JP2012216468A - 正極活物質の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正極活物質粒子同士の結着がなく、導電性が良く、正極を構成したときにハイレート特性等の電池性能を高めることができ、かつ、ハンドリング性が良い正極活物質の製造方法を提供する。
【解決手段】正極活物質の製造方法は、正極活物質の粒子と導電助剤の粒子とを溶媒中に分散させてなる分散液を調製する分散液調整工程と、分散液を処理容器内に液滴状で噴霧し、乾燥させて、正極活物質粒子の表面に導電助剤粒子が配置された複合粒子を生成する複合粒子生成工程と、複合粒子生成工程で生成された複合粒子にさらに分散液の液滴を噴霧し、乾燥させて、複合粒子の造粒物を生成する造粒物生成工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池等の電池の正極活物質の製造方法に関する。

リチウムイオン電池、ニッケル水素電池その他の二次電池、特に軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用電源や、パソコンおよび携帯電子端末の電源として重要性が高まっている。この種のリチウムイオン二次電池の一つの典型的な構成では、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る正極活物質の層が正極集電体上に形成された構成の正極を備えている。例えば、オリビン系材料（オリビン型のリン酸リチウム化合物）からなる正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池が一例として挙げられる。

オリビン系材料（オリビン型リン酸リチウム化合物）からなる正極活物質は、一般に、導電性が低いため（例えばＬｉＦｅＰＯ₄の場合、１×１０^-9Ｓ／ｃｍ程度）、正極活物質中に導電助剤（例えば炭素系材料）を混合して使用する場合が多い。また、オリビン系正極活物質の導電性をさらに向上させるため、正極活物質と導電助剤と結着材（バインダー）とを含む正極用複合粒子を形成する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、流動槽中で流動層化させた正極活物質粒子に、導電助剤と結着材の分散液からなる原料液を噴霧し、乾燥させることにより、正極活物質粒子に導電助剤と結着材とを結合一体化させて正極用複合粒子を製造する技術が開示されている。

また、特許文献２には、正極活物質粒子と導電助剤と結着材を含む分散液を反応容器内に霧状に噴霧し、乾燥させることにより、正極活物質粒子に導電助剤と結着材とを結合一体化させて複合粒子を製造する技術が開示されている（いわゆるスプレードライ方式）。

特許第３７８５４０７号公報 特開２００９−２５９６９８号公報

オリビン系正極活物質等の正極活物質の粒子は、一般に、平均粒子径が５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度の極微小粒子（ナノレベル粒子）であり、ファンデルワールス力の影響等により、粒子同士の付着性が高く、流動性に劣る。そのため、特許文献１の製造方法では、流動槽中で正極活物質粒子が円滑に流動できないことに起因して、正極核物質粒子同士の付着が起こり、製造される電極用複合粒子は、導電助剤だけでなく、正極活物質粒子同士が結着した構造になり易い傾向がある。電極用複合粒子において、導電助剤を介さずに正極活物質粒子同士が結着すると、その結着部位において界面抵抗が増大し、電池性能（例えばハイレート特性など）に悪影響を及ぼしかねない。

また、特許文献２の製造方法では、反応容器内に噴霧された分散液の液滴中の導電助剤が正極核物質によりも早く乾燥されてしまい（一般に分散液中における導電助剤の含有量は正極物質の含有量に比べて微量であり、また、導電助剤の粒子径は正極活物質の粒子径よりも小さいため）、導電助剤のみの微粉が生成され易い。そして、噴霧乾燥時に導電助剤のみの微粉が生成されてしまうことにより、製造される電極用複合粒子は、導電助剤の結着量が減り、導電性が不十分になり易い。

さらに、特許文献１及び特許文献２の製造方法で製造される電極用複合粒子は、極微小粒子（ナノレベル粒子）であり、付着性が高く、ハンドリングしにくいという問題がある。

上記の問題点に鑑み、本発明は、正極活物質粒子同士の結着がなく、導電性が良く、正極を構成したときにハイレート特性等の電池性能を高めることができ、かつ、ハンドリング性が良い正極活物質の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、表面に導電助剤が配置された正極活物質を製造する方法であって、前記正極活物質の粒子と前記導電助剤の粒子とを溶媒中に分散させてなる分散液を調製する分散液調整工程と、前記分散液を処理容器内に液滴状で噴霧し、乾燥させて、前記正極活物質粒子の表面に前記導電助剤粒子が配置された複合粒子を生成する複合粒子生成工程と、前記複合粒子生成工程で生成された複合粒子にさらに前記分散液の液滴を噴霧し、乾燥させて、前記複合粒子の造粒物を生成する造粒物生成工程とを含む製造方法を提供する。

本発明の製造方法は、複合粒子生成工程で生成された複合粒子に、さらに正極活物質粒子と導電助剤粒子の分散液の液滴を噴霧し、乾燥させて、複合粒子の造粒物を生成する造粒物生成工程を備えているので、複合粒子生成工程において、分散液の液滴中の導電助剤が正極核物質によりも早く乾燥され、導電助剤のみの微粉が生成された場合でも、この導電助剤のみの微粉は、その後の造粒物生成工程で噴霧される分散液の液滴と衝突して、複合粒子と伴に造粒される。そのため、造粒物生成工程を経て製造された正極活物質（造粒物）は、典型的には正極活物質粒子同士が導電助剤を介して結着された構造を有し、導電性が良い共に、複合粒子生成工程を経た単体複合粒子に比べて粒子径が大きく、ハンドリング性が良い。造粒物生成工程を経て製造された正極活物質（造粒物）の平均粒子径は、好ましくは５〜１５μｍである。
ここで、造粒物の平均粒子径は、湿式レーザ回折・散乱法（ＭＩＣＲＯＴＲＡＣ社製、ＭＴ３０００II）により、計測用の分散媒を水とし、物質の屈折率を１.８１、分散媒の屈折率１．３３３と設定し、適量の界面活性剤を添加した水分散媒で予備分散した活物質分散スラリーを、計測用の水中に適量を滴下し、計測した体積平均径のことを示す。

本発明において、正極活物質は、好ましくはオリビン系正極活物質である。

本発明によれば、正極活物質粒子同士の結着がなく、導電性が良く、正極を構成したときにハイレート特性等の電池性能を高めることができ、かつ、ハンドリング性が良い正極活物質を製造することができる。

実施例で用いた製造装置の全体構成を概念的に示す図である。 実施例で用いた正極活物質原料と実施例で製造した正極活物質粒子（造粒物）のＳＥＭ写真である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本発明の好ましい実施形態では、電池理論容量と安全性を考慮して、正極活物質（粒子）として、オリビン系正極活物質（オリビン型リン酸リチウム化合物）を用いる。オリビン系正極材料の典型例は、一般式Ｌｉ_1-xＦｅ_1-yＭ_yＰＯ₄（−０．２≦ｘ≦０．２、０≦ｘ≦０．５、Ｍ：Ｌｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｇａ，Ｃｕ，Ｖ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｃｅ，Ｉｎ，Ｚｎ，及びＹからなる群から選択された少なくとも１種）で表すことができ、好適にはＬｉＦｅＰＯ₄用いる。正極活物質粒子の平均粒子径は、好ましくは５０ｎｍ〜５００ｎｍであり、例えば１００ｎｍ程度である。ここで、正極活物質粒子の平均粒子径は、一般的なサーマルFE-SEM観察によって観察した画像中の粒子２０個から導かれる水平フェレー径を言う（画像解析によって得た水平フェレー径を言う）。

導電助剤（粒子）は、典型的なリチウム二次電池等で使用され得るものと同じであればよく、例えば、炭素系材料である。炭素系材料としては、アセチレンブラック（ＡＢ）、カーボンブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられる。導電助剤粒子の平均粒子径は、好ましくは５ｎｍ〜３００ｎｍ、より好ましくは１００ｎｍ〜５０ｎｍ、例えば２５０ｎｍ程度である。ここで、導電助剤粒子の平均粒子径は、導電性材料５重量部を、ポリビニルアルコール（株式会社クラレ製ＰＶＡ-２１７）３％水溶液１００重量部に混合し、市販のホモジナイザーで予備分散して予備分散液を調整後、該予備分散液をマイクロフルイディクス社製マイクロフルイダイザーＭ-１１０Ｐにより、２００ＭＰａで２パス処理を行い分散した分散液を、湿式レーザ回折・散乱法（ＭＩＣＲＯＴＲＡＣ社製、ＭＴ３０００II）により、粒子の光の透過性を「吸収」の設定とし、分散溶媒の屈折率を１．３３３と設定して計測した際の粒度分布の体積平均径である。

正極活物質粒子と導電助剤粒子を分散させる溶媒は、Ｎ−メチルピロドリン等の有機系溶媒であっても良く、水等の水系溶媒であってもよい。環境保護や安全性等の点から、水系溶媒を用いるのが好ましい。

正極活物質粒子と導電助剤粒子を分散させた分散液には、ＰＶＤＦやＰＴＦＥ等の適当な結着材を配合することが好ましい。

本発明における複合粒子生成工程では、正極活物質粒子と導電助剤粒子、さらには結着材粒子を溶媒中に分散させた分散液を処理容器内に液滴状で噴霧し、乾燥させて、正極活物質粒子の表面に導電助剤粒子が配置された複合粒子を生成する。処理容器としては、流動層容器の底部から導入した気体によって原料粒子を浮遊流動させて造粒、コーティング、乾燥等の処理を行う流動層装置（原料粒子の転動、噴流、攪拌等を伴う、いわゆる複合型流動層装置も含まれる）や、その他の粉粒体処理装置を用いることができる。また、分散液を液滴状で噴霧する手段としては、２流体ノズル、３流体ノズル等のスプレーノズルを用いることができる。分散液の液滴の乾燥は、上記の流動層装置を用いた場合、流動層容器内に導入された気体に分散液の液滴が接触することによって行われる。また、分散液の液滴が乾燥することによって、正極活物質粒子の表面に導電助剤粒子が配置された複合粒子が生成される。

造粒物生成工程では、複合粒子生成工程で生成した複合粒子にさらに上記の分散液の液滴を噴霧し、乾燥させて、複合粒子の造粒物を生成する。造粒物生成工程で行う分散液の噴霧条件（分散液の供給速度、噴霧化空気の流量及び圧力、噴霧される分散液の液滴径等）は、複合粒子生成工程と同じであっても良いし、異なっていても良い。また、造粒物生成工程は、同じ処理容器内で複合粒子生成工程と連続して行っても良いし、同じ処理容器内又は異なる処理容器内で複合粒子生成工程と断続して行っても良い。前工程である複合粒子生成工程では、分散液の液滴中の導電助剤が正極核物質によりも早く乾燥され、導電助剤のみの微粉が生成される場合があるが、この導電助剤のみの微粉は、造粒物生成工程で噴霧される分散液の液滴と衝突して、複合粒子と伴に造粒される。そのため、造粒物生成工程を経て製造された正極活物質（造粒物）は、典型的には正極活物質粒子同士が導電助剤を介して結着された構造を有し、複合粒子生成工程を経た単体複合粒子に比べて粒子径が増大する。

上記の工程を経て製造された本発明の正極活物質は、電池用正極の製造に用いられる。この電池用正極の製造方法は、例えば、上記正極活物質を含有する正極合材ペーストを調製する工程と、調製した正極合材ペーストを正極集電体の上に付与して乾燥させることにより正極合材層を形成する工程とを含む。本発明の正極活物質（造粒物）は、粒子径が比較的大きく、ハンドリング性が良いと共に、溶媒への分散性が良いので、特に正極合材ペーストを調製する工程での作業性を向上させる。

まず、正極活物質としてのＬｉＦｅＰＯ４（粒子径約３００ｎｍ：ＳＥＭ観察による）８７質量％を、導電助剤としてのアセチレンブラック（ＡＢ）の粉末２質量％及び正極結着材としてのＰＴＦＥ（固形分）１．５質量％とともに、溶媒としての水にホモジナイザーを用いて分散させて分散液を調整した（分散液調整工程）。その際、市販の界面活性剤（Triton-X 100、GEヘルスケアジャパン製）を水１ｋｇあたり、市販のディスポスポイトで３滴滴下して添加した。分散液中の固形分濃度（ここで言う固形分とは、正極活物資、導電助剤、正極結着剤、のことを言う）は１０質量％となるように調整した。ここで、正極活物質、もしくは導電助剤、もしくは正極結着剤の質量％は、最終的に作製された正極での質量％を表しており、それゆえ総計は１００％ではない。

つぎに、上記の分散液を処理容器内に液滴状で噴霧し、乾燥させて、正極活物質粒子の表面に導電助剤粒子が配置された複合粒子を生成し（複合粒子生成工程）、引き続いて（複合粒子生成工程に連続して）、上記複合粒子にさらに上記の分散液の液滴を噴霧し、乾燥させて、複合粒子の造粒物を生成した（造粒物生成工程）。

上記複合粒子生成工程と造粒物生成工程では、複合型流動層装置の一種である、株式会社パウレック製の転動流動層装置「マルチプレックス」（機種名：ＭＰ−０１）を用いて分散液の噴霧及び乾燥処理を行った。図１に模式的に示すように、この転動流動装置は、処理容器１と、処理容器１の底部に配置された気体分散板２と、気体分散板２の中心部を貫通して設置されたスプレーノズル３と、処理容器１の上部に設置された固気分離用のフィルター４とを主要な構成要素として備えている。尚、気体分散板２の上方に僅かな間隔を隔てて回転ロータが配置されているが、図示を省略している。

処理容器１内には、流量計５とヒーター６により所定温度及び流量に制御された気体（温風等）が下方側から供給され、供給された気体は底部の気体分散板２を介して処理容器１内に噴出する。また、貯留容器７に貯留された分散液は、圧送ポンプ８により圧送されて、処理容器１の底部中心に設置されたスプレーノズル３に供給される。そして、圧縮空気源９から供給される噴霧化空気によって微小液滴化された分散液が、スプレーノズル３から処理容器１内に霧状に噴霧される。スプレーノズル３として、液体噴出口から噴出する液体を気体噴出口から噴出する噴霧化気体によって液滴化する２流体ノズル（シュリック社製９７０型）を使用し、噴霧条件は、分散液の供給量を安定時１５ｇ／ｍｉｎ、噴霧化気体の供給量を４０ＮＬ／ｍｉｎとした。また、処理容器１内に導入する気体は、入口温度を約１５０℃、供給量を１ｍ³／ｍｉｎとした。

処理容器１内に噴霧された分散液の液滴は処理容器１内に噴出する気体と接触して乾燥される。複合粒子生成工程では、分散液の液滴が乾燥することによって、正極活物質粒子の表面に導電助剤粒子が配置（又は被覆）された複合粒子が生成される。造粒物生成工程では、複合粒子生成工程で生成された複合粒子を処理容器１内に滞留させ、気体分散板２を介して噴出する気体によって浮遊流動させて流動層を形成しつつ、スプレーノズル３から分散液の液滴を噴霧する。複合粒子生成工程で、導電助剤のみの微粉が生成されても、この導電助剤のみの微粉は、造粒物生成工程で噴霧される分散液の液滴と衝突して、複合粒子と伴に造粒される。そのため、造粒物生成工程を経て製造された正極活物質（造粒物）は、典型的には正極活物質粒子同士が導電助剤を介して結着された構造を有するものとなり、粒子径も複合粒子生成工程を経た複合粒子（非造粒物）に比べて増大する。尚、処理容器１内を上昇し、フィルター４で固気分離された気体は、排気ブロア１０によって排気される。

図２は、正極活物質としてのＬｉＦｅＰＯ４（原料）粒子の凝集物と、スプレーノズル３による液滴の噴霧開始から３０分後に得られた正極活物質（造粒物）のＳＥＭ写真である。この正極活物質（造粒物）の平均粒子径は、約１０μｍであった｛湿式レーザ回折・散乱法（ＭＩＣＲＯＴＲＡＣ社製、ＭＴ３０００II）により、物質の屈折率１.８１、分散溶媒の屈折率１．３３３で粒度分布を測定した｝。

上記の正極活物質（造粒物）を用いて、電池用正極を製造した。

まず、上記の正極活物質粒子９０．５質量％に、正極導電助剤としてのカーボン８質量％と正極結着材としてのＰＴＦＥ（固形分）１．５質量％を配合し、適当な溶媒（Ｎ‐メチルピロリドン等）にプライマリミキサを用いて分散させて混練し、正極合材ペーストを調製した。正極合材ペースト中の固形分濃度は４０質量％となるように調製した。

つぎに、上記の正極合材ペーストを正極集電体（アルミニウム箔）に塗布及びプレスし、正極合材ペースト中の溶媒を１２０℃で揮発させて、正極集電体の両面に正極合材層が設けられた正極シートを作製した。尚、正極合材ペーストの塗布はコーターを用いて行い、正極合材ペーストのプレスはロールプレス機を用いて行った。

また、電池用負極を製造した。まず、負極活物質としてのグラファイト９５質量％に、負極結着材としてのＰＶＤＦ５質量％を配合し、適当な溶媒（Ｎ‐メチルピロリドン等）に分散させ、負極合材ペーストを調製した。つぎに、この負極合材ペーストを負極集電体（銅箔）に塗布及びプレスして溶媒を揮発させ、負極集電体の両面に負極合材層が設けられた負極シートを作製した。尚、負極合材ペーストの塗布はコーターを用いて行い、負極合材ペーストのプレスはロールプレス機を用いて行った。

そして、厚さ２５μｍの微細多孔質ポリエチレン製の２枚のセパレータシートを介して、上記の正極シートと負極シートを積層し、その積層体を捲回して捲回電極体を作製した。このようにして得られた捲回電極体をコイン型の電池ケースに収容した。尚、電解液としては、エチレンカーボネイトとジエチルカーボネートとの３：７（質量比）混合溶媒に約１ｍｏｌ／リットルのＬｉＰＦ６を溶解させたものを用いた。このようにして、試験用リチウムイオン二次電池を作製した。

［比較例］
比較例として、正極活物質の表面に導電助剤粒子が結着された構造の正極活物質粒子（非造粒物）を製造した。正極活物質粒子の製造で用いた分散液の調整方法は、実施例と同じであるが、分散液中の固形分濃度は５％とし、分散液の液滴の乾燥は、通常のスプレードライ法（特許文献２と同様の方法）を用いて行った。詳しくは、分散液の噴霧・乾燥処理は、市販のマイクロミストドライヤ装置（藤崎電気製）を用いて行い、噴霧処理条件としては、四流体ノズルを使用し、液体供給量を１０g／ｍｉｎとし、スプレーへの気体供給量を５０ＮＬ／ｍｉｎとした。また、乾燥処理条件としては、乾燥用熱風の入口温度を約２２０℃とし、熱風使用量は１ｍ³／ｍｉｎとした。そして、この正極活物質粒子を用いて、実施例２と同様の製造方法で、正極シートを作製し、さらに試験用リチウムイオン二次電池を作製した。

以上のように作製した実施例と比較例の試験用電池に対して、放電特性試験を実施し、それらの放電レート特性を評価した。上記放電特性の試験条件は、測定温度２５℃で、上限電圧を４．１Ｖとし、下限電圧を２．５Ｖとし、測定は放電レートごとに２回ずつ行った。その結果、実施例の電池では、放電レート１Ｃで約１４４ｍＡｈ／ｇの容量密度を示し、放電レート５Ｃで約１２６ｍＡｈ／ｇを示し、さらに高い放電レート１０Ｃでも約１１２ｍＡｈ／ｇの容量を維持できることが分かった。これに対し、比較例の電池では、低い放電レートである１Ｃでは実施例の電池と殆ど変わらず約１４０ｍＡｈ／ｇの容量密度を示したが、放電レート５Ｃでは約１１４ｍＡｈ／ｇと容量低下を示し、さらに高い放電レート１０Ｃでは、約１００ｍＡｈ／ｇとなり、何れも実施例の電池の性能には及ばなかった。

１ 処理容器
２ 気体分散板
３ スプレーノズル
４ フィルター
５ 流量計
６ ヒーター
７ 貯留容器
８ 圧送ポンプ
９ 圧縮空気源
１０ 排気ブロア

Claims (3)

1. 表面に導電助剤が配置された正極活物質を製造する方法であって、
   前記正極活物質の粒子と前記導電助剤の粒子とを溶媒中に分散させてなる分散液を調製する分散液調整工程と、
   前記分散液を処理容器内に液滴状で噴霧し、乾燥させて、前記正極活物質粒子の表面に前記導電助剤粒子が配置された複合粒子を生成する複合粒子生成工程と、
   前記複合粒子生成工程で生成された複合粒子にさらに前記分散液の液滴を噴霧し、乾燥させて、前記複合粒子の造粒物を生成する造粒物生成工程と、
   を含むことを特徴とする正極活物質の製造方法。
2. 前記正極活物質は、オリビン系正極活物質であることを特徴とする請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
3. 前記造粒物の平均粒子径が５〜１５μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の正極活物質の製造方法。