JP2006261061A - 電極材料及びそれを用いた電極並びにリチウム電池と電極材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 安価で資源的に豊富な元素を用いることで、温度環境に依存し難く、かつ、高い充放電容量、安定した充放電サイクル特性、高い充填性、高い出力などを実現できる電極材料及びそれを用いた電極並びにリチウム電池と電極材料の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の電極材料10は、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子1を複数集合してなる2次粒子2からなり、1次粒子1間に電子導電性物質3を介在したことを特徴とする。
【選択図】 図1
【解決手段】 本発明の電極材料10は、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子1を複数集合してなる2次粒子2からなり、1次粒子1間に電子導電性物質3を介在したことを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
本発明は、電極材料及びそれを用いた電極並びにリチウム電池と電極材料の製造方法に関し、特に、電池用の正極材料、とりわけリチウム電池用の正極材料に用いて好適な電極材料及びそれを用いた電極並びにリチウム電池と電極材料の製造方法に関するものである。
近年、携帯用電子機器やハイブリッド自動車などに用いられる電池として、二次電池の開発が進められている。
二次電池としては、例えば、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池、リチウム電池などが挙げられる。これらの二次電池の中でも、特に、リチウム電池は、小型化、軽量化、高容量化が可能である上に、高出力、高エネルギー密度であることから、大いに期待され、盛んに研究が行われている。
二次電池としては、例えば、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池、リチウム電池などが挙げられる。これらの二次電池の中でも、特に、リチウム電池は、小型化、軽量化、高容量化が可能である上に、高出力、高エネルギー密度であることから、大いに期待され、盛んに研究が行われている。
このリチウム電池は、リチウムイオンを可逆的に挿入・離脱可能な活物質を含有する正極と、負極と、非水系の電解質とを備えてなるものである。
この正極は、正極活物質、導電助剤およびバインダーを含有してなる電極材料を用いてなるものであり、この電極材料を集電体と呼ばれる金属箔の表面に塗布することにより形成されてなるものである。
この正極は、正極活物質、導電助剤およびバインダーを含有してなる電極材料を用いてなるものであり、この電極材料を集電体と呼ばれる金属箔の表面に塗布することにより形成されてなるものである。
正極活物質としては、金属酸化物、金属硫化物、もしくは有機高分子化合物などが用いられる。金属酸化物、金属硫化物としては、例えば、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、セレン化ニオブ(NbSe2)、酸化バナジウム(V2O5)などのリチウム非含有化合物、もしくはLiMO2(M=Co、Ni、Mn、Feなど)、LiMn2O4などのリチウム複合酸化物などが挙げられる。
従来、リチウム電池に用いられる正極活物質としては、高エネルギー密度かつ高出力の電池を構成することが可能であることから、一般的にコバルト酸リチウム(LiCoO2)が用いられている。
従来、リチウム電池に用いられる正極活物質としては、高エネルギー密度かつ高出力の電池を構成することが可能であることから、一般的にコバルト酸リチウム(LiCoO2)が用いられている。
しかしながら、コバルト(Co)は地球上に偏在し、かつ稀少な資源であるので、材料コストが高くなるばかりでなく、安定に供給することが難しいという問題がある。そこで、コバルト(Co)に替わる資源として、地球上に豊富に存在し、しかも安価なニッケル(Ni)やマンガン(Mn)をベースにした正極活物質、例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)などを用いてなる正極活物質が提案され、実用に供されている。
ところが、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)を用いてなる正極活物質は、理論上の容量が大きく、かつ高放電電位を有するという長所があるものの、充放電サイクルが繰り返されるに伴って、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)の結晶構造が崩壊し、その結果、充放電容量の低下や、熱安定性の劣化などの問題点があった。
一方、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)は、正スピネル型構造をなし、かつ空間群Fd3mを有するから、リチウム電極に対して4V級という、コバルト酸リチウム(LiCoO2)と同等の高い電位を有している。しかも、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)は、製造が容易、電池容量が高いなどの優れた特徴があるため、非常に有望な材料として注目されるとともに、実用化されてきた。
このように、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)は優れた材料であるものの、高温保存時の容量低下が大きく、マンガン(Mn)が電解液に溶解してしまい、その結果として、安定性や充放電サイクル特性が十分でないという問題点があった。また、Mn3+のヤーン・テラー歪みにより、充放電サイクル特性が劣化するという問題点があった。
そこで、オリビン構造をなす鉄(Fe)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)などの遷移金属のリン酸化合物を正極活物質として用いたリチウム電池が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、このオリビン構造をなす遷移金属のリン酸化合物として、資源的に豊富かつ安価な金属である鉄(Fe)を含有するLiFePO4で表されるFe含有リン酸化合物を正極活物質として用いたリチウム電池が提案されている(例えば、特許文献2参照)。このLiFePO4は、3.3V程度の電位を有することから、充放電可能な正極材料として用いることが可能である。
また、このオリビン構造をなす遷移金属のリン酸化合物として、資源的に豊富かつ安価な金属である鉄(Fe)を含有するLiFePO4で表されるFe含有リン酸化合物を正極活物質として用いたリチウム電池が提案されている(例えば、特許文献2参照)。このLiFePO4は、3.3V程度の電位を有することから、充放電可能な正極材料として用いることが可能である。
しかしながら、従来のLiFePO4を正極活物質として用いたリチウム電池は、放電時の電流密度が低く、高出力化が困難であった。さらに、低温時の容量低下が大きく、実用化し難いという問題点があった(例えば、特許文献3参照)。
特開平9−134724号公報
特開平9−171827号公報
特開2004−14340号公報
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、安価で資源的に豊富な元素を用いることで、温度環境に依存し難く、かつ、高い充放電容量、安定した充放電サイクル特性、高い充填性、高い出力などを実現できる電極材料及びそれを用いた電極並びにリチウム電池と電極材料の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、リチウム金属リン酸化合物は、コバルト酸リチウム(LiCoO2)などの電極材料に比べて電子導電性が低く、リチウムイオン伝導性が低く、かつ、リチウムイオン伝導性の温度依存性が大きいことが、高出力化が難しく、低温時の容量低下が大きい原因の一つであると考えて、電流を多く流すためには、電極材料をなすリチウム金属リン酸化合物に電子導電性物質をドープするか、または、電極材料をなすリチウム金属リン酸化合物からなる粒子中に電子導電性物質を含有させることにより、リチウム電池の低温時の容量低下を抑えることが出来ることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、電子導電性物質として、C、Au、Pt、Ag、Ti、V、Sn、Nb、Zr、Mo、Pd、Ru、Rh、Irの群から選択された1種または2種以上を、電極材料をなすリチウム金属リン酸化合物に電子導電性物質をドープするか、または、電極材料をなすリチウム金属リン酸化合物からなる粒子中に電子導電性物質を含有させることにより、リチウム電池の温度依存性が小さくなることが分かった。さらに、これらの電子導電性物質は、少量でもリチウム金属リン酸化合物にドープすることができるとともに、ドープ量が増えると結晶から偏析することにより結晶子間に電子導電層を形成することができることが分かった。
すなわち、本発明の電極材料は、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、前記1次粒子間に電子導電性物質を介在したことを特徴とする。
前記電子導電性物質は、C、Au、Pt、Ag、Ti、V、Sn、Nb、Zr、Mo、Pd、Ru、Rh、Irの群から選択された1種または2種以上であることが好ましい。
前記電子導電性物質は、前記2次粒子の全重量に対して0.1重量%以上かつ30重量%以下含有してなることが好ましい。
前記電子導電性物質は、前記2次粒子の全重量に対して0.1重量%以上かつ30重量%以下含有してなることが好ましい。
本発明の電極は、本発明の電極材料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。
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。
本発明の電極材料の製造方法は、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、前記1次粒子間に電子導電性物質を介在した電極材料の製造方法であって、水を主成分とする溶媒に、Li源、A源(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上)、B源(但し、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上)、PO4源、電子導電性物質または該電子導電性物質の前駆体を加えて、溶液または懸濁液とし、次いで、この溶液または懸濁液を噴霧し、加熱することを特徴とする。
前記電子導電性物質は、Cまたはその酸化物、もしくは、Au、Pt、Ag、Ti、V、Sn、Nb、Zr、Mo、Pd、Ru、Rh、Irの群から選択された1種または2種以上の金属、あるいはその金属の酸化物であることを特徴とする。
前記電子導電性物質の前駆体は、有機化合物であることを特徴とする。
前記電子導電性物質の前駆体は、有機化合物であることを特徴とする。
本発明の電極材料によれば、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、前記1次粒子間に電子導電性物質を介在しているので、温度環境に依存し難く、かつ、高い充放電容量、安定した充放電サイクル特性、高い充填性、高出力などを実現することができる。また、用いる元素も安価かつ資源的に豊富なものであるから、安価なリチウム電池を提供することができる。
本発明の電極材料の製造方法によれば、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、前記1次粒子間に電子導電性物質を介在した電極材料の製造方法であって、水を主成分とする溶媒に、Li源、A源(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上)、B源(但し、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上)、PO4源、電子導電性物質または該電子導電性物質の前駆体を加えて、溶液または懸濁液とし、次いで、この溶液または懸濁液を噴霧し、加熱するので、Li源、A源、B源、PO4源、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体などの原料が、溶液または懸濁液に均一に溶解または分散された微小な液滴として噴霧され、加熱されるので、瞬時にこれらの原料の熱分解反応が起こり、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、1次粒子間に電子導電性物質を介在した電極材料が得られる。また、溶液または懸濁液に均一に溶解または分散された電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体は、液滴にも均一に溶解または分散されるので、互いに隣接する1次粒子が、電子導電性物質を介して接合するとともに、それぞれの1次粒子が電子導電性物質により被覆され、2次粒子の外側に表出している1次粒子も電子導電性物質によって被覆される。したがって、得られる電極材料は、電子の供給能が高く、電池の高出力化を可能とする材料である。
本発明の電極材料及びそれを用いた電極並びにリチウム電池と電極材料の製造方法の最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
「電極材料」
図1は、本発明の電極材料の一実施形態を示す概略断面図である。
この実施形態の電極材料10は、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子1,1,・・・を複数集合してなる2次粒子2からなり、1次粒子1,1,・・・間に電子導電性物質3を介在してなるものである。
図1は、本発明の電極材料の一実施形態を示す概略断面図である。
この実施形態の電極材料10は、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子1,1,・・・を複数集合してなる2次粒子2からなり、1次粒子1,1,・・・間に電子導電性物質3を介在してなるものである。
この電極材料10は、電子導電性物質3によって、その表面が被覆された1次粒子1,1,・・・が複数集合して2次粒子2をなしていることが好ましく、2次粒子2をなす1次粒子1,1,・・・のうち、2次粒子2の外側に表出している部分の表面も電子導電性物質3によって被覆されていることが好ましい。また、互いに隣接する1次粒子1,1,・・・が、電子導電性物質3を介して接合していることが好ましい。
ここで、互いに隣接する1次粒子1,1,・・・が電子導電性物質3を介して接合しているとは、複数の1次粒子1が単に凝集した凝集体として2次粒子2をなしているのではなく、電極材料10を用いて電極を形成する際に、2次粒子2が少なくとも1つの粒子として挙動する程度に、互いに隣接する1次粒子1,1,・・・が強固に結びついていることをいう。
電極材料10をなす2次粒子2の形状は、球状、多角形状などをなしているが、最密充填し易く、単位体積当たりの充填量を多くすることができるので、同じ容量でも電池の体積を小さくすることができるなどの理由から、球状であることが好ましい。
2次粒子2の平均粒子径は0.01μm以上かつ200μm以下であることが好ましく、0.1μm以上かつ50μm以下であることがより好ましい。
2次粒子2の平均粒子径が0.01μm未満では、電極材料10を調製する際に、多くの結合剤が必要となり、その結果、電極材料10中の活物質(1次粒子1)の割合が少なくなり、電極材料10の導電性が低下する。一方、平均粒子径が200μmを超えると、電極材料10内に空隙が生じ易くなる。
2次粒子2の平均粒子径が0.01μm未満では、電極材料10を調製する際に、多くの結合剤が必要となり、その結果、電極材料10中の活物質(1次粒子1)の割合が少なくなり、電極材料10の導電性が低下する。一方、平均粒子径が200μmを超えると、電極材料10内に空隙が生じ易くなる。
1次粒子1の平均粒子径は0.001μm以上かつ20μm以下であることが好ましく、0.05μm以上かつ2μm以下であることがより好ましい。
1次粒子1の平均粒子径が0.001μm未満では、充放電の繰り返しによる体積変化によって結晶構造が破壊されるおそれがある。一方、平均粒子径が20μmを超えると、1次粒子1の内部への電子の供給量が不足して、効率が低下する。
1次粒子1の平均粒子径が0.001μm未満では、充放電の繰り返しによる体積変化によって結晶構造が破壊されるおそれがある。一方、平均粒子径が20μmを超えると、1次粒子1の内部への電子の供給量が不足して、効率が低下する。
上記のAとしては、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上の元素を含む化合物が好ましく、特に、Fe、Co、Mn、Niのいずれか1種、またはこれらのうち2種以上の元素を含む化合物が、高い放電電位、豊富な資源量、安全性などから好ましい。
これらの化合物としては、例えば、Fe成分としては、硫酸鉄(II)(FeSO4)、酢酸鉄(II)(Fe(CH3COO)2)、塩化鉄(II)(FeCl2)などを挙げることができる。
これらの化合物としては、例えば、Fe成分としては、硫酸鉄(II)(FeSO4)、酢酸鉄(II)(Fe(CH3COO)2)、塩化鉄(II)(FeCl2)などを挙げることができる。
上記のBとしては、Aとは異なる元素であり、かつ、V、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上の元素を含む化合物が、高い放電電位、豊富な資源量、安全性などから好ましい。
また、電子導電性物質3は、2次粒子2中に均一に存在することが好ましく、また、三次元網目状の薄層状をなして1次粒子1,1,・・・間に介在していることが好ましい。
電子導電性物質層3の厚みは0.001μm以上かつ1μm以下であることが好ましく、0.01μm以上かつ0.2μm以下であることがより好ましい。
電子導電性物質層3の厚みが0.001μm未満では、電子導電性が十分でなく、電子の供給量が不足する。一方、厚みが1μmを超えると、電極材料10中の活物質(1次粒子1)の割合が少なくなり、活物質が有効に利用されずに、電極材料の導電性が低下する。
電子導電性物質層3の厚みは0.001μm以上かつ1μm以下であることが好ましく、0.01μm以上かつ0.2μm以下であることがより好ましい。
電子導電性物質層3の厚みが0.001μm未満では、電子導電性が十分でなく、電子の供給量が不足する。一方、厚みが1μmを超えると、電極材料10中の活物質(1次粒子1)の割合が少なくなり、活物質が有効に利用されずに、電極材料の導電性が低下する。
2次粒子2に含まれる電子導電性物質層3の含有量は、0.1重量%以上かつ30重量%以下であることが好ましく、1重量%以上かつ20重量%以下であることがより好ましい。
電子導電性物質3の含有量が0.1重量%未満では、電子導電性が十分発現しないおそれがある。一方、含有量が30重量%を超えると、目的とする導電性を得るための量以上に電子導電性物質3が含有されるので、2次粒子2中の活物質(1次粒子1)の重量および体積密度が低下するから、目的とする導電性が得られない。
電子導電性物質3の含有量が0.1重量%未満では、電子導電性が十分発現しないおそれがある。一方、含有量が30重量%を超えると、目的とする導電性を得るための量以上に電子導電性物質3が含有されるので、2次粒子2中の活物質(1次粒子1)の重量および体積密度が低下するから、目的とする導電性が得られない。
電子導電性物質3としては、C、Au、Pt、Ag、Ti、V、Sn、Nb、Zr、Mo、Pd、Ru、Rh、Irの群から選択された1種または2種以上の元素を含む化合物であることが好ましく、これらの中でも、化学的安定性、安全性および製造コストなどからCが最も好ましい。C以外では、Au、Pt、Ag、Pd、Ru、Rh、Irなどの貴金属が好ましく、これらの中でもAgがより好ましい。
また、電子導電性物質3は、2次粒子2に含まれる他の成分、すなわち、1次粒子1をなすLixAyBzPO4と化合物を形成していてもよい。
この実施形態の電極材料10によれば、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子1を複数集合してなる2次粒子2からなり、1次粒子1間に電子導電性物質3を介在しているので、温度環境に依存し難く、かつ、高い充放電容量、安定した充放電サイクル特性、高い充填性、高出力などを実現することができ、工業用材料として極めて利用価値の高いものとなる。また、用いる元素も安価かつ資源的に豊富なものであるから、安価なリチウム電池を提供することができる。さらに、電極材料10をリチウム電池の正電極材料として用いれば、得られたリチウム電池は、温度環境に依存し難く、高い充放電容量かつ安定した充放電サイクル特性を示し、高出力のものとなる。
「電極材料の製造方法」
本実施形態の電極材料の製造方法は、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、1次粒子間に電子導電性物質を介在した電極材料の製造方法であって、水を主成分とする溶媒に、Li源、A源(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上)、B源(但し、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上)、PO4源、電子導電性物質またはこの電子導電性物質の前駆体を加えて、溶液または懸濁液とし、次いで、この溶液または懸濁液を噴霧し、加熱することにより、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、1次粒子間に電子導電性物質を介在した電極材料を製造する方法である。
本実施形態の電極材料の製造方法は、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、1次粒子間に電子導電性物質を介在した電極材料の製造方法であって、水を主成分とする溶媒に、Li源、A源(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上)、B源(但し、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上)、PO4源、電子導電性物質またはこの電子導電性物質の前駆体を加えて、溶液または懸濁液とし、次いで、この溶液または懸濁液を噴霧し、加熱することにより、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、1次粒子間に電子導電性物質を介在した電極材料を製造する方法である。
電極材料の原料としては、特に限定されず、通常水熱法で目的とする物質が得られる組み合わせであればよいが、水を主成分とする溶媒中で反応させることを考慮すると、水に可溶な酢酸塩、硫酸塩、塩化物などが好適である。
Li源としては、例えば、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、炭酸リチウム(Li2CO3)、硝酸リチウム(LiNO3)、硫酸リチウム(Li2SO4)、リン酸リチウム(Li3PO4)、水酸化リチウム(LiOH)などのリチウム無機酸塩、酢酸リチウム(LiCH3COO)、蓚酸リチウム((COOLi)2)などのリチウム有機酸塩、あるいは、リチウムエトキシド(LiC2H5O)などのリチウムアルコキシド、(Li4(CH3)4)などの有機リチウム化合物、などのLi含有有機金属化合物が用いられる。
Li源としては、例えば、塩化リチウム(LiCl)、臭化リチウム(LiBr)、炭酸リチウム(Li2CO3)、硝酸リチウム(LiNO3)、硫酸リチウム(Li2SO4)、リン酸リチウム(Li3PO4)、水酸化リチウム(LiOH)などのリチウム無機酸塩、酢酸リチウム(LiCH3COO)、蓚酸リチウム((COOLi)2)などのリチウム有機酸塩、あるいは、リチウムエトキシド(LiC2H5O)などのリチウムアルコキシド、(Li4(CH3)4)などの有機リチウム化合物、などのLi含有有機金属化合物が用いられる。
A源としては、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上の元素を含む化合物が用いられ、特に、Mn、Co、Niのいずれか1種、またはこれらのうち2種以上の元素を含む化合物が、高い放電電位、豊富な資源量、安全性などから好ましい。
これらの化合物としては、例えば、塩化マンガン(II)(MnCl2)、酢酸マンガン(II)(Mn(CH3COO)2)、塩化ニッケル(II)(NiCl2)などの塩が挙げられる。
これらの化合物としては、例えば、塩化マンガン(II)(MnCl2)、酢酸マンガン(II)(Mn(CH3COO)2)、塩化ニッケル(II)(NiCl2)などの塩が挙げられる。
B源としては、A源とは異なる元素であり、かつ、V、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上の元素を含む化合物が用いられる。
これらの化合物としては、上記の元素のうちA源とは異なる元素の金属塩のうち1種または2種以上が用いられ、例えば、硫酸スズ(SnSO4)などの硫酸塩、酢酸スズ(Sn(CH3COO)4)などの酢酸塩、塩化スズ(SnCl2)などの塩化物などが好適に用いられる。
これらの化合物としては、上記の元素のうちA源とは異なる元素の金属塩のうち1種または2種以上が用いられ、例えば、硫酸スズ(SnSO4)などの硫酸塩、酢酸スズ(Sn(CH3COO)4)などの酢酸塩、塩化スズ(SnCl2)などの塩化物などが好適に用いられる。
PO4源としては、例えば、オルトリン酸(H3PO4)、メタリン酸(HPO3)などのリン酸、リン酸水素2アンモニウム((NH4)2HPO4)、リン酸2水素アンモニウム(NH4H2PO4)などのリン酸水素アンモニウム塩が用いられる。これらの中でも、比較的純度が高く、組成制御を行うことが容易な点から、オルトリン酸、リン酸水素2アンモニウム、リン酸2水素アンモニウムが好ましい。特に、電極材料の溶液または懸濁液を、噴霧する前に反応・凝集を起こさない均一な混合原料とするには、各金属成分を塩化物とし、PO4源としてオルトリン酸を用いることが好ましい。
電子導電性物質としては、炭素(C)、もしくは、Au、Pt、Ag、Ti、V、Sn、Nb、Zr、Mo、Pd、Ru、Rh、Irまたはこれらの酸化物の群から選択された1種または2種以上の元素を含む化合物であることが好ましく、これらの中でも、化学的安定性、安全性および製造コストなどから炭素が最も好ましい。炭素以外では、Au、Pt、Ag、Pd、Ru、Rh、Irなどの貴金属が好ましく、これらの中でもAgがより好ましい。
炭素としては、炭素単体が用いられる。
炭素単体としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイトなどを用いることができるが、特に、カーボンブラック、アセチレンブラックが好ましい。
炭素単体の粒子の平均粒子径は、1nm以上かつ1000nm以下であることが好ましく、10nm以上かつ200nm以下であることがより好ましい。
炭素単体としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイトなどを用いることができるが、特に、カーボンブラック、アセチレンブラックが好ましい。
炭素単体の粒子の平均粒子径は、1nm以上かつ1000nm以下であることが好ましく、10nm以上かつ200nm以下であることがより好ましい。
電子導電性物質の前駆体としては、加熱するにより電子導電性物質となるものが用いられ、このような物質の中でも、有機化合物、金属塩、金属のアルコキシド、金属の錯体などが好適に用いられる。
有機化合物としては、加熱時に揮発しないものであれば特に限定されるものではないが、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、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸メチル、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドンなどの高分子化合物、糖アルコール、糖エステル、セルロースなどの糖類、ポリグリセリン、ポリグリセリンエステル、ソルビタンエステル、ポリオキシエチレンソルビタンなどの水溶性有機界面活性剤、リン酸エステル、リン酸エステル塩などが好適に用いられる。
特に、リン酸エステル、リン酸エステル塩などを用いれば、炭素成分とリン成分を同時に配合することができるので、上記のPO4源を配合する必要がなくなる。
有機化合物としては、加熱時に揮発しないものであれば特に限定されるものではないが、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、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸メチル、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドンなどの高分子化合物、糖アルコール、糖エステル、セルロースなどの糖類、ポリグリセリン、ポリグリセリンエステル、ソルビタンエステル、ポリオキシエチレンソルビタンなどの水溶性有機界面活性剤、リン酸エステル、リン酸エステル塩などが好適に用いられる。
特に、リン酸エステル、リン酸エステル塩などを用いれば、炭素成分とリン成分を同時に配合することができるので、上記のPO4源を配合する必要がなくなる。
なお、電子導電性物質として炭素を用いるために、電極材料の溶液または懸濁液に、電子導電性物質の前駆体として有機化合物を配合する場合には、有機化合物として溶媒に可溶なものを使用すると、他の成分だけでなく、炭素も溶液中に分子レベルで均一に分散、混合され、2次粒子を生成する際に、この2次粒子中に、より均一に炭素を存在させることができるので、より良好な三次元網目状の構造をなす炭素を1次粒子間に介在させることができる。
金属塩としては、特に限定されるものではないが、例えば、ヘキサクロロ白金酸、酢酸銀、硫酸銀、塩化チタン、バナジン酸アンモニウム、塩化スズなどが挙げられる。
金属のアルコキシドとしては、特に限定されるものではないが、例えば、チタンテトラエトキシドなどが挙げられる。
金属の錯体としては、特に限定されるものではないが、例えば、酸化バナジウムアセチルアセトナート、モリブデンアセチルアセトナートなどが挙げられる。
また、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体としては、溶媒に溶解するものが好ましい。電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体が溶媒に溶解すれば、これらが分子レベルで均一に混合されるので、組成のズレやバラツキの少ない電極材料が得られる。
また、Li源、A源、B源、PO4源、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体などの原料が溶媒に均一に分散、混合され、良好な噴霧状態が得られるのであれば、各原料は溶媒に溶解しなくてもよいが、分子レベルで均一に混合され、組成のズレやバラツキの少ない電極材料が得られることから、電子導電性物質以外の原料は、溶媒に溶解するものであることが好ましい。
水を主成分とする溶媒としては、純水、水−アルコール溶液、水−ケトン溶液、水−エーテル溶液、のいずれかを用いることができるが、使い易さ、安全性の点から純水が好ましい。
その理由は、純水は他の溶媒と比べて安価であり、臨界点付近にて誘電率の大きな変化を示すことから、温度および圧力を変化させることにより各物質に対する溶解度などの溶媒としての物性を容易に制御することができるからである。
その理由は、純水は他の溶媒と比べて安価であり、臨界点付近にて誘電率の大きな変化を示すことから、温度および圧力を変化させることにより各物質に対する溶解度などの溶媒としての物性を容易に制御することができるからである。
Li源、A源、B源、PO4源、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体を加えた溶液または懸濁液の濃度は、噴霧できれば特に限定されるものではないが、Li源、A源、B源、PO4源、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体が、この溶液または懸濁液の全重量に対して1重量%以上かつ30重量%以下含まれていることが好ましい。
本実施形態の電極材料の製造方法では、水を主成分とする溶媒に、Li源、A源、PO4源、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体などの原料を加え、必要に応じてB源も加え、これらの原料を溶媒中に溶解あるいは分散させて、均一な溶液または懸濁液とする(第一の工程)。
次いで、この溶液または懸濁液を、不活性雰囲気下または還元性雰囲気下にて噴霧し、加熱して反応させる(第二の工程)。
次いで、この溶液または懸濁液を、不活性雰囲気下または還元性雰囲気下にて噴霧し、加熱して反応させる(第二の工程)。
この溶液または懸濁液を噴霧する際の液滴の平均粒子径は、0.05μm以上かつ500μm以下であることが好ましく、0.2μm以上かつ5μm以下であることがより好ましい。
液滴の平均粒子径が0.05μm未満では、得られる粉末の粒径が微小なものになり、回収が困難になるからであり、一方、液滴の平均粒子径が500μmを超えると、得られる粉末の粒径が数100μmと粗大な粒子となってしまうからである。
液滴の平均粒子径が0.05μm未満では、得られる粉末の粒径が微小なものになり、回収が困難になるからであり、一方、液滴の平均粒子径が500μmを超えると、得られる粉末の粒径が数100μmと粗大な粒子となってしまうからである。
また、溶液または懸濁液を噴霧し、加熱する際の雰囲気は、上記のAがFeの場合、N2、Arなどの不活性雰囲気が好ましく、より酸化を抑えたい場合には、N2−1〜5v/v%H2などの還元性ガスを含むような還元性雰囲気が好ましい。
さらに、溶液または懸濁液を噴霧し、加熱する温度(以下、「加熱温度」と略す。)は、使用する原料により異なるが、500〜1000℃であることが好ましく、650〜900℃であることがより好ましい。
加熱温度が500℃未満では、Li源、A源、B源、PO4源、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体などの原料の分解・反応が十分に進行せず、得られた電極材料の結晶性が低くなり、非晶質となることがある。一方、加熱温度が1000℃を超えると、得られた電極材料が融解し、ガラス化したり、Liが蒸発して組成ズレを起こするおそれがある。
加熱温度が500℃未満では、Li源、A源、B源、PO4源、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体などの原料の分解・反応が十分に進行せず、得られた電極材料の結晶性が低くなり、非晶質となることがある。一方、加熱温度が1000℃を超えると、得られた電極材料が融解し、ガラス化したり、Liが蒸発して組成ズレを起こするおそれがある。
次いで、反応が完了した溶液を濾過、乾燥、あるいは遠心分離・乾燥することにより、LixAyBzPO4からなる1次粒子を複数集合してなり、1次粒子間に電子導電性物質を介在した2次粒子を得ることができる(第三の工程)。
本実施形態の電極材料の製造方法によれば、Li源、A源、B源、PO4源、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体などの原料が、溶液または懸濁液に均一に溶解または分散された微小な液滴として噴霧され、加熱されるので、瞬時にこれらの原料の熱分解反応が起こり、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、1次粒子間に電子導電性物質を介在した電極材料が得られる。
また、溶液または懸濁液に均一に溶解または分散された電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体は、液滴にも均一に溶解または分散される。したがって、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体は、2次粒子が生成する際に、2次粒子中に均一に存在したまま取り込まれるので、1次粒子間に電子導電性物質が均一に介在した2次粒子が得られる。また、互いに隣接する1次粒子が、電子導電性物質を介して接合するとともに、それぞれの1次粒子が電子導電性物質により被覆され、2次粒子の外側に表出している1次粒子も電子導電性物質によって被覆される。したがって、得られる電極材料は、電子の供給能が高く、電池の高出力化を可能とする材料である。
また、2次粒子が生成する際に、2次粒子中に取り込まれる電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体は互いに引き合うとともに、電子導電性物質の前駆体は加熱により電子導電性物質に変化するので、その結果として、電子導電性物質は、2次粒子中に三次元網目状の薄層状をなして存在する。
「電極」
本発明の電極は、本発明の電極材料とバインダー樹脂とを混練し、その後、この混練物を圧延して電極材料合剤フィルムとし、次いで、この電極材料合剤フィルムを、例えば、ステンレスメッシュ集電体上に圧着し、この圧着体を、成形機を用いて所定の面積の円板状に打ち抜いたものである。
本発明の電極は、本発明の電極材料とバインダー樹脂とを混練し、その後、この混練物を圧延して電極材料合剤フィルムとし、次いで、この電極材料合剤フィルムを、例えば、ステンレスメッシュ集電体上に圧着し、この圧着体を、成形機を用いて所定の面積の円板状に打ち抜いたものである。
こ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(PTFE)樹脂、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)樹脂などが挙げられる。
この電極材料とバインダー樹脂との混合比は、特に限定されることはないが、例えば、電極材料100重量部に対してバインダー樹脂が3重量部〜20重量部程度である。
この電極材料とバインダー樹脂との混合比は、特に限定されることはないが、例えば、電極材料100重量部に対してバインダー樹脂が3重量部〜20重量部程度である。
「リチウム電池」
本発明のリチウム電池は、本発明の電極を正電極として用いたものであり、負電極、電解質、セパレータおよび電池形状などは特に限定されるものではない。
このリチウム電池は、その正極が、高い充填性、高純度であり、粒径が揃った微細な球状粉体である本発明の電極材料によって形成されたものであるから、温度環境に依存し難く、かつ高い充放電容量、安定した充放電サイクル性能を備えたものであり、高出力化が達成されたものである。
本発明のリチウム電池は、本発明の電極を正電極として用いたものであり、負電極、電解質、セパレータおよび電池形状などは特に限定されるものではない。
このリチウム電池は、その正極が、高い充填性、高純度であり、粒径が揃った微細な球状粉体である本発明の電極材料によって形成されたものであるから、温度環境に依存し難く、かつ高い充放電容量、安定した充放電サイクル性能を備えたものであり、高出力化が達成されたものである。
以下、実施例および比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
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など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よい。
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など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よい。
「実施例1」
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化錫(SnCl4)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.01:1となるように溶解し、濃度0.1mol/kgの水溶液Aを調製した。
次いで、この水溶液A1000gに、アセチレンブラック2.4gを加えて混合し、その後、攪拌機で2時間撹拌し、アセチレンブラックを均一に分散させて分散液とした。
次いで、この分散液を、超音波霧化器を用いて霧状にした後、N2ガスをキャリアガスとして700℃の熱処理炉内に噴霧し、熱分解を行い、熱分解物を得た。
その後、この熱分解物を回収し、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Aを得た。
X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Aの相同定を行った。X線としては、CuKα1線(波長:λ=1.5418Å)を用い、電極材料粉末Aの同定をハナワルト法(Hanawait method)により行い、電極材料粉末Aの相を調べた。その結果、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末AにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化錫(SnCl4)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.01:1となるように溶解し、濃度0.1mol/kgの水溶液Aを調製した。
次いで、この水溶液A1000gに、アセチレンブラック2.4gを加えて混合し、その後、攪拌機で2時間撹拌し、アセチレンブラックを均一に分散させて分散液とした。
次いで、この分散液を、超音波霧化器を用いて霧状にした後、N2ガスをキャリアガスとして700℃の熱処理炉内に噴霧し、熱分解を行い、熱分解物を得た。
その後、この熱分解物を回収し、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Aを得た。
X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Aの相同定を行った。X線としては、CuKα1線(波長:λ=1.5418Å)を用い、電極材料粉末Aの同定をハナワルト法(Hanawait method)により行い、電極材料粉末Aの相を調べた。その結果、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末AにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
「実施例2」
塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化錫(SnCl4)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.02:1にした以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Bを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Bの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末BにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化錫(SnCl4)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.02:1にした以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Bを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Bの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末BにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
「実施例3」
塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化錫(SnCl4)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.02:1にした以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Cを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Cの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末CにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化錫(SnCl4)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.02:1にした以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Cを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Cの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末CにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
「実施例4」
水溶液A1000gに、ショ糖5.7gを加えて混合し、その後、攪拌機で撹拌し均一な水溶液Bを調製した。
次いで、この水溶液Bを、超音波霧化器を用いて霧状にした後、N2ガスをキャリアガスとして700℃の熱処理炉内に噴霧し、熱分解を行い、熱分解物を得た。
その後、この熱分解物を回収し、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Dを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Dの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、ショ糖(C12H22O11)を12Cとみなすと、電極材料粉末DにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
水溶液A1000gに、ショ糖5.7gを加えて混合し、その後、攪拌機で撹拌し均一な水溶液Bを調製した。
次いで、この水溶液Bを、超音波霧化器を用いて霧状にした後、N2ガスをキャリアガスとして700℃の熱処理炉内に噴霧し、熱分解を行い、熱分解物を得た。
その後、この熱分解物を回収し、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Dを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Dの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、ショ糖(C12H22O11)を12Cとみなすと、電極材料粉末DにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
「比較例1」
塩化錫(SnCl4)およびアセチレンブラックを添加しない以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Eを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Eの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末EにおけるLiFePO4とCとの重量比は100:0であった。
塩化錫(SnCl4)およびアセチレンブラックを添加しない以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Eを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Eの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末EにおけるLiFePO4とCとの重量比は100:0であった。
「比較例2」
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化亜鉛(ZnCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.01:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Fを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Fの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末FにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化亜鉛(ZnCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.01:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Fを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Fの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末FにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
「比較例3」
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化亜鉛(ZnCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.02:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Gを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Gの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末GにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化亜鉛(ZnCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.02:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Gを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Gの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末GにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
「比較例4」
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化亜鉛(ZnCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.03:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Hを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Hの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末HにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化亜鉛(ZnCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.03:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Hを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Hの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末HにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
「比較例5」
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化カルシウム(CaCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.01:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Iを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Iの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末IにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化カルシウム(CaCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.01:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Iを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Iの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末IにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
「比較例6」
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化カルシウム(CaCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.02:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Jを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Jの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末JにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化カルシウム(CaCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.02:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Jを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Jの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末JにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
「比較例7」
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化カルシウム(CaCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.03:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Kを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Kの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末KにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
純水に、塩化リチウム(LiCl)、塩化鉄(II)(FeCl2)、塩化カルシウム(CaCl2)、オルトリン酸(H3PO4)を、これらのモル比が1:1:0.03:1となるように溶解した以外は実施例1と同様にして、粒径が0.2μm〜5μmの球状の電極材料粉末Kを得た。
また、実施例1と同様にして、X線回折装置を用いて、得られた電極材料粉末Kの相同定を行ったところ、LiFePO4(トリフィライト)が確認された。また、電極材料粉末KにおけるLiFePO4とCとの重量比は80:12であった。
「リチウム電池の作製」
実施例1の電極材料粉末Aを、瑪瑙乳鉢を用いて粉砕し、粉砕した電極材料粉末A85重量部と、平均一次粒子径が14nm、比表面積が290m2g−1のカーボンブラック(CB)10重量部を、ポリビニリデンフルオライド(PVdF)5重量部とともに混練し、得られた混練物をアルミニウム(Al)箔上に塗布し、真空乾燥した。その後、圧着し、正極(正の電極)とした。
次いで、この正極を真空乾燥した後、乾燥Ar雰囲気下でステンレススチール(SUS)製の2016コイン型セルを用いて、実施例1のリチウム電池を作製した。なお、負極には金属Liを、セパレータには多孔質ボリプロピレン膜を、電解質溶液には1MのLiPF6溶液を、それぞれ用いた。このLiPF6溶液の溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの体積比が1:1のものを用いた。
実施例1の電極材料粉末Aを、瑪瑙乳鉢を用いて粉砕し、粉砕した電極材料粉末A85重量部と、平均一次粒子径が14nm、比表面積が290m2g−1のカーボンブラック(CB)10重量部を、ポリビニリデンフルオライド(PVdF)5重量部とともに混練し、得られた混練物をアルミニウム(Al)箔上に塗布し、真空乾燥した。その後、圧着し、正極(正の電極)とした。
次いで、この正極を真空乾燥した後、乾燥Ar雰囲気下でステンレススチール(SUS)製の2016コイン型セルを用いて、実施例1のリチウム電池を作製した。なお、負極には金属Liを、セパレータには多孔質ボリプロピレン膜を、電解質溶液には1MのLiPF6溶液を、それぞれ用いた。このLiPF6溶液の溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの体積比が1:1のものを用いた。
また、実施例1の電極材料粉末Aを、実施例2〜4の電極材料粉末B〜D、比較例1〜7の電極材料粉末E〜Kにそれぞれ替えた以外は、実施例1のリチウム電池と同様にして、実施例2〜4、比較例1〜7のそれぞれのリチウム電池を作製した。
「電池充放電試験」
実施例1〜4および比較例1〜7各々のリチウム電池の充放電試験を、カットオフ電圧2〜4.5V、電流密度0.1mAcm−2、充放電レート1Cの定電流(1時間充電の後、1時間放電)下にて実施した。なお、環境温度は、0℃、室温(25℃)の2点とした。
0℃、室温(25℃)のそれぞれにおける放電容量を表1に示す。
また、実施例1、4および比較例1各々のリチウム電池の充放電試験の結果を図2〜4に示す。
実施例1〜4および比較例1〜7各々のリチウム電池の充放電試験を、カットオフ電圧2〜4.5V、電流密度0.1mAcm−2、充放電レート1Cの定電流(1時間充電の後、1時間放電)下にて実施した。なお、環境温度は、0℃、室温(25℃)の2点とした。
0℃、室温(25℃)のそれぞれにおける放電容量を表1に示す。
また、実施例1、4および比較例1各々のリチウム電池の充放電試験の結果を図2〜4に示す。
以上の結果によれば、実施例1〜4のリチウム電池では、電流密度0.1mAcm−2にて、25℃で約157mAhg−1、0℃で約150mAhg−1の高い放電容量と、優れた低温特性を示すことが確認された。
一方、比較例1のリチウム電池では、電流密度0.1mAcm−2にて、25℃で約154mAhg−1、0℃で約109mAhg−1となり、低温特性に劣っていることが確認された。
また、比較例2〜4のリチウム電池では、電流密度0.1mAcm−2にて、25℃で約約150〜約152mAhg−1、0℃で約102〜約103mAhg−1となり、低温特性に劣っていることが確認された。
また、比較例5〜7のリチウム電池では、電流密度0.1mAcm−2にて、25℃で約約145mAhg−1、0℃で約80mAhg−1となり、低温における放電容量が大幅に低下することが確認された。
一方、比較例1のリチウム電池では、電流密度0.1mAcm−2にて、25℃で約154mAhg−1、0℃で約109mAhg−1となり、低温特性に劣っていることが確認された。
また、比較例2〜4のリチウム電池では、電流密度0.1mAcm−2にて、25℃で約約150〜約152mAhg−1、0℃で約102〜約103mAhg−1となり、低温特性に劣っていることが確認された。
また、比較例5〜7のリチウム電池では、電流密度0.1mAcm−2にて、25℃で約約145mAhg−1、0℃で約80mAhg−1となり、低温における放電容量が大幅に低下することが確認された。
本発明の電極材料は、LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、前記1次粒子間に電子導電性物質を介在したものとしたので、高速の充放電かつ低温における充放電容量の低下の小さな電極材料が得られるから、従来の小型二次電池の分野はもちろんのこと、電気自動車、ハイブリッド自動車などの移動体用、および、発電設備の負荷平準化用の大型二次電池の分野に適用することができる。
1 1次粒子
2 2次粒子
3 電子導電性物質
10 電極材料
2 2次粒子
3 電子導電性物質
10 電極材料
Claims (8)
- LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、前記1次粒子間に電子導電性物質を介在したことを特徴とする電極材料。
- 前記電子導電性物質は、C、Au、Pt、Ag、Ti、V、Sn、Nb、Zr、Mo、Pd、Ru、Rh、Ir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記載の電極材料。
- 前記電子導電性物質は、前記2次粒子の全重量に対して0.1重量%以上かつ30重量%以下含有してなることを特徴とする請求項1または2記載の電極材料。
- 請求項1ないし3のいずれか1項記載の電極材料を用いてなることを特徴とする電極。
- 請求項4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。
- LixAyBzPO4(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)からなる1次粒子を複数集合してなる2次粒子からなり、前記1次粒子間に電子導電性物質を介在した電極材料の製造方法であって、
水を主成分とする溶媒に、Li源、A源(但し、AはCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cuの群から選択された1種または2種以上)、B源(但し、BはV、Sn、Sb、Nb、Zr、Mo、Ruから選択された1種または2種以上)、PO4源、電子導電性物質または該電子導電性物質の前駆体を加えて、溶液または懸濁液とし、
次いで、この溶液または懸濁液を噴霧し、加熱することを特徴とする電極材料の製造方法。 - 前記電子導電性物質は、Cまたはその酸化物、もしくは、Au、Pt、Ag、Ti、V、Sn、Nb、Zr、Mo、Pd、Ru、Rh、Irの群から選択された1種または2種以上の金属、あるいはその金属の酸化物であることを特徴とする請求項6記載の電極材料の製造方法。
- 前記電子導電性物質の前駆体は、有機化合物であることを特徴とする請求項6または7記載の電極材料の製造方法。
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