JP2013193927A - Method of producing particulate mixture, particulate mixture, lithium ion secondary battery positive electrode active material, lithium ion secondary battery, and aqueous solution used in method of producing the particulate mixture - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and the like of producing a particulate mixture capable of continuously synthesizing lithium iron phosphate having small particle diameter and uniform element distribution at low cost.SOLUTION: Preferably, a divalent iron chloride, which is a divalent iron, is used for an iron source. A phosphorous acid is used for a phosphorus source. The phosphorous acid has strong reduction characteristics. When a divalent iron is oxidized to a trivalent iron, it might precipitate hydroxides. Therefore, the phosphorous acid is applied to control progress of oxidation of iron. That is, the phosphorous acid serves as the phosphorus source and functions as an antioxidant for iron. For a lithium source, a lithium hydroxide is desirable because it is inexpensive and includes no corrosive substance such as chlorides.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池正極活物質の前駆体である微粒子混合物の製造方法等に関する。   The present invention relates to a method for producing a fine particle mixture which is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery.

近年、電子機器のモバイル化と高機能化に伴い、駆動電源である二次電池は最重要部品のひとつになっている。特に、リチウムイオン二次電池は、用いられる正極活物質材料と負極活物質材料の高い電圧から得られるエネルギー密度の高さから、従来のNiCd電池やNi水素電池に替わり、二次電池の主流の位置を占めるに至っている。   In recent years, with the increasing mobility and functionality of electronic devices, secondary batteries, which are driving power sources, have become one of the most important components. In particular, lithium-ion secondary batteries replace the conventional NiCd batteries and Ni-hydrogen batteries due to the high energy density obtained from the high voltages of the positive electrode active material and the negative electrode active material used. Occupies a position.

しかしながら、現在のリチウムイオン電池に用いられ、標準となっているコバルト酸リチウム(LiCoO)系正極活物質材料と黒鉛主体のカーボン系負極活物質材料の組み合わせによるリチウムイオン二次電池は、昨今の高機能高負荷電子部品の消費電力量を充分に供給することができず、携帯電源としては要求性能を満たすことができなくなっている。 However, lithium ion secondary batteries using a combination of a lithium cobaltate (LiCoO 2 ) -based positive electrode active material and a graphite-based carbon-based negative electrode active material, which are used in current lithium ion batteries, The power consumption of high-function, high-load electronic components cannot be sufficiently supplied, and the required performance cannot be satisfied as a portable power source.

さらに、コバルト酸リチウムは、レアメタルであるコバルトを用いているため、資源的制約が大きく、高価であり、価格安定性に課題がある。また、コバルト酸リチウムは、180℃以上の高温になると、多量の酸素を放出するため、異常発熱時や電池の短絡時には爆発が起きる可能性がある。   Further, since lithium cobaltate uses cobalt, which is a rare metal, there are significant resource constraints, high costs, and a problem in price stability. Further, since lithium cobaltate releases a large amount of oxygen at a high temperature of 180 ° C. or higher, there is a possibility that explosion occurs during abnormal heat generation or short-circuiting of the battery.

そのため、リン酸鉄リチウム(LiFePO)を始めとするオリビン構造を有するリン酸遷移金属リチウムが、資源面、コスト面、安全面を満たす材料として、注目を集めている。 For this reason, lithium transition metal lithium having an olivine structure such as lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) has been attracting attention as a material that satisfies resource, cost, and safety aspects.

リン酸鉄リチウムを合成する方法として、固相法と呼ばれる方法が知られている。例えば、乾燥した正極活物質の原料物質を乾燥状態で遊星ボールミル等を用いて1時間〜1日程度混合するか、または正極活物質の原料物質にアルコール類、ケトン類、テトラヒドロフランなどの有機溶媒、もしくは水を加えて湿式で混合することによって焼成前駆体を得る。   As a method for synthesizing lithium iron phosphate, a method called a solid phase method is known. For example, the raw material of the dried positive electrode active material is mixed in a dry state for about 1 hour to 1 day using a planetary ball mill or the like, or the positive electrode active material is mixed with an organic solvent such as alcohols, ketones, tetrahydrofuran, Alternatively, a calcined precursor is obtained by adding water and mixing in a wet manner.

このようにして正極活物質の原料となる物質を混合して焼成前駆体を得た後、一旦300〜450℃にて数時間かけて第一段階の焼成をした後、炉より取り出し、その仮焼成物に対して、導電性炭素前駆物質を所定量添加し、さらに数時間所定雰囲気で第二段階の焼成することにより行うことができる(例えば特許文献1)。   Thus, after mixing the substance used as the raw material of a positive electrode active material and obtaining a baking precursor, after baking once at 300-450 degreeC for several hours, it takes out from a furnace, the temporary A predetermined amount of a conductive carbon precursor is added to the fired product, and further, the second stage firing is performed in a predetermined atmosphere for several hours (for example, Patent Document 1).

すなわち、固相法とは、リチウム源、鉄源、リン源の各粉末を混合し、不活性雰囲気下で焼成処理するという方法である。この方法は、焼成条件をうまく選ばないと生成物の組成が目的通りにならず、かつ粒子径の制御が難しいという問題点を有する。   That is, the solid phase method is a method in which powders of a lithium source, an iron source, and a phosphorus source are mixed and fired in an inert atmosphere. This method has a problem that the composition of the product is not as intended unless the firing conditions are properly selected, and it is difficult to control the particle size.

また、リン酸鉄リチウムを合成する方法として、液相での水熱合成を利用した水熱合成法も知られている。例えば、電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体を含む溶液または懸濁液を噴霧し、加熱する。これらの原料を溶媒中に溶解あるいは分散させて、均一な溶液あるいは懸濁液とし、この溶液あるいは懸濁液を不活性雰囲気下または還元性雰囲気下に噴霧するとともに加熱する。   As a method for synthesizing lithium iron phosphate, a hydrothermal synthesis method utilizing hydrothermal synthesis in a liquid phase is also known. For example, a solution or suspension containing an electron conductive substance or a precursor of the electron conductive substance is sprayed and heated. These raw materials are dissolved or dispersed in a solvent to form a uniform solution or suspension, and the solution or suspension is sprayed and heated in an inert atmosphere or a reducing atmosphere.

噴霧時の加熱温度は、使用する原料により異なるが、好ましくは500〜1000℃、より好ましくは650〜900℃とする。溶液中あるいは懸濁液中に均一に分散されていた電子導電性物質または電子導電性物質の前駆体は、液滴中に均一に分散して存在するため、2次粒子が生成する際に、その2次粒子中に均一に存在した状態で取り込まれ、1次粒子間に電子導電性物質が介在した2次粒子を得ることができる(例えば特許文献2)。   Although the heating temperature at the time of spraying changes with raw materials to be used, it is preferably 500 to 1000 ° C, more preferably 650 to 900 ° C. Since the electronically conductive substance or the precursor of the electronically conductive substance that has been uniformly dispersed in the solution or suspension exists in the droplets uniformly, when the secondary particles are formed, Secondary particles can be obtained that are incorporated in a state of being uniformly present in the secondary particles and in which an electron conductive substance is interposed between the primary particles (for example, Patent Document 2).

すなわち、水熱合成法は、高温高圧の熱水の存在下で行われる。固相法に比べてはるかに低温で、純度の高い生成物が得られる。しかし、粒径の制御を反応温度や時間などの調製条件により行うが、粒径の制御の再現性に乏しく、粒径の制御が困難であった。   That is, the hydrothermal synthesis method is performed in the presence of high-temperature and high-pressure hot water. A product with high purity is obtained at a much lower temperature than in the solid phase method. However, the control of the particle size is performed according to the preparation conditions such as the reaction temperature and time, but the reproducibility of the control of the particle size is poor and it is difficult to control the particle size.

また、リン酸鉄リチウムを合成する方法として、噴霧熱分解法がある。噴霧熱分解法は、炭素含有化合物、リチウム含有化合物、鉄含有化合物及びリン含有化合物の混合溶液から微小なミストを生成し、生成された微小ミストを流通させながら加熱することで熱分解させ、炭素を含有するリン酸鉄リチウム前駆体からなる微粉体を生成し、生成された前記微粉体を不活性ガス−水素混合ガス雰囲気中で加熱して焼成することで炭素を含有するリン酸鉄リチウム粉体を生成する方法である。(特許文献3を参照。)   As a method for synthesizing lithium iron phosphate, there is a spray pyrolysis method. The spray pyrolysis method generates fine mist from a mixed solution of a carbon-containing compound, a lithium-containing compound, an iron-containing compound, and a phosphorus-containing compound, and thermally decomposes by heating while circulating the generated fine mist, and carbon A lithium iron phosphate powder containing carbon by producing a fine powder composed of a lithium iron phosphate precursor containing carbon and heating and firing the produced fine powder in an inert gas-hydrogen mixed gas atmosphere It is a method of generating a body. (See Patent Document 3)

特許4822416号公報Japanese Patent No. 4822416 特開2004−14340号公報JP 2004-14340 A 特開2009−070666号公報JP 2009-070666 A

しかしながら、リン酸鉄リチウムは、その構造に由来して、電気伝導度が低く、リチウムイオン拡散性が悪いため、充放電の速度が低いという問題点がある。   However, lithium iron phosphate has a problem of low charge / discharge speed because of its low electrical conductivity and poor lithium ion diffusibility due to its structure.

そのため、より粒径の小さなリン酸鉄リチウムが求められている。粒径が小さければ、リン酸鉄リチウム自体の電気伝導度が低くとも、リン酸鉄リチウムを経由する導電パスが短くて済む。また、粒径が小さければ、拡散距離が短くなり、高速の充放電にも対応できると考えられている。   Therefore, lithium iron phosphate having a smaller particle size is required. If the particle size is small, the conductive path through the lithium iron phosphate may be short even if the electrical conductivity of the lithium iron phosphate itself is low. Moreover, if the particle size is small, the diffusion distance is shortened, and it is considered that high-speed charge / discharge can be handled.

また、LiCoOのような層状構造、LiMnOのようなスピネル構造においては、充放電時のリチウムイオンの拡散方向が二次元的または三次元的であるが、リン酸鉄リチウムを始めとするオリビン構造においては、リチウムイオンの拡散方向が一次元的である。そのため、リン酸鉄リチウムの粒子内部の組成が不均一であると、リチウムイオンの拡散が妨げられ、粒子を構成するリン酸鉄リチウムの一部しか充放電に参加できなくなり、容量が低下する。 In addition, in a layered structure such as LiCoO 2 and a spinel structure such as LiMnO 2 , the diffusion direction of lithium ions during charge and discharge is two-dimensional or three-dimensional, but olivine including lithium iron phosphate is used. In the structure, the diffusion direction of lithium ions is one-dimensional. Therefore, if the composition inside the lithium iron phosphate particles is not uniform, the diffusion of lithium ions is hindered, and only a portion of the lithium iron phosphate constituting the particles can participate in charging and discharging, resulting in a reduction in capacity.

さらに、固相法も水熱合成法も、基本的には回分式で小規模な反応器を使用しており、連続式で大規模にリン酸鉄リチウムを合成可能な方法が求められていた。   Furthermore, both the solid-phase method and hydrothermal synthesis method basically use a batch reactor and a small-scale reactor, and there is a need for a method that can synthesize lithium iron phosphate on a large scale on a continuous basis. .

また、前述の噴霧熱分解法においては、熱分解温度が500〜900℃(特許文献2請求項2)であり、さらに熱分解時間も10秒以上(特許文献2段落0026より算出)は必要であった。   Moreover, in the above-mentioned spray pyrolysis method, the pyrolysis temperature is 500 to 900 ° C. (Patent Document 2 claim 2), and further the pyrolysis time is 10 seconds or more (calculated from Paragraph 0026 of Patent Document 2). there were.

一方、より高温短時間での方法として、噴霧燃焼法がある。噴霧燃焼法は、高温(例えば、1000〜3000℃、通常2000℃前後)であり、燃焼時間も短時間(数ミリ秒)である。このため、得られた微粒子混合物(活物質前駆体)は粒径が小さくなり、さらにそれぞれの粒子が独立する。   On the other hand, there is a spray combustion method as a method at a higher temperature in a shorter time. The spray combustion method is a high temperature (for example, 1000 to 3000 ° C., usually around 2000 ° C.), and the combustion time is also short (several milliseconds). For this reason, the obtained fine particle mixture (active material precursor) has a small particle size, and each particle is independent.

また、前述の噴霧熱分解法では、熱分解工程により炭素を含有させるため、焼成工程において還元性のガスである水素ガスを加える必要がある。一方、噴霧燃焼法では、噴霧燃焼法による微粒子の生成工程の後に炭素源を加えるため、還元性のある炭素源を使用することができる。したがって、焼成工程において還元性のあるガスを用いる必要がない。   Further, in the above-described spray pyrolysis method, since carbon is contained in the pyrolysis process, it is necessary to add hydrogen gas, which is a reducing gas, in the firing process. On the other hand, in the spray combustion method, since a carbon source is added after the production process of fine particles by the spray combustion method, a reducing carbon source can be used. Therefore, it is not necessary to use a reducing gas in the firing step.

ここで、噴霧熱分解法では、ミストのキャリアガスが不活性ガスのみであるが、噴霧燃焼法では、キャリアガスに可燃性ガスを含み、原料溶液の液滴を燃焼するものである。通常、噴霧燃焼法では、この原料溶液として灯油系の溶液が使用されてきた。このような溶液を燃焼することで所望の金属による微粒子混合物が形成される。   Here, in the spray pyrolysis method, the carrier gas of the mist is only an inert gas, but in the spray combustion method, the carrier gas contains a combustible gas and burns the droplets of the raw material solution. Usually, in the spray combustion method, a kerosene-based solution has been used as the raw material solution. By burning such a solution, a fine particle mixture of a desired metal is formed.

しかしながら、このような灯油系の溶液を用いた方法では、燃焼時の発熱量が大きい。したがって、設備等の冷却が必要であるため、連続した運転が困難であった。また、排気の冷却など、運転コストが増大する。また、灯油系の溶媒は高価であるため、原料コストが増大する。さらに、灯油系の溶媒の粘性が高くなると、微粒子を得ることも困難となる。   However, the method using such a kerosene-based solution generates a large amount of heat during combustion. Therefore, since operation | movement etc. need cooling, the continuous driving | operation was difficult. In addition, operating costs such as exhaust cooling increase. In addition, since kerosene-based solvents are expensive, raw material costs increase. Furthermore, when the viscosity of the kerosene solvent increases, it becomes difficult to obtain fine particles.

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、小粒径であり、元素分布が均一であるリン酸鉄リチウムを、連続的かつ低コストに合成可能な微粒子混合物の製造方法等を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and includes a method for producing a fine particle mixture capable of synthesizing lithium iron phosphate having a small particle size and uniform element distribution continuously and at low cost. The purpose is to provide.

前述した目的を達成するため、第1の発明は、リチウムイオン二次電池正極活物質の前駆体である微粒子混合物の製造方法であって、微粒子混合物におけるリチウム源、リン源、および鉄源を含む水溶液を用い、前記リン源は、亜リン酸であり、前記水溶液は、Liイオン、Pイオン、および二価のFeイオンを略同比率で含み、前記水溶液を可燃性ガスと支燃性ガスを混合して燃焼させて形成した火炎中に噴霧することで微粒子混合物を生成することを特徴とする微粒子混合物の製造方法である。その結果、LiFePOの化学量論的組成の近傍の微粒子化合物を得ることができる。 In order to achieve the above-described object, a first invention is a method for producing a fine particle mixture that is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, and includes a lithium source, a phosphorus source, and an iron source in the fine particle mixture. An aqueous solution is used, the phosphorus source is phosphorous acid, the aqueous solution contains Li ions, P ions, and divalent Fe ions in substantially the same ratio, and the aqueous solution contains a combustible gas and a combustion-supporting gas. A method of producing a fine particle mixture, wherein the fine particle mixture is produced by spraying into a flame formed by mixing and burning. As a result, a fine particle compound in the vicinity of the stoichiometric composition of LiFePO 4 can be obtained.

前記鉄源は、二価の塩化鉄であることが望ましい。   The iron source is preferably divalent iron chloride.

前記リチウム源は、水酸化リチウムであり、前記水溶液は、亜リン酸と二価の塩化鉄水溶液とを混合した後、水酸化リチウム水溶液と硝酸とを加えて生成することが望ましい。   The lithium source is lithium hydroxide, and the aqueous solution is preferably formed by mixing phosphorous acid and a divalent iron chloride aqueous solution and then adding the lithium hydroxide aqueous solution and nitric acid.

前記水溶液における前記Liイオン濃度、前記Pイオン濃度、および前記二価のFeイオン濃度が、0.5mol/L以上、1.0mol/L以下であることが望ましい。   The Li ion concentration, the P ion concentration, and the divalent Fe ion concentration in the aqueous solution are preferably 0.5 mol / L or more and 1.0 mol / L or less.

前記微粒子混合物は、LiFePOの化学両論的組成の近傍の組成を有する微粒子化合物を含む。 The fine particle mixture includes a fine particle compound having a composition in the vicinity of the stoichiometric composition of LiFePO 4 .

第1の発明によれば、微粒子混合物を構成する各金属源を水溶液中に溶解させるため、従来の灯油系の溶液と比較して、燃焼時の発熱量が抑制される。したがって、連続運転が可能となる。また、水溶液であるため、原料のコストも削減することができる。また、水溶液は粘性が低いため、粒度をより小さくすることが可能となる。   According to the first invention, since each metal source constituting the fine particle mixture is dissolved in the aqueous solution, the calorific value at the time of combustion is suppressed as compared with the conventional kerosene-based solution. Therefore, continuous operation is possible. Moreover, since it is aqueous solution, the cost of a raw material can also be reduced. Moreover, since aqueous solution has low viscosity, it becomes possible to make a particle size smaller.

また、水酸化鉄において、二価の鉄と三価の鉄とでは、三価の鉄の方が鉄イオンと水酸化物イオンとの溶解度積が小さい。このため、三価の鉄は水酸化物の沈殿物を生じさせやすくなる。これに対し、本発明では、リン源として、亜リン酸が用いられるため、亜リン酸の強い還元性によって鉄の酸化を抑制することができる。したがって、水酸化鉄の沈殿を抑制することができる。   Further, in iron hydroxide, of divalent iron and trivalent iron, trivalent iron has a smaller solubility product of iron ions and hydroxide ions. For this reason, trivalent iron tends to cause a precipitate of hydroxide. On the other hand, in this invention, since phosphorous acid is used as a phosphorus source, the oxidation of iron can be suppressed by the strong reducibility of phosphorous acid. Therefore, precipitation of iron hydroxide can be suppressed.

また、鉄源として、二価である二価の塩化鉄を用いることで、安価であり、前述の水酸化鉄の沈殿を抑制することができる。   In addition, by using divalent iron chloride that is divalent as the iron source, the iron source is inexpensive and the above-described precipitation of iron hydroxide can be suppressed.

また、リチウム源として水酸化リチウムを用いることで、例えば塩化リチウムを用いる場合と比較して腐食性の塩化物の量を抑え、また、同時に硝酸を加えることで、水酸化物の生成を抑制することができる。   In addition, by using lithium hydroxide as a lithium source, for example, the amount of corrosive chloride is suppressed as compared with the case of using lithium chloride, and at the same time, the formation of hydroxide is suppressed by adding nitric acid. be able to.

また、Liイオン、Pイオン、および二価のFeイオンを、それぞれ0.5mol/L以上とすることで、十分な各金属イオン濃度となり、微粒子混合物の製造効率が高い。また、各イオンが1.0mol/L以下であるため、水溶液中に固体が残存することを防止することができる。したがって、均一かつ粒度の小さな微粒子混合物を得ることができるとともに、ノズル詰まり等の恐れもない。   Further, by setting each of Li ion, P ion, and divalent Fe ion to 0.5 mol / L or more, each metal ion concentration becomes sufficient, and the production efficiency of the fine particle mixture is high. Moreover, since each ion is 1.0 mol / L or less, it can prevent that solid remains in aqueous solution. Therefore, a uniform and small particle size mixture can be obtained, and there is no fear of nozzle clogging.

また、得られた微粒子混合物が、LiFePOの化学両論的組成の近傍の組成を有することで、その後の焼成によって、LiFePOリチウムイオン二次電池正極活物質を得ることができる。 Also, particulate mixture obtained, to have a composition near the stoichiometric composition of the LiFePO 4, by subsequent firing, it is possible to obtain LiFePO 4 lithium ion secondary battery positive electrode active material.

第2の発明は、第1の発明にかかる製造方法により製造されたLiFePOの化学両論的組成の近傍の組成を有する微粒子化合物を含む微粒子混合物である。化学量論的組成の近傍の組成とは、微粒子化合物の組成が、LiFePOの化学量論的組成からのズレが、化学量論的組成における各元素の組成を100%とした場合に、±5%以内の95〜105%の範囲を満足する微粒混合物である。 The second invention is a fine particle mixture containing a fine particle compound having a composition in the vicinity of the stoichiometric composition of LiFePO 4 produced by the production method according to the first invention. The composition in the vicinity of the stoichiometric composition means that when the composition of the fine particle compound is shifted from the stoichiometric composition of LiFePO 4 by assuming that the composition of each element in the stoichiometric composition is 100%, ± It is a fine particle mixture satisfying the range of 95 to 105% within 5%.

また、第3の発明は、第1の発明にかかる微粒子混合物の製造方法により得られた微粒子混合物を炭素源とともに焼成することで得ることを特徴とするリチウムイオン二次電池正極活物質である。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery obtained by firing a fine particle mixture obtained by the method for producing a fine particle mixture according to the first invention together with a carbon source.

また、第4の発明は、第3の発明にかかるリチウムイオン二次電池正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池である。   Moreover, 4th invention is a lithium ion secondary battery using the lithium ion secondary battery positive electrode active material concerning 3rd invention.

第2から第4の発明によれば、焼成工程において還元性のガスである水素ガスを用いることなく、均一かつ粒度の小さなリチウムイオン二次電池正極活物質を得ることができる。したがって、容量の大きな二次電池正極活物質およびこれを用いたリチウムイオン二次電池を得ることができる。   According to the second to fourth inventions, a lithium ion secondary battery positive electrode active material having a uniform and small particle size can be obtained without using hydrogen gas, which is a reducing gas, in the firing step. Therefore, a secondary battery positive electrode active material having a large capacity and a lithium ion secondary battery using the same can be obtained.

第5の発明は、リチウムイオン二次電池正極活物質の前駆体である微粒子混合物の製造方法に用いられる水溶液であって、リン源として亜リン酸、リチウム源として水酸化リチウム、鉄源として二価の塩化鉄および硝酸を含み、前記水溶液は、Liイオン、Pイオン、および二価のFeイオンを略同比率で含むことを特徴とする微粒子混合物の製造方法に用いられる水溶液である。   A fifth invention is an aqueous solution used in a method for producing a fine particle mixture, which is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, comprising phosphorous acid as a phosphorus source, lithium hydroxide as a lithium source, and two as an iron source. The aqueous solution contains a valent iron chloride and nitric acid, and is an aqueous solution used in a method for producing a fine particle mixture characterized by containing Li ions, P ions, and divalent Fe ions in substantially the same ratio.

第5の発明によれば、安価であり、噴霧燃焼法によって、粒度の小さな、リチウムイオン二次電池正極活物質の前駆体であるリン酸鉄リチウムの微粒子混合物を効率良く生成することが可能となる。   According to the fifth aspect of the present invention, it is inexpensive, and it is possible to efficiently generate a fine particle mixture of lithium iron phosphate that is a precursor of a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery with a small particle size by spray combustion. Become.

本発明により、元素分布が均一で、小粒径であるリン酸鉄リチウムを、連続的かつ低コストに合成可能な微粒子混合物の製造方法等を提供することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a fine particle mixture capable of synthesizing lithium iron phosphate having a uniform element distribution and a small particle diameter continuously and at low cost.

本発明に係る微粒子混合物を生成するための噴霧燃焼法に用いる微粒子製造装置1の概略図。1 is a schematic view of a fine particle production apparatus 1 used in a spray combustion method for producing a fine particle mixture according to the present invention. 噴霧燃焼法に用いる水溶液の製造工程を示す図。The figure which shows the manufacturing process of the aqueous solution used for the spray combustion method.

以下に本発明に係る実施態様を説明する。図1は、噴霧燃焼法により微粒子混合物を製造する微粒子製造装置を示す図である。微粒子製造装置1は、水溶液供給部3、燃焼ガス供給部5、エア供給部7、混合ノズル9、反応容器11、フィルタ13等から構成される。   Embodiments according to the present invention will be described below. FIG. 1 is a diagram showing a fine particle production apparatus for producing a fine particle mixture by a spray combustion method. The fine particle manufacturing apparatus 1 includes an aqueous solution supply unit 3, a combustion gas supply unit 5, an air supply unit 7, a mixing nozzle 9, a reaction vessel 11, a filter 13, and the like.

水溶液供給部3は、原料である水溶液を供給する部位である。水溶液供給部3は、水溶液のタンク等を有してもよく、水溶液の製造ラインと連結されて連続して水溶液を供給可能としてもよい。なお、使用される水溶液については、詳細を後述する。   The aqueous solution supply unit 3 is a part for supplying an aqueous solution as a raw material. The aqueous solution supply unit 3 may have an aqueous solution tank or the like, and may be connected to an aqueous solution production line so that the aqueous solution can be continuously supplied. The details of the aqueous solution used will be described later.

燃焼ガス供給部5は、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタンなどのパラフィン系炭化水素ガスや、エチレン、プロピレン、ブチレンなどのオレフィン系炭化水素ガスなどの炭化水素系の可燃性ガスを供給する部位である。また、エア供給部7は、支燃性ガスである空気(または酸素)を供給する部位である。   The combustion gas supply unit 5 supplies a hydrocarbon-based combustible gas such as a paraffinic hydrocarbon gas such as methane, ethane, propane, or butane, or an olefinic hydrocarbon gas such as ethylene, propylene, or butylene. is there. Moreover, the air supply part 7 is a site | part which supplies the air (or oxygen) which is a combustion support gas.

水溶液供給部3、燃焼ガス供給部5、エア供給部7から供給される各物質は、混合ノズル9に送られ(図中矢印A方向)、混合ノズル9よって混合されるとともに、微粒子が合成される。なお、可燃性ガスと支燃性ガスを用いたバーナに対して、水溶液を別途噴霧してもよい。また、リチウム源、鉄源、リン源の混合溶液を、直径20μm以下の霧状の液滴にて供給することが好ましい。   Each substance supplied from the aqueous solution supply unit 3, the combustion gas supply unit 5 and the air supply unit 7 is sent to the mixing nozzle 9 (in the direction of arrow A in the figure) and mixed by the mixing nozzle 9, and fine particles are synthesized. The Note that an aqueous solution may be separately sprayed on a burner using a combustible gas and a combustion-supporting gas. Moreover, it is preferable to supply the mixed solution of a lithium source, an iron source, and a phosphorus source in the form of mist droplets having a diameter of 20 μm or less.

原料である水溶液が噴霧された反応容器11内では、原料水溶液中の金属同士が反応して微粒子混合物が生成する。なお、このような噴霧燃焼法として、VAD(Vapor−phase Axial Deposition)法などが好適な例として挙げられる。これらの火炎の温度は、可燃性ガスと支燃性ガスの混合比や、さらに構成原料の添加割合によって変化するが、通常1000〜3000℃の間にあり、特に1500〜2500℃程度であることが好ましい。なお、反応容器11内は、予め不活性ガスが充填される。   In the reaction vessel 11 sprayed with the aqueous solution as the raw material, the metals in the raw material aqueous solution react to form a fine particle mixture. In addition, as such a spray combustion method, a VAD (Vapor-phase Axial Deposition) method etc. are mentioned as a suitable example. The temperature of these flames varies depending on the mixing ratio of the combustible gas and the combustion-supporting gas and the addition ratio of the constituent raw materials, but is usually between 1000 and 3000 ° C., particularly about 1500 to 2500 ° C. Is preferred. The reaction vessel 11 is filled with an inert gas in advance.

生成した微粒子混合物は、排気中からフィルタ13で回収することができる。また、以下のように芯棒の周囲に生成させることもできる。反応器の中にシリカやシリコン系の芯棒(種棒とも呼ばれる)を設置し、これに吹き付けている酸水素火炎中やプロパン火炎中に火炎原料と共にリチウム源、鉄源、リン源を供給し、加水分解または酸化反応させると、芯棒表面に主にナノオーダーの微粒子が生成付着する。これらの生成微粒子を回収し、場合によってはフィルタやふるいに掛けて、不純物や凝集粗大分を除く。このようにして得られた微粒子混合物は、ナノスケールの極微小な粒径を持ち、主として非晶質である微粒子からなる。   The produced fine particle mixture can be recovered from the exhaust gas by the filter 13. It can also be generated around the core rod as follows. A silica or silicon core rod (also called a seed rod) is installed in the reactor, and a lithium source, an iron source, and a phosphorus source are supplied together with the flame raw material into the oxyhydrogen flame or propane flame that is blown onto the core rod. When hydrolyzed or oxidized, mainly nano-order fine particles are generated and attached to the surface of the core rod. These generated fine particles are collected and, if necessary, filtered or sieved to remove impurities and coarse aggregates. The fine particle mixture thus obtained is composed of fine particles mainly having an amorphous nano-scale particle size and amorphous.

本発明に係る微粒子混合物の製造方法である噴霧燃焼法は、製造できる微粒子混合物が、主に非晶質であり、粒子の大きさも小さい。さらに、噴霧燃焼法では、従来の水熱合成法や固相法に比べて、短時間で大量の合成が可能であり、低コストで均質な微粒子混合物を得ることができる。   In the spray combustion method, which is a method for producing a fine particle mixture according to the present invention, the fine particle mixture that can be produced is mainly amorphous and has a small particle size. Furthermore, in the spray combustion method, a large amount of synthesis is possible in a short time compared to the conventional hydrothermal synthesis method and solid phase method, and a homogeneous fine particle mixture can be obtained at low cost.

また、得られる微粒子混合物は、主にリチウム、鉄、リンの酸化物や、リン酸鉄リチウムの非晶質な微粒子からなる。さらに、一部にはリン酸鉄リチウム系化合物の結晶成分も含まれる。微粒子混合物の組成が均一であり、微粒子混合物の形状が略球形であり、粒子の平均アスペクト比(長径/短径)が、1.5以下、好ましくは1.2以下、より好ましくは1.1以下である。また、微粒子混合物の粒径は5〜200nmの範囲にある。   The obtained fine particle mixture mainly comprises oxides of lithium, iron, phosphorus, and amorphous fine particles of lithium iron phosphate. Furthermore, some of them include a crystal component of a lithium iron phosphate compound. The composition of the fine particle mixture is uniform, the shape of the fine particle mixture is substantially spherical, and the average aspect ratio (major axis / minor axis) of the particles is 1.5 or less, preferably 1.2 or less, more preferably 1.1. It is as follows. The particle size of the fine particle mixture is in the range of 5 to 200 nm.

なお、粒子が略球形であるとは、粒子形状が幾何学的に厳密な球形や楕円球形であることまでは意味せず、わずかな突起部があっても粒子の表面がおおむね滑らかな曲面で構成されていればよい。   It should be noted that the fact that the particle is substantially spherical does not mean that the particle shape is a geometrically strict spherical or elliptical sphere, and the surface of the particle is generally a smooth curved surface even if there are a few protrusions. It only has to be configured.

次に、本発明において用いられる原料溶液である水溶液について説明する。鉄源としては、塩化鉄、水酸化鉄、酸化鉄などを用いることができるが、二価の鉄を用いることが望ましい。   Next, an aqueous solution that is a raw material solution used in the present invention will be described. As the iron source, iron chloride, iron hydroxide, iron oxide and the like can be used, but it is desirable to use divalent iron.

水溶液中では、三価の鉄イオンは、水酸化物イオンとの溶解度積が二価の場合と比較して小さくなる。このため、三価の鉄イオンは、水酸化物の沈殿物を生じさせる恐れがある。このような沈殿物は、ノズルの詰まりを引き起こし、また、所望の元素比の微粒子混合物の生成の妨げとなるため望ましくない。したがって、コストおよび取り扱い性を考慮すると、二価のシュウ酸鉄(シュウ酸第一鉄)、二価の酢酸鉄(酢酸第一鉄)、二価の酸化鉄(酸化第一鉄)、二価の塩化鉄などを用いることができるが、二価の塩化鉄がコストの点では特に望ましい。   In an aqueous solution, trivalent iron ions are smaller than when the solubility product with hydroxide ions is divalent. For this reason, trivalent iron ions may cause a precipitate of hydroxide. Such precipitates are undesirable because they cause nozzle clogging and hinder the formation of a fine particle mixture with a desired element ratio. Therefore, in consideration of cost and handleability, divalent iron oxalate (ferrous oxalate), divalent iron acetate (ferrous acetate), divalent iron oxide (ferrous oxide), divalent However, divalent iron chloride is particularly desirable in terms of cost.

リン源としては、亜リン酸が用いられる。亜リン酸は強い還元性を有する。前述の通り、二価の鉄が酸化して三価となると、水酸化物の沈殿物を生じさせる恐れがある。したがって、鉄の酸化の進行を抑制するため、本発明では亜リン酸が適用される。すなわち、亜リン酸は、リン源となるとともに、鉄の酸化防止剤として機能する。   Phosphorous acid is used as the phosphorus source. Phosphorous acid has a strong reducibility. As described above, when divalent iron is oxidized to be trivalent, a precipitate of hydroxide may be formed. Therefore, phosphorous acid is applied in the present invention to suppress the progress of iron oxidation. That is, phosphorous acid serves as a phosphorus source and functions as an iron antioxidant.

リチウム源としては、塩化リチウム、水酸化リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、硝酸リチウム、臭化リチウム、リン酸リチウム、硫酸リチウムなどのリチウム無機酸塩などを用いることができる。特に、水酸化リチウムは、価格が安く、塩化物などの腐食性物質を含まないため望ましい。   As the lithium source, lithium inorganic acid salts such as lithium chloride, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium acetate, lithium nitrate, lithium bromide, lithium phosphate, and lithium sulfate can be used. In particular, lithium hydroxide is preferable because it is inexpensive and does not contain corrosive substances such as chloride.

図2は、本発明のリチウムイオン二次電池正極活物質の前駆体である微粒子混合物の製造方法に用いられる水溶液を製造する一例を示す図である。まず、二価の塩化鉄水溶液に亜リン酸を加える(ステップ101)。これにより、鉄の酸化が抑制される。   FIG. 2 is a diagram showing an example of producing an aqueous solution used in the method for producing a fine particle mixture which is a precursor of the positive electrode active material of the lithium ion secondary battery of the present invention. First, phosphorous acid is added to a divalent iron chloride aqueous solution (step 101). Thereby, the oxidation of iron is suppressed.

次に、水酸化リチウム水溶液と硝酸とを加える(ステップ102)。硝酸は、水溶液を酸性にするものである。これは、水酸化物イオンが過剰に存在すると、前述した水酸化物の沈殿が生じる恐れがあるためである。   Next, an aqueous lithium hydroxide solution and nitric acid are added (step 102). Nitric acid makes the aqueous solution acidic. This is because if the hydroxide ions are present in excess, the above-described hydroxide precipitation may occur.

なお、鉄源、リン源、リチウム源における各金属イオンの比率は、略同一となるように調整される。これは、目的とするLiFePOの金属比である。これに対し、Liが過剰に存在すると、重量当たりの容量が低下し、また、コスト増となる。一方、Liが不足すれば、リチウムイオン二次電池としての初回充電容量が低下する。 In addition, the ratio of each metal ion in an iron source, a phosphorus source, and a lithium source is adjusted so that it may become substantially the same. This is the target metal ratio of LiFePO 4 . On the other hand, when Li is present in excess, the capacity per weight is reduced and the cost is increased. On the other hand, if Li is insufficient, the initial charge capacity as a lithium ion secondary battery is reduced.

また、Feが過剰であると、Pが消費されることで三価になりやすくなり、沈殿物を生じやすくなる。また、鉄単体または目的とする化合物以外の鉄リッチな化合物や鉄の酸化物などが生成することで、充放電反応を阻害する恐れがある一方、Feが不足すると、活物質の生成量が低下する。   Moreover, when Fe is excessive, it will become trivalent because P is consumed, and it will become easy to produce a deposit. In addition, iron-rich compounds other than the target compound or iron oxides may be generated, which may inhibit the charge / discharge reaction. On the other hand, when Fe is insufficient, the amount of active material produced is reduced. To do.

また、Pが過剰であると、原料コストが増加し、また、他のリン酸化合物が生じてしまうため、容量が低下する。一方、Pが不足すると、活物質生成量が低下する。また、相対的にFeおよびLiが過剰である場合と同様の弊害が生じる。   On the other hand, if P is excessive, the raw material cost increases and other phosphoric acid compounds are produced, resulting in a decrease in capacity. On the other hand, when P is insufficient, the amount of active material produced decreases. Moreover, the same harmful effect as the case where Fe and Li are relatively excessive arises.

したがって、各金属のイオン比は略同一であることが望ましい。なお、各元素の化学両論比(同一モル比)に対して、それぞれの元素が、95%〜105%の範囲であれば、若干の元素の増減はあったとしても、上述した弊害は小さい。   Therefore, it is desirable that the ion ratio of each metal is substantially the same. In addition, if each element is in the range of 95% to 105% with respect to the stoichiometric ratio (same molar ratio) of each element, even if there is a slight increase / decrease in the element, the above-described adverse effects are small.

また、各金属イオンの濃度は、0.5mol/L以上、1.0mol/L以下であることが望ましい。イオン濃度が0.5mol/L未満では、溶液に対する金属源の濃度が薄いため、製造効率が劣る。各金属イオンの濃度が上記範囲を下回ると、Li、Fe、Pイオンが不足し、LiFePO化合物を含む微粒子混合物の生成効率が低下する。 The concentration of each metal ion is desirably 0.5 mol / L or more and 1.0 mol / L or less. When the ion concentration is less than 0.5 mol / L, the concentration of the metal source with respect to the solution is thin, so that the production efficiency is inferior. When the concentration of each metal ion is below the above range, Li, Fe, and P ions are insufficient, and the production efficiency of the fine particle mixture containing the LiFePO 4 compound is lowered.

また、イオン濃度が1.0mol/Lを超えると、溶解不足などにより、固体成分が残存する恐れがある。固体成分が残存することで、ノズルの詰まりを生じ、また、前述のイオン比が変化するため望ましくない。したがって、各金属イオンの濃度は、0.5mol/L以上、1.0mol/L以下であることが望ましい。   On the other hand, if the ion concentration exceeds 1.0 mol / L, solid components may remain due to insufficient dissolution. Remaining solid components cause nozzle clogging and are undesirable because the above-mentioned ion ratio changes. Therefore, the concentration of each metal ion is desirably 0.5 mol / L or more and 1.0 mol / L or less.

次に、得られた微粒子混合物から、正極活物質材料の製造方法について説明する。上記の方法で得られた微粒子混合物は、LiFePOの化学両論的組成の近傍の組成を有する微粒子化合物を含むものである。この微粒子混合物を、不活性ガス充填雰囲気下で、焼成することにより、活物質凝集体が得られる。また、微粒子混合物や活物質に含まれる非晶質な化合物や酸化物形態の混合物が、焼成により主にオリビン型リン酸鉄リチウムの結晶形態の化合物に変化する。不活性ガス雰囲気は、焼成時に炭素源が燃焼してしまうこと、および正極活物質材料が酸化してしまうことを防ぐことができる。 Next, a method for producing a positive electrode active material material from the obtained fine particle mixture will be described. The fine particle mixture obtained by the above method contains a fine particle compound having a composition in the vicinity of the stoichiometric composition of LiFePO 4 . An active material aggregate is obtained by firing the fine particle mixture in an atmosphere filled with an inert gas. Moreover, the amorphous compound contained in the fine particle mixture or the active material or the oxide form mixture is changed into a crystalline form compound of olivine type lithium iron phosphate mainly by firing. The inert gas atmosphere can prevent the carbon source from burning during firing and the positive electrode active material from being oxidized.

不活性ガスとしては、窒素ガス、アルゴンガス、ネオンガス、ヘリウムガス、二酸化炭素ガスなどを使用することができる。また、熱処理後の生成物の導電性を高めるために、ポリビニルアルコールなどの多価アルコールやショ糖などの糖類、カーボンブラックなどの導電性カーボン源である有機化合物を、熱処理前に活物質凝集体に加えて焼成することもできる。ポリビニルアルコールは、焼成前の微粒子混合物のバインダとしての役割を果たすうえ、焼成中に鉄成分を還元できるので、特に好ましい。   Nitrogen gas, argon gas, neon gas, helium gas, carbon dioxide gas, etc. can be used as the inert gas. In addition, in order to increase the conductivity of the product after heat treatment, an organic compound that is a conductive carbon source such as polyhydric alcohol such as polyvinyl alcohol, saccharide such as sucrose, or carbon black is aggregated before the heat treatment. In addition to firing, it can be fired. Polyvinyl alcohol is particularly preferable because it serves as a binder for the fine particle mixture before firing and can reduce the iron component during firing.

微粒子混合物の結晶化と共にカーボンによるコーティングまたは担持処理が同一焼成工程で行われる。熱処理条件は温度300〜900℃と処理時間0.5〜10時間の組み合わせで適宜所望の結晶性と粒径の焼成物を得ることができる。高温や長時間の熱処理による過大な熱負荷は粗大な単結晶を生成させ得るので回避すべきである。所望の結晶性または微結晶性のリン酸鉄リチウム化合物が得られる程度の加熱条件で、結晶子の大きさを極力小さく抑制できる熱処理条件が望ましい。   A coating or supporting treatment with carbon is performed in the same firing step together with the crystallization of the fine particle mixture. As the heat treatment conditions, a fired product having a desired crystallinity and particle size can be appropriately obtained by combining a temperature of 300 to 900 ° C. and a treatment time of 0.5 to 10 hours. Excessive heat load due to high temperature or prolonged heat treatment should produce a coarse single crystal and should be avoided. Heat treatment conditions that can suppress the size of the crystallites as small as possible under the heating conditions that can obtain the desired crystalline or microcrystalline lithium iron phosphate compound are desirable.

得られた活物質凝集体は、次いで乳鉢やボールミルほか粉砕手段に掛けることにより、再び微粒子とすることができ、Liイオンのインターカレーションホスト足り得る本発明の正極活物質材料が得られる。   The obtained active material aggregate can then be made into fine particles again by subjecting to a mortar, ball mill or other pulverizing means, and the positive electrode active material of the present invention that can suffice with a Li ion intercalation host is obtained.

得られた正極活物質材料に含まれる結晶化リン酸鉄リチウム化合物の大部分は微細結晶であるが、一部には非晶質成分を含む「微結晶」状態も存在する。微結晶とは、例えば、結晶子が複数集まって構成される微粒子が非晶質成分で覆われている状態、或いは非晶質成分マトリクス中に微細な結晶が存在する状態、また微粒子周囲と微粒子間に非晶質成分が存在する状態をいう。   Most of the crystallized lithium iron phosphate compound contained in the obtained positive electrode active material is microcrystalline, but there is also a “microcrystalline” state containing an amorphous component in part. A microcrystal is, for example, a state in which fine particles composed of a plurality of crystallites are covered with an amorphous component, or a state in which fine crystals are present in an amorphous component matrix, A state in which an amorphous component exists between them.

本発明に係る正極活物質材料は、粒子の大きさが小さいので、単結晶や多結晶粒子中におけるLiイオンまたは電子の導電パスが短く、イオン導電性と電子伝導性が優れるので、充放電反応の障壁を低下させることができる。   Since the positive electrode active material according to the present invention has a small particle size, the conduction path of Li ions or electrons in a single crystal or polycrystalline particle is short, and the ionic conductivity and electron conductivity are excellent. The barrier can be lowered.

なお、本発明においては、前述の通り、正極活物質であるリン酸鉄リチウム微粒子が、少なくとも一部にカーボンコートされるか、少なくとも一部にカーボンが担持されていることが好ましい。カーボンコートとは、粒子の表面を炭素で被覆することであり、カーボン担持とは、粒子内に炭素を含有させることである。カーボンコートやカーボン担持により、材料としての導電率が上昇し、リン酸遷移金属リチウム微粒子への導電パスが得られ、正極に用いる際の電極特性が向上する。   In the present invention, as described above, it is preferable that the lithium iron phosphate fine particles as the positive electrode active material are at least partially coated with carbon or at least partially supported with carbon. The carbon coat is to coat the surface of particles with carbon, and the carbon support is to contain carbon in the particles. The carbon coating or carbon support increases the electrical conductivity of the material, provides a conductive path to lithium phosphate transition metal fine particles, and improves the electrode characteristics when used for the positive electrode.

以上により得られた正極活物質材料から、以下のようにして正極電極を形成することができる。まず、カーボンをコーティングまたは担持した正極活物質材料の粉末を、水系溶媒か有機溶媒マトリクス中に加えてスラリーとする。これを、アルミニウムを95重量%以上含むアルミニウム合金箔などの集電体上に、片面ないしは両面に塗布し、乾燥して溶媒を揮発乾固する。   From the positive electrode active material obtained as described above, a positive electrode can be formed as follows. First, the positive electrode active material powder coated or supported with carbon is added to an aqueous solvent or organic solvent matrix to form a slurry. This is applied on one or both sides of a current collector such as an aluminum alloy foil containing 95% by weight or more of aluminum, and dried to evaporate and dry the solvent.

なお、正極活物質材料の粉末には、必要に応じてさらにカーボンブラックなどの導電材料を加えると共に、ポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデン、ポリイミドなどの結着剤、またはブタジエンゴムなどの分散剤、またはカルボキシメチルセルロースほかセルロース誘導体などの増粘剤を加えてもよい。この場合にはこの混合物水系溶媒か有機溶媒マトリクス中に加えてスラリーとする。以上により、正極を得ることができる。   In addition, to the powder of the positive electrode active material, a conductive material such as carbon black is further added as necessary, and a binder such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and polyimide, or a dispersant such as butadiene rubber, Alternatively, a thickener such as carboxymethylcellulose or a cellulose derivative may be added. In this case, the mixture is added to an aqueous solvent or organic solvent matrix to form a slurry. Thus, a positive electrode can be obtained.

この際に、スラリーの塗布性や集電体と活物質材料との密着性、集電性を上げるために、正極活物質材料とカーボン源等を用いてスプレードライ法により造粒して焼成した二次粒子を、活物質材料に替えてスラリー中に含有させて用いることができる。造粒した二次粒子の塊は概略0.5〜20μm程度の大きな塊になるが、これによりスラリー塗布性が飛躍的に向上して、電池電極の特性と寿命もさらに良好となる。スプレードライ法に用いるスラリーは水系溶媒または非水系溶媒のいずれも用いることができる。   At this time, in order to improve the application property of the slurry, the adhesion between the current collector and the active material, and the current collection, granulation was performed by a spray dry method using a positive electrode active material and a carbon source, and then fired. Secondary particles can be used in the slurry instead of the active material. The granulated secondary particle lump becomes a large lump of about 0.5 to 20 μm, which greatly improves the slurry coating property and further improves the characteristics and life of the battery electrode. As the slurry used for the spray drying method, either an aqueous solvent or a non-aqueous solvent can be used.

さらに、正極活物質材料を含むスラリーをアルミニウム合金箔等の集電体上に塗工形成した正極において、活物質層形成面の集電体表面粗さとして日本工業規格(JIS B 0601−1994)に規定される十点平均粗さRzが0.5μm以上であることが望ましい。形成した活物質層と集電体との密着性に優れ、Liイオンの挿入脱離に伴う電子伝導性および集電体までの集電性が増し、充放電のサイクル寿命が向上する。   Furthermore, in a positive electrode in which a slurry containing a positive electrode active material is coated on a current collector such as an aluminum alloy foil, the current collector surface roughness of the active material layer forming surface is Japanese Industrial Standard (JIS B 0601-1994). It is desirable that the ten-point average roughness Rz specified in (1) is 0.5 μm or more. The adhesiveness between the formed active material layer and the current collector is excellent, the electron conductivity accompanying the insertion and release of Li ions and the current collecting power to the current collector are increased, and the cycle life of charge / discharge is improved.

また、前記の集電体と集電体上形成した活物質層の界面において、集電体の主成分が少なくとも活物質層へ拡散した一種の拡散接合状態を示すと、集電体と活物質材料との界面接合性が向上する。したがって、充放電サイクルにおける体積や結晶構造の変化に対して耐性が増すので、サイクル寿命が向上する。前記の集電体表面粗さ条件も満たす場合さらに良好である。溶媒を揮発させ得る充分な焼成条件によれば、集電体成分が活物質層に拡散するなど相互成分を有する界面状態となり密着性に優れ、充放電を重ねてもLiイオンの出入りによる体積変化にも耐え、サイクル寿命が向上する。   In addition, at the interface between the current collector and the active material layer formed on the current collector, when the main component of the current collector is at least a kind of diffusion bonded state diffused to the active material layer, the current collector and the active material Interfacial bondability with the material is improved. Therefore, resistance to changes in volume and crystal structure in the charge / discharge cycle increases, so that the cycle life is improved. It is even better when the current collector surface roughness condition is also satisfied. According to sufficient firing conditions that can volatilize the solvent, the current collector component diffuses into the active material layer, resulting in an interfacial state having mutual components, excellent adhesion, and volume change due to the entry and exit of Li ions even after repeated charge and discharge Withstands and improves cycle life.

また、得られた正極を用いた高容量なリチウムイオン二次電池を得るには、従来公知の負極活物質材料を用いた負極や電解液、セパレータ、電池ケース等の各種材料を、特に制限なく使用することができる。   In addition, in order to obtain a high-capacity lithium ion secondary battery using the obtained positive electrode, various materials such as a negative electrode, an electrolytic solution, a separator, and a battery case using a conventionally known negative electrode active material are not particularly limited. Can be used.

本発明によれば、噴霧燃焼法を用いて、小粒径であり、元素分布が均一であるリン酸鉄リチウムを、連続的かつ低コストに合成可能である。特に、原料を水溶液とするため、灯油系と比較して取り扱い性に優れ、製造時における装置の冷却等の問題もない。また、原料溶液に有機物を含まないため、生成した物質の不純物を低減することができる。   According to the present invention, lithium iron phosphate having a small particle size and uniform element distribution can be synthesized continuously and at low cost using the spray combustion method. In particular, since the raw material is an aqueous solution, it is excellent in handleability as compared with a kerosene system, and there is no problem such as cooling of the apparatus during production. In addition, since the organic material is not included in the raw material solution, impurities in the generated substance can be reduced.

また、水溶液は粘度も低いため、得られる微粒子混合物の粒径を小さくすることができる。したがって、リチウムイオンや電子が移動する距離が小さく、イオン導電性や電子伝導性に優れ、活物質を効率よく充放電に参加させることができ、高速に充放電が可能である。   Further, since the aqueous solution has a low viscosity, the particle size of the obtained fine particle mixture can be reduced. Therefore, the distance traveled by lithium ions and electrons is small, the ion conductivity and the electron conductivity are excellent, the active material can participate in charging and discharging efficiently, and charging and discharging can be performed at high speed.

また、リン源として亜リン酸を用いるため、鉄の酸化による水酸化物の沈殿を抑制することができる。すなわち、亜リン酸が、リン源としての機能と、鉄の酸化防止剤の両方の機能を有する。したがって、鉄の沈殿を抑制し、効率良く微粒子混合物を生成することができる。   Further, since phosphorous acid is used as the phosphorus source, precipitation of hydroxide due to iron oxidation can be suppressed. That is, phosphorous acid has both a function as a phosphorus source and a function of an iron antioxidant. Therefore, precipitation of iron can be suppressed and a fine particle mixture can be efficiently generated.

以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, the technical scope of this invention is not influenced by embodiment mentioned above. It is obvious for those skilled in the art that various modifications or modifications can be conceived within the scope of the technical idea described in the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. It is understood that it belongs.

リチウム源、鉄源、リン源を含む各種の溶液を用い、噴霧燃状法により、LiFePOの化学両論的組成を有する微粒子混合体を生成させた。その結果を表1に示す。なお、実施例に用いた水溶液の濃度は、各元素を略1:1:1(LiFePOの化学両論的組成であって、95%〜105%の範囲でのずれを許容した)で混合した際のLiFePO換算のおおよそのモル濃度である。 Using various solutions containing a lithium source, an iron source and a phosphorus source, a fine particle mixture having a stoichiometric composition of Li 2 FePO 4 was produced by a spray combustion method. The results are shown in Table 1. The concentration of the aqueous solution used in the examples was approximately 1: 1: 1 with each element mixed (the stoichiometric composition of LiFePO 4 , which allowed a deviation in the range of 95% to 105%). The approximate molar concentration in terms of LiFePO 4 .

すなわち、ここでの各イオンを含む水溶液の濃度は、Liイオンが約0.8mol/L、PイオンおよびFeイオンが約0.8mol/Lであることを意味する。また、実施例で目的戸する球状の微粒子混合体が得られたものについて、ICP発光分光分析装置(誘導結合プラズマ質量分析装置:プラズマをイオン源として用いて、分析試料にプラズマの高エネルギーを与え、分析対象の成分元素を励起し、励起された成分元素の原子が低いエネルギー状態に戻るときに放出する光子の波長に相当するスペクトル線を分析する高感度な多元素分析を行う元素分析装置)を用いて、その組成比を調べた。   That is, the concentration of the aqueous solution containing each ion here means that Li ions are about 0.8 mol / L, and P ions and Fe ions are about 0.8 mol / L. In addition, an ICP emission spectroscopic analyzer (inductively coupled plasma mass spectrometer: plasma is used as an ion source to give high energy of plasma to an analysis sample with respect to a mixture of spherical fine particles that is the target in the examples. Element analysis equipment that performs highly sensitive multi-element analysis that excites the component element to be analyzed and analyzes the spectral line corresponding to the wavelength of the photon emitted when the excited component element atom returns to a low energy state) Was used to examine the composition ratio.

さらに、活物質材料とスラリーの製造を行い、そのスラリーを用いて試験評価用正極電極と2次電池の作製を行ない、電池の初期特性の評価を以下のように行った。   Further, an active material and a slurry were produced, and a positive electrode for test evaluation and a secondary battery were produced using the slurry, and the initial characteristics of the battery were evaluated as follows.

(正極活物質材料とスラリーの製造)
本発明で得た化学量論的組成の近傍の組成を有する微粒子混合物に対して、ポリビニルアルコールを、ポリビニルアルコールが全体の10wt%となるように加えて、混合した。その後、微粒子混合物をNガス充填の炉に入れ、650℃で32時間の加熱処理を行って、焼成を行った。焼成時には微粒子混合物の表面がカーボンコートされ、カーボンが担持される。この焼成後の微粒子混合物に粉砕処理を行い、正極活物質材料を得た。
(Production of positive electrode active material and slurry)
Polyvinyl alcohol was added to the fine particle mixture having a composition in the vicinity of the stoichiometric composition obtained in the present invention so that the polyvinyl alcohol would be 10 wt% of the total, and mixed. Thereafter, the fine particle mixture was placed in a furnace filled with N 2 gas, and baked by performing a heat treatment at 650 ° C. for 32 hours. At the time of firing, the surface of the fine particle mixture is coated with carbon to carry carbon. The fine particle mixture after firing was pulverized to obtain a positive electrode active material.

さらに、前記活物質に導電助剤(カーボンブラック)を10重量%となるように混合し、内部を窒素で置換したボールミルを用いて更に5時間混合した。混合粉末と結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、重量比95:5の割合で混合し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて十分混練し、正極スラリーを得た。   Further, a conductive assistant (carbon black) was mixed with the active material so as to be 10% by weight, and further mixed for 5 hours using a ball mill in which the inside was replaced with nitrogen. The mixed powder and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were mixed at a weight ratio of 95: 5, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added and sufficiently kneaded to obtain a positive electrode slurry.

(試験評価用正極電極と2次電池の作製)
表面粗さRz(JIS B 0601−1994 十点平均粗さ)が0.7μmの厚さ15μmのアルミニウム箔集電体に、正極スラリーを50g/mの塗工量で塗布し、120℃で30分間乾燥し、ロールプレスで2.0g/cmの密度になるように圧延加工し、2cmの円盤状に打抜いて正極とした。これらの正極と、負極に金属リチウム、電解液にエチレンカーボネート及びジエチルカーボネートを体積比1:1の割合で混合した混合溶媒にLiPFを1Mの濃度で溶解したものを用い、リチウム2次電池を作製した。なお、作製雰囲気は露点が−50℃以下とした。各極は集電体の付いた電槽缶に圧着して用いた。上記正極、負極、電解質及びセパレータを用いて直径25mm、厚さ1.6mmのコイン型リチウム2次電池とした。
(Production of positive electrode for test evaluation and secondary battery)
The positive electrode slurry was applied at a coating amount of 50 g / m 2 to an aluminum foil current collector having a surface roughness Rz (JIS B 0601-1994 10-point average roughness) of 0.7 μm and a thickness of 15 μm, and at 120 ° C. It was dried for 30 minutes, rolled to a density of 2.0 g / cm 3 with a roll press, punched into a disk shape of 2 cm 2 , and used as a positive electrode. Using these positive electrodes, metallic lithium for the negative electrode, and a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1 in the electrolytic solution, LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1M, and a lithium secondary battery was used. Produced. The production atmosphere was a dew point of −50 ° C. or lower. Each electrode was used by being crimped to a battery case with a current collector. A coin-type lithium secondary battery having a diameter of 25 mm and a thickness of 1.6 mm was formed using the positive electrode, the negative electrode, the electrolyte, and the separator.

(2次電池の電池特性評価)
次に、前記のコイン型リチウム2次電池により、本発明の正極活物質材料の試験評価を、次のように実施した。試験温度25℃、CC−CV法により、0.1Cの電流レートにて、4.2V(対Li/Li)まで充電を行い、その後電流レートが0.005Cまで低下した後に充電を停止した。その後、0.1Cレートにて、CC法により1.5V(前記に同じ)まで放電を行って、初期の充放電容量を測定した。
(Battery characteristics evaluation of secondary battery)
Next, test evaluation of the positive electrode active material of the present invention was performed as follows using the coin-type lithium secondary battery. Charged to 4.2 V (vs. Li / Li + ) at a test temperature of 25 ° C. and a CC-CV method at a current rate of 0.1 C, and then stopped after the current rate dropped to 0.005 C. . Thereafter, the battery was discharged at a rate of 0.1 C to 1.5 V (same as above) by the CC method, and the initial charge / discharge capacity was measured.

Figure 2013193927
Figure 2013193927

実施例1、実施例2は、リチウム源、鉄源、リン源として、それぞれ、水酸化リチウム、二価の塩化鉄、亜リン酸を用い、硝酸を加えて水溶液とした。また、実施例2は、実施例1に対し、リチウム源を硝酸リチウムとした以外は、実施例1と同様である。   In Examples 1 and 2, lithium hydroxide, divalent iron chloride, and phosphorous acid were used as a lithium source, an iron source, and a phosphorus source, respectively, and nitric acid was added to obtain aqueous solutions. In addition, Example 2 is the same as Example 1 except that lithium nitrate is used as the lithium source.

比較例1は、実施例1に対し、リン源をリン酸二水素アンモニウムとし、硝酸に代えてアスコルビン酸を加えたものである。また、比較例2は、比較例1に対し、アスコルビン酸を加えないものである。また、比較例3は、リチウム源、鉄源、リン源として、それぞれ、ナフテン酸リチウム、2−エチルヘキサン酸鉄、ホスホノ酢酸エチルを用いたものである。   In Comparative Example 1, as compared with Example 1, the phosphorous source was ammonium dihydrogen phosphate, and ascorbic acid was added instead of nitric acid. In Comparative Example 2, ascorbic acid is not added to Comparative Example 1. Comparative Example 3 uses lithium naphthenate, iron 2-ethylhexanoate, and ethyl phosphonoacetate as the lithium source, iron source, and phosphorus source, respectively.

表1には、製造性と微粒子混合物の組成範囲の評価と、試作した2次電池の初期特性の評価結果を示した。ここで、「製造性」の評価は、製造性が良いものを「○」、製造性が悪いが製造可能なものを「△」、製造できないもの「×」で示した。「微粒子混合物の組成」は、LiFePOの化学量論的組成の組成比の95%〜105%の範囲に含まれるものを「○」、微粒子混合物を構成する各元素の組成がLiFePOの化学量論的組成の組成比の95%〜105%の範囲に含まれないものを「×」で表すことにしたが、製造性が悪く微粒子混合物を製造できなかったものは、微粒子混合物の組成分析と2次電池の容量測定を行わなかった。 Table 1 shows the evaluation results of the manufacturability and the composition range of the fine particle mixture, and the initial characteristics of the prototype secondary battery. Here, the evaluation of “manufacturability” is indicated by “◯” when the manufacturability is good, “Δ” when manufacturable but not manufacturable, and “×” when not manufacturable. "The composition of the particulate mixture", "○" and those included in the range of 95% to 105% of the composition ratio of the stoichiometric composition of LiFePO 4, the composition of each element constituting the particulate mixture of LiFePO 4 Chemical What was not included in the range of 95% to 105% of the composition ratio of the stoichiometric composition was represented by “x”, but the product that was not manufacturable and could not produce the fine particle mixture was composition analysis of the fine particle mixture The capacity of the secondary battery was not measured.

結果より、実施例1は、溶液に沈殿物等が生成することがなく、噴霧燃焼法により球状の微粒子混合体を得ることができた。一方、比較例1では、3日後には、固体成分が確認された。このため、噴霧を行うことができなかった。また、比較例2は、生成直後においても、固体成分が確認され、噴霧を行うことができなかった。また、比較例3は、固体成分の生成は見られなかったものの、燃焼時の熱量が大きすぎるため、球状の微粒子混合体は製造できるが、連続製造が困難であり生産性が劣るものであった。   From the results, in Example 1, precipitates or the like were not generated in the solution, and a spherical fine particle mixture could be obtained by the spray combustion method. On the other hand, in Comparative Example 1, solid components were confirmed after 3 days. For this reason, spraying could not be performed. Further, in Comparative Example 2, a solid component was confirmed and spraying could not be performed immediately after generation. In Comparative Example 3, although no solid component was observed, the amount of heat during combustion was too large, so that a spherical fine particle mixture could be produced, but continuous production was difficult and productivity was poor. It was.

表1に示すように、実施例1で得た球状の微粒子の組成比を調べたところLiFePOを構成する各元素の組成は、LiFePOの化学量論的組成比の95%〜105%の範囲に入っていた。
さらに、前述の条件にて本発明の球状の微粒子混合物を用い製造した活物質を使用した正極材料を有する2次電池を試作し、その2次電池の初期特性を評価した結果、実施例1の材料の電池特性は、160mAh/gを超えており、実用上問題がないことが確認された。
As shown in Table 1, when the composition ratio of the spherical fine particles obtained in Example 1 was examined, the composition of each element constituting LiFePO 4 was 95% to 105% of the stoichiometric composition ratio of LiFePO 4 . Was in range.
Further, as a result of trial manufacture of a secondary battery having a positive electrode material using an active material manufactured using the spherical fine particle mixture of the present invention under the above-described conditions and evaluating initial characteristics of the secondary battery, The battery characteristics of the material exceeded 160 mAh / g, and it was confirmed that there was no practical problem.

1………微粒子製造装置
3………水溶液供給部
5………燃焼ガス供給部
7………エア供給部
9………混合ノズル
11………反応容器
13………フィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ......... Particle production apparatus 3 ......... Aqueous solution supply part 5 ......... Combustion gas supply part 7 ......... Air supply part 9 ......... Mixing nozzle 11 ......... Reaction vessel 13 ......... Filter

Claims (9)

リチウムイオン二次電池正極活物質の前駆体である微粒子混合物の製造方法であって、
微粒子混合物におけるリチウム源、リン源、および鉄源を含む水溶液を用い、
前記リン源は、亜リン酸であり、
前記水溶液は、Liイオン、Pイオン、および二価のFeイオンを略同比率で含み、
前記水溶液を火炎中に噴霧することで微粒子混合物を生成することを特徴とする微粒子混合物の製造方法。
A method for producing a fine particle mixture, which is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery,
Using an aqueous solution containing a lithium source, a phosphorus source, and an iron source in a fine particle mixture,
The phosphorus source is phosphorous acid;
The aqueous solution contains Li ions, P ions, and divalent Fe ions in substantially the same ratio,
A method for producing a fine particle mixture, wherein the fine particle mixture is produced by spraying the aqueous solution into a flame.
前記鉄源は、二価の塩化鉄であることを特徴とする請求項1記載の微粒子混合物の製造方法。   2. The method for producing a fine particle mixture according to claim 1, wherein the iron source is divalent iron chloride. 前記リチウム源は、水酸化リチウムであり、
前記水溶液は、亜リン酸と二価の塩化鉄水溶液とを混合した後、水酸化リチウム水溶液と硝酸とを加えて生成することを特徴とする請求項2記載の微粒子混合物の製造方法。
The lithium source is lithium hydroxide;
3. The method for producing a fine particle mixture according to claim 2, wherein the aqueous solution is produced by mixing phosphorous acid and a divalent iron chloride aqueous solution and then adding a lithium hydroxide aqueous solution and nitric acid.
前記水溶液における前記Liイオンの濃度、前記Pイオンの濃度、および前記二価のFeイオンの濃度が、0.5mol/L以上、1.0mol/L以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の微粒子混合物の製造方法。   The concentration of the Li ion, the concentration of the P ion, and the concentration of the divalent Fe ion in the aqueous solution are 0.5 mol / L or more and 1.0 mol / L or less, A method for producing the fine particle mixture according to claim 2. 前記微粒子混合物は、LiFePOの化学両論的組成の近傍の組成を有する微粒子化合物を含むことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに微粒子混合物の製造方法。 5. The method for producing a fine particle mixture according to claim 1, wherein the fine particle mixture contains a fine particle compound having a composition in the vicinity of the stoichiometric composition of LiFePO 4 . 請求項1から請求項4のいずれかの製造方法により製造されたLiFePOの化学両論的組成の近傍の組成を有する微粒子化合物を含む微粒子混合物。 A fine particle mixture containing a fine particle compound having a composition in the vicinity of the stoichiometric composition of LiFePO 4 produced by the production method according to claim 1. 請求項1から請求項5のいずれかに記載の微粒子混合物の製造方法により得られた微粒子混合物を炭素源とともに焼成することで得ることを特徴とするリチウムイオン二次電池正極活物質。   A lithium ion secondary battery positive electrode active material obtained by firing a fine particle mixture obtained by the method for producing a fine particle mixture according to any one of claims 1 to 5 together with a carbon source. 請求項7に記載のリチウムイオン二次電池正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery using the lithium ion secondary battery positive electrode active material of Claim 7. リチウムイオン二次電池正極活物質の前駆体である微粒子混合物の製造方法に用いられる水溶液であって、
リン源として亜リン酸、リチウム源として水酸化リチウム、鉄源として二価の塩化鉄および硝酸を含み、
前記水溶液は、Liイオン、Pイオン、および二価のFeイオンを略同比率で含むことを特徴とする微粒子混合物の製造方法に用いられる水溶液。
An aqueous solution used in a method for producing a fine particle mixture that is a precursor of a lithium ion secondary battery positive electrode active material,
Phosphorous acid as the phosphorus source, lithium hydroxide as the lithium source, divalent iron chloride and nitric acid as the iron source,
The aqueous solution contains a Li ion, a P ion, and a divalent Fe ion in substantially the same ratio, and is an aqueous solution used in a method for producing a fine particle mixture.
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