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

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 タップ密度が向上し、電極合剤を混練したと
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、Li4Ti512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

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、リチウム二次電池
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。
【0002】
【従来の技術】リチウム二次電池は、そのエネルギー密
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。
【0003】リチウムチタン複合酸化物であるチタン酸
リチウムは、代表的なものにLi4Ti512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。
【0004】電池の小型、高容量化のためには活物質自
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。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、チタン酸リ
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。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
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。
【0007】すなわち、本発明のチタン酸リチウム粉体
は、Li4Ti512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。
【0008】また、本発明のチタン酸リチウムにおい
て、その粉体のタップ密度が0.75g/ml以上であ
っても良い。
【0009】また、前記チタン酸リチウム粉体を正極又
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。
【0010】また、前記電池用電極を用いたリチウム二
次電池を提供することができる。
【0011】更に、前記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。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明のチタン酸リチウム粉体
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、Li4Ti512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。
【0013】表面被覆する前の基体となるチタン酸リチ
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。
【0014】まず、リチウム原料として水酸化リチウ
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。
【0015】前記の原子比の条件を満たすと共に、混合
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。
【0016】得られた乾燥物を大気中で熱処理し、平均
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。
【0017】前記のようにして造粒したチタン酸リチウ
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。
【0018】ポリオールの種類は特に限定されないが、
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。
【0019】混合後は50〜200℃、好ましくは80
〜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。
【0020】また、前記基体となるチタン酸リチウムの
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。
【0021】カップリング剤の種類は特に限定されない
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。
【0022】混合後は、50〜200℃、好ましくは8
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。
【0023】また、前記ポリオールと前記カップリング
剤を適宜組み合わせて使用することもできる。
【0024】本発明の表面被覆処理されたチタン酸リチ
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。
【0025】上記のように合成したチタン酸リチウム粉
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。
【0026】
【実施例】以下、実施例及び比較例を基に具体的に説明
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。
【0027】
【実施例1】水酸化リチウム(LiOH・H2O)を1
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。
【0028】次に上記塗料をアルミ箔上にドクターブレ
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。
【0029】
【実施例2】チタン酸リチウムにビニルトリエトキシシ
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。
【0030】
【実施例3】チタン酸リチウムにビニルトリエトキシシ
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。
【0031】
【実施例4】チタン酸リチウムにビニルトリエトキシシ
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。
【0032】
【実施例5】チタン酸リチウムにビニルトリエトキシシ
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。
【0033】
【実施例6】チタン酸リチウムにγ−メタクリロキシプ
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。
【0034】
【実施例7】チタン酸リチウムにγ−アミノプロピルト
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。
【0035】
【比較例1】チタン酸リチウムにポリオール又はカップ
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。
【0036】表1に示されるように実施例1〜4は比較
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。
【0037】
【表1】
【0038】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のチタン酸
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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例及び比較例のチタン酸リチウム
粉体を正極に使用したコイン電池の断面図である。
【符号の説明】
正極 3 負極 4
フロントページの続き (72)発明者 中島 良介 山口県宇部市大字小串1978番地の25 チタ ン工業株式会社内 (72)発明者 松島 朋子 山口県宇部市大字小串1978番地の25 チタ ン工業株式会社内 Fターム(参考) 4G047 CA06 CB09 CC03 CD03 5H029 AJ02 AK03 AL03 AL12 AM05 AM07 BJ03 BJ12 DJ12 DJ16 EJ04 EJ12 HJ08 HJ17 HJ18 5H050 AA02 BA16 BA17 CA07 CB03 CB12 EA10 EA24 FA17 FA18 GA22 HA08 HA17 HA18

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Li4Ti512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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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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