剤が多すぎると電極のエネルギー密度が低くなるためである。

【0076】

導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。導電助剤としては化学的に不活性な電子高伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、気相法炭素繊維（Vapor Grown Carbon Fiber）、および各種金属粒子などが例示される。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどが例示される。これらの導電助剤を単独又は二種以上組み合わせて活物質層に添加することができる。活物質層中の導電助剤の配合割合は、０．５～２０質量％が好ましく、１～１５質量％がより好ましく、２～１０質量％がさらに好ましく、２～５質量％が特に好ましい。導電助剤が少なすぎると効率のよい導電パスを形成できず、また、導電助剤が多すぎると活物質層の成形性が悪くなるとともに電極のエネルギー密度が低くなるためである。

【0077】

集電体の表面に活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に活物質を塗布すればよい。具体的には、活物質層の成分及び溶剤を混合してスラリーにしてから、当該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。溶剤としては、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、メタノール、メチルイソブチルケトン、水を例示できる。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。

【0078】

正極活物質層を製造するための、本発明の複合粒子と溶剤とを具備するスラリー状の正極活物質層製造用組成物においては、固形分の配合量は３０～９０質量％の範囲内が好ましく、５０～７５質量％の範囲内がより好ましい。ここで、固形分とは、正極活物質層製造用組成物に含まれる溶剤以外の成分を意味する。

【0079】

正極活物質層製造用組成物における、本発明の複合粒子の配合量は、本発明の複合粒子の用途に応じて適宜決定すればよい。
本発明の複合粒子を、負極の不可逆容量に相当するリチウムイオンを補填するためのリチウムイオン供給剤として用いる場合であれば、正極活物質層製造用組成物における本発明の複合粒子の配合量としては、固形分に対して、１～１０質量％の範囲内、３～９質量％の範囲内、５～８質量％の範囲内を例示できる。

【0080】

また、正極活物質層製造用組成物における正極活物質の配合量としては、固形分に対して、８０～９５質量％の範囲内、８３～９３質量％の範囲内、８５～９０質量％の範囲内を例示できる。正極活物質層製造用組成物における結着剤の配合量としては、固形分に対して、０．５～１０質量％の範囲内、１～５質量％の範囲内、２～４質量％の範囲内を例示できる。正極活物質層製造用組成物における導電助剤の配合量としては、固形分に対して、０．５～５質量％の範囲内、１～４質量％の範囲内、１～３質量％の範囲内を例示できる。

【0081】

セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、公知のものを採用すればよく、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアラミド（Ａｒｏｍａｔｉｃ ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ポリエステル、ポリアクリロニトリル等の合成樹脂、セルロース、アミロース等の多糖類、フィブロイン、ケラチン、リグニン、スベリン等の天然高分子、セラミックスなどの電気絶縁性材料を１種若しくは複数用いた多孔体、不織布、織布などを挙げることができる。また、セパレータは多層構造としてもよい。

【0082】

電解液は、非水溶媒と非水溶媒に溶解した電解質とを含んでいる。

【0083】

非水溶媒としては、環状カーボネート、環状エステル、鎖状カーボネート、鎖状エステル、エーテル類等が使用できる。環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートを例示でき、環状エステルとしては、ガンマブチロラクトン、２－メチル－ガンマブチロラクトン、アセチル－ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトンを例示できる。鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネートを例示でき、鎖状エステルとしては、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル等を例示できる。エーテル類としては、テトラヒドロフラン、２－メチルテトラヒドロフラン、１，４－ジオキサン、１，２－ジメトキシエタン、１，２－ジエトキシエタン、１，２－ジブトキシエタンを例示できる。非水溶媒としては、上記具体的な溶媒の化学構造のうち一部又は全部の水素がフッ素に置換した化合物を採用しても良い。

【0084】

電解質としては、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２等のリチウム塩を例示できる。

【0085】

電解液としては、フルオロエチレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの非水溶媒に、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３などのリチウム塩を０．５ｍｏｌ／Ｌから１．７ｍｏｌ／Ｌ程度の濃度で溶解させた溶液を例示できる。

【0086】

本発明のリチウムイオン二次電池の具体的な製造方法について述べる。
例えば、正極と負極とでセパレータを挟持して電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極の積層体を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体および負極の集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までを、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に電解液を加えてリチウムイオン二次電池とするとよい。

【0087】

本発明のリチウムイオン二次電池の形状は特に限定されるものでなく、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等、種々の形状を採用することができる。

【0088】

本発明のリチウムイオン二次電池は、車両に搭載してもよい。車両は、その動力源の全部あるいは一部にリチウムイオン二次電池による電気エネルギーを使用している車両であればよく、例えば、電気車両、ハイブリッド車両などであるとよい。車両にリチウムイオン二次電池を搭載する場合には、リチウムイオン二次電池を複数直列に接続して組電池とするとよい。リチウムイオン二次電池を搭載する機器としては、車両以外にも、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器などが挙げられる。さらに、本発明のリチウムイオン二次電池は、風力発電、太陽光発電、水力発電その他電力系統の蓄電装置及び電力平滑化装置、船舶等の動力及び／又は補機類の電力供給源、航空機、宇宙船等の動力及び／又は補機類の電力供給源、電気を動力源に用いない車両の補助用電源、移動式の家庭用ロボットの電源、システムバックアップ用電源、無停電電源装置の電源、電動車両用充電ステーションなどにおいて充電に必要な電力を一時蓄える蓄電装置に用いてもよい。

【0089】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。

【実施例】

【0090】

以下に、各種の具体例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、これらの具体例によって限定されるものではない。

【0091】

（実施例１）
（合成工程）
Ｌｉ源としてＬｉ_２ＣＯ_３を４．１３８ｇ（５６．０ｍｍｏｌ）、Ｆｅ源としてＦｅ_２Ｏ_３を１．７８９ｇ（１１．２ｍｍｏｌ）、黒鉛を０．５３８ｇ（炭素換算で４４．８ｍｍｏｌ）を配合した混合原料を、遊星ボールミルに投入した。さらに、有機添加剤であるステアリン酸リチウムを、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、黒鉛及びステアリン酸リチウムの合計量に対して２質量％に相当する量、遊星ボールミルに投入した。遊星ボールミルを自転速度８００ｒｐｍ及び公転速度８００ｒｐｍで作動させて、当該混合原料の複合体を製造した。
この混合原料の複合体を反応器に入れ、管状炉中で、アルゴン雰囲気下、７２０℃で２６時間加熱して、粒子状をなす実施例１の複合粒子を得た。
なお、実施例１における混合原料には、ＬｉとＦｅとが原子比で５：１となる量のＬｉ_２ＣＯ_３及びＦｅ源を配合した。また、黒鉛については、Ｌｉ_２ＣＯ_３に含まれるリチウム１ｍｏｌに対して、炭素換算で０．４ｍｏｌとなる量を配合した。

【0092】

（比較例１）
（合成工程）
Ｌｉ源としてＬｉ_２Ｏを３．１２６ｇ（１０４．６ｍｍｏｌ）、Ｆｅ源としてＦｅ_２Ｏ_３を３．３４２ｇ（２０．９ｍｍｏｌ）を秤量し、遊星ボールミルに投入した。さらに、有機添加剤であるステアリン酸リチウムをＬｉ_２Ｏ及びＦｅ_２Ｏ_３の合計量に対して２質量％に相当する量で秤量して、遊星ボールミルに投入した。遊星ボールミルを自転速度８００ｒｐｍ及び公転速度８００ｒｐｍで作動させて、当該混合原料を、得られる粒子の径が１０μｍ以下となるまで粉砕混合した。

【0093】

粉砕混合された混合原料をロータリーキルン型の反応器に配置し、次いで、アルゴン雰囲気下で混合原料を６００℃、６０分間加熱して、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４を合成した。続いて、ヘキサン－アルゴン混合ガスの通気下にて、７００℃、２０分間の条件で熱ＣＶＤを行い、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の表面に炭素膜を形成させて、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４を製造した。なお、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４及び炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の合成中は、ロータリーキルン型の反応器を回転状態とした。

【0094】

（比較例２）
Ｌｉ源としてＬｉＯＨを３．８０５ｇ（１５８．９ｍｍｏｌ）、Ｆｅ源としてＦｅ_２Ｏ_３を２．５３７ｇ（１５．９ｍｍｏｌ）、及び、黒鉛を０．２５７ｇ（炭素換算で２１．５ｍｍｏｌ）、秤量して混合原料とした。また、合成工程における加熱温度及び加熱時間を４６０℃、４時間とした。これ以外は、実施例１と同様に、比較例２の複合粒子を得た。
なお、比較例２における混合原料には、ＬｉとＦｅとが原子比で５：１となる量のＬｉ源及びＦｅ源を配合した。

【0095】

（評価例１）
走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を用いて実施例１の複合粒子の外観を観察した。実施例１の複合粒子のＳＥＭ像を図１に示す。

【0096】

図１に示すように、実施例１の複合粒子は、比較的大きな粒子と、当該粒子の表面に多数存在する微細な粒子とを有する。混合原料の組成から、図１中の比較的大きな粒子はＬｉ_５ＦｅＯ_４であり微細な粒子は炭素であると推測される。つまり、実施例１の複合粒子は、比較的大きな粒子状のＬｉ_５ＦｅＯ_４相と、その表面に多数存在する微細な粒子状の炭素相とを有するといえる。

【0097】

（評価例２）
実施例１の複合粒子、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４、及び、比較例２の複合粒子を、Ｃｕ管球を線源とした粉末Ｘ線回折分析に供して分析を行った。得られたＸ線回折チャートを図２に示す。

【0098】

図２に示すように、実施例１の複合粒子、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４、及び、比較例２の複合粒子の何れにも、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４が生成していることが裏付けられた。

【0099】

（評価例３）
炭素・硫黄分析装置を用いて、実施例１の複合粒子、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４、及び、比較例２の複合粒子に対して、炭素を対象とした元素分析を行った。結果を表１に示す。

【0100】

（評価例４）
実施例１の複合粒子、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４、及び、比較例２の複合粒子の比表面積をＢＥＴ法で測定し、ＢＥＴ比表面積とした。各複合粒子のＢＥＴ比表面積の値を上記した評価例３の結果とともに表１に示す。

【0101】

（評価例５）
実施例１の複合粒子、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４、及び、比較例２の複合粒子につき、粉体抵抗率測定システム（株式会社三菱アナリテック）を用いて、４ｋＮの荷重をかけた上での体積抵抗値を測定した。結果を評価例３及び評価例４の結果とともに表１に示す。

【0102】

【表1】

【0103】

表１に示すように、黒鉛の存在下でＬｉ源とＦｅ源とを反応させて得られた実施例１及び比較例２の複合粒子は、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４を熱ＣＶＤ法により炭素被覆して得られた比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４と比べて、比表面積は小さいものの、炭素量及び導電性の面で遜色ないものであった。
この結果から、実施例１の複合粒子は、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４と同様に、リチウムイオン二次電池の正極に好ましく使用できるといえる。なお、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４がリチウムイオン二次電池の正極に好ましく使用できることは、本発明者らによる試験で確認されている。

【0104】

（評価例６）
ラマン分光光度計にて、実施例１の複合粒子、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４、比較例２の複合粒子、及び、黒鉛を分析した。結果を図３及び表２に示す。

【0105】

【表2】

【0106】

図３及び表２に示すように、黒鉛のラマン分光スペクトルの１２００～１７００ｍ^－１には、グラファイトに由来するＧ－Ｂａｎｄと称される炭素由来のピーク、及び、ダングリングボンドに由来するＤ－Ｂａｎｄと称される炭素由来のピークが検出された。

【0107】

図３及び表２に示すように、実施例１及び比較例２の各複合粒子のラマン分光スペクトルには、半値幅４０ｃｍ^－１以下のシャープなＧ－Ｂａｎｄが検出された。しかし、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４のラマン分光スペクトルには、シャープなＧ－Ｂａｎｄは検出されず、半値幅８８ｃｍ^－１のブロードなピークのみが検出された。実施例１の複合粒子と比較例２の複合粒子とを比較すると、Ｇ－Ｂａｎｄの半値幅は、実施例１の複合粒子では１９ｃｍ^－１、比較例２の複合粒子では３２ｃｍ^－１であった。
この結果を基に、本発明の複合粒子におけるＧ－Ｂａｎｄの半値幅は３０ｃｍ^－１以下ということができ、当該半値幅の好ましい範囲として２７ｃｍ^－１以下、２５ｃｍ^－１以下、２２ｃｍ^－１以下、２０ｃｍ^－１以下の各範囲を挙げることができる。

【0108】

Ｄ－Ｂａｎｄに着目すると、Ｌｉ源として水酸化リチウムを用いた比較例２の複合粒子では、ラマン分光スペクトルに明確なＤ－Ｂａｎｄが検出された。これに対して、Ｌｉ源として炭酸リチウムを用いた実施例１の複合粒子では、ラマン分光スペクトルに検出されたＤ－Ｂａｎｄは非常に小さなものであった。Ｇ－Ｂａｎｄのピーク面積をＤ－Ｂａｎｄのピーク面積で除したＧ／Ｄ比は、実施例１の複合粒子では３．６であったのに対し、比較例２の複合粒子では０．８であり、黒鉛では１．３であった。この結果を基に、本発明の複合粒子における当該Ｇ／Ｄ比の好ましい範囲として、１．５以上、２．０以上、２．５以上、３．０以上、３．５以上の各範囲を挙げることができる。

【0109】

（評価例７）
実施例１の複合粒子、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４、及び、比較例２の複合粒子を、約２３℃、露点を０℃付近とした大気中に放置し、その質量の経時変化を測定した。結果を図４に示す。

【0110】

図４に示すように、実施例１の複合粒子及び比較例２の複合粒子の質量変化率は、比較例１の炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４の質量変化率に比べて小さかった。この結果から、黒鉛の存在下でＬｉ源とＦｅ源とを反応させて得られた複合粒子は、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４を熱ＣＶＤ法により炭素被覆して得られた炭素被覆Ｌｉ_５ＦｅＯ_４に比べて、大気下での保管時にも吸湿し難く、劣化し難いといえる。

【0111】

また、Ｌｉ源としてＬｉ_２ＣＯ_３を用いた実施例１の複合粒子と、Ｌｉ源として水酸化リチウムを用いた比較例２の複合粒子とを比較すると、実施例１の複合粒子の質量変化率は、比較例２の複合粒子の質量変化率に比べてさらに小さかった。この結果から、Ｌｉ源としてＬｉ_２ＣＯ_３を用いる場合には、ＬｉＯＨを用いる場合よりも、より一層、大気下での保管時にも吸湿し難く、劣化し難いといえる。この結果と、上記した評価例６の結果とを勘案すると、Ｇ－Ｂａｎｄの半値幅が３０ｃｍ^－１以下である実施例１の複合粒子においては保管時の劣化が抑制される、ということができ、更には、Ｇ－Ｂａｎｄの半値幅が３０ｃｍ^－１以下の本発明の複合粒子は保管時の劣化が抑制されたものである、ということができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】