JP2014088282A - リン酸第二鉄含水和物粒子粉末およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リチウムイオン二次電池等に用いることのできる安全性の高い正極材料のための中間体として有用な適度な粒径で均一な粒度分布を有するリン酸第二鉄含水和物の提供およびその製造方法を確立することを課題とする。
【解決手段】酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末とリン化合物とを溶液中で反応してリン酸第二鉄含水和物を製造する方法において、粒子径分布測定における最大粒子径が３０μｍ以下の酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末を鉄原料、より好ましくは、粒子径分布測定におけるＤ90（篩下積算９０分率）が１０μｍ以下の酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末を鉄原料として用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、オリビン型リン酸鉄リチウム粒子の前駆体として良好な結晶性リン酸第二鉄含水和物粒子粉末およびその製造方法に関するものである。

近年、地球環境への配慮から二酸化炭素削減に向けて多くの取り組みが行われており、一つの取り組みとして電気エネルギーを化学エネルギーとして蓄積可能な蓄電池が注目されている。その中でも高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が注目されている。しかし主に正極材料に使用されているコバルト酸リチウムは希少金属のため高価であり供給安定性へ課題がある他、熱暴走・発火事故報告など安全性への問題、毒性が高いことが指摘されている。
一方、正極材料として知られているオリビン型リン酸鉄リチウムはコバルト酸リチウムに匹敵する実用可能放電容量を有し、毒性も低く、地球上に豊富な元素のみからなるため安価・安定に供給できる可能性があり、有望な材料とされている。
リチウムイオン二次電池は薄膜電極構造をしているため、電極材料には材料特性以外に電極密度を向上させるような均一な粒径が求められる。粒径が大きく比表面積が低い材料を使用すると、電解液との反応面積が十分に確保できず反応抵抗上昇により高出力にならず、またセパレーターにダメージを与え電池性能が悪化する懸念がある。また微粒ダストが含まれているとハンドリング上の問題を生じると共に異常反応を引き起こす可能性がある。これらの理由、更には塗布性の観点から電極材は出来るだけ均一な粒度分布が求められている。

リン酸鉄リチウムの製造方法は固相法（特許文献１、特許文献２）、水熱法（特許文献３）、超臨界法（特許文献４）、常圧湿式法（特許文献５）などが報告されており、リン酸第二鉄含水和物はリン酸鉄リチウムの中間体として知られている。
特許文献６には、鉄(II)又は鉄(III)あるいは鉄(II)及び鉄(III)の混合物を５〜５０％のリン酸と反応させ、酸化剤を添加することで鉄(II)を鉄(III)に変換する方法が記載されているが、反応は激しい撹拌を必要とし、得られるリン酸鉄（III）は非常に微細な一次粒子径を持つ。
特許文献7には、塩化鉄あるいは硫酸鉄の水溶液を用い、リン酸との反応時に界面活性剤を添加する方法が記載されており、ナノ粒子が得られている。
特許文献８では、緩衝液を使うことによりｐＨ変動が小さく微粒で粒径の揃ったリン酸鉄粉末が得られることが記載されている。
これらの方法は硫酸鉄や塩化鉄を出発原料とするため、電池特性に悪影響を及ぼす硫酸塩あるいは塩化物を不純物として包含し、また、きわめて微細な粉末として得られる。微細性は正極材の導電性向上に作用するが、製造工程においては濾過漏れを起こしやすく作業性や効率が悪く、また、リン酸鉄リチウムとする際に、粉塵の発生や取り扱いにくいといった困難が生じる。

一方、特許文献２には、酸化鉄又は含水酸化鉄とリン化合物を比較的薄い水溶液中で反応させ、反応濃度が０．１〜３．０ｍｏｌ／Ｌ（Ｆｅ濃度換算）、Ｐ／Ｆｅモル比が１〜１０、ｐＨ３以下で反応させることにより、微細な一次粒子が凝集した、比表面積が高く、不純物も極めて少ないリン酸第二鉄含水和物が生成することが記載されている。この製造方法で得られるリン酸第二鉄含水和物は、一次粒子が微細であるため、正極材としたときの電池性能は良好であり、凝集した二次粒子のため取扱い性の良いサイズとなる利点がある。

正極材には品質均一性、均一な電極膜の製造のため均一な粒度分布が求められ、その要求は前駆体としてのリン酸第二鉄においても同様に求められる。しかしながら、特許文献２の方法では、均一な粒度分布で安定して工業的に製造できないといった欠点を有する。
特許文献２では、原料リン酸第二鉄含水和物粒径とリン酸鉄リチウムの粒径がほぼ同等なことからリン酸第二鉄含水和物粒径が良好なリン酸鉄リチウムの製造に重要な事が示されている。しかし、鉄原料の粒子径と生成するリン酸第二鉄含水和物の粒子径の関係については記載されておらず、本発明の製造方法は具体的に示されていない。
本発明の良好な結晶性リン酸第二鉄含水和物粒子粉末の製造方法は新規であり、適度な粒径かつ均一な粒度分布のリン酸第二鉄含水和物粒子が得られることを特徴とする。

ＷＯ２００５／０４１３２７ ＷＯ２０１１／０３０７８６ 特表２００７−５１１４５８号公報 特開２００４−０９５３８６号公報 ＷＯ２００７／０００２５１ 特表２０１１−５００４９２ 特表２０１１−５０５３３２ ＷＯ２０１１／０６７８３９

リチウムイオン二次電池は様々な機器に搭載され、より高い放電容量を有し、毒性も低く、安価・安定に供給でき、また安全性の高い材料が求められている。特に正極材料については、安全性が求められ、新たな製造方法が望まれている。
本発明は、リチウムイオン二次電池等に用いることのできる安全性の高い正極材料のための中間体として有用な適度な粒径で均一な粒度分布を有するリン酸第二鉄含水和物の提供およびその製造方法を確立することを課題とする。

本発明者らは、先の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、鉄原料粒径が生成するリン酸第二鉄含水和物粒径に関連し、均一な粒径のリン酸第二鉄含水和物を製造する方法を見出した。

すなわち本発明は、下記に関するものである。
１）酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末とリン化合物とを溶液中で反応してリン酸第二鉄含水和物を製造する方法において、粒子径分布測定における最大粒子径が３０μｍ以下の酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末を鉄原料として用いることを特徴とするリン酸第二鉄含水和物の製造方法に関するものである。
２）前記製造方法において、粒子径分布測定におけるＤ90（篩下積算９０分率）が１０μｍ以下の酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末を鉄原料として用いることを特徴とする前記１）に記載のリン酸第二鉄含水和物の製造方法に関するものである。
３）前記リン酸第二鉄含水和物が３０μｍ以上の粒子含有率が２％以下であることを特徴とする前記１）または２）に記載のリン酸第二鉄含水和物の製造方法に関するものである。
４）前記リン酸第二鉄含水和物が走査性電子顕微鏡観察で４０μｍ以上の凝集粒子のないことを特徴とする前記１）〜３）のいずれかに記載のリン酸第二鉄含水和物の製造方法に関するものである。
５）乾式粉砕により粒度調整した鉄原料を使用することを特徴とする前記１）〜４）のいずれかに記載のリン酸第二鉄含水和物の製造方法に関するものである。
６）前記リン酸第二鉄含水和物が５μｍ以下の粒子が篩下積算１０％以下であり、かつ、３０μｍ以下の粒子が篩下積算９０％以上であることを特徴とする前記５）に記載のリン酸第二鉄含水和物の製造方法に関するものである。
７）前記１）〜６）のいずれかによって製造されるリン酸第二鉄含水和物に関するものである。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で製造されるリン酸第二鉄含水和物の組成は、ＦｅＰＯ4・ｎＨ2Ｏ（０＜ｎ≦２、ｎは水和水の量）であり、二水和物が最も安定である。ただし水和水の量は乾燥条件により変化する。またリン酸第二鉄含水和物の結晶構造はストレング石構造およびメタストレング石構造のいずれかあるいは双方を含むものである。

本発明の酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末としては、特にＢＥＴ比表面積の大きい微細なゲーサイト粉末（α−ＦｅＯＯＨ）を用いることが望ましく、リン化合物としてオルトリン酸、メタリン酸、五酸化リン等を用いることができ、特にオルトリン酸を用いることが望ましい。

本発明のリン酸第二鉄含水和物の製造は、ＢＥＴ比表面積が５０ｍ2／ｇ以上および二次粒子径の微細な酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末とリン化合物とを溶液中で６０〜１００℃の温度領域で撹拌しながら、モル換算でＰ/Ｆｅ比が１〜１０の範囲、ｐＨ３以下、反応濃度０．１〜３．０ｍｏｌ／Ｌ（Ｆｅ濃度換算）で反応することが望ましい。
反応に用いる鉄原料の粒子サイズはリン酸第二鉄含水和物の生成粒子サイズと密接に関連し、酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末のメジアン径Ｄ90は１０μｍ以下が望ましく、Ｄmaxは３０μｍ以下が望ましい。これらより大きな粒子を原料として用いた場合は、粗大なリン酸第二鉄含水和物が生成し、均質なリン酸第二鉄含水和物が得られない。
酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末を乾式もしくは湿式で均一に粉砕・混合する際、ボールミル、バイブレーションミル、遊星型ボールミル、ペイントシェーカー、高速回転羽型ミル、ジェットミルなど、均一に粉砕・混合できるものであれば装置に制限はない。特に乾式粉砕した原料を用いると、粉砕条件にもよるが、例えば５μｍ以下の粒子が篩下積算１０％以下であり、かつ、３０μｍ以下の粒子が篩下積算９０％以上のリン酸第二鉄含水和物が生成し微細物や粗大物の割合が抑制され、より均質なものとなるので、より好ましい。

反応終了後、通風乾燥機、凍結真空乾燥機、スプレー乾燥機、フィルタープレス、バキュームフィルター、フィルターシックナー等を用いて余分な水分を除去してもよい。
本発明で製造されるリン酸第二鉄含水和物は製造条件にもよるが平均二次粒子径は８〜２０μｍの範囲となり、リン酸鉄リチウムの前駆体として望ましい粒度となる。製造されるリン酸第二鉄含水和物は板状の一次粒子が凝集して二次粒子を構成したものであり、走査性電子顕微鏡で観察すると、４０μｍ以上の凝集粒子が見られない粒径の整った粉末となる。

本発明のリン酸第二鉄含水和物の製造方法は、鉄原料粒径を制御しない場合と比較して、均一な粒子が得られることを確認した。
本発明のリン酸第二鉄含水和物の製造方法は、均質で適度な粒径を有するリン酸第二鉄含水和物を製造でき、リン酸鉄リチウムの中間体として有用なリン酸第二鉄含水和物を提供できる。

実施例１、比較例１、および比較例２で得られたリン酸第二鉄含水和物粒子の粉末の粉末Ｘ線回折図である。 実施例１で得られたリン酸第二鉄含水和物粒子粉末の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例２および実施例３で得られたリン酸第二鉄含水和物粒子粉末の粉末Ｘ線回折図である。 実施例２で得られたリン酸第二鉄含水和物粒子粉末の走査型電子顕微鏡写真である。 実施例３で得られたリン酸第二鉄含水和物粒子粉末の走査型電子顕微鏡写真である。 比較例１で得られたリン酸第二鉄含水和物粒子粉末の走査型電子顕微鏡写真である。 比較例２で得られたリン酸第二鉄含水和物粒子粉末の走査型電子顕微鏡写真である。

以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
平均二次粒子径は、レーザー回折・散乱型粒度分布計Ｍｉｃｒｏｔｒａｃ ＭＴ３３０ＥＸII（日機装製）を用い、メジアン径Ｄ50、Ｄ90、Ｄmaxを測定した。
粒子の結晶構造はＸ線回折装置ＲＩＮＴ２２００（理学電機製）を用い、Ｃｕ−Ｋα，４０ｋＶ，２０ｍＡにより測定した。
粒子の形状観察は走査型電子顕微鏡ＪＳＭ-５３１０（日本電子製）を用い、観察した。

＜実施例1＞
含水酸化鉄粒子は、ダイナミックミル（日本コークス製）を用い、乾式粉砕した。
加熱式混合攪拌機にＤ90が１０μｍ、Ｄmaxが２６μｍの含水酸化鉄粒子７１ｇを純水１２８０ｇに懸濁した。８５％オルトリン酸溶液を３４４ｇ加え、８５℃まで昇温し、６時間加熱反応した。反応混合物を放冷後、溶媒を除去、水洗浄した後、１１０℃で２４時間乾燥し、乳白色粉末１３３ｇを得た。
粉末Ｘ線回折を行い、メタストレング石（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｄｅｒｉｔｅ）構造であることを確認し、ストレング石（ｓｔｒｅｎｇｉｔｅ）構造や不純物相は確認されなかった。得られた粉末Ｘ線回折結果を図１に示す。
また走査型電子顕微鏡撮影による二次粒子形状は薄板状粒子が密に凝集した丸みをおびた正方柱状の二次粒子であり巨大凝集物はなく、レーザー回折法による粒子径測定の結果は、Ｄ50が１６μｍであった。得られた粉末の走査型電子顕微鏡写真を図２に示す。

＜実施例２＞
含水酸化鉄粒子は、サイクロンミル１５０Ｗ（月島機械製）を用い、乾式粉砕した。
加熱式混合攪拌機にＤ90が６μｍ、Ｄmaxが１９μｍの乾式粉砕を行った含水酸化鉄粒子２９ｋｇを純水５１１ｋｇに懸濁した。８５％オルトリン酸溶液１３８ｋｇを加え、８５℃まで昇温し、６時間加熱反応した。反応混合物を放冷後、溶媒を除去、水洗浄した後、１１０℃で乾燥し、乳白色粉末５１ｋｇを得た。
粉末Ｘ線回折を行い、メタストレング石（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｄｅｒｉｔｅ）構造であることを確認し、ストレング石（ｓｔｒｅｎｇｉｔｅ）構造や不純物相は確認されなかった。得られたＸ線回折を図３に示す。
また走査型電子顕微鏡撮影による二次粒子形状は薄板状粒子が密に凝集した丸みをおびた正方柱状の二次粒子であり巨大凝集物はなく、レーザー回折法による粒子径測定の結果は、Ｄ50が１２μｍであった。得られた粉末の走査型電子顕微鏡写真を図４に示す。

＜実施例３＞
含水酸化鉄粒子は、３ｍｍφジルコニアボールを用い、水溶液中で湿式粉砕した。
加熱式混合攪拌機にＤ90が７μｍ、Ｄmaxが２２μｍの湿式粉砕を行った含水酸化鉄粒子２９ｋｇを純水５１１ｋｇに懸濁した。８５％オルトリン酸溶液１３８ｋｇを加え、８５℃まで昇温し、６時間加熱反応した。反応混合物を放冷後、溶媒を除去、水洗浄した後、１１０℃で乾燥し、乳白色粉末５４ｋｇを得た。
粉末Ｘ線回折を行い、メタストレング石（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｄｅｒｉｔｅ）構造であることを確認し、ストレング石（ｓｔｒｅｎｇｉｔｅ）構造や不純物相は確認されなかった。得られたＸ線回折を図３に示す。
また走査型電子顕微鏡撮影による二次粒子形状は薄板状粒子が密に凝集した丸みをおびた正方柱状の二次粒子であり巨大凝集物はなく、レーザー回折法による粒子径測定の結果は、Ｄ50が１６μｍであった。得られた粉末の走査型電子顕微鏡写真を図５に示す。

＜比較例１＞
加熱式混合攪拌機にＤ90が５１μｍ、Ｄmaxが１０４μｍの含水酸化鉄粒子７１ｇを純水１２８０ｇに懸濁した。８５％オルトリン酸溶液を３４４ｇ加え、８５℃まで昇温し、６時間加熱反応した。反応混合物を放冷後、溶媒を除去、水洗浄した後、１１０℃で２４時間乾燥し、乳白色粉末１２８ｇを得た。
粉末Ｘ線回折を行い、メタストレング石（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｄｅｒｉｔｅ）構造であることを確認し、ストレング石（ｓｔｒｅｎｇｉｔｅ）構造や不純物相は確認されなかった。得られた粉末Ｘ線回折結果を図１に示す。
また走査型電子顕微鏡撮影による二次粒子形状は、一続きの巨大で積層に乏しい粒子や積層が未発達な微細粒子であり、均一性が悪かった。レーザー回折法による粒子径測定の結果は、Ｄ50が１７μｍであった。得られた粉末の走査型電子顕微鏡写真を図６に示す。

＜比較例２＞
含水酸化鉄粒子は、ダイナミックミル（日本コークス製）を用い、乾式粉砕した。
加熱式混合攪拌機にＤ90が２８μｍ、Ｄmaxが５６μｍの含水酸化鉄粒子７１ｇを純水１２８０ｇに懸濁した。８５％オルトリン酸溶液を３４４ｇ加え、８５℃まで昇温し、６時間加熱反応した。反応混合物を放冷後、溶媒を除去、水洗浄した後、１１０℃で２４時間乾燥し、乳白色粉末１２８ｇを得た。
粉末Ｘ線回折を行い、メタストレング石（ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｄｅｒｉｔｅ）構造であることを確認し、ストレング石（ｓｔｒｅｎｇｉｔｅ）構造や不純物相は確認されなかった。得られた粉末Ｘ線回折結果を図１に示す。
また走査型電子顕微鏡撮影によれば、比較例１で見られるような一続きの巨大な凝集物は見られないものの、二次粒子が更に凝集、結合した大粒子が生成し、中には４０μｍ程度の大粒子もあった。レーザー回折法による粒子径測定の結果は、Ｄ50が１６μｍであった。得られた粉末の走査型電子顕微鏡写真を図７に示す。

本発明に係るリン酸第二鉄含水和物粒子粉末の製造方法は、簡便であり、ろ過性も優れており、工業生産に適した方法である。
本発明に係るリン酸第二鉄含水和物粒子粉末は、高い比表面積を有し、かつ均一で適度な粒径を持つため取扱いが容易であり、オリビン型リン酸鉄リチウム粒子粉末の前駆体や遷移金属種に鉄を含むリン酸遷移金属リチウムの原料に適している。本発明で得られるリン酸第二鉄含水和物粒子粉末を原料とすることにより、これによりを簡易、均一に工業生産でき、塗布性が良好で均一性の高い薄膜正極電極の製造に寄与する。

Claims (7)

1. 酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末とリン化合物とを溶液中で反応してリン酸第二鉄含水和物を製造する方法において、粒子径分布測定における最大粒子径が３０μｍ以下の酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末を鉄原料として用いることを特徴とするリン酸第二鉄含水和物の製造方法。
2. 前記製造方法において、粒子径分布測定におけるＤ90（篩下積算９０分率）が１０μｍ以下の酸化鉄粒子粉末または含水酸化鉄粒子粉末を鉄原料として用いることを特徴とする請求項１に記載のリン酸第二鉄含水和物の製造方法。
3. 前記リン酸第二鉄含水物が３０μｍ以上の粒子含有率が２％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のリン酸第二鉄含水和物の製造方法。
4. リン酸第二鉄含水和物が走査性電子顕微鏡観察で４０μｍ以上の凝集粒子のないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のリン酸第二鉄含水和物の製造方法。
5. 乾式粉砕により粒度調整した鉄原料を使用することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のリン酸第二鉄含水和物の製造方法。
6. 前記リン酸第二鉄含水物が５μｍ以下の粒子が篩下積算１０％以下であり、かつ、３０μｍ以下の粒子が篩下積算９０％以上であることを特徴とする請求項５に記載のリン酸第二鉄含水和物の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかによって製造されるリン酸第二鉄含水和物。