JP2009523309A - リチウムイオン電池用の正極材料 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の目的は、欠陥を有するリチウム遷移元素リン酸塩基の正極材料の新しい一群を、不活性ガス雰囲気を備える炉を用いる必要性なく作製することである。
Fe2O3+Li2CO3+2H3PO4+1/2C→2LiFePO4+3/2CO2+3H2O
放出された副生成ガスは、高温時にも不活性で多孔性の被覆の孔を通して透過することができる。
xLiNiO2+(1−x)LiFePO4→LiNixFe(1-x)P(1-x)O2(2-x)
このケースにおいて、PとOは不足しており、いくつかの空孔が、PとOに添えられた下付き文字によって示すように形成される。または、
x/2LiMnO4+(1−x)LiFePO4→Li(1-x/2)MnxFe(1-x)P(1-x)O2(2-x)
このケースにおいて、Li、PおよびOは不足しており、いくつかの空孔が、先の反応についての説明と同様の方法で形成される。提示した反応は、欠陥構造材料の発生を説明するためだけに用いられる。しかし、本発明において、目標は、化学量論的LiFePO4を合成することではない。従って、層状構造またはスピネル型構造のリチウム遷移金属酸化物は、Li:Fe:P:Cのモル比が1:1:1:2である中間の合成されたままの物質と反応を起こす。
A.不活性雰囲気の不使用。この特徴は、
i.生産のための容易な規模拡大
ii.気密の炉が不必要になるために、炉のコストが大幅に低下。また、不活性ガスのコストも節約できる。
iii.合成手順に要する総コストが低減される。
iv.得られた物質の品質の容易な制御。
B.合成した物質の良好な性能。以下の実施例で詳細に説明するように、優れたサイクル特性(サイクル寿命)とレート能力(>20Cのレート能力)が達成された。
C.性能の均一性。このことは、性能の均一性が電池に使用したときにきわめて重要であるために、物質の合成にはきわめて重要である。欠陥を有する結晶構造物質が作製できるために、とりわけ空気中で熱処理を行ったとき、合成されたままの物質の導電性が向上するだけでなく、合成されたままの物質のバッチ間の均一性が得られる。
不活性雰囲気中で過剰炭素を用いての従来の化学量論的LiFePO4の合成
モル比1:1:2のFe2O3、Li2CO3およびスーパーP(カーボンブラック)に適量の水を添加して互いに混合し、スラリーを調製した。完全に混合した後に、リン酸の適切な化学量を溶液に添加して長時間撹拌を行った。最後に、スラリーを空気中で150℃の下、10時間乾燥させた後に、大きい塊の物質が得られるまで、400℃の下、5時間さらなる加熱処理を行った。次いで、調製したままの物質を破砕し約12時間ボールミル粉砕を行った。
LiNi0.92Mg0.08O2の合成
化学量のLiOH、H2O、Ni(OH)2およびMg(OH)2をブレンダーで混合した。3時間の撹拌後、混合したままの前駆体を空気中で600℃の下、10時間加熱処理を行った。静かに破砕してふるいに掛けた後に、物質を酸素中で700℃の下、24時間再度加熱処理した。
3重量%のLiNi0.92Mg0.08O2を配合して空気中で加熱処理することにより得られる、欠陥を有するリチウム遷移金属リン酸塩の合成
モル比1:1:2のFe2O3、Li2CO3およびスーパーP(カーボンブラック)に適量の水を添加して互いに混合し、スラリーを調製した。完全に混合した後に、リン酸の適切な化学量を混合物に添加して長時間撹拌を行った。最後に、スラリーを空気中で150℃の下、10時間乾燥させた後に、大きい塊の物質が得られるまで、400℃の下、5時間さらなる加熱処理を行った。次いで、調製したままの中間物質を破砕し、実施例2で説明したように調製した3重量%のLiNi0.92Mg0.08O2を添加して約12時間ボールミル粉砕を行った。
本発明の実施例3で合成した物質を用いての、1.5Ahの電池の製造
正極の調製。溶剤としてNMPを用いて、5重量%のスーパーP(500g)と5重量%のPVDF(500g)とを本発明の90重量%の物質(9kg)と完全に混合した。約12時間の撹拌混合の後に、均質なスラリーを得た。スラリーは、塗布前に約20,000cpの粘度を有した。スラリーは、コンマ塗工機を用いてアルミ箔に塗布された。塗布膜は、対流炉の中で140℃の下、約10分間乾燥させた。同様に、アルミ箔の他方の面にも同一の物質が塗布された。乾燥後に、被覆された箔は圧延された。圧縮して得られた膜と箔は、厚さが160±5μmであった。
10重量%および20重量%のLiNi0.92Mg0.08O2を配合して空気中で加熱処理して得られる、欠陥を有するリチウム遷移金属リン酸塩の合成を示す別の実施例
実施例3と同じ処理手順が、実施例3の3重量%に替えて10重量%と20重量%の添加物を含む、欠陥を有するリチウム遷移金属リン酸塩の合成に用いられた。
(異なる量のLiNi0.92Mg0.08O2を配合して得られた)欠陥を有するリチウム遷移金属リン酸塩と、異なる重量%のLiNi0.92Mg0.08O2を単純に混合したLiFePO4との比較研究
図9(a)は、従来技術により合成したLiFePO4(実施例1に示したように調製)、3重量%のLiNi0.92Mg0.08O2(実施例3に示したように調製)を含む欠陥を有するリチウム遷移金属リン酸塩、および10重量%と20重量%のLiNi0.92Mg0.08O2(実施例5に示したように調製)を含む欠陥を有するリチウム遷移金属リン酸塩のXRDパターンの積層図である。
従来技術によるLiFePO4(実施例1で作製した物質)と、3重量%のLiNi0.92Mg0.08O2(実施例3で作製した物質)を配合して合成した欠陥を有するリチウム遷移金属リン酸塩の化学分析
従来技術によるLiFePO4(実施例1で作製した物質)と、3重量%のLiNi0.92Mg0.08O2(実施例3で作製した物質)を配合した欠陥を有するリチウム遷移金属リン酸塩の両方についての化学分析の結果は、表2に示されている。2つの試料についての化学量の計算値は、Feと(Fe+Ni+Mg)の化学量を1にして、各々の原子について重量%をモル%に変換することにより得られる。従来技術によるLiFePO4の場合、化学量の計算比は、Fe:P=1:0.9805である。同様に、3重量%を配合した物質の化学量比は、Li:(Fe+Ni+Mg):P=1:0.9534である。リン不足が、提示した反応時の空孔の形成を裏付ける。なお、酸素含有量は、化学的に分析不可能である。しかし、試料の100重量%について分析するとした場合、3重量%を配合した物資についての化学量は、従来技術による物質より依然小さい。このことは、提示した合成時の酸素空孔の形成と依然矛盾するものではない。
空気中でスピネル型構造Li1.07Mn1.93O4(3重量%)が配合された欠陥を有するリチウム遷移金属リン酸塩の合成
モル比1:1:2のFe2O3、Li2CO3およびスーパーP(カーボンブラック)に適量の水を添加して互いを混合した。完全に混合した後に、化学量のリン酸を溶液に添加して長時間撹拌を行った。最後に、スラリーを空気中で150℃の下、10時間乾燥させた後に、大きい塊の物質が得られるまで、400℃の下、5時間さらなる加熱処理を行った。
Claims (21)
- LiFe(1-x)MxP(1-x)O2(2-x)構造の、実質上欠陥を有する結晶性リチウム遷移金属酸化物を有し、0.01≦x≦0.3であるとともに、Mは、ニッケル、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびアルミニウムからなる遷移金属の群から選ばれる1つまたはそれ以上の元素であることを特徴とするリチウムイオン電池用の一群の正極材料。
- Mは、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよび亜鉛からなる二価陽イオンを有する群から選ばれる1つまたはそれ以上の元素をさらに含むことを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン電池用の一群の正極材料。
- Li(1-x/2)MxFe(1-x)P(1-x)O2(2-x)構造の、実質上欠陥を有する結晶性リチウム遷移金属酸化物を有し、0.01≦x≦0.3であるとともに、Mは、ニッケル、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルトおよびアルミニウムからなる遷移金属の群から選ばれる1つまたはそれ以上の元素であることを特徴とするリチウムイオン電池用の一群の正極材料。
- Mは、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよび亜鉛からなる二価陽イオンを有する群から選ばれる1つまたはそれ以上の元素をさらに含むことを特徴とする請求項3記載のリチウムイオン電池用の一群の正極材料。
- 不完全に反応した層状構造またはスピネル型構造の物質をさらに有することを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン電池用の一群の正極材料。
- 不完全に反応した層状構造またはスピネル型構造の物質をさらに有することを特徴とする請求項2記載のリチウムイオン電池用の一群の正極材料。
- 不完全に反応した層状構造またはスピネル型構造の物質をさらに有することを特徴とする請求項3記載のリチウムイオン電池用の一群の正極材料。
- 不完全に反応した層状構造またはスピネル型構造の物質をさらに有することを特徴とする請求項4記載のリチウムイオン電池用の一群の正極材料。
- リチウムイオン電池用の正極材料を生成する方法において、
a)結晶性リチウム遷移金属酸化物を準備する工程と、
b)モル比で1:1:1:2の開始物質Li:Fe:P:Cを準備する工程と、
c)工程a)およびb)の前記物質の粒子状混合物を生成するために、工程a)およびb)の前記物質を混合して粉砕する工程と、
d)結晶性のLiFe(1-x)MxP(1-x)O2(2-x)またはLi(1-x/2)MxFe(1-x)P(1-x)O2(2-x)が欠陥結晶構造を有するように正極材料を生成するために、工程c)の前記物質を加熱する工程とを有し、
前記加熱は、空気中で容器内において行なわれ、前記物質の空気に接する面は、通気および前記加熱によって生じたガスの逸散を可能にする多孔性である不活性被覆の層によって覆われることを特徴とする方法。 - 工程b)の前記開始材料はFe2O3、Li2CO3、H3PO4およびCを含み、Fe2O3+Li2CO3およびH3PO4は化学量が準備され、さらに、Cは化学量を超える量が準備されることを特徴とする請求項9記載の方法。
- 工程d)において、前記物質は550℃から650℃の間の温度で、8〜12時間の間加熱されることを特徴とする請求項9記載の方法。
- 工程b)は、
前記開始物質のスラリーを生成・混合することと、
前記スラリーを乾燥させることと、
工程c)における粉砕に好適な製品を得るために、前記乾燥させたスラリーを加熱することとをさらに含むことを特徴とする請求項9記載の方法。 - 前記スラリーは、空気中で約150℃の下、約10時間乾燥させられるとともに、前記乾燥させたスラリーは、約400℃で約5時間加熱されることを特徴とする請求項12記載の方法。
- 前記結晶性リチウム遷移金属酸化物は、LiNi(x)Mg(1-x)O2またはLi(1+x)Mn(2-x)O4の一般化学式を有することを特徴とする請求項9記載の方法。
- 前記被覆は、層の厚さが約1〜3インチであるセラミック繊維の被覆であることを特徴とする請求項9記載の方法。
- 工程d)において、前記物質は約600℃で約10時間の間加熱されることを特徴とする請求項9記載の方法。
- 工程c)の前記混合物は、1〜5重量%の結晶性リチウム遷移金属酸化物を含むことを特徴とする請求項9記載の方法。
- 前記結晶性リチウム遷移金属酸化物は、LiNi(0.92)Mg(0.08)O2またはLi(1.07)Mn(1.93)O4であることを特徴とする請求項14記載の方法。
- リチウムイオン電池用の正極材料を生成する方法において、
a)LiNi(0.92)Mg(0.08)O2またはLi(1.07)Mn(1.93)O4の結晶性リチウム遷移金属酸化物を準備する工程と、
b)化学量が1:1:2:2の開始物質Fe2O3、Li2CO3、H3PO4およびCを準備する工程と、
c)前記開始物質のスラリーを生成・混合すること、
前記スラリーを空気中で約150℃の下、約10時間乾燥させること、
および、粉砕に好適な製品を得るために、前記乾燥させたスラリーを約400℃で約5時間加熱する工程と、
d)工程a)の物質と粒子状の工程c)の物質との、3重量%の結晶性リチウム遷移金属酸化物を含む混合物を生成するために、工程a)およびc)の前記物質を混合して粉砕する工程と、
e)結晶性LiFe(1-x)MxP(1-x)O2(2-x)またはLi(1-x/2)MxFe(1-x)P(1-x)O2(2-x)が欠陥結晶構造を有するように正極材料を生成するために工程d)の前記物質を加熱する工程とを有し、前記加熱は、空気中で、容器内において約600℃の温度で約10時間の間行われ、また、物質の空気に接する面は、通気および前記加熱によって生じたガスの逸散を可能にする多孔性である不活性被覆の層によって覆われることを特徴とする方法。 - リチウムイオン電池用の正極を生成する方法において、
a)結晶性リチウム遷移金属酸化物を準備する工程と、
b)化学量が1:1:1:2の開始物質Li:Fe:P:Cを準備する工程と、
c)工程a)およびb)の物質の粒子状混合物を生成するために、工程a)およびb)の前記物質を混合して粉砕する工程と、
d)結晶性LiFe(1-x)MxP(1-x)O2(2-x)またはLi(1-x/2)MxFe(1-x)P(1-x)O2(2-x)が欠陥結晶構造を有するように正極材料を生成するために、工程c)の前記物質を加熱する工程と、
ここで、前記加熱は、空気中で、容器内において行われ、また、物質の空気に接する面は、通気および前記加熱によって生じたガスの逸散を可能にする多孔性である不活性被覆の層によって覆われる、
e)85〜95重量%の工程d)の前記物質、2〜7重量%の炭素、2〜7重量%の溶解性結合剤、および前記溶解性結合剤のための溶剤を含有するスラリーを調製する工程と、
f)前記スラリーを箔の少なくとも一方の側に塗布する工程と、
g)前記スラリー被覆を乾燥させる工程とを有することを特徴とする方法。 - リチウムイオン電池を製造する方法において、
a)複数の正極を請求項20記載の方法によって生成する工程と、
b)複数の陰極を生成する工程と、
c)複数の正極と陰極を代替順序で配置する工程と、
d)前記代替順序の正極と陰極の間に電解液を充填する工程とを有することを特徴とする方法。
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