JP2011086524A - Method of manufacturing positive electrode active material of lithium ion secondary battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a new positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, capable of produce the positive electrode active material of the lithium ion secondary battery for the lithium ion secondary battery having high energy density by shortening a manufacturing time. <P>SOLUTION: In the method of manufacturing the positive electrode active material of the lithium ion secondary battery on the basis of iron phosphate lithium containing carbon, the manufacturing method includes an emulsion production step of producing emulsion including a lithium compound, an iron compound, a phosphorus compound, a carbon compound; a heating step of spraying the emulsion produced in the emulsion production step and heating mist droplet of the sprayed emulsion at first temperature and producing an iron phosphate lithium precursor containing carbon with thermal decomposition; and a calcination step of calcining the iron phosphate lithium precursor produced in the heating step at second temperature and producing iron phosphate lithium containing carbon. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、炭素を含有したリン酸鉄リチウムによるリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery using carbon-containing lithium iron phosphate.

近年、電気自動車、ハイブリッド自動車用および太陽光発電、風力発電の夜間蓄電あるいは負荷平準化、電動工具用などの電源として出力密度が高く、かつ、サイクル特性のよい非水二次電池が注目されている。   In recent years, non-aqueous secondary batteries with high output density and good cycle characteristics have attracted attention as power sources for electric vehicles, hybrid vehicles, solar power generation, wind power generation and load leveling, power tools, etc. Yes.

リチウムイオン二次電池の正極活物質にはコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウム、ニッケル、コバルト(LiNi0.8Co0.2O2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、リチウム、コバルト、ニッケル、マンガンの三元系(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)などのリチウムと遷移金属の複合酸化物がある。しかしながら、これらの酸化物は、コバルトやニッケルなどの稀少金属資源を含んでいる他に、急速充放電時での酸素放出によるに発熱反応で電池の内部温度が上昇し危険である。また、マンガンイオンを含む正極材料では、高温時にマンガンイオンの溶出により、マンガン価数が3.5以下になるため、充放電の寿命が短くなる欠点がある。 The positive electrode active materials for lithium ion secondary batteries include lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium, nickel, cobalt (LiNi 0.8 Co 0.2 O 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) There are composite oxides of lithium and transition metals such as ternary system of lithium, cobalt, nickel and manganese (LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ). However, these oxides contain rare metal resources such as cobalt and nickel and are dangerous because the internal temperature of the battery rises due to an exothermic reaction due to the release of oxygen during rapid charge / discharge. In addition, the positive electrode material containing manganese ions has a disadvantage that the charge and discharge life is shortened because the manganese valence is 3.5 or less due to elution of manganese ions at high temperatures.

そこで、最近では、このような欠点を補う目的で、豊富な資源で、かつ、安価な金属である鉄を用いたリン酸鉄リチウム(LiFePO4)のようなオリビン型リン酸鉄リチウムの正極活物質が提案されている。リン酸鉄リチウムは導電性が非常に低くいために電子の移動が良好でない。それゆえ、リチウムイオン二次電池の正極活物質として使用するには、導電性を付与する必要があり、表面に炭素を析出、被覆あるいは複合化する方法が公知または提案されている。(例えば、特許文献1〜5参照)。例えば、特許文献1には、炭素含有リン酸鉄リチウムの製造方法として、噴霧熱分解法による製造方法が提案されている。また、出願人においても、電極用リン酸鉄リチウム粉体の製造方法に関する技術を提案している(例えば、特許文献6参照)。 Therefore, recently, in order to compensate for these drawbacks, the positive electrode activity of olivine-type lithium iron phosphate such as lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) using iron, which is an abundant resource and inexpensive metal. Substances have been proposed. Lithium iron phosphate has a very low electrical conductivity, so that the movement of electrons is not good. Therefore, in order to use it as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, it is necessary to impart conductivity, and a method of depositing, coating or combining carbon on the surface is known or proposed. (For example, refer to Patent Documents 1 to 5). For example, Patent Document 1 proposes a manufacturing method using a spray pyrolysis method as a method for manufacturing a carbon-containing lithium iron phosphate. The applicant has also proposed a technique relating to a method for producing a lithium iron phosphate powder for electrodes (see, for example, Patent Document 6).

また、噴霧熱分解法について、その他の提案がなされている(例えば、非特許文献1参照)。例えば、非特許文献1では、白砂糖60重量パーセントを硝酸リチウム、硝酸鉄、オルトリン酸のアスコルビン酸水溶液に添加したものでリン酸鉄リチウムを得ている。リチウムイオン二次電池の放電容量は放電レート0.1Cで150mAh/gを示しているが、放電レート1Cでは80mAh/gを示し、30サイクル後、60mAh/gまで減少していることを示している。   Further, other proposals have been made regarding the spray pyrolysis method (see, for example, Non-Patent Document 1). For example, in Non-Patent Document 1, lithium iron phosphate is obtained by adding 60 weight percent of white sugar to an aqueous ascorbic acid solution of lithium nitrate, iron nitrate and orthophosphoric acid. Although the discharge capacity of the lithium ion secondary battery shows 150 mAh / g at a discharge rate of 0.1 C, it shows 80 mAh / g at a discharge rate of 1 C, indicating that after 30 cycles it has decreased to 60 mAh / g. Yes.

特開2007−35295号公報JP 2007-35295 A 特開2004−303496号公報JP 2004-303496 A 特開2005−135723号公報JP 2005-135723 A 国際公開第2002/027823号パンフレットInternational Publication No. 2002/027823 Pamphlet 米国特許出願公開第2007/0190418号明細書US Patent Application Publication No. 2007/0190418 特開2009−70666号公報JP 2009-70666 A

Mu-Rong Yang, Tsung-Hsien Teng, She-Hung Wu,“LiFePO4/carbon cathode materials prepared by ultrasonic spray pyrolysis”, J.Power Sources, 159, 307-311 (2006).Mu-Rong Yang, Tsung-Hsien Teng, She-Hung Wu, “LiFePO4 / carbon cathode materials prepared by ultrasonic spray pyrolysis”, J. Power Sources, 159, 307-311 (2006).

上記従来の技術は、炭素をリン酸鉄リチウムに被覆あるいは大量の混合による正極活物質の形成方法は、導電性が向上し、リチウムイオン二次電池として活用することができる。しかし、正極活物質中の炭素の含有量が高くなるため、体積エネルギー密度、出力密度を高めることができないなどの課題がある。   In the above conventional technique, the method of forming a positive electrode active material by coating carbon on lithium iron phosphate or mixing a large amount can improve the conductivity and can be used as a lithium ion secondary battery. However, since the carbon content in the positive electrode active material is increased, there is a problem that volume energy density and output density cannot be increased.

非特許文献1の技術は、放電容量の低さとサイクル特性が安定しない点から電気自動車、ハイブリッド自動車の電源としては実用上適していない。電気自動車、ハイブリッド自動車では、高い出力密度のリチウムイオン二次電池が要求されるため、正極活物質の10C以上でのハイレート充放電性能を有することが必要である。   The technique of Non-Patent Document 1 is not practically suitable as a power source for electric vehicles and hybrid vehicles because of low discharge capacity and unstable cycle characteristics. In an electric vehicle and a hybrid vehicle, a lithium ion secondary battery with a high output density is required, and therefore, it is necessary to have a high rate charge / discharge performance at 10 C or more of the positive electrode active material.

本発明は、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池のためのリチウムイオン二次電池正極活物質を、製造時間を短縮して生成可能な、新たなリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention provides a new lithium ion secondary battery positive electrode active material production method capable of producing a lithium ion secondary battery positive electrode active material for a high energy density lithium ion secondary battery with reduced production time. The purpose is to provide.

本発明の一側面は、炭素を含有したリン酸鉄リチウムによるリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法であって、リチウム化合物と鉄化合物とリン化合物と炭素化合物と炭化水素とを含むエマルジョンを生成するエマルジョン生成工程と、前記エマルジョン生成工程で生成された前記エマルジョンを噴霧し、噴霧された前記エマルジョンのミスト液滴を第1温度で加熱し、熱分解して炭素を含有するリン酸鉄リチウム前駆体を生成する加熱工程と、前記加熱工程で生成された前記リン酸鉄リチウム前駆体を、第2温度で焼成し、炭素を含有したリン酸鉄リチウムを生成する焼成工程とを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法である。これによれば、好適に炭素を含有した緻密(微細)なリン酸鉄リチウムを生成することができる。   One aspect of the present invention is a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery using lithium iron phosphate containing carbon, the emulsion comprising a lithium compound, an iron compound, a phosphorus compound, a carbon compound, and a hydrocarbon. The emulsion production step to be produced, and the emulsion produced in the emulsion production step are sprayed, and the mist droplets of the sprayed emulsion are heated at a first temperature and thermally decomposed to contain lithium iron phosphate containing carbon Including a heating step of generating a precursor, and a baking step of baking the lithium iron phosphate precursor generated in the heating step at a second temperature to generate carbon-containing lithium iron phosphate. It is the manufacturing method of the lithium ion secondary battery positive electrode active material characterized. According to this, it is possible to generate dense (fine) lithium iron phosphate containing carbon suitably.

本発明の他の側面は、前記加熱工程で前記エマルジョンの噴霧は、不活性ガスを含むガスをキャリアガスとして行われることを特徴とする。これによれば、好適な加熱を実現することができる。   Another aspect of the present invention is characterized in that the spraying of the emulsion in the heating step is performed using a gas containing an inert gas as a carrier gas. According to this, suitable heating can be realized.

本発明のさらに他の側面は、前記焼成工程は、不活性ガスと水素とを混合した混合ガスによる雰囲気内で行われることを特徴とする。これによれば、好適な焼成を実現することができる。   Still another aspect of the present invention is characterized in that the firing step is performed in an atmosphere of a mixed gas in which an inert gas and hydrogen are mixed. According to this, suitable baking can be realized.

本発明のさらに他の側面は、前記第2温度は、前記第1温度以上であることを特徴とする。これによれば、好適に炭素を含有させることができる。   Still another aspect of the present invention is characterized in that the second temperature is equal to or higher than the first temperature. According to this, carbon can be suitably contained.

本発明のさらに他の側面は、前記第2温度は、400℃〜900℃の範囲内であることを特徴とする。これによれば、好適に炭素を含有させることができる。なお、400℃未満である場合、炭素の生成が不十分となる一方、900℃を超えると生成された炭素が揮発してしまう。   According to still another aspect of the present invention, the second temperature is in a range of 400 ° C to 900 ° C. According to this, carbon can be suitably contained. In addition, when it is less than 400 degreeC, while the production | generation of carbon becomes inadequate, when it exceeds 900 degreeC, the produced | generated carbon will volatilize.

本発明のさらに他の側面は、前記焼成工程で前記リン酸鉄リチウム前駆体の焼成は、1時間から24時間の範囲内で行われることを特徴とする。これによれば、好適な焼成を実現することができる。   Still another aspect of the present invention is characterized in that the firing of the lithium iron phosphate precursor in the firing step is performed within a range of 1 hour to 24 hours. According to this, suitable baking can be realized.

本発明のさらに他の側面は、前記炭素化合物として有機酸を用いることを特徴とする。これによれば、好適に炭素を含有させることができる。   Yet another aspect of the present invention is characterized in that an organic acid is used as the carbon compound. According to this, carbon can be suitably contained.

本発明のさらに他の側面は、前記エマルジョン生成工程では、前記焼成工程で生成される前記リン酸鉄リチウムが含有する炭素の量が、10重量%〜50重量%の範囲内となる前記エマルジョンが生成されることを特徴とする。これによれば、リチウムイオン二次電池で所定の特性を得ることができる。なお、リン酸鉄リチウムが含有する炭素の量が、10重量%未満である場合、リン酸鉄リチウムの導電性などが低下する一方、50重量%を超えると、例えば体積エネルギー密度、出力密度を高めることができなくなる。   According to still another aspect of the present invention, in the emulsion generation step, the emulsion in which the amount of carbon contained in the lithium iron phosphate generated in the baking step is in the range of 10 wt% to 50 wt%. It is generated. According to this, a predetermined characteristic can be obtained with the lithium ion secondary battery. When the amount of carbon contained in the lithium iron phosphate is less than 10% by weight, the conductivity of the lithium iron phosphate is decreased. On the other hand, when it exceeds 50% by weight, for example, the volume energy density and the output density are reduced. It cannot be raised.

本発明のさらに他の側面は、前記エマルジョン生成工程では、ミセルまたは逆ミセルの前記エマルジョンが生成されることを特徴とする。これによれば、好適なリン酸鉄リチウム前駆体を生成することができる。   Still another aspect of the present invention is characterized in that in the emulsion generation step, the emulsion of micelles or reverse micelles is generated. According to this, a suitable lithium iron phosphate precursor can be produced | generated.

本発明によれば、エネルギー密度の高いリチウムイオン二次電池のためのリチウムイオン二次電池正極活物質を、製造時間を短縮して生成可能な、新たなリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法を得ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, manufacture of the new lithium ion secondary battery positive electrode active material which can produce | generate the lithium ion secondary battery positive electrode active material for lithium ion secondary batteries with high energy density shortening manufacturing time. You can get the method.

(a)は噴霧熱分解装置を示し、(b)はリン酸鉄リチウムによるリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法を説明する図である。(A) shows a spray pyrolysis apparatus, (b) is a figure explaining the manufacturing method of the lithium ion secondary battery positive electrode active material by lithium iron phosphate. 炭素を重量比で10重量%,30重量%,50重量%含有したリン酸鉄リチウムの粉末X線回折図である。FIG. 3 is a powder X-ray diffraction pattern of lithium iron phosphate containing 10 wt%, 30 wt%, and 50 wt% of carbon by weight. 炭素を重量比で10重量%含有したリン酸鉄リチウムの走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning electron micrograph of lithium iron phosphate containing 10% by weight of carbon. 本実施形態に係る炭素を重量比で10重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池と、比較例としての炭素を含有しないリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池との放電曲線を比較した比較図である。Lithium ion secondary battery provided with a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing 10% by weight of carbon according to the present embodiment, and a positive electrode formed of lithium iron phosphate not containing carbon as a comparative example It is the comparison figure which compared the discharge curve with a lithium ion secondary battery provided with. 本実施形態に係る炭素を重量比で10重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池と、比較例としての炭素を含有しないリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池とのサイクル特性を比較した比較図である。Lithium ion secondary battery provided with a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing 10% by weight of carbon according to the present embodiment, and a positive electrode formed of lithium iron phosphate not containing carbon as a comparative example It is the comparison figure which compared the cycle characteristic with a lithium ion secondary battery provided with. クエン酸を炭素源として、炭素を重量比で10重量%含有したリン酸鉄リチウムの放電レート特性図である。FIG. 3 is a discharge rate characteristic diagram of lithium iron phosphate containing citric acid as a carbon source and containing 10% by weight of carbon by weight. クエン酸を炭素源として、炭素を重量比で10重量%含有したリン酸鉄リチウムの3C〜10Cのサイクル特性図である。It is a 3C-10C cycle characteristic figure of lithium iron phosphate which contained citric acid as a carbon source and contained carbon 10weight% by weight. クエン酸を炭素源として、炭素を重量比で50重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池の放電レート特性図である。It is a discharge rate characteristic view of a lithium ion secondary battery provided with a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing citric acid as a carbon source and containing 50% by weight of carbon by weight.

本発明に係る実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。本発明は、以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に説明する各構成(工程)において、所定の構成(工程)を省略することもできる。   Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the configurations described below, and various configurations can be employed in the same technical idea. For example, in each configuration (process) described below, a predetermined configuration (process) can be omitted.

(リチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法)
本実施形態の製造方法(噴霧熱分解法)は、リチウムイオン二次電池正極活物質としてのリン酸鉄リチウムを生成するものである。この製造方法は、エマルジョン生成工程と加熱工程と焼成工程とを含む。第1番目の工程であるエマルジョン生成工程では、まず、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)の原料となる、リチウム化合物と鉄化合物とリン化合物とが混合される。具体的に、リチウム化合物としての硝酸リチウム(LiNO3)と、鉄化合物としての硝酸鉄(Fe(NO)3)と、リン化合物としてのオルトリン酸(H3PO4)とが、モル比で1:1:1となるように混合される。そして、これらはビーカーなどに入れられ、水またはアルコールが添加され、撹拌されながら溶解される。なお、以下では、硝酸リチウム(LiNO3)、硝酸鉄(Fe(NO)3)、オルトリン酸(H3PO4)を例に説明する。
(Method for producing positive electrode active material for lithium ion secondary battery)
The manufacturing method (spray pyrolysis method) of this embodiment produces | generates lithium iron phosphate as a lithium ion secondary battery positive electrode active material. This manufacturing method includes an emulsion generation step, a heating step, and a baking step. In the emulsion generation process, which is the first process, first, a lithium compound, an iron compound, and a phosphorus compound, which are raw materials for lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), are mixed. Specifically, lithium nitrate (LiNO 3 ) as a lithium compound, iron nitrate (Fe (NO) 3 ) as an iron compound, and orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) as a phosphorus compound have a molar ratio of 1 : 1: 1. And these are put into a beaker etc., water or alcohol is added, and it melt | dissolves with stirring. In the following description, lithium nitrate (LiNO 3 ), iron nitrate (Fe (NO) 3 ), and orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) will be described as examples.

なお、これらの物質以外に、炭酸リチウム、酢酸リチウムおよびギ酸リチウムのうち少なくとも1種と、塩化第一鉄および塩化第二鉄のうち少なくとも1種と、ピロリン酸およびメタリン酸のうち少なくとも1種とを混合してもよい。リン酸鉄リチウムを生成させる方法として種々の物質(原料試薬)を採用することができる。例えば、金属硝酸塩、酢酸塩、硫酸塩、アンモニウム塩、炭酸塩、酸化物を採用することが可能である。アルコールを使用する場合、エタノール以上の1級〜3級のアルコールであれば各種のアルコールを使用することができる。例えば、エタノールもしくはまたはメタノール(1級)、イソプロピルアルコール(2級)または第3ブチルアルコール(3級)を使用することができる。   In addition to these substances, at least one of lithium carbonate, lithium acetate and lithium formate, at least one of ferrous chloride and ferric chloride, and at least one of pyrophosphoric acid and metaphosphoric acid May be mixed. Various substances (raw material reagents) can be employed as a method for producing lithium iron phosphate. For example, metal nitrates, acetates, sulfates, ammonium salts, carbonates, and oxides can be employed. When alcohol is used, various alcohols can be used as long as they are primary to tertiary alcohols higher than ethanol. For example, ethanol or methanol (primary), isopropyl alcohol (secondary) or tertiary butyl alcohol (tertiary) can be used.

また、硝酸リチウムと硝酸鉄とオルトリン酸とを溶解した溶液1kgに対し、炭素化合物、具体的には、有機酸が重量比で10重量%〜50重量%添加され、撹拌されながら溶解される。より具体的には、スクロース(ショ糖)などの二糖類が、重量比で10重量%〜50重量%添加され、撹拌されながら溶解される。これらの物質以外に、クエン酸、リンゴ酸、乳酸、マロン酸、酒石酸、マレイン酸のうち少なくとも1種を添加してもよい。炭素材料、炭素化合物、有機酸を含むスラリーを添加するようにしてもよい。   Further, a carbon compound, specifically, an organic acid is added in a weight ratio of 10 to 50% by weight with respect to 1 kg of a solution in which lithium nitrate, iron nitrate and orthophosphoric acid are dissolved, and dissolved while stirring. More specifically, disaccharides such as sucrose (sucrose) are added at a weight ratio of 10% to 50% by weight and dissolved while stirring. In addition to these substances, at least one of citric acid, malic acid, lactic acid, malonic acid, tartaric acid, and maleic acid may be added. You may make it add the slurry containing a carbon material, a carbon compound, and an organic acid.

さらに、二糖類を溶解した溶液1kgに対し、炭化水素、具体的には、アセトニトリルなどの非水溶媒が、重量比で10重量%〜80重量%添加され、撹拌されながら乳化される。これらの物質以外に、プロピオニトリル、ブチロニトリル、炭酸プロピレン、アセトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシドのうち少なくとも1種を混合してもよい。さらに、乳化安定剤として、ヒドロキシプロピルセルロースなどのノニオン系界面活性剤が1kg中に重量比で5重量%添加される。このようにして、エマルジョン生成工程では、硝酸リチウム、硝酸鉄、オルトリン酸、有機酸、炭化水素などの上記所定の物質を含む、ミセルまたは逆ミセルのエマルジョンが生成される。なお、エマルジョン生成工程では、有機酸などの炭素化合物を先に添加し、その後、アセトニトリルなどの炭化水素を添加することとした。このような順で添加、撹拌を行うことで、エマルジョン生成工程に要する時間を短縮することができる。   Furthermore, 10 kg to 80 wt% of a hydrocarbon, specifically, a nonaqueous solvent such as acetonitrile is added to 1 kg of the solution in which the disaccharide is dissolved, and the mixture is emulsified with stirring. In addition to these substances, at least one of propionitrile, butyronitrile, propylene carbonate, acetone, dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide may be mixed. Further, as an emulsion stabilizer, a nonionic surfactant such as hydroxypropylcellulose is added in an amount of 5% by weight in 1 kg. In this way, in the emulsion production step, a micelle or reverse micelle emulsion containing the predetermined substance such as lithium nitrate, iron nitrate, orthophosphoric acid, organic acid, hydrocarbon, etc. is produced. In the emulsion generation step, a carbon compound such as an organic acid is added first, and then a hydrocarbon such as acetonitrile is added. By adding and stirring in this order, the time required for the emulsion generation step can be shortened.

第2番目の加熱工程は、図1(a)に示す噴霧熱分解装置100を使用して行われる。噴霧熱分解装置100は、例えば、貯留タンク110と二流体ノズル120と石英管130と電気炉140と捕集装置150とを備える。貯留タンク110には、上記エマルジョン生成工程で生成されたエマルジョンが投入され、貯留タンク110は、投入されたエマルジョンを貯留する。貯留タンク110は、所定の供給経路160を介して二流体ノズル120に接続される。二流体ノズル120には、図1に図示されていないコンプレッサーなどの装置から、フローメータで計測された空気がキャリアガスとして供給され、貯留タンク110から供給経路160を介して供給されたエマルジョンのミスト液滴が、二流体ノズル120から石英管130内に噴霧される。なお、ミスト液滴は、数μm程度の直径を有する。   A 2nd heating process is performed using the spray pyrolysis apparatus 100 shown to Fig.1 (a). The spray pyrolysis apparatus 100 includes, for example, a storage tank 110, a two-fluid nozzle 120, a quartz tube 130, an electric furnace 140, and a collection device 150. The storage tank 110 is charged with the emulsion generated in the emulsion generation step, and the storage tank 110 stores the input emulsion. The storage tank 110 is connected to the two-fluid nozzle 120 via a predetermined supply path 160. The two-fluid nozzle 120 is supplied with air measured by a flow meter from a device such as a compressor (not shown in FIG. 1) as a carrier gas, and is a mist of emulsion supplied from the storage tank 110 via a supply path 160. A droplet is sprayed into the quartz tube 130 from the two-fluid nozzle 120. The mist droplet has a diameter of about several μm.

石英管130は、噴霧熱分解装置100において例えば垂直な状態で設置されており、二流体ノズル120は、石英管130の上側に、噴霧の方向が下側となるように設置されている。したがって、二流体ノズル120からのミスト液滴は、上から下に強制的に噴霧される。二流体ノズル120のノズル径は、5μm〜10μmの範囲に設定される。キャリアガスとしては、上記した空気の他、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、アルゴン−水素の混合ガス、窒素−水素の混合ガスのいずれかとすることもできる。キャリアガスの流量は、毎分2リットル〜毎分30リットルの範囲に設定される。   The quartz tube 130 is installed, for example, in a vertical state in the spray pyrolysis apparatus 100, and the two-fluid nozzle 120 is installed on the upper side of the quartz tube 130 so that the spray direction is on the lower side. Therefore, the mist droplets from the two-fluid nozzle 120 are forcibly sprayed from top to bottom. The nozzle diameter of the two-fluid nozzle 120 is set in the range of 5 μm to 10 μm. As the carrier gas, in addition to the above-described air, for example, any of nitrogen gas, argon gas, argon-hydrogen mixed gas, and nitrogen-hydrogen mixed gas can be used. The flow rate of the carrier gas is set in the range of 2 liters per minute to 30 liters per minute.

石英管130の外周には、石英管130内に噴霧されたミスト液滴を加熱するための熱源としての電気炉140が設置されている。石英管130内に噴霧されたミスト液滴の十分な乾燥および熱分解を確保するために、石英管130の長さは、1000mm〜2000mmに設定される。また、ミスト液滴の供給量を確保するために、石英管130の内径は、30mm〜300mmに設定される。なお、石英管130は、例えば、アルミナ管、ステンレス管とすることも可能である。アルミナ管などとした場合についても、その構成は、石英管130と同様の寸法に設定される。電気炉140は、400℃〜900℃、好ましくは、400℃〜600℃の温度に設定される。なお、ミスト液滴の温度が、400℃未満である場合、炭素の生成が不十分となる一方、900℃を超えた高温になると、生成された炭素が揮発し炭素の量が減少する。   On the outer periphery of the quartz tube 130, an electric furnace 140 is installed as a heat source for heating the mist droplets sprayed in the quartz tube 130. In order to ensure sufficient drying and thermal decomposition of the mist droplets sprayed in the quartz tube 130, the length of the quartz tube 130 is set to 1000 mm to 2000 mm. In order to secure the supply amount of mist droplets, the inner diameter of the quartz tube 130 is set to 30 mm to 300 mm. The quartz tube 130 may be an alumina tube or a stainless tube, for example. In the case of an alumina tube or the like, the configuration is set to the same size as the quartz tube 130. The electric furnace 140 is set to a temperature of 400 ° C to 900 ° C, preferably 400 ° C to 600 ° C. Note that when the temperature of the mist droplet is less than 400 ° C., the generation of carbon becomes insufficient. On the other hand, when the temperature exceeds 900 ° C., the generated carbon volatilizes and the amount of carbon decreases.

加熱工程において、図1(b)の左側に示すような、石英管130内に噴霧されたミスト液滴は、ミスト液滴に含まれる硝酸リチウム(LiNO3)と硝酸鉄(Fe(NO)3)とオルトリン酸(H3PO4)とが熱分解され、1次粒子としてのリン酸鉄リチウム(リン酸鉄リチウム前駆体)が生成される。ここで、加熱工程でミスト液滴は、図1(b)の中央部に示すように、外周表面が硬化し、未硬化のエマルジョンが封入された中空状の粒子となる。ここで、外周表面が硬化して形成された外殻は、その厚み(図1(b)の中央に示す中空状の粒子の外周部分の両矢の矢印参照)が数百nm程度である。その後、この中空状の粒子が石英管130内を落下しつつさらに加熱されると、中空状の粒子は、内部に封入されたエマルジョン内の非水溶媒の発熱による急激な内圧上昇(図1(b)の中央に示す中空状の粒子の中心部分から外周方向に向かう矢印参照)により破壊される。これによって、加熱工程で生成されるリン酸鉄リチウム前駆体は、粒子径が100nm程度の粒子となる。 In the heating process, as shown on the left side of FIG. 1B, the mist droplets sprayed into the quartz tube 130 are lithium nitrate (LiNO 3 ) and iron nitrate (Fe (NO) 3 ) contained in the mist droplets. ) And orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) are thermally decomposed to produce lithium iron phosphate (lithium iron phosphate precursor) as primary particles. Here, the mist droplets in the heating step become hollow particles in which the outer peripheral surface is cured and an uncured emulsion is enclosed, as shown in the center portion of FIG. Here, the outer shell formed by curing the outer peripheral surface has a thickness (see the arrow of the double arrow on the outer peripheral portion of the hollow particle shown in the center of FIG. 1B) of about several hundred nm. Thereafter, when the hollow particles are further heated while falling in the quartz tube 130, the hollow particles are rapidly increased in internal pressure due to heat generation of the non-aqueous solvent in the emulsion enclosed therein (FIG. 1 ( It is broken by the arrow from the central part of the hollow particles shown in the center of b) toward the outer periphery). Thereby, the lithium iron phosphate precursor produced | generated at a heating process becomes a particle | grain with a particle diameter of about 100 nm.

また、加熱工程では、エマルジョン生成工程で添加された、炭素化合物(上記ではスクロースなどを例示)と、炭化水素(上記ではアセトニトリルなどを例示)とを源として、これらが熱分解されて、リン酸鉄リチウムの内部に炭素が生成される。そのため、リン酸鉄リチウム前駆体は炭素を含有する。なお、噴霧熱分解装置100は、熱源として電気炉140の他、火炎炉、プラズマ炉、赤外線集中炉、熱風式乾燥炉のいずれかを備えた構成とすることもできる。   In addition, in the heating step, carbon compounds (such as sucrose in the above example) and hydrocarbons (in the above example such as acetonitrile) added in the emulsion generation step are thermally decomposed and phosphoric acid is used. Carbon is generated inside iron lithium. Therefore, the lithium iron phosphate precursor contains carbon. In addition, the spray pyrolysis apparatus 100 can be configured to include any one of a flame furnace, a plasma furnace, an infrared concentration furnace, and a hot air drying furnace in addition to the electric furnace 140 as a heat source.

加熱工程で生成されたリン酸鉄リチウム前駆体は、石英管130と連続した捕集経路170を介して捕集装置150で捕集される。捕集装置150でリン酸鉄リチウム前駆体を捕集するための吸引量は、毎分15リットル〜毎分30リットルの範囲に設定される。捕集方法としては、この他、例えば、サイクロン、ガラスフィルター、バグフィルター、電気集塵のいずれかとすることもできる。   The lithium iron phosphate precursor generated in the heating process is collected by the collection device 150 via a collection path 170 continuous with the quartz tube 130. The suction amount for collecting the lithium iron phosphate precursor by the collection device 150 is set in a range of 15 liters per minute to 30 liters per minute. In addition to this, for example, a cyclone, a glass filter, a bag filter, or electric dust collection can be used as the collection method.

第3番目の焼成工程では、加熱工程で生成されたリン酸鉄リチウム前駆体が、400℃〜900℃の範囲で、かつ1時間〜24時間の範囲内で焼成される。400℃未満である場合、炭素の生成が不十分となる一方、900℃を超えた高温になると、炭素が揮発し炭素の量が減少する。ここで、焼成工程の温度範囲は、加熱工程の温度範囲と重複した範囲とすることができるが、焼成工程の温度は、加熱工程の温度以上の温度とするとよい。例えば、加熱工程の温度を600℃とし、加熱工程の温度を700℃とするとよい。焼成工程は、不活性ガスと水素との混合ガス、例えばアルゴン−水素の混合ガス雰囲気内で行われる。焼成工程でリン酸鉄リチウム前駆体が焼成されると、図1(b)の右側に示すような、炭素を含有した、粒子径が10nm〜100nm程度のリン酸鉄リチウムが生成される。生成されたリン酸鉄リチウムは、リチウムイオン二次電池正極活物質として利用される。なお、焼成工程は、所定の加熱炉、電気炉、火炎炉、プラズマ炉、赤外線集中炉、熱風式乾燥炉などを用いて行われる。   In the third firing step, the lithium iron phosphate precursor generated in the heating step is fired in the range of 400 ° C. to 900 ° C. and in the range of 1 hour to 24 hours. When the temperature is lower than 400 ° C., carbon is not sufficiently generated. On the other hand, when the temperature is higher than 900 ° C., the carbon volatilizes and the amount of carbon decreases. Here, the temperature range of the baking step can be a range overlapping with the temperature range of the heating step, but the temperature of the baking step is preferably a temperature equal to or higher than the temperature of the heating step. For example, the temperature of the heating process may be 600 ° C., and the temperature of the heating process may be 700 ° C. The firing step is performed in a mixed gas atmosphere of inert gas and hydrogen, for example, an argon-hydrogen mixed gas atmosphere. When the lithium iron phosphate precursor is fired in the firing step, lithium iron phosphate containing carbon and having a particle diameter of about 10 nm to 100 nm is generated as shown on the right side of FIG. The produced lithium iron phosphate is used as a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery. The firing process is performed using a predetermined heating furnace, electric furnace, flame furnace, plasma furnace, infrared concentration furnace, hot air drying furnace, or the like.

(実験結果)
上述した本実施形態の製造方法によって生成された、炭素を含有したリン酸鉄リチウムを対象として、所定の実験を行った。以下、この結果について説明する。
(Experimental result)
A predetermined experiment was conducted on the lithium iron phosphate containing carbon produced by the manufacturing method of the present embodiment described above. Hereinafter, this result will be described.

炭素を重量比で、10重量%,30重量%,50重量%含有したリン酸鉄リチウムのX線回折結果について、図2を参照して説明する。測定には、株式会社島津製作所製のX線回折装置(XRD−6100)を用いた。X線源にはCuKα線を用い、印加電圧および印加電流はそれぞれ40kVおよび30mAとして、2θが10°〜60°の範囲を0.02°のステップ幅で測定した。図2から明らかなとおり、炭素含有量がいずれの場合であっても、本実施形態の製造方法で生成された粒子(粉体)は、リン酸鉄リチウムへ結晶化している。   An X-ray diffraction result of lithium iron phosphate containing 10 wt%, 30 wt%, and 50 wt% of carbon by weight will be described with reference to FIG. For the measurement, an X-ray diffractometer (XRD-6100) manufactured by Shimadzu Corporation was used. CuKα ray was used as the X-ray source, the applied voltage and the applied current were 40 kV and 30 mA, respectively, and the range of 2θ from 10 ° to 60 ° was measured with a step width of 0.02 °. As is clear from FIG. 2, regardless of the carbon content, the particles (powder) produced by the production method of this embodiment are crystallized into lithium iron phosphate.

走査型電子顕微鏡による、炭素を重量比で10重量%含有したリン酸鉄リチウムの観察結果について、図3を参照して説明する。観察対象のリン酸鉄リチウムは、エマルジョン生成工程および加熱工程を経て生成されたリン酸鉄リチウム前駆体を、ガス置換炉でアルゴン−水素(5%)の混合ガス雰囲気中700℃で12時間、焼成したものである。観察には株式会社日立製作所製の走査型電子顕微鏡(S−2300)を用いた。観察試料はイオンコーターで金コーティングした後、加速電圧25kVで測定した。図3によれば、微細化された粒子径が10nm〜100nmのリン酸鉄リチウムが生成されていることが認められる。生成されたリン酸鉄リチウムは、リン酸鉄リチウム前駆体が集合した球状、楕円状、多面体状の形状を有する。   The observation results of lithium iron phosphate containing 10 wt% carbon by weight with a scanning electron microscope will be described with reference to FIG. 3. The lithium iron phosphate to be observed is obtained by subjecting the lithium iron phosphate precursor produced through the emulsion production step and the heating step to 12 hours at 700 ° C. in a mixed gas atmosphere of argon-hydrogen (5%) in a gas replacement furnace. It is fired. For the observation, a scanning electron microscope (S-2300) manufactured by Hitachi, Ltd. was used. The observation sample was gold coated with an ion coater and then measured at an acceleration voltage of 25 kV. According to FIG. 3, it is recognized that lithium iron phosphate having a refined particle diameter of 10 nm to 100 nm is generated. The produced lithium iron phosphate has a spherical, elliptical, or polyhedral shape in which lithium iron phosphate precursors are assembled.

また、本実施形態の製造方法のエマルジョン生成工程および加熱工程によって生成された、炭素を含有したリン酸鉄リチウム前駆体を、焼成工程で焼成し生成された、炭素を含有したリン酸鉄リチウムを、リチウムイオン二次電池正極活物質として用いて、正極活物質と導電性バインダー(カーボン/ポリフッ化ビニリデン)とを、正極活物質:導電性バインダー(カーボン/ポリフッ化ビニリデン)=87:13、の比率で混合し、さらに、分散液としてN−メチルピロリドン(株式会社クレハ製)を加えてスラリー化したものを集電体金属箔上に塗布後、乾燥およびプレスし、所定のサイズに切り取って正極を形成した。そして、この正極と、負極としてリチウム(本庄ケミカル株式会社製)と、電解液に1M(モル)のLiPF6 EC/DMC(50/50vol%)溶液(富山薬品工業株式会社製)とを使用してリチウムイオン二次電池を作製した。このリチウムイオン二次電池を使用して充放電試験(宝泉バッテリーテスターBTS2004)を行なった。測定電圧は3.5V〜4.3Vの範囲とした。 Further, the carbon-containing lithium iron phosphate produced by firing the carbon-containing lithium iron phosphate precursor produced by the emulsion production step and the heating step of the production method of the present embodiment in the firing step. The positive electrode active material and the conductive binder (carbon / polyvinylidene fluoride) are used as the positive electrode active material of the lithium ion secondary battery, and the positive electrode active material: conductive binder (carbon / polyvinylidene fluoride) = 87: 13 The mixture was mixed at a ratio, and a slurry obtained by adding N-methylpyrrolidone (manufactured by Kureha Co., Ltd.) as a dispersion was applied onto a current collector metal foil, dried and pressed, cut into a predetermined size, and positive electrode Formed. And using this positive electrode, lithium (made by Honjo Chemical Co., Ltd.) as the negative electrode, and 1M (mol) LiPF 6 EC / DMC (50/50 vol%) solution (made by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) as the electrolyte. Thus, a lithium ion secondary battery was produced. A charge / discharge test (Hosen Battery Tester BTS2004) was performed using this lithium ion secondary battery. The measurement voltage was in the range of 3.5V to 4.3V.

本実施形態に係る炭素を重量比で10重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池と、比較例(従来例)としての、炭素を含有しないリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池との放電曲線の比較について、図4を参照して説明する。なお、比較例のリチウムイオン二次電池について、その他の構成については、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池と同一である。   A lithium ion secondary battery including a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing 10% by weight of carbon according to the present embodiment and a lithium iron phosphate not containing carbon as a comparative example (conventional example) A comparison of discharge curves with a lithium ion secondary battery including a positive electrode formed in step 1 will be described with reference to FIG. In addition, about the lithium ion secondary battery of a comparative example, about another structure, it is the same as the lithium ion secondary battery which concerns on this embodiment.

図4に示した放電曲線の縦軸は、出力電圧(Voltage)、横軸は1グラム当たりの比放電容量であり、その単位はmAh/gである。図4で、「1」は、炭素を含有しないリン酸鉄リチウムで形成された正極を備える比較例としてのリチウムイオン二次電池の放電曲線を示している。「2」は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池であって、白糖を添加(エマルジョン生成工程参照)して生成された、炭素を10重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池の放電曲線を示している。「3」はスクロースを、また、「4」はクエン酸を添加(エマルジョン生成工程参照)し、これらそれぞれを炭素源とした、本実施形態に係る炭素を10重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池の放電曲線を示している。これらの放電曲線は放電レートが1Cのときに測定されている。   The vertical axis of the discharge curve shown in FIG. 4 is the output voltage (Voltage), the horizontal axis is the specific discharge capacity per gram, and its unit is mAh / g. In FIG. 4, “1” indicates a discharge curve of a lithium ion secondary battery as a comparative example including a positive electrode formed of lithium iron phosphate not containing carbon. “2” is a lithium ion secondary battery according to the present embodiment, which is produced by adding sucrose (see emulsion production process) and formed of lithium iron phosphate containing 10% by weight of carbon. The discharge curve of a lithium ion secondary battery provided with is shown. "3" is sucrose, and "4" is citric acid added (see the emulsion production process), each of which is a lithium iron phosphate containing 10% by weight of carbon according to this embodiment. The discharge curve of a lithium ion secondary battery provided with the formed positive electrode is shown. These discharge curves are measured when the discharge rate is 1C.

図4から明らかなとおり、本実施形態に係る炭素を含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池は、炭素を含有しないリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池よりも高容量を有している。本実施形態に係る炭素を含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池の中では、クエン酸によるものが最も比放電容量が高いことがわかる。   As is clear from FIG. 4, the lithium ion secondary battery including the positive electrode formed of lithium iron phosphate containing carbon according to the present embodiment is lithium including the positive electrode formed of lithium iron phosphate not containing carbon. It has a higher capacity than the ion secondary battery. Among lithium ion secondary batteries having a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing carbon according to the present embodiment, it can be seen that the one with citric acid has the highest specific discharge capacity.

本実施形態に係る炭素を重量比で10重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池と、比較例(従来例)としての、炭素を含有しないリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池とのサイクル特性の比較について、図5を参照して説明する。なお、比較例のリチウムイオン二次電池について、その他の構成については、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池と同一である。   A lithium ion secondary battery including a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing 10% by weight of carbon according to the present embodiment and a lithium iron phosphate not containing carbon as a comparative example (conventional example) A comparison of cycle characteristics with a lithium ion secondary battery including the positive electrode formed in step 1 will be described with reference to FIG. In addition, about the lithium ion secondary battery of a comparative example, about another structure, it is the same as the lithium ion secondary battery which concerns on this embodiment.

図5に示した放電曲線の縦軸は、1グラム当たりの比放電容量であり、その単位はmAh/gである。横軸はサイクル数である。図5で、「●」は、炭素を含有しないリン酸鉄リチウムで形成された正極を備える比較例としてのリチウムイオン二次電池のサイクル特性を示している。「■」および「▲」は、本実施形態に係る炭素を10重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池のサイクル特性を示している。なお、「■」はクエン酸を炭素源とし、「▲」はスクロースを炭素源とするものである(エマルジョン生成工程参照)。これらのサイクル特性は放電レートが1Cのときに測定されている。   The vertical axis of the discharge curve shown in FIG. 5 is the specific discharge capacity per gram, and its unit is mAh / g. The horizontal axis is the number of cycles. In FIG. 5, “●” indicates the cycle characteristics of a lithium ion secondary battery as a comparative example provided with a positive electrode formed of lithium iron phosphate not containing carbon. “■” and “▲” indicate cycle characteristics of a lithium ion secondary battery including a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing 10 wt% of carbon according to the present embodiment. “■” indicates that citric acid is used as a carbon source, and “▲” indicates that sucrose is used as a carbon source (see emulsion production process). These cycle characteristics are measured when the discharge rate is 1C.

図5から明らかなとおり、本実施形態に係る炭素を含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池は、炭素を含有しないリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池よりも高容量で安定したサイクル特性を有している。本実施形態に係る炭素を含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池の中では、スクロールによるものよりクエン酸によるものの方が、比放電容量が高いことがわかる。   As is clear from FIG. 5, the lithium ion secondary battery including the positive electrode formed of lithium iron phosphate containing carbon according to the present embodiment is lithium including the positive electrode formed of lithium iron phosphate not containing carbon. Higher capacity and stable cycle characteristics than ion secondary batteries. In the lithium ion secondary battery including the positive electrode formed of lithium iron phosphate containing carbon according to the present embodiment, it can be seen that the specific discharge capacity is higher with the citric acid than with the scroll.

本実施形態に係る、クエン酸を炭素源として、炭素を重量比で10重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池の放電レート特性について、図6を参照して説明する。図6に示した放電曲線の縦軸は、1グラム当たりの比放電容量であり、その単位はmAh/gである。横軸は放電レートであり、その単位はCである。0.1Cのとき比放電容量は160mAh/gを示し、30Cのとき、比放電容量は50mAh/gを示した。   FIG. 6 shows the discharge rate characteristics of a lithium ion secondary battery including a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing citric acid as a carbon source and containing 10% by weight of carbon in a weight ratio according to this embodiment. I will explain. The vertical axis of the discharge curve shown in FIG. 6 is the specific discharge capacity per gram, and its unit is mAh / g. The horizontal axis is the discharge rate, and its unit is C. At 0.1 C, the specific discharge capacity was 160 mAh / g, and at 30 C, the specific discharge capacity was 50 mAh / g.

本実施形態に係る、クエン酸を炭素源として、炭素を重量比で10重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池の、3C〜10Cのサイクル特性について、図7を参照して説明する。図7に示した放電曲線の縦軸は、1グラム当たりの比放電容量であり、その単位はmAh/gである。横軸はサイクル数である。図7で、「●」は、3Cレートでのリチウムイオン二次電池のサイクル特性を示し、「▲」は5Cでのリチウムイオン二次電池のサイクル特性、「■」は10Cでのサイクル特性を示している。図7によれば、クエン酸を炭素源とするリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池は、急速充電でも安定したサイクル特性を有していることがわかる。   Regarding the cycle characteristics of 3C to 10C of a lithium ion secondary battery including a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing citric acid as a carbon source and containing 10% by weight of carbon in a weight ratio, FIG. This will be described with reference to FIG. The vertical axis of the discharge curve shown in FIG. 7 is the specific discharge capacity per gram, and its unit is mAh / g. The horizontal axis is the number of cycles. In FIG. 7, “●” indicates the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery at 3C rate, “▲” indicates the cycle characteristics of the lithium ion secondary battery at 5C, and “■” indicates the cycle characteristics at 10C. Show. According to FIG. 7, it can be seen that a lithium ion secondary battery including a positive electrode formed of lithium iron phosphate using citric acid as a carbon source has stable cycle characteristics even during rapid charging.

本実施形態に係る、クエン酸を炭素源として、炭素を重量比で50重量%含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池の放電レート特性について、図8を参照して説明する。図8に示した放電曲線の縦軸は、1グラム当たりの比放電容量であり、その単位はmAh/gである。横軸は放電レートであり、その単位はCである。0.1Cのとき比放電容量は160mAh/gを示し、30Cのとき、比放電容量は30mAh/gを示した。   For discharge rate characteristics of a lithium ion secondary battery including a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing citric acid as a carbon source and containing 50% by weight of carbon in a weight ratio, refer to FIG. I will explain. The vertical axis of the discharge curve shown in FIG. 8 is the specific discharge capacity per gram, and its unit is mAh / g. The horizontal axis is the discharge rate, and its unit is C. At 0.1 C, the specific discharge capacity was 160 mAh / g, and at 30 C, the specific discharge capacity was 30 mAh / g.

(変形例)
上記の本実施形態の、炭素を含有したリン酸鉄リチウムによるリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法では、加熱工程を図1に示す噴霧熱分解装置100を用いて行った。しかし、噴霧熱分解装置100の他、例えばスプレードライヤー装置を用いた製造方法とすることもできる。この場合も、エマルジョン生成工程では、ミセルまたは逆ミセルのエマルジョンが生成される。また、スプレードライヤー装置では、ミスト液滴の乾燥温度が、100℃〜300℃の範囲に設定される。そして、これによって生成された粒子は、焼成工程において、400℃〜900℃の範囲で焼成される。このような方法によっても、本実施形態の製造方法と同様の微細な、炭素を含有したリン酸鉄リチウムを生成することができる。なお、噴霧乾燥法、凍結乾燥法、アークプラズマ法、溶媒蒸発法を用いることができる。
(Modification)
In the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery using lithium iron phosphate containing carbon according to the present embodiment, the heating step was performed using the spray pyrolysis apparatus 100 shown in FIG. However, in addition to the spray pyrolysis apparatus 100, for example, a manufacturing method using a spray dryer apparatus may be used. In this case as well, in the emulsion production step, a micelle or reverse micelle emulsion is produced. Moreover, in a spray dryer apparatus, the drying temperature of a mist droplet is set to the range of 100 to 300 degreeC. And the particle | grains produced | generated by this are baked in the range of 400 to 900 degreeC in a baking process. Also by such a method, the same fine lithium iron phosphate containing carbon as the manufacturing method of this embodiment can be produced | generated. A spray drying method, a freeze drying method, an arc plasma method, or a solvent evaporation method can be used.

本発明に係る、炭素を含有したリン酸鉄リチウムによるリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法によって生成された、炭素を含有したリン酸鉄リチウムで形成された正極を備えるリチウムイオン二次電池は、従来のリン酸鉄リチウムを使用したリチウムイオン二次電池に比べ、放電容量および出力特性が改善される。そして、本発明に係る炭素を含有したリン酸鉄リチウムによるリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法によれば、各工程が簡素化されてコストダウンが図れる。   Lithium ion secondary battery comprising a positive electrode formed of lithium iron phosphate containing carbon, produced by a method for producing a positive electrode active material of lithium ion secondary battery using lithium iron phosphate containing carbon according to the present invention Compared to conventional lithium ion secondary batteries using lithium iron phosphate, the discharge capacity and output characteristics are improved. And according to the manufacturing method of the lithium ion secondary battery positive electrode active material by the lithium iron phosphate containing carbon which concerns on this invention, each process is simplified and cost reduction can be aimed at.

このため、本発明は、リチウムイオン二次電池の品質の改善ができ、しかも大量生産によりコストダウンが図れる非常に有益なものであり、電気自動車・ハイブリッド自動車に使えば環境に優しい駆動電源ができる。また、太陽光発電・風力発電などの自然エネルギーの負荷不可平準化用、電動工具、ロボット駆動用電源として利用することができる。   For this reason, the present invention can improve the quality of the lithium ion secondary battery and is very useful for reducing the cost by mass production, and if it is used for an electric vehicle / hybrid vehicle, an environment-friendly drive power source can be obtained. . Further, it can be used as a non-load leveling of natural energy such as solar power generation and wind power generation, a power tool, and a power source for driving a robot.

100 噴霧熱分解装置
110 貯留タンク
120 二流体ノズル
130 石英管
140 電気炉
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Spray pyrolysis apparatus 110 Storage tank 120 Two-fluid nozzle 130 Quartz tube 140 Electric furnace

Claims (9)

炭素を含有したリン酸鉄リチウムによるリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法であって、
リチウム化合物と鉄化合物とリン化合物と炭素化合物と炭化水素とを含むエマルジョンを生成するエマルジョン生成工程と、
前記エマルジョン生成工程で生成された前記エマルジョンを噴霧し、噴霧された前記エマルジョンのミスト液滴を第1温度で加熱し、熱分解して炭素を含有するリン酸鉄リチウム前駆体を生成する加熱工程と、
前記加熱工程で生成された前記リン酸鉄リチウム前駆体を、第2温度で焼成し、炭素を含有したリン酸鉄リチウムを生成する焼成工程とを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法。
A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery using lithium iron phosphate containing carbon,
An emulsion producing step for producing an emulsion comprising a lithium compound, an iron compound, a phosphorus compound, a carbon compound and a hydrocarbon;
A heating step of spraying the emulsion generated in the emulsion generating step, heating the sprayed mist droplets at a first temperature, and thermally decomposing the precursor to contain lithium iron phosphate containing carbon. When,
A lithium ion secondary battery positive electrode comprising: a calcining step of calcining the lithium iron phosphate precursor produced in the heating step at a second temperature to produce carbon-containing lithium iron phosphate A method for producing an active material.
前記加熱工程で前記エマルジョンの噴霧は、不活性ガスを含むガスをキャリアガスとして行われることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法。   The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the spraying of the emulsion in the heating step is performed using a gas containing an inert gas as a carrier gas. 前記焼成工程は、不活性ガスと水素とを混合した混合ガスによる雰囲気内で行われることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法。   The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the firing step is performed in an atmosphere of a mixed gas in which an inert gas and hydrogen are mixed. 前記第2温度は、前記第1温度以上であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法。   4. The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the second temperature is equal to or higher than the first temperature. 5. 前記第2温度は、400℃〜900℃の範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法。   The said 2nd temperature exists in the range of 400 to 900 degreeC, The manufacturing method of the lithium ion secondary battery positive electrode active material of any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 前記焼成工程で前記リン酸鉄リチウム前駆体の焼成は、1時間から24時間の範囲内で行われることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法。   The lithium ion secondary according to any one of claims 1 to 5, wherein the firing of the lithium iron phosphate precursor in the firing step is performed within a range of 1 hour to 24 hours. Manufacturing method of battery positive electrode active material. 前記炭素化合物として有機酸を用いることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法。   The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 6, wherein an organic acid is used as the carbon compound. 前記エマルジョン生成工程では、前記焼成工程で生成される前記リン酸鉄リチウムが含有する炭素の量が、10重量%〜50重量%の範囲内となる前記エマルジョンが生成されることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法。   The said emulsion production | generation process produces | generates the said emulsion in which the quantity of the carbon which the said lithium iron phosphate produced | generated by the said baking process contains is in the range of 10 weight%-50 weight%, It is characterized by the above-mentioned. The manufacturing method of the lithium ion secondary battery positive electrode active material of any one of Claims 1-7. 前記エマルジョン生成工程では、ミセルまたは逆ミセルの前記エマルジョンが生成されることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池正極活物質の製造方法。   The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 8, wherein in the emulsion generation step, the emulsion of micelles or reverse micelles is generated.
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