JP2002324551A - チタン酸リチウム粉体及びその用途 - Google Patents
チタン酸リチウム粉体及びその用途Info
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Abstract
の塗料粘度を低減させたチタン酸リチウム粉体、該チタ
ン酸リチウム粉体を用いたリチウム二次電池用電極及び
該電極を用いた高性能なリチウム二次電池を提供する。 【解決手段】 本発明に係わるチタン酸リチウム粉体
は、ポリオール及び/又はカップリング剤で表面被覆さ
れ、Li4Ti5O12を主成分とし、該粉体のタップ密度
が0.75g/ml以上である。これを電極として使用
し、リチウム二次電池を製造する。
Description
の活物質として有用なチタン酸リチウム粉体及びそれを
用いたリチウム二次電池に関するものである。
度の高さから携帯電話やノートパソコン用の電源として
進歩してきたが、近年のIT技術の進歩により携帯端末
機器の小型、軽量化に伴って、その電源である電池にも
更に小型、高容量化が求められるようになってきた。
リチウムは、代表的なものにLi4Ti5O12があり、リ
チウム二次電池の活物質とした場合、リチウム基準で
1.5Vの電圧を有し、サイクル劣化が小さく長寿命で
あることが特徴である。また、時計用小型リチウム二次
電池の活物質として実績を持ち、充放電に際して膨張・
収縮が無視できるという特徴から大型電池用の活物質と
しても注目されている。この材料は正極活物質としての
利用の他、負極活物質としての利用面も開けており、そ
の将来が期待されるものである。
体の電気容量を大きくする方法があり、例えばWO99
/03784にはチタン酸リチウムの一部をプロトンで
置換して水素化することにより、理論容量を上回る充放
電容量が得られることが提案されている。しかしながら
活物質の充填密度を向上させて電気容量を大きくする方
法については未だに報告がなされていない。
チウムを用いるリチウム二次電池特性を改良する為に、
ポリオール及び/又はカップリング剤で表面被覆された
チタン酸リチウム粉体を製造すること、及び該チタン酸
リチウム粉体を用いたリチウム二次電池を提供すること
にある。
達成すべく鋭意研究を重ねた結果、ポリオール及び/又
はカップリング剤で表面被覆したチタン酸リチウム粉体
はタップ密度が向上し、電極合剤を混練したときの塗料
粘度を低減させることができると判った。また、このチ
タン酸リチウムの粉体を活物質として使用したリチウム
二次電池は、優れた充放電特性を示すことを見出し、本
発明を完成させた。
は、Li4Ti5O12を主成分とする粉体であって、該粉
体の表面が、ポリオール及び/又はカップリング剤で被
覆されていることを特徴とする。
て、その粉体のタップ密度が0.75g/ml以上であ
っても良い。
は負極活物質として用いた電池用電極を提供することが
できる。
次電池を提供することができる。
物質とし、金属Liを負極とするリチウム二次電池であ
って、充・放電電圧が1.4〜1.6V、初期放電容量
が150mAh/g以上であるリチウム二次電池を提供
することができる。
は、各粒子がポリオール及び/又はカップリング剤で表
面被覆され、Li4Ti5O12を主成分とすることを特徴
とし、好ましくは、タップ密度が0.75g/ml以上
である。このタップ密度の範囲内で、後述する優れた充
放電特性を示すリチウム二次電池用の電極活物質を調製
することができる。
ウム粉体は、代表的には原料を水中で均一に混合する工
程、該混合物を乾燥する工程及び熱処理する工程により
製造できる。
ム、水酸化リチウム・一水和物、酸化リチウム、炭酸水
素リチウム、炭酸リチウム等を水に混合又は溶解する。
この液にLiとTiの原子比が4:5となるように酸化
チタンを混合する。使用する酸化チタンはアナターゼ型
二酸化チタン又は含水酸化チタンが好ましい。アナター
ゼ型二酸化チタンについては、純度が少なくとも95%
以上が必要であり、好ましくは98%以上のものであ
る。純度が95%未満の場合、単位活物質当たりの容量
が下がってしまうため好ましくない。含水酸化チタンに
ついては、焼成してアナターゼ型二酸化チタンとしたと
きに上記範囲の純度となるものであり、この場合、焼成
前における含水酸化チタンの純度の目安は90%以上で
ある。
液のスラリー濃度は、Li原料が0.48〜4.8モル
/L、酸化チタンが0.60〜6.00モル/Lである
ことが好ましい。これらの範囲より濃度が高いと均一混
合に強い撹拌力が必要となり、また乾燥時における配管
閉塞等のトラブルの原因となり好ましくない。前記の範
囲より濃度が低いと蒸発水分量が増加し、乾燥コストが
上がるので好ましくない。乾燥方法はそのまま乾燥して
も良いし、噴霧乾燥、流動層乾燥、転動造粒乾燥あるい
は凍結乾燥を単独又は組み合わせて使用しても良い。
粒径が0.1〜50μmであるチタン酸リチウム粒子を
得る。熱処理条件は、700〜1000℃で1〜10時
間、好ましくは800〜900℃で5〜10時間であ
る。700℃未満では酸化チタンとリチウム化合物の反
応が不十分となり、1000℃を超えた場合、チタン酸
リチウムの焼結が顕著に起こり、電池特性が悪くなるの
で好ましくない。
ムに対して、ポリオール及び/又はカップリング剤によ
る表面被覆処理を行う。
ペンタエリトリトール、トリエチロールエタン、トリメ
チロールプロパン等を単独又は組み合わせて使用でき
る。処理方法は前記ポリオールを可溶な溶媒に溶解後、
その溶液と前記粒状チタン酸リチウムとを混合する。ポ
リオールの添加量は、基体となるチタン酸リチウムに対
して0.2〜2.0質量%、好ましくは0.5〜1.5
質量%である。添加量が0.2質量%より少ないと十分
なタップ密度の向上が得られず、また塗料粘度の低減効
果も少ないので好ましくない。また、2.0質量%より
多いと放電容量の低下をもたらし好ましくない。
〜150℃で熱処理を行う。熱処理時間は、30分〜2
4時間、好ましくは1〜10時間である。これによりチ
タン酸リチウムの各粒子表面の水酸基とポリオール中の
水酸基とが反応し、チタン酸リチウム粒子表面に有機層
が形成される。ポリオール由来の有機層が形成されたチ
タン酸リチウム粉体は、被覆有機層の有機官能基により
粒子間の相互作用が減少し、タップ密度を向上させるこ
とが可能となる。前記熱処理温度が50℃より低いと有
機層形成の反応が進行せず、また200℃より高いとポ
リオールが分解し所望の有機層が形成されず、タップ密
度向上の効果が得られないので好ましくない。
焼結に対して粉砕処理が必要である場合は、その粉砕前
にポリオールは溶解せずに固体のまま添加することがで
き、粉砕処理がポリオールの融解及び被覆を兼ねる。こ
の方式によれば、粉砕効率の向上、粉砕時の凝結や塊状
化を抑制する効果がある。
が、シランカップリング剤、チタンカップリング剤、ア
ルミニウムカップリング剤等が使用でき、中でもシラン
カップリング剤が好ましい。シランカップリング剤とし
ては、例えばビニルトリクロルシラン、ビニルトリスシ
ラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシ
シラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラ
ン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ
−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−メルカプト
プロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリ
メトキシシラン等を単独又は組み合わせて使用できる。
処理方法は前記カップリング剤を前記チタン酸リチウム
と混合する。カップリング剤の添加量は基体となるチタ
ン酸リチウムに対して、0.2〜2.0質量%、好まし
くは0.5〜1.5質量%である。添加量が0.2質量
%より少ないと十分なタップ密度の向上が得られず、ま
た塗料粘度の低減効果も少ないので好ましくない。また
2.0質量%より多いと放電容量の低下をもたらし好ま
しくない。
0〜150℃で熱処理を行う。熱処理時間は30分〜2
4時間、好ましくは1〜10時間である。これによりチ
タン酸リチウム粒子表面の水酸基とカップリング剤の官
能基とが反応し、粒子表面にカップリング剤が被覆され
る。この結果、チタン酸リチウム粉体における粒子間の
相互作用が減少しタップ密度を上げることができる。前
記熱処理温度が50℃より低いと未反応のカップリング
剤が残存し十分な効果が得られず、また200℃より高
いとカップリング剤が分解するので好ましくない。
剤を適宜組み合わせて使用することもできる。
ウム粉体は、電極作製時に一般的に用いられるn−メチ
ル−2−ピロリドン中への分散性が向上し、塗料粘度を
低減させることができる。塗料粘度が下がる結果、高濃
度で塗料の作製が可能となる為、集電体上への充填密度
が向上する。
体を正極活物質として使用し、負極にLi金属を使用し
たリチウム二次電池としてコイン型二次電池を作製し、
充・放電試験を行った。その結果、本発明のチタン酸リ
チウム粉体を用いた場合には、充放電での電圧が1.4
〜1.6Vを満足し、初期放電容量が150mAh/g
以上と高い値を得ることができた。また放電レート3.
0Cの容量は110mAh/g以上であり、無処理の場
合の105mAh/gに比べて大きいことが見出され
た。
するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでは
ない。
2%濃度で水に溶解し、該溶解液にアナターゼ型二酸化
チタンをLiとTiの原子比が4:5となる量を添加し
混合した。混合物を110℃で噴霧乾燥し、875℃で
6時間熱処理を行いチタン酸リチウムを作製した。この
チタン酸リチウムにトリメチロールプロパンのエタノー
ル溶液を添加し、110℃で1.5時間の熱処理を行い
粉体試料を作製した。トリメチロールプロパンの添加量
は1.0質量%とした。本試料のタップ密度をJIS−
K−5101タップ法により測定した。また本試料82
重量部とアセチレンブラック9重量部及びポリフッ化ビ
ニリデン9重量部とを混合後、N−メチル−2−ピロリ
ドンに固形分濃度46.5%でハイシェアーミキサーに
より5分間混練し、塗料を作製した。この塗料の粘度を
B型粘度計により測定した。
ード法で乾燥後の厚みが0.01g/cm2になるよう
に塗布した。110℃で真空乾燥後、初期電極合剤の厚
みに対して80%にロールプレスした。1cm2に打ち
抜き後、図1に示すコイン電池の正極3とした。図1に
おいて負極4は金属リチウム板を、電解液はエチレンカ
ーボネートとジメチルカーボネートの等容量混合物にL
iPF6を1mol/Lで溶解したものを、セパレータ
ー5はポリプロピレン多孔膜を使用した。上記により作
製したコイン電池を用いて電流密度0.2mA/cm2
で1.0Vまで放電後、同電流密度で3.0Vまで充電
し、このサイクルを3回繰り返した。その後、放電レー
トが3.0Cとなる電流密度で放電を行った。表1にタ
ップ密度、塗料粘度及び放電容量の測定結果を示す。
ランを0.5質量%混合した以外は実施例1と同様に行
い、タップ密度、塗料粘度及び放電容量を測定した。結
果を表1に示す。
ランを1.0質量%混合した以外は実施例1と同様に行
い、タップ密度、塗料粘度及び放電容量を測定した。結
果を表1に示す。
ランを1.5質量%混合した以外は実施例1と同様に行
い、タップ密度、塗料粘度及び放電容量を測定した。結
果を表1に示す。
ランを2.0質量%混合した以外は実施例1と同様に行
い、タップ密度、塗料粘度及び放電容量を測定した。結
果を表1に示す。
ロピルトリメトキシシランを1.5質量%混合した以外
は実施例1と同様に行い、タップ密度、塗料粘度及び放
電容量を測定した。結果を表1に示す。
リエトキシシランを1.5質量%混合した以外は実施例
1と同様に行い、タップ密度、塗料粘度及び放電容量を
測定した。結果を表1に示す。
リング剤のいずれも混合しなかった以外は実施例1と同
様に行い、タップ密度、塗料粘度及び放電容量を測定し
た。結果を表1に示す。
例1に対してタップ密度が向上し塗料粘度も低下してい
る。また実施例1〜3はローレート(0.15C)放電
容量を維持しながら、ハイレート(3.0C)放電容量
を向上させることができた。
リチウム粉体は、その粉体表面がポリオール及び/又は
カップリング剤で被覆されているので、被覆しないもの
に比べタップ密度の向上、塗料粘度の低下及びハイレー
トの放電特性を向上させることができる。
粉体を正極に使用したコイン電池の断面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 Li4Ti5O12を主成分とする粉体であ
って、該粉体の表面が、ポリオール及び/又はカップリ
ング剤で被覆されていることを特徴とするチタン酸リチ
ウム粉体。 - 【請求項2】 前記粉体のタップ密度が、0.75g/
ml以上であることを特徴とする請求項1に記載のチタ
ン酸リチウム粉体。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載の粉体を、正極又
は負極活物質として用いたことを特徴とする電池用電
極。 - 【請求項4】 請求項3に記載の電池用電極を用いたリ
チウム二次電池。 - 【請求項5】 請求項1又は2に記載のチタン酸リチウ
ム粉体を正極活物質とし、金属Liを負極とするリチウ
ム二次電池であって、充放電試験における充・放電電圧
が1.4〜1.6V、初期放電容量が150mAh/g
以上であることを特徴とするリチウム二次電池。
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JP2001131054A JP5000811B2 (ja) | 2001-04-27 | 2001-04-27 | チタン酸リチウム粉体及びその用途 |
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