JP2023137856A - FeOHSO4粒子の製造方法、リチウムイオン二次電池用の正極活物質、及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】本開示は、FeOHSO4粒子の製造方法、電池容量が向上した正極活物質としてのFeOHSO4粒子、及び電池容量が向上したリチウムイオン二次電池を提供する。【解決手段】本開示の製造方法は、硫酸鉄の水和物を、3.0℃/分以下の昇温速度かつ400℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む。本開示のリチウムイオン二次電池用の正極活物質は、FeOHSO4で示される組成を有し、かつCuKα線によるXRDスペクトルにおいて、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.43以下である。本開示のリチウムイオン二次電池は、正極電極体層が、該正極活物質を含有している。【選択図】図3
Description
本開示は、FeOHSO4粒子の製造方法、リチウムイオン二次電池用の正極活物質、及びリチウムイオン二次電池に関する。
特許文献1は、一般式FeOHSO4で表わされる組成を有し、粒子径が700nm以下であることを特徴とする、リチウム二次電池用正極活物質を開示している。
特許文献2は、一般式Fe1-xMxOHSO4(式(1)中、MはFe以外の遷移金属元素であり、xは、0<x<1を満たす数である。)で表わされる組成を有することを特徴とする、リチウム二次電池用正極活物質、及び該正極活物質を含む正極を備えるリチウム二次電池を開示している。
リチウムイオン電池において、電池容量を向上させることが求められている。
リチウムイオン電池に用いられる正極活物質として、一般式FeOHSO4で表される組成を有する正極活物質が知られている。
本開示は、FeOHSO4粒子の製造方法、電池容量が向上した正極活物質としてのFeOHSO4粒子、及び電池容量が向上したリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
本開示者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した:
《態様1》
硫酸鉄の水和物を、3.0℃/分以下の昇温速度かつ400℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む、FeOHSO4粒子の製造方法。
《態様2》
前記硫酸鉄の水和物は、硫酸鉄七水和物である、態様1に記載の方法。
《態様3》
前記焼成する工程は、前記最高到達温度まで昇温した後に10時間~300時間温度を維持することを含む、態様1又は2に記載の方法。
《態様4》
前記最高到達温度は、100℃~300℃の範囲内の温度である、態様3に記載の方法。
《態様5》
前記焼成する工程を大気雰囲気下で行う、態様1~4のいずれか一つに記載の方法。
《態様6》
前記FeOHSO4粒子は、CuKα線を用いたX線回折測定において、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.430未満である、態様1~5のいずれか一つに記載の方法。
《態様7》
前記FeOHSO4粒子は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質である、態様1~6のいずれか一つに記載の方法。
《態様8》
一般式FeOHSO4で示される組成を有し、かつCuKα線を用いたX線回折測定において、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.430未満である、リチウムイオン二次電池用の正極活物質。
《態様9》
正極活物質層が、態様8に記載の正極活物質を含有している、リチウムイオン二次電池。
《態様1》
硫酸鉄の水和物を、3.0℃/分以下の昇温速度かつ400℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む、FeOHSO4粒子の製造方法。
《態様2》
前記硫酸鉄の水和物は、硫酸鉄七水和物である、態様1に記載の方法。
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前記焼成する工程は、前記最高到達温度まで昇温した後に10時間~300時間温度を維持することを含む、態様1又は2に記載の方法。
《態様4》
前記最高到達温度は、100℃~300℃の範囲内の温度である、態様3に記載の方法。
《態様5》
前記焼成する工程を大気雰囲気下で行う、態様1~4のいずれか一つに記載の方法。
《態様6》
前記FeOHSO4粒子は、CuKα線を用いたX線回折測定において、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.430未満である、態様1~5のいずれか一つに記載の方法。
《態様7》
前記FeOHSO4粒子は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質である、態様1~6のいずれか一つに記載の方法。
《態様8》
一般式FeOHSO4で示される組成を有し、かつCuKα線を用いたX線回折測定において、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.430未満である、リチウムイオン二次電池用の正極活物質。
《態様9》
正極活物質層が、態様8に記載の正極活物質を含有している、リチウムイオン二次電池。
本開示によれば、FeOHSO4粒子の製造方法、電池容量が向上した正極活物質としてのFeOHSO4粒子、及び電池容量が向上したリチウムイオン二次電池を提供することができる。
以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。
《FeOHSO4粒子の製造方法》
本開示の製造方法は、硫酸鉄の水和物を、3.0℃/分以下の昇温速度かつ400℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む、FeOHSO4粒子の製造方法である。
本開示の製造方法は、硫酸鉄の水和物を、3.0℃/分以下の昇温速度かつ400℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む、FeOHSO4粒子の製造方法である。
本開示の方法により製造されるFeOHSO4粒子は、高い放電容量を有する正極活物質として使用することができる。
原理によって限定されないが、本開示の製造方法により製造されるFeOHSO4粒子が高い放電容量を有するのは、以下の理由による。
FeOHSO4粒子は、硫酸鉄の水和物、例えば硫酸鉄七水和物を焼成することにより得ることができる。この焼成の際に硫酸鉄の水和物の脱水和が起こり、一部のOHがFeSO4の結晶内に取り込まれることで、FeOHSO4が生成する。しかしながら、焼成の条件によっては急激な脱溶媒和反応が進行し、OHがFeSO4の結晶内に十分に取り込まれず、無水物であるFeSO4が生成しやすい。
FeSO4の生成は、FeOHSO4粒子の放電容量を減少させる。
本開示の製造方法では、硫酸鉄の水和物を3℃/分以下の昇温速度かつ400℃以下の最高到達温度で焼成する。これにより、OHのFeSO4の結晶内への侵入が促進される。すなわち、FeSO4の生成が抑制される。
したがって、本開示の製造方法により製造されるFeOHSO4粒子は、高い放電容量を有する。
〈硫酸鉄の水和物〉
本開示の製造方法は、硫酸鉄の水和物を所定の条件で焼成することを含む。
本開示の製造方法は、硫酸鉄の水和物を所定の条件で焼成することを含む。
硫酸鉄の水和物は、例えば硫酸鉄七水和物であることができる。硫酸鉄七水和物は、一般式FeSO4・7H2Oで表すことができる。
〈焼成工程〉
本開示の製造方法は、3.0℃/分以下の昇温速度かつ400℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む。
本開示の製造方法は、3.0℃/分以下の昇温速度かつ400℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む。
焼成工程における昇温速度は、3.0℃/分以下である。
昇温速度が3.0℃/分以下であると、焼成時にOHのFeSO4の結晶内への侵入が促進され、無水物であるFeSO4の生成が抑制される。
昇温速度は、3.0℃/分以下、2.0℃/分以下、1.5℃/分以下、1.0℃/分以下、又は0.5℃/分以下であってよく、0.0℃/分超、0.1℃/分以上、0.5℃/分以上、1.0℃/分以上、又は1.5℃/分以上であってよい。
焼成工程における昇温の開始温度は特に限定されないが、例えば常温、即ち25℃から開始してよい。
焼成工程における最高到達温度は、400℃以下である。最高到達温度は、硫酸鉄の水和物が焼成して脱水和反応が起こる温度であればよく、より具体的には、例えば100℃~400℃の範囲内の温度であってよい。最高到達温度は、100℃以上、150℃以上、200℃以上、又は250℃以上であってよく、400℃以下、300℃以下、290℃以下、280℃以下、又は270℃以下であってよい。最高到達温度は、100℃~300℃の範囲内の温度であってよい。
焼成工程では、最高到達温度まで昇温した後に、一定時間、例えば10時間~300時間、温度を最高到達温度に維持することを含んでよい。
最高到達温度を維持する時間は、10時間以上、25時間以上、50時間以上、75時間以上、又は90時間以上であってよく、300時間以下、250時間以下、200時間以下、150時間以下、又は125時間であってよい。
焼成工程は、例えば大気雰囲気下で行ってよい。
〈FeOHSO4粒子〉
本開示の製造方法によって製造されるFeOHSO4粒子は、CuKα線を用いたX線回折測定において、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.43未満であることができる。
本開示の製造方法によって製造されるFeOHSO4粒子は、CuKα線を用いたX線回折測定において、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.43未満であることができる。
なお、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)は、34.5°≦2θ≦35.5°で確認されるピークの最大値である。同様に、33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)は、33.5°≦2θ<34.5°で確認されるピークの最大値である。
ここで、「Ia」は、FeOHSO4の結晶面方位(-122)由来のピークである。また、「Ib」は、FeSO4の結晶面方位(200)由来のピークである。
(Ib/Ia)が小さいことは、FeOHSO4粒子中におけるFeOHSO4構造に対するFeSO4構造が少ないことを意味している。
(Ib/Ia)が0.430未満であるFeOHSO4粒子は、正極活物質として高い放電容量を有する。特に、(Ib/Ia)が0.430未満の範囲では、(Ib/Ia)が0.430以上である範囲と比較して、(Ib/Ia)が小さくなるにつれて放電容量が特に増加する傾向にある。
(Ib/Ia)は、0.430未満~0.000以上であってよい。(Ib/Ia)は、0.430未満、0.420以下、0.300以下、0.250以下、又は0.100以下であってよく、0.000以上、0.001以上、0.005以上、又は0.010以上、であってよい。
本開示の製造方法によって製造されるFeOHSO4粒子は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質として用いた際に、高い放電容量を有する。したがって、本開示の製造方法によって製造されるFeOHSO4粒子は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質に特に適している。
《正極活物質》
本開示の正極活物質は、一般式FeOHSO4で示される組成を有し、かつCuKα線を用いたX線回折測定において、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.43以下である、リチウムイオン二次電池用の正極活物質である。
本開示の正極活物質は、一般式FeOHSO4で示される組成を有し、かつCuKα線を用いたX線回折測定において、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.43以下である、リチウムイオン二次電池用の正極活物質である。
本開示の正極活物質は、本開示の製造方法によって製造されるFeOHSO4粒子であってよく、したがってその構成に関しては上記の「〈FeOHSO4粒子〉」を参照することができる。
《リチウムイオン二次電池》
本開示のリチウムイオン二次電池は、正極活物質層が本開示の正極活物質を含有している。
本開示のリチウムイオン二次電池は、正極活物質層が本開示の正極活物質を含有している。
本開示のリチウムイオン二次電池が液系のリチウムイオン二次電池である場合には、リチウムイオン二次電池は、例えば正極集電体層、正極活物質層、セパレータ層、負極活物質層、及び負極集電体層が、この順になるようにして非水系の電解液で満たされた外装体内に収容された構造を有していることができる。
本開示のリチウムイオン二次電池が全固体リチウムイオン二次電池である場合には、リチウムイオン二次電池は、例えば正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、及び負極集電体層がこの順に積層された積層体が、外装体内に収容された構造を有していることができる。外装体内は、減圧されているか、又は積層体の各層を構成する成分に対して不活性な雰囲気であることができる。
また、本開示のリチウムイオン二次電池は、負極の反応として金属リチウムの析出-溶解反応を利用した全固体電池であってもよい。
ここで、「負極の反応として金属リチウムの析出-溶解反応を利用した全固体電池」とは、電池反応の少なくとも一部として、全固体電池の充電時に固体電解質層と負極集電体層との間において金属リチウムが析出し、かつ放電時に当該金属リチウムが溶解する、全固体電池である。このような全固体電池は、例えば充電状態において正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、金属リチウム層、及び負極集電体層をこの順に有する構造を有していることができる。
上記のこれらのリチウムイオン二次電池において、正極集電体層、固体電解質層、セパレータ層、負極活物質層、金属リチウム層、負極集電体層、及び外装体は、それぞれそれらの種類のリチウムイオン二次電池に採用される公知のものを採用することができる。
図1は、本開示の第1の実施形態に従う全固体二次電池の模式図である。なお、図1は、本開示のリチウムイオン二次電池を限定する趣旨ではない。
図1に示すように、本開示の第1の実施形態に従うリチウムイオン二次電池1は、正極集電体層11及び正極集電体層11上に配置されている正極活物質層12を有する正極電極体層10、セパレータ層20、並びに負極集電体層31及び負極集電体層31上に配置されている負極活物質層32を有する負極電極体層30が、電解液40によって満たされている外装体100内に収容された構造を有していることができる。ここで、正極活物質層12は、本開示の正極活物質を含有している。なお、図1は本開示を限定する趣旨ではない。
《実施例1~5、並びに比較例1及び2》
〈FeOHSO4粒子の製造〉
以下の表1に示すように、FeSO4・7H2Oを、25℃の開始温度から、各例に応じて所定の昇温速度で、280℃の最高到達温度まで昇温し、最高到達温度で100時間維持する焼成を行うことにより、各例のFeOHSO4粒子を製造した。
〈FeOHSO4粒子の製造〉
以下の表1に示すように、FeSO4・7H2Oを、25℃の開始温度から、各例に応じて所定の昇温速度で、280℃の最高到達温度まで昇温し、最高到達温度で100時間維持する焼成を行うことにより、各例のFeOHSO4粒子を製造した。
〈X線回折測定〉
得られた各例のFeOHSO4粒子に対して、CuKαを用いたX線回折測定を実施して、図2に示すようなX線回折スペクトルを得た。なお、図2では実施例1及び5、並びに比較例1のみが示されているが、他の例についても測定を行った。
得られた各例のFeOHSO4粒子に対して、CuKαを用いたX線回折測定を実施して、図2に示すようなX線回折スペクトルを得た。なお、図2では実施例1及び5、並びに比較例1のみが示されているが、他の例についても測定を行った。
X線回折スペクトルに対してバックグラウンド処理を行い、34.5°≦2θ≦35.5°で確認されるピークの最大値をIa、33.5°≦θ<34.5°で確認されるピークの最大値をIbとし、ピーク強度比Ib/Iaを算出した。
算出結果を表1に示した。
〈充放電試験〉
各例のFeOHSO4粒子を正極活物質として用いて、コイン型のリチウムイオン二次電池を製造した。具体的には、次のようにして各例のコイン型のリチウムイオン二次電池を製造した。
各例のFeOHSO4粒子を正極活物質として用いて、コイン型のリチウムイオン二次電池を製造した。具体的には、次のようにして各例のコイン型のリチウムイオン二次電池を製造した。
各例のFeOHSO4粒子を、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、及びN-メチル-2-ピロリドンと混合して、正極活物質スラリーを調製した。なお、正極活物質スラリーにおいて、FeOHSO4粒子、アセチレンブラック、及びPVdFの比率(wt%)は、75:20:5であった。
正極活物質スラリーを、正極集電体としてのアルミニウム箔上にドクターブレード法により塗布し、80℃で乾燥後、プレス機で圧延し、正極集電体上に目付け量3mg/cm2、厚み15μmの正極活物質層を得た。
一方、負極活物質層として、金属リチウムを準備した。
また、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、及びエチルメチルカーボネート(EMC)を3:3:4(体積比)で混合した溶液に、リチウム塩(LiPF6)を1mol/Lの濃度となるように溶解し、非水電解液を調製した。
セパレータ層として、ポリプロピレン多孔質膜とポリエチレン多孔質膜との積層型多孔質フィルムを準備した。
ステンレス箔製2032型コインセル容器を準備し、正極活物質層、セパレータ及び負極活物質層を、この順序で積層し、収容した。
非水電解液を、セパレータに含浸させ、コイン型リチウム二次電池を作製した。
なお、得られた各例のコイン型リチウム二次電池について、140mAh/gの実容量に対して0.1Cで2.0Vの下限電圧まで定電流放電し、その後0.1Cで4.5Vの上限電圧まで定電流充電行うサイクルを3回繰り返した。
3回目の定電流放電における放電容量を、以下の表1に示した。
〈結果〉
各例の製造条件及び試験結果(ピーク強度比Ib/Ia及び放電容量)を、表1に示した。また、ピーク強度比Ib/Iaと放電容量との関係を、表3に示した。
各例の製造条件及び試験結果(ピーク強度比Ib/Ia及び放電容量)を、表1に示した。また、ピーク強度比Ib/Iaと放電容量との関係を、表3に示した。
表1及び図2に示すように、焼成における昇温速度がそれぞれ順に0.1℃/分、0.5℃/分、1.0℃/分、1.5℃/分及び3.0℃/分であった実施例1~5では、製造されたFeOHSO4粒子のピーク強度比Ib/Iaがそれぞれ順に0.005、0.004、0.034、0.101、及び0.203であった。このことは、FeSO4の結晶面方位(200)由来のピークよりも有意にFeOHSO4の結晶面方位(-122)由来のピークが大きいことを示す。また、図2を参照しても、実施例1及び5において、FeSO4の結晶面方位(200)由来のピーク、即ち34.5°≦2θ≦35.5°の範囲内で確認されるピークが非常に小さいことがわかる。
これに対して、焼成における昇温速度が5.0℃/分及び10.0/分であった比較例1及び2では、製造されたFeOHSO4粒子のピーク強度比Ib/Iaがそれぞれ0.430及び0.588であり、各実施例と比較して大きかった。また、図2を参照しても、比較例1においてFeSO4の結晶面方位(200)由来の大きいピークが確認された。
また、実施例1~5のFeOHSO4粒子を用いたコイン型リチウム二次電池の放電容量は、それぞれ順に142.5mAh/g、141.3mAh/g、138.5mAh/g、136.3mAh/g、及び132.9mAh/gであり、いずれも高い数値を示した。
他方、比較例1及び2のFeOHSO4粒子を用いたコイン型リチウム二次電池の放電容量は、それぞれ117.4mAh/g及び115.9mAh/gであり、実施例1~5のFeOHSO4粒子を用いたコイン型リチウム二次電池の放電容量と比較して著しく低かった。
なお、図3を参照すると、FeOHSO4粒子のピーク強度比Ib/Iaが0.430を下回ると、放電容量が特に大きくなる傾向が見られた。
1 リチウムイオン二次電池
10 正極電極体層
11 正極集電体層
12 正極活物質層
20 セパレータ層
30 負極電極体層
31 負極集電体層
32 負極活物質層
40 電解液
10 正極電極体層
11 正極集電体層
12 正極活物質層
20 セパレータ層
30 負極電極体層
31 負極集電体層
32 負極活物質層
40 電解液
Claims (9)
- 硫酸鉄の水和物を、3.0℃/分以下の昇温速度かつ400℃以下の最高到達温度で焼成する工程を含む、FeOHSO4粒子の製造方法。
- 前記硫酸鉄の水和物は、硫酸鉄七水和物である、請求項1に記載の方法。
- 前記焼成する工程は、前記最高到達温度まで昇温した後に10時間~300時間温度を維持することを含む、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記最高到達温度は、100℃~300℃の範囲内の温度である、請求項3に記載の方法。
- 前記焼成する工程を大気雰囲気下で行う、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FeOHSO4粒子は、CuKα線を用いたX線回折測定において、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.430未満である、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FeOHSO4粒子は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質である、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。
- 一般式FeOHSO4で示される組成を有し、かつCuKα線を用いたX線回折測定において、34.5°≦2θ≦35.5°のピーク強度(Ia)に対する33.5°≦2θ<34.5°のピーク強度(Ib)の比(Ib/Ia)が0.430未満である、リチウムイオン二次電池用の正極活物質。
- 正極活物質層は、請求項8に記載の正極活物質を含有している、リチウムイオン二次電池。
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CN117542997A (zh) * | 2024-01-04 | 2024-02-09 | 河南师范大学 | 一种碳包覆碱式硫酸铁钾离子电池正极材料的制备方法 |
-
2022
- 2022-03-18 JP JP2022044264A patent/JP2023137856A/ja active Pending
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CN117542997B (zh) * | 2024-01-04 | 2024-04-16 | 河南师范大学 | 一种碳包覆碱式硫酸铁钾离子电池正极材料的制备方法 |
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