JP2012126633A - リチウム複合金属酸化物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リチウム化合物と、Ni金属またはその化合物と、Mn、Co、Ti、Cr及びFeからなる群から選ばれる1種以上の遷移金属元素からなる金属またはその化合物とを混合し、得られた原料混合物を二酸化炭素濃度1体積%以上15体積%以下の雰囲気下、630℃以上で焼成するリチウム複合金属酸化物の製造方法。該製造方法で得られたリチウム複合金属酸化物を正極活物質に使用した非水電解質二次電池は、二酸化炭素を含まない空気雰囲気で製造した正極活物質に使用した非水電解質二次電池に匹敵する充放電特性を示す。
【選択図】なし
Description
<1> リチウム化合物と、Ni金属またはその化合物と、Mn、Co、Ti、Cr及びFeからなる群から選ばれる1種以上の遷移金属元素からなる金属またはその化合物とを混合し、得られた原料混合物を二酸化炭素濃度1体積%以上15体積%以下の雰囲気下、630℃以上で焼成するリチウム複合金属酸化物の製造方法。
<2> 前記焼成における酸素濃度が、酸素濃度1体積%以上50体積%以下である前記<1>記載のリチウム複合金属酸化物の製造方法。
<3> 630℃以上での焼成時間が、0.5時間以上24時間以下である前記<1>または<2>記載のリチウム複合金属酸化物の製造方法。
<4> さらに、焼成温度よりも30℃以上低い温度であって600℃以上の温度で保持する工程を含む前記<1>から<3>のいずれかに記載のリチウム複合金属酸化物の製造方法。
<5> 前記遷移金属元素が、Mnおよび/またはFeである前記<1>から<4>のいずれかに記載のリチウム複合金属酸化物の製造方法。
<6> 燃焼ガスの火炎を熱源としたガス炉で焼成する前記<1>から<5>のいずれかに記載のリチウム複合金属酸化物の製造方法。
<7> 前記原料混合物が、Na、K、Rb、Cs、Ca、Mg、Sr及びBaからなる群から選ばれる1種以上の元素の炭酸塩、硫酸塩及び塩化物からなる群から選ばれる1種以上の化合物からなる反応促進剤を含有する前記<1>から<6>のいずれかに記載のリチウム複合金属酸化物の製造方法。
<8> 遷移金属元素がMnおよびFeであり、反応促進剤が炭酸塩である前記<7>に記載のリチウム複合金属酸化物の製造方法。
630℃以上の温度域で焼成することによって、副生物である上記リチウムを含まない金属酸化物の生成が抑制される理由は現時点では完全には明らかではないが、昇温工程において炭酸リチウムが生成した場合においても、630℃以上の温度域で焼成することによって、反応性の低い炭酸リチウムが熱分解し、Ni、Mn、Fe等の遷移金属を含む他の原料と均一に反応できるものと推測される。
リチウム化合物としては、水酸化リチウム、酸化リチウム、塩化リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウムおよび炭酸リチウムからなる群より選ばれる1種以上の無水物および/または該1種以上の水和物を挙げることができる。
この中でも、低コストであり、加熱の際に腐食性ガスが発生しない水酸化リチウムまたは炭酸リチウムが好適に使用される。また、硫酸リチウムは焼成時の反応の際、酸化剤として作用し反応促進効果があるので好適に使用することができる。
また、Mn、Co、Ti、Cr及びFeからなる群から選ばれる1種以上の遷移金属元素からなる金属またはその化合物(以下、「その他の遷移金属化合物」と呼ぶ場合がある。)としては、それぞれの元素の金属単体、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩、ハロゲン化物、アンモニウム塩、シュウ酸塩、アルコキシドなどが挙げられる。ここで、高容量な正極活物質が得られるという観点から、その他の遷移金属化合物における遷移金属元素は、Mnおよび/またはFeであることが好ましい。
ここで、焼成の際における反応性を高め、より均一なリチウム複合金属酸化物を合成できるという観点から、まず、Ni化合物とその他の遷移金属化合物とを混合して、複合遷移金属化合物を合成し、この複合遷移金属化合物とリチウム化合物とを混合する方法が好適である。なお、複合遷移金属化合物とリチウム化合物との混合は、乾式混合、湿式混合、液相混合のいずれによってもよいが、好適には液相混合である。
接触(液相混合)の方法としては、Ni、MnおよびFeを含有する水溶液にアルカリ水溶液を添加して混合する方法、アルカリ水溶液にNi、Mn、Feを含有する水溶液を添加して混合する方法、水にNi、Mn、Feを含有する水溶液およびアルカリ水溶液を添加して混合する方法を挙げることができる。これらの混合時には、攪拌を伴うことが好ましい。また、上記の接触(液相混合)の方法の中では、アルカリ水溶液にNi、MnおよびFeを含有する水溶液を添加して混合する方法が、pHを一定範囲に保ちやすい点で好ましく用いることができる。この場合、アルカリ水溶液に、Ni、MnおよびFeを含有する水溶液を添加混合していくに従い、混合された液のpHが低下していく傾向にあるが、このpHが9以上、好ましくは10以上となるように調節しながら、Ni、MnおよびFeを含有する水溶液を添加するのがよい。また、Ni、MnおよびFeを含有する水溶液およびアルカリ水溶液のうち、いずれか一方または両方の水溶液を40〜80℃の温度に保持しながら接触(液相混合)させると、より均一な組成の共沈物を得ることができ、好ましい。
乾燥は、通常、熱処理によって行うが、送風乾燥、真空乾燥等によってもよい。また、乾燥の雰囲気としては、大気、酸素、窒素、アルゴンまたはそれらの混合ガスを用いることができるが、大気雰囲気が好ましい。乾燥を熱処理によって行う場合には、通常50〜300℃で行い、好ましくは100〜200℃程度である。
乾燥物と、リチウム化合物との混合は、乾式混合、湿式混合のいずれによってもよいが、簡便性の観点では、乾式混合が好ましい。混合装置としては、攪拌混合、V型混合機、W型混合機、リボン混合機、ドラムミキサー、ボールミル等を挙げることができる。
上述のリチウム化合物、Ni化合物およびその他の遷移金属化合物を混合して得られる原料混合物を二酸化炭素濃度1体積%以上15体積%以下の雰囲気下、630℃以上で焼成する。
ここで、630℃以上での焼成は、630℃以上で保持されていればよく、一定の保持温度である必要はないが、焼成物であるリチウム複合金属酸化物を均質にするという観点からは、焼成温度は一定温度であるほうがよい。反応促進の観点より、焼成温度は、好ましくは650℃以上であり、より好ましくは750℃以上、さらに好ましくは830℃以上である。なお、上限温度は、特に限定はないが、高温で焼成すると焼結しやすくなるため、通常、1100℃以下、好ましくは1000℃以下である。
ガス炉の形式としては、バッチ式や連続式のものが挙げられる。連続式のガス炉としては、ベルト炉、ロータリーキルン、ローラーハースキルンなどが挙げられるが、焼成容器を多段に積み重ねた台車を炉内で移動させて焼成する台車炉が生産性の観点で好ましい。
ガス炉の燃料ガスとして用いられるガス種としては、水素、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレン等や、これらのガスの混合物が挙げられる。また、ブタン及びプロパン等の炭化水素を主成分とし、圧縮することで容易に液化し、可搬性に優れた液化石油ガス(LPG)を用いることもできる。これらガス種の中でも、液化石油ガス(LPG)は、燃焼時の熱量が大きく、かつ、比較的安価であるため好適である。
また、保持時間としては、0.5時間以上24時間以下であることが好ましい。この時間範囲にて焼成を行うことによって、過焼成を防ぐことができ、高い性能を安定的に保持した非水電解質二次電池用正極材活物質となるリチウム複合金属酸化物を得ることができる。保持時間が、0.5時間よりも短いと、リチウム化合物と、遷移金属複合化合物の反応が不十分となる場合があり、24時間を超えると、リチウム複合金属酸化物の粒成長が起こり、性能が低下する場合がある。なお、過焼成による粒成長を抑制する観点から、保持時間は12時間以下がより好ましく、8時間以下がさらに好ましい。
一方で、リチウム複合金属酸化物を合成する際、酸素欠陥が少なく、結晶性の高いリチウム複合金属酸化物を得るために、雰囲気ガスとして酸素を1〜50体積%含むことが望ましく、通常、空気が使用される。雰囲気ガスが、1〜50体積%の酸素を含むことにより、反応が十分に進行し、結晶性の高いリチウム複合金属酸化物を得ることができる。
なお、空気中の水分(水蒸気)は、リチウム複合金属酸化物およびその原料と反応するため、雰囲気ガスは、脱水処理されていることが望ましい。
なお、上記焼成温度よりも30℃以上低い温度であって600℃以上の温度域で保持する工程は、上記630℃以上で焼成する工程の前後のいずれに設けられていてもよく、また、前後の両方に設けられていることが好ましい。
反応促進剤として、具体的には、NaCl、KCl、RbCl、CsCl、CaCl2、MgCl2、SrCl2、BaCl2及びNH4Clなどの塩化物、Na2CO3、K2CO3、Rb2CO3、Cs2CO3、CaCO3、MgCO3、SrCO3及びBaCO3などの炭酸塩、K2SO4、Na2SO4などの硫酸塩、NaF、KF、NH4Fなどのフッ化物、が挙げられる。この中でも、好ましくはNa、K、Rb、Cs、Ca、Mg、Sr及びBaからなる群から選ばれる1種以上の元素の塩化物、炭酸塩または硫酸塩を挙げることができ、炭酸塩または硫酸塩であることがより好ましい。また、上記原料混合物に含まれるその他の遷移金属化合物の遷移金属元素が、MnおよびFeである場合には、特に反応促進剤が炭酸塩であることが好ましい。
反応促進剤の好適例としては、NaCl、KCl、Na2CO3、K2CO3、Na2SO4、K2SO4が挙げられ、Na2CO3、K2CO3、Na2SO4、K2SO4がより好ましく、K2CO3が特に好ましい。また、反応促進剤を2種以上併用することもできる。
原料混合物が反応促進剤を含有することで、原料混合物の焼成時の反応性を向上させ、得られるリチウム複合金属酸化物のBET比表面積を調整することが可能な場合がある。
反応促進剤の原料混合物への添加の方法は、特に制限はないが、原料混合物を製造する際に上述のように液相混合により複合遷移金属化合物を合成する場合には、乾燥物とリチウム化合物との混合時に、添加して混合すればよい。
なお、液相混合時に生成した副生塩(例えば、KCl、K2SO4)が複合遷移金属化合物中に残留する場合、これらの副生塩を反応促進剤として使用してもよく、この場合には、乾燥物とリチウム化合物との混合時に、反応促進剤の不足分を添加すればよい。
また、反応促進剤は、リチウム複合金属酸化物に残留していてもよいし、洗浄、蒸発等により除去されていてもよい。
なお、原料混合物と反応促進剤との混合割合は、原料混合物100重量部に対して0.1重量部以上100重量部以下が好ましく、1.0重量部以上40重量部以下がより好ましい。
Liy(Ni1-xMx)O2 (A)
(ここで、Mは、Mn、Co、Ti、Cr及びFeからなる群から選ばれる1種以上の遷移金属元素、0<x<1を表す。)
粉末X線回折測定(XRD)は、株式会社リガク製Ultima IVASC-10を用いて行った。測定は、粉末試料を専用の基板に充填し、CuKα線源を用いて、電圧40kV、電流40mAの条件で回折角2θ=10°〜90°の範囲にて行い、粉末X線回折図形を得た。
<BET比表面積測定>
粉末1gを窒素雰囲気中150℃、15分間乾燥した後、マイクロメトリックス製フローソーブII2300を用いて測定した。
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水930mlに、水酸化カリウム71.00gを添加、攪拌により溶解し、水酸化カリウムを完全に溶解させ、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を調製した。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水150mlに、塩化ニッケル(II)六水和物55.86g、塩化マンガン(II)四水和物47.50gおよび塩化鉄(II)4水和物4.97gを添加、攪拌により溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。また、反応終点のpHを測定したところpHは13であった。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行ない、アルカリ分(KOH)や副生した塩成分(KCl)を除去した後、120℃で乾燥させて乾燥物P1を得た。また、乾燥物P1の組成分析の結果、Ni:Mn:Feのモル比は0.47:0.48:0.05であった。
前記乾燥物(P1)40.00gと水酸化リチウム一水和物21.66gと塩化カリウム12.62gとをボールミルを用いて乾式混合して原料混合物M1を得た。次いで、該原料混合物(M1)40gをアルミナ製焼成容器に入れ、電気管状炉を用いて二酸化炭素濃度6体積%になるよう調整した空気を1L/min供給し、800℃で3.5時間保持し、次いで950℃で1時間焼成を行い、室温まで冷却し、焼成品を得た。次いで、焼成品を粉砕し、蒸留水でデカンテーションによる洗浄を行い、ろ過した後に、300℃で6時間乾燥して、粉末B1を得た。
粉末B1のBET比表面積は、8.7m2/gであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B1の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属される結晶構造であることがわかった。
実施例1にて作製した原料混合物(M1)40gをアルミナ製焼成容器に入れ、電気管状炉を用いて二酸化炭素濃度6体積%になるよう調整した空気を1L/min供給し、950℃で1時間焼成し、次いで800℃で3.5時間保持を行い、室温まで冷却し、焼成品を得た。次いで、焼成品を粉砕し、蒸留水でデカンテーションによる洗浄を行い、ろ過した後に、300℃で6時間乾燥して、粉末B2を得た。
粉末B2のBET比表面積は、8.2m2/gであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B2の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属される結晶構造であることがわかった。
実施例1にて作製した原料混合物(M1)40gをアルミナ製焼成容器に入れ、電気管状炉を用いて二酸化炭素濃度6体積%になるよう調整した空気を1L/min供給し、800℃で6時間焼成を行い、室温まで冷却し、焼成品を得た。次いで、焼成品を粉砕し、蒸留水でデカンテーションによる洗浄を行い、ろ過した後に、300℃で6時間乾燥して、粉末B3を得た。
粉末B3のBET比表面積は、19.8m2/gであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B3の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属される結晶構造であることがわかった。
実施例1にて作製した原料混合物(M1)40gをアルミナ製焼成容器に入れ、電気管状炉を用いて二酸化炭素濃度6体積%になるよう調整した空気を1L/min供給し、700℃で6時間焼成を行い、室温まで冷却し、焼成品を得た。次いで、焼成品を粉砕し、蒸留水でデカンテーションによる洗浄を行い、ろ過した後に、300℃で6時間乾燥して、粉末B4を得た。
粉末B4のBET比表面積は、22.4m2/gであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B4の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属される結晶構造であることがわかった。
実施例1にて作製した原料混合物(M1)40gをアルミナ製焼成容器に入れ、電気管状炉を用いて二酸化炭素濃度6体積%になるよう調整した空気を1L/min供給し、600℃で6時間焼成を行い、室温まで冷却し、焼成品を得た。次いで、焼成品を粉砕し、蒸留水でデカンテーションによる洗浄を行い、ろ過した後に、300℃で6時間乾燥して、粉末B5を得た。
粉末B5のBET比表面積は、30.7m2/gであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B5の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属される結晶構造であることがわかった。
実施例1にて作製した原料混合物(M1)40gをアルミナ製焼成容器に入れ、電気管状炉を用いて、二酸化炭素濃度の調整を行っていない空気を1L/min供給し、800℃で6時間焼成を行い、室温まで冷却し、焼成品を得た。次いで、焼成品を粉砕し、蒸留水でデカンテーションによる洗浄を行い、ろ過した後に、300℃で6時間乾燥して、粉末B6を得た。
粉末B6のBET比表面積は、6.4m2/gであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B6の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属される結晶構造であることがわかった。
攪拌槽内で、水酸化カリウム100重量部を、蒸留水538重量部に、添加、攪拌により溶解し、水酸化カリウムを完全に溶解させ、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を調整した。
また、別の攪拌槽内で、蒸留水138重量部に、塩化ニッケル(II)六水和物51.5重量部、塩化マンガン(II)四水和物43.9重量部および塩化鉄(II)四水和物4.6重量部を添加、攪拌により溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。
次いで、別の攪拌槽に、蒸留水215重量部と前記水酸化カリウム水溶液24.7重量部を仕込んだ後、液温度を30℃にて、攪拌しながら、前記水酸化カリウム水溶液165重量部と前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液100重量部を滴下することにより、共沈物が生成し、共沈物スラリーを得た。反応終点のpHを測定したところ、pHは13であった。
次いで、共沈物スラリー100重量部をフィルタープレス(「ロールフィット フィルタープレス ドライヤー」、販売元:株式会社 ユーロテック)にて、圧力0.4MPaG、室温下で、ろ過を50分間掛けて行なった後、蒸留水を室温下、洗浄圧力0.4〜0.6MPaGにて供給し、水洗を行った。水洗後、圧搾圧力0.7MPaGにて、15分間の圧搾を行った。次いで、フィルタープレス内を圧力10kPaの真空とし、フィルタープレスの各ろ室のジャケットに90℃温水を通水して、170分間、予備乾燥を行ない、ウェットケーク3.73重量部を回収した。この時のウェットケークの含水率は湿潤基準で13.3%であった。
なお、「湿潤基準」の含水率は、ウェットケーク中に含まれる水の重量を、ウェットケークの重量(水と固形分の合計重量)で除して算出されるもの(=水重量/(水重量+固形分重量)×100)である。
前記乾燥物(P2)100重量部と炭酸リチウム52.1重量部と炭酸カリウム14.3重量部とをボールミルを用いて、乾式混合して、原料混合物M2を得た。次いで、該混合物M2を多孔質セラミック製焼成容器に1.8kg入れ、LPGを燃料とし、その火炎を炉内に導入し熱源としたガス焼成炉(高砂工業製 2m3シャトルキルン)を用いて860℃、6時間保持で焼成を行った。焼成時の雰囲気は、酸素濃度11〜13体積%、二酸化炭素6〜8体積%であった。
焼成終了後、室温まで冷却して、焼成品を得た。これを粉砕し、蒸留水でろ過ならびに洗浄を行ない、300℃で6時間乾燥して、粉末B7を得た。
粉末B7のBET比表面積は10.4m2/gであった。粉末B7の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属される結晶構造であることが分かった。
作製した粉末B1〜B7を正極活物質として使用したコイン型の非水電解質二次電池を作製し、充放電試験を実施した。
正極活物質(粉末B1〜B7)と導電材(アセチレンブラックと黒鉛を9:1(重量比)で混合したもの)の混合物に、バインダーとしてPVdFのN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPということがある。)溶液を、活物質:導電材:バインダー=87:10:3(重量比)の組成となるように加えて混練することによりペーストとし、集電体となる厚さ40μmのAl箔に該ペーストを塗布して150℃で8時間真空乾燥を行い、正極を得た。
得られた正極に、電解液としてエチレンカーボネート(以下、ECということがある。)とジメチルカーボネート(以下、DMCということがある。)とエチルメチルカーボネート(以下、EMCということがある。)の30:35:35(体積比)混合液にLiPF6を1モル/リットルとなるように溶解したもの(以下、LiPF6/EC+DMC+EMCと表すことがある。)、セパレータとして積層フィルムを、また、負極として金属リチウムを組み合わせてコイン型電池(R2032)を作製した。
上記のコイン型電池を用いて、25℃保持下、以下に示す条件で充放電試験を実施した。結果を表1に示す。
充電最大電圧4.3V、充電時間8時間、充電電流0.176mA/cm2
放電時は放電最小電圧を3.0Vで一定とし、各サイクルにおける放電電流を下記のように変えて放電を行った。各サイクルおける放電による放電容量が高ければ高いほど、高出力を示すことを意味する。
1サイクル目の放電(0.2C):放電電流0.176mA/cm2
2サイクル目の放電(1C) :放電電流0.879mA/cm2
3サイクル目の放電(5C) :放電電流4.40mA/cm2
Claims (4)
- リチウム化合物と、Ni金属またはその化合物と、Mn、Co、Ti、Cr及びFeからなる群から選ばれる1種以上の遷移金属元素からなる金属またはその化合物とを混合し、得られた原料混合物を二酸化炭素濃度1体積%以上15体積%以下の雰囲気下、630℃以上で焼成することを特徴とするリチウム複合金属酸化物の製造方法。
- 前記焼成における酸素濃度が、酸素濃度1体積%以上50体積%以下であることを特徴とする請求項1記載のリチウム複合金属酸化物の製造方法。
- 630℃以上での焼成時間が、0.5時間以上24時間以下であることを特徴とする請求項1または2記載のリチウム複合金属酸化物の製造方法。
- さらに、焼成温度よりも30℃以上低い温度であって600℃以上の温度で保持する工程を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のリチウム複合金属酸化物の製造方法。
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