JP2016219355A - チタンニオブ酸化物負極活物質の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
得られた懸濁液を35〜250℃で水熱反応に付した後、固液分離して固形分を得る工程(II)、
得られた固形分を、固形分の乾燥質量1質量部に対して8〜60質量部の洗浄水によって洗浄する工程(III)、
洗浄した固形分を600〜1200℃で焼成してチタンニオブ酸化物を得る工程(IV)、並びに、
得られたチタンニオブ酸化物に、導電性炭素粉末または水溶性有機化合物が炭化されてなる炭素を、チタンニオブ酸化物100質量部に対し炭素原子換算で0.2〜20質量部担持する工程(V)、
を備える、チタンニオブ酸化物負極活物質の製造方法を提供するものである。
本発明は、水酸化ニオブ10〜40質量%と、チタン化合物及び過酸化水素を含有し、かつニオブに対する過酸化水素のモル比が3〜8である懸濁液を調製する工程(I)を備える。
また工程(I)において得られた懸濁液を圧力容器等に格納し、水熱反応を加圧下で行う場合は、工程(I)において得られた懸濁液の温度を好ましくは95〜250℃とし、より好ましくは110〜200℃とするのがよい。なお、水熱反応を加圧下で行う場合の圧力は、好ましくは0.3〜8.6MPaであり、より好ましくは0.3〜4.0MPaである。
水熱反応時間は、好ましくは0.5〜8時間であり、より好ましくは0.5〜4時間である。
水酸化ニオブを水に懸濁させ、ニオブの4倍モル量の過酸化水素を添加し、pH9に調整して、得られる懸濁液A1中の水酸化ニオブの含有量を20質量%とした。次いで、懸濁液A1と、別途調製した硫酸チタニルを水に溶解させた液とを、チタンとニオブのモル比(Ti:Nb)が1:2となるよう混合し、懸濁液B1を得た。得られた懸濁液B1を、圧力容器に移し、200℃で1時間、圧力1.6MPaで水熱反応させた。
その後、懸濁液B1中の固形分を固液分離し、得られた固形分を、かかる固形分の乾燥質量1質量部に対し、10質量部の水(20℃)で洗浄した後、大気雰囲気下、850℃で4時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物と、該合成物100質量部に対し、炭素原子換算で10質量部のグルコースを水に投入し、濃度40質量%のスラリーを調製した。該スラリーを噴霧乾燥して得た粉体を窒素雰囲気下にて600℃で3時間焼成して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
水酸化ニオブの含有量を10重量%とした以外、実施例1の懸濁液A1と同様にして懸濁液A2を得た。次いで、懸濁液A2と、別途調製した硫酸チタニルを水に懸濁させた液とを、チタンとニオブのモル比(Ti:Nb)が1:2.5となるよう混合し、懸濁液B2を得た。得られた懸濁液B2を、圧力容器に移し、200℃で2時間、圧力1.6MPaで水熱反応させた。
その後、懸濁液B2中の固形分を固液分離し、得られた固形分を、かかる固形分の乾燥質量1質量部に対し、10質量部の水(10℃)で洗浄した後、大気雰囲気下、1000℃で4時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
水酸化ニオブを水に懸濁させ、ニオブの8倍モル量の過酸化水素を添加し、pH9に調整して、得られる懸濁液A3中の水酸化ニオブの含有量を30質量%とした。次いで、懸濁液A3と、別途調製した硫酸チタニルを水に溶解させた液とを、チタンとニオブのモル比(Ti:Nb)が1:2となるよう混合し、懸濁液B3を得た。得られた懸濁液B3を、40℃で1時間、大気圧下(圧力0.1MPa)で水熱反応させた。
その後、懸濁液B3中の固形分を固液分離し、得られた固形分を、かかる固形分の乾燥質量1質量部に対し、30質量部の水(70℃)で洗浄した後、大気雰囲気下、700℃で4時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
水酸化ニオブの含有量を40重量%とした以外、実施例1の懸濁液A1と同様にして懸濁液A4を得た。次いで、懸濁液A4と、別途調製した硫酸チタニルを水に溶解させた液とを、チタンとニオブのモル比(Ti:Nb)が1:2となるよう混合し、懸濁液B4を得た。得られた懸濁液B4を、35℃で8時間、大気圧下(圧力0.1MPa)で水熱反応させた。
その後、懸濁液B4中の固形分を固液分離し、得られた固形分を、かかる固形分の乾燥質量1質量部に対し、50質量部の水(20℃)で洗浄した後、大気雰囲気下、850℃で4時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
過酸化水素の添加量を3倍モル量とした以外、実施例1の懸濁液A1と同様にして懸濁液A5を得た。次いで、実施例1の懸濁液A1の代わりに懸濁液A5を用い、実施例1の懸濁液B1と同様にして懸濁液B5を得た後、得られた懸濁液B5を、圧力容器に移し、200℃で1時間、圧力1.6MPaで水熱反応させた。
その後、懸濁液B5中の固形分を固液分離し、得られた固形分を、かかる固形分の乾燥質量1質量部に対し、10質量部の水(80℃)で洗浄した後、大気雰囲気下、850℃で4時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
pHを7とした以外、実施例1の懸濁液A1と同様にして懸濁液A6を得た。次いで、実施例1の懸濁液A1の代わりに懸濁液A6を用い、実施例1の懸濁液B1と同様にして懸濁液B6を得た後、得られた懸濁液B6を、圧力容器に移し、200℃で0.5時間、圧力1.6MPaで水熱反応させた。
その後、懸濁液B6中の固形分を固液分離し、得られた固形分を、かかる固形分の乾燥質量1質量部に対し、10質量部の水(80℃)で洗浄した後、大気雰囲気下、850℃で4時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
pHを12とした以外、実施例1の懸濁液A1と同様にして懸濁液A7を得た。次いで、実施例1の懸濁液A1の代わりに懸濁液A7を用い、実施例1の懸濁液B1と同様にして懸濁液B7を得た後、得られた懸濁液B7を、圧力容器に移し、200℃で1時間、圧力1.6MPaで水熱反応させた。
その後、懸濁液B7中の固形分を固液分離し、得られた固形分を、かかる固形分の乾燥質量1質量部に対し、10質量部の水(80℃)で洗浄した後、大気雰囲気下、850℃で0.3時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
実施例1と同様にして懸濁液B1を得た後、得られた懸濁液B1を、圧力容器に移し、200℃で1時間、圧力1.6MPaで水熱反応させた。
その後、懸濁液B1中の固形分を固液分離し、得られた固形分を、かかる固形分の乾燥質量1質量部に対し、10質量部の水(20℃)で洗浄した後、大気雰囲気下、850℃で4時間焼成して合成物を得た。得られた合成物と、該合成物100質量部に対し10質量部のアセチレンブラックを遊星ボールミル(媒体1mmφ、充填体積30%)にて400rpmで1時間粉砕/複合化/混合処理を行い、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
実施例8の粉砕/複合化/混合処理物について、窒素雰囲気下で600℃で3時間焼成した。
水酸化ニオブを水に懸濁させ、ニオブの16倍モル量の過酸化水素を添加し、得られる懸濁液A11中の水酸化ニオブ含有量を2.1質量%とし、70℃で2時間加熱した。次いで、得られた懸濁液A11に水を加え、水酸化ニオブ含有量を1.3質量%とした。
次に、水を加えた後の懸濁液A11と、別途調整した硫酸チタニル水溶液(TiO2含有量1質量%)とをチタンとニオブのモル比(Ti:Nb)が1:2となるよう混合し、得られた混合液B11を180℃で18時間、圧力1.0MPaで水熱反応させた。
その後、混合液B11中の固形分を80℃で蒸発乾固して回収し、合成物とした。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
比較例1で得られた合成物を用い、さらに大気雰囲気下、850℃で4時間焼成した。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
実施例1と同様にして懸濁液B1を得た後、得られた懸濁液B1を、圧力容器に移し、200℃で1時間、圧力1.6MPaで水熱反応させた。
その後、懸濁液B1中の固形分を固液分離し、得られた固形分を、かかる固形分の乾燥質量1質量部に対し、5質量部の水(5℃)で洗浄した後、大気雰囲気下、850℃で4時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
水酸化ニオブを水に懸濁させ、ニオブの9倍モル量の過酸化水素を添加し、pH9に調整して、得られる懸濁液A14中の水酸化ニオブの含有量を5質量%とした以外、実施例1の懸濁液A1と同様にして懸濁液A14を得た。次いで、実施例1の懸濁液A1の代わりに懸濁液A14を用い、実施例1の懸濁液B1と同様にして懸濁液B14を得た後、得られた懸濁液B14を、圧力容器に移し、200℃で1時間、圧力1.6MPaで水熱反応させた。
その後、懸濁液B14中の固形分を固液分離し、得られた固形分を、かかる固形分の乾燥質量1質量部に対し、10質量部の水(20℃)で洗浄した後、大気雰囲気下、850℃で4時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
実施例1と同様にして、懸濁液B1から得られた固形分を洗浄した後、大気雰囲気下、500℃で8時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
実施例1と同様にして、懸濁液B1から得られた固形分を洗浄した後、大気雰囲気下、1300℃で0.5時間焼成して合成物を得た。
得られた合成物を実施例1と同様に処理して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
実施例1と同様にして合成物を得た。得られた合成物と、該合成物100質量部に対し、炭素原子換算で0.1質量部のグルコースを水に投入し、濃度40質量%のスラリーを調製した。該スラリーを噴霧乾燥して得た粉体を窒素雰囲気下にて600℃で3時間焼成して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
実施例1と同様にして合成物を得た。得られた合成物と、該合成物100質量部に対し、炭素原子換算で25質量部のグルコースを水に投入し、濃度40質量%のスラリーを調製した。該スラリーを噴霧乾燥して得た粉体を窒素雰囲気下にて600℃で3時間焼成して、表面に炭素が被覆されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質を得た。
実施例及び比較例で得られた合成物につき、下記の方法にしたがって各測定及び評価を行った。
結果を表1〜2に示す。
X線回折分析によりチタンニオブ化合物の構成相を判別し、各構成相の含有率をX線回折−リートベルト法を適用して求め、その後、TiNb2O7の結晶子サイズをTiNb2O7のX線回折プロファイル(全角)にシェラーの式を適用することにより求めた。
結晶子サイズの評価において、チタンニオブ化合物の構成相が複数の場合には、得られたチタンニオブ化合物のX線回折プロファイルからTiNb2O7以外の夾雑相のX線回折プロファイルを差し引いて得られたTiNb2O7単相のX線回折プロファイルを使用した。なお、含有率及び結晶子サイズの計算に用いたTiNb2O7以外の夾雑相のX線回折プロファイルは、ICDDデータベースの結晶構造パラメーターを使用して計算で求めた。
〈X線回折測定条件〉
試料調整:粉末試料成形機(TK−750、東京科学製)にて、70kgの圧力でプレス
X線:Cu-kα(管電圧−電流=35kV−350mA)
測定条件: ステップスキャン(ステップサイズ0.023°、0.13秒/ステップ)、2θ: 10°〜80°
装置: X線回折装置:D8 Advance(ブルカー・エイエックスエス(株)製)
解析ソフトウェア:DIFFRACplusTOPAS(ver.3)(ブルカー・エイエックスエス(株)製)
チタンニオブ化合物にフッ化水素酸と塩酸を加え加熱、蒸発乾固した後、フッ化水素酸と硝酸を加え加熱して溶解した。その後、過剰のフッ化水素酸をマスキングするためにホウ酸を加えた。得られた溶液のS濃度をICP発光分光分析法により定量した。
実施例及び比較例で得られた合成物、アセチレンブラック(導電剤)、ポリフッ化ビニリデン(粘結剤)を質量比90:5:5の配合割合で混合し、これにN−メチル−2−ピロリドンを加えて充分混練し、負極スラリーを調製した。
得られた負極スラリーを厚さ10μmの銅箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80 ℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、負極とした。
次いで、φ15mmに打ち抜いたLi箔を陽極とし、電解液としてエチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した混合溶媒にLiPF6を1 mol/Lの濃度で溶解したものを用い、セパレータにポリプロピレンを用いて、露点が−50℃以下の雰囲気で常法により組み込み収容し、コイン型リチウム二次電池(CR−2032)を製造した。
作成した各リチウム二次電池について、気温30℃環境での、0.1C(38.7mAh/g)の初期放電容量と50サイクル後及び500サイクル後の放電容量を測定し(放電容量測定装置:HJ−1001SD8(北斗電工(株)製))、下記式(Z)により容量保持率(%)を求めた。なお、充放電試験は全て30℃で行った。
容量保持率(%)=(500サイクル後の放電容量)/(1サイクル後の放電容量)
×100 ・・・(Z)
Claims (5)
- 水酸化ニオブ10〜40質量%、チタン化合物及び過酸化水素を含有し、かつニオブに対する過酸化水素のモル比が3〜8である懸濁液を調製する工程(I)、
得られた懸濁液を35〜250℃で水熱反応に付した後、固液分離して固形分を得る工程(II)、
得られた固形分を、固形分の乾燥質量1質量部に対して8〜60質量部の洗浄水によって洗浄する工程(III)、
洗浄した固形分を600〜1200℃で焼成してチタンニオブ酸化物を得る工程(IV)、並びに
得られたチタンニオブ酸化物に、炭素導電性炭素粉末または水溶性有機化合物が炭化されてなる炭素を、チタンニオブ酸化物100質量部に対し炭素原子換算で0.2〜20質量部担持する工程(V)
を備える、TiNb2O7の表面に炭素が担持されてなるチタンニオブ酸化物負極活物質の製造方法。 - 工程(III)における洗浄水の温度が、10〜80℃である請求項1に記載のチタンニオブ酸化物負極活物質の製造方法。
- 工程(IV)における焼成時間が、0.3〜7時間である請求項1又は2に記載のチタンニオブ酸化物負極活物質の製造方法。
- チタン化合物が、硫酸チタニル又は硫酸チタンである請求項1〜3のいずれか1項に記載のチタンニオブ酸化物負極活物質の製造方法。
- チタンニオブ酸化物の結晶子サイズが、25〜250nmである請求項1〜4のいずれか1項に記載のチタンニオブ酸化物負極活物質の製造方法。
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