JP2017054828A - リチウム二次電池用正極材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献2(特開2005−123107号公報)には、炭素材料の一部または全部がオリビン型リン酸リチウムで被覆された構造からなる電気化学素子用活物質が開示されている。
更に、特許文献3(特開2008−130526号公報)には、オリビン型の構造を有するリチウム含有リン酸鉄化合物の一次粒子と炭素材料とを有する二次粒子からなり、二次粒子が、略紡錘形、平面視で略菱形または略楕円形とされた電気化学素子用活物質が開示されている。
更に、特許文献5(特表2008−542979号公報)には、複合酸化物粒子又は粒子集合体の表面の少なくとも一部分に、化学的結合及び/又は物理的結合によって結合した炭素層が形成された正極材料が開示されている。
更にまた、特許文献6(特開2009−272041号公報)には、正極活物質の粒子表面に微細炭素繊維が網目状に付着している正極材料が開示されている。
更に、特許文献8(特許第4192574号公報)には、一般式LixMn2−yMyO4で表されるリチウム・マンガン複合酸化物と、一般式LixM’O2で表されるリチウム複合酸化物との混合活物質からなる電極活物質と、導電材と、繊維状炭素と、結着剤とを含有する電極合剤が集電体に被覆されてなり、繊維状炭素が、前記電極合剤の総量に対して0.2〜5.0%の割合で含まれる非水電解質二次電池用電極が開示されている。
更にまた、特許文献9(特許第4176804号公報)は、LiMPO4を合成を、炭素含有若しくは電子伝導物質又は電子伝導物質の前駆体の存在下で行う製造方法が開示されている。
このように、従来の電極材料では、電池の使用時に徐々に正極材料が劣化する場合があった。
[2]前記正極活物質粒子の表面のうち、前記繊維状炭素との接合面を除く面に、炭素が被覆されている[1]に記載のリチウム二次電池用正極材料。
[3]前記繊維状炭素の表面にCo、Ti、V、Cr、Mn、W、Mo、Fe、Cu、Al、V、Nb、Taの何れか1種若しくは2種以上の金属または金属酸化物が担持され、この金属または金属酸化物が担持された箇所に前記正極活物質粒子が接合されている[1]または[2]に記載のリチウム二次電池用正極材料。
[4]前記正極材料における前記繊維状炭素の含有率が0.5質量%以上10質量%以下の範囲である[1]乃至[3]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料。
[5]前記繊維状炭素の平均繊維長が1〜100μmの範囲である[1]乃至[4]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料。
[6]前記繊維状炭素の繊維長と繊維径の比であるアスペクト比(繊維長/繊維径)が5〜1000の範囲である[5]に記載のリチウム二次電池用正極材料。
[7]前記正極活物質粒子の平均粒径が20nm以上200nm以下の範囲である[1]乃至[6]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料。
[8]前記LiMPO4にはNb又はVのいずれか一種又は二種が含まれる[1]乃至[7]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料。
[9]前記繊維状炭素の表面に前記繊維状炭素の構造でない炭素層を介してなく、直接に前記正極活物質粒子が接合している[1]乃至[8]の何れか一項に記載の記載のリチウム二次電池用正極材料であって、前記繊維状炭素の表面にCo、Ti、V、Cr、Mn、W、Mo、Fe、Cu、Al、V、Nb、Taの何れか1種若しくは2種以上の金属または金属酸化物が担持される場合、前記接合面が前記金属または金属酸化物を含んでも良いリチウム二次電池用正極材料。
[10]繊維状炭素が混合された極性溶媒の存在下で、Li源とM源とリン酸源とを原料にして、オリビン型LiMPO4への変換反応を100℃以上にて行うことにより、前記繊維状炭素の表面に前記LiMPO4からなる複数の正極活物質粒子を成長させる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。
[11]前記リチウム源、前記M源または前記リン酸源の何れか1種と前記極性溶媒とが含まれる第1原料液と、前記リチウム源、前記M源または前記リン酸源のうち前記第1原料液に含まれないもの全部と前記極性溶媒とが含まれる第2原料液とを用意し、前記繊維状炭素は前記第1、第2原料液の一方又は両方に予め添加するか、前記第1、第2原料液を混合する際に添加することとし、前記第1、第2原料液を混合して前記変換反応を行う[10]に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
[12]前記変換反応は、温度を100〜160℃、圧力を0.1〜0.6MPaにして30分〜30時間保持した後、温度を180〜260℃、圧力を1.0〜4.7MPaにして30分〜30時間保持する条件で行う[11]または[12]に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
[13]前記繊維状炭素として、表面にCo、Ti、V、Cr、Mn、W、Mo、Fe、Cu、Al、V、Nb、Taの何れか1種はたは2種以上の金属または金属酸化物が担持された繊維状炭素を用いる[10]乃至[12]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
[14]前記原料に、Nb又はVが含まれる物質を添加する[10]乃至[13]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
[15]前記リチウム源が水酸化リチウムであり、前記M源がFe、Mn、NiまたはCoのいずれか1種又は2種以上の金属の硫酸塩であり、リン酸源がリン酸である[10]乃至[13]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
[16]前記リチウム源及び前記リン酸源として、リン酸リチウムを用いる[10]乃至[13]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
本実施形態の好ましい実施態様のリチウム二次電池用正極活物質は、繊維状炭素が混合された極性溶媒の存在下で、Li源とM源とリン酸源とを原料にして、オリビン型LiMPO4への変換反応を100℃以上にて開始進行させることにより、繊維状炭素の表面にLiMPO4からなる複数の正極活物質粒子を成長させることによって製造する。また、正極活物質粒子の成長後に、正極活物質粒子の表面に炭素を被覆させてもよい。以下、本製造方法について順次説明する。なお、本明細書では、繊維状炭素の表面にLiMPO4からなる複数の正極活物質粒子が接合したものを正極材料という。
本実施形態の好ましい実施態様の製造方法に用いる繊維状炭素は、所謂炭素繊維またはカーボンナノチューブを用いることができる。炭素繊維としては、気相合成法により製造された炭素繊維を例示できる。
また、気相法炭素繊維の好ましい形態として、分岐状繊維がある。分岐部分はその部分を含めて繊維全体が互いに連通した中空構造を有し、繊維の円筒部分を構成している炭素層は連続している。中空構造は炭素層が円筒状に巻いている構造であって、完全な円筒でないもの、部分的な切断箇所を有するもの、積層した2層の炭素層が1層に結合したものなどを含む。また、円筒の断面は完全な円に限らず楕円や多角形のものを含む。
粉砕は、酸素濃度5体積%以上の雰囲気下で行うことが好ましい。酸素が5%以上存在することで、粉砕された炭素繊維の表面が改質されて、LiMPO4からなる複数の正極活物質粒子が成長しやすくなる。好ましくは空気中で行うことができる。
次に、極性溶媒としては、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、アセトン、シクロヘキサノン、2−メチルピロリドン、エチルメチルケトン、2−エトキシエタノール、プロピレンカルボネート、エチレンカルボネート、ジメチルカルボネート、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドなどが挙げられる。これらのうち、水が好ましい。これらは1種単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。
Li源は、極性溶媒に溶解しやすい化合物が好ましい。例えば、水酸化リチウム、塩化リチウム、フッ化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、酸化リチウム、硫酸水素リチウム、リン酸二水素リチウム、リン酸リチウム、炭酸リチウム、炭酸水素リチウムなどが挙げられる。これらのうち水酸化リチウムが好ましい。
M源としては、2価遷移金属を含む化合物が好ましく、2価遷移金属としてはFe、Mn、NiまたはCoのいずれか1種又は2種以上の元素を例示できる。これらのうち、Feおよび/またはMnが好ましい。M源としては、2価遷移金属硫酸塩、2価遷移金属塩化物、2価遷移金属フッ化物、2価遷移金属臭化物、2価遷移金属ヨウ化物、2価遷移金属硝酸塩、2価遷移金属リン酸塩、2価遷移金属シュウ酸塩、2価遷移金属酢酸塩などが挙げられる。M源は、極性溶媒に溶解しやすい化合物が好ましい。これらのうち、2価遷移金属硫酸塩が好ましく、硫酸鉄(II)および/または硫酸マンガン(II)ならびにこれらの水和物がより好ましい。
リン酸源は、リン酸イオンを含むものであればよく、また、極性溶媒に溶解しやすい化合物が好ましい。例えば、リン酸(オルトリン酸)、メタリン酸、ピロリン酸、三リン酸、テトラリン酸、リン酸水素、リン酸二水素、リン酸アンモニウム、無水リン酸アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸リチウム、リン酸鉄などが挙げられる。なお、リン酸リチウムまたは2価遷移金属リン酸塩は、Li源またはM源としても使用できる。
また、本製造方法によれば、M源としてFe、Mn、NiまたはCoのいずれか1種の元素を含む化合物を用いることによって、1種金属Mを有するLiMPO4を製造できる。また、M源としてFe、Mn、NiまたはCoのいずれか2種以上の元素を含む化合物を用いることによって、2種以上の金属Mを有するLiMPO4を製造できる。
このように、炭素繊維の表面にLiMPO4の結晶核を形成させ、炭素繊維とLiMPO4との複合体を合成することができる。反応液中で結晶核が形成されると複合体が合成できないので、液中よりも炭素繊維表面に優先的に結晶核が形成されるように合成条件を調整することが好ましい。液中に結晶核が形成される温度に対して、炭素繊維表面に結晶核が形成される温度は低いので、まず低温で炭素繊維の表面にLiMPO4の結晶核を形成し、結晶を成長させ、次に温度を上げて結晶の欠陥を減少させるとよい。
繊維状炭素の表面に、複数のLiMPO4からなる粒子が成長するので、繊維状炭素の表面に繊維状炭素の構造でない炭素層を介してなく、直接に正極活物質粒子が接合している。ただし、繊維状炭素の表面にCo、Ti、V、Cr、Mn、W、Mo、Fe、Cu、Al、V、Nb、Taの何れか1種若しくは2種以上の金属または金属酸化物が担持されている場合、接合面が前記金属または金属酸化物を含んでも良い。
懸濁液から分離された正極材料は、必要に応じて洗浄して乾燥させる。乾燥では金属Mが酸化されないように条件を選択することが好ましい。該乾燥では真空乾燥法が好ましく用いられる。
本実施形態の好ましい実施態様に係るリチウム二次電池用の正極材料は、図1に示すように、繊維状炭素1の表面に、オリビン型LiMPO4からなる複数の正極活物質粒子2(ただし、前記MはFe、Mn、NiまたはCoのいずれか1種又は2種以上の元素である)が接合して構成されている。図1に示すように、正極活物質粒子2は繊維状炭素1の表面に膜状ではなく、粒状に付着する。
更に、図3に示すように、正極活物質粒子2の表面のうち、繊維状炭素1との接合面を除く面に、炭素膜4が形成されていてもよい。
特に、図3に示すように、繊維状炭素1の表面に繊維状炭素の構造でない炭素層を介してなく、直接に正極活物質粒子2が接合している。ただし、図2に示すように、繊維状炭素1の表面にCo、Ti、V、Cr、Mn、W、Mo、Fe、Cu、Al、V、Nb、Taの何れか1種若しくは2種以上の金属または金属酸化物3が担持されている場合、接合面が前記金属または金属酸化物3を含んでも良い。
本実施形態の好ましい実施態様に係るリチウム二次電池は、正極と負極と非水電解質とを具備して構成されている。このリチウム二次電池においては、正極に含まれる正極活物質として、上記の方法によって製造された正極材料が用いられる。このような正極材料が備えられることによって、リチウム二次電池の充放電サイクル後の容量維持率を向上させることが可能になる。以下、リチウム二次電池を構成する正極、負極及び非水電解質について順次説明する。
本実施形態の好ましい実施態様のリチウム二次電池では、正極として、正極材料と結着剤と必要に応じて導電助材とが含有されてなる正極合材と、正極合材に接合される正極集電体とからなるシート状の電極を用いることができる。また、正極として、上記の正極合材を円板状に成形させてなるペレット型若しくはシート状の正極も用いることができる。
導電助材としては、銀粉などの導電性金属粉;ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどの導電性カーボン粉などが挙げられる。導電助材を添加する場合の添加量は正極合材の乾燥質量に対して0.1〜10質量%であることが好ましい。
負極は、負極活物質、結着剤及び必要に応じて添加される導電助材とが含有されてなる負極合材と、負極合材に接合される負極集電体とからなるシート状の電極を用いることができる。また、負極として、上記の負極合材を円板状に成形させてなるペレット型若しくはシート状の負極も用いることができる。
更に導電助材は、必要に応じて添加してもよく、添加しなくても良い。例えば、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどの導電性カーボン粉;カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、気相法炭素繊維などを用いることができる。導電助剤としては気相法炭素繊維が特に好ましい。気相法炭素繊維は、その繊維径が5nm以上0.2μm以下であることが好ましい。繊維長さ/繊維径の比が5〜1000であることが好ましい。気相法炭素繊維の含有量は負極合材の乾燥質量に対して0.1〜10質量%であることが好ましい。
次に、非水電解質としては、例えば、非プロトン性溶媒にリチウム塩が溶解されてなる非水電解質を例示できる。
また、リチウム塩には、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSO3CF3、CH3SO3Li、CF3SO3Li等が挙げられる。
固体電解質またはゲル電解質としては、スルホン化スチレン−オレフィン共重合体などの高分子電解質、ポリエチレンオキシドとMgClO4を用いた高分子電解質、トリメチレンオキシド構造を有する高分子電解質などが挙げられる。高分子電解質に用いられる非水系溶媒としては、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ―ブチロラクトン、およびビニレンカーボネートからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
「1.合成工程」
酸素濃度を0.5%以下に制御した窒素雰囲気のグローブボックス中で、水700mLにLiOH・H2Oを123g溶解した後、炭素繊維(昭和電工株式会社製 VGCF−H(VGCFは登録商標。以下同じ))を3.1g加え、攪拌した。この炭素繊維の平均繊維長は15μmであり、繊維径は150nmであり、アスペクト比は100である。更に、濃度85%りん酸113gを徐々に加えつつ、攪拌した。このようにして第1原料液を調製した。
次に、グローブボックスの中で、水700mLにアスコルビン酸1.82gを溶解した後、FeSO4・7H2Oを272g溶解して第2原料液を調製した。
続いて、グローブボックス中で、第1、第2原料液を混合し、攪拌後、オートクレーブに入れて密閉した。そして、オートクレーブを室温から120℃まで1時間で昇温した後、120℃で3時間保持し、さらに200℃まで1時間で昇温した後、200℃で3時間保持して、炭素繊維の表面に平均粒径100nmのLiFePO4粒子を成長させて正極材料を製造した。その後室温まで自然冷却した。なお、平均粒径の測定方法は、動的光散乱法により測定した。
オートクレーブが室温まで冷却された後、正極材料を含む懸濁液を取出し、水で濾過、洗浄した。洗浄した正極材料を真空中で100℃に加熱し、5時間乾燥した。
次に、水100gにスクロース25gを溶解したスクロース溶液を準備し、乾燥した正極材料102gにスクロース溶液を50g加えて攪拌した。この混合物を真空中100℃で5時間加熱し、乾燥した。乾燥した正極材料を窒素中で室温から700℃まで90分で昇温した後、3時間加熱し、その後自然冷却することにより、LiFePO4粒子の表面に炭素を被覆した。その後、炭素を被覆した正極材料をIKA社のA10粉砕機で粉砕した。このようにして、実施例1の正極材料を調製した。実施例1の正極材料における炭素繊維の含有率は2質量%であり、被覆した炭素の含有率は2質量%であり、LiFePO4粒子の含有率は96質量%であった。
実施例1の正極材料90gに、導電助剤として電気化学工業(株)製アセチレンブラックを5g、結着剤として呉羽化学工業(株)製のPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を5g、溶剤としてNMP(N−メチル−2−ピロリドン)を300g添加し、均一になるまで混練した。混練後の混合物をAl箔に30μmの厚さで塗布し、90℃で乾燥した後、正極合材の密度が2.2g/cm3となるようにプレスし、正極を得た。
次に、負極活物質として大阪ガス(株)製メソカーボンマイクロビーズ黒鉛95gに、導電助剤として電気化学工業(株)製アセチレンブラックを5g、結着剤として呉羽化学工業(株)製のPVDFを5g、溶剤としてNMPを50g添加し、均一になるまで混練した。混練後の混合物をCu箔に35μmの厚さで塗布し、90℃で乾燥した後、負極合材の密度が1.5g/cm3となるようにプレスし、負極を得た。
正極にセパレータとしてポリプロピレン製マイクロポーラスフィルム(セルガード2400)と、負極を重ね、電解液として体積比が2:3のEC(エチレンカーボネート)とEMC(エチルメチルカーボネート)の混合液にLiPF6を1.0モル/Lを溶解した液を入れて、高さ2.4mm、直径23mmの実施例1のコイン型電池を製造した。
実施例1のコイン型電池について、温度25℃、0.2Cの電流で3.9Vまで定電流定電圧充電した後、2.3Vまで定電流放電するサイクルを500回繰り返した。3サイクル目の放電容量は153mAh/g、500回目の放電容量は143mAh/gであった。放電容量維持率(500回目の放電容量/3回目の放電容量)は93.5%であった。なお、放電容量は、正極活物質(LiFePO4粒子)の質量当たりの容量であり、以下同様である。
実施例1のコイン型電池について、0.2Cの電流で3.9Vまで定電流定電圧充電した後、2.3Vまで定電流放電するサイクルを2回繰り返した。2サイクル目の放電容量は153mAh/gであった。次に−10℃で60分保持し、60℃まで60分で昇温し、60℃で60分保持し、−10℃まで60分で降温する温度サイクルを60回繰り返した。その後、再度0.2Cの電流で3.9Vまで定電流定電圧充電した後、2.3Vまで定電流放電するサイクルを2回繰り返した。この2回目の放電容量は118mAh/gであった。放電容量維持率(温度サイクル実施後2回目の放電容量/温度サイクル実施前2回目の放電容量)は77.1%であった。
実施例1の炭素繊維に代えて、Feを触媒にしてFeの残存率が0.1%の炭素繊維(昭和電工株式会社製 VGCF−H)を製造し、これを用いて第1原料液を調製したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の正極材料及び実施例2のコイン型電池を製造した。実施例2の正極材料における炭素繊維の含有率は2質量%であり、被覆した炭素の含有率は2質量%であり、LiFePO4粒子の含有率は96質量%であった。
そして、実施例1と同様の条件で充放電サイクル試験を行ったところ、2回目の放電容量が151mAh/gであり、500回目の放電容量は140mAh/gであり、2回目から500回目の間の放電容量維持率は92.7%であった。
また、実施例1と同様の条件で温度サイクル試験を行ったところ、温度サイクル実施前の2回目の放電容量が154mAh/gであり、温度サイクル実施後の2回目の放電容量が120mAh/gであり、放電容量維持率は77.9%であった。
酸素濃度を0.5%以下に制御した窒素雰囲気のグローブボックス中で、水700mLにLi3PO4を113g溶解した後、実施例1と同じ炭素繊維(昭和電工株式会社製 VGCF−H)を3.1g加え、攪拌することにより、第1原料液を調製したこと以外は実施例1と同様にして、実施例3の正極材料及び実施例3のコイン型電池を製造した。実施例3の正極材料における炭素繊維の含有率は2質量%であり、LiFePO4粒子の含有率は96質量%であった。
そして、実施例1と同様の条件で充放電サイクル試験を行ったところ、2回目の放電容量が153mAh/gであり、500回目の放電容量は141mAh/gであり、2回目から500回目の間の放電容量維持率は92.2%であった。
また、実施例1と同様の条件で温度サイクル試験を行ったところ、温度サイクル実施前の2回目の放電容量が152mAh/gであり、温度サイクル実施後の2回目の放電容量が122mAh/gであり、放電容量維持率は80.3%であった。
LiFePO4粒子に炭素被覆を行わなかったこと以外は実施例1と同様にして、実施例4の正極材料及び実施例4のコイン型電池を製造した。実施例4の正極材料における炭素繊維の含有率は2質量%であり、LiFePO4粒子の含有率は98質量%であった。
実施例4のコイン型電池について、実施例1と同様の条件で充放電サイクル試験を行ったところ、2回目の放電容量が150mAh/gであり、500回目の放電容量は140mAh/gであり、2回目から500回目の間の放電容量維持率は93.3%であった。
また、実施例1と同様の条件で温度サイクル試験を行ったところ、温度サイクル実施前の2回目の放電容量が150mAh/gであり、温度サイクル実施後の2回目の放電容量が118mAh/gであり、放電容量維持率は78.7%であった。
165gのMnSO4・5H2Oと82gのFeSO4・7H2Oを用いて第2原料液を調製したこと以外は実施例1と同様にして、実施例5の正極材料及び実施例5のコイン型電池を製造した。実施例5の正極材料は、炭素繊維の表面に平均粒径100nmのLiFe0.3Mn0.7PO4粒子が成長され、LiFe0.3Mn0.7PO4粒子に炭素被覆がされた正極材料である。実施例5の正極材料における炭素繊維の含有率は2質量%であり、被覆した炭素の含有率は2質量%であり、LiFe0.3Mn0.7PO4粒子の含有率は96質量%であった。
実施例5のコイン型電池について、実施例1と同様の条件で充放電サイクル試験を行ったところ、2回目の放電容量が153mAh/gであり、500回目の放電容量は143mAh/gであり、2回目から500回目の間の放電容量維持率は93.5%であった。
また、実施例1と同様の条件で温度サイクル試験を行ったところ、温度サイクル実施前の2回目の放電容量が152mAh/gであり、温度サイクル実施後の2回目の放電容量が119mAh/gであり、放電容量維持率は78.3%であった。
実施例1の炭素繊維に代えて、昭和電工株式会社製のVGCF−X(平均繊維長は3μm、アスペクト比は250)を用いて第1原料液を調製したこと以外は実施例1と同様にして、実施例6の正極材料及び実施例6のコイン型電池を製造した。実施例6の正極材料は、炭素繊維の表面に平均粒径100nmのLiFePO4粒子が成長され、LiFePO4粒子に炭素被覆がされた正極材料である。実施例6の正極材料における炭素繊維の含有率は2質量%であり、被覆した炭素の含有率は2質量%であり、LiFePO4粒子の含有率は96質量%であった。
実施例6のコイン型電池について、実施例1と同様の条件で充放電サイクル試験を行ったところ、2回目の放電容量が152mAh/gであり、500回目の放電容量は144mAh/gであり、2回目から500回目の間の放電容量維持率は94.7%であった。
また、実施例1と同様の条件で温度サイクル試験を行ったところ、温度サイクル実施前の2回目の放電容量が154mAh/gであり、温度サイクル実施後の2回目の放電容量が120mAh/gであり、放電容量維持率は77.9%であった。
「1.正極材料の調製」
炭素繊維を混合しなかったこと以外は実施例1と同様にして第1原料液を調製し、この第1原料液を用いた以外は実施例1と同様にして正極材料を製造した。この正極材料は、平均粒径100nmのLiFePO4粒子であった。
次に、水100gにスクロース25gを溶解したスクロース溶液を準備し、乾燥した正極材料102gにスクロース溶液を50g加えて攪拌した。この混合物を真空中100℃で5時間加熱し、乾燥した。乾燥した正極材料を窒素中で室温から700℃まで90分で昇温した後、3時間加熱し、その後自然冷却することにより、LiFePO4粒子の表面
に炭素を被覆した。その後、炭素を被覆した正極材料をIKA社のA10粉砕機で粉砕した。このようにして、比較例1の正極材料を調製した。
比較例1の正極材料88.2gに、平均繊維長15μm、アスペクト比100の炭素繊維(昭和電工株式会社製 VGCF−H)を1.8g、導電助剤として電気化学工業(株)製アセチレンブラックを5g、結着剤として呉羽化学工業(株)製のPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を5g、溶剤としてNMP(N−メチル−2−ピロリドン)を300g添加し、均一になるまで混練した。混練後の混合物をAl箔に30μmの厚さで塗布し、90℃で乾燥した後、正極合材の密度が2.2g/cm3となるようにプレスし、正極を得た。
次に、実施例1と同様にして負極を製造した。
そして、正極にセパレータとしてポリプロピレン製マイクロポーラスフィルム(セルガード2400)と負極を重ね、電解液として体積比が2:3のEC(エチレンカーボネート)とEMC(エチルメチルカーボネート)の混合液にLiPF6を1.0モル/Lを溶解した液を入れて、高さ2.4mm、直径23mmの比較例1のコイン型電池を製造した
。
そして、実施例1と同様の条件で充放電サイクル試験を行ったところ、2回目の放電容量が152mAh/gであり、500回目の放電容量は129mAh/gであり、2回目から500回目の間の放電容量維持率は84.9%であった。
また、実施例1と同様の条件で温度サイクル試験を行ったところ、温度サイクル実施前の2回目の放電容量が153mAh/gであり、温度サイクル実施後の2回目の放電容量が103mAh/gであり、放電容量維持率は67.3%であった。
比較例1と同様にして合成を行って平均粒径100nmのLiFePO4粒子を製造し、更にこのLiFePO4粒子に炭素被覆をして、正極材料を調製した。
次に、ホソカワミクロン製メカノフュージョンシステムに、炭素被覆後の正極材料88.2gと、平均繊維長15μm、アスペクト比100の炭素繊維(昭和電工株式会社製 VGCF−H)を1.8g入れ、両者をメカノケミカル結合させた。このようにして、比較例2の正極材料を調製した。更に、比較例2の正極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例2のコイン型電池を製造した。
また、実施例1と同様の条件で温度サイクル試験を行ったところ、温度サイクル実施前の2回目の放電容量が152mAh/gであり、温度サイクル実施後の2回目の放電容量が109mAh/gであり、放電容量維持率は71.7%であった。
2…正極活物質粒子
3…金属または金属酸化物
4…炭素膜。
Claims (12)
- 繊維状炭素と、
オリビン型LiMPO4からなる複数の正極活物質粒子(ただし、前記MはFe、Mn、NiまたはCoのいずれか1種又は2種以上の元素である)と、
を含むリチウム二次電池用正極材料であって、
前記繊維状炭素の表面に、前記繊維状炭素の構造でない炭素層を介さず、直接に複数の前記正極活物質粒子が接合しているリチウム二次電池用正極材料。 - 前記正極活物質粒子の表面のうち、前記繊維状炭素との接合面を除く面に、炭素が被覆されている請求項1に記載のリチウム二次電池用正極材料。
- 前記正極材料における前記繊維状炭素の含有率が0.5質量%以上10質量%以下の範囲である請求項1または2に記載のリチウム二次電池用正極材料。
- 前記繊維状炭素の平均繊維長が1〜100μmの範囲である請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料。
- 前記繊維状炭素の繊維長と繊維径の比であるアスペクト比(繊維長/繊維径)が5〜1000の範囲である請求項4に記載のリチウム二次電池用正極材料。
- 前記正極活物質粒子の平均粒径が20nm以上200nm以下の範囲である請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料。
- 前記LiMPO4にはNb又はVのいずれか一種又は二種が含まれる請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料。
- 繊維状炭素が混合された極性溶媒の存在下で、Li源とM源とリン酸源とを原料にして、オリビン型LiMPO4への変換反応を100℃以上にて行うことにより、前記繊維状炭素の表面に前記繊維状炭素の構造でない炭素層を介さず、直接に前記LiMPO4からなる複数の正極活物質粒子を成長させるリチウム二次電池用正極材料の製造方法であって、
前記リチウム源、前記M源または前記リン酸源の何れか1種と前記極性溶媒とを含む第1原料液と、前記リチウム源、前記M源または前記リン酸源のうち前記第1原料液に含まれないもの全部と前記極性溶媒とを含む第2原料液とを用意し、前記繊維状炭素を前記第1、第2原料液の一方又は両方に予め添加するか、又は、前記繊維状炭素を前記第1、第2原料液を混合する際に添加することとし、
前記第1、第2原料液には前記繊維状炭素以外の炭素源を含まず、
前記第1、第2原料液を混合して前記変換反応を行うリチウム二次電池用正極材料の製造方法。 - 前記変換反応は、温度を100〜160℃、圧力を0.1〜0.6MPaにして30分〜30時間保持した後、温度を180〜260℃、圧力を1.0〜4.7MPaにして30分〜30時間保持する条件で行う請求項8に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
- 前記原料に、Nb又はVが含まれる物質を添加する請求項8または9に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
- 前記リチウム源が水酸化リチウムであり、前記M源がFe、Mn、NiまたはCoのいずれか1種又は2種以上の金属の硫酸塩であり、リン酸源がリン酸である請求項8〜10のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
- 前記リチウム源及び前記リン酸源として、リン酸リチウムを用いる請求項8〜11のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
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