JP2005116393A - 電極材料粉体の製造方法と電極材料粉体及び電極並びにリチウム電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の電極材料粉体の製造方法は、LiOH、A源(Fe、Co、Mn、Ni、Cr、Cuの群から選択された1種または2種以上)および/またはB源(Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Ge、Sc、Y、希土類元素の群から選択された1種または2種以上)、リン酸および/またはリン酸塩、LiOHとリン酸基との反応を阻害する反応阻害剤、A源とリン酸基との反応を遅延する反応遅延剤とを含有する溶液、分散液または懸濁液を、高温雰囲気中に噴霧し、得られた前駆体を熱処理することを特徴とする。
【選択図】 なし
Description
このリチウムイオン電池の正極材料としては、従来、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)等の正極活物質が用いられてきたが、これらの正極活物質には、高温における安定性、組成変化による特性の低下、高価格等、様々な問題点があり、これらの改善策として、LiAPO4(ただし、AはFe、Co、Mn、Ni、Cr、Cuの群から選択された1種または2種以上)で表されるリン酸化合物が注目されている。
そこで、この問題を解決する手段として、このLiAPO4を粉砕して微粒子化し、このLiAPO4微粒子を正極材料とする方法(例えば、非特許文献1参照)、あるいは、このLiAPO4にAg(銀)やC(炭素)を添加して複合粒子化し、このAg−LiAPO4複合粒子あるいはC−LiAPO4複合粒子を正極材料とする方法(例えば、非特許文献2参照)等が検討され、高出力化の可能性が示されている。
S.オカダ他(S.Okada et al.)、ジャーナル・オブ・パワー・ソーシズ(J.Power Sources)、第430巻、97頁(2001年) P.P.プロシニ他(P.P.Prosini et al.)、エレクトロケミカ・アクタ(Electrochemica Acta)、第46巻、3517頁(2001年)
粒子が粗大化した場合、粉砕して微粒子化することになるが、粉砕の際に不純物が混入する、いわゆるコンタミネーションと称される問題点や、粉砕工程を経ることによる製造コストの上昇という問題点が生じる。さらに、焼成工程自体、多量の熱エネルギーを必要とするものであるから、エネルギーコストが高くなるという問題点もある。
そこで、本発明者等は、次の様なLiAPO4系の電極材料及びその製造方法を提案した(特願2002−167163号)。
(1)原材料の組み合わせによっては、沈殿し易い物質(例えば、A3(PO4)2、Li3PO4等)を含むスラリーとなり、このスラリーを高温雰囲気下に噴霧し、加熱して電極材料粉体とするには、焼成に高い加熱温度と長い加熱時聞が必要となる。したがって、焼成時に粒成長が進行し、粒子が粗大化する虞がある。
この電極材料粉体を微粒子化するためには、粗大化した粒子を粉砕する必要があるが、この場合も、粉砕の際のコンタミネーションの問題や、粉砕工程を経ることによる製造コストの上昇という問題点がある。
例えば、Liとして安価な水酸化リチウム(LiOH)を用いようとしても、これらの問題点をクリヤーすることが難しいために、実際に使用するのは極めて難しい。
(3)原材料として、例えば、塩化リチウム(LiCl)や硝酸リチウム(LiNO3)等の潮解性の材料を用いた場合、得られた前駆体粒子も潮解性が非常に高いものであるから、前駆体粒子同士が凝集したり、あるいは、潮解して水溶液化する虞がある。また、凝集した前駆体粒子を熱処理した場合、塊状物質となり微粒子にはならない。したがって、この塊状物質を粉砕して微粒子化する必要があり、コンタミネーションや、製造コストの上昇という問題点がある。
前記溶液、分散液または懸濁液における前記水酸化リチウムの物質量と前記反応阻害剤の物質量との比は、水酸化リチウム:反応阻害剤=0.99:0.01〜0.50:0.50であることが好ましい。
前記溶液、分散液または懸濁液における前記Aの物質量と前記反応遅延剤の物質量との比は、A:反応遅延剤=1.00:0.01〜1.00:0.50であることが好ましい。
前記高温雰囲気の温度は、80℃以上かつ1000℃以下であることが好ましい。
前記熱処理の温度は、80℃以上かつ1000℃以下であることが好ましい。
本発明の電極は、本発明の電極材料粉体を用いてなることを特徴とする。
本発明のリチウム電池は、本発明の電極を正電極として備えてなることを特徴とする。
また、低温かつ短時間の熱処理で十分であるから、凝集、粒子の粗大化等が生じる虞がない。したがって、粉砕等の工程が不要となり、コンタミネーションの問題もなく、製造コストの低減を図ることができる。
以上により、組成が均一かつ高純度であり、しかも1次粒子の平均粒子径が数十nm以下のナノ粒子(超微粒子)を容易かつ安価に製造することができる。
また、「LixAyBzPO4からなる化合物を主成分とする」とは、この化合物を少なくとも90重量%以上含むという意味であり、残部の10重量%未満は電極材料に悪影響を及ぼさないものであればよい。
また、リン酸としては、オルトリン酸(H3PO4)が、また、リン酸塩としては、リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)、リン酸水素二アンモニウム((NH4)2HPO4)等が好適に用いられる。
このようなLi塩を用いることにより、主たるLi源としての水酸化リチウム(LiOH)とリン酸および/またはリン酸塩のリン酸基(PO4 3−)との反応を効率よく阻害することができ、原料溶液、分散液または懸濁液中に沈殿が生じる虞もない。
このような有機酸、有機酸のLi塩、キレート化合物を用いると、A源とリン酸および/またはリン酸塩のリン酸基(PO4 3−)との反応を効率よく遅延させることができ、沈殿の生成が大幅に遅延し、実質的に沈殿が生じない。
その理由は、反応遅延剤の物質量が物質量比1.00:0.50を超えて過剰となると、得られる電極材料粉体が潮解性となり、水分を吸収する分、コスト高となるからであり、一方、反応遅延剤の物質量が物質量比1.00:0.01より少ないと遅延効果が不十分となるからである。
電子伝導性物質および/または電子伝導性物質の前駆体を含有させておくと、得られた電極材料粉体は、LixAyBzPO4(ただし、AはFe、Co、Mn、Ni、Cr、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはMg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Ge、Sc、Y、希土類元素の群から選択された1種または2種以上)からなる化合物を主成分とする1次粒子が複数個集合した2次粒子であって、かつ、これら1次粒子間に電子伝導性物質を介在させた構造を有するものとなる。これにより、電極材料粉体の導電性が向上する。
これら微粒子の1次粒子径としては、1nm以上かつ1000nm以下が好ましく、より好ましくは10nm以上かつ200nm以下である。
また、電子導電性物質の前駆体とは、加熱することにより電子導電性物質となるものであり、この前駆体としては、有機化合物の他、金属塩、金属アルコキシド、金属の錯体等が好適に用いられる。
また、電子導電性物質の前駆体としては、例えば、有機化合物を用いることができる。有機化合物としては、加熱時に揮発しないものであればよく、特に限定されないが、例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンイミン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸(塩)、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、または、これらの共重合体が好適に用いられる。
また、リン酸エステル、リン酸エステル塩等を用いれば、炭素成分と同時にリン成分として用いることができる。
溶媒としては、例えば、水、アルコール類、エステル類、エーテル類、ケトン類等を用いることができるが、使い易さの点から水が好ましい。
この原料溶液、分散液または懸濁液中の原料成分の合計濃度は、噴霧できればよく、特に限定されるものではないが、良好な噴霧状態を得るためには1〜30重量%が好ましい。
噴霧時の液滴の粒径は0.05μm〜200μmとすることが好ましい。
また、噴霧時の高温雰囲気の温度は、使用する原料により異なるが、80℃以上かつ1000℃以下が好ましく、より好ましくは100℃以上かつ600℃以下、さらに好ましくは130℃以上かつ500℃以下である。
例えば、A源がFeの場合は、B源の種類に拘わらず窒素(N2)雰囲気、アルゴン(Ar)雰囲気、ヘリウム(He)雰囲気等の不活性雰囲気が好ましく、より酸化を抑えたいときには、水素(H2)等の還元性ガスを合む還元性雰囲気、例えば、2v/v%H2−98v/v%N2、5v/v%H2−95v/v%N2等の混合ガスによる還元性雰囲気が好ましい。
なお、A源として、Fe以外のCo、Ni、Mn、Cr、Cuのいずれかを用いる場合は、B源の種類に拘わらず大気雰囲気あるいは5v/v%O2−95v/v%N2等の弱酸化性雰囲気がよい。
この熱処理温度は80℃以上かつ1000℃以下が好ましく、より好ましくは100℃以上かつ600℃以下である。
この熱処理温度が1000℃を越えると、生成しつつある電極材料粉体の粒成長が促進して粗大化したり、焼成が進行して焼結体となったり等により、微粉末の電子材料粉体が得られないからである。電極材料粉体が粒成長して粗大化するのを防止するためには、可能な限り熱処理温度を低くするのが好ましいが、80℃未満は、熱処理が不十分で凝集体になり易く、良好な微粉末形状を保持できないから好ましくない。
例えば、A源がFeの場合は、B源の種類に拘わらず窒素(N2)雰囲気、アルゴン(Ar)雰囲気、ヘリウム(He)雰囲気等の不活性雰囲気が好ましく、より酸化を抑えたいときには、水素(H2)等の還元性ガスを合む還元性雰囲気、例えば、2v/v%H2−98v/v%N2、5v/v%H2−95v/v%N2等の混合ガスによる還元性雰囲気が好ましい。
なお、A源として、Fe以外のCo、Ni、Mn、Cr、Cuのいずれかを用いる場合は、B源の種類に拘わらず大気雰囲気あるいは5v/v%O2−95v/v%N2等の弱酸化性雰囲気がよい。
この電極材料粉体を結合剤、例えば、バインダー樹脂と混合することにより電極形成用塗布液あるいは電極形成用ペーストが得られる。この電極形成用塗布液あるいは電極形成用ペーストを用いて電極を形成する場合、電極材料粉体が最密充填し易く、したがって、結合剤の量も従来のものより少なくて済み、電極材料中の活物質の割合が低下することもない。また、2次粒子の平均粒子径が20μm以下であるから、粒子内部への電子の供給量が不足することもなく、利用効率が低下することもない。
上記のバインダー樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)樹脂等を例示することができる。
この電極材料粉体と結合剤(バインダー樹脂)との混合比は、特に制限されないが、例えば、電極材料粉体100重量部に対し、結合剤(バインダー樹脂)を3重量部〜20重量部程度である。
このリチウム電池は、本実施形態の電極材料粉体によって形成されたものであるから、正電極が高純度かつ粒径が揃った微細な球状粉体で構成されることとなり、その結果、高い充放電容量(特に放電容量)、安定した充放電サイクル性能、高出力化が可能となったものである。
例えば、本実施例では、電極材料自体の挙動をデータに反映させるため、負極に金属Liを用いたが、炭素材料、Li合金、Li4Ti5O12等の負極材料を用いてもかまわない。また電解液とセパレータの代わりに固体電解質を用いても良い。
LiOH、LiCl及びH3PO4を、これらの物質量比(モル比)が0.90:0.10:1.00、かつ、濃度がLiH2PO4換算で0.3mmol/gとなるように純水に溶解し、水溶液(800g)を得た。
一方、FeCl2及びニトリロ三酢酸を、これらの物質量比(モル比)が1.00:0.10、かつ、Feの濃度が0.3mmol/gとなるように純水に溶解し、その後、3時間撹拌し、水溶液(825g)を得た。
次いで、これらの水溶液を混合し、その後純水にて希釈し、濃度がLiFePO4換算で0.1mmol/gの原料溶液(2315g)を得た。この原料溶液中には、沈殿の生成は認められなかった。
次いで、この前駆体をN2雰囲気中600℃にて1時間熱処理し、2次粒子の平均粒子径が0.5〜3μmの球状の電極材料粉体(A−1)を得た。
この電極材料粉体(A−1)は、粉末X線回折(XRD)の結果、活物質として良好なLiFePO4(トリフィライト)単相からなる均一組成を有するものであった。
LiOH及びH3PO4を、これらの物質量比(モル比)が1:1、かつ、濃度がLiH2PO4換算で0.3mmol/gとなるように調整し、スラリー(800g)を得た。
一方、FeCl2を純水に溶解し、FeCl2を0.3mmol/g含むFeCl2水溶液(840g)を得た。
次いで、これらを混合し、Li3PO4とFe3(PO4)2の沈殿を含むスラリーとした後、このスラリーを純水にて希釈し、濃度がLiFePO4換算で0.1mmol/gかつLi3PO4とFe3(PO4)2の沈殿物を含む原料スラリー(懸濁液)(2310g)を得た。
この電極材料粉体(B−1)は、粉末X線回折(XRD)の結果、LiFePO4相の他、副次的な相であるLi3PO4とFe3(PO4)2の生成が認められた。
なお、原料スラリーを噴霧する際に沈殿物(Li3PO4、Fe3(PO4)2)がノズルに詰まることがあり、また、ノズルへの送液時に配管内に沈殿物が堆積し、連続して製造することが困難であった。
LiOH、LiNO3及びH3PO4を、これらの物質量比(モル比)が0.90:0.10:1.00、かつ、濃度がLiH2PO4換算で0.3mmol/gとなるように純水に溶解し、水溶液(800g)を得た。
一方、MnCl2及び酒石酸を、これらの物質量比(モル比)が1.00:0.10となるように純水に溶解し、その後、3時間撹拌し、Mnの濃度が0.3mmol/gの水溶液(825g)を得た。
次いで、これらの水溶液を混合し、その後純水にて希釈し、濃度がLiMnPO4換算で0.1mmol/gの原料溶液(2315g)を得た。
この原料溶液中においても、沈殿の生成は認められなかった。
次いで、この前駆体を大気雰囲気中600℃にて1時間熱処理し、2次粒子の平均粒子径が0.5〜3μmの球状の電極材料粉体(A−2)を得た。
この電極材料粉体(A−2)は、粉末X線回折(XRD)の結果、LiMnPO4単相からなる均一組成を有するものであった。
LiOH及びH3PO4を、これらの物質量比(モル比)が1:1、かつ、濃度がLiH2PO4換算で0.3mmol/gとなるように調整し、スラリー(800g)を得た。
一方、MnCl2を純水に溶解し、MnCl2を0.3mmol/g含むMnCl2水溶液(840g)を得た。
次いで、これらを混合し、Li3PO4とMn3(PO4)2の沈殿を含むスラリーとした後、このスラリーを純水にて希釈し、濃度がLiMnPO4換算で0.1mmol/gかつLi3PO4とMn3(PO4)2の沈殿物を含む原料スラリー(懸濁液)(2310g)を得た。
この電極材料粉体(B−2)は、粉末X線回折(XRD)の結果、LiMnPO4相の他、副次的な相であるLi3PO4とMn3(PO4)2の生成が認められた。
なお、原料スラリーを噴霧する際に沈殿物(Li3PO4、Mn3(PO4)2)がノズルに詰まることがあり、また、ノズルへの送液時に配管内に沈殿物が堆積し、連続して製造することが困難であった。
LiOH、LiNO3及びH3PO4を、これらの物質量比(モル比)が0.90:0.10:1.00、かつ、濃度がLiH2PO4換算で0.3mmol/gとなるように純水に溶解し、水溶液(800g)を得た。
一方、Co(NO3)2及びクエン酸を、これらの物質量比(モル比)が1.00:0.10となるように純水に溶解し、その後、3時間撹拌し、Coの濃度が0.3mmol/gの水溶液(840g)を得た。
次いで、これらの水溶液を混合し、その後純水にて希釈し、濃度がLiCoPO4換算で0.1mmol/gの原料溶液(2330g)を得た。
この原料溶液中においても、沈殿の生成は認められなかった。
次いで、この前駆体を大気雰囲気中600℃にて1時間熱処理し、2次粒子の平均粒子径が0.5〜3μmの球状の電極材料粉体(A−3)を得た。
この電極材料粉体(A−3)は、粉末X線回折(XRD)の結果、LiCoPO4単相からなる均一組成を有するものであった。
実施例3にて得られた前駆体を、大気雰囲気中500℃にて1時間熱処理し、2次粒子の平均粒子径が0.5〜3μmの球状の電極材料粉体(A−4)を得た。
この電極材料粉体(A−4)も実施例3の電極材料粉体(A−3)と同様、LiCoPO4単相からなる均一組成を有するものであった。
LiOH及びH3PO4を、これらの物質量比(モル比)が1:1、かつ、濃度がLiH2PO4換算で0.3mmol/gとなるように調整し、スラリー(800g)を得た。
一方、Co(NO3)2を純水に溶解し、Co(NO3)2を0.3mmol/g含むCo(NO3)2水溶液(840g)を得た。
次いで、これらを混合し、Li3PO4とCo3(PO4)2の沈殿を含むスラリーとした後、このスラリーを純水にて希釈し、濃度がLiCoPO4換算で0.1mmol/gかつLi3PO4とCo3(PO4)2の沈殿物を含む原料スラリー(懸濁液)(2310g)を得た。
この電極材料粉体(B−3)は、粉末X線回折(XRD)の結果、LiCoPO4相の他、副次的な相であるLi3PO4、Co3(PO4)2及びCo3O4の生成が認められた。
なお、原料スラリーを噴霧する際に沈殿物(Li3PO4、Co3(PO4)2)がノズルに詰まることがあり、また、ノズルへの送液時に配管内に沈殿物が堆積し、連続して製造することが困難であった。
熱処理を、大気雰囲気中600℃にて12時間とした他は、比較例3と同様にして、2次粒子の平均粒子径が1〜5μmの球状の電極材料粉体(B−4)を得た。
この電極材料粉体(B−4)は、粉末X線回折(XRD)の結果、比較例3の電極材料粉体(B−3)と同様、LiCoPO4相の他、副次的な相であるLi3PO4、Co3(PO4)2及びCo3O4の生成が認められた。
上記の電極材料粉体(A−1)60mgと、バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)10mgと、導電助剤としてのカーボンブラック粉末30mgとを混練し、得られた混練物を圧延し、電極材料合剤フィルム(A−1)を得た。
このフィルム(A−1)をアルミニウムメッシュ集電体上に圧着後、面積2cm2の円板状に打ち抜き、電極とした。
同様に、上記の電極材料粉体(A−1)を電極材料粉体(B−1)〜(B−4)にそれぞれ替えた他は、実施例1のリチウム電池と全く同様にして、比較例1〜4のリチウム電池を作製した。
ただし、実施例1〜4及び比較例1〜4それぞれのリチウム電池においては、活物質量(LiFePO4等)、導電助剤としてのカーボンブラック量、バインダー樹脂量は同一となるように調整した。
実施例1〜4及び比較例1〜4各々のリチウム電池の充放電試験を、カットオフ電圧4−5V、充放電レート0.1Cの定電流下にて、室温(25℃)にて実施した。この充放電試験結果を図1〜図3に示す。図中、E1〜E4は実施例1〜4を、R1〜R4は比較例1〜4を、それぞれ示している。
Claims (11)
- LixAyBzPO4(ただし、AはFe、Co、Mn、Ni、Cr、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはMg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Ge、Sc、Y、希土類元素の群から選択された1種または2種以上)からなる化合物を主成分とする電極材料粉体の製造方法であって、
水酸化リチウムと、A源および/またはB源と、リン酸および/またはリン酸塩と、前記水酸化リチウムと前記リン酸および/またはリン酸塩のリン酸基との反応を阻害する反応阻害剤と、前記A源と前記リン酸および/またはリン酸塩のリン酸基との反応を遅延する反応遅延剤とを含有する溶液、分散液または懸濁液を、高温雰囲気中に噴霧して前駆体とし、この前駆体を熱処理することを特徴とする電極材料粉体の製造方法。 - 前記反応阻害剤は、水溶液とした際の水素イオン指数が10以下のLi塩であることを特徴とする請求項1記載の電極材料粉体の製造方法。
- 前記溶液、分散液または懸濁液における前記水酸化リチウムの物質量と前記反応阻害剤の物質量との比は、水酸化リチウム:反応阻害剤=0.99:0.01〜0.50:0.50であることを特徴とする請求項1または2記載の電極材料粉体の製造方法。
- 前記反応遅延剤は、カルボキシル基を2つ以上有する有機酸、この有機酸のLi塩、前記Aに対しキレート作用を有するキレート化合物の群から選択された1種または2種以上であることを特徴とする請求項1、2または3記載の電極材料粉体の製造方法。
- 前記溶液、分散液または懸濁液における前記Aの物質量と前記反応遅延剤の物質量との比は、A:反応遅延剤=1.00:0.01〜1.00:0.50であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項記載の電極材料粉体の製造方法。
- 前記溶液、分散液または懸濁液は、電子伝導性物質および/または電子伝導性物質の前駆体を含有してなることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項記載の電極材料粉体の製造方法。
- 前記高温雰囲気の温度は、80℃以上かつ1000℃以下であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項記載の電極材料粉体の製造方法。
- 前記熱処理の温度は、80℃以上かつ1000℃以下であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項記載の電極材料粉体の製造方法。
- 請求項1ないし8のいずれか1項記載の電極材料粉体の製造方法により得られたことを特徴とする電極材料粉体。
- 請求項9記載の電極材料粉体を用いてなることを特徴とする電極。
- 請求項10記載の電極を正電極として備えてなることを特徴とするリチウム電池。
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