JP2007119304A - LiMnPO4の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、より低い温度で、結晶性に優れ、純度の高いLiMnPOを得ることを主目的とするものである。
【解決手段】本発明は、Mn源が溶解したMn源溶液に、沈殿剤を添加することにより、水酸化マンガン(Mn(OH))の沈殿物を得る沈殿工程と、上記沈殿物を還元性溶媒に分散させ、還元分散溶液を得る還元工程と、上記還元分散溶液にLi源溶液およびP源溶液を添加し、添加分散溶液を得る添加工程と、上記添加分散溶液のpHを3〜6の範囲内に調製し、pH調製分散溶液を得るpH調製工程と、上記pH調製分散液を加熱加圧条件で反応させる合成工程と、を有することを特徴とするLiMnPOの製造方法を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、結晶性が良く、純度の高いLiMnPOを、従来の方法に比べて低温で得ることができるLiMnPOの製造方法に関するものである。
パソコン、ビデオカメラ、携帯電話等の小型化に伴い、情報関連機器、通信機器の分野では、これらの機器に用いる電源として、高エネルギー密度であるという理由から、リチウム二次電池が実用化され広く普及するに至っている。また一方で、自動車の分野においても、環境問題、資源問題から電気自動車の開発が急がれており、この電気自動車用の電源としても、リチウム二次電池が検討されている。
リチウム二次電池には、4V級の作動電圧が得られるものとして、層状岩塩構造のLiCoO2、LiNiO2、スピネル構造のLiMn24及びそれらの一部を他元素で置換したリチウム遷移金属複合酸化物等の正極活物質がよく知られている。さらに、近年においては、オリビン構造を有する化合物、例えば、一般式LiMPO(M=Mn、Fe、Co、Cu、V)で表される化合物が、理論容量が大きい等の理由から、有望な材料として期待されている。
例えば、特許文献1においては、制御された寸法および形態を有するLiMPOを得ることを目的とするLiMPO粉末の製造方法が開示されている。また、特許文献2においては、金属塩化物等の安価な原料を用いたLiMPOの製造方法が開示されている。さらに、特許文献3においては、固体粉末状の原料物質を混合し、焼成を行い、焼成する際に還元剤を添加することを特徴とする正極活物質の製造方法が開示されている。また、特許文献4においては、オリビン構造を有し、一般式LiM1−xMePOで表されることを特徴とするリチウム電池用活物質が開示されている。
しかしながら、上記特許文献1〜4のいずれにおいても、LiMPO等を得る方法として、800℃程度の加熱を要する焼成法を用いたものであった。エネルギー削減等の観点から、従来の焼成法より低い温度で、結晶性が良く、純度の高いLiMnPOを得る方法が望まれていた。
特表2004−52909公報 特開2004−303496公報 WO 00/600679 特開平11−25983公報
本発明は、従来の焼成法より低い温度で、結晶性に優れ、純度の高いLiMnPOを得ることを主目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明においては、Mn源が溶解したMn源溶液に、沈殿剤を添加することにより、水酸化マンガン(Mn(OH))の沈殿物を得る沈殿工程と、上記沈殿物を還元性溶媒に分散させ、還元分散溶液を得る還元工程と、上記還元分散溶液にLi源溶液およびP源溶液を添加し、添加分散溶液を得る添加工程と、上記添加分散溶液のpHを3〜6の範囲内に調製し、pH調製分散溶液を得るpH調製工程と、上記pH調製分散液を加熱加圧条件で反応させる合成工程と、を有することを特徴とするLiMnPOの製造方法を提供する。
本発明によれば、上記工程を経ることにより、結晶性が良く、純度の高いLiMnPOを得ることができる。また、上記合成工程において、例えばオートクレーブ等を用いて水熱合成を行うことによって、従来の焼成法等に比べて低い温度でLiMnPOを得ることができ、エネルギー削減の観点から好ましい。
また、上記発明においては、上記還元性溶媒が、過酸化水素水、あるいは第1級アルコールまたは第2級アルコールであることが好ましい。結晶性が良く、純度の高いLiMnPOを得ることができるからである。
また、本発明においては、上記LiMnPOの製造方法により得られるLiMnPOと、導電化剤とを混合することを特徴とする正極活物質の製造方法を提供する。
本発明によれば、LiMnPOに導電化剤を混合することによって、導電性に優れた正極活物質を得ることができるという利点を有する。
本発明においては、従来の焼成法よりも低い温度で、結晶性が良く、純度の高いLiMnPOを得ることができるという効果を奏する。
以下、本発明のLiMnPOの製造方法および正極活物質の製造方法について詳細に説明する。
A.LiMnPOの製造方法
まず、本発明のLiMnPOの製造方法について説明する。本発明のLiMnPOの製造方法は、図1に示すように、沈殿工程、還元工程、添加工程、pH調製工程および合成工程を行うことにより、LiMnPOを得る方法である。
以下、本発明における各工程について、詳細に説明する。
1.沈殿工程
まず、本発明における沈殿工程について説明する。本発明における沈殿工程は、Mn源が溶解したMn源溶液に、沈殿剤を添加することにより、水酸化マンガン(Mn(OH))を得る工程である。
本工程に用いられるMn源溶液は、Mn源を溶媒に溶解してなるものである。
上記Mn源としては、Mnを含み、後述する沈殿剤と反応し水酸化マンガンを得ることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、酢酸マンガン四水和物(CMn・4HO)、塩化マンガン四水和物(MnCl・4HO)等を挙げることができる。さらに、本発明においては、上記Mn源として、Mn(OOCR)(なお、R=−CHOH、−CHCHOHを表す。)で表される化合物等を用いることができる。
また、Mn源溶液に用いられる溶媒としては、上記Mn源を溶解することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、水およびアルコール等を挙げることができ、中でも水が好ましい。また、上記Mn源溶液の濃度としては、用いるMn源や溶媒の種類によって異なるものであるが、例えば0.1〜0.4mol/lの範囲内、中でも0.1〜0.3mol/lの範囲内であることが好ましい。濃度が高すぎる場合、濃度が低すぎる場合のいずれの場合であっても、所望の水酸化マンガンを得ることができない可能性があるからである。
また、上記沈殿剤としては、上記Mn源と反応し水酸化マンガンを得ることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)等を挙げることができる。また、上記沈殿剤は、上記Mn源溶液に直接添加しても良く、上記沈殿剤を水等の溶媒に溶解させた溶液を上記Mn源溶液に添加しても良い。
本工程においては、上記Mn源溶液に上記沈殿剤を添加することにより、水酸化マンガン(Mn(OH))の沈殿物が得られる。この沈殿物は、その後、ろ過され、水等により洗浄されたうえで、還元工程に用いられる。なお、本工程により得られる水酸化マンガンの沈殿物は、スラリー状である場合がある。
2.還元工程
次に、本発明における還元工程について説明する。本発明における還元工程は、上記沈殿工程により得られる水酸化マンガン(Mn(OH))の沈殿物を、還元性溶媒に分散させ、還元分散溶液を得る工程である。本工程により、水酸化マンガン(Mn(OH))は、2価の水酸化マンガン(Mn(OH))となると考えられる。
本工程に用いられる還元性溶媒は、還元性を有し、水酸化マンガン(Mn(OH))を2価の水酸化マンガン(Mn(OH))に変換することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、過酸化水素水、第1級アルコール、第2級アルコール、ハイドロキノン、糖等を挙げることができ、中でも過酸化水素水、第1級アルコール、第2級アルコールが好ましい。上記第1級アルコールとしては、例えば1−ブタノール、1−プロパノール等を挙げることができる。また、上記第2級アルコールとしては、例えば2−プロパノール等を挙げることができる。
また、特に、還元性溶媒として過酸化水素等の反応性の高い物質を用いる場合は、上記水酸化マンガン(Mn(OH))の沈殿物を予め水に溶解させ、その分散液に対して還元性溶媒を加えることが好ましい。さらに、このような場合は、分散液に対して、徐々に還元性溶媒を加えることが好ましい。
3.添加工程
次に、本発明における添加工程について説明する。本発明における添加工程は、上記還元工程により得られる還元分散溶液に、Li源溶液およびP(りん)源溶液を添加し、添加分散溶液を得る工程である。本工程により、LiMnPOを構成する全ての材料が、分散溶液中に含まれることとなる。
本工程に用いられるLi源溶液は、Li源を溶媒に溶解してなるものである。
上記Li源としては、Liを含み、後述する合成工程を経てLiMnPOを得ることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)等を挙げることができる。
また、Li源溶液に用いられる溶媒としては、上記Li源を溶解することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば水およびアルコール等を挙げることができ、中でも水が好ましい。
一方、本工程に用いられるP(りん)源溶液は、P(りん)源を溶媒に溶解してなるものである。
上記P源としては、Pを含み、後述する合成工程を経てLiMnPOを得ることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、りん酸二水素アンモニウム(HNOP)、五酸化二リン(P)等を挙げることができる。
また、P源溶液に用いられる溶媒としては、上記P源を溶解することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば水およびアルコール等を挙げることができ、中でも水が好ましい。
また、本発明に用いられる上記Mn源、上記Li源および上記P源の割合としては、所望のLiMnPOを得ることができれば特に限定されるものではないが、モル比でMn源:Li源:P源=1:1〜1.5:1であることが好ましい。すなわち、Liは等モルかまたは少し過剰な範囲であることが好ましい。
4.pH調製工程
次に、本工程におけるpH調整工程について説明する。本工程におけるpH調製工程は、上記添加工程により得られる添加分散溶液のpHを3〜6の範囲内に調製し、pH調製分散溶液を得る工程である。なお、上記添加工程により得られる添加分散溶媒のpHは、通常、7以上であることから、本工程においては、酸を加えることにより、pHの調製を行う。
pH調製に用いられる酸としては、添加分散溶液のpHを上記範囲内に調製することが出来るものであれば特に限定されるものではないが、例えば、酢酸、塩酸、ギ酸、硫酸、りん酸等を挙げることができる。
5.合成工程
次に、本工程における合成工程について説明する。本工程における合成工程は、上記pH調整工程により得られるpH調整分散溶液を加熱加圧条件で反応させる工程である。本工程により、LiMnPOの沈殿物を得ることができる。
本工程における加熱温度としては、pH調整分散溶液の組成、すなわちMn源、Li源、P源および溶媒の種類等により変化し、さらに、後述する加圧圧力によっても変化するものであるが、例えば120〜250℃の範囲内、中でも150〜200℃の範囲内であることが好ましい。
また、本工程における加圧圧力としては、pH調整分散溶液の組成等により変化し、さらに、上記加熱温度によっても変化するものであるが、5〜10気圧の範囲内、中でも6〜9気圧の範囲内であることが好ましい。
また、本工程を行う方法としては、上記の加熱加圧条件を実現でき、所望のLiMnPOを得ることができれば特に限定されるものではないが、具体的には、オートクレーブを用いた水熱合成法等を挙げることができる。また、上記オートクレーブとしては、特に限定されるものではなく、市販のオートクレーブを用いることができる。
6.その他
上記合成工程により、LiMnPOの沈殿物が得られるが、その後、ろ過され、洗浄、乾燥を経て、LiMnPO粉末となる。また、本発明により得られたLiMnPOの結晶性は、X線回折パターンを測定することにより判断することができる。なお、本発明により得られるLiMnPOの用途としては、特に限定されるものではないが、例えば、リチウム二次電池の正極活物質等として用いることができる。
B.正極活物質の製造方法
次に、本発明の正極活物質の製造方法について説明する。本発明の正極活物質の製造方法は、上記LiMnPOの製造方法により得られるLiMnPOと、導電化剤とを混合することを特徴とするものである。
本発明に用いられるLiMnPOは、上記「A.LiMnPOの製造方法」に記載した方法により得られるものであるので、ここでの説明は省略する。
また、本発明に用いられる導電化剤は、導電性を向上させることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、グラファイト、あるいはアセチレンブラック等のカーボンブラックを挙げることができる。
また、上記導電化剤は、LiMnPO100重量部に対して、5〜25重量部の範囲内、中でも10〜20重量部の範囲内で添加されることが好ましい。導電化剤の量が少なすぎると、充分な導電性の向上が見られない可能性があり、導電化剤の量が多すぎると、相対的にLiMnPOの量が少なくなり正極活物質としての性能が低下する可能性があるからである。
本発明において、上記LiMnPOと上記導電化剤とを混合する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、物理混合であることが好ましく、中でも機械混合であることが好ましい。具体的には、ボールミル粉砕法等を挙げることができる。また、本発明により得られる正極活物質の用途としては、特に限定されるものではないが、例えば、リチウム二次電池等に用いることができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
[実施例1]
酢酸マンガン四水和物(CMn・(4HO))0.02molを脱イオン水100mLに溶解させMn源溶液を得た。次に、水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)0.04molを脱イオン水100mLに溶解させ沈殿剤とした。これらの溶液を混合することによって、水酸化マンガン(Mn(OH))のスラリー状の沈殿物を得た。
次に、得られた沈殿物をろ過し、脱イオン水で洗浄後、その沈殿物を1Lビーカーに移し、脱イオン水100mLを加え、その後、15%過酸化水素水10mLを徐々に滴下し、3分間撹拌を行い、還元分散溶液を得た。
次に、りん酸二水素アンモニウム(HNOP)0.02molを脱イオン水100mLに溶解させP源溶液を得た。また、水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)0.03molを脱イオン水100mLに溶解させLi源溶液を得た。これらの溶液を、上記還元分散溶液に同時に添加し5分間撹拌を行い、添加分散溶液を得た。添加分散溶液のpHは9.5であった。
次に、上記添加分散溶液に、15%過酸化水素水10mLおよび酢酸2mLを徐々に滴下し、pH調整分散溶液を得た。pH調整分散溶液のpHは5.3であった。
次に、上記pH調整分散溶液を、テフロン(登録商標)加工されたオートクレーブに移し、150℃〜200℃の温度範囲で2日間反応を行った。その後、分散液を冷却しろ過を行い、得られた淡褐色の沈殿物を脱イオン水で洗浄し、空気中60℃で一晩乾燥させ、LiMnPOを得た。
次に、得られたLiMnPOのX線回折パターンを測定した。測定条件は以下の通りである。
装置:Siemens−Lristalloflex 805
X線:CuKα、40kV、35mA
走査範囲:2θ=0°〜70°
上記測定により得られたX線回折パターンを図2に示す。また、得られたLiMnPOの単位格子パラメータは、a=10.4539(6)Å、b=6.1026(4)Å、c=4.7469(3)Åであった。これらの結果から、結晶性が良いLiMnPOであることが確認された。
また、得られたLiMnPOを透過型電子顕微鏡(TEM)で観察した。そのTEM写真を図3に示す。
[実施例2]
実施例1で得られたLiMnPOを酸化ジルコニウム製の250mLコンテナに移し、直径10mmのジルコニウムボール20個を用いて、ボールミル粉砕を1時間行った。その後、カーボンブラックを添加し、さらに3時間ボールミル粉砕を行い、LiMnPO/Cの組成を有する正極活物質を得た。
得られた正極活物質のTEM写真を図4に示す。
[実施例3]
実施例2で得られた正極活物質と、カーボンブラック(C55、Shawiniga社製)と、バインダー(ポリビニリデン ジフルオリド、PVDF)と、を質量比90:5:5で用意し、N−メチル−2−ピロリジノンに溶解させ、正極用組成物を得た。この正極用組成物を、集電体であるアルミ箔に塗布し、その後、空気中100℃で1時間乾燥し、さらにホットプレートを用いて120℃で30分加熱することにより、N−メチル−2−ピロリジノンを蒸発させた。さらに、減圧下160℃で一晩乾燥させることによって、正極を得た。
[実施例4]
実施例3で得られた正極を用い、負極としてLi金属を用い、セパレータとしてMicroporous Celgard membrane(Celgard社製)を用い、リチウム二次電池を作製した。なお、電解質としては、エチレンカーボネート(EC)およびジメチルカーボネート(DMC)を1:1で混合した混合溶液に、1MのLiPFを添加したものを用いた。
このリチウム二次電池に対して、電流密度0.03mA/cmで終端電圧4.7Vとなるまで充電を行った。その後、電流密度0.03mA/cmで終端電圧2.3Vとなるまで放電を行った。この充放電を3回繰り返した。その結果を、図5に示す。
[実施例5]
酢酸マンガン四水和物(CMn・(4HO))0.02molを脱イオン水100mLに溶解させMn源溶液を得た。次に、水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)0.04molを脱イオン水100mLに溶解させ沈殿剤とした。これらの溶液を混合することによって、水酸化マンガン(Mn(OH))のスラリー状の沈殿物を得た。
次に、得られた沈殿物をろ過し、脱イオン水で洗浄後、その沈殿物を1Lビーカーに移し、1−ブタノール100mLを加え、3分間撹拌を行い、還元分散溶液を得た。
次に、りん酸二水素アンモニウム(HNOP)0.02molを脱イオン水100mLに溶解させP源溶液を得た。また、水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)0.03molを脱イオン水100mLに溶解させLi源溶液を得た。これらの溶液を、上記還元分散溶液に同時に添加し5分間撹拌を行い、添加分散溶液を得た。添加分散溶液のpHは9.5であった。
次に、上記添加分散溶液に、酢酸2mLを徐々に滴下し、pH調整分散溶液を得た。pH調整分散溶液のpHは5.2であった。
次に、上記pH調整分散溶液を、テフロン(登録商標)加工されたオートクレーブに移し、170℃で2日間反応を行った。その後、分散液を冷却しろ過を行い、得られた淡褐色の沈殿物を脱イオン水で洗浄し、空気中60℃で一晩乾燥させ、LiMnPOを得た。次に、得られたLiMnPOのX線回折パターンを測定した。測定条件は実施例1と同様である。上記測定により得られたX線回折パターンを図6に示す。また、得られたLiMnPOの単位格子パラメータは、実施例1と同様であった。これらの結果から、結晶性が良いLiMnPOであることが確認された。
[実施例6]
還元分散溶液を得る際に、1−ブタノールを100mL加えるところを、1−プロパノールを100mLとしたこと以外は、実施例5と同様にしてLiMnPOを得た。なお、添加分散溶液のpHは9.5であり、pH調整分散溶液のpHは5.0であった。
次に、得られたLiMnPOのX線回折パターンを測定した。測定条件は実施例1と同様である。上記測定により得られたX線回折パターンを図7に示す。また、得られたLiMnPOの単位格子パラメータは、実施例1と同様であった。これらの結果から、結晶性が良いLiMnPOであることが確認された。
[実施例7]
還元分散溶液を得る際に、1−ブタノールを100mL加えるところを、2−プロパノールを50mLとしたこと以外は、実施例5と同様にしてLiMnPOを得た。なお、添加分散溶液のpHは9.5であり、pH調整分散溶液のpHは5.3であった。
次に、得られたLiMnPOのX線回折パターンを測定した。測定条件は実施例1と同様である。上記測定により得られたX線回折パターンを図8に示す。また、得られたLiMnPOの単位格子パラメータは、実施例1と同様であった。これらの結果から、結晶性が良いLiMnPOであることが確認された。
本発明のLiMnPOの製造方法を示す工程図である。 実施例1で得られたLiMnPOのX線回折パターンである。 実施例1で得られたLiMnPOのTEM写真である。 実施例2で得られた正極活物質のTEM写真である。 実施例4で得られたリチウム二次電池の充放電特性を示す特性図である。 実施例5で得られたLiMnPOのX線回折パターンである。 実施例6で得られたLiMnPOのX線回折パターンである。 実施例7で得られたLiMnPOのX線回折パターンである。

Claims (4)

  1. Mn源が溶解したMn源溶液に、沈殿剤を添加することにより、水酸化マンガン(Mn(OH))の沈殿物を得る沈殿工程と、前記沈殿物を還元性溶媒に分散させ、還元分散溶液を得る還元工程と、前記還元分散溶液にLi源溶液およびP源溶液を添加し、添加分散溶液を得る添加工程と、前記添加分散溶液のpHを3〜6の範囲内に調製し、pH調製分散溶液を得るpH調製工程と、前記pH調製分散液を加熱加圧条件で反応させる合成工程と、を有することを特徴とするLiMnPOの製造方法。
  2. 前記還元性溶媒が、過酸化水素水であることを特徴とする請求項1に記載のLiMnPOの製造方法。
  3. 前記還元性溶媒が、第1級アルコールまたは第2級アルコールであることを特徴とする請求項1に記載のLiMnPOの製造方法。
  4. 請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載のLiMnPOの製造方法により得られるLiMnPOと、導電化剤とを混合することを特徴とする正極活物質の製造方法。

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