JP2014182885A - Positive electrode material for lithium secondary batteries, and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はリチウム二次電池用正極材料及びその製造方法に関し、より詳しくは、リン酸ニッケルリチウムを含むリチウム二次電池用正極材料及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a positive electrode material for a lithium secondary battery and a manufacturing method thereof, and more particularly to a positive electrode material for a lithium secondary battery containing lithium nickel phosphate and a manufacturing method thereof.
限りある石油資源の枯渇防止や二酸化炭素排出による地球温暖化防止の観点から、船舶等の動力源として、電力が注目されている。このような船舶等においては、リチウム二次電池等の二次電池に蓄電された電力を用い、搭載されているモータが駆動される。そして、モータに接続された回転翼等が駆動されることで、船舶等が航行可能になっている。 From the viewpoint of preventing the depletion of limited petroleum resources and the prevention of global warming due to carbon dioxide emissions, electric power is attracting attention as a power source for ships and the like. In such a ship or the like, an onboard motor is driven using electric power stored in a secondary battery such as a lithium secondary battery. And the ship etc. can be navigated by driving the rotary blade etc. which were connected to the motor.
二次電池は、正極及び負極を備えている。正極や負極の作製は、二次電池の種類等に応じて、様々な方法により行うことができる。例えば、二次電池の中でもリチウム二次電池における正極は、正極合剤を集電板表面に塗布して乾燥させることで製造可能である。 The secondary battery includes a positive electrode and a negative electrode. The positive electrode and the negative electrode can be manufactured by various methods depending on the type of the secondary battery. For example, a positive electrode in a lithium secondary battery among secondary batteries can be manufactured by applying a positive electrode mixture on the surface of a current collector plate and drying it.
リチウム二次電池の正極作製に適用可能な正極合剤には、リチウムイオンを吸蔵及び放出させる正極活物質が含まれている。正極活物質として、様々な種類のものが知られている。具体的には、例えば特許文献1には、正極活物質として、リン酸鉄リチウムが記載されている。
A positive electrode mixture applicable to the production of a positive electrode of a lithium secondary battery includes a positive electrode active material that occludes and releases lithium ions. Various types of positive electrode active materials are known. Specifically, for example,
しかしながら、正極活物質としてリン酸鉄リチウムを用いたリチウム二次電池においては、充放電電圧の改善は困難である。そこで、例えば非特許文献1や非特許文献2には、より高い充放電電圧を達成可能な正極活物質として、リン酸ニッケルリチウムが記載されている。この材料においては、5V以上での酸化還元反応が起こることが確認されている。
However, in the lithium secondary battery using lithium iron phosphate as the positive electrode active material, it is difficult to improve the charge / discharge voltage. Therefore, for example, Non-Patent
リン酸ニッケルリチウムを用いたリチウム二次電池は、各種正極活物質を用いた電池の中でも、特に高い充放電電圧を示す。従って、リン酸ニッケルリチウムを用いたリチウム二次電池は、より高い充放電電圧において好適な、有機電解液の代わりに固体電解質を用いた、所謂全固体電池(全固体型の二次電池)であることが好ましい。 Lithium secondary batteries using lithium nickel phosphate exhibit a particularly high charge / discharge voltage among batteries using various positive electrode active materials. Therefore, a lithium secondary battery using lithium nickel phosphate is a so-called all-solid battery (all-solid-state secondary battery) using a solid electrolyte instead of an organic electrolyte, which is suitable for a higher charge / discharge voltage. Preferably there is.
しかしながら、全固体電池においては、有機電解液を用いたリチウム二次電池とは異なり、リチウムイオンの拡散が生じにくい。従って、より高い充放電電圧特性を示すことが可能なリン酸ニッケルリチウムの特性を最大限活かすことができないことがある。 However, unlike an all-solid-state battery using a lithium secondary battery using an organic electrolyte, lithium ion diffusion hardly occurs. Therefore, the characteristics of lithium nickel phosphate capable of exhibiting higher charge / discharge voltage characteristics may not be fully utilized.
さらには、リン酸ニッケルリチウム等のオリビン系リン酸リチウム金属化合物の電気伝導率は、通常、それほど大きくない。そのため、電気伝導率を高め、十分な充放電容量を得るためには、リン酸ニッケルリチウムの電気伝導率を向上させることが好ましい。 Furthermore, the electrical conductivity of olivine-type lithium phosphate metal compounds such as lithium nickel phosphate is usually not so high. Therefore, in order to increase electric conductivity and obtain sufficient charge / discharge capacity, it is preferable to improve the electric conductivity of lithium nickel phosphate.
この観点のもと、電気伝導率向上の方法として、例えばリン酸ニッケルリチウム粒子を炭素等の電気伝導性材料で被覆することが考えられる。しかしながら、炭素等でリン酸ニッケルリチウム粒子が被覆されると、リン酸ニッケルリチウム粒子と外部との間で、リチウムイオンの授受が行われにくくなることがある。即ち、前記の場合と同様、リチウムイオンの拡散が生じにくくなり、リン酸ニッケルリチウムの特性を最大限活かすことができないことがある。これに加えて、リン酸ニッケルリチウムを電気伝導性材料で被覆すること自体が困難なこともある。 From this viewpoint, as a method for improving the electrical conductivity, for example, it is conceivable to coat nickel phosphate lithium particles with an electrically conductive material such as carbon. However, when the nickel phosphate lithium particles are coated with carbon or the like, it may be difficult to exchange lithium ions between the nickel phosphate lithium particles and the outside. That is, as in the case described above, diffusion of lithium ions is less likely to occur, and the characteristics of lithium nickel phosphate may not be fully utilized. In addition, it may be difficult to coat lithium nickel phosphate with an electrically conductive material.
本発明はこのような事情に鑑み為されたものである。本発明は、高い充放電電圧と充放電容量とを兼ね備えたリチウム二次電池を製造可能な、リチウム二次電池用正極材料及びその製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances. This invention makes it a subject to provide the positive electrode material for lithium secondary batteries which can manufacture the lithium secondary battery which has a high charging / discharging voltage and charging / discharging capacity | capacitance, and its manufacturing method.
本発明者は前記課題を解決するべく、鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を見出した。即ち、本発明の要旨は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極と、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極と、前記正極と前記負極との間に担持される固体電解質とを備えるリチウム二次電池に用いられるリチウム二次電池用正極材料であって、リン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルを含むことを特徴とする、リチウム二次電池用正極材料に関する。 The present inventor has intensively studied to solve the above problems. As a result, the following findings were found. That is, the gist of the present invention is a lithium secondary comprising a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and a solid electrolyte supported between the positive electrode and the negative electrode. The present invention relates to a positive electrode material for a lithium secondary battery that is used for a battery, and includes lithium nickel phosphate and nickel phosphide.
また、本発明の別の要旨は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極と、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極と、前記正極と前記負極との間に担持される固体電解質とを備えるリチウムイオン二次電池に用いられるリチウム二次電池用正極材料の製造方法であって、リチウム原料と、化学量論比よりも過剰量のリン原料と、化学量論比よりも過剰量のニッケル原料と、を混合し、熱処理させることで、少なくともリン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルを生成させる工程を含むことを特徴とする、リチウム二次電池用正極材料の製造方法に関する。 Another aspect of the present invention is a lithium battery comprising a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and a solid electrolyte supported between the positive electrode and the negative electrode. A method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery used in an ion secondary battery, comprising: a lithium raw material; an excessive phosphorus raw material than a stoichiometric ratio; and an excessive nickel raw material than a stoichiometric ratio; And a heat treatment to produce at least nickel nickel phosphate and nickel phosphide, and a method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery.
本発明によれば、高い充放電電圧と充放電容量とを兼ね備えたリチウム二次電池を製造可能な、リチウム二次電池用正極材料及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the positive electrode material for lithium secondary batteries which can manufacture the lithium secondary battery which has a high charging / discharging voltage and charging / discharging capacity | capacitance, and its manufacturing method can be provided.
以下、本発明を実施するための形態(本実施形態)を説明するが、本実施形態は以下の内容に何ら制限されず、本発明の効果を著しく損なわない範囲内で任意に変更して実施可能である。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (the present embodiment) will be described. However, the present embodiment is not limited to the following contents, and may be arbitrarily modified and implemented within a range that does not significantly impair the effects of the present invention. Is possible.
本実施形態に係るリチウム二次電池用正極材料及びその製造方法は、リチウム二次電池に適用されれば、当該リチウム二次電池の具体的な構成はどのようなものであってもよい。例えば、これらは、負極として金属以外の材料を用いる所謂「リチウムイオン二次電池」に適用することができるし、負極として例えば金属リチウムやリチウム−アルミニウム合金等を用いる「リチウム二次電池」に適用することもできる。 As long as the positive electrode material for a lithium secondary battery and the manufacturing method thereof according to this embodiment are applied to a lithium secondary battery, the specific configuration of the lithium secondary battery may be any. For example, these can be applied to a so-called “lithium ion secondary battery” using a material other than a metal as a negative electrode, and applied to a “lithium secondary battery” using, for example, metallic lithium or a lithium-aluminum alloy as a negative electrode. You can also
また、本実施形態に係るリチウム二次電池用正極材料を用いて作製された電池は、電解液として非水電解液を用いるリチウム二次電池であってもよく、固体電解質を用いる全固体リチウム二次電池であってもよい。ただし、本実施形態に係るリチウム二次電池用正極材料を用いて作製された電池は、高い充放電電圧において特に好適に使用可能である。この点を考慮すれば、本実施形態に係るリチウム二次電池用正極材料は、全固体型のリチウム二次電池用正極材料(全固体リチウム二次電池用正極材料)であることが好ましい。 In addition, the battery manufactured using the positive electrode material for a lithium secondary battery according to the present embodiment may be a lithium secondary battery that uses a non-aqueous electrolyte as an electrolyte, or an all-solid lithium secondary that uses a solid electrolyte. A secondary battery may be used. However, the battery produced using the positive electrode material for a lithium secondary battery according to this embodiment can be used particularly preferably at a high charge / discharge voltage. Considering this point, the positive electrode material for a lithium secondary battery according to the present embodiment is preferably an all-solid-type positive electrode material for a lithium secondary battery (a positive electrode material for an all-solid lithium secondary battery).
そこで、以下の本実施形態に係るリチウム二次電池用正極材料及びその製造方法の説明として、リチウム二次電池として全固体リチウム二次電池を例に挙げて、これらの説明を以下において行うものとする。ただし、前記のように、本実施形態に係るリチウム二次電池用正極材料及びその製造方法を適用可能なリチウム二次電池は、リチウムイオン二次電池に何ら限られず、どのようなリチウム二次電池であってもよい。 Therefore, as an explanation of the positive electrode material for a lithium secondary battery and the manufacturing method thereof according to the following embodiment, an all solid lithium secondary battery is taken as an example of the lithium secondary battery, and these explanations will be given below. To do. However, as described above, the lithium secondary battery to which the positive electrode material for a lithium secondary battery and the manufacturing method thereof according to the present embodiment can be applied is not limited to the lithium ion secondary battery, and any lithium secondary battery It may be.
[1.リチウムイオン二次電池]
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100(以下、単に「二次電池100」という)は、図1に示すように、正極10と、負極20と、正極10と負極20との間に担持される固体電解質30と、を備えてなるものである。即ち、二次電池100は、全固体型のリチウムイオン二次電池である。
[1. Lithium ion secondary battery]
A lithium ion
〔正極10〕
二次電池100を構成する正極10は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能なものである。正極10は、例えば、アルミニウム等の集電板に対して、正極活物質や溶剤等を含む正極材料(詳細は、[2.リチウムイオン二次電池100の製造方法]において後記する)が塗布及び乾燥されてなる。従って、正極10は、正極材料中の揮発性成分(溶剤等)以外の各成分を含んで構成される。
[Positive electrode 10]
The
本実施形態においては、正極10には、リン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルが含まれている。ここで、リン酸ニッケルリチウムは、通常、正極活物質と機能するものである。リン酸ニッケルリチウムが正極10に含まれることで、二次電池100の充放電電圧を高いものとすることができる。また、全固体リチウム二次電池の場合、正極10には、リン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルのほか、通常は、ポリフッ化ビニリデン等のバインダ樹脂、アセチレンブラックやカーボンブラック等の導電助剤等、固体電解質、なども含まれている。
In the present embodiment, the
正極10に含まれる正極活物質としては、正極活物質として通常機能するリン化ニッケルリチウムのほか、例えばリン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウム、コバルト酸リチウム等の任意の正極活物質を含んでいてもよい。また、正極活物質は、本発明の効果を著しく損なわない範囲で、例えば炭素材料等の電気伝導性材料で被覆されていてもよい。
The positive electrode active material contained in the
正極10に含まれるリン化ニッケルは、正極10に含まれるリン酸ニッケルリチウム等の正極活物質の電気伝導性を向上させるために用いられる。リン酸ニッケルリチウムの電気伝導性は通常はそれほど大きくない。そこで、リン酸ニッケルリチウムが含まれる正極10中にリン化ニッケルを共存させることで、特にリン酸ニッケルリチウムの電気伝導性を高めることができる。これにより、正極10を有する二次電池100の充放電容量を大きくすることができる。
The nickel phosphide contained in the
リン化ニッケルには、組成式NiP3で示される化合物や、組成式Ni3Pで示される化合物等、幾つかの化合物が包含されている。二次電池100を構成する正極10を作製するために用いられる正極材料には、どのようなリン化ニッケルが含まれていてもよいが、中でも、組成式NiP3で示されるリン化ニッケルを含むことが好ましい。これにより、詳細は後記するが、リン酸ニッケルリチウム調製時に併せて容易に調製することができる。
The nickel phosphide includes several compounds such as a compound represented by the composition formula NiP 3 and a compound represented by the composition formula Ni 3 P. The positive electrode material used for producing the
正極10に含まれるリン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルの量は特に制限されない。ただし、特にリン酸ニッケルリチウムの電気伝導性を高め、二次電池100の充放電容量を大きくすることができるという観点から、リン化ニッケルの含有量は多いことが好ましい。具体的には、リン化ニッケルの含有量について例えばCuKα線を使用した粉末X線回折装置を用いて測定(算出)する場合、リン酸ニッケルリチウムの25.9±0.5°の110/201回折ピークに対して、前記リン化ニッケルの16.0±0.5°の110回折ピーク強度比が、0.002以上であることが好ましく、0.006以上であることが特に好ましい。この範囲とすることで、二次電池100の充放電容量を特に大きくすることができる。なお、前記の粉末X線回折装置としては、例えばリガク社製 RINT2000を用いることができる。
The amount of lithium nickel phosphate and nickel phosphide contained in the
なお、回折ピーク強度比を算出するにあたって、リン化ニッケルを含まない所謂バックグラウンドに相当する試料を調製して分析を行うことにより、リン化ニッケルに起因する回折ピーク強度比(即ち、リン化ニッケルの回折ピーク強度比)を算出することができる。 In calculating the diffraction peak intensity ratio, a sample corresponding to a so-called background that does not contain nickel phosphide is prepared and analyzed, so that the diffraction peak intensity ratio attributable to nickel phosphide (ie, nickel phosphide) is calculated. The diffraction peak intensity ratio) can be calculated.
図2は、二次電池100を構成する正極10近傍を拡大して示す図である。なお、図2においては、図示の簡略化のために、リン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルのみ図示している。
FIG. 2 is an enlarged view showing the vicinity of the
図2に示すように、正極10は、正極板1の表面に、リン酸ニッケルリチウム2やリン化ニッケル3等が、バインダ樹脂(図2では図示しない)により固定されてなる。即ち、個々のリン酸ニッケルリチウム2は、リン化ニッケル3により、電気的に接合されているといえる。このように、リン酸ニッケルリチウム2が固定されている正極10に、さらにリン化ニッケル3を固定させることで、リン化ニッケルリチウム2の電気伝導性を向上させることができる。
As shown in FIG. 2, the
また、リン酸ニッケルリチウム2は、リン化ニッケル3により完全に被覆されているわけではない。従って、リン化ニッケルリチウム2からのリチウムイオンの拡散が阻害されにくく、充放電容量の低下を抑制することができる。
Further, the
〔負極20〕
二次電池100を構成する負極20は、正極10と同様、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能なものである。負極20は、任意の構成とすることができる。例えば、負極20は、銅もしくはアルミニウム等の集電板に対して、炭素粉末等の炭素材料やリチウム含有合金などの金属元素含有合金正極10と同様のバインダ樹脂や溶剤、導電助剤等を含む負極材料を塗布及び乾燥して、作製することができる。
[Negative electrode 20]
The
〔固体電解質30〕
二次電池100を構成する固体電解質30は、正極10と負極20との間でリチウムイオン等の授受を媒介するものである。固体電解質30の種類は特に制限されないが、例えば、Li10GeP2S12、La0.5Li0.5TiO3等を用いることができる。これらは一種が単独で用いられてもよく、二種以上が併用されてもよい。
[Solid electrolyte 30]
The
[2.リチウムイオン二次電池100の製造方法]
次に、前記したリチウムイオン二次電池100の製造方法(以下、単に「二次電池100の製造方法」という)について説明する。二次電池100は、正極10及び負極20を作製し、これらの間に固体電解質30を担持させることで作製することができる。
[2. Method for manufacturing lithium ion secondary battery 100]
Next, a method for manufacturing the above-described lithium ion secondary battery 100 (hereinafter simply referred to as “method for manufacturing the
本実施形態の二次電池100の製造方法においては、正極10の作製は、リチウム原料と、化学量論比よりも過剰量のリン原料と、化学量論比よりも過剰量のニッケル原料と、を混合し、熱処理させることで、少なくともリン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルを生成させる工程(リン化ニッケル生成工程)を少なくとも含んで行われる。
In the manufacturing method of the
なお、「化学量論比」に関して、リン酸ニッケルリチウム(LiNiPO4)において、リン、ニッケル及びリチウムは、いずれも1モルずつ含まれている。従って、「化学量論比よりも過剰量」とは、例えばリン原料であれば、リチウム元素1モルに対して、リン元素が1モルより多い量ということを意味する。 Regarding “stoichiometric ratio”, in lithium nickel phosphate (LiNiPO 4 ), phosphorus, nickel, and lithium are all contained in an amount of 1 mol. Therefore, “excess amount than the stoichiometric ratio” means that, for example, in the case of a phosphorus raw material, the amount of phosphorus element is more than 1 mole per mole of lithium element.
正極10は、前記のリン化ニッケル生成工程を経て得られたリン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルを用いて作製される。具体的には、これらと溶剤、バインダ樹脂、導電助剤等を混合して集電板に塗布及び乾燥させることで、正極10が作製される。
The
リン化ニッケル生成工程において、リチウム原料としては、リチウムを含む材料である限りどのようなものを用いてもよく、例えば、炭酸リチウムや水酸化リチウム等を用いることができる。リチウム原料は、複数種併用してもよい。中でも、酸化性雰囲気化で熱処理しても窒素酸化物を発生させないという観点から、水酸化リチウムを用いることが好ましい。 In the nickel phosphide production step, any material may be used as the lithium raw material as long as it is a material containing lithium. For example, lithium carbonate or lithium hydroxide can be used. A plurality of lithium raw materials may be used in combination. Among these, lithium hydroxide is preferably used from the viewpoint that nitrogen oxides are not generated even when heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere.
また、リン原料としては、リンを含む材料である限りどのようなものを用いてもよく、例えば、リン酸水素アンモニウム、リン酸、ピロリン酸等を用いることができる。リン原料は、複数種を併用してもよい。 As the phosphorus raw material, any material may be used as long as it is a material containing phosphorus. For example, ammonium hydrogen phosphate, phosphoric acid, pyrophosphoric acid and the like can be used. A plurality of phosphorus raw materials may be used in combination.
さらに、ニッケル原料としては、ニッケルを含む材料である限りどのようなものを用いてもよく、例えば、水酸化ニッケル、酸化ニッケル、シュウ酸ニッケル等を用いることができる。ニッケル原料は、複数種を併用してもよい。 Furthermore, any material may be used as the nickel raw material as long as the material contains nickel. For example, nickel hydroxide, nickel oxide, nickel oxalate, or the like can be used. A plurality of nickel raw materials may be used in combination.
また、リン及びニッケルの両方が含まれる化合物を用いてもよい。具体的には例えばピロリン酸ニッケル等であり、この場合、ピロリン酸ニッケルは、リン原料及びニッケル原料に相当する。他にも、リン及びリチウムを両方含む化合物(リン原料及びリチウム原料に相当)、ニッケル及びリチウムを両方含む化合物(ニッケル原料及びリチウム原料に相当)、及び、リン、リチウム及びニッケルの全てを含む化合物(リン原料、リチウム原料及びニッケル原料に相当)等を適宜用いてもよい。 A compound containing both phosphorus and nickel may also be used. Specifically, for example, nickel pyrophosphate is used, and in this case, nickel pyrophosphate corresponds to a phosphorus raw material and a nickel raw material. Other compounds containing both phosphorus and lithium (corresponding to phosphorus raw material and lithium raw material), compounds containing both nickel and lithium (corresponding to nickel raw material and lithium raw material), and compounds containing all of phosphorus, lithium and nickel (Corresponding to phosphorus raw material, lithium raw material and nickel raw material) or the like may be used as appropriate.
リチウム原料、リン原料及びニッケル原料の使用量は特に制限されない。ただし、本実施形態においては、リン酸ニッケルリチウム(LiNiPO4)の組成比において、リン原料及びニッケル原料の使用量が、前記のように、リチウム原料の使用量よりも過剰になる量を使用するものとする。即ち、リン酸ニッケルリチウムは、1モルのリチウム元素と、1モルのニッケル元素と、1モルのリン元素を含んで構成されている。従って、例えば、1モルのリチウム元素を含むリチウム原料に対して、1.1モルのリン元素を含むリン原料と、1.1モルのニッケル元素を含むニッケル原料とを併用することができる。また、例えば、1モルのリチウム元素を含むリチウム原料に対して、1.1モルのリン元素と、1.1モルのニッケル元素とを併用するようにしてもよい。 The amount of lithium raw material, phosphorus raw material, and nickel raw material used is not particularly limited. However, in the present embodiment, in the composition ratio of lithium nickel phosphate (LiNiPO 4 ), the amount used of the phosphorus raw material and the nickel raw material is an amount that exceeds the amount of the lithium raw material used as described above. Shall. That is, the lithium nickel phosphate includes 1 mol of lithium element, 1 mol of nickel element, and 1 mol of phosphorus element. Therefore, for example, for a lithium raw material containing 1 mol of lithium element, a phosphorus raw material containing 1.1 mol of phosphorus element and a nickel raw material containing 1.1 mol of nickel element can be used in combination. Further, for example, 1.1 mol of phosphorus element and 1.1 mol of nickel element may be used in combination with respect to a lithium raw material containing 1 mol of lithium element.
前記の使用量でリチウム原料、リン原料及びニッケル原料を混合した後、混合物に対して熱処理が行われることで、リン酸ニッケルリチウムに加えてリン化ニッケルを生成させることができる。即ち、通常は化学量論比通りに原料(リチウム原料、リン原料及びニッケル原料)を仕込んで熱処理が行われるが、本実施形態においては、敢えてリン原料及びニッケル原料を化学量論比において過剰量となるように仕込んでいる。このように、原料の使用量を化学量論比通りの量から変更することで、リン化ニッケルを生成させることができる。これにより、容易に、リン酸ニッケルリチウムの電気伝導率を向上させることができる。 After mixing a lithium raw material, a phosphorus raw material, and a nickel raw material with the said usage-amount, in addition to nickel lithium phosphate, nickel phosphide can be produced | generated by heat-processing with respect to a mixture. That is, normally, the raw materials (lithium raw material, phosphorus raw material and nickel raw material) are charged according to the stoichiometric ratio, and the heat treatment is performed. In this embodiment, however, the phosphorus raw material and nickel raw material are intentionally excessive in the stoichiometric ratio. It is prepared to become. Thus, nickel phosphide can be produced by changing the amount of the raw material used from the stoichiometric ratio. Thereby, the electrical conductivity of lithium nickel phosphate can be easily improved.
熱処理時の条件は特に制限されない。例えば、300℃以上500℃以下で2時間以上12時間以下の仮焼成した後、600℃以上800℃以下で2時間以上12時間以下の本焼成することで熱処理を行うことができる。ただし、より確実にリン化ニッケルリチウム及びリン化ニッケルの混合物を得るという観点から、600℃以上700℃以下の温度で本焼成を行うことが好ましい。また、必要に応じて、仮焼成を行わなくてもよい。 The conditions during the heat treatment are not particularly limited. For example, heat treatment can be performed by calcining at 300 ° C. to 500 ° C. for 2 hours to 12 hours and then firing at 600 ° C. to 800 ° C. for 2 hours to 12 hours. However, from the viewpoint of more reliably obtaining a mixture of nickel phosphide and nickel phosphide, it is preferable to perform the main calcination at a temperature of 600 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. Moreover, it is not necessary to perform temporary baking as needed.
熱処理時の雰囲気も特に制限されず、酸化性雰囲気(例えば大気中)、不活性雰囲気(例えば窒素ガスやアルゴンガス中)等、どのような雰囲気であってもよい。ただし、熱処理槽を小型化でき、容易に熱処理可能という観点から、酸化性雰囲気において熱処理することが好ましい。また、酸化性雰囲気で熱処理を行うことで、原料中の例えば炭素原子等を一酸化炭素や二酸化炭素として外部に排出することができ、熱処理後の産物中への不純物の生成や残留を抑制することができる。これにより、電気伝導率の向上がいっそう促される。 The atmosphere during the heat treatment is not particularly limited, and may be any atmosphere such as an oxidizing atmosphere (for example, in the air) or an inert atmosphere (for example, in nitrogen gas or argon gas). However, it is preferable to perform the heat treatment in an oxidizing atmosphere from the viewpoint that the heat treatment tank can be downsized and can be easily heat treated. In addition, by performing heat treatment in an oxidizing atmosphere, for example, carbon atoms in the raw material can be discharged to the outside as carbon monoxide or carbon dioxide, and the generation and residue of impurities in the product after the heat treatment is suppressed. be able to. Thereby, the improvement of electrical conductivity is further promoted.
熱処理後、得られたリン化ニッケルリチウム及びリン化ニッケルの混合物に対して、溶剤のほか、前記の正極10を構成する材料を添加し、集電板に塗布して乾燥させることで、正極10が作製できる。
After the heat treatment, the mixture of the obtained lithium nickel phosphide and nickel phosphide is added with the material constituting the
一方で、負極20の作製方法は特に制限されず、負極20を構成する材料を溶剤に適宜混合し、集電板に塗布して乾燥させることで、負極20が作製できる。そして、得られた正極10及び負極20の間に固体電解質30を担持させることで、二次電池100を作製することができる。
On the other hand, the method for producing the
以下、実施例を挙げて、本発明をより詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
〔実施例1〕
リチウム原料としての水酸化リチウム一水和物(LiOH・H2O)8.46gと、リン原料及びニッケル原料としてのピロリン酸ニッケル(Ni2P2O7・6H2O)41.53gとを十分に混合した。そして、得られた混合物について、空気中で、500℃で6時間仮焼成して粉砕後、700℃で6時間本焼成を行った。これにより、リン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケル(本実施例ではNiP3)が生成し、リン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルを含む混合物が得られた。
[Example 1]
Lithium monohydrate (LiOH · H 2 O) 8.46g hydroxide as lithium source, a phosphorus raw material and pyrophosphate nickel as nickel material (Ni 2 P 2 O 7 · 6H 2 O) 41.53g Mix well. The obtained mixture was calcined in air at 500 ° C. for 6 hours and pulverized, followed by firing at 700 ° C. for 6 hours. As a result, lithium nickel phosphate and nickel phosphide (NiP 3 in this example) were produced, and a mixture containing lithium nickel phosphate and nickel phosphide was obtained.
得られた混合物におけるリン化ニッケルの含有量を測定した。具体的には、CuKα線を使用した粉末X線回折装置(リガク社製 RINT2000)を用いて、リン酸ニッケルリチウムの25.9±0.5°の110/201回折ピークに対する、前記リン化ニッケルの16.0±0.5°の110回折ピーク強度比を算出した。その結果、算出された回折ピーク強度比は0.021であることがわかった。なお、回折ピーク強度比が大きければ大きいほど、リン化ニッケルの含有量が多いことになる。 The content of nickel phosphide in the obtained mixture was measured. Specifically, the nickel phosphide with respect to the 25.9 ± 0.5 ° 110/201 diffraction peak of lithium nickel phosphate using a powder X-ray diffractometer (RINT2000 manufactured by Rigaku Corporation) using CuKα rays. The 110 diffraction peak intensity ratio of 16.0 ± 0.5 ° was calculated. As a result, it was found that the calculated diffraction peak intensity ratio was 0.021. In addition, the larger the diffraction peak intensity ratio, the greater the content of nickel phosphide.
また、得られた混合物について、電気伝導率を測定した。測定は、測定装置としてケミカルインピーダンスメータ3532−80(日置電気株式会社製)を用い、圧力を100MPaで四端子法により行った。その結果、電気伝導率は1.7×10−6S/cm(=170×10−8S/cm)であった。 Moreover, electrical conductivity was measured about the obtained mixture. The measurement was performed by a four-terminal method using a chemical impedance meter 3532-80 (manufactured by Hioki Electric Co., Ltd.) as a measuring device and a pressure of 100 MPa. As a result, the electric conductivity was 1.7 × 10 −6 S / cm (= 170 × 10 −8 S / cm).
〔実施例2〕
仮焼成を行わなかったこと以外は実施例1と同様にして、リン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルを含む混合物を得た。
[Example 2]
A mixture containing lithium nickel phosphate and nickel phosphide was obtained in the same manner as in Example 1 except that the preliminary firing was not performed.
得られた混合物について、実施例1と同様にして回折ピーク強度比を算出したところ、算出された回折ピーク強度比は0.043であった。また、得られた混合物について、実施例1と同様にして電気伝導率を測定したところ、1.5×10−6S/cm(=150×10−8S/cm)であった。 With respect to the obtained mixture, the diffraction peak intensity ratio was calculated in the same manner as in Example 1. As a result, the calculated diffraction peak intensity ratio was 0.043. Moreover, when the electrical conductivity was measured about the obtained mixture like Example 1, it was 1.5 * 10 < -6 > S / cm (= 150 * 10 < -8 > S / cm).
〔実施例3〕
仮焼成を行わず、かつ、本焼成時の温度を800℃に代えたこと以外は実施例1と同様にして、リン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルを含む混合物を得た。
Example 3
A mixture containing lithium nickel phosphate and nickel phosphide was obtained in the same manner as in Example 1 except that the preliminary calcination was not performed and the temperature during the main calcination was changed to 800 ° C.
得られた混合物について、実施例1と同様にして回折ピーク強度比を算出したところ、算出された回折ピーク強度比は0.017であった。また、得られた混合物について、実施例1と同様にして電気伝導率を測定したところ、1.7×10−7S/cm(=17×10−8S/cm)であった。 For the obtained mixture, the diffraction peak intensity ratio was calculated in the same manner as in Example 1. As a result, the calculated diffraction peak intensity ratio was 0.017. Moreover, when the electrical conductivity of the obtained mixture was measured in the same manner as in Example 1, it was 1.7 × 10 −7 S / cm (= 17 × 10 −8 S / cm).
〔比較例1〕
リチウム原料として水酸化リチウム一水和物(LiOH・H2O)1.65g、ニッケル原料として水酸化ニッケル(Ni(OH)2)3.83g、リン原料としてリン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)4.52gを乳鉢で粉砕・混合後、350℃で6時間、大気中で仮焼きした。その後、乳鉢で粉砕後、700℃で6時間本焼成することで、リン酸ニッケルリチウムを調製した。
[Comparative Example 1]
1.65 g of lithium hydroxide monohydrate (LiOH.H 2 O) as a lithium raw material, 3.83 g of nickel hydroxide (Ni (OH) 2 ) as a nickel raw material, ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO) as a phosphorus raw material 4 ) After pulverizing and mixing 4.52 g in a mortar, it was calcined in the atmosphere at 350 ° C. for 6 hours. Then, after pulverizing with a mortar, main baking was performed at 700 ° C. for 6 hours to prepare lithium nickel phosphate.
得られた混合物について、実施例1と同様にして回折ピーク強度比を算出したところ、算出された回折ピーク強度比は0.015であった。また、得られた混合物について、実施例1と同様にして電気伝導率を測定したところ、3.4×10−8S/cm)であった。 For the obtained mixture, the diffraction peak intensity ratio was calculated in the same manner as in Example 1. As a result, the calculated diffraction peak intensity ratio was 0.015. Moreover, when the electrical conductivity of the obtained mixture was measured in the same manner as in Example 1, it was 3.4 × 10 −8 S / cm).
〔検討〕
実施例1〜3並びに比較例1の結果を以下の表1に示す。
The results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are shown in Table 1 below.
表1に示すように、リン化ニッケルを含まない比較例1においても、回折ピーク強度比が算出された。この回折ピーク強度比はバックグラウンドであると考えられる。そこで、実施例1〜3の各値から比較例1の値を引き、このバックグラウンドを考慮した評価結果を、表2に示す。即ち、表2に示す回折ピーク強度比が、リン化ニッケルに起因する回折ピーク強度比である。
表2に示すように、リン酸ニッケルリチウムが含まれることにより、電気伝導率が向上していた(実施例1〜実施例3)。即ち、リン化ニッケルが含まれると(例えば、回折ピーク強度比が0.002以上)、電気伝導率が向上していた。特に、リン化ニッケルの回折ピーク強度比が0.006以上であることにより、リン化ニッケルが含まれていない場合(比較例1)と比較して、電気伝導率は45〜50倍程度まで向上した(実施例1及び実施例2)。 As shown in Table 2, the electrical conductivity was improved by including lithium nickel phosphate (Examples 1 to 3). That is, when nickel phosphide is included (for example, the diffraction peak intensity ratio is 0.002 or more), the electrical conductivity is improved. In particular, when the diffraction peak intensity ratio of nickel phosphide is 0.006 or more, the electrical conductivity is improved to about 45 to 50 times compared to the case where nickel phosphide is not included (Comparative Example 1). (Example 1 and Example 2).
このように、リン化ニッケルを含ませることで、電気伝導率を向上させることができることがわかった。特には、例えばCuKα線を使用した粉末X線回折装置を用いて算出可能なリン化ニッケルの回折ピーク強度比を0.006以上とすることで、電気伝導率を飛躍的に向上させることができることがわかった。 Thus, it was found that the electrical conductivity can be improved by including nickel phosphide. In particular, the electrical conductivity can be drastically improved by setting the diffraction peak intensity ratio of nickel phosphide that can be calculated using, for example, a powder X-ray diffractometer using CuKα rays to 0.006 or more. I understood.
また、実施例3においても、回折ピーク強度比が比較的小さい値にもかかわらず、電気伝導率が5倍程度まで増大していた。ただし、実施例3の電気伝導率は、実施例1や実施例2の電気伝導率よりは低かった。これは、実施例3での本焼成温度は800度とやや高く、これにより、リン酸リチウム等の結晶相と焼結してしまい、リン酸ニッケルリチウムが多く生成するためであると考えられる。具体的な化学反応を簡潔に示せば、Li3PO4+NiP3+O2→LiNiPO4となる。そして、この結果、電気伝導率が、実施例1や実施例2よりも低くなったものと考えられる。
Also in Example 3, the electrical conductivity increased to about 5 times despite the relatively small value of the diffraction peak intensity ratio. However, the electrical conductivity of Example 3 was lower than the electrical conductivity of Example 1 or Example 2. This is considered to be due to the fact that the main firing temperature in Example 3 is slightly high at 800 ° C., which causes sintering with a crystal phase such as lithium phosphate, and a large amount of lithium nickel phosphate is generated. If Shimese specific chemistry briefly, the Li 3 PO 4 + NiP 3 +
実施例1〜実施例3において示したように、リン原料及びニッケル原料を過剰量含ませて熱処理を行うことにより、リン化ニッケルを容易に生成させることができる。即ち、これらの原料の使用量を変更することで容易にリン化ニッケルを生成させることができ、これにより、電気伝導率を向上させることができる。特に、例えばニオブやモリブデン等の金属を別途用いることなく電気伝導率を向上させることができるため、限りある資源を有効利用することができる。 As shown in Examples 1 to 3, nickel phosphide can be easily generated by heat treatment with an excessive amount of a phosphorus raw material and a nickel raw material. That is, it is possible to easily generate nickel phosphide by changing the amount of these raw materials used, thereby improving the electrical conductivity. In particular, since the electric conductivity can be improved without separately using a metal such as niobium or molybdenum, limited resources can be effectively used.
また、リン酸ニッケルリチウムを被覆せずに電気伝導率を向上させることができるため、被覆によるリチウムイオンの拡散を抑制することができる。そのため、正極活物質であるリン酸ニッケルリチウムの高電気伝導性とリチウムイオンの高拡散性とを両立させることができる。これらにより、リチウムイオン二次電池の充放電容量を増大させることができる。 Further, since the electrical conductivity can be improved without coating with lithium nickel phosphate, diffusion of lithium ions due to coating can be suppressed. Therefore, the high electrical conductivity of lithium nickel phosphate, which is the positive electrode active material, and the high diffusibility of lithium ions can both be achieved. As a result, the charge / discharge capacity of the lithium ion secondary battery can be increased.
また、本実施例において調製した正極にはリン酸ニッケルリチウムが含まれており、この正極を備えるリチウムイオン二次電池は、高い充放電電圧特性を奏する。従って、リン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルを含む正極材料を用いれば、高い充放電電圧と充放電容量とを兼ね備えたリチウムイオン二次電池を作製することができる。 Further, the positive electrode prepared in this example contains lithium nickel phosphate, and a lithium ion secondary battery including this positive electrode exhibits high charge / discharge voltage characteristics. Therefore, if a positive electrode material containing lithium nickel phosphate and nickel phosphide is used, a lithium ion secondary battery having both a high charge / discharge voltage and a charge / discharge capacity can be produced.
1 集電板
2 リン酸ニッケルリチウム
3 リン化ニッケル
4 正極材料
10 正極
1
Claims (7)
リン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルを含むことを特徴とする、リチウム二次電池用正極材料。 A positive electrode material for a lithium secondary battery used in a lithium secondary battery comprising a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte,
A positive electrode material for a lithium secondary battery, comprising lithium nickel phosphate and nickel phosphide.
リチウム原料と、化学量論比よりも過剰量のリン原料と、化学量論比よりも過剰量のニッケル原料と、を混合し、熱処理させることで、少なくともリン酸ニッケルリチウム及びリン化ニッケルを生成させる工程を含むことを特徴とする、リチウム二次電池用正極材料の製造方法。 A method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery used in a lithium ion secondary battery comprising a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte,
At least lithium lithium phosphate and nickel phosphide are produced by mixing and heat-treating lithium raw material, an excessive amount of phosphorus raw material than the stoichiometric ratio, and an excessive amount of nickel raw material beyond the stoichiometric ratio. The manufacturing method of the positive electrode material for lithium secondary batteries characterized by including the process to make.
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