JP2009110799A

JP2009110799A - 電池

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Publication number: JP2009110799A
Application number: JP2007281673A
Authority: JP
Inventors: Atsumichi Kawashima; 敦道川島
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-05-21

Abstract

【課題】優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることが可能な電池を提供する。
【解決手段】正極２１および負極２２と共に電解液を備え、正極２１と負極２２との間に設けられたセパレータ２３に電解液が含浸されている。負極２２の負極活物質層２２Ｂは複数の負極活物質粒子を含み、その負極活物質粒子はケイ素を含有すると共に粒子内に多層構造を有している。電解液は、溶媒としてハロゲンを有する環状炭酸エステルと、電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウムと、一端にメチル基を有すると共に他端にアルキル基（炭素数＝２〜４）を有する非対称なエステル化合物とを含んでいる。充放電を繰り返しても電解液が分解しにくくなるため、放電容量が低下しにくくなると共に二次電池が膨れにくくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、正極および負極と共に電解液を備えた電池に関する。

近年、カメラ一体型ＶＴＲ（video tape recorder）、携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、電源として、電池、特に軽量で高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。

中でも、充放電反応にリチウム（Ｌｉ）の吸蔵および放出を利用する二次電池（いわゆるリチウムイオン二次電池）は、鉛電池やニッケルカドミウム電池よりも高いエネルギー密度が得られるため、大いに期待されている。

このリチウムイオン二次電池としては、正極の正極活物質としてリチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物を用い、負極の負極活物質として炭素材料を用い、電解液の溶媒として炭酸エステルを用いるものが知られている。炭酸エステルは水や他の有機溶剤よりも優れた耐酸化性および耐還元性を有するため、高電圧が得られる。これにより、水系電池であるニッケル水素電池よりも高いエネルギー密度が得られるため、高容量が得られる。

最近では、ポータブル電子機器の高性能化および多機能化に伴って電池容量のさらなる向上が求められていることから、負極活物質として、黒鉛などの炭素材料に代えてケイ素やスズなどを用いることが検討されている。ケイ素の理論容量（４１９９ｍＡｈ／ｇ）やスズの理論容量（９９４ｍＡｈ／ｇ）は黒鉛の理論容量（３７２ｍＡｈ／ｇ）よりも格段に大きいため、電池容量の大幅な向上を期待できるからである。

負極活物質としてケイ素等を用いた場合において、二次電池のサイクル特性を向上させるためには、負極活物質の厚さを薄くすればよい。充放電時に負極活物質が膨張および収縮しにくくなるからである。この場合には、負極活物質の厚さが薄いと、二次電池の容量が不足するため、その容量を稼ぐために、負極活物質を積層させる必要がある。

ところが、負極活物質を積層させると、サイクル特性が低下してしまう。階層間に界面が生じて負極活物質の表面積が増大するため、充電時にリチウムを吸蔵した負極活物質が高活性になった際に、その表面において電解液が分解しやすくなるからである。しかも、電解液が分解すると、その分解時に発生したガスの影響を受けて二次電池が膨れやすくなるため、サイクル特性だけでなく膨れ特性も低下してしまう。この二次電池の膨れは、高温環境中において顕著となる。

特に、ケイ素は反応性が高いため、電解液の溶媒（低粘度溶媒）として高反応性の炭酸ジメチルを用いると、充放電時にガスが発生しやすくなるため、膨れ特性の低下を招く。そこで、二次電池の膨れを抑制するために、低粘度溶媒として低反応性の炭酸ジエチルが広く用いられている。ところが、低粘度溶媒であるとはいっても炭酸ジエチルの粘度は炭酸ジメチルよりも高く、電解液の抵抗が高くなるため、膨れ特性が改善される一方で、サイクル特性が低下してしまう。

これらの二次電池に関する諸問題を解決するために、さまざまな工夫がなされている。具体的には、二次電池の諸性能を落とすことなく安全性を向上させるために、負極活物質としてケイ素を用いる場合に、電解液の溶媒としてフルオロエチレンカーボネートおよび鎖状エステル系溶媒を用い、電解質塩として六フッ化リン酸リチウムや四フッ化ホウ酸リチウムを用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特表２００７−５０４６２８号公報

近年、ポータブル電子機器は益々高性能化および多機能化しており、その消費電力も増大する傾向にあるため、二次電池の充放電が頻繁に繰り返され、そのサイクル特性が低下しやすい状況にある。また、ポータブル電子機器は多岐分野に渡って広く普及しており、二次電池が輸送時、使用時あるいは携帯時などにおいて高温雰囲気中に晒される可能性があるため、二次電池が膨れやすい状況にある。これらのことから、二次電池のサイクル特性および膨れ特性に関して、より一層の向上が望まれている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることが可能な電池を提供することにある。

本発明の電池は、正極および負極と共に電解液を備えた電池であって、負極が、複数の負極活物質粒子を含む負極活物質層を有し、負極活物質粒子が、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を有する材料を含有し、かつ、粒子内に多層構造を有し、電解液が、化１で表されるハロゲンを有する環状炭酸エステルを含有する溶媒と、四フッ化ホウ酸リチウムを含有する電解質塩と、化２で表されるエステル化合物とを含むものである。

（Ｒ１１〜Ｒ１４は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも１つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。）

（Ｒ２１は炭素数が２以上４以下のアルキル基である。）

本発明の電池によれば、負極の負極活物質粒子が、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を有する材料を含有し、かつ、粒子内に多層構造を有する場合に、電解液が、化１に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルを含有する溶媒と、四フッ化ホウ酸リチウムを含有する電解質塩と、化２に示したエステル化合物とを含んでいる。この場合には、上記した全ての条件を満たしていない場合と比較して、充放電を繰り返しても電解液が分解しにくくなるため、放電容量が低下しにくくなると共に二次電池が膨れにくくなる。したがって、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］

図１および図２は第１の実施の形態に係る電池の断面構成を表しており、図２では図１に示したＩＩ−ＩＩ線に沿った断面を示している。ここで説明する電池は、例えば、負極２２の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池である。

この二次電池は、主に、電池缶１１の内部に、扁平な巻回構造を有する電池素子２０が収納されたものである。電池缶１１は、例えば、角型の外装部材である。この角型の外装部材とは、図２に示したように、長手方向における断面が矩形型あるいは略矩形型（一部に曲線を含む）の形状を有するものであり、矩形状の角型電池だけでなくオーバル形状の角型電池も構成するものである。すなわち、角型の外装部材とは、矩形状あるいは円弧を直線で結んだ略矩形状（長円形状）の開口部を有する有底矩形型あるいは有底長円形状型の器状部材である。なお、図２では、電池缶１１が矩形型の断面形状を有する場合を示している。この電池缶１１を用いた電池構造は、角型と呼ばれている。

この電池缶１１は、例えば、鉄、アルミニウム（Ａｌ）、あるいはそれらの合金を含有する金属材料によって構成された金属缶であり、電極端子としての機能を有していてもよい。この場合には、充放電時に電池缶１１の固さ（変形しにくさ）を利用して二次電池の膨れを抑えるために、アルミニウムよりも固い鉄が好ましい。電池缶１１が鉄によって構成される場合には、例えば、ニッケルなどの鍍金が施されていてもよい。

また、電池缶１１は、一端部が閉鎖されると共に他端部が開放された中空構造を有しており、その開放端部に絶縁板１２および電池蓋１３が取り付けられて密閉されている。絶縁板１２は、電池素子２０と電池蓋１３との間に、その電池素子２０の巻回周面に対して垂直に配置されており、例えば、ポリプロピレンなどによって構成されている。電池蓋１３は、例えば、電池缶１１と同様の材料によって構成されており、それと同様に電極端子としての機能を有していてもよい。

電池蓋１３の外側には、正極端子となる端子板１４が設けられており、その端子板１４は、絶縁ケース１６を介して電池蓋１３から電気的に絶縁されている。この絶縁ケース１６は、例えば、ポリブチレンテレフタレートなどによって構成されている。また、電池蓋１３のほぼ中央には貫通孔が設けられており、その貫通孔には、端子板１４と電気的に接続されると共にガスケット１７を介して電池蓋１３から電気的に絶縁されるように正極ピン１５が挿入されている。このガスケット１７は、例えば、絶縁材料によって構成されており、その表面にはアスファルトが塗布されている。

電池蓋１３の周縁付近には、開裂弁１８および注入孔１９が設けられている。開裂弁１８は、電池蓋１３と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などに起因して電池の内圧が一定以上となった場合に、電池蓋１３から切り離されて内圧を開放するようになっている。注入孔１９は、例えば、ステンレス鋼球からなる封止部材１９Ａによって塞がれている。

電池素子２０は、セパレータ２３を介して正極２１と負極２２とが積層されてから巻回されたものであり、電池缶１１の形状に応じて扁平状になっている。正極２１の端部（例えば内終端部）にはアルミニウムなどによって構成された正極リード２４が取り付けられており、負極２２の端部（例えば外終端部）にはニッケルなどによって構成された負極リード２５が取り付けられている。正極リード２４は、正極ピン１５の一端に溶接されて端子板１４と電気的に接続されており、負極リード２５は、電池缶１１に溶接されて電気的に接続されている。

正極２１は、例えば、一対の面を有する正極集電体２１Ａの両面に正極活物質層２１Ｂが設けられたものである。ただし、正極活物質層２１Ｂは、正極集電体２１Ａの片面だけに設けられていてもよい。

正極集電体２１Ａは、例えば、アルミニウム、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されている。正極活物質層２１Ｂは、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料のいずれか１種あるいは２種以上を含んでおり、必要に応じて導電剤や結着剤などの他の材料を含んでいてもよい。

リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、リチウム含有化合物が好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。このリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、あるいはリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物が挙げられ、特に、遷移金属元素としてコバルト、ニッケル、マンガン（Ｍｎ）および鉄からなる群のうちの少なくとも１種を含むものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。その化学式は、例えば、Ｌｉ_xＭ１Ｏ₂あるいはＬｉ_yＭ２ＰＯ₄で表される。式中、Ｍ１およびＭ２は、１種類以上の遷移金属元素を表す。ｘおよびｙの値は、充放電状態によって異なり、通常、０．０５≦ｘ≦１．１０、０．０５≦ｙ≦１．１０である。

リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物（Ｌｉ_xＣｏＯ₂）、リチウムニッケル複合酸化物（Ｌｉ_xＮｉＯ₂）、リチウムニッケルコバルト複合酸化物（Ｌｉ_xＮｉ_(1-z)Ｃｏ_zＯ₂（ｚ＜１））、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（Ｌｉ_xＮｉ_(1-v-w)Ｃｏ_vＭｎ_wＯ₂（ｖ＋ｗ＜１））、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）などが挙げられる。中でも、コバルトを含む複合酸化物が好ましい。高い容量が得られると共に、優れたサイクル特性も得られるからである。また、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物としては、例えば、リチウム鉄リン酸化合物（ＬｉＦｅＰＯ₄）あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物（ＬｉＦｅ_(1-u)Ｍｎ_uＰＯ₄（ｕ＜１））などが挙げられる。

この他、上記した正極材料としては、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどの酸化物や、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどの二硫化物や、セレン化ニオブなどのカルコゲン化物や、硫黄、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどの導電性高分子も挙げられる。

導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラックあるいはケッチェンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。

結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンなどの合成ゴムや、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。ただし、図２に示したように、正極２１および負極２２が巻回されている場合には、柔軟性に富むスチレンブタジエン系ゴムあるいはフッ素系ゴムなどを用いることが好ましい。

負極２２は、例えば、一対の面を有する負極集電体２２Ａの両面に負極活物質層２２Ｂが設けられたものである。ただし、負極活物質層２２Ｂは、負極集電体２２Ａの片面だけに設けられていてもよい。

負極集電体２２Ａは、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する金属材料によって構成されているのが好ましい。このような金属材料としては、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどが挙げられ、中でも銅が好ましい。高い電気伝導性が得られるからである。

負極活物質層２２Ｂは、複数の負極活物質粒子を含んでおり、必要に応じて導電剤や結着剤などの他の材料を含んでいてもよい。これらの導電剤および結着剤の詳細は、正極２１について説明した場合と同様である。

負極活物質粒子は、リチウムを吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を有する負極材料を含有している。このような負極材料は、高いエネルギー密度が得られるので好ましい。また、負極活物質粒子は、その粒子内に多層構造を有している。なお、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量は、正極活物質による充電容量よりも大きくなっているのが好ましい。

リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料は、金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、それらの１種あるいは２種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明における「合金」には、２種以上の金属元素からなるものに加えて、１種以上の金属元素と１種以上の半金属元素とを有するものも含まれる。この「合金」は、非金属元素を有していてもよい。この組織には、固溶体、共晶（共融混合物）、金属間化合物、あるいはそれらのうちの２種以上が共存するものがある。

上記した金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、リチウムと合金を形成することが可能な金属元素あるいは半金属元素が挙げられる。具体的には、マグネシウム（Ｍｇ）、ホウ素（Ｂ）、アルミニウム、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、銀（Ａｇ）、亜鉛、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、パラジウム（Ｐｄ）、あるいは白金（Ｐｔ）などである。中でも、ケイ素およびスズのうちの少なくとも１種が好ましく、ケイ素がより好ましい。リチウムを吸蔵および放出する能力が大きいため、高いエネルギー密度が得られるからである。

ケイ素およびスズのうちの少なくとも１種を有する負極材料としては、例えば、ケイ素の単体、合金および化合物や、スズの単体、合金および化合物や、それらの１種あるいは２種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。

ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第２の構成元素として、スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン（Ｓｂ）およびクロムからなる群のうちの少なくとも１種を有するものが挙げられる。ケイ素の化合物としては、例えば、酸素あるいは炭素（Ｃ）を有するものが挙げられ、ケイ素に加えて、上記した第２の構成元素を有していてもよい。ケイ素の合金あるいは化合物の一例としては、ＳｉＢ₄、ＳｉＢ₆、Ｍｇ₂Ｓｉ、Ｎｉ₂Ｓｉ、ＴｉＳｉ₂、ＭｏＳｉ₂、ＣｏＳｉ₂、ＮｉＳｉ₂、ＣａＳｉ₂、ＣｒＳｉ₂、Ｃｕ₅Ｓｉ、ＦｅＳｉ₂、ＭｎＳｉ₂、ＮｂＳｉ₂、ＴａＳｉ₂、ＶＳｉ₂、ＷＳｉ₂、ＺｎＳｉ₂、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ、ＳｉＯ_v（０＜ｖ≦２）、ＳｎＯ_w（０＜ｗ≦２）、あるいはＬｉＳｉＯなどが挙げられる。

スズの合金としては、例えば、スズ以外の第２の構成元素として、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも１種を有するものが挙げられる。スズの化合物としては、例えば、酸素あるいは炭素を有するものが挙げられ、スズに加えて、上記した第２の構成元素を有していてもよい。スズの合金あるいは化合物の一例としては、ＳｎＳｉＯ₃、ＬｉＳｎＯ、Ｍｇ₂Ｓｎなどが挙げられる。

特に、ケイ素およびスズのうちの少なくとも１種を有する負極材料としては、例えば、スズを第１の構成元素とし、それに加えて第２および第３の構成元素を有するものが好ましい。第２の構成元素は、コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム（Ｖ）、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン、銀、インジウム、セリウム（Ｃｅ）、ハフニウム、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ビスマスおよびケイ素からなる群のうちの少なくとも１種である。第３の構成元素は、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリン（Ｐ）からなる群のうちの少なくとも１種である。第２および第３の構成元素を有することにより、サイクル特性が向上するからである。

中でも、スズ、コバルトおよび炭素を構成元素として有し、炭素の含有量が９．９質量％以上２９．７質量％以下、スズおよびコバルトの合計に対するコバルトの割合（Ｃｏ／（Ｓｎ＋Ｃｏ））が３０質量％以上７０質量％以下であるＳｎＣｏＣ含有材料が好ましい。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。

このＳｎＣｏＣ含有材料は、必要に応じて、さらに他の構成元素を有していてもよい。他の構成元素としては、例えば、ケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン、ガリウムあるいはビスマスなどが好ましく、それらの２種以上を有していてもよい。より高い効果が得られるからである。

なお、ＳｎＣｏＣ含有材料は、スズ、コバルトおよび炭素を含む相を有しており、その相は、低結晶性あるいは非晶質の構造を有しているのが好ましい。また、ＳｎＣｏＣ含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合しているのが好ましい。スズなどの凝集あるいは結晶化が抑制されるからである。

ＳｎＣｏＣ含有材料は、例えば、各構成元素の原料を混合した混合物を電気炉、高周波誘導炉あるいはアーク溶解炉などで溶解させたのち、凝固させることによって形成可能である。また、ガスアトマイズあるいは水アトマイズなどの各種アトマイズ法や、各種ロール法や、メカニカルアロイングあるいはメカニカルミリングなどのメカノケミカル反応を利用した方法などを用いてもよい。中でも、メカノケミカル反応を利用した方法が好ましい。負極活物質が低結晶性あるいは非晶質の構造になるからである。メカノケミカル反応を利用した方法では、例えば、遊星ボールミルやアトライタなどの製造装置を用いることができる。

また、元素の結合状態を調べる測定方法としては、例えば、Ｘ線光電子分光法（X-ray Photoelectron Spectroscopy：ＸＰＳ）が挙げられる。このＸＰＳでは、金原子の４ｆ軌道（Ａｕ４ｆ）のピークが８４．０ｅＶに得られるようにエネルギー較正された装置において、グラファイトであれば、炭素の１ｓ軌道（Ｃ１ｓ）のピークは２８４．５ｅＶに現れる。また、表面汚染炭素であれば、２８４．８ｅＶに現れる。これに対して、炭素元素の電荷密度が高くなる場合、例えば、炭素が金属元素あるいは半金属元素と結合している場合には、Ｃ１ｓのピークは２８４．５ｅＶよりも低い領域に現れる。すなわち、ＳｎＣｏＣ含有材料について得られるＣ１ｓの合成波のピークが２８４．５ｅＶよりも低い領域に現れる場合には、ＳｎＣｏＣ含有材料に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合している。

なお、ＸＰＳでは、例えば、スペクトルのエネルギー軸の補正に、Ｃ１ｓのピークを用いる。通常、表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のＣ１ｓのピークを２８４．８ｅＶとし、これをエネルギー基準とする。ＸＰＳにおいて、Ｃ１ｓのピークの波形は、表面汚染炭素のピークとＳｎＣｏＣ含有材料中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば、市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと、ＳｎＣｏＣ含有材料中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準（２８４．８ｅＶ）とする。

負極活物質粒子は、例えば、気相法によって形成されている。この気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法、より具体的には真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法、熱化学気相成長（chemical vapor deposition ：ＣＶＤ）法、あるいはプラズマ化学気相成長法などが挙げられる。ただし、負極活物質粒子は、気相法以外の方法によって形成されていてもよい。

負極活物質粒子が気相法によって形成されている場合には、その気相法によって負極材料が複数回に渡って堆積され、その堆積膜が積層されることにより、負極活物質粒子が粒子内に多層構造を有している。堆積時に高熱を伴う蒸着法などによって負極活物質粒子を形成する場合に、負極材料の堆積工程を複数回に分割して行う（負極材料を順次薄く形成して堆積させる）ことにより、その堆積工程を１回で行う場合と比較して負極集電体２２Ａが高熱に晒される時間が短くなり、熱的ダメージを受けにくくなるからである。

この場合には、負極活物質粒子の１層当たりの厚さが１μｍ以下であり、その負極活物質粒子の層数は１０層以上であるのが好ましい。１回の堆積工程で形成される負極活物質粒子の厚さが十分に薄くなるため、サイクル特性が向上するからである。また、１回の堆積工程で形成される負極活物質粒子の厚さが薄いにもかかわらず、その負極活物質粒子の総厚は十分に大きくなるため、高い容量が得られるからである。

負極活物質粒子は、例えば、負極活物質層２２Ｂを支持する負極集電体２２Ａの表面に連結されており、その負極集電体２２Ａの表面から負極活物質層２２Ｂの厚さ方向に成長している。この場合には、負極活物質粒子が気相法によって形成されており、負極集電体２２Ａと負極活物質層２２Ｂとの界面の少なくとも一部において合金化しているのが好ましい。具体的には、両者の界面において、負極集電体２２Ａの構成元素が負極活物質層２２Ｂに拡散していてもよいし、負極活物質層２２Ｂの構成元素が負極集電体２２Ａに拡散していてもよいし、両者の構成元素が互いに拡散しあっていてもよい。充放電時における負極活物質層２２Ｂの膨張および収縮に起因する破壊が抑制されると共に、負極集電体２２Ａと負極活物質層２２Ｂとの間の電子伝導性が向上するからである。

この負極活物質層２２Ｂは、必要に応じて、負極活物質粒子の表面（電解液と接する領域）を被覆する酸化物含有膜を含んでいてもよい。酸化物含有膜が電解液に対する保護膜として機能し、充放電を繰り返しても電解液の分解反応が抑制されるため、サイクル特性がより向上するからである。この酸化物含有膜は、負極活物質粒子の表面のうちの一部を被覆していてもよいし、全部を被覆していてもよい。

この酸化物含有膜は、例えば、ケイ素、ゲルマニウムおよびスズからなる群のうちの少なくとも１種の酸化物を含有しており、中でもケイ素の酸化物が好ましい。負極活物質粒子の表面を全体に渡って容易に被覆しやすいからである。もちろん、酸化物含有膜は、上記以外の他の酸化物を含有していてもよい。この酸化物含有膜は、例えば、気相法あるいは液相法によって形成されており、中でも液相析出法、ゾルゲル法、塗布法あるいはディップコーティング法などの液相法が好ましく、液相析出法がより好ましい。負極活物質粒子の表面を広い範囲に渡って容易に被覆しやすいからである。

また、負極活物質層２２Ｂは、必要に応じて、負極活物質粒子の粒子間の隙間および粒子内の隙間に、リチウムと合金化しない金属材料を含んでいてもよい。金属材料を介して複数の負極活物質粒子が結着されると共に、上記した隙間に金属材料が存在することで負極活物質層２２Ｂの膨張および収縮が抑制されるため、サイクル特性がより向上するからである。

この金属材料は、例えば、リチウムと合金化しない金属元素として、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛および銅からなる群のうちの少なくとも１種を有しており、中でもコバルトが好ましい。上記した隙間に金属材料が容易に入り込みやすいからである。もちろん、金属材料は、上記以外の他の金属元素を有していてもよい。ただし、ここで言う「金属材料」とは、単体に限らず、合金や金属化合物まで含む広い概念である。この金属材料は、例えば、気相法あるいは液相法によって形成されており、中でも電解鍍金法あるいは無電解鍍金法などの液相法が好ましく、電解鍍金法がより好ましい。上記した隙間に金属材料が入り込みやすくなると共に、その形成時間が短くて済むからである。

なお、負極活物質層２２Ｂは、上記した酸化物含有膜あるいは金属材料のいずれか一方だけを含んでいてもよいし、双方を含んでいてもよい。ただし、サイクル特性をより向上させるためには、双方を含んでいるのが好ましい。

ここで、負極活物質層２２Ｂが複数の負極活物質粒子と共に金属材料を含む場合を例に挙げて、負極２２の詳細な構成を説明する。図３および図４は負極の断面構造を拡大して表しており、（Ａ）は走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope：ＳＥＭ）写真（二次電子像）、（Ｂ）は（Ａ）に示したＳＥＭ像を模式的に示したものである。

図３に示したように、負極活物質層２２Ｂが複数の負極活物質粒子２２１を含み、その負極活物質粒子２２１が粒子内に多層構造を有している場合には、負極活物質層２２Ｂ内に複数の隙間２２２が生じている。詳細には、粗面化された負極集電体２２Ａの表面には、複数の突起部（例えば、電解処理によって形成された微粒子）が存在している。この場合には、気相法などによって負極集電体２２Ａの表面に複数回に渡って負極材料が堆積され、その堆積膜が積層されると、負極活物質粒子２２１が上記した突起部ごとに厚さ方向に段階的に成長する。この複数の負極活物質粒子２２１の密集構造、多層構造および表面構造に起因して、複数の隙間２２２が生じている。

この隙間２２２は、発生原因に応じて分類された２種類の隙間２２２Ａ，２２２Ｂを含んでいる。隙間２２２Ａは、負極集電体２２Ａの表面に存在する突起部ごとに負極活物質粒子２２１が成長することに伴い、隣り合う負極活物質粒子２２１間に生じている。一方、隙間２２２Ｂは、負極活物質粒子２２１が粒子内に多層構造を有することに伴い、負極活物質粒子２２１内の各階層間に生じている。もちろん、隙間２２２は、隙間２２２Ａ，２２２Ｂ以外の他の発生原因によって生じた隙間を含んでいてもよい。

なお、負極活物質粒子２２１の露出面（最表面）には、空隙２２３が生じる場合がある。この空隙２２３は、負極活物質粒子２２１の表面にひげ状の微細な突起部（図示せず）が生じることに伴い、その突起部間に生じたものである。この空隙２２３は、負極活物質粒子２２１の露出面の全体に渡って生じる場合もあれば、一部だけに生じる場合もある。ただし、上記したひげ状の微細な突起部は、負極活物質粒子２２１の形成時ごとにその表面に生じるため、空隙２２３は、負極活物質粒子２２１の露出面だけでなく、各階層にも生じている。

図４に示したように、複数の負極活物質粒子２２１が形成されたのち、電解鍍金法などによって金属材料２２４が形成されると、その金属材料２２４は、隙間２２２内に入り込む。すなわち、金属材料２２４は、負極活物質粒子２２１間の隙間２２２Ａに入り込むと共に、負極活物質粒子２２１内の隙間２２２Ｂに入り込む。この場合には、負極活物質粒子２２１の表面に生じたひげ状の微細な突起部間の空隙２２３にも金属材料２２４が入り込む場合がある。図４において、最上層の負極活物質粒子２２１の表面に金属材料２２４が点在していることは、その点在箇所に上記した微細な突起部が存在していること表している。

ここでは具体的に図面を参照して説明しないが、金属材料に代えて、液相析出法などによって酸化物含有膜を形成した場合には、その酸化物含有膜は、負極活物質粒子２２１の表面に沿って成長するため、隙間２２２Ｂおよび空隙２２３に優先的に入り込みやすい傾向にある。この場合には、析出時間を長くすれば、酸化物含有膜が隙間２２２Ａまで入り込みやすくなる。

セパレータ２３は、正極２１と負極２２とを隔離し、両極の接触に起因する電流の短絡を防止しながらリチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ２３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂からなる多孔質膜や、セラミックからなる多孔質膜などによって構成されており、それらの２種以上の多孔質膜が積層されたものであってもよい。

このセパレータ２３には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、化３で表されるハロゲンを構成元素として有する環状炭酸エステルを含有する溶媒と、四フッ化ホウ酸リチウムを含有する電解質塩と、化４で表されるエステル化合物とを含んでいる。

（Ｒ２１は炭素数が２以上４以下のアルキル基である。）

電解液が溶媒として化３に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルを含有しているのは、負極２２の表面にハロゲン系の被膜が形成され、電解液の分解反応が抑制されるため、サイクル特性が向上するからである。

なお、化３中のＲ１１〜Ｒ１４は、互いに同一でもよいし、異なってもよい。また、Ｒ１１〜Ｒ１４について説明した「ハロゲン化アルキル基」とは、アルキル基のうちの少なくとも一部の水素がハロゲンによって置換された基である。このハロゲンの種類は、特に限定されないが、中でもフッ素、塩素および臭素からなる群のうちの少なくとも１種が好ましく、フッ素がより好ましい。高い効果が得られるからである。もちろん、フッ素以外の他のハロゲンであってもよい。

化３に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルとしては、例えば、化５および化６で表される一連の化合物が挙げられる。すなわち、化５に示した（１）の４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（２）の４−クロロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（３）の４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（４）のテトラフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（５）の４−フルオロ−５−クロロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（６）の４，５−ジクロロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（７）のテトラクロロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（８）の４，５−ビストリフルオロメチル−１，３−ジオキソラン−２−オン、（９）の４−トリフルオロメチル−１，３−ジオキソラン−２−オン、（１０）の４，５−ジフルオロ−４，５−ジメチル−１，３−ジオキソラン−２−オン、（１１）の４−メチル−５，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（１２）の４−エチル−５，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンである。また、化６に示した（１）の４−トリフルオロメチル−５−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（２）の４−トリフルオロメチル−５−メチル−１，３−ジオキソラン−２−オン、（３）の４−フルオロ−４，５−ジメチル−１，３−ジオキソラン−２−オン、（４）の４，４−ジフルオロ−５−（１，１−ジフルオロエチル）−１，３−ジオキソラン−２−オン、（５）の４，５−ジクロロ−４，５−ジメチル−１，３−ジオキソラン−２−オン、（６）の４−エチル−５−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（７）の４−エチル−４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（８）の４−エチル−４，５，５−トリフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、（９）の４−フルオロ−４−メチル−１，３−ジオキソラン−２−オンである。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。

中でも、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、４−クロロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン、あるいは４−トリフルオロメチル−１，３−ジオキソラン−２−オンが好ましく、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンあるいは４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンがより好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。特に、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンよりも４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンにおいて、より高い効果が得られる。なお、４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンとしては、シス異性体よりもトランス異性体が好ましい。

電解液中における化３に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルの含有量は、特に限定されず、ハロゲンを有する環状炭酸エステルの種類などの条件に応じて、任意に設定可能である。一例を挙げれば、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンを用いる場合には、溶媒中における４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンの含有量が３０重量％以上５０重量％以下であるのが好ましい。また、４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンを用いる場合には、溶媒中における４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンの含有量が１０重量％以上２０重量％以下であるのが好ましい。優れたサイクル特性が得られるからである。

溶媒は、化３に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルと共に、他の有機溶媒などの非水溶媒のいずれか１種あるいは２種以上を含有していてもよい。この非水溶媒は、高粘度（高誘電率）溶媒（例えば、比誘電率ε≧３０）あるいは低粘度溶媒（例えば、粘度≦１ｍＰａ・ｓ）のいずれか一方だけを含んでいてもよいが、双方を含んでいるのが好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するからである。

高粘度溶媒としては、例えば、炭酸プロピレンあるいは炭酸ブチレンなどの環状炭酸エステルや、γ−ブチロラクトンあるいはγ−バレロラクトンなどのラクトンや、Ｎ−メチルピロリドンなどのラクタムや、Ｎ−メチルオキサゾリジノンなどの環状カルバミン酸エステルや、テトラメチレンスルホンなどのスルホン化合物が挙げられる。一方、低粘度溶媒としては、例えば、炭酸ジメチルあるいは炭酸ジプロピルなどの鎖状炭酸エステルや、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチルあるいはトリメチル酢酸エチルなどの鎖状カルボン酸エステルや、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミドなどの鎖状アミドや、Ｎ，Ｎ’−ジエチルカルバミン酸メチルあるいはＮ，Ｎ’−ジエチルカルバミン酸エチルなどの鎖状カルバミン酸エステルや、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピランあるいは１，３−ジオキソランなどのエーテルが挙げられる。もちろん、上記外の他の非水溶媒であってもよい。

また、溶媒は、不飽和結合を有する環状炭酸エステルを含有していてもよい。サイクル特性が向上するからである。この不飽和結合を有する環状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸ビニレンあるいは炭酸ビニルエチレンなどが挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。

電解液が電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウムを含有しているのは、膨れ特性が向上するからである。電解液中における四フッ化ホウ酸リチウムの濃度は、特に限定されないが、中でも０．０２ｍｏｌ／ｋｇ以上０．２ｍｏｌ／ｋｇ以下であるのが好ましい。サイクル特性の低下を抑えつつ、優れた膨れ特性が得られるからである。

この電解質塩は、四フッ化ホウ酸リチウムと共に、他のリチウム塩などの軽金属塩のいずれか１種あるいは２種以上を含有していてもよい。このリチウム塩としては、例えば、六フッ化リン酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウム（ＬｉＡｓＦ₆）、六フッ化アンチモン酸リチウム（ＬｉＳｂＦ₆）、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄ ）あるいは四塩化アルミニウム酸リチウム（ＬｉＡｌＣｌ₄）などの無機酸リチウム塩や、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、リチウムビス（トリフルオロメタンスルホン）イミド、リチウムビス（ペンタフルオロメタンスルホン）メチドあるいはリチウムトリス（トリフルオロメタンスルホン）メチドなどのパーフルオロアルカンスルホン酸誘導体のリチウム塩が挙げられる。

中でも、六フッ化リン酸リチウムが好ましい。電解液の電気抵抗が低下するため、サイクル特性が向上するからである。特に、電解質塩が四フッ化ホウ酸リチウムと共に六フッ化リン酸リチウム等を含有する場合には、六フッ化リン酸リチウムの割合が四フッ化ホウ酸リチウムの割合よりも多いのが好ましい。サイクル特性がより向上するからである。

電解液中における電解質塩の濃度は、０．３ｍｏｌ／ｋｇ以上３．０ｍｏｌ／ｋｇ以下であるのが好ましい。この範囲外では、イオン伝導性が極端に低下する可能性があるからである。

電解液が化４に示したエステル化合物（以下、単に「エステル化合物」とも言う。）を含有しているのは、サイクル特性が向上すると共に、膨れ特性も向上するからである。このスルホン化合物は、一端にメチル基を有すると共に他端にアルキル基（炭素数＝２〜４）を有する非対称な鎖状の化合物である。なお、化４に示したＲ２１の炭素数が２以上４以下に限定されているのは、炭素数が１であると二次電池が膨らみやすくなり、一方、４よりも大きいとエステル化合物の粘度が高くなってサイクル特性が低下するからである。

エステル化合物の具体例としては、化７で表される一連の化合物が挙げられる。すなわち、化７に示した（１）の炭酸エチルメチル、（２）の炭酸メチルプロピル、あるいは（３）の炭酸ブチルメチルである。

電解液中におけるエステル化合物の含有量は、特に限定されないが、中でも１０重量％以上７０重量％以下であるのが好ましい。優れたサイクル特性および膨れ特性が得られるからである。

なお、電解液は、酸無水物を含有していてもよい。サイクル特性および膨れ特性が向上するからである。この酸無水物としては、例えば、コハク酸無水物、グルタル酸無水物、マレイン酸無水物、スルホ安息香酸無水物、スルホプロピオン酸無水物、スルホ酪酸無水物、エタンジスルホン酸無水物、プロパンジスルホン酸無水物、あるいはベンゼンジスルホン酸無水物などが挙げられ、これらは単独でも混合されてもよい。電解液中における酸無水物の含有量は、例えば、０．５重量％以上３重量％以下である。

この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極２１からリチウムイオンが放出され、セパレータ２３に含浸された電解液を介して負極２２に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極２２からリチウムイオンが放出され、セパレータ２３に含浸された電解液を介して正極２１に吸蔵される。

この二次電池は、例えば、以下の手順によって製造される。

まず、正極集電体２１Ａの両面に正極活物質層２１Ｂを形成して正極２１を作製する。この正極活物質層２１Ｂを形成する場合には、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合した正極合剤を溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとし、ドクタブレードあるいはバーコータなどによって正極合剤スラリーを正極集電体２１Ａに塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機などによって塗膜を圧縮成型する。

次に、負極集電体２２Ａの両面に負極活物質層２２Ｂを形成して負極２２を作製する。この負極活物質層２２Ｂを形成する場合には、気相法によって負極集電体２２Ａの表面にケイ素を含有する負極材料を堆積させて複数の負極活物質粒子を形成する。この気相法として蒸着法を用いる場合には、蒸着源に対して負極集電体２２Ａを相対的に往復移動させながら複数回に渡って負極材料を堆積させて積層し、あるいは蒸着源に対して負極集電体２２Ａを固定させたままでシャッターの開閉を繰り返しながら複数回に渡って負極材料を堆積させて積層することにより、負極活物質粒子が粒子内に多層構造を有するようにする。この場合には、必要に応じて、液相析出法などによって負極活物質粒子の表面を被覆するように酸化物含有膜を形成したり、電解鍍金法などによって負極活物質粒子の粒子間の隙間や粒子内の隙間に金属材料を形成してもよい。

次に、化３に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルを含有する溶媒と、化４に示したエステル化合物とを混合したのち、四フッ化ホウ酸リチウムを含有する電解質塩を溶解させて、電解液を調製する。

次に、正極２１および負極２２を用いて電池素子２０を作製する。最初に、正極２１に正極リード２４を溶接などして取り付けると共に、負極２２に負極リード２５を溶接などして取り付ける。続いて、セパレータ２３を介して正極２１と負極２２とを積層させたのち、長手方向において巻回させる。最後に、扁平な形状となるように巻回体を成型する。

二次電池の組み立ては、以下のようにして行う。最初に、電池缶１１の内部に電池素子２０を収納したのち、その電池素子２０上に絶縁板１２を配置する。続いて、正極リード２４を正極ピン１５に溶接などして接続させると共に、負極リード２５を電池缶１１に溶接などして接続させたのち、レーザ溶接などによって電池缶１１の開放端部に電池蓋１３を固定する。最後に、注入孔１９から電池缶１１の内部に電解液を注入してセパレータ２３に含浸させたのち、その注入孔１９を封止部材１９Ａで塞ぐ。これにより、図１および図２に示した二次電池が完成する。

この二次電池によれば、負極２２の負極活物質粒子が、リチウムを吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を含有する材料を含有し、かつ、粒子内に多層構造を有する場合に、電解液が、化３に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルを含有する溶媒と、四フッ化ホウ酸リチウムを含有する電解質塩と、化４に示したエステル化合物とを含んでいる。この場合には、上記した全ての条件を満たしていない場合と比較して、充放電を繰り返しても電解液が分解しにくくなるため、放電容量が低下しにくくなると共に二次電池が膨れにくくなる。したがって、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。

特に、二次電池の電池構造が金属缶（電池缶１１）を用いた角型であれば、充放電時に電池缶１１の平面部で膨れが顕在化しやすくなるが、その電池缶１１の固さによって膨れが抑制されるため、膨れ特性をより効果的に向上させることができる。

また、電解質塩が四フッ化ホウ酸リチウムと共に六フッ化ホウ酸リチウムを含有していれば、サイクル特性をより向上させることができる。

また、化３に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルが４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンである場合に、電解液中における４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンの含有量が３０重量％以上５０重量％以下であり、あるいは４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンである場合に、電解液中における４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンの含有量が１０重量％以上２０重量％以下であれば、優れたサイクル特性を得ることができる。

また、電解液中における四フッ化ホウ酸リチウムの濃度が０．０２ｍｏｌ／ｋｇ以上０．２ｍｏｌ／ｋｇ以下であれば、優れた膨れ特性を得ることができる。

また、電解液中における化４に示したエステル化合物の含有量が１０重量％以上７０重量％以下であれば、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。

また、負極活物質粒子の１層当たりの厚さが１μｍ以下であり、その負極活物質粒子の層数が１０層以上であれば、優れたサイクル特性と共に高い容量を得ることができる。

また、負極活物質層２２Ｂが、負極活物質粒子の表面を被覆する酸化物含有膜を含み、あるいは負極活物質粒子の粒子間の隙間および粒子内の隙間に電極反応物質と合金化しない金属材料を含んでいれば、サイクル特性および膨れ特性をより向上させることができる。この場合には、酸化物含有膜および金属材料の双方を含んでいれば、両特性をさらに向上させることができる。

［第２の実施の形態］
図５は本発明の第２の実施の形態に係る電池の分解斜視構成を表しており、図６は図５に示したＶＩ−ＶＩ線に沿った断面を拡大して示している。ここで説明する電池は、例えば、上記した第１の実施の形態と同様に、リチウムイオン二次電池である。

この二次電池は、主に、フィルム状の外装部材４０の内部に、正極リード３１および負極リード３２が取り付けられた巻回電極体３０が収納されたものである。このフィルム状の外装部材４０を用いた電池構造は、ラミネートフィルム型と呼ばれている。

正極リード３１および負極リード３２は、例えば、外装部材４０の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。正極リード３１は、例えば、アルミニウムなどの金属材料によって構成されており、負極リード３２は、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によって構成されている。これらの金属材料は、例えば、薄板状あるいは網目状になっている。

外装部材４０は、例えば、ナイロンフィルムと、アルミニウム箔と、ポリエチレンフィルムとがこの順に貼り合わされた矩形状のアルミラミネートフィルムによって構成されている。この外装部材４０では、例えば、ポリエチレンフィルムが巻回電極体３０に対向していると共に、各外縁部が融着あるいは接着剤によって互いに密着されている。

外装部材４０と正極リード３１および負極リード３２との間には、外気の侵入を防止するために密着フィルム４１が挿入されている。この密着フィルム４１は、正極リード３１および負極リード３２に対して密着性を有する材料によって構成されている。このような材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。

なお、外装部材４０は、上記した３層構造のアルミラミネートフィルムに代えて、他の積層構造を有するラミネートフィルムによって構成されていてもよいし、ポリプロピレンなどの高分子フィルムや、金属フィルムによって構成されていてもよい。

巻回電極体３０は、セパレータ３５および電解質３６を介して正極３３と負極３４とが積層されてから巻回されたものであり、その最外周部は保護テープ３７によって保護されている。

正極３３は、例えば、正極集電体３３Ａの両面に正極活物質層３３Ｂが設けられたものである。負極３４は、例えば、負極集電体３４Ａの両面に負極活物質層３４Ｂが設けられたものである。正極集電体３３Ａ、正極活物質層３３Ｂ、負極集電体３４Ａ、負極活物質層３４Ｂおよびセパレータ３５の構成は、それぞれ上記した第１の実施の形態における正極集電体２１Ａ、正極活物質層２１Ｂ、負極集電体２２Ａ、負極活物質層２２Ｂおよびセパレータ２３の構成と同様である。

電解質３６は、電解液と、それを保持する高分子化合物とを含んでおり、いわゆるゲル状電解質である。ゲル状電解質は、高いイオン伝導率（例えば室温で１ｍＳ／ｃｍ以上）が得られると共に漏液が防止されるので好ましい。

電解液の組成は、第１の実施の形態における電解液の組成と同様である。ただし、この場合の溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。したがって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。

電解液を保持する高分子化合物としては、例えば、化８で表される構成単位を有するポリフッ化ビニリデンや、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ化ビニリデンの重合体が挙げられる。酸化還元安定性が高いからである。

また、高分子化合物としては、重合性化合物が重合して形成されたものも挙げられる。この重合性化合物としては、例えば、ビニル基、あるいはその一部の水素をメチル基などの置換基で置換した基を有するものが挙げられる。具体的には、アクリル酸エステルなどの単官能アクリレートや、メタクリル酸エステルなどの単官能メタクリレートや、ジアクリル酸エステルあるいはトリアクリル酸エステルなどの多官能アクリレートや、ジメタクリル酸エステルあるいはトリメタクリル酸エステルなどの多官能メタクリレートや、アクリロニトリルや、メタクリロニトリルなどであり、中でもアクリレート基あるいはメタクリレート基を有するエステルが好ましい。重合が進行しやすく、重合性化合物の反応率が高いからである。また、重合性化合物としては、エーテル基を有しないものが好ましい。エーテル基が存在すると、そのエーテル基にリチウムイオンが配位し、イオン伝導率が低下してしまうからである。このような高分子化合物としては、例えば、化９で表される構成単位を有するポリアクリル酸エステルが挙げられる。

（ＲはＣ_gＨ_2h-1Ｏ_hである。ただし、ｇは１以上８以下の整数であり、ｈは０以上４以下の整数である。）

重合性化合物は、いずれか１種の単独でもよいが、単官能体と多官能体とを混合したものが好ましく、多官能体の単独あるいは２種類以上を混合したものが好ましい。重合して形成された高分子化合物の機械的強度と電解液保持性とを両立させやすくなるからである。

さらに、高分子化合物としては、化１０で表される構成単位を有するポリビニルホルマールを有するものも好ましい。ポリビニルホルマールは、アセタール基を構成単位として有する高分子化合物である。

ポリビニルホルマール中におけるアセタール基の割合は、６０ｍｏｌ％以上８０ｍｏｌ％以下の範囲内であるのが好ましい。溶媒との溶解性が向上すると共に、電解質１６の安定性がより高くなるからである。また、ポリビニルホルマールの重量平均分子量は、１００００以上５０００００以下であるのが好ましい。分子量が低すぎると、重合反応が進行しにくくなる可能性があり、一方、分子量が高すぎると、電解液の粘度が上昇しすぎる可能性があるからである。

上記した高分子化合物は、単独でもよいし、複数種が混合されてもよいし、２種以上の共重合体であってもよい。また、架橋剤によって重合したものでもよい。

なお、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質３６に代えて、電解液をそのまま用いてもよい。この場合には、電解液がセパレータ３５に含浸される。

この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極３３からリチウムイオンが放出され、電解質３６を介して負極３４に吸蔵される。一方、放電を行うと、例えば、負極３４からリチウムイオンが放出され、電解質３６を介して正極３３に吸蔵される。

この二次電池は、例えば、以下の３種類の製造方法によって製造される。

第１の製造方法では、まず、第１の実施の形態と同様の手順により、正極集電体３３Ａの両面に正極活物質層３３Ｂを形成して正極３３を作製すると共に、負極集電体３４Ａの両面に負極活物質層３４Ｂを形成して負極３４を作製する。

次に、電解液と、高分子化合物と、溶剤とを含む前駆溶液を調製して正極３３および負極３４に塗布したのち、溶剤を揮発させてゲル状の電解質３６を形成する。続いて、正極３３に正極リード３１を溶接などして取り付けると共に、負極３４に負極リード３２を溶接などして取り付ける。続いて、電解質３６が形成された正極３３と負極３４とをセパレータ３５を介して積層させてから長手方向に巻回し、その最外周部に保護テープ３７を接着させて巻回電極体３０を作製する。

最後に、例えば、２枚のフィルム状の外装部材４０の間に巻回電極体３０を挟み込んだのち、その外装部材４０の外縁部同士を熱融着などして接着させて巻回電極体３０を封入する。この際、正極リード３１および負極リード３２と外装部材４０との間に、密着フィルム４１を挿入する。これにより、図５および図６に示した二次電池が完成する。

第２の製造方法では、最初に、正極３３に正極リード３１を取り付けると共に負極３４に負極リード３２を取り付けたのち、セパレータ３５を介して正極３３と負極３４とを積層して巻回させると共に最外周部に保護テープ３７を接着させて、巻回電極体３０の前駆体である巻回体を作製する。続いて、２枚のフィルム状の外装部材４０の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を熱融着などして接着させて、袋状の外装部材４０の内部に巻回体を収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を調製して袋状の外装部材４０の内部に注入したのち、外装部材４０の開口部を熱融着などで密封する。最後に、モノマーを熱重合させて高分子化合物とすることにより、ゲル状の電解質３６を形成する。これにより、二次電池が完成する。

第３の製造方法では、最初に、高分子化合物が両面に塗布されたセパレータ３５を用いることを除き、上記した第２の製造方法と同様に、巻回体を作製して袋状の外装部材４０の内部に収納する。このセパレータ３５に塗布する高分子化合物としては、例えば、フッ化ビニリデンを成分とする重合体、すなわち単独重合体、共重合体あるいは多元共重合体などが挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデンや、フッ化ビニリデンおよびヘキサフルオロプロピレンを成分とする二元系共重合体や、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびクロロトリフルオロエチレンを成分とする三元系共重合体などである。なお、高分子化合物は、上記したフッ化ビニリデンを成分とする重合体と共に、他の１種あるいは２種以上の高分子化合物を含んでいてもよい。続いて、外装部材４０の内部に電解液を注入したのち、その外装部材４０の開口部を熱融着などによって密封する。最後に、外装部材４０に加重をかけながら加熱し、高分子化合物を介してセパレータ３５を正極３３および負極３４に密着させる。これにより、電解液が高分子化合物に含浸し、その高分子化合物がゲル化して電解質３６が形成されるため、二次電池が完成する。

この第３の製造方法では、第１の製造方法と比較して、二次電池の膨れが抑制される。また、第３の製造方法では、第２の製造方法と比較して、高分子化合物の原料であるモノマーや溶媒などが電解質３６中にほとんど残らず、しかも高分子化合物の形成工程が良好に制御されるため、正極３３、負極３４およびセパレータ３５と電解質３６との間において十分な密着性が得られる。

この二次電池によれば、負極３４の負極活物質粒子および電解液が、それぞれ上記した第１の実施の形態における負極２１の負極活物質粒子および電解液と同様の構成を有しているので、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。

特に、二次電池の電池構造がラミネートフィルム型であれば、充放電時における膨れが顕在化しやすいため、膨れ特性をより効果的に向上させることができる。

本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。

（実施例１−１）
負極活物質としてケイ素を用いて、図１および図２に示した角型の二次電池を作製した。この際、負極２２の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池となるようにした。

まず、正極２１を作製した。最初に、炭酸リチウム（Ｌｉ₂ＣＯ₃）と炭酸コバルト（ＣｏＣＯ₃）とを０．５：１のモル比で混合したのち、空気中において９００℃×５時間の条件で焼成してリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）を得た。続いて、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物９４質量部と、導電剤としてグラファイト３質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン３質量部とを混合して正極合剤としたのち、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散させてペースト状の正極合剤スラリーとした。続いて、バーコータによってアルミニウム箔（厚さ＝２０μｍ）からなる正極集電体２１Ａの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布して乾燥させたのち、ロールプレス機によって塗膜を圧縮成型して正極活物質層２１Ｂを形成した。この際、正極集電体２１Ａの片面側における正極活物質層２１Ｂの単位面積当たりの重量を２０ｍｇ／ｃｍ²とした。最後に、正極活物質層２１Ｂが形成された正極集電体２１Ａを幅５０ｍｍ×長さ３００ｍｍの帯状に切断した。

次に、負極２２を作製した。最初に、電子ビーム蒸着法によって電解銅箔（厚さ＝１２μｍ）からなる負極集電体２２Ａの両面にケイ素を堆積させて複数の負極活物質粒子を形成することにより、負極活物質層２２Ｂを形成した。この負極活物質層２２Ｂを形成する場合には、蒸着源に対して負極集電体２２Ａを相対的に往復移動させながら複数回に渡ってケイ素を堆積させて積層することにより、負極活物質粒子が粒子内に多層構造を有するようにした。この際、ケイ素の１層当たりの堆積厚さを０．３μｍとし、蒸着工程と冷却工程とを２５回繰り返して負極活物質粒子の層数を２５層（総厚＝７．５μｍ）とした。最後に、負極活物質層２２Ｂが形成された負極集電体２２Ａを幅５０ｍｍ×長さ３００ｍｍの帯状に切断した。

次に、溶媒として化３に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルである４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＦＥＣ）と、化４に示したスルホン化合物である炭酸エチルメチル（ＥＭＣ）とを混合したのち、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）および四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ₄）を溶解させて、電解液を調製した。この際、電解液中の混合比（ＦＥＣ：ＥＭＣ：ＬｉＰＦ₆：ＬｉＢＦ₄）を重量比で４３．５２：４３．５２：１２．０３：０．９３とした。この場合には、ＦＥＣとＥＭＣとの混合比（ＦＥＣ：ＥＭＣ）が重量比で５０：５０であり、言い替えれば電解液中におけるＦＥＣおよびＥＭＣの含有量がいずれも５０重量％である。また、電解液中におけるＬｉＰＦ₆およびＬｉＢＦ₄の濃度がそれぞれ０．９ｍｏｌ／ｋｇおよび０．１ｍｏｌ／ｋｇである。

次に、正極２１および負極２２と共に電解液を用いて二次電池を組み立てた。最初に、正極集電体２１Ａにアルミニウム製の正極リード２４を溶接すると共に、負極集電体２２Ａにニッケル製の負極リード２５を溶接した。続いて、微多孔性ポリエチレンフィルム（厚さ＝９μｍ）からなるセパレータ２３を介して正極２１と負極２２とを積層してから長手方向に巻回させたのち、扁平状に成形して電池素子２０を作製した。続いて、鉄製の電池缶１１の内部に電池素子２０を収納したのち、その電池素子２０上に絶縁板１２を配置した。続いて、正極リード２４を正極ピン１５に溶接すると共に負極リード２５を電池缶１１に溶接したのち、その電池缶１１の開放端部に電池蓋１３をレーザ溶接して固定した。最後に、注入孔１９を通じて電池缶１１の内部に電解液を注入したのち、その注入孔１９を封止部材１９Ａで塞いだ。これにより、角型の二次電池が完成した。この二次電池の容量は、８００ｍＡｈである。

（実施例１−２）
ＦＥＣとＥＭＣとの混合比（ＦＥＣ：ＥＭＣ）を重量比で３０：７０に変更したことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。

（実施例１−３，１−４）
溶媒として対称な鎖状化合物である炭酸ジエチル（ＤＥＣ）を加え、ＦＥＣとＤＥＣとＥＭＣとの混合比（ＦＥＣ：ＤＥＣ：ＥＭＣ）を重量比で５０：４０：１０（実施例１−３）あるいは３０：６０：１０（実施例１−４）に変更したことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。

（実施例１−５，１−６）
ＬｉＰＦ₆およびＬｉＢＦ₄の濃度をそれぞれ０．８ｍｏｌ／ｋｇおよび０．２ｍｏｌ／ｋｇ（実施例１−５）あるいは０．９８ｍｏｌ／ｋｇおよび０．０２ｍｏｌ／ｋｇ（実施例１−６）に変更したことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。

（実施例１−７，１−８）
溶媒として、ＦＥＣに代えてトランス−４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オン（ＤＦＥＣ）を用いると共に、炭酸エチレン（ＥＣ）を加え、ＤＦＥＣとＥＣとＥＭＣとの混合比（ＤＦＥＣ：ＥＣ：ＥＭＣ）を重量比で１０：４０：５０（実施例１−７）あるいは２０：３０：５０（実施例１−８）に変更したことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。

（実施例１−９）
ＥＭＣのうちの一部を酸無水物である無水スルホプロピオン酸メチル（ＳＰＡＨ）に置き換えたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。この際、ＦＥＣとＥＭＣとＳＰＡＨとの混合比（ＦＥＣ：ＥＭＣ：ＳＰＡＨ）を重量比で５０：４９：１とした。

（比較例１−１）
ＬＩＢＦ₄を加えず、ＬｉＰＦ₆の濃度を１．０ｍｏｌ／ｋｇとしたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。

（比較例１−２）
ＥＭＣに代えてＤＥＣを用いたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。

（比較例１−３）
ＥＭＣに代えて対称な鎖状化合物である炭酸ジメチル（ＤＭＣ）を用いたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。

（比較例１−４）
ＦＥＣに代えてＥＣを用いたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。

これらの実施例１−１〜１−９および比較例１−１〜１−４の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表１に示した結果が得られた。

サイクル特性を調べる際には、２３℃の雰囲気中で１サイクル充放電させて放電容量を測定し、引き続き同雰囲気中でサイクル数の合計が３００サイクルとなるまで繰り返し充放電させて放電容量を測定したのち、放電容量維持率（％）＝（３００サイクル目の放電容量／１サイクル目の放電容量）×１００を算出した。１サイクルの充放電条件としては、８００ｍＡの定電流で上限電圧４．２Ｖまで充電し、さらに４．２Ｖの定電圧で充電開始からの総時間が３時間となるまでで充電したのち、８００ｍＡの定電流で終止電圧３．０Ｖまで放電した。

膨れ特性を調べる際には、２３℃の雰囲気中で充電して二次電池の厚さを測定し、引き続き充電状態のままで９０℃の恒温槽内に４時間保存して二次電池の厚さを測定したのち、膨れ（ｍｍ）＝（保存後の厚さ−保存前の厚さ）を算出した。この際、充電条件は、サイクル特性を調べる場合と同様にした。

なお、上記したサイクル特性および膨れ特性を調べる際の手順および条件は、以降の一連の実施例および比較例についても同様である。

表１に示したように、電池構造が角型である場合には、電解液が、溶媒としてＦＥＣあるいはＤＦＥＣと、電解質塩としてＬｉＢＦ₄と、ＥＭＣとを含む実施例１−１〜１−９において、それらの全ての条件を満たしていない比較例１−１〜１−４と比較して、高い放電容量維持率を得つつ膨れが小さく抑えられた。

この場合には、電解液中におけるＦＥＣの含有量が３０重量％以上５０重量％以下であり、あるいは電解液中におけるＤＦＥＣの含有量が１０重量％以上２０重量％以下であると、高い放電容量維持率が得られた。また、電解液中におけるＬｉＢＦ₄の濃度が０．０２ｍｏｌ／ｋｇ以上０．２ｍｏｌ／ｋｇ以下であると、膨れの増加が抑えられつつ高い放電容量維持率が得られた。さらに、電解液中におけるＥＭＣの含有量が１０重量％以上７０重量％以下であると、膨れの増加が抑えられつつ高い放電容量維持率が得られた。

また、電解液がＳＰＡＨを含むと、放電容量維持率がより高くなると共に膨れがより小さくなった。なお、ここではＳＰＡＨ以外の他の酸無水物を用いた場合の結果を示していないが、ＳＰＡＨに代表される酸無水物は共通して放電容量維持率を増加させると共に膨れを減少させる役割を果たすため、ＳＰＡＨ以外の他の酸無水物を用いた場合においても同様の結果が得られることは明らかである。

これらのことから、本発明の角型の二次電池では、負極２２の負極活物質粒子がケイ素を含有すると共に多層構造を有する場合に、電解液が溶媒としてＦＥＣあるいはＤＦＥＣと電解質塩としてＬｉＢＦ₄とＥＭＣとを含むことにより、優れたサイクル特性および膨れ特性が得られることが確認された。この場合には、電解液がＳＰＡＨなどの酸無水物を含めば、両特性がより向上することも確認された。

（実施例２−１，２−２）
エステル化合物としてＥＭＣに代えて炭酸メチルプロピル（ＭＰＣ：実施例２−１）あるいは炭酸ブチルメチル（ＢＭＣ：実施例２−２）を用いたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。

これらの実施例２−１，２−２の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表２に示した結果が得られた。

表２に示したように、電解液がＭＰＣ等を含む実施例２−１，２−２では、ＥＭＣを含む実施例１−１と同様に、比較例１−１〜１−４と比較して、高い放電容量維持率を得つつ膨れが小さく抑えられた。この場合には、化４に示したＲ２１の炭素数が２〜４である非対称なＥＭＣ等を用いると、放電容量維持率が高くなると共に膨れが小さくなった。これに対して、炭素数が１である対称なＤＭＣを用いると、放電容量維持率は高くなるが膨れが大きくなり、対称なＤＥＣを用いると、膨れは小さくなるが放電容量維持率が低くなった。

これらのことから、本発明の角型の二次電池では、電解液がＭＰＣ等を含む場合においても、ＥＭＣを含む場合と同様に、優れたサイクル特性および膨れ特性が得られることが確認された。

（実施例３−１）
負極活物質粒子の層数を２５層に代えて１０層としたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。この際、ケイ素の１層当たりの堆積厚さを０．７５μｍとし、蒸着工程と冷却工程とを１０回繰り返して負極活物質粒子の総厚を７．５μｍとした。

（実施例３−２）
負極活物質層２２Ｂを形成する場合に、複数の負極活物質粒子を形成したのち、液相析出法によって負極活物質粒子の表面に酸化物含有膜としてケイ素の酸化物（ＳｉＯ₂）を析出させたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。この酸化物含有膜を形成する場合には、ケイフッ化水素酸にアニオン補足剤としてホウ素を溶解させた溶液中に、負極活物質粒子が形成された負極集電体２２Ａを３時間浸積し、その負極活物質粒子の表面にケイ素の酸化物を析出させたのち、水洗して減圧乾燥した。

（実施例３−３）
負極活物質層２２Ｂを形成する場合に、複数の負極活物質粒子を形成したのち、電解鍍金法によって金属材料としてコバルト（Ｃｏ）の鍍金膜を成長させたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。この金属材料を形成する場合には、鍍金浴にエアーを供給しながら通電して負極集電体２２Ａの両面にコバルトを堆積させた。この際、鍍金液として日本高純度化学株式会社製のコバルト鍍金液を用い、電流密度を２Ａ／ｄｍ²〜５Ａ／ｄｍ²とし、鍍金速度を１０ｎｍ／秒とした。

（実施例３−４）
実施例３−２，３−３で説明した手順により、酸化物含有膜としてケイ素の酸化物を析出させたのち、さらに金属材料としてコバルトの鍍金膜を成長させたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。

（比較例２）
負極活物質粒子の層数を２５層に代えて１層としたことを除き、実施例１−１と同様の手順を経た。この際、ケイ素の堆積厚さ（負極活物質粒子の厚さ）を７．５μｍとした。

これらの実施例３−１〜３−４および比較例２の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表３に示した結果が得られた。

表３に示したように、負極活物質粒子の厚さを一定（７．５μｍ）とすると、負極活物質粒子が多層構造を有する実施例１−１，３−１では、単層構造を有する比較例２と比較して、膨れがほぼ同等に維持されつつ放電容量維持率が高くなった。この場合には、負極活物質粒子の層数が多くなるにしたがって放電容量維持率が高くなり、１０層以上になると放電容量維持率が十分に高くなった。

また、酸化物含有膜や金属材料を形成した実施例３−２〜３−４では、それらを形成しなかった実施例１−１と比較して、膨れがほぼ同等に維持されつつ放電容量維持率が高くなった。この場合には、金属材料を形成した場合において放電容量維持率がより高くなり、酸化物含有膜および金属材料の双方を形成した場合において放電容量維持率がさらに高くなった。

なお、ここでは１回の蒸着工程で堆積させるケイ素の堆積厚さが０．３μｍあるいは０．７５μｍである場合の結果しか示していないが、十分なサイクル特性を得るために必要なケイ素の堆積厚さの上限値を調べたところ、その上限値は１μｍであった。

これらのことから、本発明の角型の二次電池では、負極活物質粒子が多層構造を有することでサイクル特性が向上すると共に、負極活物質粒子の１層の厚さが１μｍ以下である場合にその層数が１０層以上であれば十分な特性が得られることが確認された。また、酸化物含有膜や金属材料を形成すればサイクル特性がより向上し、酸化物含有膜よりも金属材料、さらに双方を形成すれば特性が著しく向上することも確認された。

（実施例４−１〜４−７）
以下の手順によって図５および図６に示したラミネートフィルム型の二次電池を作製したことを除き、実施例１−１〜１−７と同様の手順を経た。このラミネートフィルム型の二次電池を作製する場合には、最初に、正極集電体３３Ａの両面に正極活物質層３３Ｂを形成して正極３３を作製すると共に、負極集電体３４Ａの両面に負極活物質層３４Ｂを形成して負極３４を作製したのち、正極集電体３３Ａの一端にアルミニウム製の正極リード３１を溶接すると共に、負極集電体３４Ａの一端にニッケル製の負極リード３２を溶接した。続いて、正極３３と、セパレータ３５と、負極３４と、上記したセパレータ３５とをこの順に積層してから長手方向に多数回巻回させたのち、粘着テープからなる保護テープ３７で巻き終わり部分を固定して、巻回電極体３０の前駆体である巻回体を形成した。続いて、外側から、ナイロンフィルム（厚さ＝３０μｍ）と、アルミニウム箔（厚さ＝４０μｍ）と、無延伸ポリプロピレンフィルム（厚さ＝３０μｍ）とが積層された３層構成のラミネートフィルムからなる外装部材４０の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺を除く外縁部同士を熱融着して、袋状の外装部材４０の内部に巻回体を収納した。続いて、外装部材４０の開口部から内部に電解液を２ｇ注入し、その電解液をセパレータ３５に含浸させて巻回電極体３０を作製した。最後に、真空雰囲気中において外装部材４０の開口部を熱融着して封止することにより、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。

（実施例４−８，４−９）
ＥＭＣに代えてＭＰＣ（実施例４−８）あるいはＢＭＣ（実施例４−９）を用いたことを除き、実施例４−１と同様の手順を経た。

（比較例３−１〜３−３）
実施例４−１〜４−９と同様にラミネートフィルム型の二次電池を作製したことを除き、比較例１−１〜１−３と同様の手順を経た。

これらの実施例４−１〜４−９および比較例３−１〜３−３の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表４に示した結果が得られた。

表４に示したように、電池構造がラミネートフィルム型である場合においても、角型である場合（表１および表２）と同様の結果が得られた。すなわち、電解液が、溶媒としてＦＥＣあるいはＤＦＥＣと、電解質塩としてＬｉＢＦ₄と、ＥＭＣ等とを含む実施例４−１〜４−９では、それらの全ての条件を満たしていない比較例３−１〜３−３と比較して、高い放電容量維持率を得つつ膨れが小さく抑えられた。

これらのことから、本発明のラミネートフィルム型の二次電池では、負極３４の負極活物質粒子がケイ素を含有すると共に多層構造を有する場合に、電解液が溶媒としてＦＥＣあるいはＤＦＥＣと電解質塩としてＬｉＢＦ₄とＥＭＣ等とを含むことにより、角型の二次電池と同様に、優れたサイクル特性および膨れ特性が得られることが確認された。

上記した表１〜表４の結果から、本発明の二次電池では、負極の負極活物質粒子が、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を有する材料を含有し、かつ、粒子内に多層構造を有する場合に、電解液が、化３に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルを含有する溶媒と、四フッ化ホウ酸リチウムを含有する電解質塩と、化４に示したエステル化合物とを含むことにより、電池構造や、溶媒の組成や、電解質塩の濃度や、エステル化合物の含有量に依存せずに、優れたサイクル特性および膨れ特性が得られることが確認された。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記した実施の形態および実施例では、本発明の電池の電解質として、電解液、あるいは電解液を高分子化合物に保持させたゲル状電解質を用いる場合について説明したが、他の種類の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、イオン伝導性セラミックス、イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などのイオン伝導性無機化合物と電解液とを混合したものや、他の無機化合物と電解液とを混合したものや、それらの無機化合物とゲル状電解質とを混合したものなどが挙げられる。

また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の電池として、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づいて表されるリチウムイオン二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。本発明の電池は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極の充電容量よりも小さくすることにより、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出に基づく容量とリチウムの析出および溶解に基づく容量とを含み、かつ、それらの容量の和によって表される二次電池についても同様に適用可能である。

また、上記した実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム（Ｎａ）あるいはカリウム（Ｋ）などの他の短周期型周期表における１Ａ族元素や、マグネシウムあるいはカルシウム(Ｃａ）などの２Ａ族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属を用いてもよい。この場合においても、上記実施の形態で説明した負極材料を用いることが可能である。

また、上記した実施の形態または実施例では、本発明の電池について、電池構造が角型およびラミネートフィルム型である場合、ならびに電池素子が巻回構造を有する場合を例に挙げて説明したが、本発明の電池は、円筒型、コイン型あるいはボタン型などの他の電池構造を有する場合や、電池素子が積層構造などの他の構造を有する場合についても同様に適用可能である。

また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の電池に関し、電解液中におけるエステル化合物の含有量について、実施例の結果から導き出された適正範囲を説明しているが、その説明は、含有量が上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、含有量が上記した範囲から多少外れてもよい。このことは、ハロゲンを有する環状炭酸エステルの含有量や四フッ化ホウ酸リチウムの濃度などについても同様である。

本発明の第１の実施の形態に係る電池の構成を表す断面図である。図１に示した電池のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図２に示した負極の断面構造を表すＳＥＭ写真およびその模式図である。図２に示した負極の他の断面構造を表すＳＥＭ写真およびその模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る電池の構成を表す分解斜視図である。図５に示した巻回電極体のＶＩ−ＶＩ線に沿った構成を表す断面図である。

符号の説明

１１…電池缶、１２…絶縁板、１３…電池蓋、１４…端子板、１５…正極ピン、１６…絶縁ケース、１７…ガスケット、１８…開裂弁、１９…注入孔、１９Ａ…封止部材、２０…電池素子、２１，３３…正極、２１Ａ，３３Ａ…正極集電体、２１Ｂ，３３Ｂ…正極活物質層、２２，３４…負極、２２Ａ，３４Ａ…負極集電体、２２Ｂ，３４Ｂ…負極活物質層、２３，３５…セパレータ、２４，３１…正極リード、２５，３２…負極リード、３０…巻回電極体、３６…電解質、３７…保護テープ、４０…外装部材、４１…密着フィルム、２２１…負極活物質粒子、２２２（２２２Ａ，２２２Ｂ）…隙間、２２３…空隙、２２４…金属材料。

Claims

正極および負極と共に電解液を備えた電池であって、
前記負極は、複数の負極活物質粒子を含む負極活物質層を有し、
前記負極活物質粒子は、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも１種を有する材料を含有し、かつ、粒子内に多層構造を有し、
前記電解液は、化１で表されるハロゲンを有する環状炭酸エステルを含有する溶媒と、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ₄）を含有する電解質塩と、化２で表されるエステル化合物とを含む
ことを特徴とする電池。

（Ｒ１１〜Ｒ１４は水素基、ハロゲン基、アルキル基あるいはハロゲン化アルキル基であり、それらのうちの少なくとも１つはハロゲン基あるいはハロゲン化アルキル基である。）

（Ｒ２１は炭素数が２以上４以下のアルキル基である。）
前記負極活物質粒子は、ケイ素（Ｓｉ）を含有することを特徴とする請求項１記載の電池。
前記負極は、前記負極活物質層を支持する負極集電体を有し、前記負極活物質粒子は、前記負極集電体の表面に連結されていることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記化１に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルは、４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンであり、前記電解液中における４−フルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンの含有量は、３０重量％以上５０重量％以下であることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記化１に示したハロゲンを有する環状炭酸エステルは、４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンであり、前記電解液中における４，５−ジフルオロ−１，３−ジオキソラン−２−オンの含有量は、１０重量％以上２０重量％以下であることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記電解液中における四フッ化ホウ酸リチウムの濃度は、０．０２ｍｏｌ／ｋｇ以上０．２ｍｏｌ／ｋｇ以下であることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記電解質塩は、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を含有することを特徴とする請求項１記載の電池。
前記電解液中における前記化２に示したエステル化合物の含有量は、１０重量％以上７０重量％以下であることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記負極活物質層は、前記負極活物質粒子の表面を被覆する酸化物含有膜を含むことを特徴とする請求項１記載の電池。
前記酸化物含有膜は、ケイ素、ゲルマニウム（Ｇｅ）およびスズ（Ｓｎ）からなる群のうちの少なくとも１種の酸化物を含有することを特徴とする請求項９記載の電池。
前記負極活物質層は、前記負極活物質粒子の粒子間の隙間および粒子内の隙間に、電極反応物質と合金化しない金属材料を含むことを特徴とする請求項１記載の電池。
前記金属材料は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）および銅（Ｃｕ）からなる群のうちの少なくとも１種を有することを特徴とする請求項１１記載の電池。
前記正極、前記負極および前記電解液は、角型の金属缶の内部に収納されていることを特徴とする請求項１記載の電池。
前記正極、前記負極および前記電解液は、フィルム状の外装部材の内部に収納されていることを特徴とする請求項１記載の電池。