JP2016023118A - Method for producing surface-treated oxide particles and oxide particles obtained using the production method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表面処理された酸化物粒子の製造方法に関する。より詳しくは、集電体(正極、負極)、及び正極活物質層、(固体、または液体)電解質、負極活物質層を有する蓄電池(二次電池)において、(正極、または負極)活物質層に好適に用いられ、かつ、蓄電池の各種特性向上を可能とする酸化物粒子を製造するに当たり、気相法という極めて簡便な方法で行える表面処理された酸化物粒子の製造方法(表面処理方法)、およびその製法で得られる低コストかつ高性能な酸化物粒子に関する。 The present invention relates to a method for producing surface-treated oxide particles. More specifically, in a storage battery (secondary battery) having a current collector (positive electrode, negative electrode), positive electrode active material layer, (solid or liquid) electrolyte, negative electrode active material layer, (positive electrode or negative electrode) active material layer A method for producing surface-treated oxide particles (surface treatment method) that can be used in a very simple method called a vapor phase method for producing oxide particles that can be suitably used in a battery and that can improve various characteristics of a storage battery. And low-cost and high-performance oxide particles obtained by the production method thereof.
蓄電池としてのリチウムイオン二次電池(以下、リチウムイオン電池)は、エネルギー密度が大きく、充放電のサイクル特性に優れるため、携帯機器等の電子機器を中心に広く使用されている。ここで、リチウムイオン電池は、用いる電解液の種類により、(1)電解液系リチウムイオン電池と、(2)全固体リチウムイオン電池、に大別される。 A lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as a lithium ion battery) as a storage battery has a large energy density and is excellent in charge / discharge cycle characteristics, and is therefore widely used mainly in electronic devices such as portable devices. Here, lithium ion batteries are roughly classified into (1) electrolyte-based lithium ion batteries and (2) all solid-state lithium ion batteries, depending on the type of electrolyte used.
(1)電解液系リチウムイオン電池
電解液系リチウムイオン電池は、現在広く用いられている最も一般的なリチウムイオン電池であり、図1に示すように、正極(正極集電体1、正極活物質層2)、負極(負極集電体6、負極活物質層5)、電解液4、セパレータ3の基本要素で構成されている。電極リード7(取出し電極)が取付けられた正極、及び負極は、これら電極間に電解質を保持できるセパレータ3を介在させた状態で電解液4に浸漬され、容器8(金属、プラスチックラミネート等)で覆われたセル構造を有している。
(1) Electrolyte-based lithium-ion battery An electrolyte-based lithium-ion battery is the most common lithium-ion battery that is widely used at present, and as shown in FIG. The material layer 2), the negative electrode (the negative electrode
上記正極、及び負極は、それぞれの活物質(正極活物質、負極活物質)の結晶性粒子、導電助剤、結合材(バインダー)等を主成分とするそれぞれの活物質層(正極活物質層2、負極活物質層5)が、それぞれの集電体(正極集電体1:アルミニウム箔等、負極集電体6:銅箔等)上に形成された構造を有している。 The positive electrode and the negative electrode are respectively active material layers (positive electrode active material layers) mainly composed of crystalline particles of each active material (positive electrode active material, negative electrode active material), conductive additive, binder (binder), and the like. 2, the negative electrode active material layer 5) has a structure formed on each current collector (positive electrode current collector 1: aluminum foil or the like, negative electrode current collector 6: copper foil or the like).
上記正極活物質には、通常、リチウムと遷移金属を含む複合酸化物が用いられており、具体的には、層状系材料としてのコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム酸化物(Li(Ni−Co−Al)O2)、リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)、スピネル系材料としてのリチウム−マンガン酸化物(LiMn2O4)、オリビン系材料としてのリン酸鉄リチウム(LiFePO4)等が一般的である。さらに、高エネルギー化を目指して、高電圧(5V領域)で充放電を行うスピネル系材料としてのリチウム−マンガン−ニッケル酸化物(Li(Mn3/2Ni1/2)O4等)や、高容量を有する層状系材料としての固溶体系(「過剰系」とも呼ばれる)マンガン含有リチウム複合酸化物(例えば、Li2MnO3−LiMO2[M:Ni、Mn、Co等])等の開発も進められている。また、上記負極活物質としては、黒鉛(グラファイト)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等が一般的に用いられている。 A composite oxide containing lithium and a transition metal is usually used for the positive electrode active material. Specifically, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ) as a layered material, Lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide (Li (Ni-Co-Al) O 2 ), lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ), spinel system Generally, lithium-manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) as a material, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) as an olivine-based material, and the like are common. Furthermore, aiming for higher energy, lithium-manganese-nickel oxide (Li (Mn 3/2 Ni 1/2 ) O 4 or the like) as a spinel material that charges and discharges at a high voltage (5 V region), Development of solid solution system (also called “excess system”) manganese-containing lithium composite oxide (eg, Li 2 MnO 3 —LiMO 2 [M: Ni, Mn, Co, etc.]) as a layered material having a high capacity It is being advanced. As the negative electrode active material, graphite (graphite), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), or the like is generally used.
ところで、それぞれの活物質層(正極活物質層2、負極活物質層5)の形成は、それぞれの活物質層形成用ペースト(正極活物質層形成用ペースト、負極活物質層形成用ペースト)を、集電体上に、塗布・乾燥(必要に応じてプレス加工による緻密化)して行われる。
By the way, each active material layer (positive electrode
ここで、正極活物質層形成用ペーストは、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の結合材(バインダー)を溶解させたN−メチルピロリドン(NMP)等の有機溶剤中に、上記正極活物質の粒子、アセチレンブラック(AB)や気相成長炭素ファイバー(VGCF)等の導電助剤の粒子を分散させた非水系ペーストが一般的であり、また、負極活物質層形成用ペーストには、例えば、水系の結合材(バインダー)としてのスチレンブタジエンラバー(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリル酸(PAA)等を含む水中に、上記負極活物質の粒子、必要に応じてアセチレンブラック(AB)や気相成長炭素ファイバー(VGCF)等の導電助剤の粒子、を分散させた水系ペーストが一般的に用いられている。 Here, the paste for forming the positive electrode active material layer is, for example, an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) in which a binder (binder) such as polyvinylidene fluoride (PVDF) is dissolved. Non-aqueous pastes in which particles of conductive assistants such as particles, acetylene black (AB) and vapor grown carbon fiber (VGCF) are dispersed are generally used. For the negative electrode active material layer forming paste, for example, In the water containing styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), polyacrylic acid (PAA), etc. as an aqueous binder (binder), particles of the above negative electrode active material, and optionally acetylene black (AB) In general, water-based pastes in which conductive auxiliary particles such as vapor grown carbon fiber (VGCF) are dispersed are used.
上記電解液系リチウムイオン電池では、その性能向上や低コスト化に向けて、活物質(正極活物質、負極活物質)、電解液、セパレータ等において種々の改良が絶え間なく行われてきている。しかしながら、液体である電解液を電解質として用いる電解液系リチウムイオン電池では、電解液主成分の有機溶剤の可燃性のため発火の危険性があり、また電解液の液漏れの心配もあるため、十分な安全性を有しているとは言えず、更に通常電池電圧4.5V程度以上では電解液の分解が生ずるため高電圧化による高容量化が困難で、かつ、容器(パッケージ)内のセル同士が電解液で電気的に繋がっているためバイポーラ型の積層セル構造によるセルの高電圧化・小型化が困難等、今後の低コスト化や小型化・高性能化におのずと限界があった。そこで、近年では、電解液に代えて固体電解質を用いる全固体リチウムイオン電池の開発が積極的に進められている。 In the above-described electrolyte-based lithium ion battery, various improvements have been continuously made in active materials (positive electrode active material, negative electrode active material), electrolytic solution, separator, and the like in order to improve performance and reduce costs. However, in an electrolyte-based lithium ion battery using a liquid electrolyte as an electrolyte, there is a risk of ignition due to the flammability of the organic solvent that is the main component of the electrolyte, and there is also a risk of electrolyte leakage, It cannot be said that the battery has sufficient safety. Further, when the battery voltage is about 4.5 V or more, the electrolytic solution is decomposed, so it is difficult to increase the capacity by increasing the voltage, and the inside of the container (package) Since the cells are electrically connected by an electrolyte solution, it was difficult to increase the voltage and size of the cell by using a bipolar stacked cell structure. . Therefore, in recent years, development of an all-solid-state lithium ion battery using a solid electrolyte instead of the electrolytic solution has been actively promoted.
(2)全固体リチウムイオン電池
全固体リチウムイオン電池では、可燃性の電解液に代えて不燃性・難燃性の固体電解質を用いている点に特徴があり、電池からの電解液漏れや発火等が防止でき大幅に安全性が向上すると共に、上記バイポーラ型積層セル構造により、パッケージの薄型化・小型化、及び、一つのセル内での直列化(積層)でのセルの高電圧化等による低コスト化が可能という利点がある。さらに、固体電解質の電位窓を広くできるためLiに対して高電位の正極活物質(5V系)の適用による高容量化をより一層図ることも可能となる。
(2) All-solid-state lithium-ion batteries All-solid-state lithium-ion batteries are characterized by the use of non-flammable and flame-retardant solid electrolytes instead of flammable electrolytes. The bipolar stacked cell structure makes it possible to reduce the package thickness and size, and increase the cell voltage by serializing (stacking) in one cell. There is an advantage that the cost can be reduced. Furthermore, since the potential window of the solid electrolyte can be widened, it is possible to further increase the capacity by applying a positive electrode active material (5 V system) having a higher potential than Li.
全固体リチウムイオン電池の基本セル構造は、図2に示すように、集電体(正極集電体1、負極集電体6)と機能性層(正極活物質層2、固体電解質層9、負極活物質層5)が積層された積層セル構造であり、この積層セル構造を複数積み重ねることでバイポーラ型積層セル構造(n回積層:集電体/正極活物質層(1層目)/固体電解質層(1層目)/負極活物質層(1層目)/集電体/正極活物質層(2層目)/固体電解質層(2層目)/負極活物質層(2層目)/集電体/・・・/正極活物質層(n層目)/固体電解質層(n層目)/負極活物質層(n層目)/集電体)が容易に実現できる。積層セル構造の、最外面の集電体(正極集電体1、負極集電体6)には電極リード7(取出し電極)が取付けられ、容器8(金属、プラスチックラミネート等)で覆われている。上記集電体は、正極集電体1ではステンレス箔、アルミニウム箔等、負極集電体6ではステンレス箔、銅箔等を用いることができる。
As shown in FIG. 2, the basic cell structure of the all-solid-state lithium ion battery includes a current collector (positive electrode current collector 1, negative electrode current collector 6) and a functional layer (positive electrode
また、上記機能性層(正極活物質層2、固体電解質層9、負極活物質層5)は、例えば活物質層(正極活物質層2、負極活物質層5)では、それぞれの活物質(正極活物質、負極活物質)の結晶性粒子が固体電解質マトリックス中に分散しており、必要に応じて、活物質層内の集電性(電子導電性)の向上のための導電助剤、密着性や柔軟性付与のための結合剤(バインダー)が微量含有されていてもよい。また、固体電解質層9は、固体電解質粒子が緻密に充填した多結晶層、あるいは、固体電解質からなる緻密な非晶質層であって、必要に応じて、密着性や柔軟性付与のための結合剤(バインダー)が微量含有されていてもよい。
The functional layers (positive electrode
上記活物質(正極活物質、負極活物質)には、前述の電解液系リチウムイオン電池で用いられ活物質と同様な材料が適用できる。さらに、金属リチウムや各種リチウム合金等のように、電解液系リチウムイオン電池では金属リチウムが負極にデンドライト析出して短絡を生じるため用いることができない高容量の負極活物質材料が、全固体リチウムイオン電池では適用できるという利点もある。 As the active material (positive electrode active material, negative electrode active material), a material similar to the active material used in the above-described electrolyte-based lithium ion battery can be applied. Furthermore, high-capacity negative electrode active material materials that cannot be used in electrolyte-based lithium ion batteries, such as metallic lithium and various lithium alloys, can be used because dendrites are deposited on the negative electrode to cause a short circuit. There is also an advantage that it can be applied to a battery.
ところで、全固体リチウムイオン電池に用いる固体電解質は、酸化物系固体電解質と硫化物系固体電解質に大別され、例えば、酸化物系固体電解質では、リン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸リチウムに窒素を添加したLi3PO4NX(LiPONと呼ばれる。)、LiBO2NX、LiNbO3、LiTaO3、Li2SiO3、Li4SiO4−Li3PO4、Li4SiO4−Li3VO4、Li2O−B2O3−P2O5、Li2O−SiO2、Li2O−B2O3−ZnO、Li1+XAlXTi2−X(PO4)3(0≦X≦1)(LATPまたはLTAPと呼ばれる。)、Li1+XAlXGe2−X(PO4)3(0≦X≦1;具体的には、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)(LAGPと呼ばれる。)、LiTi2(PO4)3、Li3XLa2/3−XTiO3(0≦X≦2/3;具体的には、Li0.33La0.56TiO3、Li0.5La0.5TiO3等)(LLTまたはLLTOと呼ばれる。)、Li5La3Ta2O12、Li7La3Zr2O12(LLZまたはLLZOと呼ばれる。)、Li6BaLa2Ta2O12、Li3.6Si0.6P0.4O4等、硫化物系固体電解質では、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−B2S3、Li3PO4−Li2S−Si2S、Li3PO4−Li2S−SiS2、LiPO4−Li2S−SiS、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5、Li2S−P2S5等が挙げられるが、酸化物系固体電解質に比べてリチウムイオン伝導度が高い硫化物系固体電解質が好適であり、中でもLi2S−P2S5系固体電解質は優れた特性を有し、かつ、低コスト化(高価な金属元素を含まない)が可能なため好ましい。
By the way, solid electrolytes used in all solid lithium ion batteries are roughly classified into oxide solid electrolytes and sulfide solid electrolytes. For example, in oxide solid electrolytes, lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), phosphoric acid is used. (. called LiPON) lithium was added with
上記硫化物系固体電解質を用いた全固体リチウムイオン電池において、活物質として電子伝導性に優れる酸化物粒子(例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム酸化物(Li(Ni−Co−Al)O2)、リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等)や、電子伝導性がそれ程悪くない酸化物粒子(リチウム−マンガン−ニッケル酸化物(Li(Mn3/2Ni1/2)O4等)、固溶体系(過剰系)マンガン含有リチウム複合酸化物(Li2MnO3−LiMO2[M:Ni、Mn、Co]等)を適用すると、活物質層内の活物質粒子(酸化物粒子)/硫化物系固体電解質の界面において、硫化物系固体電解質側にリチウムイオン欠乏した空間電荷層が形成されて上記界面抵抗が大幅に増加して電池の出力特性(レート特性)が大幅に悪化することが知られている。そして、その界面抵抗を有効に低減する方法として、電子導電性の低い酸化物固体電解質(例えば、Li2SiO3、LiNbO3、Li4Ti5O12、Li2Ti2O5等のアルカリ複合酸化物)による活物質粒子(酸化物粒子)のコーティングが提案され、広く試みられている(特許文献1〜3等参照)。 In the all-solid-state lithium ion battery using the sulfide-based solid electrolyte, oxide particles having excellent electron conductivity as an active material (for example, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium-nickel- Cobalt-aluminum oxide (Li (Ni—Co—Al) O 2 ), lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (such as LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ), and electronic conductivity Not so bad oxide particles (lithium-manganese-nickel oxide (Li (Mn 3/2 Ni 1/2 ) O 4 etc.), solid solution system (excess system) manganese-containing lithium composite oxide (Li 2 MnO 3 -LiMO) 2 [M: Ni, Mn, Co] applying the like), the active material particles (oxide particles of the active material layer) / sulfide-based solid electrolyte boundary In this case, it is known that a space charge layer deficient in lithium ions is formed on the sulfide-based solid electrolyte side, the interface resistance is greatly increased, and the output characteristics (rate characteristics) of the battery are greatly deteriorated. As a method for effectively reducing the interface resistance, an oxide solid electrolyte with low electronic conductivity (for example, alkaline composite oxidation such as Li 2 SiO 3 , LiNbO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 2 Ti 2 O 5, etc.) Coating of active material particles (oxide particles) with a material has been proposed and widely attempted (see Patent Documents 1 to 3, etc.).
以上、蓄電池としてのリチウムイオン電池について説明したが、近年、蓄電池の高容量化・低コスト化を目指した次世代電池(次世代二次電池)として、例えば、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池等の開発も盛んに行われている。これらの電池においても、その基本構造は上述のリチウムイオン電池と同様であり、リチウムに代えて、ナトリウムやマグネシウムが適用されている。 As described above, the lithium ion battery as the storage battery has been described. In recent years, as a next generation battery (next generation secondary battery) aiming at higher capacity and lower cost of the storage battery, for example, a sodium ion battery, a magnesium ion battery, etc. Development is also actively underway. In these batteries, the basic structure is the same as that of the above-described lithium ion battery, and sodium or magnesium is applied instead of lithium.
前述の電解液系リチウムイオン電池においては、用いる正極活物質粒子の高容量を確保するために、リチウム過剰組成が必要とされる場合が多く、その場合には、正極活物質層形成用ペーストのゲル化(プリン化)が生じやすいという問題があった。このゲル化(プリン化)を抑制する方法として、例えば、リチウムを過剰に含有する正極活物質粒子を純水中で洗浄し、正極活物質粒子表面の過剰リチウムを除去する方法が提案されている。また、上記のような正極活物質粒子への各種コーティングが有効であることが知られている。 In the above-mentioned electrolyte-based lithium ion battery, in order to ensure a high capacity of the positive electrode active material particles to be used, a lithium excess composition is often required. In that case, the positive electrode active material layer forming paste There was a problem that gelation (purination) was likely to occur. As a method for suppressing this gelation (purination), for example, a method has been proposed in which positive electrode active material particles containing excessive lithium are washed in pure water to remove excess lithium on the surface of the positive electrode active material particles. . It is also known that various coatings on the positive electrode active material particles as described above are effective.
一方で、全固体リチウムイオン電池においても、前述のような正極活物質粒子と硫化物系固体電解質間の界面抵抗が増大する問題が顕在化している。この界面抵抗低減にも、正極活物質粒子への酸化物固体電解質(アルカリ複合酸化物)によるコーティングが有効であることが知られている。 On the other hand, even in an all-solid-state lithium ion battery, the problem of increasing the interfacial resistance between the positive electrode active material particles and the sulfide-based solid electrolyte as described above has become apparent. It is known that coating with positive electrode active material particles with an oxide solid electrolyte (alkali composite oxide) is also effective for reducing the interface resistance.
このように、活物質粒子への表面コーティングは有効であるが、例えば、転動流動装置を用いる方法等、従来の湿式のコーティング方法では、コーティング膜厚や膜質の制御が困難で、高価な装置、複雑なプロセスが必要とされるため高コストである。このため、活物質(正極活物質、負極活物質)としての酸化物粒子の酸化物固体電解質(アルカリ複合酸化物)によるコーティングをより簡便でかつ低コストな工程で行う製造方法が望まれていた。 As described above, surface coating on the active material particles is effective. However, in conventional wet coating methods such as a method using a rolling flow device, it is difficult to control the coating film thickness and film quality, and an expensive device. High cost because complicated processes are required. For this reason, a manufacturing method for coating oxide particles as active materials (positive electrode active material, negative electrode active material) with an oxide solid electrolyte (alkali composite oxide) in a simpler and lower cost process has been desired. .
本発明は、蓄電池の各種特性向上を可能とする蓄電池活物質用などの酸化物粒子を製造するに当たり、気相法という極めて簡便な方法で行える表面処理された酸化物粒子の製造方法の提供を目的とする。 The present invention provides a method for producing surface-treated oxide particles that can be produced by a very simple method called a gas phase method in producing oxide particles for a storage battery active material that can improve various characteristics of the storage battery. Objective.
発明者らは、このような状況に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、粒子表面の一部または全部にアルカリ性化合物を有する酸化物粒子を、揮発性のトリメチルシリル化剤を含む気体と接触させ、前記アルカリ性化合物と前記トリメチルシリル化剤の気相を介した反応によるトリメチルシリル基を有する疎水性生成物を形成し、表面の一部または全部に前記トリメチルシリル基を有する疎水性生成物を有する酸化物粒子を得ることにより、高性能な表面処理された酸化物粒子を安価に製造することができることを見出したものである。 In view of such a situation, the inventors have conducted extensive research and as a result, contacted oxide particles having an alkaline compound on part or all of the particle surface with a gas containing a volatile trimethylsilylating agent. A hydrophobic product having a trimethylsilyl group is formed by a reaction between an alkaline compound and the trimethylsilylating agent via a gas phase, and oxide particles having the hydrophobic product having the trimethylsilyl group on part or all of the surface are obtained. Thus, it has been found that high-performance surface-treated oxide particles can be produced at low cost.
即ち、本発明の第1の発明は、粒子表面の一部または全部にアルカリ性化合物を有する酸化物粒子を、揮発性のトリメチルシリル化剤を含む気体と接触させ、前記アルカリ性化合物と前記トリメチルシリル化剤との気相を介した反応によるトリメチルシリル基を有する疎水性生成物を形成し、前記粒子表面の一部または全部に上記トリメチルシリル基を有する疎水性生成物を有する酸化物粒子を得る、表面処理された酸化物粒子の製造方法であって、
前記アルカリ性化合物が、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)を含有する化合物の群から選ばれるいずれか一種以上であり、
前記酸化物粒子が、マンガン、コバルト、ニッケル、鉄、チタンの群から選ばれるいずれか一種以上の遷移金属を含み、かつ、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)の群から選ばれるいずれか一種以上のアルカリ元素を含む、アルカリ複合酸化物であることを特徴とする表面処理された酸化物粒子の製造方法である。
That is, according to the first aspect of the present invention, the oxide particles having an alkaline compound on part or all of the particle surface are brought into contact with a gas containing a volatile trimethylsilylating agent, and the alkaline compound, the trimethylsilylating agent, Formed a hydrophobic product having a trimethylsilyl group by a reaction via a gas phase of the product to obtain oxide particles having the hydrophobic product having the trimethylsilyl group on a part or all of the particle surface. A method for producing oxide particles, comprising:
The alkaline compound is any one or more selected from the group of compounds containing lithium (Li), sodium (Na), and magnesium (Mg),
The oxide particles include one or more transition metals selected from the group consisting of manganese, cobalt, nickel, iron, and titanium, and are selected from the group consisting of lithium (Li), sodium (Na), and magnesium (Mg). A method for producing surface-treated oxide particles, which is an alkali composite oxide containing at least one alkali element.
本発明の第2の発明は、第1の発明における揮発性のトリメチルシリル化剤が、((CH3)3Si)2NR(R:水素、または低級アルキル基)、または、(CH3)3SiY(Y:−OH、−OR、または−NR2から選ばれる基(R:水素、または低級アルキル基))で示される化合物の群から選ばれるいずれか一種以上である表面処理された酸化物粒子の製造方法である。 In a second invention of the present invention, the volatile trimethylsilylating agent in the first invention is ((CH 3 ) 3 Si) 2 NR (R: hydrogen or lower alkyl group) or (CH 3 ) 3 A surface-treated oxide that is at least one selected from the group of compounds represented by SiY (a group selected from Y: —OH, —OR, or —NR 2 (R: hydrogen, or a lower alkyl group)) A method for producing particles.
本発明の第3の発明は、第1又は第2の発明における粒子表面の一部または全部にアルカリ性化合物を有する酸化物粒子が、粒子表面の一部または全部がアルカリ成分で被覆された酸化物粒子であり、かつ該アルカリ成分がリチウム(Li)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)の水酸化物、炭酸塩、酸化物の群から選ばれるいずれか一種以上であることを特徴とする表面処理された酸化物粒子の製造方法である。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an oxide in which part or all of the particle surface of the particle surface of the first or second invention is covered with an alkali component. The surface is a particle, and the alkali component is at least one selected from the group consisting of lithium (Li), sodium (Na), magnesium (Mg) hydroxide, carbonate, and oxide. It is a manufacturing method of the processed oxide particle.
本発明の第4の発明は、第3の発明におけるアルカリ成分が、水酸化リチウム(LiOH)、炭酸リチウム(LiCO3)、酸化リチウム(Li2O)の群から選ばれるいずれか一種以上であることを特徴とする表面処理された酸化物粒子の製造方法である。 In the fourth invention of the present invention, the alkali component in the third invention is at least one selected from the group consisting of lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (LiCO 3 ), and lithium oxide (Li 2 O). This is a method for producing surface-treated oxide particles.
本発明の第5の発明は、第1〜第4の発明におけるアルカリ性化合物が、アルカリ複合酸化物において、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)の酸化物の群から選ばれるいずれか一種以上のアルカリ酸化物が化学量論組成よりも過剰に含有されたアルカリ複合酸化物であることを特徴とする表面処理された酸化物粒子の製造方法である。 According to a fifth invention of the present invention, the alkaline compound in any of the first to fourth inventions is selected from the group consisting of oxides of lithium (Li), sodium (Na), and magnesium (Mg) in the alkali composite oxide. A method for producing surface-treated oxide particles, wherein the oxide is an alkali composite oxide containing at least one alkali oxide in excess of the stoichiometric composition.
本発明の第6の発明は、第1〜第5の発明における揮発性のトリメチルシリル化剤の沸点が250℃以下であることを特徴とする表面処理された酸化物粒子の製造方法である。 A sixth invention of the present invention is a method for producing surface-treated oxide particles, wherein the boiling point of the volatile trimethylsilylating agent in the first to fifth inventions is 250 ° C. or less.
本発明の第7の発明は、第6の発明における揮発性のトリメチルシリル化剤が、ヘキサメチルジシラザン(沸点:125℃)、トリメチルシラノール(沸点:98.6〜99℃)のいずれか一種以上であることを特徴とする表面処理された酸化物粒子の製造方法である。 In a seventh aspect of the present invention, the volatile trimethylsilylating agent in the sixth aspect is one or more of hexamethyldisilazane (boiling point: 125 ° C.) and trimethylsilanol (boiling point: 98.6 to 99 ° C.). It is a manufacturing method of the surface-treated oxide particle characterized by these.
本発明の第8の発明は、第1〜第7の発明におけるトリメチルシリル基を有する疎水性生成物を形成した後、100℃以上500℃以下の加熱処理を行うことを特徴とする表面処理された酸化物粒子の製造方法である。 The eighth invention of the present invention is a surface treatment characterized in that after the formation of the hydrophobic product having a trimethylsilyl group in the first to seventh inventions, a heat treatment is performed at 100 ° C. or more and 500 ° C. or less. It is a manufacturing method of oxide particles.
本発明の第9の発明は、第1〜第8の発明におけるアルカリ複合酸化物が、LiMO2、LiMPO4、Li2MSiO4(M:マンガン、コバルト、ニッケル、鉄の群から選ばれるいずれか一種以上の遷移金属)、LiYaMn2−aO4(Y:コバルト、ニッケル;0≦a≦1)、Li2MnO3−LiMO2(M:マンガン、コバルト、ニッケルの群から選ばれるいずれか一種以上の遷移金属)、Li4Ti5O12の群から選ばれるいずれか一種以上を主成分としていることを特徴とする表面処理された酸化物粒子の製造方法である。 Ninth aspect of the present invention are alkali composite oxide in the invention of the first to eighth, LiMO 2, LiMPO 4, Li 2 MSiO 4 (M: one of manganese, cobalt, nickel, selected from the group consisting of iron One or more transition metals), LiYaMn 2 —aO 4 (Y: cobalt, nickel; 0 ≦ a ≦ 1), Li 2 MnO 3 —LiMO 2 (M: one or more selected from the group of manganese, cobalt, nickel) A transition metal) and Li 4 Ti 5 O 12 as a main component, and a method for producing surface-treated oxide particles characterized by comprising at least one selected from the group consisting of Li 4 Ti 5 O 12 as a main component.
本発明の第10の発明は、第1〜第9の発明における表面処理された酸化物粒子の製造方法で得られる酸化物粒子であって、1次粒子で構成された2次粒子からなる酸化物粒子において、2次粒子の表面、および、2次粒子内部における1次粒子表面であって該1次粒子同士の間の開空孔(オープンポア)側に露出する面に前記トリメチルシリル基を有する疎水性生成物が形成されていることを特徴とする酸化物粒子である。 The tenth invention of the present invention is an oxide particle obtained by the method for producing surface-treated oxide particles in the first to ninth inventions, and is an oxidation comprising secondary particles composed of primary particles In the product particle, the trimethylsilyl group is present on the surface of the secondary particle and the surface of the primary particle inside the secondary particle and exposed to the open pore side between the primary particles. The oxide particles are characterized in that a hydrophobic product is formed.
本発明の表面処理された酸化物粒子の製造方法によれば、揮発性のトリメチルシリル化剤を含む気体を、アルカリ性化合物を有する酸化物粒子に接触させる気相法を用いているため、酸化物粒子の表面にトリメチルシリル基を有する疎水性生成物を簡便に形成でき、高性能な表面処理された酸化物粒子を安価に製造できる。 According to the method for producing surface-treated oxide particles of the present invention, since the gas phase method in which a gas containing a volatile trimethylsilylating agent is brought into contact with the oxide particles having an alkaline compound is used, the oxide particles A hydrophobic product having a trimethylsilyl group on the surface can be easily formed, and high-performance surface-treated oxide particles can be produced at low cost.
本発明に係る表面処理された酸化物粒子は、気相法という製造方法により、極めて簡便に緻密な表面処理層が形成されており、例えば、酸化物粒子表面のアルカリ成分をトリメチルシリル化することによる電解液系二次電池の活物質層形成用ペースト(活物質ペースト)のゲル化抑制や、硫化物系全固体二次電池の活物質粒子/硫化物系固体電解質の界面抵抗低減が可能となるため、電解液系二次電池や全固体二次電池の(正極、負極)活物質層に好適であり、二次電池の低コスト化や特性向上に大きく寄与するものである。 In the surface-treated oxide particles according to the present invention, a dense surface treatment layer is formed very easily by a manufacturing method called a vapor phase method, for example, by trimethylsilylating an alkali component on the surface of the oxide particles. It is possible to suppress the gelation of the active material layer forming paste (active material paste) of the electrolyte-based secondary battery and reduce the interface resistance of the active material particles / sulfide-based solid electrolyte of the sulfide-based all-solid-state secondary battery. Therefore, it is suitable for an active material layer (positive electrode, negative electrode) of an electrolyte-based secondary battery or an all-solid secondary battery, and greatly contributes to cost reduction and characteristic improvement of the secondary battery.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。本発明の表面処理された酸化物粒子の製造方法では、粒子表面の一部または全部にアルカリ性化合物を有する酸化物粒子を揮発性のトリメチルシリル化剤を含む気体に接触させる気相法により表面処理することで、酸化物粒子の表面に緻密な疎水性生成物を簡便に形成しており、高性能な表面処理された酸化物粒子を安価に製造することができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In the method for producing surface-treated oxide particles according to the present invention, surface treatment is performed by a gas phase method in which oxide particles having an alkaline compound on part or all of the particle surface are brought into contact with a gas containing a volatile trimethylsilylating agent. Thus, a dense hydrophobic product is easily formed on the surface of the oxide particles, and high-performance surface-treated oxide particles can be produced at low cost.
そして、この表面処理された酸化物粒子は、例えば、酸化物粒子表面のアルカリ成分をトリメチルシリル化することによる電解液系二次電池の活物質ペーストのゲル化抑制や、硫化物系全固体二次電池の活物質粒子/硫化物系固体電解質の界面抵抗低減を可能とするため、電解液系二次電池や全固体二次電池の(正極、負極)活物質層に好適である。 The surface-treated oxide particles can be used, for example, to suppress gelation of an active material paste of an electrolyte-based secondary battery by trimethylsilylating an alkali component on the surface of the oxide particles, or to form a sulfide-based all-solid secondary. In order to reduce the interfacial resistance of the active material particles / sulfide-based solid electrolyte of the battery, it is suitable for the (active electrode, negative electrode) active material layer of an electrolyte-based secondary battery or an all-solid secondary battery.
[粒子表面の一部または全部にアルカリ性化合物を有する酸化物粒子]
先ず、本発明で用いる、表面処理される前の酸化物粒子について説明する。本発明で用いる酸化物粒子は、粒子表面の一部または全部にアルカリ性化合物を有する酸化物粒子である。酸化物粒子としては、大別すると正極活物質用の酸化物粒子、負極活物質用の酸化物粒子が挙げられ、それらについて以下具体的に説明する。
[Oxide particle having alkaline compound on part or all of particle surface]
First, the oxide particles before surface treatment used in the present invention will be described. The oxide particles used in the present invention are oxide particles having an alkaline compound on part or all of the particle surface. The oxide particles are roughly classified into oxide particles for a positive electrode active material and oxide particles for a negative electrode active material, which will be specifically described below.
(a)正極活物質用の酸化物粒子
正極活物質は、例えば、リチウムイオン電池用途では、リチウムイオンを離脱、吸着させ易く、多くのリチウムイオンを離脱、吸蔵させることが可能な物質であればよく、リチウム−コバルト酸化物(LiCoO2[コバルト酸リチウム]、LiCo2O4等)(LCOと呼ばれる。)、リチウム−ニッケル酸化物(LiNiO2[ニッケル酸リチウム]、LiNi2O4等)(LNOと呼ばれる。)、リチウム−マンガン酸化物(LiMnO2[マンガン酸リチウム]、LiMn2O4、Li2Mn2O4等)(LMOと呼ばれる。)、リチウム−マンガン−コバルト酸化物(LiMnCoO4、Li2MnCoO4等)、リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト酸化物(Li(Ni−Mn−Co)O2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等)(NMCまたはNCMと呼ばれる。)、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム酸化物(Li(Ni−Co−Al)O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2等)(NCAと呼ばれる。)、リチウム−マンガン−ニッケル酸化物(Li(Mn3/2Ni1/2)O4等)、固溶体系(過剰系)マンガン含有リチウム複合酸化物(例えば、Li2MnO3−LiMO2[M:Ni、Mn、Co等])、リチウム−チタン酸化物(Li4Ti5O12、LiTi2O4等)(LTOと呼ばれる。)、その他遷移金属を含むリチウム酸化物(Li2CuO2、LiCuO2、LiVO2、LiV2O4、LiCrO2、LiFeO2、LiTiO2、LiScO2、LiYO2、LiMnCrO4、LiNiVO4、LiCoVO4等)、各種遷移金属を含むリチウムリン酸塩(LiFePO4[リン酸鉄リチウム](LFPと呼ばれる。)、LiCuPO4、LiNiPO4、LiCoPO4、LiMnPO4、Li2NiPO4F、Li2CoPO4F、Li2MnPO4F、Li2FePO4F、LiVOPO4、Li3V2(PO4)3等)、各種遷移金属を含むリチウムケイ酸塩(Li2MnSiO4、Li2FeSiO4、Li2CoSiO4、Li2NiSiO4等)、各種遷移金属の硫化物(TiS2、MoS2、FeS、FeS2、CuS、Ni3S2)、各種遷移金属の酸化物(Bi2O3、Bi2Pb2O5、CuO、V2O5、V6O13、Nb2O5等)等を使用することができる。また、これらを混合して用いても良い。
(A) Oxide Particles for Positive Electrode Active Material For example, in the case of a lithium ion battery, the positive electrode active material is a substance that can easily release and adsorb lithium ions and can release and occlude many lithium ions. Well, lithium-cobalt oxide (LiCoO 2 [lithium cobaltate], LiCo 2 O 4 etc.) (referred to as LCO), lithium-nickel oxide (LiNiO 2 [lithium nickelate], LiNi 2 O 4 etc.) ( Called LNO.), Lithium-manganese oxide (LiMnO 2 [lithium manganate], LiMn 2 O 4 , Li 2 Mn 2 O 4 etc.) (called LMO), lithium-manganese-cobalt oxide (LiMnCoO 4 , Li 2 MnCoO 4, etc.), lithium - nickel - manganese - cobalt oxide (Li (Ni Mn-Co) called O 2, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3
また、例えば、ナトリウムイオン電池用途では、ナトリウムイオンを離脱、吸着させ易く、多くのナトリウムイオンを離脱、吸蔵させることが可能な物質であればよく、ナトリウム−鉄酸化物(NaxFeO2;2/3≦X≦1)、ナトリウム−ニッケル−マンガン酸化物(Nax(Ni−Mn)O2;2/3≦X≦1、Na0.67Ni0.5Mn0.5O2、NaNi0.5Mn0.5O2等)、ナトリウム−鉄−マンガン−ニッケル酸化物(Na(Fe−Mn−Ni)O2、NaFe0.4Mn0.3Ni0.3O2等)、各種遷移金属を含むナトリウムリン酸塩(NaFePO4、Na2FeP2O7、Na4M3(PO4)2P2O7[M:Mn、Co、Ni]等)等を使用することができる。また、これらを混合して用いても良い。 In addition, for example, in sodium ion battery applications, any substance that can easily release and adsorb sodium ions and can release and occlude many sodium ions may be used. Sodium-iron oxide (NaxFeO 2 ; 2/3) ≦ X ≦ 1), sodium-nickel-manganese oxide (Nax (Ni—Mn) O 2 ; 2/3 ≦ X ≦ 1, Na 0.67 Ni 0.5 Mn 0.5 O 2 , NaNi 0.5 Mn 0.5 O 2 etc.), sodium-iron-manganese-nickel oxide (Na (Fe—Mn—Ni) O 2 , NaFe 0.4 Mn 0.3 Ni 0.3 O 2 etc.), various transition metals Sodium phosphate (NaFePO 4 , Na 2 FeP 2 O 7 , Na 4 M 3 (PO 4 ) 2 P 2 O 7 [M: Mn, Co, Ni], etc.) and the like can be used. Moreover, you may mix and use these.
ここで、正極活物質と負極活物質には明確な区別はなく、2種類の化合物の充放電電位を比較して貴な電位のものを正極活物質に、卑な電位のものを負極活物質に用いれば良い。 Here, there is no clear distinction between the positive electrode active material and the negative electrode active material, the charge / discharge potentials of the two types of compounds are compared, the positive potential is the positive electrode active material, and the base potential is the negative electrode active material. Can be used.
上記多くの正極活物質の中では、リチウムイオン電池用途では、層状系材料としてのコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム酸化物(Li(Ni−Co−Al)O2等)、リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)、スピネル系材料としてのリチウム−マンガン酸化物(LiMn2O4)、オリビン系材料としてのリン酸鉄リチウム(LiFePO4)等が好適であり、一般的に用いられている。さらに、高エネルギー化を目指して開発が進められている、高電圧(5V領域)で充放電を行うスピネル系材料としてのリチウム−マンガン−ニッケル酸化物(Li(Mn3/2Ni1/2)O4等)や、高容量を有する層状系材料としての固溶体系(「過剰系」とも呼ばれる)マンガン含有リチウム複合酸化物(例えば、Li2MnO3−LiMO2[M:Ni、Mn、Co等])等も好適に用いることができる。 Among the many positive electrode active materials described above, for lithium ion battery applications, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide (Li (Ni -Co-Al) O 2 etc.), lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ), lithium-manganese oxide (LiMn 2 O as a spinel material) 4 ) Lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) or the like as an olivine-based material is suitable and is generally used. Furthermore, lithium-manganese-nickel oxide (Li (Mn 3/2 Ni 1/2 ) as a spinel material that is charged and discharged at a high voltage (5 V region), which is being developed for higher energy. O 4 and the like, and a solid solution system (also called “excess system”) manganese-containing lithium composite oxide as a layered material having a high capacity (for example, Li 2 MnO 3 —LiMO 2 [M: Ni, Mn, Co, etc.) ]) Etc. can also be used suitably.
(b)負極活物質用の酸化物粒子
上述のように、負極活物と正極活物には明確な区別はなく、負極活物質を形成する物質は、例えばリチウムイオン電池用途では、リチウムイオンを吸着、離脱させ易く、多くのリチウムイオンを吸蔵、離脱させることが可能な物質であればよく、例えば、リチウム−チタン酸化物(Li4Ti5O12、LiTi2O4等)、リチウム−チタン−ニオブ酸化物(Li4(Ti2Nb3)O12等)、各種金属酸化物(Nb2O5、V2O5、NiO、In2O3、SnO2、ZnO、TiO2等)等を使用することができる。また、これらを混合して用いても良い。上記多くの負極活物質の酸化物粒子中で、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等が広く用いられている。
(B) Oxide particles for negative electrode active material As described above, there is no clear distinction between the negative electrode active material and the positive electrode active material, and the material forming the negative electrode active material is, for example, a lithium ion battery. Any substance can be used as long as it is easy to adsorb and desorb, and can absorb and desorb a large amount of lithium ions. For example, lithium-titanium oxide (Li 4 Ti 5 O 12 , LiTi 2 O 4 etc.), lithium-titanium - niobium oxide (Li 4 (T i2 Nb 3 )
また、例えば、ナトリウムイオン電池用途では、ナトリウムイオンを吸着、離脱させ易く、多くのナトリウムイオンを吸蔵、離脱させることが可能な物質であればよく、例えば、ナトリウム−チタン酸化物(Na2Ti3O7等)、金属酸化物(SnO2等)等を使用することができる。 In addition, for example, in sodium ion battery applications, any substance that can easily adsorb and desorb sodium ions and can occlude and desorb many sodium ions may be used. For example, sodium-titanium oxide (Na 2 Ti 3 O 7 etc.), metal oxides (SnO 2 etc.), etc. can be used.
本発明においては、粒子表面の一部または全部にアルカリ性化合物を有する酸化物粒子として、(1)粒子表面の一部または全部がリチウム(Li)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)の水酸化物、炭酸塩、酸化物の群から選ばれるいずれか一種以上(例えば、水酸化リチウム(LiOH)、炭酸リチウム(LiCO3)、酸化リチウム(Li2O)等)で被覆された酸化物粒子、を用いてもよいし、また、(2)リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)の酸化物の群から選ばれるいずれか一種以上のアルカリ酸化物が化学量論組成よりも過剰に含有されたアルカリ複合酸化物(例えば、前述のLNO、NCA、NMC等の正極活物質でリチウムを過剰に含む酸化物や固溶体系(過剰系)のマンガン含有リチウム複合酸化物等)の酸化物粒子、を用いることができる。後者(2)であれば、前者(1)のようにアルカリ性被覆等が施こされてなくても、酸化物粒子表面におけるアルカリ性化合物の存在量が自然と高まり、酸化物粒子表面におけるトリメチルシリル化反応が促進されて、より均一な表面処理が可能となるため、好ましい。 In the present invention, as oxide particles having an alkaline compound on part or all of the particle surface, (1) hydroxylation of lithium (Li), sodium (Na), or magnesium (Mg) is part or all of the particle surface. Oxide particles coated with one or more selected from the group of products, carbonates, oxides (for example, lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (LiCO 3 ), lithium oxide (Li 2 O), etc.), And (2) any one or more alkali oxides selected from the group of oxides of lithium (Li), sodium (Na), and magnesium (Mg) are in excess of the stoichiometric composition. Alkali composite oxides (for example, oxides containing excessive lithium in the positive electrode active materials such as LNO, NCA, NMC, etc. and manganese containing solid solution (excess system)) Oxide particles of a lithium composite oxide or the like). In the case of the latter (2), the presence of the alkaline compound on the surface of the oxide particles is naturally increased even if the alkaline coating or the like is not applied as in the former (1), and the trimethylsilylation reaction on the surface of the oxide particles is performed. Is promoted to enable more uniform surface treatment, which is preferable.
なお、上記アルカリ酸化物が化学量論組成よりも過剰に含有されたアルカリ複合酸化物として、例えばリチウム複合酸化物を用いた場合には、酸化物粒子表面の過剰のリチウム酸化物(アルカリ性化合物)は、粒子の取扱いの過程で、大気中の水分と(極僅かではあっても)触れることが予想され、その一部または全部が水酸化リチウム(アルカリ性化合物)になっている可能性(LiO0.5+0.5H2O→LiOH)が十分考えられる。本発明におけるアルカリ性化合物とは、もちろん上記のような水酸化物も含まれる。 In addition, for example, when a lithium composite oxide is used as the alkali composite oxide in which the alkali oxide is contained in excess of the stoichiometric composition, excessive lithium oxide (alkali compound) on the surface of the oxide particles is used. Is expected to come into contact with moisture in the atmosphere (even if very little) in the course of particle handling, and some or all of it may be lithium hydroxide (alkaline compound) (LiO 0). .5 + 0.5H 2 O → LiOH) is fully conceivable. Of course, the alkaline compound in the present invention includes the above hydroxides.
[揮発性のトリメチルシリル化剤]
次に本実施形態で用いる揮発性のトリメチルシリル化剤について説明する。本実施形態で用いる揮発性のトリメチルシリル化剤は、その蒸気が気相を介して、前記酸化物粒子表面に存在するアルカリ性化合物と反応する化合物であって、トリメチルシリル基を含有する化合物である必要がある。具体的には、((CH3)3Si)2NR(R:水素、または低級アルキル基)、または、(CH3)3SiY(Y:−OH、−OR、または−NR2から選ばれる基(R:水素、または低級アルキル基))で示される化合物の群から選ばれるいずれか一種以上であることが好ましい。
[Volatile trimethylsilylating agent]
Next, the volatile trimethylsilylating agent used in this embodiment will be described. The volatile trimethylsilylating agent used in the present embodiment is a compound whose vapor reacts with an alkaline compound existing on the surface of the oxide particles via a gas phase, and needs to be a compound containing a trimethylsilyl group. is there. Specifically, ((CH 3 ) 3 Si) 2 NR (R: hydrogen or lower alkyl group) or (CH 3 ) 3 SiY (Y: —OH, —OR, or —NR 2 is selected. It is preferably any one or more selected from the group of compounds represented by a group (R: hydrogen or lower alkyl group).
また、本実施形態で用いる揮発性のトリメチルシリル化剤は、好ましくは、沸点が250℃以下であり、さらに好ましくは、沸点が150℃以下である。 Further, the volatile trimethylsilylating agent used in the present embodiment preferably has a boiling point of 250 ° C. or lower, more preferably 150 ° C. or lower.
また、本実施形態で用いる揮発性のトリメチルシリル化剤とは、より具体的には、ヘキサメチルジシラザン(別名称:1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザン、ビス(トリメチルシリル)アミン、HMDS)(沸点:125℃、融点:−78℃;蒸気圧:2.7kPa[20℃])、N−メチル−ヘキサメチルジシラザン、N−エチル−ヘキサメチルジシラザン、ヘキサメチル−N−プロピルジシラザン等が挙げられ、反応性の良さからヘキサメチルジシラザンを用いるのが特に好適である。他方、(CH3)3SiYで示されるトリメチルシリル化剤を例示すれば、トリメチルシラノール(別名称:トリメチルヒドロキシシラン)(沸点:98.6〜99℃、融点:−9.8℃;蒸気圧:1.84kPa[25℃])、トリエチルシラノール(トリエチルヒドロキシシラン)(沸点:154℃)、メトキシトリメチルシラン、エトキシトリメチルシラン、プロポキシトリメチルシラン、ジメチルアミノトリメチルシラン、ジエチルアミノトリメチルシラン等が挙げられ、中でも、揮発性が比較的高く(沸点が比較的低く)、かつ危険性・毒性の低い、ヘキサメチルジシラザン、トリメチルシラノール等が好ましい。 The volatile trimethylsilylating agent used in this embodiment is more specifically hexamethyldisilazane (other names: 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazane, bis (trimethylsilyl). ) Amine, HMDS) (boiling point: 125 ° C., melting point: −78 ° C .; vapor pressure: 2.7 kPa [20 ° C.]), N-methyl-hexamethyldisilazane, N-ethyl-hexamethyldisilazane, hexamethyl-N -Propyldisilazane and the like can be mentioned, and it is particularly preferable to use hexamethyldisilazane because of its good reactivity. On the other hand, as an example of a trimethylsilylating agent represented by (CH 3 ) 3 SiY, trimethylsilanol (another name: trimethylhydroxysilane) (boiling point: 98.6 to 99 ° C., melting point: −9.8 ° C .; vapor pressure: 1.84 kPa [25 ° C.]), triethylsilanol (triethylhydroxysilane) (boiling point: 154 ° C.), methoxytrimethylsilane, ethoxytrimethylsilane, propoxytrimethylsilane, dimethylaminotrimethylsilane, diethylaminotrimethylsilane, etc. Hexamethyldisilazane, trimethylsilanol, and the like, which have relatively high volatility (relatively low boiling point) and low risk and toxicity, are preferable.
なお、本発明で用いる揮発性のトリメチルシリル化剤は、その蒸気が気相を介して、前記酸化物粒子表面に存在するアルカリ性化合物と反応する化合物であれば、特に前記化合物に限定されない。 The volatile trimethylsilylating agent used in the present invention is not particularly limited to the above compound as long as the vapor reacts with the alkaline compound present on the surface of the oxide particles via the gas phase.
[表面処理された酸化物粒子の製造方法]
本発明の表面処理された酸化物粒子の製造方法について詳細に説明する。本発明の表面処理された酸化物粒子の製造方法では、前述の粒子表面の一部または全部にアルカリ性化合物を有する酸化物粒子を、上記揮発性のトリメチルシリル化剤の蒸気に接触させ、該揮発性のトリメチルシリル化剤の蒸気を粒子表面のアルカリ性化合物の部分と選択的あるいは優先的に反応させる気相法によりトリメチルシリル基を有する緻密な疎水性生成物を形成させている。
[Method for producing surface-treated oxide particles]
The manufacturing method of the surface-treated oxide particle of this invention is demonstrated in detail. In the method for producing surface-treated oxide particles according to the present invention, the volatile trimethylsilylating agent vapor is brought into contact with oxide particles having an alkaline compound on part or all of the particle surface, and the volatile A dense hydrophobic product having a trimethylsilyl group is formed by a vapor phase method in which the vapor of the trimethylsilylating agent is selectively or preferentially reacted with the alkaline compound portion on the particle surface.
上記のように、本発明の製造方法は気相法を用いており、液中で粒子表面にコーティング層を形成する液相法(湿式法)と異なり、酸化物粒子表面に、例えば、単分子のトリメチルシリル基が反応した被覆膜が形成されるため、シングルナノレベルの厚さの均一な表面処理層を形成できる。 As described above, the production method of the present invention uses a gas phase method, and unlike the liquid phase method (wet method) in which a coating layer is formed on the particle surface in the liquid, the oxide particle surface has, for example, a single molecule. Thus, a uniform surface treatment layer having a single nano-level thickness can be formed.
これによって、酸化物粒子が、図3(a)のように、1次粒子10(例えば、平均粒径:0.1〜1μm)が塊状に集合して構成された2次粒子11(例えば、平均粒径:数〜数十μm)からなり、1次粒子10同士の間に開空孔(オープンポア)12がある場合には、図3(c)のように、その開空孔(オープンポア)12を介して1次粒子10表面にもシングルナノ(nm)レベルの均一な表面処理層13bを形成できるという特徴もある。
As a result, as shown in FIG. 3A, the oxide particles are composed of primary particles 10 (for example, average particle size: 0.1 to 1 μm) aggregated in a lump shape, for example, secondary particles 11 (for example, 3 (average particle diameter: several to several tens of μm), and when there are open pores (open pores) 12 between the
一方、液相法(湿式法)による表面処理では、通常、図3(b)のように、主に2次粒子11表面にコーティング層13aを形成できるだけであり、特に1次粒子10が小さい(例えば、粒径:ナノ(nm)〜サブミクロンオーダー)場合には、開空孔(オープンポア)12内の1次粒子10表面には表面処理層13bはほとんど形成できない。
On the other hand, in the surface treatment by the liquid phase method (wet method), usually, as shown in FIG. 3B, the
なお、前述した乾式コーティングの一つである転動流動層コーティングを用いた場合は、液相法(湿式法)による表面処理と異なり、ナノ(nm)レベルの均一な表面処理層(コーティング層)は形成できるものの、主に2次粒子11表面近傍で析出反応(コーティング層形成)が起きるため、本発明の気相法の表面処理のように、開空孔(オープンポア)12内の1次粒子10表面の隅々まで表面処理層13bを形成できない。
When the rolling fluidized bed coating, which is one of the dry coatings described above, is used, unlike the surface treatment by the liquid phase method (wet method), the nano (nm) level uniform surface treatment layer (coating layer). However, since the precipitation reaction (coating layer formation) occurs mainly in the vicinity of the surface of the
上述した、酸化物粒子の2次粒子11の表面だけでなく、1次粒子10同士の間の開空孔(オープンポア)12の表面、より具体的には、2次粒子11内部における1次粒子10の表面であって、1次粒子10同士の間の開空孔(オープンポア)12側に露出する面にもナノ(nm)レベルの均一な表面処理層13bを形成できるという本発明の特徴は、電解液系リチウムイオン電池において、電解液と正極活物質材料の全て接触面(2次粒子11表面、および開空孔(オープンポア)12表面)が表面処理層で保護されるため、充放電による正極活物質材料の劣化をより抑制できるという利点に繋がる。一方、液相法(湿式法)による表面処理等では開空孔(オープンポア)12の表面は表面処理層で保護されず、その部分の正極活物質は電解液と接触して充放電により劣化が進むため、正極活物質材料の劣化抑制が不十分となる。上記本発明の特徴は、正極活物質材料成分の電解液への溶出抑制という観点からも同様に有効であり、例えば、電解液に溶出しやすいマンガン(Mn)含有の正極活物質粒子を用いた電解液系リチウムイオン電池の場合、本発明の気相法による表面処理は、液相法(湿式法)による表面処理等に比べて、電解液へのマンガン溶出を大幅に抑制することができる。
Not only the surface of the
本発明の表面処理された酸化物粒子の製造方法は、粒子表面の一部または全部にアルカリ性化合物を有する酸化物粒子を、揮発性のトリメチルシリル化剤を含む気体と接触させて、酸化物粒子の表面にトリメチルシリル基を有する疎水性生成物を形成させる(a)表面処理工程、必要に応じ、前記トリメチルシリル基を有する疎水性生成物を表面に有する酸化物粒子を加熱する(b)加熱処理工程を経て行われる。 In the method for producing surface-treated oxide particles according to the present invention, the oxide particles having an alkaline compound on part or all of the particle surface are brought into contact with a gas containing a volatile trimethylsilylating agent. (A) a surface treatment step for forming a hydrophobic product having a trimethylsilyl group on the surface, and (b) a heat treatment step for heating the oxide particles having the hydrophobic product having a trimethylsilyl group on the surface, if necessary. After that.
(a)表面処理工程
表面処理工程は、例えば、図4に示すように、反応容器14内に、酸化物粒子の収納容器15、揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器17を設置し、それぞれの収納容器内に、酸化物粒子16、揮発性のトリメチルシリル化剤18を所定量入れて、雰囲気ガス中で放置して行う。
(A) Surface treatment process As shown in FIG. 4, for example, the surface treatment process includes an oxide
反応容器14は、雰囲気ガスや揮発性のトリメチルシリル化剤の蒸気が外部に漏れないように密閉性の高い容器が必要であり、その材質にはポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン(登録商標)等のプラスチック、アルミナ、石英、ガラス等のセラミック、ステンレス(SUS304、SUS316等)、チタン等の金属等が挙げられるが、揮発性のトリメチルシリル化剤の蒸気と反応しなければよく特にこれらに制約されるものではない。
The
酸化物粒子の収納容器15、揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器17は、アルカリ性化合物を有する酸化物粒子や揮発性のトリメチルシリル化剤18と反応せず、耐久性を有する必要があり、その材質にはポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン等のプラスチック、アルミナ、石英、ガラス等のセラミック、ステンレス、チタン等の金属等が挙げられるが、用いるアルカリ性化合物を有する酸化物粒子や揮発性のトリメチルシリル化剤18の種類に応じて適宜選定することができる。
The oxide
雰囲気ガスは、アルカリ性化合物を有する酸化物粒子や揮発性のトリメチルシリル化剤18と反応しないことが必要であり、例えば、空気、窒素、アルゴン等が挙げられる。なお、炭酸ガス(CO2)や水分(H2O)は、一般的にアルカリ性化合物を有する酸化物粒子や揮発性のトリメチルシリル化剤18と反応しやすいため、雰囲気ガスから十分に除去しておくことが望ましく、例えば、乾燥空気(露点温度:−30℃以下、好ましくは−50℃以下)、さらに脱炭酸ガス処理した乾燥空気、高純度窒素、高純度アルゴン等が好ましい。揮発性のトリメチルシリル化剤18の種類によっては、空気などとの蒸気の混合割合によっては爆発の危険性が生じたり、あるいは、酸素により酸化劣化する場合があり、このような場合は、空気でなく、窒素、アルゴンを用いる必要があるが、いずれにせよ、用いるアルカリ性化合物を有する酸化物粒子や揮発性のトリメチルシリル化剤18の種類に応じて適宜選定すればよい。
The atmospheric gas needs not to react with the oxide particles having an alkaline compound or the
反応容器14内では、揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器17から揮発性のトリメチルシリル化剤18の蒸気が雰囲気ガス中に拡散し、一方で、雰囲気ガス中に拡散した揮発性のトリメチルシリル化剤18の蒸気は、酸化物粒子の収納容器15内の酸化物粒子16の表面でアルカリ性化合物と反応して消費されるため、反応時間の経過と共に揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器17内から酸化物粒子の収納容器15内に、揮発性のトリメチルシリル化剤18が物質移動する。
In the
前記揮発性のトリメチルシリル化剤18の蒸気とアルカリ性化合物を有する酸化物粒子との反応は、例えば、アルカリ性化合物が水酸化リチウム(LiOH)の場合は、揮発性のトリメチルシリル化剤18に、ヘキサメチルジシラザン(別名称:1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザン、ビス(トリメチルシリル)アミン、HMDS)、トリメチルシラノール(トリメチルヒドロキシシラン)を用いたとして、それぞれ下記化1、2に示す反応式(1)〜(2)が考えられる。
For example, when the alkaline compound is lithium hydroxide (LiOH), the reaction between the vapor of the
ここで、アルカリ性化合物を有する酸化物粒子の揮発性のトリメチルシリル化剤18による表面処理量(または表面処理層の厚み)の制御は、例えば次のようにして行うことができる。まず、所定量のアルカリ性化合物を有する酸化物粒子16を酸化物粒子の収納容器15内に入れ、前記アルカリ性化合物を有する酸化物粒子に対し表面処理したいだけの量の揮発性のトリメチルシリル化剤18を揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器17に入れた後、雰囲気ガスを反応容器14内に充填し、そのまま放置し、揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器17内の揮発性のトリメチルシリル化剤18が完全に消失したところで反応を終了させる。
Here, the control of the surface treatment amount (or the thickness of the surface treatment layer) of the oxide particles having an alkaline compound by the
この方法により、反応容器14内に投入した揮発性のトリメチルシリル化剤18は、全てアルカリ性化合物を有する酸化物粒子の表面処理に消費されるため、用いたアルカリ性化合物を有する酸化物粒子と揮発性のトリメチルシリル化剤18の配合割合(アルカリ性化合物を有する酸化物粒子:揮発性のトリメチルシリル化剤18[重量比])がそのまま表面処理後の酸化物粒子のアルカリ性化合物を有する酸化物粒子と揮発性のトリメチルシリル化剤18の配合割合となる。
By this method, all of the
本発明の気相法での表面処理では、前述の通り、開空孔(オープンポア)12内の1次粒子10の表面にも表面処理層(コーティング層)が形成されるため、所定の表面処理層(コーティング層)を得るための、前記アルカリ性化合物を有する酸化物粒子と揮発性のトリメチルシリル化剤18の配合割合は、用いる酸化物粒子の比表面積(BET値[単位:m2/g])に基づいて算出することが望ましい。
In the surface treatment by the vapor phase method of the present invention, as described above, a surface treatment layer (coating layer) is also formed on the surface of the
なお、表面処理工程の実施においては、図5に示すように、反応容器14内の揮発性のトリメチルシリル化剤18蒸気を含有する雰囲気ガスをファン19等を用いて強制的に対流させると良い。雰囲気ガスの対流により、揮発性のトリメチルシリル化剤18蒸気が、揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器17内からアルカリ性化合物を有する酸化物粒子(酸化物粒子16)までより短時間で物質移動するため、表面処理時間を大幅に短縮できるからである。
In carrying out the surface treatment step, it is preferable to forcibly convection the atmospheric gas containing the
また、図6に示すように、反応容器14内に、揮発性のトリメチルシリル化剤18蒸気を含有する雰囲気ガスを所定の流量で供給して、酸化物粒子の収納容器15内のアルカリ性化合物を有する酸化物粒子(酸化物粒子16)の表面処理を行うことも可能である。
Further, as shown in FIG. 6, an atmospheric gas containing volatile
また、図7に示すように、図6において反応容器14内に供給する揮発性のトリメチルシリル化剤18の蒸気を含有する雰囲気ガスをファン19等を用いて循環させて、酸化物粒子の収納容器15内のアルカリ性化合物を有する酸化物粒子16の表面処理を行うこともできる。
Further, as shown in FIG. 7, the atmosphere gas containing the vapor of the
また、図8〜11に示すように、酸化物粒子の収納容器15内のアルカリ性化合物を有する酸化物粒子(酸化物粒子16)は、撹拌・流動されていることが好ましい。アルカリ性化合物を有する酸化物粒子の流動により、揮発性のトリメチルシリル化剤18の蒸気と接触して反応できる酸化物粒子表面の実質的な面積が著しく増加すると同時に、接触機会が均一化されるため、反応速度を大幅に高めることが可能となると同時に、反応で生じるトリメチルシリル基を有する疎水性生成物を酸化物粒子に対して均一に形成できるからである。すなわち、上記酸化物粒子の流動は、揮発性のトリメチルシリル化剤18による酸化物粒子の表面処理速度を高めると同時に、酸化物粒子内、および酸化物粒子間での表面処理のバラツキを抑制できる効果を有している。
Moreover, as shown in FIGS. 8-11, it is preferable that the oxide particle (oxide particle | grains 16) which have an alkaline compound in the
なお、図11では、図10に示した雰囲気ガスを循環させて表面処理を行う方法において、揮発性のトリメチルシリル化剤18を揮発させる揮発容器21を、表面処理を行う反応容器14と独立して雰囲気ガスの循環経路内に設置している。また、酸化物粒子の収納容器15を反応容器14と兼用しており、反応容器14をゆっくり回転させて、アルカリ性化合物を有する酸化物粒子(酸化物粒子16)の撹拌・流動を行っている。この方式だと、例えば、揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器17や揮発容器21にガラス等の透明部材を用いたり、視認のための透明窓等を設置することで、揮発性のトリメチルシリル化剤18の揮発量(すなわち表面処理量)を容易に把握できる利点がある。
In FIG. 11, in the method for performing the surface treatment by circulating the atmospheric gas shown in FIG. 10, the
さらに、雰囲気ガスの循環経路内の任意の場所に加熱ヒーター等を設置して、雰囲気ガスを加熱・昇温すると、揮発容器21、揮発性のトリメチルシリル化剤18、反応容器14、アルカリ性化合物を有する酸化物粒子(酸化物粒子16)を昇温できるため、加熱した状態での表面処理を容易に行なうことが可能となる。加熱した状態での表面処理では、それ程揮発性が高くない揮発性のトリメチルシリル化剤18も表面処理に適用できるため、活用できる揮発性のトリメチルシリル化剤18の自由度が広がる利点がある。
Further, when a heater or the like is installed at an arbitrary place in the circulation path of the atmospheric gas and the atmospheric gas is heated and heated, the
(b)加熱処理工程
次の加熱処理工程は、必要に応じ、100〜500℃、好ましくは、120〜300℃で行えばよい。加熱処理工程を施すことで、酸化物粒子の表面に形成したトリメチルシリル基を有する疎水性生成物の結晶性を高めたり、有機成分や微量水分等の不純物をトリメチルシリル基を有する疎水性生成物から除去できる場合がある。
(B) Heat treatment step The next heat treatment step may be performed at 100 to 500 ° C, preferably 120 to 300 ° C, as necessary. By applying a heat treatment step, the crystallinity of the hydrophobic product having trimethylsilyl groups formed on the surface of the oxide particles is increased, and impurities such as organic components and trace moisture are removed from the hydrophobic product having trimethylsilyl groups. There are cases where it is possible.
以上の方法で得られた表面処理された酸化物粒子は、従来公知の(正極、負極)活物質層形成用ペーストや固体電解質層形成用塗布液として調整される。ペーストや塗布液の塗布は、クリーンルーム等のように清浄でかつ温度や湿度が管理された雰囲気下で行うことが好ましい。その温度は室温(25℃)、湿度は40〜60%RHが一般的である。 The surface-treated oxide particles obtained by the above method are prepared as a conventionally known (positive electrode, negative electrode) active material layer forming paste or solid electrolyte layer forming coating solution. The application of the paste or the coating liquid is preferably performed in a clean atmosphere such as a clean room where temperature and humidity are controlled. The temperature is generally room temperature (25 ° C.) and the humidity is generally 40 to 60% RH.
以上のように、本発明に係る表面処理された酸化物粒子の製造方法は、気相法を用いた簡便な方法で酸化物粒子の表面(2次粒子の表面、および1次粒子同士の間の開空孔(オープンポア)の表面)に緻密で均一なナノオーダーの表面処理層を形成可能なため、高性能な酸化物粒子を安価に製造できる。また、この方法で得られる酸化物粒子は、電解液系二次電池の活物質層形成用ペースト(活物質ペースト)のゲル化抑制や、硫化物系全固体二次電池の活物質粒子/硫化物系固体電解質の界面抵抗低減に有効であり、電解液系二次電池や全固体二次電池の(正極、負極)活物質層に適用されて、二次電池の低コスト化や特性向上に大きく貢献することができるものである。 As described above, the method for producing surface-treated oxide particles according to the present invention is a simple method using a gas phase method, and the surface of the oxide particles (the surface of the secondary particles and the space between the primary particles). Since a dense and uniform nano-order surface treatment layer can be formed on the surface of the open pores (open pores), high-performance oxide particles can be produced at low cost. In addition, the oxide particles obtained by this method are used to suppress gelation of an active material layer forming paste (active material paste) of an electrolyte-based secondary battery, or active material particles / sulfurization of a sulfide-based all-solid secondary battery. It is effective for reducing the interfacial resistance of solid electrolytes, and is applied to the active material layer (positive electrode, negative electrode) of electrolyte-based secondary batteries and all-solid secondary batteries to reduce the cost and improve characteristics of secondary batteries It can make a big contribution.
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, this invention is not limited to these Examples.
<実施例1>
[酸化物粒子]
酸化物粒子として、リチウムイオン電池の正極活物質に用いられるリチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム酸化物(Li1+xNi0.82Co0.15Al0.03O2;x=0.05)からなる酸化物粒子を用いた。上記組成は、化学量論組成(LiNi0.82Co0.15Al0.03O2)に対し0.05倍(モル比)のリチウム酸化物(LiO0.5)を過剰に含有しているため、上記酸化物粒子を、以下、リチウム酸化物過剰含有NCA粒子と呼ぶこととする。過剰に含有されたリチウム酸化物はNCA粒子に固溶していると思われ、したがって、上記リチウム酸化物過剰含有NCA粒子の表面には過剰のリチウム酸化物(アルカリ性化合物)が均一に分布して存在していると推測される。なお、上記酸化物粒子は、粒径0.3〜1μmの1次粒子で構成された粒径5〜15μmの2次粒子であり、1次粒子同士の間に10nm〜数百nmの開空孔(オープンポア)を有している。
<Example 1>
[Oxide particles]
The oxide particles are made of lithium-nickel-cobalt-aluminum oxide (Li 1 + x Ni 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2 ; x = 0.05) used for the positive electrode active material of the lithium ion battery. Oxide particles were used. The above composition contains 0.05 times (molar ratio) lithium oxide (LiO 0.5 ) in excess of the stoichiometric composition (LiNi 0.82 Co 0.15 Al 0.03 O 2 ). Therefore, the oxide particles are hereinafter referred to as lithium oxide excess containing NCA particles. The excessively contained lithium oxide seems to be dissolved in the NCA particles, and therefore, the excess lithium oxide (alkaline compound) is uniformly distributed on the surface of the lithium oxide excessively containing NCA particles. Presumed to exist. The oxide particles are secondary particles having a particle size of 5 to 15 μm and composed of primary particles having a particle size of 0.3 to 1 μm, and an open space of 10 nm to several hundreds of nm is formed between the primary particles. It has a hole (open pore).
[酸化物粒子の表面処理]
図5に示すように、酸化物粒子16として上記リチウム酸化物過剰含有NCA粒子120gを酸化物粒子の収納容器15(ガラスシャーレ)内に入れ、揮発性のトリメチルシリル化剤18としてヘキサメチルジシラザン(別名称:1,1,1,3,3,3−ヘキサメチルジシラザン、ビス(トリメチルシリル)アミン、HMDS)[((CH3)3Si)2NH](沸点:125℃、融点:−78℃;蒸気圧:2.7kPa[20℃])2.8gを揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器17(ガラスシャーレ)内に入れ、それらを反応容器14(ガラス製デシケータ)内に設置し、雰囲気ガスとして窒素(露点温度:−60℃)を充填した後、ファン19により雰囲気ガスを反応容器14内で循環させて室温(25℃)で12時間放置し、リチウム酸化物過剰含有NCA粒子の表面に存在するリチウム酸化物(または、水酸化リチウム)(アルカリ性化合物)と、ヘキサメチルジシラザンの蒸気を気相を介して反応させて、リチウム酸化物過剰含有NCA粒子表面にトリメチルシリル基を有する疎水性生成物を形成させた後、さらに乾燥空気(露点温度:−60℃)中で120℃で30分間の加熱処理を施すという、実施例1に係る表面処理された酸化物粒子の製造方法により、表面が上記トリメチルシリル基を有する疎水性生成物で被覆された実施例1に係る表面処理された酸化物粒子(リチウムイオン電池の正極活物質としてのNCA粒子)を得た。
[Surface treatment of oxide particles]
As shown in FIG. 5, 120 g of the lithium oxide-excess-containing NCA particles as
なお、揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器17(ガラスシャーレ)内のヘキサメチルジシラザンは上記12時間の放置で完全に消失しており、全てリチウム酸化物過剰含有NCA粒子表面のトリメチルシリル基を有する疎水性生成物の形成に消費されたものと考えられる。 The hexamethyldisilazane in the volatile trimethylsilylating agent storage container 17 (glass petri dish) completely disappeared after standing for 12 hours, and all have trimethylsilyl groups on the surface of the lithium oxide-excess-containing NCA particles. It is believed that it was consumed in forming the hydrophobic product.
上記表面が上記トリメチルシリル基を有する疎水性生成物で被覆された表面処理された酸化物粒子(リチウムイオン電池の正極活物質としてのNCA粒子)について、走査顕微鏡(SEM)の像観察したところ、表面処理前後で粒子表面形状に大きな違いは認められず、また、2次イオン質量分析法(SIMS)により粒子表面にシリコン(Si)が検出されたことから、粒子表面に単分子のトリメチルシリル基が反応したシングルナノレベルの厚さの均一な被覆層が形成されていることが確認された。 The surface treated oxide particles coated with the hydrophobic product having the trimethylsilyl group (the NCA particles as the positive electrode active material of the lithium ion battery) were observed with a scanning microscope (SEM). There was no significant difference in the particle surface shape before and after the treatment, and since silicon (Si) was detected on the particle surface by secondary ion mass spectrometry (SIMS), a monomolecular trimethylsilyl group reacted on the particle surface. It was confirmed that a uniform coating layer having a single nano-level thickness was formed.
[特性評価]
次に作製したトリメチルシリル基を有する疎水性生成物で被覆された表面処理された酸化物粒子(リチウムイオン電池の正極活物質としてのNCA粒子)を用いて、正極活物質層形成用ペーストを作製したところ、室温(25℃)で7日間放置してもゲル化(プリン化)せず、流動性を保っていることが確認された。
[Characteristic evaluation]
Next, using the prepared oxide particles (NCA particles as a positive electrode active material of a lithium ion battery) coated with a hydrophobic product having a trimethylsilyl group, a paste for forming a positive electrode active material layer was prepared. However, it was confirmed that even if it was allowed to stand at room temperature (25 ° C.) for 7 days, it did not gel (purinate) and maintained fluidity.
なお、前記正極活物質層形成用ペーストは、正極活物質としての表面処理された酸化物粒子、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)、結合材(バインダー)としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)、有機溶剤としてのN−メチルピロリドン(NMP)を、酸化物粒子:AB:PVDF:NMP=45:2.5:2.5:50(重量比)となるように混合し、分散処理して作製している(PVDFが溶解したNMPに、酸化物粒子とABが分散した状態)。 The paste for forming the positive electrode active material layer includes oxide particles subjected to surface treatment as a positive electrode active material, acetylene black (AB) as a conductive additive, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder (binder), N-methylpyrrolidone (NMP) as an organic solvent is mixed and dispersed so as to be oxide particles: AB: PVDF: NMP = 45: 2.5: 2.5: 50 (weight ratio). (Oxide particles and AB are dispersed in NMP in which PVDF is dissolved).
また、上記正極活物質層形成用ペーストを塗布・乾燥・プレス加圧して得られた正極活物質層を用いたコインセル(正極活物質/電解液(セパレーター)/負極活物質(Li箔))で、正極容量を測定したところ195mAh/g(レート:0.05C)であった。 In addition, in a coin cell (positive electrode active material / electrolytic solution (separator) / negative electrode active material (Li foil)) using a positive electrode active material layer obtained by applying, drying, and pressurizing the paste for forming a positive electrode active material layer. The positive electrode capacity was measured and found to be 195 mAh / g (rate: 0.05C).
<実施例2>
実施例1で、120℃で30分間に代えて、200℃で30分間の加熱処理を施す以外は、実施例1と同様に行う、実施例2に係る表面処理された酸化物粒子の製造方法により、表面が上記トリメチルシリル基を有する疎水性生成物で被覆された実施例2に係る表面処理された酸化物粒子(リチウムイオン電池の正極活物質としてのNCA粒子)を得た。
<Example 2>
The method for producing surface-treated oxide particles according to Example 2 is performed in the same manner as in Example 1 except that heat treatment is performed at 200 ° C. for 30 minutes instead of 30 minutes at 120 ° C. Thus, surface-treated oxide particles (NCA particles as a positive electrode active material of a lithium ion battery) according to Example 2 whose surface was coated with the hydrophobic product having the trimethylsilyl group were obtained.
[特性評価]
次に作製したトリメチルシリル基を有する疎水性生成物で被覆された表面処理された酸化物粒子(リチウムイオン電池の正極活物質としてのNCA粒子)を用いて、実施例1と同様に正極活物質層形成用ペーストを作製したところ、室温(25℃)で7日間放置してもゲル化(プリン化)せず、流動性を保っていることが確認された。
[Characteristic evaluation]
Next, using the surface-treated oxide particles (NCA particles as a positive electrode active material of a lithium ion battery) coated with a hydrophobic product having a trimethylsilyl group, the positive electrode active material layer was formed in the same manner as in Example 1. When the forming paste was produced, it was confirmed that even if it was left at room temperature (25 ° C.) for 7 days, it did not gel (purinate) and maintained fluidity.
また、上記正極活物質層形成用ペーストを塗布・乾燥・プレス加圧して得られた正極活物質層を用いたコインセル(正極活物質/電解液(セパレーター)/負極活物質(Li箔))で、正極容量を測定したところ193mAh/gであった。 In addition, in a coin cell (positive electrode active material / electrolytic solution (separator) / negative electrode active material (Li foil)) using a positive electrode active material layer obtained by applying, drying, and pressurizing the paste for forming a positive electrode active material layer. When the positive electrode capacity was measured, it was 193 mAh / g.
<実施例3>
実施例1で、揮発性のトリメチルシリル化剤18としてトリメチルシラノール(別名称:トリメチルヒドロキシシラン)(沸点:98.6〜99℃、融点:−9.8℃;蒸気圧:1.84kPa[25℃])3.1gを用いたこと以外は、実施例1と同様に行う、実施例3に係る表面処理された酸化物粒子の製造方法により、表面が上記トリメチルシリル基を有する疎水性生成物で被覆された実施例3に係る表面処理された酸化物粒子(リチウムイオン電池の正極活物質としてのNCA粒子)を得た。
<Example 3>
In Example 1, trimethylsilanol (another name: trimethylhydroxysilane) (boiling point: 98.6 to 99 ° C., melting point: −9.8 ° C .; vapor pressure: 1.84 kPa [25 ° C.) as the
上記表面が上記トリメチルシリル基を有する疎水性生成物で被覆された表面処理された酸化物粒子(リチウムイオン電池の正極活物質としてのNCA粒子)について、走査顕微鏡(SEM)の像観察したところ、表面処理前後で粒子表面形状に大きな違いは認められず、また、2次イオン質量分析法(SIMS)により粒子表面にシリコン(Si)が検出されたことから、粒子表面に単分子のトリメチルシリル基が反応したシングルナノレベルの厚さの均一な被覆層が形成されていることが確認された。 The surface treated oxide particles coated with the hydrophobic product having the trimethylsilyl group (the NCA particles as the positive electrode active material of the lithium ion battery) were observed with a scanning microscope (SEM). There was no significant difference in the particle surface shape before and after the treatment, and since silicon (Si) was detected on the particle surface by secondary ion mass spectrometry (SIMS), a monomolecular trimethylsilyl group reacted on the particle surface. It was confirmed that a uniform coating layer having a single nano-level thickness was formed.
[特性評価]
次に作製したトリメチルシリル基を有する疎水性生成物で被覆された表面処理された酸化物粒子(リチウムイオン電池の正極活物質としてのNCA粒子)を用いて、実施例1と同様に正極活物質層形成用ペーストを作製したところ、室温(25℃)で7日間放置してもゲル化(プリン化)せず、流動性を保っていることが確認された。
[Characteristic evaluation]
Next, using the surface-treated oxide particles (NCA particles as a positive electrode active material of a lithium ion battery) coated with a hydrophobic product having a trimethylsilyl group, the positive electrode active material layer was formed in the same manner as in Example 1. When the forming paste was produced, it was confirmed that even if it was left at room temperature (25 ° C.) for 7 days, it did not gel (purinate) and maintained fluidity.
また、上記正極活物質層形成用ペーストを塗布・乾燥・プレス加圧して得られた正極活物質層を用いたコインセル(正極活物質/電解液(セパレーター)/負極活物質(Li箔))で、正極容量を測定したところ194mAh/gであった。 In addition, in a coin cell (positive electrode active material / electrolytic solution (separator) / negative electrode active material (Li foil)) using a positive electrode active material layer obtained by applying, drying, and pressurizing the paste for forming a positive electrode active material layer. When the positive electrode capacity was measured, it was 194 mAh / g.
<比較例1>
実施例1で、酸化物粒子の表面処理を行わず、酸化物粒子16として実施例1のリチウム酸化物過剰含有NCA粒子に、乾燥空気(露点温度:−60℃)中で120℃で30分間の加熱処理を施して、表面がトリメチルシリル基を有する疎水性生成物で被覆されていない比較例1に係る酸化物粒子(リチウムイオン電池の正極活物質としてのNCA粒子)を得た。
<Comparative Example 1>
In Example 1, the surface treatment of the oxide particles was not performed, and the lithium oxide-excess-containing NCA particles of Example 1 were formed as
[特性評価]
次に作製した表面処理していない酸化物粒子(リチウムイオン電池の正極活物質としてのNCA粒子)を用いて、実施例1と同様に正極活物質層形成用ペーストを作製したところ、室温(25℃)で8時間の放置後で既にゲル化(プリン化)して、流動性を失っていることが確認された。
[Characteristic evaluation]
Next, using the prepared non-surface-treated oxide particles (NCA particles as a positive electrode active material of a lithium ion battery), a positive electrode active material layer forming paste was prepared in the same manner as in Example 1. After standing for 8 hours at (° C.), it was confirmed that it had already gelled (pudding) and lost fluidity.
なお、上記正極活物質層形成用ペーストをゲル化(プリン化)する前に塗布・乾燥・プレス加圧して得られた正極活物質層を用いたコインセル(正極活物質/電解液(セパレーター)/負極活物質(Li箔))で、正極容量を測定したところ194mAh/g(レート:0.05C)であった。 In addition, a coin cell (positive electrode active material / electrolytic solution (separator) //) using a positive electrode active material layer obtained by applying, drying, and pressurizing before the above-mentioned positive electrode active material layer forming paste is gelled (pudding) When the positive electrode capacity was measured with a negative electrode active material (Li foil)), it was 194 mAh / g (rate: 0.05C).
実施例1〜3と比較例1を比較すると、いずれも酸化物粒子としてリチウム酸化物過剰含有NCA粒子を用いており、同様の正極容量(193〜195mAh/g(レート:0.05C))を有しているが、各実施例の気相法で表面処理を行った場合に、作製した正極活物質層形成用ペーストが室温(25℃)で7日間以上放置してもゲル化(プリン化)せず流動性を保っているのに対し、比較例1の気相法で表面処理を行わなかった場合は、室温(25℃)で8時間の放置後で既にゲル化(プリン化)して流動性を失っていることが確認された。この理由としては、本発明の表面処理された酸化物粒子では、酸化物粒子から正極活物質層形成用ペースト中へのアルカリ成分の溶出が表面処理によって抑制され、ペースト中の結合材(バインダー)としてのPVDFがアルカリ成分により重合化しにくくなって、ゲル化を抑制できていると推定される。 Comparing Examples 1 to 3 with Comparative Example 1, all use NCA particles containing excessive lithium oxide as oxide particles, and the same positive electrode capacity (193 to 195 mAh / g (rate: 0.05C)) is obtained. However, when the surface treatment is performed by the vapor phase method of each example, the produced paste for forming the positive electrode active material layer is gelled (purinized) even if it is left at room temperature (25 ° C.) for 7 days or longer. In the case where the surface treatment was not performed by the vapor phase method of Comparative Example 1, the gelation (purification) was already performed after standing for 8 hours at room temperature (25 ° C.). It was confirmed that the liquidity was lost. The reason for this is that in the surface-treated oxide particles of the present invention, elution of alkali components from the oxide particles into the positive electrode active material layer forming paste is suppressed by the surface treatment, and the binder (binder) in the paste It is presumed that the PVDF as is difficult to be polymerized by the alkali component and gelation can be suppressed.
本発明による表面処理された酸化物粒子の製造方法は、気相法を用いた簡便な方法で緻密かつ均一なナノオーダーの表面処理層が得られるため、高性能な酸化物粒子を安価に製造できる。さらに、この方法で得られた酸化物粒子は、電解液系二次電池の活物質層形成用ペースト(活物質ペースト)のゲル化抑制や、硫化物系全固体二次電池の活物質粒子/硫化物系固体電解質の界面抵抗低減に有効なため、電解液系二次電池や全固体二次電池の(正極、負極)活物質層に適用された場合に、二次電池の低コスト化や特性向上が期待できる。 According to the method for producing surface-treated oxide particles according to the present invention, a dense and uniform nano-order surface treatment layer can be obtained by a simple method using a gas phase method, so that high-performance oxide particles can be produced at low cost. it can. Further, the oxide particles obtained by this method are used for suppressing gelation of the active material layer forming paste (active material paste) of the electrolyte-based secondary battery, and for the active material particles / sulfide-based all-solid secondary battery. Effective in reducing the interfacial resistance of sulfide-based solid electrolytes, when applied to the active material layer (positive electrode, negative electrode) of electrolyte-based secondary batteries and all-solid secondary batteries, the cost of secondary batteries can be reduced. Improvement in characteristics can be expected.
1 正極集電体
2 正極活物質層
3 セパレータ
4 電解液
5 負極活物質層
6 負極集電体
7 電極リード(取出し電極)
8 容器
9 固体電解質層
10 酸化物粒子の1次粒子
11 1次粒子が塊状に集合して構成された酸化物粒子(2次粒子)
12 酸化物粒子の1次粒子間の開空孔(オープンポア)
13a コーティング層
13b 表面処理層
14 反応容器
15 酸化物粒子の収納容器
16 酸化物粒子
17 揮発性のトリメチルシリル化剤の収納容器
18 揮発性のトリメチルシリル化剤
19 ファン(雰囲気ガス循環用または、雰囲気ガス送風用)
20 撹拌羽根(酸化物粒子の撹拌用)
21 揮発容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
8 Container 9
12 Open pores between primary particles of oxide particles
20 Stirring blade (for stirring oxide particles)
21 Volatile containers
Claims (10)
前記アルカリ性化合物が、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)を含有する化合物の群から選ばれるいずれか一種以上であり、
前記酸化物粒子が、マンガン、コバルト、ニッケル、鉄、チタンの群から選ばれるいずれか一種以上の遷移金属を含み、かつ、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)の群から選ばれるいずれか一種以上のアルカリ元素を含む、アルカリ複合酸化物であることを特徴とする表面処理された酸化物粒子の製造方法。 Oxide particles having an alkaline compound on part or all of the particle surface are brought into contact with a gas containing a volatile trimethylsilylating agent, and trimethylsilyl groups are formed by a reaction between the alkaline compound and the trimethylsilylating agent via a gas phase. A method for producing surface-treated oxide particles, which forms an oxide particle having a hydrophobic product having a trimethylsilyl group on part or all of the particle surface,
The alkaline compound is any one or more selected from the group of compounds containing lithium (Li), sodium (Na), and magnesium (Mg),
The oxide particles include one or more transition metals selected from the group consisting of manganese, cobalt, nickel, iron, and titanium, and are selected from the group consisting of lithium (Li), sodium (Na), and magnesium (Mg). A method for producing surface-treated oxide particles, which is an alkali composite oxide containing at least one alkali element.
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