JP2024055335A - Method for producing positive electrode active material - Google Patents
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Abstract
【課題】正極合材から不純物等を取り除き、正極活物質を再生可能な方法を開示する。【解決手段】本開示の方法は、正極活物質の製造方法であって、LiとNaとを含む溶融化合物に正極合材を接触させて、前記正極活物質を含む中間材を得ること、前記中間材を水洗して、前記正極活物質を含む洗浄物を得ること、及び、前記洗浄物を乾燥させて、前記正極活物質を得ることを含む。【選択図】図1[Problem] A method for removing impurities from a positive electrode mixture and regenerating a positive electrode active material is disclosed. [Solution] The disclosed method is a method for producing a positive electrode active material, and includes the steps of contacting a positive electrode mixture with a molten compound containing Li and Na to obtain an intermediate material containing the positive electrode active material, washing the intermediate material with water to obtain a washed material containing the positive electrode active material, and drying the washed material to obtain the positive electrode active material. [Selected Figure] Figure 1
Description
本願は正極活物質の製造方法を開示する。 This application discloses a method for producing a positive electrode active material.
特許文献1には、非水電解質二次電池の電極板から正極活物質粒子を回収する方法が開示されている。特許文献1に開示された方法は、正極合材から正極活物質を製造する方法ともいえる。 Patent Document 1 discloses a method for recovering positive electrode active material particles from the electrode plate of a non-aqueous electrolyte secondary battery. The method disclosed in Patent Document 1 can also be said to be a method for producing a positive electrode active material from a positive electrode mixture.
正極合材中の正極活物質は、その表面に不純物(例えば、電解液や添加材等に由来するもの)が付着している。また、正極合材には、正極活物質のほか、導電助剤、バインダー及び分散材等に由来する成分が含まれ得る。正極合材から正極活物質を製造する場合において、正極合材から正極活物質以外の成分を除去するための新たな技術が必要である。 The positive electrode active material in the positive electrode mixture has impurities (e.g., those derived from the electrolyte, additives, etc.) adhering to its surface. In addition to the positive electrode active material, the positive electrode mixture may also contain components derived from conductive additives, binders, dispersants, etc. When producing a positive electrode active material from the positive electrode mixture, a new technology is needed to remove components other than the positive electrode active material from the positive electrode mixture.
本願は上記課題を解決するための手段として、以下の複数の態様を開示する。
<態様1>
正極活物質の製造方法であって、
LiとNaとを含む溶融化合物に正極合材を接触させて、前記正極活物質を含む中間材を得ること、
前記中間材を水洗して、前記正極活物質を含む洗浄物を得ること、及び
前記洗浄物を乾燥させて、前記正極活物質を得ること、
を含む製造方法。
<態様2>
前記溶融化合物が、LiOHとNaOHとを含む、
態様1の製造方法。
<態様3>
前記溶融化合物の温度が、470℃以上800℃以下である、
態様1又は2の製造方法。
<態様4>
前記正極合材が、前記正極活物質と、前記正極活物質に付着したLi化合物と、炭素含有成分とを含む、
態様1~3のいずれかの製造方法。
<態様5>
前記溶融化合物に前記正極合材を接触させることで、前記Li化合物のLiの少なくとも一部をNaに置換し、前記炭素含有成分の少なくとも一部を酸化除去する、
態様4の製造方法。
The present application discloses the following aspects as means for solving the above problems.
<Aspect 1>
A method for producing a positive electrode active material, comprising:
contacting a positive electrode mixture with a molten compound containing Li and Na to obtain an intermediate material containing the positive electrode active material;
washing the intermediate material with water to obtain a washed product containing the positive electrode active material; and drying the washed product to obtain the positive electrode active material.
A manufacturing method comprising:
<Aspect 2>
The molten compound comprises LiOH and NaOH;
The method for producing embodiment 1.
<Aspect 3>
The temperature of the molten compound is 470° C. or more and 800° C. or less.
The method for producing aspect 1 or 2.
<Aspect 4>
The positive electrode mixture includes the positive electrode active material, a Li compound attached to the positive electrode active material, and a carbon-containing component.
The method for producing any one of Aspects 1 to 3.
<Aspect 5>
By bringing the positive electrode mixture into contact with the molten compound, at least a portion of the Li in the Li compound is replaced with Na, and at least a portion of the carbon-containing component is oxidized and removed.
The method for producing aspect 4.
本開示の方法によれば、正極合材から正極活物質を製造する際、正極合材に含まれる正極活物質以外の成分が除去され易い。例えば、電池から回収された正極合材から不純物等を取り除き、正極活物質を新品同等にまで再生することもできる。 According to the method disclosed herein, when producing a positive electrode active material from a positive electrode mixture, components other than the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture are easily removed. For example, it is possible to remove impurities from a positive electrode mixture recovered from a battery and regenerate the positive electrode active material to the same quality as a new one.
1.正極活物質の製造方法
図1に一実施形態に係る正極活物質の製造方法の流れを概略的に示す。図1に示されるように、本開示の正極活物質の製造方法は、LiとNaとを含む溶融化合物10に正極合材20を接触させて、前記正極活物質1を含む中間材30を得ること(工程S1)、前記中間材30を水洗して、前記正極活物質1を含む洗浄物40を得ること(工程S2)、及び、前記洗浄物40を乾燥させて、前記正極活物質1を得ること(工程S3)、を含む。
1. Manufacturing method of the positive electrode active material Figure 1 shows a schematic flow of a manufacturing method of the positive electrode active material according to one embodiment. As shown in Figure 1, the manufacturing method of the positive electrode active material of the present disclosure includes contacting a
1.1 工程S1
工程S1においては、LiとNaとを含む溶融化合物10に正極合材20を接触させて、正極活物質1を含む中間材30を得る。工程S1により、例えば、正極合材20に含まれる正極活物質1以外の一部の成分(例えば、電解液や添加物等に由来するLi化合物等)が、水に溶解し易い化合物(例えば、Na化合物等)へと変わり得る。また、正極合材20に含まれる正極活物質1以外の一部の成分(例えば、導電助剤やバインダーに由来する炭素含有成分等)が、加熱により酸化除去され得る。
1.1 Step S1
In step S1, the
1.1.1 溶融化合物
溶融化合物10は、LiとNaとを含む。本願にいう「溶融化合物」とは、加熱によって溶融した状態にある化合物をいう。溶融化合物10において、LiやNaは、例えば、イオンの状態で存在していてもよいし、化合物の状態で存在していてもよい。溶融化合物10に含まれるLiとNaとのモル比は特に限定されるものではない。
1.1.1 Molten Compound The
溶融化合物10は、例えば、Li化合物とNa化合物との混合物を加熱して溶融させたものであってもよい。Li化合物やNa化合物としては、各種の塩や水酸化物等が挙げられる。溶融化合物10は、LiOHとNaOHとの混合物を加熱して溶融させたものであってもよい。溶融化合物10が、LiOHとNaOHとを含むものである場合、これと正極合材20とを接触させることで、正極合材20に含まれる不純物等を水溶性のNa化合物へと容易に変化させることができ、また、正極合材20に含まれる正極活物質1にLiを容易に供給することもできる。溶融化合物10の温度は、正極活物質1が焼結する温度よりも十分に低ければよい。例えば、溶融化合物10の温度は、470℃以上800℃以下であってもよい。このような温度であれば、水溶性のNa化合物の生成等をより効率的に生じさせることができ、また、正極合材20に含まれる炭素含有成分を酸化除去し易い。
The
1.1.2 正極合材
正極合材20は、例えば、電池から回収されたものであってもよい。当該電池は、使用済みの電池などのリサイクル用電池であってもよい。言い換えれば、本開示の製造方法は、工程S1の前に電池から正極合材を回収すること、を含んでいてもよい。電池から正極合材を回収する場合の具体例については後述する。
1.1.2 Positive Electrode Composite The
正極合材20は、電池の正極活物質層を構成する一般的な材料を含み得る。正極合材20は、正極活物質1のほか、その他の成分を含む。その他の成分としては、例えば、電解液や添加物等に由来するLi化合物;導電助剤やバインダーに由来する炭素含有成分;等が挙げられる。その他の成分は、正極活物質1の表面に付着していてもよいし、正極活物質1とは独立して存在していてもよい。
The
正極合材20に含まれる正極活物質1は、例えば、リチウム含有化合物であってもよい。正極活物質1としてのリチウム含有化合物は、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、Li1±αNi1/3Co1/3Mn1/3O2±δ、マンガン酸リチウム、スピネル系リチウム化合物(Li1+xMn2-x-yMyO4(MはAl、Mg、Co、Fe、Ni及びZnから選ばれる一種以上)で表わされる組成の異種元素置換Li-Mnスピネル等)、チタン酸リチウム、リン酸金属リチウム(LiMPO4等、MはFe、Mn、Co及びNiから選ばれる一種以上)等の各種のリチウム含有酸化物であってもよい。正極活物質1は1種の化合物からなるものであってもよいし、2種以上の化合物の組み合わせであってもよい。
The positive electrode active material 1 contained in the
正極合材20中の正極活物質1は、その表面に、例えば、電解液や添加物等に由来する不純物が付着している。より具体的には、充放電を経た二次電池から回収された正極合材20においては、正極活物質1の表面に不純物の被膜(例えば、電解液や添加物由来のリン系化合物やフッ素系化合物や硫黄系化合物を含む被膜、より具体的には、LiF、Li3PO4及びLi2SO4から選ばれる少なくとも1種を一部に含有する炭化水素系の被膜であってもよい。)が形成されており、当該被膜は900℃以上の酸化雰囲気でも揮発せずに残存する。また、当該被膜は水に対する溶解性が低く、水洗によって除去することは困難である。さらに、仮に当該被膜を有機溶剤によって溶解除去しようとすると、多量の有機溶剤が必要となり、工業的に不向き(高コスト)である。
The positive electrode active material 1 in the
これに対し、本開示の製造方法によれば、正極合材20を溶融化合物10に接触させることで、上記の不純物中のLiがNaに置換されるなどして、当該不純物を水溶性のNa化合物に変えることができる。一方で、正極合材20中の正極活物質1は、溶融化合物10に含まれるLiや、上記のNa置換によって不純物から分離したLiを吸蔵し得る一方、Naを実質的に吸蔵しない。すなわち、正極合材20に含まれる正極活物質1が、例えば、結晶構造的にLi不足となっている場合に、正極合材20を溶融化合物10に接触させることで、正極活物質1にLiを供給することができ、当該正極活物質1を活物質としてより適切なもの(例えば、合成直後の新品と同等の結晶性をもつもの)に変えることができる。
In contrast, according to the manufacturing method of the present disclosure, by bringing the
また、正極合材20には、導電助剤やバインダー等に由来する炭素含有成分が含まれ得る。この場合にも、当該正極合材20を溶融化合物10に接触させることで、当該炭素含有成分が酸化除去され得る。この点、後述するように、炭素含有成分をより効率的に酸化除去するために、正極合材20と溶融化合物10との接触を酸素含有雰囲気で行ってもよい。
The
このように、正極合材20は、正極活物質1と、前記正極活物質1に付着したLi化合物(例えば、電解液や添加物由来のリン系化合物やフッ素系化合物や硫黄系化合物、より具体的には、LiF、Li3PO4及びLi2SO4等から選ばれる少なくとも1種)と、炭素含有成分(例えば、導電助剤やバインダー等に由来するもの)とを含んでいてもよく、この場合、工程S1において、溶融化合物10に正極合材20を接触させることで、前記Li化合物のLiの少なくとも一部をNaに置換し、前記炭素含有成分の少なくとも一部を酸化除去してもよい。
In this manner, the
尚、正極合材20には、上記の各成分のほか、負極合材由来の成分や電解液由来のその他の成分が含まれていてもよい。例えば、負極合材由来の成分や電解液由来のその他の成分として、炭素含有成分が含まれていてもよい。
In addition to the above components, the
1.1.3 接触形態
溶融化合物10と正極合材20との接触の形態については、特に限定されるものではない。工程S1においては、例えば、溶融化合物10に正極合材20が浸漬されてもよい。具体的には、例えば、図1に示されるように、加熱炉102(例えば、スクリュー式加熱炉)の内部において溶融化合物10を加熱保持しつつ、容器101から加熱炉102の内部の溶融化合物10へと正極合材20を供給することで、溶融化合物10に正極合材20を浸漬してもよい。溶融化合物10に正極合材20を浸漬することで、正極合材20中の正極活物質1の表面に溶融化合物10をムラなく供給することができ、正極活物質1の表面に付着した不純物等を水溶性のNa化合物に効率的に変化させることができる。工程S1においては、溶融化合物10と正極合材20とを接触させた後、余分な溶融化合物を液切りしたうえで、中間材30を得てもよい。
1.1.3 Contact Form The form of contact between the
或いは、図2に示されるように、工程S1においては、溶融化合物10を構成する成分(例えば、Li化合物及びNa化合物)であって未溶融状態のものと、正極合材20とを混合して混合物50を得たうえで、当該混合物50を容器101から、任意にスクリューフィーダー105等を介して、加熱炉106(例えば、キルン炉)へと供給したうえで、加熱炉106内で混合物50を加熱することによって、混合物50の一部(溶融化合物10を構成する成分)を溶融させて溶融化合物10とするとともに、溶融化合物10と正極合材20との接触がなされてもよい。
Alternatively, as shown in FIG. 2, in step S1, the components constituting the molten compound 10 (e.g., Li compound and Na compound) in an unmelted state are mixed with the positive electrode
1.1.4 接触温度
溶融化合物10と正極合材20との接触温度は、上述のように溶融化合物10を溶融させ得る温度で、且つ、正極活物質1が焼結する温度よりも十分に低ければよい。例えば、上述の通り、470℃以上800℃以下であってもよい。このような温度であれば、正極合材20に含まれる炭素含有成分の少なくとも一部を酸化除去することも可能である。
1.1.4 Contact Temperature The contact temperature between the
1.1.5 接触雰囲気
溶融化合物10と正極合材20との接触雰囲気は、上述のように、炭素含有成分の酸化除去を促進できる雰囲気であってもよいし、これ以外の雰囲気であってもよい。例えば、大気雰囲気や空気雰囲気や酸素雰囲気といった酸素含有雰囲気であってもよい。正極活物質1がLi含有酸化物である場合において、溶融化合物10と正極合材20とを酸素含有雰囲気で接触させることで、当該Li含有酸化物の結晶構造が維持され易い。尚、接触時の圧力は特に限定されるものではない。
1.1.5 Contact Atmosphere The contact atmosphere between the
1.1.6 中間材
上記の工程S1により、正極活物質1を含む中間材30が得られる。中間材30には、正極活物質1の他、Na化合物(例えば、炭酸ナトリウム、フッ化ナトリウム、リン酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、及び、水酸化ナトリウムのうちの少なくとも1種)や、リチウム化合物(例えば、水酸化リチウム)等が含まれ得る。当該Na化合物には、上述の溶融化合物10を構成するNa化合物のほか、正極活物質1の表面に付着していた不純物のNa置換物(不純物に含まれるLiがNaに置換されてNa化合物となったもの)が含まれ得る。また、中間材30には、炭素含有成分が残存していてもよい。工程S1において炭素含有成分を酸化除去できなかったとしても、後工程で炭素含有成分の酸化除去が可能である。例えば、工程S3(乾燥)の後に、炭素含有成分の酸化除去が行われてもよい。
1.1.6 Intermediate material The
1.2 工程S2
工程S2においては、工程S1によって得られた中間材30を水洗して、正極活物質1を含む洗浄物40を得る。工程S2により、例えば、中間材30に含まれる水溶性成分(例えば、上記のNa化合物)が溶解除去され得る。
1.2 Step S2
In step S2, the
1.2.1 水洗の形態
中間材30は、公知の手段によって水洗されればよい。水洗時の温度や時間も特に限定されるものではなく、中間材30に含まれる水溶性成分を十分に溶解除去可能な温度及び時間であればよい。図1に示されるように、水洗の際は撹拌容器103を用いて中間材30を撹拌しつつ洗浄してもよい。また、水洗の際は、図1に示されるように、濾過装置104等を用いて、固液分離を行ってもよい。さらに、水洗の際は、洗浄水量を調整することで、余剰Li量を制御してもよい。
1.2.1 Form of Water Washing The
1.2.2 洗浄物
上記の工程S2により、正極活物質1を含む洗浄物40が得られる。洗浄物40には、固形分としての正極活物質1のほか、水が含まれ得る。水は水和物等の形態で含まれていてもよい。
1.2.2 Washed object By the above-mentioned step S2, a washed
1.3 工程S3
工程S3においては、工程S2によって得られた洗浄物40を乾燥させて、正極活物質1を得る。上述の通り、洗浄物40には水が含まれており、これが乾燥除去されることで、より性能の高い正極活物質1が得られる。洗浄物40は、公知の手段によって乾燥されればよい。乾燥時の温度や時間も特に限定されるものではなく、洗浄物40に含まれる水を十分に除去可能な温度及び時間であればよい。例えば、130℃以上の温度で乾燥することで、水和物の少ない正極活物質1が得られる。温度の上限は、正極活物質1が焼結しない温度であればよい。
1.3 Step S3
In step S3, the washed
1.4 その他の工程
本開示の製造方法は、少なくとも上記の工程S1~S3を備えるものであればよく、これら以外の工程をさらに備えていてもよい。例えば、電池材料をリサイクルする際の各種の工程(電池の破砕、液回収等)を備えていてもよい。また、工程S1~S3とは別に、炭素含有成分等を酸化除去する工程等を備えていてもよい。
1.4 Other Steps The manufacturing method of the present disclosure may include at least the above steps S1 to S3, and may further include other steps. For example, the manufacturing method may include various steps for recycling battery materials (such as crushing batteries and recovering liquid). In addition to steps S1 to S3, the manufacturing method may include a step of oxidizing and removing carbon-containing components, etc.
2.電池材料のリサイクル方法
本開示の技術は、電池材料のリサイクル方法としての側面も有する。例えば、図3に示されるように、本開示の電池材料のリサイクル方法は、電池を破砕して解体すること(破砕工程)、破砕した電池をさらに破砕して、電極から合材を剥離させること(2次破砕工程)、破砕物に含まれる電解液成分を蒸発させること(液回収工程)、破砕物に含まれる材料のうち、合材以外の材料の少なくとも一部を分離すること(分離工程)、及び、上記の工程S1~S3を備えるものであってもよい。
2. Recycling method for battery materials The technology of the present disclosure also has an aspect of a recycling method for battery materials. For example, as shown in Fig. 3, the recycling method for battery materials of the present disclosure may include crushing and dismantling the battery (crushing step), further crushing the crushed battery to peel off the composite material from the electrode (secondary crushing step), evaporating the electrolyte component contained in the crushed material (liquid recovery step), separating at least a part of the materials other than the composite material from the materials contained in the crushed material (separation step), and the above steps S1 to S3.
2.1 破砕工程
破砕工程においては、公知の破砕機によって、電池を破砕すればよい。この場合の破砕機としては、例えば、シュレッダー等が挙げられる。破砕工程において破砕される電池は、正極及び負極の双方を備えるものであってもよいし、正極のみを備えるものであってもよい(端材であれば、正極のみでの破砕も容易である)。
2.1 Crushing Process In the crushing process, the batteries may be crushed by a known crusher. Examples of the crusher include a shredder. The batteries to be crushed in the crushing process may include both a positive electrode and a negative electrode, or may include only a positive electrode (if the batteries are scraps, it is easy to crush only the positive electrode).
2.2 2次破砕工程
2次破砕工程においては、公知の破砕機によって、電極から合材を剥離させればよい。この場合の破砕機としては、例えば、チェーンミル等が挙げられる。2次破砕工程により、例えば、電極を合材(ブラックマス)と集電箔とに分離することができる。尚、上記の破砕工程と2次破砕工程とが同時に行われてもよい。
2.2 Secondary Crushing Process In the secondary crushing process, the composite material may be peeled off from the electrodes by a known crusher. Examples of the crusher in this case include a chain mill. In the secondary crushing process, for example, the electrodes can be separated into the composite material (black mass) and the current collector foil. The above-mentioned crushing process and the secondary crushing process may be performed simultaneously.
2.3 液回収工程
液回収工程においては、公知の乾燥機によって、破砕物に含まれる電解液成分を蒸発させればよい。液回収工程においては、破砕物の減圧乾燥を行ってもよい。
2.3 Liquid recovery step In the liquid recovery step, the electrolyte component contained in the crushed material may be evaporated using a known dryer. In the liquid recovery step, the crushed material may be dried under reduced pressure.
2.4 分離工程
分離工程においては、例えば、合材よりも相対的に重い材料(外装ケース・集電端子等)や軽い材料(セパレータ・絶縁フィルム)、金属箔(アルミニウム箔・銅箔)等を分離除去し、合材(ブラックマス)を得る。上記の破砕工程において正極のみを破砕した場合、分離工程によって実質的に正極合材のみが得られる。分離工程においては、気流分離等の乾式分離によって、比重の大きな材料と小さな材料とを分離してもよい。
2.4 Separation Step In the separation step, for example, materials that are relatively heavier than the composite material (exterior case, current collector terminal, etc.), lighter materials (separator, insulating film), metal foils (aluminum foil, copper foil), etc. are separated and removed to obtain a composite material (black mass). If only the positive electrode is crushed in the above crushing step, substantially only the positive electrode composite material is obtained by the separation step. In the separation step, materials with a large specific gravity and materials with a small specific gravity may be separated by dry separation such as air flow separation.
2.5 工程S1~S3
工程S1~S3については上述の通りである。
2.5 Steps S1 to S3
Steps S1 to S3 are as described above.
3.効果
以上の通り、本開示の技術によれば、例えば、電池のリサイクルの際、正極活物質を原材料に戻すことなく再生することができる。具体的には、電極から集電箔等を分離した後の正極合材(ブラックマス)から、不純物を容易に水洗除去しつつ、量産的に正極活物質のみを分離し、当該正極活物質を新品同等にまで再生することができる。本開示の技術は、安価な溶融化合物(例えば、NaOH等)を用いるもので、有機溶剤は不要であり、低コスト且つ二酸化炭素排出量の少ない技術といえる。
3. Effects As described above, according to the technology of the present disclosure, for example, when recycling a battery, the positive electrode active material can be regenerated without returning it to the raw material. Specifically, from the positive electrode mixture (black mass) obtained after separating the current collector foil from the electrode, impurities can be easily washed away with water, and only the positive electrode active material can be separated in a mass production manner, and the positive electrode active material can be regenerated to the same quality as a new product. The technology of the present disclosure uses an inexpensive molten compound (e.g., NaOH, etc.), does not require an organic solvent, and can be said to be a low-cost technology with low carbon dioxide emissions.
1 正極活物質
10 溶融化合物
20 正極合材
30 中間材
40 洗浄物
50 混合物
101 容器
102 加熱炉(スクリュー式加熱炉)
103 撹拌容器
104 濾過装置
105 スクリューフィーダー
106 加熱炉(キルン炉)
Reference Signs List 1 Positive electrode
103
Claims (5)
LiとNaとを含む溶融化合物に正極合材を接触させて、前記正極活物質を含む中間材を得ること、
前記中間材を水洗して、前記正極活物質を含む洗浄物を得ること、及び
前記洗浄物を乾燥させて、前記正極活物質を得ること、
を含む製造方法。 A method for producing a positive electrode active material, comprising:
contacting a positive electrode mixture with a molten compound containing Li and Na to obtain an intermediate material containing the positive electrode active material;
washing the intermediate material with water to obtain a washed product containing the positive electrode active material; and drying the washed product to obtain the positive electrode active material.
A manufacturing method comprising:
請求項1に記載の製造方法。 The molten compound comprises LiOH and NaOH;
The method of claim 1 .
請求項2に記載の製造方法。 The temperature of the molten compound is 470° C. or more and 800° C. or less.
The method according to claim 2 .
請求項1~3のいずれか1項に記載の製造方法。 The positive electrode mixture includes the positive electrode active material, a Li compound attached to the positive electrode active material, and a carbon-containing component.
The method according to any one of claims 1 to 3.
請求項4に記載の製造方法。 By bringing the positive electrode mixture into contact with the molten compound, at least a portion of the Li in the Li compound is replaced with Na, and at least a portion of the carbon-containing component is oxidized and removed.
The method according to claim 4.
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