JP2009266813A - 非水電解質二次電池用オリビン型複合酸化物粒子粉末及びその製造方法、並びに二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 組成がLixFe1−yMyPO4(0.9<x<1.3、0≦y<0.3、M:Mg、Zr、Mn、Al、Ti、Ce、Cr、Co、Ni、Nb、Mo)であるオリビン型複合酸化物において、硫酸イオン含有量が1000ppm以下であってナトリウムイオン含有量が1000ppm以下であって、粒子内部及び/又は表面の炭素化合物の割合が0.2%以下あり、平均粒子径が0.05μm〜50μmであることを特徴とする非水電解質二次電池用オリビン型複合酸化物粒子粉末である。
【選択図】 なし
Description
また、本発明に係るオリビン型(LiFePO4)複合酸化物粒子粉末は、平均二次粒子径が0.05μm以上50μm以下であり、1t/cm2で加圧時の密度が2.00g/cc以上であるので充填性が向上し、体積あたりの電池容量を向上させることができる。
従って、本発明に係るオリビン型(LiFePO4)複合酸化物粒子粉末は、非水電解質二次電池用の正極活物質として好適である。
xが前記範囲外の場合には、高い電池容量のLiFePO4複合酸化物を得ることができない。より好ましくは0.90≦x≦1.20である。
yが前記範囲外の場合には、初期充放電容量の低下が著しくなる。より好ましくは0≦y≦0.25であり、更により好ましくは0≦y≦0.20である。
より好ましくは0.85〜1.15である。
リン原料であるリン酸塩としては、オルトリン酸、五酸化リン等が使用できる。リチウム塩としては、炭酸リチウム、水酸化リチウム等が使用できる。またリン酸2水素リチウム、リン酸水素アンモニウム等も使用できる。
リン酸およびリチウム塩溶液に共存させることができる還元性を有する化合物としては、ショ糖、クエン酸、アスコルビン酸、デキストリン、でんぷん、マンナン、トレハロース等が挙げられる。
本発明に係るオリビン型(LiFePO4)複合酸化物粒子粉末が前記特性を有するのは、残存硫酸イオン含有量が1000ppm以下かつナトリウムイオン1000ppm以下であり、平均二次粒子径が0.05〜50μm、形状が球状または扁平状であるため、高充填性であり、該オリビン型複合酸化物粒子粉末を正極活物質として用いた二次電池は、高充放電特性及び高いレート特性を有すると本発明者は推定している。
まず、正極活物質としてオリビン型複合酸化物を90重量%、導電材としてアセチレンブラックを3重量%及びグラファイトKS−16を3重量%、バインダーとしてN−メチルピロリドンに溶解したポリフッ化ビニリデン4重量%とを混合した後、Al金属箔に塗布し150℃にて乾燥した。このシートを16mmφに打ち抜いた後、5t/cm2で圧着し、電極厚みを50μmとした物を正極に用いた。負極は16mmφに打ち抜いた金属リチウムとし、電解液は1mol/lのLiPF6を溶解したECとDMCを体積比1:2で混合した溶液を用いてCR2032型コインセルを作成した。
初期充放電特性は、室温で充電は4.5Vまで0.2mA/cm2にて行った後、放電を2.0Vまで0.2mA/cm2にて行い、その時の初期充電容量、初期放電容量及び初期効率を測定した。
水酸化リチウム257gをイオン交換水1862gに溶かし、その溶液をオルトリン酸682gにゆっくり投入し、混合溶液を得た。
一方、BET比表面積が62.8m2/gのゲータイト粒子粉末588gとイオン交換水1372gを、ジルコニアボールを用いて1時間ボールミル処理し、ゲータイト粒子のスラリーを得た。スラリーの一部を抜き取って乾燥して、平均二次粒子径(D50)を測定したところ、平均二次粒子径(D50)は1.38μmであった。
次に、このスラリーを加熱式混合攪拌機に入れ、攪拌しながら水酸化リチウムとオルトリン酸の混合溶液及び67gのショ糖を投入し、容積が20Lとなるようイオン交換水で混合スラリーの量を調整した。その後ゆっくり攪拌しながら95℃に加熱し、混合攪拌機内の温度を95℃に保持させた状態で20時間反応させた。反応後、取り出したスラリーを、プレスフィルターを用いて5倍量の水で水洗を行った後、14時間通風式乾燥機で乾燥処理を行い、反応乾燥粉末1049gを得た。
得られた反応粉末を走査型顕微鏡で観察した結果、平均二次粒子径(DSEM)は10.8μmであり、BET比表面積は0.9m2/gであり、粒子形状は球状形であることがわかった。またX線回折測定の結果、反応粉末は、Tavorite型結晶構造であることがわかった。
得られた焼成物の炭素含有量は0.013wt%、硫酸イオン(SO4)含有量は260ppm、ナトリウム含有量は220ppmであり、走査型顕微鏡で観察した平均二次粒子径(DSEM)は10.50μm、BET比表面積は3.8m2/g、粒子形状は球状形、圧縮密度は2.38g/ccであった。またX線回折測定の結果、オリビン型結晶構造であることがわかった。得られたオリビン型複合酸化物粒子粉末の電子顕微鏡写真を図2に示す。「JEOL HELOS SYSTEM particle size analyzer」で測定した平均二次粒子径D50は10.60μmであり、SEM写真の平均二次粒子径とほぼ一致していることが確認でき、D50/DSEM=1.01であった。
ここで、BET比表面積が熱処理後に増加していることについて、Tavorite型結晶構造であるLiFePO4(OH)はLiFePO4化する際に還元雰囲気中での熱処理によりOHが抜け出てしまい、空孔が形成されてしまう為だと考えている。そのため、Tavorite型結晶構造の化合物の粒子形状を残したまま空孔が存在するオリビン型結晶構造が形成され、平均粒子径が大きくても高い充放電特性を有していると考えている。
95℃の混合スラリーに37gのステアリン酸を加えた以外は実施例1と同様に行った。尚、ゲータイト粒子粉末を、ジルコニアボールを用いて1時間ボールミル処理して、ゲータイト粒子のスラリーを得た。このときのゲータイト粒子粉末の平均二次粒子径(D50)は1.35μmであった。
得られた反応粉末を走査型顕微鏡で観察した結果、反応粉末の平均二次粒子径(DSEM)は3.0μmであり、BET比表面積は1.5m2/gであり、粒子形状は扁平形であることがわかった。またX線回折測定の結果、粉末は、Tavorite型結晶構造であることがわかった。得られたTavorite型結晶構造の化合物のSEM写真を図3に示す。
この混合物を水素ガス雰囲気下、550℃にて3時間焼成し、解砕した。
得られた焼成物の炭素含有量0.046wt%、硫酸イオン(SO4)含有量は230ppm、ナトリウム含有量は200ppmであり、走査型顕微鏡で観察した結果、平均二次粒子径(DSEM)は3.03μm、BET比表面積は5.8m2/g、粒子形状は扁平形(板状)であり、圧縮密度は2.37g/ccであった。またX線回折測定の結果、オリビン型結晶構造であることがわかった。得られたオリビン型複合酸化物粒子粉末の電子顕微鏡写真を図4に示す。「JEOL HELOS SYSTEM particle size analyzer」で測定した平均二次粒子径D50は3.11μmであり、SEM写真の平均二次粒子径とほぼ一致していることが確認でき、D50/DSEM=1.03であった。
水酸化リチウム428gをイオン交換水3102gに溶かし、その溶液をオルトリン酸1137gにゆっくり投入し、混合溶液を得た。
一方、ゲータイト粒子粉末980gとイオン交換水2287gを、ジルコニアボールを用いて1時間ボールミル処理しゲータイト粒子のスラリーを得た。このときのゲータイト粒子粉末の平均二次粒子径D50は1.32μmであった。
次に、このスラリーを加熱式混合攪拌機に入れ、攪拌しながら前記混合溶液と19gのショ糖を投入し、容積が20Lとなるようイオン交換水で混合スラリーの量を調整した。その後、ゆっくり攪拌しながら95℃に加熱し、混合攪拌機内の温度を95℃に保持させた状態で40時間反応させた。反応後、取り出したスラリーを、プレスフィルターを用いて5倍量の水で水洗を行った後、14時間通風式乾燥機で乾燥処理を行い、反応乾燥粉末1748gを得た。
得られた反応粉末を走査型顕微鏡で観察した結果、反応粉末の平均二次粒子径(DSEM)は5.2μmであり、BET比表面積は1.1m2/gであり、粒子形状は球状形であることがわかった。また、X線回折測定の結果、粉末は、Tavorite型結晶構造であることがわかった。
この混合物を水素ガス雰囲気下、550℃にて3時間焼成し、解砕した。得られた焼成物の炭素含有量は0.019wt%、硫酸イオン(SO4)含有量は210ppm、ナトリウム含有量は180ppmであり、走査型顕微鏡で観察した結果、平均二次粒子径(DSEM)は5.06μm、BET比表面積は4.7m2/g、粒子形状は球状形、圧縮密度は2.12g/ccであった。またX線回折測定の結果、オリビン型結晶構造であることがわかった。「JEOL HELOS SYSTEM particle size analyzer」で測定した平均二次粒子径D50は4.95μmであり、SEM写真の平均二次粒子径とほぼ一致していることが確認でき、D50/DSEM=0.98であった。
水酸化リチウム685gをイオン交換水4964gに溶かし、その溶液をオルトリン酸1820gにゆっくり投入し、混合溶液を得た。
一方、ゲータイト粒子粉末1568gとイオン交換水3659gを、ジルコニアボールを用いて1時間ボールミル処理して、ゲータイト粒子のスラリーを得た。このときのゲータイト粒子粉末の平均二次粒子径D50は1.40μmであった。
次に、このスラリーを加熱式混合攪拌機に入れ、攪拌しながら前記混合溶液と93gのアスコルビン酸を投入し、容積が20Lとなるようイオン交換水で混合スラリーの量を調整した。その後ゆっくり攪拌しながら95℃に加熱し、混合攪拌機内の温度を95℃に保持させた状態で5時間反応させた。反応後、取り出したスラリー液を、プレスフィルターを用いて5倍量の水で水洗を行った後、14時間通風式乾燥機で乾燥処理を行い、反応乾燥粉末2796gを得た。
得られた乾燥粉末について走査型顕微鏡で観察した結果、反応粉末の平均二次粒子径(DSEM)は1.8μmであり、BET比表面積は1.6m2/gであり、粒子形状は球状形であることがわかった。またX線回折測定の結果、粉末は、Tavorite型結晶構造であることがわかった。
この混合物を水素ガス雰囲気下、550℃にて3時間焼成し、解砕した。
得られた焼成物の炭素含有量は0.022wt%、硫酸イオン(SO4)含有量は200ppm、ナトリウム含有量は160ppmであり、走査型顕微鏡で観察した結果、平均二次粒子径(DSEM)は1.92μm、BET比表面積は6.0m2/g、粒子形状は球状形、圧縮密度は2.20g/ccであった。またX線回折測定の結果、オリビン型結晶構造であることがわかった。「JEOL HELOS SYSTEM particle size analyzer」で測定した平均二次粒子径D50は1.76μmであり、SEM写真の平均二次粒子径とほぼ一致していることが確認でき、D50/DSEM=0.92であった。
水酸化リチウム428gをイオン交換水3102gに溶かし、その溶液をオルトリン酸1137gにゆっくり投入し、混合溶液を得た。
一方、ゲータイト粒子粉末942gと塩化モリブデン27gとイオン交換水2219gを、ジルコニアボールを用いて1時間ボールミル処理して、ゲータイト粒子のスラリーを得た。このときのゲータイト粒子粉末の平均二次粒子径D50は1.45μmであった。
次に、このスラリーを加熱式混合攪拌機に入れ、攪拌しながら前記混合溶液と37gのショ糖を投入し、容積が20Lとなるようイオン交換水で混合スラリーの量を調整した。その後、ゆっくり攪拌しながら95℃に加熱し、混合攪拌機内の温度を95℃に保持させた状態で20時間反応させた。反応後、取り出したスラリー液を、プレスフィルターを用いて5倍量の水で水洗を行った後、14時間通風式乾燥機で乾燥処理を行い、反応乾燥粉末1748gを得た。
得られた乾燥粉末を走査型顕微鏡で観察した結果、反応粉末の平均二次粒子径(DSEM)は3.1μmであり、BET比表面積は1.3m2/gであり、粒子形状は球状形であることがわかった。またX線回折測定の結果、反応粉末は、Tavorite型結晶構造であることがわかった。
この混合物を水素ガス雰囲気下、550℃にて3時間焼成し、解砕した。
得られた焼成物の炭素含有量は0.013wt%、硫酸イオン(SO4)含有量は220ppm、ナトリウム含有量は220ppmであり、組成がLiFe0.99Mo0.01PO4であり、走査型顕微鏡で観察した結果、平均二次粒子径(DSEM)は5.90μm、BET比表面積は6.6m2/g、粒子形状は球状形、圧縮密度は2.15g/ccであった。またX線回折測定の結果、オリビン型結晶構造であることがわかった。「JEOL HELOS SYSTEM particle size analyzer」で測定した平均二次粒子径D50は5.19μmであり、SEM写真の平均二次粒子径とほぼ一致していることが確認でき、D50/DSEM=0.88であった。
水酸化リチウム214gイオン交換水1551gに溶かし、その溶液をオルトリン酸569gにゆっくり投入し、混合溶液を得た。
次に、平均二次粒子径(D50)が11.42μmのゲータイト粒子粉末476gとイオン交換水1587gを加熱式混合攪拌機に入れ、攪拌しながら前記混合溶液と19gのショ糖を投入し、容積が10Lとなるようイオン交換水で混合スラリーの量を調整した。その後、ゆっくり攪拌しながら95℃に加熱し、混合攪拌機内の温度を95℃に保持させた状態で20時間反応させた。反応後、取り出したスラリー液を、プレスフィルターを用いて5倍量の水で水洗を行った後、14時間通風式乾燥機で乾燥処理を行い、反応乾燥粉末874gを得た。
得られた反応粉末を走査型顕微鏡で観察した結果、反応粉末の平均二次粒子径(DSEM)は1.4μmであり、BET比表面積は8.5m2/gであり、粒子形状は球状形と針状形、不定形の混在であることがわかった。また、X線回折測定の結果、反応粉末は、Tavorite型結晶構造以外にα−FeOOH型とLiH2PO4型の混在であることがわかった。得られたTavorite型結晶構造を主とした化合物のSEM写真を図5に示す。
以降は、実施例1と同様に熱処理を行い、オリビン型複合酸化物を得た。得られた焼成物の炭素含有量は0.032wt%、硫酸イオン(SO4)含有量は280ppm、ナトリウム含有量は250ppmであり、走査型顕微鏡で観察した結果、平均二次粒子径(DSEM)は1.23μm、BET比表面積は6.0m2/g、粒子形状は球状形、圧縮密度は1.96g/ccであった。またX線回折測定の結果、オリビン型結晶を主とする構造であることがわかった。得られたオリビン型複合酸化物の電子顕微鏡写真を図6に示す。「JEOL HELOS SYSTEM particle size analyzer」で測定した平均二次粒子径D50は1.80μmであり、D50/DSEMは1.46であった。
水酸化リチウム257gをイオン交換水1862gに溶かし、その溶液をオルトリン酸682gにゆっくり投入し、混合溶液を得た。
一方、ゲータイト粒子粉末571gとイオン交換水1332gを、ジルコニアボールを用いて1時間ボールミル処理して、ゲータイト粒子のスラリーを得た。このときのゲータイト粒子粉末の平均二次粒子径D50は1.54μmであった。
次に、このスラリーを加熱式混合攪拌機に入れ、攪拌しながら前記混合溶液を投入し、容積が20Lとなるようイオン交換水で混合スラリーの量を調整した。その後、ゆっくり攪拌しながら95℃に加熱し、混合攪拌機内の温度を95℃に保持させた状態で20時間、反応させた。その後、混合攪拌機内の温度を120℃に昇温させ、反応乾燥粉末1510gを得た。得られた反応粉末を走査型顕微鏡で観察した結果、反応粉末の平均二次粒子径(DSEM)は2.2μmであり、BET比表面積は12,1m2/gであり、X線回折測定の結果、粉末は、α−FeOOH型とLiH2PO4型の混在であることがわかった。以降は、実施例1と同様に熱処理を行い、オリビン型複合酸化物を得た。得られた焼成物の炭素含有量は0.015wt%、硫酸イオン(SO4)含有量は1530ppm、ナトリウム含有量は1820ppmであり、走査型顕微鏡で観察した結果、平均二次粒子径(DSEM)は0.38μm、BET比表面積は9.8m2/g、粒子形状は不定形、圧縮密度は1.88g/ccであった。またX線回折測定の結果、オリビン型結晶を主とする構造であることがわかった。「JEOL HELOS SYSTEM particle size analyzer」で測定した平均二次粒子径D50は1.71μmであり、D50/DSEMは4.50であった。
水酸化リチウム428gをイオン交換水3102gに溶かし、その溶液をオルトリン酸1137gにゆっくり投入し、混合溶液を得た。
一方、BET比表面積が19.6m2/gのマグネタイト粒子粉末772g(平均二次粒子径2.0μm)とイオン交換水1801gを、加熱式混合攪拌機に入れ、攪拌しながら前記混合溶液と37gのショ糖を投入し、容積が20Lとなるようイオン交換水で混合スラリーの量を調整した。その後、ゆっくり攪拌しながら95℃に加熱し、混合攪拌機内の温度を95℃に保持させた状態で20時間反応させた。反応後、取り出したスラリー液を、プレスフィルターを用いて5倍量の水で水洗を行った後、14時間通風式乾燥機で乾燥処理を行い、反応乾燥粉末748gを得た。得られた反応粉末を走査型顕微鏡で観察した結果、反応粉末の平均二次粒子径(DSEM)は0.2μmであり、BET比表面積は7.0m2/gであった。X線回折測定の結果、粉末は、Fe3O4型結晶構造であることがわかった。オリビン型複合酸化物ではない為、充放電特性の評価は行わなかった。
なお、比較例のものは、不純物相が存在するせいか、一次粒子の状態から粗大な凝集粒子(2次粒子)まで存在し、分布が広いものであった。また、比較例3については、オリビン型複合酸化物は生成されなかった。
Claims (5)
- 組成がLixFe1−yMyPO4(0.8<x<1.3、0≦y<0.3、M:Mg、Zr、Mn、Al、Ti、Ce、Cr、Co、Ni、Nb、Mo)であるオリビン型複合酸化物粒子粉末において、平均二次粒子径が0.05μm〜50μmであり、圧縮密度が2.00g/cc以上であることを特徴とする非水電解質二次電池用オリビン型複合酸化物粒子粉末。
- 請求項1記載の非水電解質二次電池用オリビン型複合酸化物粒子粉末において、硫酸イオン含有量が1000ppm以下であってナトリウムイオン含有量が1000ppm以下であって、粒子内部及び/又は表面の炭素化合物の割合が0.2%以下ある非水電解質二次電池用オリビン型複合酸化物粒子粉末。
- オリビン型構造を持つLixFe1−yMyPO4(0.8<x<1.3、0≦y<0.3、M:Mg、Zr、Mn、Al、Ti、Ce、Cr、Co、Ni、Nb、Mo)であるオリビン型複合酸化物粒子粉末の製造方法であって、鉄原料、リン原料、リチウム原料及び還元性を有する化合物を水溶液中で反応させた後、水洗・乾燥させ、還元性雰囲気下で300〜750℃で熱処理することを特徴とする製造方法において、鉄原料として平均二次粒子径が2μm以下である鉄系含水酸化物粒子粉末を用いることを特徴とするオリビン型複合酸化物粒子粉末の製造方法。
- 請求項3記載のオリビン型複合酸化物粒子粉末の製造方法であって、中間生成物としてTavorite型結晶構造からなる化合物を経由するオリビン型複合酸化物粒子粉末の製造方法。
- 請求項1又は2に記載のオリビン型複合酸化物粒子粉末を正極活物質またはその一部として用いた非水電解液二次電池。
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