JP4297406B2 - Method for producing secondary battery positive electrode material and secondary battery - Google Patents

Method for producing secondary battery positive electrode material and secondary battery Download PDF

Info

Publication number
JP4297406B2
JP4297406B2 JP2002222870A JP2002222870A JP4297406B2 JP 4297406 B2 JP4297406 B2 JP 4297406B2 JP 2002222870 A JP2002222870 A JP 2002222870A JP 2002222870 A JP2002222870 A JP 2002222870A JP 4297406 B2 JP4297406 B2 JP 4297406B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
positive electrode
electrode material
firing
secondary battery
conductive carbon
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2002222870A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2004063386A (en
Inventor
直樹 八田
重人 岡田
準一 山木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Original Assignee
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=31942789&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=JP4297406(B2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd, Mitsui E&S Holdings Co Ltd filed Critical Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority to JP2002222870A priority Critical patent/JP4297406B2/en
Publication of JP2004063386A publication Critical patent/JP2004063386A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4297406B2 publication Critical patent/JP4297406B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2次電池正極材料の製造方法及びその正極材料を有する2次電池に関し、より詳しくは、例えば、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属や、これらの化合物を活物質とする、金属リチウム電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池等に代表される2次電池に用いる正極材料の製造方法、および該方法により製造される正極材料を有する2次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
金属リチウム電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池等の2次電池に用いられる金属酸化物、及びこれらにおいて金属原子が部分置換された酸化物や、LiFePO、LiCoPO等のリン酸塩、Fe(SO等の硫酸塩などの正極材料は、放電あるいは充電の過程で、リチウム等のアルカリ金属イオンのドープ/脱ドープを伴う形で電極酸化還元反応が進行する。こうした2次電池は、大容量電池として近年脚光を浴びている。しかし、これらの電池の正極においては、固相拡散によって電極材料内部を移動するアルカリ金属イオンの速度が電極反応速度を制限するために、充放電時の電極反応分極が一般に大きく、比較的大きな電流密度での充放電が困難である。また、この分極が特に大きい場合には、通常の電圧・電流密度条件では充放電が十分進行せず、理論容量よりはるかに小さい容量しか利用できなくなってしまう。また、これら正極材料に用いられることが多い金属酸化物、燐酸塩、硫酸塩、金属オキソ酸塩等は一般に導電率が小さく、この点も電極反応の分極を増大させる要因となる。
【0003】
上記の諸問題を改善するには、正極材料の結晶粒子を細粒化し、アルカリ金属イオンを粒子内部へ出入りし易くさせることが有効である。また、結晶粒子を細粒化すれば、通例正極材料と混合して用いられるカーボンブラックなどの導電性付与材と正極材料との接触面積が増大するため導電性が改善され、その結果、正極反応分極の低減とともに電圧効率と実効電池容量の向上を図ることができる。
【0004】
この目的のため、焼成による正極材料の合成に際し、近年、反応性の高い原料を用いて焼成温度を下げ、さらに焼成時間を制限することによって正極材料の結晶成長を押さえ、粒径の小さい正極材料を得る試みが報告されている。例えば、リチウム2次電池用正極材料であるLiFePOの製造に際しては、リチウム原料として反応性の高いLiOH・HOを用い、焼成温度を従来(通常800〜900℃程度)より低い675℃に下げて、アルゴン中で比較的短時間(24時間程度)焼成を行うことにより、正極材料粉末の焼結(粒径増大)を抑え、大きな放電容量を得たという報告[第40回 電池討論会 発表3C14(同予稿集、p349、1999);社団法人電気化学会(日本)]がなされている。
【0005】
また、電極材料の結晶成長を抑制する方法ではないが、特開2001−15111号公報では、化学式A(式中、Aはアルカリ金属、MはFe、Mn、V、Ti、Mo、Nb、Wその他の遷移金属、ZはS、Se、P、As、Si、Ge、B、Snその他の非金属)で表わされる複合酸化物(硫酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩等のオキソ酸塩を含む)の粒子表面に炭素を析出させて表面導電性を上げることにより、これらの複合体を電池等の電極系に用いた場合、電極酸化還元反応の過程で前記複合酸化物粒子、集電(導電性付与)材および電解質界面一帯の電場を均一化・安定化して効率を向上させるという方法が開示されている。そこでは、炭素を前記複合酸化物の粒子表面に析出させる方法として、熱分解により炭素を析出する有機物(高分子、モノマー、低分子等)を共存させ、あるいは一酸化炭素を添加して、これらを熱分解する方法が提案されている(前記複合酸化物の原料にこれらを共存させ、還元的条件で一度に熱反応させて、前記複合酸化物と表面炭素の複合体を得ることもできる、とされている)。これらの手段により、特開2001−15111号公報では、前述のような複合酸化物粒子表面の導電率向上を実現し、例えばLiFePO等の正極材料粒子表面に炭素を析出させた複合体を作成してLiポリマー電池を構成した場合などにおいて、大きな放電容量等の高い電極性能が得られている。
【0006】
さらに、特開2002−110163号公報によれば、一般式LixFePO(ただし、0<x≦1である)で表される化合物の合成原料を混合し、ミリングを施し、焼成するいずれかの時点で炭素材料を添加するとともに、焼成雰囲気中の酸素濃度を1012ppm(体積)以下とする正極活物質の製造方法が提案されている。そして、この公報に記載の方法では、焼成により合成されるLiFePO炭素複合体中のFeが焼成雰囲気中の酸素によって酸化され、3価のFe化合物(Fe)などの不純物が生成して、LiFePOの単相合成が妨げられることを防止するために、酸素濃度を前記1012ppm(体積)に抑える目的で不活性ガスや水素等の還元性ガスを添加することも示唆されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前記第40回電池討論会発表3C14(同予稿集p349、1999)の方法のように、焼成による正極材料の合成に際し、温度を下げたり、焼成時間を短くしたりする方法では、焼成が不十分となって最終製品にまで化学変化しなかったり、中間生成物が残留したりする恐れがあるため、細粒化の方法としては限界がある。
【0008】
また、特開2001−15111号公報の方法は、電極材料の表面導電性を向上させるものとしては有効であるが、電極材料の合成時における結晶成長の抑制については全く記述がなく、また、電極材料への炭素の析出を、電極性能上、より好適に制御する方法についても全く記述がない。
【0009】
特開2002−110163号公報に記載の方法では、非酸素雰囲気とすることの意味は前記したように焼成過程におけるFeの酸化を防止するために他ならない。また、この公報に記載の方法で添加される炭素材料は、アセチレンブラックなどの非晶質系炭素材料であり、焼成後の原料に添加することも可能であると述べられ、しかも「LiFePO炭素複合体」が、「LiFePO粒子の表面に炭素材料の粒子が多数個付着してなるもの」と定義されていることから明らかなように、添加された炭素材料は、正極活物質粒子間に付着して電子伝導性を向上させるに止まる。このため、特開2002−110163号公報では、例えば導電性炭素を均一に正極活物質上に析出させるという技術思想は皆無である。また、炭素材料を電極性能上、より望ましい形態で存在させるための条件については何ら検討されておらず、焼成条件も、単純な昇温過程が採用されているにすぎない。
【0010】
本発明の課題は、焼成により目的の正極材料を原料から確実に合成し、しかも該正極材料の1次粒子の結晶成長を抑制して細粒化するとともに優れた導電性を付与することが可能な2次電池用正極材料の新規な製造方法を提供することにあり、さらには、正極材料の細粒化および導電性付与の最適化によって正極材料粒子内部と電解質との間でリチウムを初めとするアルカリ金属イオンの出入りを促進させ、電極反応分極を抑制するとともに、正極材料と導電性付与材との接触面積を増大させて導電性を改善し、電圧効率と実効電池容量を向上させた高性能2次電池を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、第1の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、粉砕、混合した原料を酸素ガス不存在下において焼成してアルカリ金属、遷移金属及び酸素を含む正極材料を製造する2次電池正極材料の製造方法において、焼成過程は、常温から300℃ないし450℃に至る第一段階と、常温から焼成完了温度に至る第二段階と、を含み、加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質を、第一段階の焼成後の原料に添加した後、第二段階の焼成を行うことを特徴とする。
【0012】
この2次電池正極材料の製造方法の発明によれば、加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質を、第一段階の焼成後の原料に添加して第二段階の焼成を行うことにより、加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質が、焼成中に原料の分解により生成するガスにより発泡することを防ぐことができる。その結果、融解状態にある該物質がより均一に正極材料の表面に溶融状態で広がり、より均一に熱分解炭素を析出させることができる。このため、得られる正極材料の表面導電性がさらに良好になり、また接触が強固に安定化される。
【0013】
また、第2の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、粉砕、混合した原料を酸素ガス不存在下において焼成してアルカリ金属、遷移金属及び酸素を含む正極材料を製造する2次電池正極材料の製造方法において、焼成過程は、常温から300℃ないし450℃に至る第一段階と、常温から焼成完了温度に至る第二段階と、を含み、導電性炭素を、第一段階の焼成前の原料に添加して焼成を行うとともに、加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質を、第一段階の焼成後の原料に添加した後、第二段階の焼成を行うことを特徴とする。
【0014】
この2次電池正極材料の製造方法の発明によれば、前記第1の態様と同様の作用効果に加え、さらに導電性炭素を、第一段階の焼成前の原料に添加して焼成を行うことにより、加熱反応する原料と該導電性炭素との接触時間を長く取ることが可能になり、その間に反応によって生じる正極材料の構成元素の拡散により、該炭素の粒界に正極材料が入り込み、より均一で安定な炭素−正極材料複合体を形成するとともに、正極材料粒子同士の焼結を効果的に防止することができる。
【0015】
また、第3の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、原料を焼成して正極材料を製造する2次電池正極材料の製造方法において、焼成過程は、常温から300℃ないし450℃に至る第一段階と、常温から焼成完了温度に至る第二段階と、を含み、導電性炭素を、第一段階の焼成前の原料に添加して焼成を行うことを特徴とする。
【0016】
この2次電池正極材料の製造方法の発明によれば、正極材料の1次粒子の結晶成長を抑制して、得られる正極材料の結晶粒子を細粒化することができる。すなわち、導電性炭素を、第一段階の焼成前の原料に添加して焼成を行うことにより、加熱反応する原料と導電性炭素との接触時間を長く取ることができ、その間に反応によって生じる正極材料の構成元素の拡散により、導電性炭素の粒界に正極材料が入り込み、より均一で安定な炭素−正極材料複合体を形成させることができる。
【0017】
また、第4の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、前記第1の態様または第2の態様において、前記加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質が、ビチューメン類である。ビチューメン類は、加熱分解により導電性炭素を生じて正極材料に導電性を付与することができる。
【0018】
また、第5の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、前記第4の態様において、前記ビチューメン類が、軟化温度80℃から350℃の範囲内にあり、加熱分解による減量開始温度が350℃から450℃の範囲内にあり、かつ、500℃から800℃の加熱分解・焼成により導電性炭素を析出し得る石炭ピッチである。
【0019】
かかる性質を有する石炭ピッチは、非常に安価であるとともに、焼成中に融解して焼成中の原料粒子の表面に均一に広がり、熱分解後、高い導電性を発現する炭素析出物となるため、導電性炭素を生じ得る物質として優れた性質を有する物質である。
【0020】
また、第6の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、前記第1の態様または第2の態様において、前記加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質が、糖類であることを特徴とする。糖類を用いることによって、より優れた結晶成長抑制効果と導電性付与効果を同時に得ることができる。糖類は加熱分解によって導電性炭素を生じて正極材料に導電性を付与するだけでなく、糖類に含まれる多くの水酸基が原料および生じた正極材料粒子表面に強く相互作用することにより、結晶成長抑制作用も併せ持つと推測されるためである。
【0021】
また、第7の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、前記第6の態様において、前記糖類が、250℃以上500℃未満の温度域において分解を起こし、かつ150℃から分解までの昇温過程において一度は少なくとも部分的に融液状態をとり、さらに500℃以上800℃以下までの加熱分解によって導電性炭素を生成する糖類である。かかる特定の性質を有する糖類は、融解により加熱反応中の正極材料粒子の表面に好適にコートされ、加熱分解後生じた正極材料粒子表面に導電性炭素を良好に析出させる。また、この過程で前記したように結晶成長を抑制する。このため、上記特定の性質の糖類は、特に優れた結晶成長抑制効果と導電性付与効果を奏する。
【0022】
また、第8の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、前記第1の態様から第7の態様のいずれか一つにおいて、水素、水および水蒸気よりなる群から選ばれる1種または2種以上を、少なくとも前記第二段階の焼成における500℃以上の温度において添加することを特徴とする。この特徴によれば、正極材料の1次粒子の結晶成長を抑制して、得られる正極材料の結晶粒子を細粒化することができる。
【0023】
すなわち、常温から300℃ないし450℃に至る第一段階と、常温から焼成完了温度に至る第二段階と、を含む焼成に際し、第一段階の焼成後の原料に加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質を添加した後、第二段階の焼成を行い、少なくともその500℃以上の温度において、水素および/または水分(水または水蒸気)を添加する場合には、前記第1の態様において記した効果に加え、生じる正極材料の1次粒子を効率的に細粒化させ、さらに均一かつ安定に導電性炭素を正極材料粒子上に析出させ、より高い正極性能を得ることができる。この過程において、水素(水分から生じる水素を含む)が加熱により、融解・熱分解する導電性炭素前駆物質に接触すると、恐らくは水素付加反応により、該物質の融液粘性を低下させるため、さらに良好な炭素析出状態を実現できる。
【0024】
また、常温から300℃ないし450℃に至る第一段階と、常温から焼成完了温度に至る第二段階と、を含む焼成に際し、導電性炭素を、第一段階の焼成前の原料に添加して焼成を行うとともに、加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質を、第一段階の焼成後の原料に添加した後、第二段階の焼成を行い、少なくともその500℃以上の温度域において、水素および/または水分(水または水蒸気)を添加する場合にも、前記第2の態様に記した効果に加え、生じる正極材料の1次粒子を効率的に細粒化させ、さらに均一かつ安定に導電性炭素を正極材料粒子上に析出させ、より高い正極性能を得ることができる。
【0025】
また、常温から300℃ないし450℃に至る第一段階と、常温から焼成完了温度に至る第二段階と、を含む焼成に際し、導電性炭素を、第一段階の焼成前の原料に添加して焼成を行い、少なくとも第二段階の焼成の500℃以上の温度域において、水素および/または水分(水または水蒸気)を添加する場合には、前記第3の態様に記した効果に加え、生じる正極材料の1次粒子を効率的に細粒化させることが可能である。
【0026】
また、本発明方法によれば、原料の焼成が不十分で最終製品にまで化学変化しなかったり、中間生成物が残留したりする恐れはなく、焼成によって目的の正極材料を原料から確実に合成できる。
【0027】
また、水素および/または水分は、強い結晶成長抑制作用、および加熱分解により導電性炭素を析出する物質の正極材料への付着状態を改善する強い作用を持つとともに、取り扱いが容易であり、しかも安価であるため、効率的である。
【0028】
さらに、前記加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質が、ビチューメン類、その中でも特に、軟化温度が80℃から350℃の範囲にあり、加熱分解による減量開始温度が350℃から450℃の範囲にあり、かつ、500℃から800℃の加熱分解・焼成により導電性炭素を生じ得る石炭ピッチである場合には、かかる石炭ピッチが第二段階の焼成中に加熱により融解・熱分解する過程で、少なくとも500℃以上の温度域において、水素および/水分(水または水蒸気)に接触することになるため、得られる正極材料粒子上に析出する導電性炭素の析出状態が、正極性能上、より良好な状態に改善される。
【0029】
また、前記加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質が、糖類、その中でも特に250℃以上500℃未満の温度域において分解を起こし、かつ150℃から分解までの昇温過程において一度は少なくとも部分的に融液状態をとり、さらに500℃以上800℃以下までの加熱分解・焼成によって導電性炭素を生じ得る糖類(例えばデキストリン等)である場合にも、かかる糖類が、第二段階の焼成中に加熱により融解・熱分解する過程で、少なくとも500℃以上の温度域において、水素および/水分(水または水蒸気)に接触することになるため、得られる正極材料粒子上に析出する導電性炭素の析出状態が、正極性能上、より良好な状態に改善される。
【0030】
また、第9の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、前記第1の態様から第8の態様のいずれか一つにおいて、前記正極材料が、アルカリ金属、遷移金属及び酸素を含み、酸素ガス不存在下において前記原料を焼成して合成される化合物(以下、「遷移金属化合物」と記すことがある)である。
【0031】
前記正極材料がかかる遷移金属化合物である場合には、その原料に、導電性炭素および/または加熱により導電性炭素を生じ得る物質を添加して焼成する際、酸素ガス不存在下で焼成できるために、これらが焼失することがなく、得られる遷移金属化合物の正極材料の表面に良好に導電性炭素を析出させることができる。さらに、酸素ガス不存在下で水素、水および水蒸気よりなる群から選ばれる1種または2種以上を添加して原料を焼成する場合には、得られる正極材料の結晶粒子がより細粒化され、また特に、加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質の析出状態を正極性能上良好に制御できる。また、水素は還元性を併せ持つため、酸素ガス不存在下での焼成においても避けがたい残存酸素による酸化で生成したり、あるいは原料中に元々存在していた酸化態不純物(例えば、正極材料LiFe2+PO中におけるリチウム欠損酸化態不純物Fe3+POや酸化態酸化物Fe等;これらの混在は、一般に電池の放電容量の低下を招く)は、還元性を有する水素の作用により還元されて目的の正極材料に変化するので、酸化態不純物が正極材料に混入することを防ぐこともできる。また、水または水蒸気(以下、「水分」とする)を添加する場合は、導電性炭素または加熱により導電性炭素を生じ得る物質と水分が焼成中に反応して水素を生じるため、いわゆる水性ガス反応と同様の効果を生じる。
【0032】
また、原料の選定の仕方によっては、原料中の前記遷移金属元素が正極材料中の遷移金属元素より高い価数を有しており、酸素ガス不存在下で焼成される過程だけでは、目的の正極材料中の遷移金属元素と同一の価数を持つには至らないような場合もあり得る。このような場合でも、原料に対して必要かつ十分な還元性を併せ持つ水素(または水分から二次的に生じる水素)を添加することによって、生じる正極材料を必要十分なだけ還元することが可能となり、目的とする正極材料を得ることができる。さらには、原料中の前記遷移金属元素が正極材料中の遷移金属元素より高い価数を有しており、酸素ガス不存在下で焼成するだけでは目的の正極材料中の遷移金属元素と同一の価数を持つには至らないような場合にも、水素の存在下で焼成することによって必要十分なだけ還元を行い、目的の正極材料を得ることができる場合がある。
【0033】
また、第10の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、前記第9の態様において、前記正極材料が、M(1)a(2)x[ここで、M(1)はLiまたはNaを示し、M(2)はFe(II)、Co(II)、Mn(II)、Ni(II)、V(II)またはCu(II)を示し、AはPまたはSを示し、aは0〜3から選ばれる数(ただし、0は含まない)、xは1〜2から選ばれる数、yは1〜3から選ばれる数、zは4〜12から選ばれる数、をそれぞれ示す]の一般式で示される物質またはこれらの複合体であることを特徴とする。
【0034】
また、第11の態様の2次電池正極材料の製造方法の発明は、前記第9の態様において、前記正極材料が、LiFePO、LiCoPOまたはLiMnPO(ここで、qは0〜1から選ばれる数(ただし、0は含まない)を示す)の一般式で示される物質またはこれらの複合体であることを特徴とする。
【0035】
上記第10の態様および第11の態様に記載の正極材料については、目的の正極材料中と同一価数の遷移元素を有する化合物をその原料として採用でき、該原料から、酸素不存在条件(例えば不活性ガス中)における焼成によって目的の正極材料を合成することが可能である。このため、導電性炭素や加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質、および還元性を有する水素ガス等を焼成中に添加しても、それが燃焼・消費されてしまうことを避けることができ、また局所温度の著しい上昇を起こすこともなく焼成を安定して制御できる。その上、特にこれらの正極材料系の場合には、水素等を添加して焼成する場合、その還元力によって中心金属元素[Fe、Co、Mn、Ni、V、Cu等]の価数がさらに低下して正極材料中に不純物(例えば金属状態)を生じたりすることも起こりにくい。
【0036】
また、第12の態様の2次電池の発明は、前記第1の態様から第11の態様のいずれか一つに記載の方法により製造された正極材料を構成要素に持つ。本発明方法によって製造された正極材料を用いた2次電池は、正極材料の結晶粒子が細粒化されているので、正極材料と電解質との界面においてリチウムイオンを初めとするアルカリ金属イオンの脱ドープ/ドープを伴う電気化学的酸化/還元を該正極材料が受ける際の表面積が大きく、正極材料の粒子内部と電解質との界面でアルカリ金属イオンが容易に出入りできるため、電極反応分極が抑制される。さらに、正極材料に通例混合されるカーボンブラック等の導電性付与材と正極材料との接触が著しく向上するため、導電性が改善されており、正極材料の活物質としての利用率が高く、セル抵抗の小さい、電圧効率と有効電池放電容量が著しく向上した2次電池である。
【0037】
【発明の実施の形態】
本発明の2次電池正極材料の製造方法は、原料を焼成して正極材料を製造する2次電池正極材料の製造方法において、焼成過程は、常温から300℃ないし450℃に至る第一段階と、常温から焼成完了温度に至る第二段階と、を含み、▲1▼加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質(以下、「導電性炭素前駆物質」と記す)を、第一段階の焼成後の原料に添加した後、第二段階の焼成を行うか、▲2▼導電製炭素を第一段階の焼成前の原料に添加して焼成を行うか、または前記▲1▼および▲2▼の両方を行うことにより実施される。さらに特に好ましい実施形態では、前記▲1▼および/または▲2▼に加え、水素、水および水蒸気よりなる群から選ばれる1種または2種以上を、少なくとも第二段階の焼成における500℃以上の温度において添加することにより一層良好に実施される。
【0038】
なお、本発明において、気体である水素や水蒸気を「添加する」ことには、水素等のガスの存在下(つまり、水素雰囲気下等)で原料の焼成を行うことが含まれる。
【0039】
<正極材料>
本発明における正極材料としては、例えば、アルカリ金属、遷移金属及び酸素を含み、酸素ガス不存在下において原料を焼成して合成し得る化合物が好ましい。より具体的には、正極材料としては、例えば、M 1 )a 2 )x[ここで、M 1 はLiまたはNaを示し、M 2 はFe(II)、Co(II)、Mn(II)、Ni(II)、V(II)またはCu(II)を示し、AはPまたはSを示し、aは0〜3から選ばれる数、xは1〜2から選ばれる数、yは1〜3から選ばれる数、zは4〜12から選ばれる数、をそれぞれ示す]の一般式で示される物質またはこれらの複合体を挙げることができる。ここで、(II)、(III)等は遷移金属元素M(2)の価数を示し、x、y、zは、該材料の化学量論的(電気的)な中性条件を満たす値をとる。また、M(2)としては、上記で例示されている遷移金属元素のうち、同一価数のものの複数の組合せも含むものとする[例えば、M(2)がFe(II)Co(II)あるいはFe(II)Mn(II)である場合などが該当する。この時、Fe(II)とCo(II)、あるいはFe(II)とMn(II)の合計含有モル数が、Li 1モルに対しxモルの比率となる(上記M(1)=Liで、かつa=1の場合)]。
【0040】
これらの物質は、一般に酸素ガス不存在下(すなわち、例えばアルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気中)における焼成によってその原料から合成され得るもので、その結晶骨格構造(スピネル型、オリビン型、ナシコン型等を一般にとる)が電気化学的酸化還元によってほとんど変化しない場合、繰返し充放電が可能なアルカリ金属系2次電池用の正極材料として用いることができる。正極材料としては、これらの物質のそのままの状態は放電状態に相当し、電解質との界面での電気化学的酸化によって、アルカリ金属M 1 の脱ドープを伴いながら中心金属元素M(2)が酸化され、充電状態になる。充電状態から電気化学的還元を受けると、アルカリ金属M(1)の再ドープを伴いながら中心金属元素M(2)が還元され、元の放電状態に戻る。
【0041】
好ましい正極材料としては、LiFePO、LiCoPOまたはLiMnPO(ここで、qは0〜1から選ばれる数を示す)の一般式で示される物質またはこれらの複合体を例示することができ、特に、LiFePO(ここで、qは前記と同じ意味を有する)の一般式で示される物質が好ましい。これらの物質は、酸素ガス不存在下における約900℃以下の温度での焼成によりその原料から合成され得るもので、例えばリチウム電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池等のリチウム系2次電池の正極材料として好適に使用できる。
【0042】
<原料>
正極材料の原料としては、例えば、アルカリ金属、前記遷移金属および酸素を少なくとも含む化合物(遷移金属化合物)または複数の化合物を組合せて用いることができる。通例は、原料中の遷移金属元素は正極材料中の遷移金属元素と同一の価数を元々有しているか、あるいは所定の焼成温度および焼成時間において酸素ガス不存在下にて焼成される過程で還元され、正極材料中の遷移金属元素と同一の価数を持つに至る。この時、水素等を添加して原料を焼成すると、得られる正極材料の結晶粒子がより細粒化される。
【0043】
より具体的には、正極材料の原料物質としては、例えば、アルカリ金属導入用の原料として、LiOH、NaOH等の水酸化物、LiCO、NaCO、NaHCO等の炭酸塩や炭酸水素塩、LiClやNaCl等の塩化物を含むハロゲン化物、LiNO、NaNO等の硝酸塩等、その他、アルカリ金属のみ目的の正極材料中に残留するような分解揮発性化合物、(例えば有機酸塩等)が用いられる。また、目的の正極材料が燐酸塩の場合には、LiPO、LiHPO、LiHPO、NaPO、NaHPO、NaHPO等の燐酸塩や燐酸水素塩、さらに、目的の正極材料が硫酸塩の場合には、LiSO、LiHSO、NaSO、NaHSO等の硫酸塩や硫酸水素塩を用いることもできる。
【0044】
また、Fe、Co、Mn、V等の遷移金属導入用の原料としては、例えば水酸化物、炭酸塩や炭酸水素塩、塩化物等のハロゲン化物、硝酸塩、その他、該遷移金属のみが目的の正極材料中に残留するような分解揮発性化合物(例えば、シュウ酸塩や酢酸塩等の有機酸塩、アセチルアセトン錯体類や、メタロセン錯体等の有機錯体など)が用いられる。また、目的の正極材料が燐酸塩の場合には、燐酸塩や燐酸水素塩、さらに目的の正極材料が硫酸塩の場合には、硫酸塩や硫酸水素塩、およびこれら遷移金属オキソ酸塩とアンモニウム等との複塩を用いることもできる。
【0045】
また、目的の正極材料が燐酸塩の場合には、無水燐酸P、燐酸HPO、および燐酸イオンのみ目的の正極材料中に残留するような分解揮発性燐酸塩や燐酸水素塩(例えば、(NHHPO、NHPO、(NHPO等のアンモニウム塩)、さらに目的の正極材料が硫酸塩の場合には、硫酸HSO、および硫酸イオンのみ目的正極材料中に残留するような分解揮発性硫酸塩や硫酸水素塩(例えば、NHHSO、(NHSO等のアンモニウム塩)を用いることもできる。
【0046】
これらの原料において、目的の正極材料中に残存した場合に好ましくない元素や物質を含む場合には、これらが焼成中に分解・揮発することが必要である。また、目的生成物が例えば燐酸塩の場合、原料には燐酸イオン以外の不揮発性オキソ酸塩等を用いるべきでないことは言うまでもない。なお、これらにおいては、その水和物を用いる場合もあるが(例えば、LiOH・HO、Fe(PO・8HO等)、上記においては水和物としての表記は全て省略している。
【0047】
正極材料の原料には、必要に応じて第一段階の焼成前に、粉砕したり、原料同士(場合によって添加される導電性炭素を含む)を混合、混練したりする処理を施すことができる。また、第一段階の焼成後に導電性炭素前駆物質(加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質)を添加する場合には、その際にも粉砕、混合、混練等の処理を行うことができる。
【0048】
以上の原料を、水素、水、水蒸気等を共存させて焼成する場合には、通例は特に問題が生じることはないが、焼成の早期に両者が急激な反応を起こして目的の正極材料が得られなくなったり、不純物が生じたりすることがないよう、両者の選定および組合せには留意する必要がある。
【0049】
<導電性炭素>
本発明で用いられる導電性炭素としては、例えば、黒鉛質炭素、無定形炭素等を挙げることができる。ここで、黒鉛質炭素や無定形炭素には、いわゆる、すす、カーボンブラックなども含まれる。
<導電性炭素前駆物質(加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質)>
また、導電性炭素前駆物質としては、例えば、ビチューメン類(いわゆるアスファルト;石炭や石油スラッジから得られるピッチ類を含む)、糖類、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体、ABS樹脂、フェノール樹脂、その他芳香族基を有する架橋高分子などが挙げられる。これらの中でも、ビチューメン類(特に、精製された、いわゆる石炭ピッチ)および糖類が好ましい。これらのビチューメン類や糖類は加熱分解によって導電性炭素を生じて正極材料に導電性を付与する。特に、精製された石炭ピッチは、非常に安価であり、かつ焼成中に融解して焼成中の原料粒子の表面に均一に広がり、また熱分解過程を経て比較的低温(650℃〜800℃)での焼成後、高い導電性を発現する炭素析出物となる。また、糖類の場合は、糖類に含まれる多くの水酸基が原料および生じた正極材料粒子表面に強く相互作用することにより、結晶成長抑制作用も併せ持つため、糖類を用いることによって、より優れた結晶成長抑制効果と導電性付与効果を得ることができるからである。
【0050】
ここで、精製石炭ピッチとしては、軟化温度が80℃から350℃の範囲内にあり、熱分解による減量開始温度が350℃から450℃の範囲内にあり、500℃以上800℃以下までの加熱分解・焼成により、導電性炭素を生成するものが好適に用いられる。正極性能をより高めるためには、軟化温度が200℃〜300℃の範囲内にある精製石炭ピッチがより好ましい。また、精製石炭ピッチの含有不純物としては、正極性能に悪影響を与えることがないものが良いことは言うまでもないが、特に灰分が5000ppm以下であることが好ましい。
【0051】
さらに、糖類としては、250℃以上500℃未満の温度域において分解を起こし、かつ150℃から前記温度域までの昇温過程において一度は少なくとも部分的に融液状態をとり、さらに500℃以上800℃以下までの加熱分解・焼成によって導電性炭素を生成する糖類が特に好ましい。かかる特定の性質を有する糖類は、融解により加熱反応中の正極材料粒子の表面に好適にコートされ、加熱分解後生じた正極材料粒子表面に導電性炭素を良好に析出するとともに、この過程で上記したように結晶成長を抑制するからである。ここで、良好な導電性を生じさせるために、加熱分解温度は、正極材料の種類にもよるが、好ましくは570℃以上850℃以下、より好ましくは650℃以上800℃以下に設定できる。また、上記糖類は加熱分解によって、該糖類の焼成前の乾燥重量に対し、少なくとも15重量%以上、好ましくは20重量%以上の導電性炭素を生じ得るものがよい。これは、生じる導電性炭素の量的な管理を容易にするためである。以上のような性質を有する糖類としては、例えばデキストリンなどのオリゴ糖や、可溶性でんぷん、加熱により融解しやすい架橋の少ないでんぷん(例えば50%以上のアミロースを含むでんぷん)等の高分子多糖類が挙げられる。
【0052】
<導電性炭素前駆物質等の添加と焼成>
上記導電性炭素や、精製石炭ピッチ、糖類に代表される導電性炭素前駆物質は、適切なタイミングで原料(中間生成物を含む)中に混合して添加される。添加時には、必要に応じて原料と充分に混合するための操作、例えば粉砕や混練を行うこともできる。
【0053】
導電性炭素や導電性炭素前駆物質は、生じる正極材料中において、導電性炭素の重量濃度が0.1%以上10%以下、好ましくは0.5%以上7%以下、より好ましくは1%以上5%以下となるように添加することができる。
【0054】
焼成は、対象となる正極材料にもよるが、一般に採用されるような300〜900℃に至る焼成過程において、適切な温度範囲及び時間を選んで実施することができる。また、焼成は、酸化態不純物の生成防止や、残存する酸化態不純物の還元を促すため、酸素ガス不存在下で行うことが好ましい。
【0055】
本発明方法において、焼成は、一連の昇温およびこれに引き続く温度保持過程の一回のみにより実施するのではなく、第一段階のより低温域での焼成過程(通例常温〜300ないし450℃の温度範囲;以下、「仮焼成」と記すことがある)、および第二段階のより高温域での焼成過程[通例常温〜焼成完了温度(500℃ないし800℃程度);以下、「本焼成」と記すことがある]の2段階に分けて行われる。この場合、以下のタイミングで導電性炭素や導電性炭素前駆物質の混合を行うことにより、得られる正極材料の性能をより向上させることができる。
【0056】
仮焼成においては、正極材料の原料が加熱により最終的な正極材料に至る中間的な状態まで反応し、その際、多くの場合は熱分解によるガス発生を伴う。仮焼成の終了温度としては、発生ガスの大部分が放出し終わり、かつ最終生成物の正極材料に至る反応が完全には進行しない温度(すなわち、より高温域での第二段階の本焼成時に正極材料中の構成元素の再拡散・均一化が起こる余地を残した温度)が選択される。
【0057】
仮焼成に続く本焼成では、構成元素の再拡散・均一化が起こるとともに、正極材料への反応が完了し、しかも焼結などによる結晶成長を極力防げるような温度域まで昇温および温度保持がなされる。
【0058】
導電性炭素前駆物質、特に加熱により融解する石炭ピッチや糖類を用いる場合は、仮焼成前の原料に添加することも可能であるが(この場合でも相応の正極性能向上効果が得られる)、さらに高性能の正極材料を得るには、仮焼成後の原料(既に原料からのガス発生の大半が終了し、中間生成物となった状態)に添加し、本焼成を行うことがより好ましい。つまり、焼成過程における仮焼成と本焼成との間に、原料への導電性炭素前駆物質の添加工程を設けることになる。
【0059】
これにより、加熱により融解・熱分解する石炭ピッチや糖類等の物質が、原料から発生するガスにより発泡することを防ぎ、より均一に正極材料の表面に溶融状態で広がり、より均一に熱分解炭素を析出させることができる。
【0060】
これは以下の理由による。
すなわち、仮焼成において原料の分解により発生するガスの大半が放出されてしまう結果、本焼成ではガスの発生が殆ど起こらず、仮焼成後のタイミングで導電性炭素前駆物質を添加することにより、均一な導電性炭素の析出が可能になる。このため、得られる正極材料の表面導電性がさらに良好になり、また接触が強固に安定化される。これに対し、仮焼成前の原料に導電性炭素前駆物質を添加すると、仮焼成中に原料から旺盛に発生するガスにより、融解状態で未だ完全には熱分解していない導電性炭素前駆物質が発泡し、均一な析出が妨げられる。
【0061】
また、既に導電性を有し、加熱による重量減少、形態変化やガス発生が最早殆ど起こらなくなった炭素(導電性炭素;例えば、スス、カーボンブラックなどの黒鉛質炭素や無定形炭素など)を添加する場合は、仮焼成前の原料にこれらの所定量を混合し、仮焼成から一連の焼成過程を開始することが好ましい。これにより、加熱反応する原料と該導電性炭素との接触時間を長く取ることができ、その間に反応によって生じる正極材料の構成元素の拡散により、導電性炭素の粒界に正極材料が入り込み、より均一で安定な炭素−正極材料複合体を形成するとともに、正極材料粒子同士の焼結を効果的に防止できるからである。
【0062】
また、導電性炭素前駆物質、例えば加熱により融解・熱分解する石炭ピッチや糖類等の物質と、導電性炭素との両方を添加することは、高い正極性能を持つ正極材料を得る上で有効である。この場合、導電性炭素は仮焼成前の原料に添加し、加熱により融解・熱分解する石炭ピッチや糖類等の物質は仮焼成後の原料に添加することが好ましい。
【0063】
<水素等の供給>
本発明のさらに好ましい方法においては、所定量の水素や水分(水、水蒸気等)を継続的に炉内に不活性ガスとともに供給しながら原料を焼成する。例えば、焼成過程の全時間に渡って、または特に500℃以下から焼成完了までの温度、好ましくは400℃以下から焼成完了までの温度、より好ましくは300℃以下から焼成完了までの焼成温度において、水素や水分を添加することができる。
【0064】
気体である水素を用いる場合、対象となる正極材料にもよるが、一般に採用されるような300〜900℃に至る焼成過程において、適切な温度範囲及び時間を選んで必要十分な量の水素を供給でき、正極材料表面の酸素原子への付加や脱酸素、正極材料の還元等を効果的に起こすことが可能である。
【0065】
本発明方法では、水素は、第二段階の焼成時の、少なくとも500℃以上の温度範囲において添加することができる。例えば第二段階の焼成時の好ましくは500℃以下から焼成完了温度までの温度範囲にわたって、より好ましくは400℃以下から焼成完了温度まで、望ましくは300℃以下から焼成完了温度までの範囲(例えば、ほぼ焼成期間全域)にわたって添加することができる。この範囲においては、恐らくは後述する理由から、結晶成長の抑制が効果的に起こる。なお、第一段階の焼成時に水素を添加することもできる。
【0066】
上記温度範囲における雰囲気中の水素の体積濃度は、およそ0.1%以上20%以下とすることができ、1%以上10%以下とすることが好ましい。これによって、前記遷移金属化合物からなる正極材料の結晶成長が好適に抑制される。
【0067】
本発明者らによる研究では、正極材料の原料を、酸素ガス不存在下で水素および/または水分を供給しながら焼成すると、生じる正極材料の粒子の結晶性にわずかな乱れが生じ、生成する1次粒子がより細粒化されることが判明した。すなわち、水素および水分は有力な結晶成長抑制剤となることが実証された。このメカニズムは未だ明らかではないが、焼成中に原料から合成され、成長する正極材料の結晶粒子の成長面において、表面酸素原子に水素が結合して水酸基を生じたり、その水酸基から生成した水分子が再脱離したりすることにより、結晶表面構造に乱れや不整合が生じる結果、粒子の成長が抑制されるものと考えられる。
【0068】
水は、水素と同様に結晶成長抑制効果を有する。その理由は未だ明らかではないが、水素ガス添加時と同様に、原料および正極活物質の表面に水酸基を生じさせ、これが結晶成長を遅らせるためではないかと推定される。また、水蒸気は、導電性炭素または熱分解により導電性炭素を生じ得る物質と高温(約500℃以上)で接触することによって、いわゆる水性ガス反応により水素と一酸化炭素を生じ、この水素によっても結晶成長抑制効果および還元効果が得られる。つまり、水分を連続的に供給し続けた場合、500℃以上の高温域においても、水性ガス反応によって、より多くの水素を確実に、かつ継続的に発生させることが可能であり、結晶成長抑制作用および還元作用を最大限に発揮させることが可能となる。
【0069】
水分の供給方法としては、炉内に噴霧するか、好ましくは予気化して水蒸気の形で供給する。供給温度範囲および供給量は水素の場合と同様にすることができる。すなわち、水は、第二段階の焼成時の、少なくとも500℃以上から焼成が完了する温度範囲において添加することが好ましい。例えば好ましくは第二段階の焼成時の500℃以下から焼成完了温度までの温度範囲にわたって、より好ましくは400℃以下から焼成完了温度まで、望ましくは300℃程度から焼成完了温度までの範囲(例えば、ほぼ焼成期間全域)にわたって、添加することができる。この範囲においては、恐らくは前記遷移金属化合物の表面酸素原子への水素付加や水酸基形成が良好に起こりやすいため、結晶成長の抑制が効果的に起こると考えられる。なお、第一段階の焼成時に水素を添加することもできる。
【0070】
上記温度範囲における雰囲気中の水蒸気の体積濃度は、およそ0.1%以上20%以下とすることができ、1%以上10%以下とすることが好ましい。これによって、正極材料の結晶成長が好適に抑制される。
【0071】
また、本焼成中において水素を添加して焼成する場合、添加された水素(水分から生じる水素を含む)が、加熱により融解・熱分解する石炭ピッチや糖類等の導電性炭素前駆物質に接触すると、恐らくは該物質の融液粘性を低下させるため、前述の炭素析出法において、さらに良好な状態を実現できる。例えば、導電性炭素前駆物質として、軟化温度が80℃から350℃の範囲内にあり、熱分解による減量開始温度が350℃から450℃の範囲内にあり、500℃以上800℃以下までの加熱分解により、導電性炭素を生成する精製石炭ピッチを用いる場合、焼成過程で融解状態になった石炭ピッチに水素(水分から生じる水素を含む)が作用すると、その粘性が低下し、流動性が向上して得られる正極材料中で極めて均一かつ被覆厚みの薄い析出状態が実現できる。
【0072】
従って、水素(水分から生じる水素を含む)は、少なくとも本焼成中の500℃以下から焼成完了温度までの間、好ましくは400℃以下から焼成完了温度までの間、あるいは本焼成中全域に渡って添加するのがよい。さらに、仮焼成中においても水素を添加すると、その還元性により正極材料の酸化が防止できる等の効果も期待できる。
【0073】
本発明による正極材料の製造方法の概要の例を示せば次のとおりである。
まず、二段階に分けて行われる焼成の第一段階の仮焼成後に導電性炭素前駆物質を添加する場合は、[必要に応じて原料の粉砕、混合、混練等を行う工程]、[第一段階の焼成工程]、[導電性炭素前駆物質の添加(必要に応じて、粉砕、混合、混練等を行うこともできる)]、[第二段階の本焼成工程]の順に実施される。
【0074】
また、二段階に分けて行われる焼成の第一段階の仮焼成前に導電性炭素を添加し、かつ第一段階の仮焼成後に導電性炭素前駆物質を添加する場合は、[導電性炭素の添加を行う工程(必要に応じて原料とともに粉砕、混合、混練等を行うこともできる)]、[第一段階の仮焼成工程]、[導電性炭素前駆物質の添加(必要に応じて、原料(中間体)とともに粉砕、混合、混練等を行うことができる)]、[第二段階の本焼成工程]の順に実施される。
【0075】
さらに、二段階に分けて行われる焼成の第一段階の仮焼成前に導電性炭素を添加する場合は、[導電性炭素の添加を行う工程(必要に応じて原料とともに粉砕、混合、混練等を行うこともできる)]、[第一段階の仮焼成工程]、[必要に応じて原料(中間体)の粉砕、混合、混練等を行う工程]、[第二段階の本焼成工程]の順に実施される。
【0076】
以上において、水素または水分を添加する場合は、少なくとも第二段階の本焼成工程の一部において、望ましくは第二段階の本焼成工程全域において、さらに望ましくは、これに加えて第一段階の仮焼成工程の少なくとも一部においても添加される。
【0077】
<2次電池>
以上のようにして得られる本発明の正極材料を使用した2次電池としては、例えば、金属リチウム電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池等を挙げることができる。
【0078】
以下、アルカリ金属がリチウムの場合を例として、アルカリイオン電池の基本構成を説明する。リチウムイオン電池は、俗にロッキングチェア型とか、シャトルコック(バトミントンの羽根)型などと言われるように、充放電に伴い、負極、正極活物質の間をLiイオンが往復することを特徴とする2次電池である(図1参照)。充電時には負極(現行系は黒鉛などのカーボンが用いられる)の内部にLiイオンが挿入されて層間化合物を形成し(この時、負極カーボンが還元され、Liの抜けた正極が酸化される)、放電時には、正極(現行の主流は酸化コバルト系であるが図1ではリン酸鉄リチウムなど鉄(II)/(III)の酸化還元系を例に挙げている)の内部にLiイオンが挿入されて鉄化合物−リチウムの複合体を形成する(この時、正極の鉄が還元され、Liの抜けた負極は酸化されて黒鉛等に戻る)。Liイオンは充放電の間、電解質中を往復し、同時に電荷を運ぶ。電解質としては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状有機溶媒と、例えばジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状有機溶媒との混合溶液に、例えばLiPF、LiCFSO、LiClO等の電解質塩類を溶解させた液状電解質、これらの液状電解質を高分子ゲル状物質に含浸させたゲル電解質、部分架橋ポリエチレンオキシドに前記電解質を含浸させたもの等の固体ポリマー電解質等が用いられる。液状電解質を用いる場合には、正極と負極が電池内で短絡しないようにポリオレフィン製等の多孔質隔膜(セパレータ)をそれらの間に挟んで絶縁させる。正極および負極は、正極材料および負極材料にそれぞれカーボンブラック等の導電性付与剤を所定量加え、例えばポリ4弗化エチレンやポリ弗化ビニリデン、フッ素樹脂等の合成樹脂、エチレンプロピレンゴムなどの合成ゴム等の結着剤および必要な場合はさらに極性有機溶媒を加えて混練、薄膜化させたものを用い、金属箔や金属網等で集電して電池が構成される。一方、負極に金属リチウムを用いた場合、負極ではLi(O)/Liの変化が充放電とともに起こり、電池が形成される。
【0079】
【作用】
一般に、前記したM 1 )a 2 )x[ここで、M 1 、M 2 、A、a、x、y、zは、それぞれ前記と同じ意味を有する]などの正極材料を、その原料から焼成により合成する際は、加熱昇温過程における合成反応中に分解ガス発生を伴う場合がほとんどであり、また、常温から350℃ないし450℃に至る温度範囲までに、その8割以上の量のガス発生が起こるのが普通である。本発明の一形態においては、導電性炭素前駆物質(加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質)を常温から350℃ないし450℃に至る第一段階の焼成後の正極材料の原料に添加した後、第二段階の焼成を行うことにより、原料の正極材料の熱分解が既に半ば進行し、大半のガス発生を最早終えているために、融解した該導電性炭素前駆物質が発泡しにくく、均一に広がり、熱分解・焼成され、良好な状態に炭素を析出させることができる。
【0080】
また、本発明者らによる研究では、正極材料の原料を、酸素ガス不存在下で水素および/または水分を供給しながら焼成すると、生じる正極材料の粒子の結晶性にわずかな乱れが生じ、生成する1次粒子がより細粒化されることが判明した。すなわち、水素および水分は有力な結晶成長抑制剤となることが実証された。このメカニズムは未だ明らかではないが、焼成中に原料から合成され成長する正極材料の結晶粒子の成長面において、表面酸素原子に水素が結合したり、表面の金属−酸素間の結合を水分子が切断、付加するなどの現象によって水酸基を生じたり、その水酸基から生成した水分子が再脱離したりすることにより、結晶表面構造に乱れや不整合が生じる結果、粒子の成長が抑制されるものと考えられる。
【0081】
また、導電性炭素前駆物質を仮焼成後の原料に添加して焼成を行う場合、水素(水分と石炭ピッチや糖類等の導電性炭素前駆物質との反応で生じる水素を含む)を添加することにより、得られる正極材料の炭素析出が均一化し、より高い正極性能が得られることが判明した。このメカニズムも未だ明らかではないが、導電性炭素前駆物質を仮焼成後の原料に添加することにより、水素が融解した状態の導電性炭素前駆物質に付加することにより、その粘性を低下させ、正極材料粒子に導電性炭素を均一に析出させる効果があるためと推測される。
【0082】
一方、導電性炭素を、第一段階の焼成前の原料に添加して焼成を行うことにより、加熱反応する原料と導電性炭素との接触時間を長く取ることができ、その間に反応によって生じる正極材料の構成元素の拡散により、導電性炭素の粒界に正極材料が入り込み、より均一で安定な炭素−正極材料複合体を形成することが可能になる。
【0083】
そして、少なくとも第二段階の焼成における500℃以上の温度において水素および/または水分(水または水蒸気)を供給しながら焼成することにより、生じる正極材料の1次粒子を効率的に細粒化させ、正極材料粒子同士の焼結を効果的に防止できる。
【0084】
【実施例】
次に、実施例等により、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらによって制約されるものではない。
実施例1
(1)正極材料の調製:
正極材料LiFePOを、以下の手順で合成した。
5.0532gのFeC・2HO(和光純薬工業株式会社製)、3.7094gの(NHHPO(和光純薬工業株式会社製)、1.1784gのLiOH・HO(和光純薬工業株式会社製)に略1.5倍体積のエタノールを加え、2mm径ジルコニアビーズおよびジルコニアポットを有する遊星ボールミルを用いて粉砕・混合後、減圧下50℃にて乾燥した。乾燥後の粉砕・混合物をアルミナ製るつぼに入れ、5体積%水素(H)/95体積%アルゴン(Ar)の混合ガスを200ml/分の流量で通気しながら、まず400℃にて5時間仮焼成した。取出した仮焼成後の原料2.1364gに、0.1097gの軟化温度200℃の精製石炭ピッチ[アドケムコ株式会社製MCP−200(商品名)]を加え、めのう乳鉢にて粉砕後、さらに同雰囲気で775℃にて10時間本焼成を行った(混合ガスは、昇温開始前から焼成中、さらに放冷後まで流通しつづけた)。これにより合成された正極材料は、粉末X線回折によりオリビン型結晶構造を有するLiFePOであると同定された。一方、酸化態不純物であるα−Fe、FePOなどや、それ以外の不純物の結晶回折ピークは全く認められなかった。
【0085】
また、元素分析から精製石炭ピッチの熱分解により生じた炭素が3.08重量%含有されていることが判ったものの、X線回折からは黒鉛結晶の回折ピークは認められなかったことから、非晶質炭素との複合体を形成していると推定された。また、結晶子サイズは、64nmであった。
【0086】
(2)2次電池の調製:
この正極材料と、導電性付与材としてのアセチレンブラック[デンカブラック(登録商標);電気化学工業株式会社製、50%プレス品]と、結着材としての未焼成PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粉とを重量比で70.6/24.4/5となるように混合・混練して、厚さ0.7mmのシート状に圧延し、これを直径1.0cmに打抜いたペレットを正極とした。
【0087】
その後、ステンレス製コイン電池ケース(型番CR2032)に金属チタン網、金属ニッケル網をそれぞれ正負極集電体としてスポット溶接し、前記正極及び金属リチウム箔負極を多孔質ポリエチレン製隔膜を介して組入れ、電解液として1MのLiPFを溶解したジメチルカーボネート/エチレンカーボネートの1/1混合溶液を満たして封入し、コイン型リチウム2次電池を作製した。正負極、隔膜、電解液等の一連の電池組立ては、アルゴン置換されたグローブボックス内で行った。
【0088】
以上のようにして得た正極材料を組み込んだ2次電池に対して、正極ペレットの見かけ面積当たりの電流密度0.5mA/cmおよび1.6mA/cmにて、3.0V〜4.0Vの作動電圧範囲で充放電を繰り返したところ、1〜20サイクルの平均初期放電容量は表1に示すとおりであった(初期放電容量は、生成物中の正極活物質量で規格化した)。
【0089】
比較例1
実施例1に対し、軟化温度200℃の精製石炭ピッチを仮焼成前の原料に加えて仮焼成および本焼成を行った以外は、実施例1と同様の合成方法によって正極材料オリビン型LiFePOを得た。
すなわち、実施例1と同量のFeC・2HO、(NHHPO、およびLiOH・HOに0.1940gの軟化温度200℃の精製石炭ピッチを加え、遊星ボールミルを用いて粉砕・混合、および乾燥後、アルミナ製るつぼ中で同一雰囲気にて400℃で5時間仮焼成し、粉砕後、さらに同雰囲気で775℃にて10時間本焼成した。得られた正極材料は、X線回折では実施例1とほとんど差異が見られず、また結晶子サイズは64nmであり、実施例1と差がなかった。また、元素分析から、精製石炭ピッチの熱分解により生じた炭素が3.04重量%含有されており、析出炭素量も実施例1と大きな差はないことが判明した。
【0090】
この正極材料について、実施例1と同様に構成したコイン型リチウム2次電池を作製し、実施例1と同様にして充放電サイクル試験を実施した。この1〜20サイクルの平均初期放電容量も表1に示した。
【0091】
表1に示すように、比較例1の初期放電容量については、水素添加および精製石炭ピッチの添加による効果が認められ、かなり大きな初期放電容量を示すが、実施例1では初期放電容量がさらに大きくなることが判る。
【0092】
以上から、実施例1に示されるように、水素を添加しながら原料を仮焼成および本焼成する際、軟化温度200℃の石炭ピッチを仮焼成後の原料に添加して本焼成することによって、正極材料LiFePOを用いた2次電池の初期放電容量が一層増加し、高性能化されたことが判る。
【0093】
この際、実施例1と比較例1の正極材料中の析出炭素含有量がほぼ同量であり、また、結晶子サイズにも差がなかったことから、実施例1においては、本焼成中に石炭ピッチから生じる炭素の正極材料粒子表面への析出が比較例1に比べより良好な状態で起こり、その結果、より高い正極性能がもたらされたことになる。これは以下の理由によるものと推定される。
第1に、200℃の軟化温度を持つ精製石炭ピッチが本焼成の昇温中に良好に融解する一方、原料の分解により生成するガスの大部分は仮焼成過程で放出されてしまい、本焼成中には原料からのガスはもはや少量しか発生しないため、精製石炭ピッチの融液は発泡することがない。第2に、添加した水素が石炭ピッチの融液の粘性を低下させるため、生成する正極材料粒子の表面にいっそう均一に広がり、その状態で熱分解されることにより、非常に均一に導電性炭素が析出する。以上のことから、極めて高い正極性能が得られたものと考えられる。
【0094】
実施例2
正極材料LiFePOを、以下の手順で合成した。
5.0161gのFe(PO・8HO(添川理化学株式会社製)、1.1579gのLiPO(和光純薬工業株式会社製)に略1.5倍体積のエタノールを加え、2mm径ジルコニアビーズおよびジルコニアポットを有する遊星ボールミルを用いて粉砕・混合後、減圧下50℃にて乾燥した。乾燥後の粉砕・混合物をアルミナ製るつぼに入れ、5体積%水素(H)/95体積%アルゴン(Ar)の混合ガスを200ml/分の流量で通気しながら、まず400℃にて5時間仮焼成した。取出した仮焼成後の原料4.0712gに、0.1879gの軟化温度200℃の精製石炭ピッチ[アドケムコ株式会社製MCP−200(商品名)]を加え、めのう乳鉢にて粉砕後、さらに同雰囲気で725℃にて10時間本焼成を行った(混合ガスは、昇温開始前から焼成中、さらに放冷後まで流通しつづけた)。これにより合成された正極材料は、粉末X線回折によりオリビン型結晶構造を有するLiFePOであると同定された。一方、酸化態不純物であるα−Fe、FePOなどや、それ以外の不純物の結晶回折ピークは認められなかった。
【0095】
また、元素分析から精製石炭ピッチの熱分解により生じた炭素が2.98重量%含有されていることが判ったものの、X線回折からは黒鉛結晶の回折ピークは認められなかったことから、非晶質炭素との複合体を形成していると推定された。また、結晶子サイズは、167nmであった。
【0096】
この正極材料を用い、実施例1と同様の条件で正極ペレットおよびコイン型リチウム2次電池を作製した。
【0097】
以上のようにして得た正極材料を組み込んだ2次電池に対して、正極ペレットの見かけ面積当たりの電流密度0.5mA/cmおよび1.6mA/cmにて、3.0V〜4.0Vの作動電圧範囲で充放電を繰り返したところ、1〜20サイクルの平均初期放電容量は表1に示すとおりであった(初期放電容量は、生成物中の正極活物質量で規格化した)。
【0098】
比較例2
実施例2に対し、軟化温度200℃の精製石炭ピッチを仮焼成前の原料に加えて仮焼成および本焼成を行った以外は、実施例2と同様の合成方法によって正極材料オリビン型LiFePOを得た。
すなわち、実施例2と同量のFe(PO・8HO(添川理化学株式会社製)、およびLiPO(和光純薬工業株式会社製)に0.1940gの軟化温度200℃の精製石炭ピッチを加え、遊星ボールミルを用いて粉砕・混合、および乾燥後、アルミナ製るつぼ中で同一雰囲気にて400℃で5時間仮焼成し、粉砕後、さらに同雰囲気で725℃にて10時間本焼成した。得られた正極材料は、X線回折では実施例2とほとんど差異が見られず、また結晶子サイズは162nmであり、実施例2とほとんど差がなかった。また、元素分析から、精製石炭ピッチの熱分解により生じた炭素が3.13重量%含有されており、析出炭素量にも実施例2と大きな差はないことが判明した。
【0099】
この正極材料について、実施例2と同様に構成したコイン型リチウム2次電池を作製し、実施例2と同様にして充放電サイクル試験を実施した。この1〜20サイクルの平均初期放電容量も表1に示した。
【0100】
表1に示すように、比較例2の初期放電容量については、水素添加および精製石炭ピッチ添加による効果が認められるが、実施例2では初期放電容量がさらに大きくなることが判る。この理由は実施例1の場合と同様であると考えられる。
【0101】
実施例3
正極材料LiFePOを、以下の手順で合成した。
実施例2と同量、即ち5.0161gのFe(PO・8HO(添川理化学株式会社製)、および1.1579gのLiPO(和光純薬工業株式会社製)に略1.5倍体積のエタノールを加え、2mm径ジルコニアビーズおよびジルコニアポットを有する遊星ボールミルを用いて粉砕・混合後、減圧下50℃にて乾燥した。乾燥後の粉砕・混合物をアルミナ製るつぼに入れ、5体積%水素(H)/95体積%アルゴン(Ar)の混合ガスを200ml/分の流量で通気しながら、まず400℃にて5時間仮焼成した。取出した仮焼成後の原料4.4762gに、0.5358gのデキストリン(和光純薬工業株式会社製)を加え、めのう乳鉢にて粉砕後、さらに同雰囲気で725℃にて10時間本焼成を行った(混合ガスは、昇温開始前から焼成中、さらに放冷後まで流通しつづけた)。これにより合成された正極材料は、粉末X線回折によりオリビン型結晶構造を有するLiFePOであると同定された。一方、酸化態不純物であるα−Fe、FePOなどや、それ以外の不純物の結晶回折ピークは認められなかった。
【0102】
また、元素分析からデキストリンの熱分解により生じた炭素が3.43重量%含有されていることが判ったものの、X線回折からは黒鉛結晶の回折ピークは認められなかったことから、非晶質炭素との複合体を形成していると推定された。また、結晶子サイズは、170nmであった。
【0103】
この正極材料を用い、実施例1と同様の条件で正極ペレットおよびコイン型リチウム2次電池を作製した。
【0104】
以上のようにして得た正極材料を組み込んだ2次電池に対して、正極ペレットの見かけ面積当たりの電流密度0.5mA/cmおよび1.6mA/cmにて、3.0V〜4.0Vの作動電圧範囲で充放電を繰り返したところ、1〜20サイクルの平均初期放電容量は表1に示すとおりであった(初期放電容量は、生成物中の正極活物質量で規格化した)。
【0105】
また、このコイン型リチウム2次電池の上記条件における10サイクル目の充放電特性を図2に示した。
【0106】
比較例3
実施例3に対し、デキストリンを仮焼成前の原料に加えて仮焼成および本焼成を行った以外は、実施例3と全く同様の合成方法によって正極材料オリビン型LiFePOを得た。
すなわち、実施例3と同量のFe(PO・8HO(添川理化学株式会社製)、およびLiPO(和光純薬工業株式会社製)に0.6600gのデキストリンを加え、遊星ボールミルを用いて粉砕・混合、および乾燥後、アルミナ製るつぼ中で同一雰囲気にて400℃にて5時間仮焼成し、粉砕後、さらに同雰囲気で725℃にて10時間本焼成した。得られた正極材料は、X線回折では実施例3とほとんど差異が見られず、また結晶子サイズは165nmであり、実施例3とほとんど差がなかった。また、元素分析から、デキストリンの熱分解により生じた炭素が3.33重量%含有されており、析出炭素量も実施例3と大きな差はないことが判明した。
【0107】
この正極材料について、実施例3と同様に構成したコイン型リチウム2次電池を作製し、実施例3と同様にして充放電サイクル試験を実施した。この1〜20サイクルの平均初期放電容量も表1に示した。また、このコイン型リチウム2次電池の10サイクル目の充放電特性を図3に示した。
【0108】
表1に示すように、比較例3の初期放電容量については、水素添加およびデキストリン添加による効果が認められるが、実施例3では初期放電容量がさらに大きくなることが判る。この理由は実施例1の場合と同様であると考えられる。
【0109】
また、図2と図3とを比較すると、仮焼成後の原料にデキストリンを加えた実施例3は、仮焼成前の原料にデキストリンを添加した比較例3に比べて理論容量(170mAh/g)により近い値まで充放電電圧の平坦域を有しており、充電電圧と放電電圧との差も充分に少ないことから、充放電特性に優れていることが理解される。
【0110】
参考例1
正極材料LiFePOを、以下の手順で合成した。
5.0532gのFeC・2HO(和光純薬工業株式会社製)、3.7094gの(NHHPO(和光純薬工業株式会社製)、および1.1784gのLiOH・HO(和光純薬工業株式会社製)に0.1220gのアセチレンブラック[電気化学工業社製デンカブラック(登録商標;50%プレス品)]を加え、めのう製自動乳鉢を用いて粉砕・混合した。この粉砕・混合物をアルミナ製るつぼに入れ、5体積%水素(H)/95体積%アルゴン(Ar)の混合ガスを200ml/分の流量で通気しながら、まず400℃にて5時間仮焼成し、取出してめのう乳鉢にて粉砕後、さらに同雰囲気で775℃にて10時間本焼成を行った(混合ガスは、昇温開始前から焼成中、さらに放冷後まで流通しつづけた)。これにより合成された正極材料は、粉末X線回折によりオリビン型結晶構造を有するLiFePOであると同定された。一方、酸化態不純物であるα−Fe、FePOの結晶回折ピークは全く認められなかった。
【0111】
また、元素分析からアセチレンブラック由来の炭素が2.84重量%含有されていることが判った。また、結晶子サイズは、111nmであった。
【0112】
この正極材料を用い、実施例1と同様の条件で正極ペレットおよびコイン型リチウム2次電池を作製した。
【0113】
以上のようにして得た正極材料を組み込んだ2次電池に対して、正極ペレットの見かけ面積当たりの電流密度0.5mA/cmおよび1.6mA/cmにて、3.0V〜4.0Vの作動電圧範囲で充放電を繰り返したところ、1〜20サイクルの平均初期放電容量は表1に示すとおりであった(初期放電容量は、生成物中の正極活物質量で規格化した)。
【0114】
比較例4
参考例1に対し、同一のアセチレンブラックを仮焼成後の原料に加えて仮焼成および本焼成を行った以外は、参考例1と全く同様の合成方法によって正極材料オリビン型LiFePOを得た。
すなわち、参考例1と同量のFeC・2HO、および(NHHPO、および1.1784gのLiOH・HOをめのう製自動乳鉢を用いて粉砕・混合し、この粉砕・混合物をアルミナ製るつぼに入れ、5体積%水素(H)/95体積%アルゴン(Ar)の混合ガスを200ml/分の流量で通気しながら、まず400℃にて5時間仮焼成した。取出した仮焼成後の原料2.1856gに0.0707gのアセチレンブラック(50%プレス品)を加え、めのう製自動乳鉢にて粉砕、混合後、さらに同雰囲気で775℃にて10時間本焼成した(混合ガスは、昇温開始前から焼成中、さらに放冷後まで流通しつづけた)。これにより合成された正極材料は、粉末X線回折によりオリビン型結晶構造を有するLiFePOであると同定された。一方、酸化態不純物であるα−Fe、FePOの結晶回折ピークは認められなかった。
【0115】
また、元素分析からアセチレンブラック由来の炭素が2.76重量%含有されていることが判った。また、結晶子サイズは、122nmであった。従って、炭素含有量、結晶子サイズは参考例1と大差なかった。
【0116】
この正極材料を用い、参考例1と同様の条件で正極ペレットおよびコイン型リチウム2次電池を作製し、参考例1と同様にして充放電サイクル試験を実施した。この1〜20サイクルの平均初期放電容量も表1に示した。
【0117】
表1に示すように、参考例1の初期放電容量は比較的良好であり、導電性炭素としてのアセチレンブラックおよび水素添加による効果が認められる。また、参考例1では初期放電容量が比較例4に比べて大きくなっており、既に不融状態にあり、かつ炭化しているアセチレンブラックを添加する場合は、仮焼成前の原料に添加して本焼成を行う方が、正極性能が高くなることがわかる。
【0118】
【表1】

Figure 0004297406
【0119】
実施例4
正極材料LiFePOを、以下の手順で合成した。
5.0532gのFeC・2HO(和光純薬工業株式会社製)、3.7094gの(NHHPO(和光純薬工業株式会社製)、および1.1784gのLiOH・HO(和光純薬工業株式会社製)に0.0610gのアセチレンブラック[電気化学工業株式会社製デンカブラック(登録商標;50%プレス品)]を加え、めのう製自動乳鉢を用いて粉砕・混合した。この粉砕・混合物をアルミナ製るつぼに入れ、5体積%水素(H)/95体積%アルゴン(Ar)の混合ガスを200ml/分の流量で通気しながら、まず400℃にて5時間仮焼成した。取出した仮焼成後の原料2.2430gに0.0576gの軟化温度200℃精製石炭ピッチを加え、めのう乳鉢にて粉砕・混合後、さらに同雰囲気で775℃にて10時間本焼成を行った(混合ガスは、昇温開始前から焼成中、さらに放冷後まで流通しつづけた)。これにより合成された正極材料は、粉末X線回折によりオリビン型結晶構造を有するLiFePOであると同定された。一方、酸化態不純物であるα−Fe、FePOの結晶回折ピークは全く認められなかった。
【0120】
また、元素分析から、精製石炭ピッチの熱分解により生じた炭素、およびアセチレンブラック由来の炭素が合計3.27重量%含有されていることが判った。また、結晶子サイズは、74nmであった。
【0121】
この正極材料を用い、実施例1と同様の条件で正極ペレットおよびコイン型リチウム2次電池を作製した。
以上のようにして得た正極材料を組み込んだ2次電池に対して、正極ペレットの見かけ面積当たりの電流密度0.5mA/cmおよび1.6mA/cmにて、3.0V〜4.0Vの作動電圧範囲で充放電を繰り返したところ、1〜20サイクルの平均初期放電容量は表2に示すとおりであった(初期放電容量は、生成物中の正極活物質量で規格化した)。このように仮焼成前に導電性炭素としてのアセチレンブラックを添加するとともに、仮焼成後に導電性炭素前駆物質としての精製石炭ピッチを添加することによって得られる正極材料は、2次電池の放電容量を大きくし、正極性能を向上させることが示された。
【0122】
【表2】
Figure 0004297406
【0123】
実施例5
正極材料LiFePOを、以下の手順で合成した。
5.0161gのFe(PO・8HO(添川理化学株式会社製)、1.1579gのLiPO(和光純薬工業株式会社製)に略1.5倍体積のエタノールを加え、2mm径ジルコニアビーズおよびジルコニアポットを有する遊星ボールミルを用いて粉砕・混合後、減圧下50℃にて乾燥した。乾燥後の粉砕・混合物をアルミナ製るつぼに入れ、100体積%アルゴン(Ar)ガスを200ml/分の流量で通気しながら、まず400℃にて5時間仮焼成した。取出した仮焼成後の原料4.1248gに、0.1904gの軟化温度200℃の精製石炭ピッチ[アドケムコ株式会社製MCP−200(商品名)]を加え、めのう乳鉢にて粉砕後、さらに同雰囲気で700℃にて10時間本焼成を行った(ガスは、昇温開始前から焼成中、さらに放冷後まで流通しつづけた)。これにより合成された正極材料は、粉末X線回折によりオリビン型結晶構造を有するLiFePOであると同定された。一方、酸化態不純物であるα−Fe、FePOなどや、それ以外の不純物の結晶回折ピークは認められなかった。
【0124】
また、元素分析から精製石炭ピッチの熱分解により生じた炭素が3.16重量%含有されていることが判ったものの、X線回折からは黒鉛結晶の回折ピークは認められなかったことから、非晶質炭素との複合体を形成していると推定された。また、結晶子サイズは、194nmであった。
【0125】
この正極材料を用い、実施例1と同様の条件で正極ペレットおよびコイン型リチウム2次電池を作製した。
【0126】
以上のようにして得た正極材料を組み込んだ2次電池に対して、正極ペレットの見かけ面積当たりの電流密度0.5mA/cmおよび1.6mA/cmにて、3.0V〜4.0Vの作動電圧範囲で充放電を繰り返したところ、1〜20サイクルの平均初期放電容量は表3に示すとおりであった(初期放電容量は、生成物中の正極活物質量で規格化した)。
【0127】
また、このコイン型リチウム2次電池の上記条件における10サイクル目の充放電特性を図4に示した。
【0128】
比較例5
実施例5に対し、軟化温度200℃の精製石炭ピッチを仮焼成前の原料に加えて仮焼成および本焼成を行った以外は、実施例5と同様の合成方法によって正極材料オリビン型LiFePOを得た。
すなわち、実施例5と同量のFe(PO・8HO(添川理化学株式会社製)、およびLiPO(和光純薬工業株式会社製)に0.1940gの軟化温度200℃の精製石炭ピッチを加え、遊星ボールミルを用いて粉砕・混合、および乾燥後、アルミナ製るつぼ中で同一のアルゴン雰囲気にて400℃で5時間仮焼成し、粉砕後、さらに同雰囲気で700℃にて10時間本焼成した。得られた正極材料は、X線回折では実施例5とほとんど差異が見られず、また結晶子サイズは189nmであり、実施例5とほとんど差がなかった。また、元素分析から、精製石炭ピッチの熱分解により生じた炭素が3.04重量%含有されており、析出炭素量にも実施例5と大きな差はないことが判明した。
【0129】
この正極材料について、実施例5と同様に構成したコイン型リチウム2次電池を作製し、実施例5と同様にして充放電サイクル試験を実施した。この1〜20サイクルの平均初期放電容量も表3に示した。
【0130】
また、このコイン型リチウム2次電池の上記条件における10サイクル目の充放電特性を図5に示した。
【0131】
表3に示すように、仮焼成前の原料に精製石炭ピッチを添加した比較例5についても、比較的大きな初期放電容量を示し、精製石炭ピッチ添加による効果が認められるが、仮焼成後の原料に精製石炭ピッチを添加した実施例5では初期放電容量がさらに大きくなることが判る。
【0132】
また、図4と図5を比較すると、仮焼成後に石炭ピッチを加えた実施例5は、仮焼成前に石炭ピッチを加えた比較例5に比べて、より大きな容量値まで充放電電圧の平坦域を有しており、充電電圧と放電電圧の差も少ないことから、充放電特性に優れていることが理解される。
【0133】
従って、水素を含まない100%アルゴンの焼成雰囲気の場合においても、仮焼成後の原料に石炭ピッチを添加することで、より高い正極性能が得られることが判った。
【0134】
なお、実施例5のように、デキストリンに比べて溶融時の粘性が比較的低い精製石炭ピッチを用いた場合は、必ずしも水素を焼成雰囲気に添加させなくとも、得られる正極材料が比較的大きな放電容量を示す場合がある。
【0135】
【表3】
Figure 0004297406
【0136】
【発明の効果】
本発明方法によれば、正極材料の1次粒子の結晶成長を抑制して、得られる正極材料の結晶粒子を細粒化することができる。すなわち、導電性炭素前駆物質および/または導電性炭素を所定のタイミングで添加して、好ましくは水素および/または水分(水または水蒸気)を供給しながら正極材料の原料を焼成することにより、生じる正極材料の1次粒子を効率的に細粒化させ、さらに導電性炭素が均一かつ安定に正極材料中に存在した状態を作り出すことが可能になり、より高い正極性能を得ることができる。
【0137】
また、本発明方法によれば、原料の焼成が不十分で最終製品にまで化学変化しなかったり、中間生成物が残留したりする恐れはなく、焼成によって目的の正極材料を原料から確実に合成できる。
【0138】
また、水素および/または水分は、強い結晶成長抑制作用および加熱により導電性炭素を析出する物質の正極材料への付着状態を改善する強い作用を持つとともに、取り扱いが容易であり、しかも安価であるため、効率的である。
【0139】
また、上記方法によって製造された正極材料を用いた本発明の2次電池は、正極材料の結晶粒子が細粒化されているので、正極材料と電解質との界面においてリチウムイオンを初めとするアルカリ金属イオンの脱ドープ/ドープを伴う電気化学的酸化/還元を該正極材料が受ける際の表面積が大きく、正極材料の粒子内部と電解質との界面でアルカリ金属イオンが容易に出入りできるため、電極反応分極が抑制される。さらに、正極材料に通例混合されるカーボンブラック等の導電性付与材と正極材料との接触が著しく向上するため、導電性が改善されており、正極材料の活物質としての利用率が高く、セル抵抗の小さい、電圧効率と有効電池放電容量が著しく向上した2次電池である。
【図面の簡単な説明】
【図1】2次電池の充放電挙動の説明に供する模式図。
【図2】実施例3で得たコイン型2次電池の充放電特性を示すグラフ図面。
【図3】比較例3で得たコイン型2次電池の充放電特性を示すグラフ図面。
【図4】実施例6で得たコイン型2次電池の充放電特性を示すグラフ図面。
【図5】比較例5で得たコイン型2次電池の充放電特性を示すグラフ図面。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a secondary battery positive electrode material and a secondary battery having the positive electrode material, and more specifically, for example, an alkali metal such as lithium or sodium, or a metal lithium battery using these compounds as active materials. The present invention relates to a method for producing a positive electrode material used for a secondary battery represented by a lithium ion battery, a lithium polymer battery, and the like, and a secondary battery having a positive electrode material produced by the method.
[0002]
[Prior art]
Metal oxides used in secondary batteries such as metal lithium batteries, lithium ion batteries, and lithium polymer batteries, and oxides in which metal atoms are partially substituted, and LiFePO4, LiCoPO4Phosphate such as Fe2(SO4)3In a positive electrode material such as sulfate such as lithium, an electrode oxidation-reduction reaction proceeds in a form accompanied by doping / dedoping of alkali metal ions such as lithium during discharge or charging. Such secondary batteries have recently attracted attention as large-capacity batteries. However, in the positive electrode of these batteries, since the rate of alkali metal ions moving inside the electrode material by solid phase diffusion limits the electrode reaction rate, the electrode reaction polarization during charging and discharging is generally large, and a relatively large current It is difficult to charge and discharge at a density. When this polarization is particularly large, charging / discharging does not proceed sufficiently under normal voltage / current density conditions, and only a capacity much smaller than the theoretical capacity can be used. In addition, metal oxides, phosphates, sulfates, metal oxoacid salts, and the like that are often used for these positive electrode materials generally have a low electrical conductivity, which also increases the polarization of the electrode reaction.
[0003]
In order to improve the above problems, it is effective to make the crystal particles of the positive electrode material fine so that alkali metal ions can easily enter and exit the particles. Further, if the crystal grains are made finer, the contact area between the positive electrode material and the conductivity imparting material such as carbon black, which is usually mixed with the positive electrode material, is increased, so that the conductivity is improved. It is possible to improve voltage efficiency and effective battery capacity as well as reducing polarization.
[0004]
For this purpose, in the synthesis of the positive electrode material by firing, in recent years, the cathode temperature is reduced by using a highly reactive raw material and the firing time is restricted to further suppress the crystal growth of the positive electrode material, and the positive electrode material having a small particle size. Attempts have been reported. For example, LiFePO, which is a positive electrode material for lithium secondary batteries4In the production of LiOH · H, which is highly reactive as a lithium raw material2By using O, the firing temperature is lowered to 675 ° C., which is lower than usual (usually about 800 to 900 ° C.), and firing is carried out in argon for a relatively short time (about 24 hours). (The 40th Battery Discussion Session Announcement 3C14 (Preliminary Proceedings, p349, 1999); The Electrochemical Society of Japan (Japan)) has been made.
[0005]
Further, although it is not a method for suppressing the crystal growth of the electrode material, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-15111 discloses a chemical formula AaMmZzOoNnFf(In the formula, A is an alkali metal, M is Fe, Mn, V, Ti, Mo, Nb, W or other transition metal, Z is S, Se, P, As, Si, Ge, B, Sn or other non-metal. ) By depositing carbon on the surface of particles of complex oxides (including oxoacid salts such as sulfates, phosphates, silicates, etc.) represented by A method of improving efficiency by homogenizing and stabilizing the composite oxide particles, the current collector (conductivity-imparting) material, and the electric field across the electrolyte interface during the process of electrode redox reaction is disclosed. Has been. In this method, as a method for precipitating carbon on the particle surface of the composite oxide, organic substances (polymer, monomer, low molecule, etc.) that precipitate carbon by thermal decomposition are coexistent, or carbon monoxide is added. Has been proposed (there is coexistence with the raw material of the composite oxide, it is possible to obtain a composite of the composite oxide and surface carbon by reacting at a time under reducing conditions, ). By these means, in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-15111, the above-described improvement in the conductivity of the surface of the composite oxide particles is realized.4When a Li polymer battery is constructed by preparing a composite in which carbon is deposited on the surface of positive electrode material particles such as, a high electrode performance such as a large discharge capacity is obtained.
[0006]
Furthermore, according to JP 2002-110163 A, the general formula LixFePO4(However, 0 <x ≦ 1) A compound raw material is mixed, milled, and calcined at any point of firing, and the oxygen concentration in the firing atmosphere is 1012 ppm ( A method for producing a positive electrode active material with a volume) or less has been proposed. In the method described in this publication, LiFePO synthesized by firing is used.4Fe in the carbon composite is oxidized by oxygen in the firing atmosphere, and a trivalent Fe compound (Fe2O3) And other impurities are produced and LiFePO4In order to prevent the single phase synthesis from being hindered, it is also suggested to add a reducing gas such as an inert gas or hydrogen for the purpose of suppressing the oxygen concentration to 1012 ppm (volume).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
When the positive electrode material is synthesized by firing, such as the method of the 40th Battery Conference Presentation 3C14 (ibid. P349, 1999), firing is insufficient when the temperature is lowered or the firing time is shortened. As a result, there is a risk that the final product may not be chemically changed or an intermediate product may remain, so that there is a limit to the method of atomization.
[0008]
Further, the method of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-15111 is effective for improving the surface conductivity of the electrode material, but there is no description about the suppression of crystal growth during the synthesis of the electrode material. There is no description of a method for more suitably controlling the deposition of carbon on the material in terms of electrode performance.
[0009]
In the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-110163, the meaning of the non-oxygen atmosphere is none other than to prevent oxidation of Fe during the firing process as described above. In addition, the carbon material added by the method described in this publication is an amorphous carbon material such as acetylene black, and it can be added to the fired raw material.4"Carbon composite" is referred to as "LiFePO4As it is clear from the definition that `` the particle surface has many carbon material particles attached '', the added carbon material adheres between the positive electrode active material particles and improves the electron conductivity. Stop to let. For this reason, in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-110163, there is no technical idea that, for example, conductive carbon is uniformly deposited on the positive electrode active material. In addition, no consideration has been given to conditions for allowing the carbon material to exist in a more desirable form in terms of electrode performance, and only a simple temperature raising process is employed for the firing conditions.
[0010]
The object of the present invention is to reliably synthesize the desired positive electrode material from the raw material by firing, and to suppress the crystal growth of the primary particles of the positive electrode material to make it finer and to impart excellent conductivity. It is another object of the present invention to provide a novel method for producing a positive electrode material for a secondary battery, and further, lithium is first introduced between the inside of the positive electrode material particle and the electrolyte by reducing the size of the positive electrode material and optimizing the conductivity. This increases the contact efficiency between the positive electrode material and the conductivity-imparting material, improves the conductivity, and improves the voltage efficiency and the effective battery capacity. The object is to provide a secondary battery.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  To solve the above problem,First aspectThe invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material ofGround and mixedRaw materialsIn the absence of oxygen gasBakedContains alkali metals, transition metals and oxygenIn a method for producing a positive electrode material for a secondary battery for producing a positive electrode material, the firing process includes a first stage from room temperature to 300 ° C. to 450 ° C. and a second stage from room temperature to the firing completion temperature, and thermal decomposition A substance capable of generating conductive carbon is added to the raw material after the first stage baking, and then the second stage baking is performed.
[0012]
According to the invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material, the substance that can generate conductive carbon by thermal decomposition is added to the raw material after the first stage baking, and the second stage baking is performed. A substance capable of generating conductive carbon by decomposition can be prevented from foaming by a gas generated by decomposition of the raw material during firing. As a result, the substance in the molten state spreads more uniformly on the surface of the positive electrode material in a molten state, and pyrolytic carbon can be deposited more uniformly. For this reason, the surface conductivity of the positive electrode material obtained is further improved, and the contact is firmly stabilized.
[0013]
  Also,Second aspectThe invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material ofGround and mixedRaw materialsIn the absence of oxygen gasBakedContains alkali metals, transition metals and oxygenIn the method for manufacturing a positive electrode material for a secondary battery that manufactures a positive electrode material, the firing process includes a first stage from room temperature to 300 ° C. to 450 ° C. and a second stage from room temperature to a firing completion temperature, After adding carbon to the raw material before the first stage baking and adding a substance capable of generating conductive carbon by thermal decomposition to the raw material after the first stage baking, the second stage baking. It is characterized by performing.
[0014]
  According to the invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material,The first aspectIn addition to the same action and effect, by adding conductive carbon to the raw material before firing in the first stage and performing firing, the contact time between the heat-reacting raw material and the conductive carbon can be increased. In the meantime, the diffusion of the constituent elements of the positive electrode material caused by the reaction causes the positive electrode material to enter the carbon grain boundaries to form a more uniform and stable carbon-positive electrode material composite. Sintering can be effectively prevented.
[0015]
  Also,Third aspectThe secondary battery positive electrode material manufacturing method according to the present invention is a secondary battery positive electrode material manufacturing method in which a raw material is fired to produce a positive electrode material, wherein the firing step is a first stage from room temperature to 300 ° C. to 450 ° C. And a second stage from normal temperature to a firing completion temperature, and conducting firing by adding conductive carbon to the raw material before firing in the first stage.
[0016]
According to the invention of the method for producing a secondary battery positive electrode material, crystal growth of the primary particles of the positive electrode material can be suppressed, and the crystal particles of the obtained positive electrode material can be refined. That is, by adding conductive carbon to the raw material before firing in the first stage and performing firing, the contact time between the raw material to be heated and the conductive carbon can be increased, and the positive electrode generated by the reaction during that time By diffusion of the constituent elements of the material, the positive electrode material enters the grain boundary of the conductive carbon, and a more uniform and stable carbon-positive electrode material composite can be formed.
[0017]
  Also,Fourth aspectThe invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material of the1st aspect or 2nd aspectIn the above, the substance capable of generating conductive carbon by the thermal decomposition is bitumen. Bitumens can produce conductive carbon by thermal decomposition and impart conductivity to the positive electrode material.
[0018]
  Also,Fifth aspectThe invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material ofThe fourth aspectIn the above, the bitumens are in the range of softening temperature from 80 ° C to 350 ° C, the weight loss starting temperature by thermal decomposition is in the range of 350 ° C to 450 ° C, and the thermal decomposition / firing is from 500 ° C to 800 ° C. This is a coal pitch capable of depositing conductive carbon.
[0019]
The coal pitch having such properties is very inexpensive and melts during firing and spreads uniformly on the surface of the raw material particles during firing, and after pyrolysis, carbon precipitates exhibiting high conductivity are obtained. It is a substance having excellent properties as a substance capable of producing conductive carbon.
[0020]
  Also,Sixth aspectThe invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material ofThe first aspect or the second aspectIn the method, the substance capable of generating conductive carbon by the thermal decomposition is a saccharide. By using saccharides, a more excellent crystal growth suppressing effect and conductivity imparting effect can be obtained at the same time. Saccharide generates conductive carbon by thermal decomposition and imparts conductivity to the positive electrode material. In addition, many hydroxyl groups contained in the saccharide strongly interact with the raw material and the generated positive electrode material particle surface, thereby suppressing crystal growth. It is because it is estimated that it also has an effect | action.
[0021]
  Also,Seventh aspectThe invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material ofThe sixth aspectIn the above, the saccharide is decomposed in a temperature range of 250 ° C. or higher and lower than 500 ° C., and at least partially takes a melt state once in the temperature rising process from 150 ° C. to decomposition, and further 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. It is a saccharide that produces conductive carbon by thermal decomposition until. The saccharide having such specific properties is suitably coated on the surface of the positive electrode material particles during the heating reaction by melting, and deposits conductive carbon well on the surface of the positive electrode material particles generated after the thermal decomposition. In this process, crystal growth is suppressed as described above. For this reason, the saccharide | sugar of the said specific property has the outstanding crystal growth inhibitory effect and electroconductivity provision effect.
[0022]
  Also,Eighth aspectThe invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material ofAny one of the first to seventh aspects1 or 2 or more types selected from the group consisting of hydrogen, water and water vapor are added at a temperature of at least 500 ° C. in the second stage firing. According to this feature, it is possible to suppress the crystal growth of the primary particles of the positive electrode material and to refine the crystal particles of the obtained positive electrode material.
[0023]
  That is, in the firing including the first stage from room temperature to 300 ° C. to 450 ° C. and the second stage from room temperature to the firing completion temperature, conductive carbon is generated by thermal decomposition in the raw material after the first stage firing. In the case where hydrogen and / or moisture (water or water vapor) is added at least at a temperature of 500 ° C. or higher after adding the substance to be obtained,The first aspectIn addition to the effects described above, the primary particles of the positive electrode material produced can be efficiently finely divided, and the conductive carbon can be deposited on the positive electrode material particles more uniformly and stably, so that higher positive electrode performance can be obtained. In this process, if hydrogen (including hydrogen generated from moisture) comes into contact with a conductive carbon precursor that melts and pyrolyzes by heating, the melt viscosity of the substance is reduced, presumably through a hydrogenation reaction, which is even better. A carbon deposition state can be realized.
[0024]
  In addition, in the firing including the first stage from room temperature to 300 ° C. to 450 ° C. and the second stage from room temperature to the firing completion temperature, conductive carbon is added to the raw material before firing in the first stage. After firing, a substance capable of generating conductive carbon by thermal decomposition is added to the raw material after the first stage firing, followed by a second stage firing. At least in the temperature range of 500 ° C. or higher, hydrogen and Also when adding moisture (water or water vapor)The second aspectIn addition to the effects described above, primary particles of the positive electrode material produced can be efficiently finely divided, and conductive carbon can be deposited on the positive electrode material particles more uniformly and stably, and higher positive electrode performance can be obtained.
[0025]
  In addition, in the firing including the first stage from room temperature to 300 ° C. to 450 ° C. and the second stage from room temperature to the firing completion temperature, conductive carbon is added to the raw material before firing in the first stage. When firing and adding hydrogen and / or moisture (water or water vapor) at least in the temperature range of 500 ° C. or higher of the second stage firing,The third aspectIn addition to the effects described above, the primary particles of the positive electrode material that are produced can be efficiently finely divided.
[0026]
In addition, according to the method of the present invention, there is no fear that the raw material is insufficiently fired and does not chemically change to the final product, or the intermediate product remains, and the target positive electrode material is reliably synthesized from the raw material by firing. it can.
[0027]
In addition, hydrogen and / or moisture have a strong crystal growth suppressing action and a strong action to improve the adhesion state of substances that deposit conductive carbon by thermal decomposition to the positive electrode material, and are easy to handle and inexpensive. Therefore, it is efficient.
[0028]
Further, the substance capable of generating conductive carbon by the thermal decomposition is bitumen, and in particular, the softening temperature is in the range of 80 ° C. to 350 ° C., and the weight loss starting temperature by the thermal decomposition is in the range of 350 ° C. to 450 ° C. In the case where the coal pitch is capable of producing conductive carbon by pyrolysis / firing at 500 ° C. to 800 ° C., the coal pitch is melted and pyrolyzed by heating during the second stage firing, In a temperature range of at least 500 ° C. or higher, it comes into contact with hydrogen and / or moisture (water or water vapor), so that the conductive carbon deposited on the resulting positive electrode material particles is better in terms of positive electrode performance. Improved to the condition.
[0029]
The substance capable of generating conductive carbon by the thermal decomposition is decomposed in saccharides, particularly in a temperature range of 250 ° C. or higher and lower than 500 ° C., and at least partially once in the temperature rising process from 150 ° C. to decomposition. In the case of a saccharide (for example, dextrin, etc.) that takes a melt state and can generate conductive carbon by thermal decomposition and calcination to 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, In the process of melting and pyrolysis by heating, it comes into contact with hydrogen and / or moisture (water or water vapor) at least in the temperature range of 500 ° C. or more. The state is improved to a better state in terms of positive electrode performance.
[0030]
  Also,Ninth aspectThe invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material ofAny one of the first to eighth aspectsThe cathode material contains an alkali metal, a transition metal and oxygen, and is synthesized by firing the raw material in the absence of oxygen gasBe doneCompound (hereinafter sometimes referred to as "transition metal compound").
[0031]
When the positive electrode material is such a transition metal compound, it can be fired in the absence of oxygen gas when the raw material is added with conductive carbon and / or a substance capable of generating conductive carbon by heating. In addition, the conductive carbon can be favorably deposited on the surface of the positive electrode material of the obtained transition metal compound without burning out. Furthermore, when one or more selected from the group consisting of hydrogen, water and water vapor is added and the raw material is fired in the absence of oxygen gas, the resulting positive electrode material crystal particles are made finer. In particular, the deposition state of a substance capable of producing conductive carbon by thermal decomposition can be well controlled in terms of positive electrode performance. In addition, since hydrogen also has reducibility, it is generated by oxidation with residual oxygen, which is unavoidable even in firing in the absence of oxygen gas, or oxidized impurities (for example, positive electrode material LiFe that originally existed in the raw material).2+PO4Lithium deficient oxidation impurity Fe3+PO4And oxidized oxide Fe2O3Etc., which generally leads to a decrease in the discharge capacity of the battery) is reduced by the action of hydrogen having reducibility and changes to the target positive electrode material, so that the oxidation impurities are mixed into the positive electrode material. It can also be prevented. In addition, when water or water vapor (hereinafter referred to as “moisture”) is added, conductive carbon or a substance capable of producing conductive carbon by heating reacts with moisture during firing, so that hydrogen is generated. It produces the same effect as the reaction.
[0032]
Further, depending on the method of selection of the raw material, the transition metal element in the raw material has a higher valence than the transition metal element in the positive electrode material, and only in the process of firing in the absence of oxygen gas, the target In some cases, the transition metal element in the positive electrode material does not have the same valence. Even in such a case, it is possible to reduce the generated positive electrode material as much as necessary by adding hydrogen having a necessary and sufficient reducibility to the raw material (or hydrogen generated secondarily from moisture). The intended positive electrode material can be obtained. Furthermore, the transition metal element in the raw material has a higher valence than the transition metal element in the positive electrode material, and is the same as the transition metal element in the target positive electrode material only by firing in the absence of oxygen gas. Even in the case where the valence is not reached, the target cathode material may be obtained by performing necessary and sufficient reduction by firing in the presence of hydrogen.
[0033]
  Also,Tenth aspectThe invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material ofThe ninth stateIn the above, the positive electrode material is M(1) aM(2) xAyOz[Where M(1)Represents Li or Na, M(2)Represents Fe (II), Co (II), Mn (II), Ni (II), V (II) or Cu (II), A represents P or S, and a is a number selected from 0 to 3(However, 0 is not included), X represents a number selected from 1 to 2, y represents a number selected from 1 to 3, z represents a number selected from 4 to 12, respectively] or a complex thereof It is characterized by.
[0034]
  Also,Eleventh aspectThe invention of the manufacturing method of the secondary battery positive electrode material ofNinth aspectIn the above, the positive electrode material is LiqFePO4, LiqCoPO4Or LiqMnPO4(Where q is a number selected from 0 to 1)(However, 0 is not included)It is characterized by being a substance represented by the general formula (2) or a complex thereof.
[0035]
  the aboveTenth and eleventh aspectsAs for the positive electrode material described in the above, a compound having a transition element having the same valence as that in the target positive electrode material can be adopted as the raw material, and the target material is calcined from the raw material in an oxygen-free condition (for example, in an inert gas). It is possible to synthesize a positive electrode material. For this reason, even if conductive carbon, a substance that can generate conductive carbon by thermal decomposition, and hydrogen gas having reducibility are added during firing, it can be avoided that it is burned and consumed. In addition, firing can be stably controlled without causing a significant increase in local temperature. In addition, particularly in the case of these positive electrode material systems, when hydrogen or the like is added and baked, the valence of the central metal element [Fe, Co, Mn, Ni, V, Cu, etc.] is further increased by the reducing power. It is difficult for the impurities (for example, a metallic state) to occur in the positive electrode material.
[0036]
  Also,12th aspectThe invention of the secondary battery ofAny one of the first to eleventh aspectsThe positive electrode material manufactured by the method described in 1 is included as a constituent element. In the secondary battery using the positive electrode material manufactured by the method of the present invention, since the crystal particles of the positive electrode material are finely divided, the removal of alkali metal ions such as lithium ions at the interface between the positive electrode material and the electrolyte is eliminated. Electrode oxidation / reduction accompanied by doping / doping has a large surface area when the positive electrode material is subjected to it, and since alkali metal ions can easily enter and exit at the interface between the particles of the positive electrode material and the electrolyte, electrode reaction polarization is suppressed. The Furthermore, since the contact between the positive electrode material and the conductivity imparting material such as carbon black, which is usually mixed with the positive electrode material, is remarkably improved, the conductivity is improved, and the utilization rate of the positive electrode material as the active material is high. It is a secondary battery having a small resistance and a markedly improved voltage efficiency and effective battery discharge capacity.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The secondary battery positive electrode material manufacturing method of the present invention is a secondary battery positive electrode material manufacturing method in which a raw material is fired to produce a positive electrode material, wherein the firing step is a first stage from room temperature to 300 ° C. to 450 ° C. And a second stage from normal temperature to the completion temperature of firing, and (1) a substance capable of producing conductive carbon by thermal decomposition (hereinafter referred to as “conductive carbon precursor”) after firing in the first stage After the addition to the raw material, the second stage firing is performed, or (2) conductive carbon is added to the raw material before the first stage firing and the firing is performed, or the above (1) and (2) This is done by doing both. In a particularly preferred embodiment, in addition to the above (1) and / or (2), one or more selected from the group consisting of hydrogen, water and water vapor is at least 500 ° C. in the second stage firing. It is better implemented by adding at temperature.
[0038]
In the present invention, “adding” gaseous hydrogen or water vapor includes firing the raw material in the presence of a gas such as hydrogen (ie, in a hydrogen atmosphere).
[0039]
<Positive electrode material>
As the positive electrode material in the present invention, for example, a compound that contains an alkali metal, a transition metal, and oxygen and can be synthesized by firing the raw material in the absence of oxygen gas is preferable. More specifically, as the positive electrode material, for example, M( 1 ) AM( 2 ) XAyOz[Where M( 1 )Represents Li or Na, M( 2 )Represents Fe (II), Co (II), Mn (II), Ni (II), V (II) or Cu (II), A represents P or S, and a represents a number selected from 0 to 3. , X represents a number selected from 1 to 2, y represents a number selected from 1 to 3, z represents a number selected from 4 to 12, respectively] or a complex thereof Can do. Here, (II), (III), etc. are transition metal elements M(2)X, y, and z are values satisfying the stoichiometric (electrical) neutral condition of the material. M(2)Includes a plurality of combinations of elements having the same valence among the transition metal elements exemplified above [for example, M(2)This corresponds to the case where is Fe (II) Co (II) or Fe (II) Mn (II). At this time, the total number of moles of Fe (II) and Co (II) or Fe (II) and Mn (II) is x moles per mole of Li (M above)(1)= Li and a = 1)]].
[0040]
These substances can generally be synthesized from the raw material by firing in the absence of oxygen gas (ie, in an inert gas atmosphere such as argon, nitrogen, helium, etc.), and their crystal skeleton structure (spinel type, olivine type) In general, a NASICON type is used, but when it hardly changes due to electrochemical redox, it can be used as a positive electrode material for an alkali metal secondary battery capable of repeated charge and discharge. As the positive electrode material, the state of these substances as they are corresponds to the discharge state, and the alkali metal M is obtained by electrochemical oxidation at the interface with the electrolyte.( 1 )Central metal element M with undoping(2)Is oxidized and charged. When subjected to electrochemical reduction from the charged state, alkali metal M(1)Central metal element M with re-doping(2)Is returned to the original discharge state.
[0041]
As a preferable positive electrode material, LiqFePO4, LiqCoPO4Or LiqMnPO4(Where q represents a number selected from 0 to 1), and a substance represented by the general formula or a complex thereof can be exemplified.qFePO4A substance represented by the general formula (where q has the same meaning as described above) is preferred. These materials can be synthesized from the raw material by firing at a temperature of about 900 ° C. or less in the absence of oxygen gas. For example, the positive electrode of a lithium secondary battery such as a lithium battery, a lithium ion battery, or a lithium polymer battery It can be suitably used as a material.
[0042]
<Raw material>
As a raw material of the positive electrode material, for example, an alkali metal, a compound containing at least the transition metal and oxygen (transition metal compound), or a combination of a plurality of compounds can be used. Usually, the transition metal element in the raw material originally has the same valence as the transition metal element in the positive electrode material, or is fired in the absence of oxygen gas at a predetermined firing temperature and firing time. It is reduced and has the same valence as the transition metal element in the positive electrode material. At this time, when hydrogen or the like is added and the raw material is fired, the crystal particles of the obtained positive electrode material are further refined.
[0043]
More specifically, as a raw material material of the positive electrode material, for example, as a raw material for introducing an alkali metal, a hydroxide such as LiOH or NaOH, Li2CO3, Na2CO3NaHCO3Carbonates and bicarbonates such as, halides containing chlorides such as LiCl and NaCl, LiNO3, NaNO3In addition, a decomposition volatile compound (for example, an organic acid salt or the like) such as nitrate remaining in the target cathode material only for alkali metal is used. When the target positive electrode material is phosphate, Li3PO4, Li2HPO4, LiH2PO4, Na3PO4, Na2HPO4, NaH2PO4In the case where the target positive electrode material is a sulfate,2SO4, LiHSO4, Na2SO4, NaHSO4Sulfates and hydrogen sulfates such as can also be used.
[0044]
Moreover, as a raw material for introducing transition metals such as Fe, Co, Mn, and V, for example, hydroxides, carbonates, bicarbonates, halides such as chlorides, nitrates, and the like, only the transition metals are intended. Decomposed volatile compounds that remain in the positive electrode material (for example, organic acid salts such as oxalate and acetate, acetylacetone complexes, and organic complexes such as metallocene complexes) are used. In addition, when the target positive electrode material is phosphate, phosphate or hydrogen phosphate, and when the target positive electrode material is sulfate, sulfate or hydrogen sulfate, and these transition metal oxoacid salts and ammonium A double salt with such as can also be used.
[0045]
Further, when the target positive electrode material is phosphate, phosphoric anhydride P2O5, Phosphoric acid H3PO4, And decomposed volatile phosphates and hydrogen phosphates such as (NH4)2HPO4, NH4H2PO4, (NH4)3PO4In addition, when the target cathode material is sulfate, sulfuric acid H2SO4, And decomposition volatile sulfates and hydrogen sulfates (for example, NH4HSO4, (NH4)2SO4Etc.) can also be used.
[0046]
When these raw materials contain elements or substances that are not desirable when remaining in the target positive electrode material, it is necessary that these materials decompose and volatilize during firing. Needless to say, when the target product is a phosphate, for example, a non-volatile oxoacid salt other than phosphate ions should not be used as a raw material. In these cases, the hydrate may be used (for example, LiOH.H2O, Fe3(PO4)2・ 8H2O and the like, and in the above, all representations as hydrates are omitted.
[0047]
The raw material of the positive electrode material can be subjected to a treatment such as pulverization or mixing and kneading of raw materials (including conductive carbon added in some cases) before firing in the first stage as necessary. . Further, when a conductive carbon precursor (a substance capable of producing conductive carbon by thermal decomposition) is added after the first stage firing, pulverization, mixing, kneading, and the like can also be performed at that time.
[0048]
When the above raw materials are fired in the presence of hydrogen, water, water vapor, etc., there is usually no particular problem, but both of them undergo a rapid reaction at the early stage of firing to obtain the desired positive electrode material. Care must be taken in the selection and combination of the two so that they are not lost or impure.
[0049]
<Conductive carbon>
Examples of the conductive carbon used in the present invention include graphitic carbon and amorphous carbon. Here, graphitic carbon and amorphous carbon include so-called soot, carbon black, and the like.
<Conductive carbon precursor (substance capable of producing conductive carbon by thermal decomposition)>
Examples of conductive carbon precursors include bitumens (so-called asphalt; including pitches obtained from coal and petroleum sludge), sugars, styrene-divinylbenzene copolymers, ABS resins, phenol resins, and other aromatics. And a crosslinked polymer having a group. Among these, bitumens (especially purified so-called coal pitch) and saccharides are preferable. These bitumens and saccharides produce conductive carbon by thermal decomposition and impart conductivity to the positive electrode material. In particular, the refined coal pitch is very inexpensive, melts during firing, spreads uniformly on the surface of the raw material particles being fired, and undergoes a thermal decomposition process at a relatively low temperature (650 ° C. to 800 ° C.). After firing at, carbon precipitates exhibiting high conductivity are obtained. In the case of saccharides, since many hydroxyl groups contained in saccharides interact strongly with the raw material and the surface of the resulting positive electrode material particles, it also has an effect of suppressing crystal growth. This is because a suppressing effect and a conductivity imparting effect can be obtained.
[0050]
Here, as the refined coal pitch, the softening temperature is in the range of 80 ° C to 350 ° C, the weight loss starting temperature by thermal decomposition is in the range of 350 ° C to 450 ° C, and the heating is from 500 ° C to 800 ° C. Those that generate conductive carbon by decomposition and firing are preferably used. In order to further improve the positive electrode performance, a refined coal pitch having a softening temperature in the range of 200 ° C to 300 ° C is more preferable. Needless to say, the impurities contained in the refined coal pitch are preferably those which do not adversely affect the positive electrode performance, but the ash content is preferably 5000 ppm or less.
[0051]
Furthermore, as saccharides, decomposition occurs in a temperature range of 250 ° C. or higher and lower than 500 ° C., and at least partially takes a melt state once in the temperature rising process from 150 ° C. to the temperature range, and further 500 ° C. or higher and 800 ° C. Particularly preferred are saccharides that produce conductive carbon by thermal decomposition and calcination up to ℃ and below. The saccharide having such specific properties is suitably coated on the surface of the positive electrode material particles during the heating reaction by melting, and the conductive carbon is favorably deposited on the surface of the positive electrode material particles generated after the thermal decomposition. This is because crystal growth is suppressed. Here, in order to produce good electrical conductivity, the thermal decomposition temperature can be preferably set to 570 ° C. or higher and 850 ° C. or lower, more preferably 650 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, although it depends on the type of positive electrode material. The saccharide should be capable of producing at least 15% by weight, preferably 20% by weight or more of conductive carbon based on the dry weight of the saccharide before baking, by thermal decomposition. This is to facilitate the quantitative management of the conductive carbon produced. Examples of the saccharide having the above properties include high-molecular polysaccharides such as oligosaccharides such as dextrin, soluble starch, and starch with low cross-linking that is easily melted by heating (for example, starch containing 50% or more amylose). It is done.
[0052]
<Addition and firing of conductive carbon precursors>
The conductive carbon, the refined coal pitch, and the conductive carbon precursor represented by saccharide are mixed and added to the raw material (including the intermediate product) at an appropriate timing. At the time of addition, an operation for sufficiently mixing with the raw material, for example, pulverization or kneading can be performed as necessary.
[0053]
Conductive carbon or conductive carbon precursor has a conductive carbon weight concentration of 0.1% to 10%, preferably 0.5% to 7%, more preferably 1% or more in the positive electrode material produced. It can add so that it may become 5% or less.
[0054]
Firing can be carried out by selecting an appropriate temperature range and time in a firing process up to 300 to 900 ° C. as generally employed, although depending on the target positive electrode material. In addition, the firing is preferably performed in the absence of oxygen gas in order to promote the generation of oxidized impurities and the reduction of remaining oxidized impurities.
[0055]
In the method of the present invention, the firing is not carried out by a series of temperature rise and subsequent temperature holding process only once, but a firing process in a lower temperature region of the first stage (usually from normal temperature to 300 to 450 ° C. Temperature range; hereinafter referred to as “temporary firing”), and firing process in a higher temperature range of the second stage (usually normal temperature to firing completion temperature (about 500 ° C. to 800 ° C.); hereinafter, “main firing” This may be divided into two stages. In this case, the performance of the positive electrode material obtained can be further improved by mixing the conductive carbon and the conductive carbon precursor at the following timing.
[0056]
In the pre-baking, the raw material of the positive electrode material reacts to an intermediate state that reaches the final positive electrode material by heating, and in this case, gas generation is often caused by thermal decomposition. The temperature at which the calcining is finished is a temperature at which most of the generated gas has been released and the reaction leading to the positive electrode material of the final product does not proceed completely (that is, during the second stage of the main calcination at a higher temperature range). The temperature that leaves room for re-diffusion / homogenization of the constituent elements in the positive electrode material is selected.
[0057]
In the main firing following the pre-firing, the constituent elements are re-diffusioned and made uniform, the reaction to the positive electrode material is completed, and the temperature is raised and maintained to a temperature range that prevents crystal growth due to sintering as much as possible. Made.
[0058]
When using conductive carbon precursors, especially coal pitch or saccharide that melts by heating, it can be added to the raw material before pre-firing (even in this case, a corresponding positive electrode performance improvement effect can be obtained), In order to obtain a high-performance positive electrode material, it is more preferable to add to the raw material after pre-baking (a state where most of the gas generation from the raw material has already been completed and become an intermediate product) and to perform main baking. That is, a step of adding a conductive carbon precursor to the raw material is provided between the preliminary firing and the main firing in the firing process.
[0059]
This prevents substances such as coal pitch and saccharides that are melted and pyrolyzed by heating from being foamed by the gas generated from the raw material, spread more uniformly in the molten state on the surface of the positive electrode material, and more uniformly pyrolytic carbon. Can be deposited.
[0060]
This is due to the following reason.
That is, most of the gas generated by decomposition of the raw material in the pre-firing is released. As a result, almost no gas is generated in the main firing. By adding the conductive carbon precursor at the timing after the pre-firing, uniform It is possible to deposit conductive carbon. For this reason, the surface conductivity of the positive electrode material obtained is further improved, and the contact is firmly stabilized. On the other hand, when the conductive carbon precursor is added to the raw material before the temporary firing, the conductive carbon precursor that has not been completely thermally decomposed in the molten state by the gas generated vigorously from the raw material during the temporary firing. Foaming prevents uniform precipitation.
[0061]
Addition of carbon that is already conductive and loses weight due to heating, changes in shape and gas generation almost no longer occur (conductive carbon; for example, graphitic carbon such as soot and carbon black, amorphous carbon, etc.) When performing, it is preferable to mix these predetermined amounts with the raw material before temporary baking, and to start a series of baking processes from temporary baking. Thereby, the contact time between the heat-reacting raw material and the conductive carbon can be increased, and the positive electrode material enters the grain boundary of the conductive carbon due to the diffusion of the constituent elements of the positive electrode material generated by the reaction during the reaction. This is because a uniform and stable carbon-positive electrode material composite can be formed and sintering of the positive electrode material particles can be effectively prevented.
[0062]
In addition, it is effective to obtain a positive electrode material having high positive electrode performance by adding both conductive carbon precursors, such as coal pitch and saccharides that are melted and pyrolyzed by heating, and conductive carbon. is there. In this case, it is preferable that conductive carbon is added to the raw material before pre-baking, and substances such as coal pitch and saccharide that are melted and pyrolyzed by heating are added to the raw material after temporary baking.
[0063]
<Supply of hydrogen, etc.>
In a further preferred method of the present invention, the raw material is calcined while continuously supplying a predetermined amount of hydrogen and moisture (water, water vapor, etc.) together with an inert gas into the furnace. For example, over the entire time of the firing process, or particularly at a temperature from 500 ° C. or less to the completion of firing, preferably from 400 ° C. or less to the completion of firing, more preferably from 300 ° C. or less to the firing completion, Hydrogen or moisture can be added.
[0064]
When hydrogen, which is a gas, is used, depending on the target cathode material, a necessary and sufficient amount of hydrogen is selected by selecting an appropriate temperature range and time in a firing process up to 300 to 900 ° C. as generally adopted. It can be supplied and can effectively cause addition or deoxygenation to the oxygen atoms on the surface of the positive electrode material, reduction of the positive electrode material, and the like.
[0065]
In the method of the present invention, hydrogen can be added in a temperature range of at least 500 ° C. during the second stage firing. For example, in the second stage firing, preferably over a temperature range from 500 ° C. or less to the firing completion temperature, more preferably from 400 ° C. or less to the firing completion temperature, desirably from 300 ° C. or less to the firing completion temperature (for example, It can be added over almost the entire firing period). In this range, the crystal growth is effectively suppressed, possibly for the reason described later. In addition, hydrogen can also be added at the time of baking in the first stage.
[0066]
The volume concentration of hydrogen in the atmosphere in the above temperature range can be about 0.1% or more and 20% or less, and preferably 1% or more and 10% or less. Thereby, crystal growth of the positive electrode material made of the transition metal compound is suitably suppressed.
[0067]
In the study by the present inventors, when the raw material of the positive electrode material is baked while supplying hydrogen and / or moisture in the absence of oxygen gas, the crystallinity of the resulting positive electrode material particles is slightly disturbed and produced 1 It was found that the secondary particles were made finer. That is, it has been demonstrated that hydrogen and moisture are effective crystal growth inhibitors. Although this mechanism is not yet clear, on the growth surface of the crystal particles of the cathode material that is synthesized and grown during firing, hydrogen is bonded to surface oxygen atoms to form hydroxyl groups, or water molecules generated from the hydroxyl groups It is considered that the growth of particles is suppressed as a result of disordering and mismatching of the crystal surface structure due to the re-desorption of.
[0068]
Water, like hydrogen, has an effect of suppressing crystal growth. The reason for this is not yet clear, but it is presumed that hydroxyl groups are generated on the surfaces of the raw material and the positive electrode active material as in the case of adding hydrogen gas, which delays crystal growth. Further, water vapor generates hydrogen and carbon monoxide by a so-called water gas reaction by contacting conductive carbon or a substance capable of generating conductive carbon by pyrolysis at a high temperature (about 500 ° C. or more). A crystal growth inhibiting effect and a reducing effect are obtained. In other words, when water is continuously supplied, more hydrogen can be reliably and continuously generated by a water gas reaction even in a high temperature range of 500 ° C. or higher, and crystal growth is suppressed. It is possible to maximize the action and reduction action.
[0069]
As a method for supplying moisture, it is sprayed into a furnace or preferably pre-vaporized and supplied in the form of water vapor. The supply temperature range and supply amount can be the same as in the case of hydrogen. That is, it is preferable to add water in a temperature range in which the firing is completed from at least 500 ° C. or more during the second stage firing. For example, preferably over a temperature range from 500 ° C. or lower to the firing completion temperature in the second stage firing, more preferably from 400 ° C. or less to the firing completion temperature, desirably from about 300 ° C. to the firing completion temperature (for example, It can be added over almost the entire firing period). In this range, it is likely that hydrogen addition to the surface oxygen atoms and hydroxyl group formation of the transition metal compound are likely to occur favorably, so that crystal growth is effectively suppressed. In addition, hydrogen can also be added at the time of baking in the first stage.
[0070]
The volume concentration of water vapor in the atmosphere in the above temperature range can be about 0.1% to 20%, preferably 1% to 10%. Thereby, crystal growth of the positive electrode material is suitably suppressed.
[0071]
Also, when firing with hydrogen added during the main firing, when the added hydrogen (including hydrogen generated from moisture) comes into contact with conductive carbon precursors such as coal pitch and saccharide that melt and pyrolyze by heating In order to reduce the melt viscosity of the substance, a better state can be realized in the aforementioned carbon deposition method. For example, as a conductive carbon precursor, the softening temperature is in the range of 80 ° C. to 350 ° C., the weight loss starting temperature by thermal decomposition is in the range of 350 ° C. to 450 ° C., and the heating is performed from 500 ° C. to 800 ° C. When using refined coal pitch that produces conductive carbon by decomposition, if hydrogen (including hydrogen generated from moisture) acts on the coal pitch that has been melted during the firing process, its viscosity decreases and fluidity improves. Thus, a very uniform and thin coating state can be realized in the obtained positive electrode material.
[0072]
Accordingly, hydrogen (including hydrogen generated from moisture) is at least from 500 ° C. or lower during the main baking to the baking completion temperature, preferably from 400 ° C. or lower to the baking completion temperature, or throughout the main baking. It is good to add. Furthermore, when hydrogen is added even during pre-firing, an effect such as prevention of oxidation of the positive electrode material due to its reducing property can be expected.
[0073]
An example of the outline of the method for producing a positive electrode material according to the present invention is as follows.
First, when the conductive carbon precursor is added after the preliminary calcination in the first stage of the calcination performed in two stages, [a step of performing crushing, mixing, kneading, etc. of raw materials as necessary], [first Stage firing step], [addition of conductive carbon precursor (can be pulverized, mixed, kneaded, etc., if necessary)], [second stage main firing step].
[0074]
In addition, when conductive carbon is added before the first calcination of the first stage of firing performed in two stages and a conductive carbon precursor is added after the first calcination of the first stage, Step of performing addition (can be pulverized, mixed, kneaded, etc., together with the raw material if necessary)], [First-stage calcination step], [Addition of conductive carbon precursor (if necessary, raw material) (Intermediate) can be pulverized, mixed, kneaded, etc.)] and [second stage main firing step].
[0075]
Furthermore, when adding conductive carbon before the pre-firing of the first stage of firing performed in two stages, [step of conducting conductive carbon (if necessary, pulverization, mixing, kneading, etc. with raw materials) Can also be performed)], [first-stage pre-baking step], [step of performing pulverization, mixing, kneading, etc. of the raw material (intermediate if necessary)], [second-stage main baking step] It is carried out in order.
[0076]
In the above, when hydrogen or moisture is added, at least a part of the second-stage firing process, desirably the entire second-stage firing process, more desirably, the first-stage provisional process. It is also added in at least a part of the firing step.
[0077]
<Secondary battery>
Examples of the secondary battery using the positive electrode material of the present invention obtained as described above include a metal lithium battery, a lithium ion battery, a lithium polymer battery, and the like.
[0078]
Hereinafter, the basic configuration of the alkaline ion battery will be described by taking the case where the alkali metal is lithium as an example. Lithium-ion batteries are commonly called rocking chair types or shuttlecock (badminton blades) types.+A secondary battery characterized in that ions reciprocate (see FIG. 1). Lithium inside the negative electrode (current systems use carbon such as graphite) during charging+Ions are inserted to form an intercalation compound (at this time, the negative carbon is reduced and Li+The positive electrode from which the metal is removed is oxidized), and during the discharge, the positive electrode (currently the mainstream is cobalt oxide, but in FIG. 1, an iron (II) / (III) redox system such as lithium iron phosphate is taken as an example. Li) inside+Ions are inserted to form an iron compound-lithium complex (at this time, the iron of the positive electrode is reduced and Li+The negative electrode that has been removed is oxidized to return to graphite or the like). Li+During charge and discharge, ions travel back and forth in the electrolyte and simultaneously carry charge. Examples of the electrolyte include a mixed solution of a cyclic organic solvent such as ethylene carbonate, propylene carbonate, and γ-butyrolactone and a chain organic solvent such as dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate.6, LiCF3SO3LiClO4A solid electrolyte such as a liquid electrolyte in which an electrolyte salt such as the above is dissolved, a gel electrolyte in which these liquid electrolytes are impregnated in a polymer gel-like substance, or a partly cross-linked polyethylene oxide impregnated with the above electrolyte is used. When a liquid electrolyte is used, a porous diaphragm (separator) made of polyolefin or the like is sandwiched and insulated so that the positive electrode and the negative electrode are not short-circuited in the battery. For the positive and negative electrodes, a predetermined amount of a conductivity imparting agent such as carbon black is added to each of the positive and negative electrode materials. For example, synthetic resins such as polytetrafluoroethylene, poly (vinylidene fluoride) and fluororesin, and synthesis of ethylene propylene rubber, etc. A battery is formed by collecting a binder such as rubber and, if necessary, further adding a polar organic solvent and kneading and thinning it, and collecting the current with a metal foil or a metal net. On the other hand, when metallic lithium is used for the negative electrode, Li (O) / Li is used for the negative electrode.+Changes with charge and discharge, and a battery is formed.
[0079]
[Action]
In general, the aforementioned M( 1 ) AM( 2 ) XAyOz[Where M( 1 ), M( 2 ), A, a, x, y, and z have the same meanings as described above], etc., when the raw material is synthesized by firing from the raw materials, generation of decomposition gas occurs during the synthesis reaction in the heating temperature rising process. In most cases, more than 80% of the gas is normally generated in the temperature range from room temperature to 350 ° C. to 450 ° C. In one embodiment of the present invention, after adding a conductive carbon precursor (a substance capable of producing conductive carbon by thermal decomposition) to the raw material of the positive electrode material after the first stage baking from room temperature to 350 ° C. to 450 ° C. By carrying out the second stage of baking, the thermal decomposition of the raw material positive electrode material has already progressed halfway, and most of the gas generation has already ended, so the molten conductive carbon precursor is difficult to foam and uniform And is decomposed and pyrolyzed to deposit carbon in a good state.
[0080]
In addition, in the research by the present inventors, when the raw material of the positive electrode material is baked while supplying hydrogen and / or moisture in the absence of oxygen gas, the crystallinity of the resulting positive electrode material particles is slightly disturbed and generated. It was found that the primary particles to be made finer. That is, it has been demonstrated that hydrogen and moisture are effective crystal growth inhibitors. Although this mechanism is not yet clear, on the growth surface of the crystal particles of the positive electrode material synthesized and grown during firing, hydrogen is bonded to surface oxygen atoms, or water molecules are bonded to the surface between metal and oxygen. Particle growth is suppressed as a result of the formation of hydroxyl groups by phenomena such as cleavage and addition, and the re-desorption of water molecules generated from the hydroxyl groups, resulting in disorder and mismatch in the crystal surface structure. Conceivable.
[0081]
In addition, when conducting baking by adding a conductive carbon precursor to the raw material after pre-firing, adding hydrogen (including hydrogen generated by the reaction of moisture with a conductive carbon precursor such as coal pitch or sugar) Thus, it was found that carbon deposition of the obtained positive electrode material was made uniform, and higher positive electrode performance was obtained. Although this mechanism is not yet clear, by adding the conductive carbon precursor to the raw material after pre-calcining, adding to the conductive carbon precursor in a state where hydrogen is melted, the viscosity is lowered, and the positive electrode This is presumably because of the effect of uniformly depositing conductive carbon on the material particles.
[0082]
On the other hand, by adding conductive carbon to the raw material before firing in the first stage and performing firing, the contact time between the raw material to be heated and the conductive carbon can be increased, and the positive electrode generated by the reaction during that time Due to the diffusion of the constituent elements of the material, the positive electrode material enters the grain boundaries of the conductive carbon, and a more uniform and stable carbon-positive electrode material composite can be formed.
[0083]
And by firing at a temperature of 500 ° C. or higher in at least the second stage firing while supplying hydrogen and / or moisture (water or water vapor), the primary particles of the positive electrode material produced are efficiently finely divided, Sintering of the positive electrode material particles can be effectively prevented.
[0084]
【Example】
EXAMPLES Next, although an Example etc. demonstrate this invention further in detail, this invention is not restrict | limited by these.
Example 1
(1) Preparation of positive electrode material:
Cathode material LiFePO4Was synthesized by the following procedure.
5.0532 g FeC2O4・ 2H2O (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 3.7094 g of (NH4)2HPO4(Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 1.1784 g of LiOH · H2Approximately 1.5 times the volume of ethanol was added to O (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), pulverized and mixed using a planetary ball mill having 2 mm diameter zirconia beads and zirconia pots, and then dried at 50 ° C. under reduced pressure. The dried pulverized mixture is placed in an alumina crucible and 5 volume% hydrogen (H2) / 95 vol% argon (Ar) mixed gas was first calcined at 400 ° C. for 5 hours while venting at a flow rate of 200 ml / min. 0.1097 g of refined coal pitch [MCP-200 (trade name) manufactured by Adchemco Co., Ltd.] with a softening temperature of 200 ° C. is added to 2.1364 g of the raw material after calcination taken out, and the same atmosphere is further pulverized in an agate mortar. The main calcination was carried out at 775 ° C. for 10 hours (the mixed gas continued to flow from before the start of temperature increase to during the calcination and after being allowed to cool). The synthesized positive electrode material is LiFePO having an olivine type crystal structure by powder X-ray diffraction.4Was identified. On the other hand, α-Fe which is an oxidation impurity2O3, FePO4No crystal diffraction peaks of other impurities were observed.
[0085]
Although it was found from elemental analysis that carbon produced by pyrolysis of refined coal pitch contained 3.08% by weight, no diffraction peak of graphite crystal was observed from X-ray diffraction. It was presumed to form a complex with crystalline carbon. The crystallite size was 64 nm.
[0086]
(2) Preparation of secondary battery:
This positive electrode material, acetylene black [DENKA BLACK (registered trademark); manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd., 50% pressed product] as a conductivity imparting material, and unfired PTFE (polytetrafluoroethylene) powder as a binder Are mixed and kneaded so as to have a weight ratio of 70.6 / 24.4 / 5, rolled into a sheet having a thickness of 0.7 mm, and a pellet punched out to a diameter of 1.0 cm is used as a positive electrode. did.
[0087]
Thereafter, a stainless steel coin battery case (model number CR2032) was spot welded with a metal titanium net and a metal nickel net as positive and negative current collectors, respectively, and the positive electrode and the metal lithium foil negative electrode were assembled via a porous polyethylene diaphragm. 1M LiPF as liquid6A coin-type lithium secondary battery was manufactured by filling a dimethyl carbonate / ethylene carbonate 1/1 mixed solution in which the solution was dissolved. A series of battery assemblies such as positive and negative electrodes, a diaphragm, and an electrolyte solution were performed in a glove box substituted with argon.
[0088]
For the secondary battery incorporating the positive electrode material obtained as described above, the current density per apparent area of the positive electrode pellet is 0.5 mA / cm.2And 1.6 mA / cm2Then, when charging / discharging was repeated in the operating voltage range of 3.0 V to 4.0 V, the average initial discharge capacity of 1 to 20 cycles was as shown in Table 1 (the initial discharge capacity was determined in the product). Standardized by the amount of positive electrode active material).
[0089]
Comparative Example 1
The positive electrode material olivine-type LiFePO was synthesized by the same synthesis method as in Example 1, except that refined coal pitch with a softening temperature of 200 ° C. was added to the raw material before pre-firing to perform pre-firing and main firing.4Got.
That is, the same amount of FeC as in Example 1.2O4・ 2H2O, (NH4)2HPO4, And LiOH · H20.1940 g of refined coal pitch with a softening temperature of 200 ° C. is added to O, pulverized, mixed, and dried using a planetary ball mill, then calcined at 400 ° C. for 5 hours in the same atmosphere in an alumina crucible, after pulverization Further, this baking was performed at 775 ° C. for 10 hours in the same atmosphere. The obtained positive electrode material was hardly different from Example 1 in X-ray diffraction, and the crystallite size was 64 nm, which was not different from Example 1. In addition, elemental analysis revealed that carbon produced by pyrolysis of refined coal pitch contained 3.04% by weight, and the amount of precipitated carbon was not significantly different from that in Example 1.
[0090]
For this positive electrode material, a coin-type lithium secondary battery configured in the same manner as in Example 1 was produced, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as in Example 1. The average initial discharge capacity for 1 to 20 cycles is also shown in Table 1.
[0091]
As shown in Table 1, with respect to the initial discharge capacity of Comparative Example 1, effects due to the addition of hydrogen and refined coal pitch are recognized and show a considerably large initial discharge capacity. In Example 1, the initial discharge capacity is further increased. It turns out that it becomes.
[0092]
From the above, as shown in Example 1, when the raw material is temporarily fired and main-fired while adding hydrogen, by adding the coal pitch with a softening temperature of 200 ° C. to the raw material after the temporary firing, Cathode material LiFePO4It can be seen that the initial discharge capacity of the secondary battery using the battery is further increased and the performance is improved.
[0093]
At this time, the precipitated carbon contents in the positive electrode materials of Example 1 and Comparative Example 1 were almost the same, and there was no difference in the crystallite size. Precipitation of carbon generated from the coal pitch on the surface of the positive electrode material particles occurred in a better state than Comparative Example 1, and as a result, higher positive electrode performance was brought about. This is presumed to be due to the following reason.
First, while the refined coal pitch having a softening temperature of 200 ° C. melts well during the temperature increase of the main firing, most of the gas generated by the decomposition of the raw material is released during the preliminary firing, and the main firing Since only a small amount of gas from the raw material is generated, the refined coal pitch melt does not foam. Secondly, since the added hydrogen lowers the viscosity of the coal pitch melt, it spreads more evenly on the surface of the positive electrode material particles to be produced and is thermally decomposed in that state, so that the conductive carbon is very evenly distributed. Precipitates. From the above, it is considered that extremely high positive electrode performance was obtained.
[0094]
Example 2
Cathode material LiFePO4Was synthesized by the following procedure.
5.0161 g of Fe3(PO4)2・ 8H2O (manufactured by Soekawa Riken Co., Ltd.), 1.1579 g of Li3PO4Approximately 1.5 times volume ethanol was added to (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), pulverized and mixed using a planetary ball mill having 2 mm diameter zirconia beads and zirconia pots, and dried at 50 ° C. under reduced pressure. The dried pulverized mixture is placed in an alumina crucible and 5 volume% hydrogen (H2) / 95 vol% argon (Ar) mixed gas was first calcined at 400 ° C. for 5 hours while venting at a flow rate of 200 ml / min. To 4.0712 g of the raw material after the pre-calcining, 0.1879 g of refined coal pitch [ADCPEMCO Co., Ltd. MCP-200 (trade name)] with a softening temperature of 200 ° C. is added, pulverized in an agate mortar, and the same atmosphere. The main calcination was performed at 725 ° C. for 10 hours (the mixed gas continued to flow from before the start of temperature increase to during the calcination and further after being allowed to cool). The synthesized positive electrode material is LiFePO having an olivine type crystal structure by powder X-ray diffraction.4Was identified. On the other hand, α-Fe which is an oxidation impurity2O3, FePO4No crystal diffraction peaks of other impurities were observed.
[0095]
Moreover, although it was found from elemental analysis that carbon produced by pyrolysis of refined coal pitch was contained in 2.98% by weight, no diffraction peak of graphite crystals was observed from X-ray diffraction. It was presumed to form a complex with crystalline carbon. The crystallite size was 167 nm.
[0096]
Using this positive electrode material, a positive electrode pellet and a coin-type lithium secondary battery were produced under the same conditions as in Example 1.
[0097]
For the secondary battery incorporating the positive electrode material obtained as described above, the current density per apparent area of the positive electrode pellet is 0.5 mA / cm.2And 1.6 mA / cm2Then, when charging / discharging was repeated in the operating voltage range of 3.0 V to 4.0 V, the average initial discharge capacity of 1 to 20 cycles was as shown in Table 1 (the initial discharge capacity was determined in the product). Standardized by the amount of positive electrode active material).
[0098]
Comparative Example 2
The positive electrode material olivine type LiFePO was synthesized by the same synthesis method as in Example 2, except that refined coal pitch having a softening temperature of 200 ° C. was added to the raw material before pre-firing and calcined and main-fired.4Got.
That is, the same amount of Fe as in Example 2.3(PO4)2・ 8H2O (manufactured by Soekawa Riken) and Li3PO40.1940 g of refined coal pitch with a softening temperature of 200 ° C. is added to (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), pulverized, mixed and dried using a planetary ball mill at 400 ° C. in the same atmosphere in an alumina crucible. After calcination for 5 hours and pulverization, this was further fired at 725 ° C. for 10 hours in the same atmosphere. The obtained positive electrode material showed almost no difference from Example 2 in X-ray diffraction, and the crystallite size was 162 nm, showing little difference from Example 2. In addition, elemental analysis revealed that carbon produced by pyrolysis of refined coal pitch contained 3.13% by weight, and the amount of precipitated carbon was not significantly different from that in Example 2.
[0099]
For this positive electrode material, a coin-type lithium secondary battery configured in the same manner as in Example 2 was produced, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as in Example 2. The average initial discharge capacity for 1 to 20 cycles is also shown in Table 1.
[0100]
As shown in Table 1, regarding the initial discharge capacity of Comparative Example 2, the effects of hydrogenation and addition of refined coal pitch are recognized, but in Example 2, it can be seen that the initial discharge capacity is further increased. The reason for this is considered to be the same as in the first embodiment.
[0101]
Example 3
Cathode material LiFePO4Was synthesized by the following procedure.
Same amount as in Example 2, ie, 5.0161 g of Fe3(PO4)2・ 8H2O (manufactured by Soekawa Riken) and 1.1579 g of Li3PO4Approximately 1.5 times volume ethanol was added to (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), pulverized and mixed using a planetary ball mill having 2 mm diameter zirconia beads and zirconia pots, and dried at 50 ° C. under reduced pressure. The dried pulverized mixture is placed in an alumina crucible and 5 volume% hydrogen (H2) / 95 vol% argon (Ar) mixed gas was first calcined at 400 ° C. for 5 hours while venting at a flow rate of 200 ml / min. 0.5358 g of dextrin (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is added to 4.4762 g of the raw material after pre-baking that has been taken out, pulverized in an agate mortar, and further subjected to main baking at 725 ° C. for 10 hours in the same atmosphere. (The mixed gas continued to flow from before the start of temperature elevation to during firing and after being allowed to cool). The synthesized positive electrode material is LiFePO having an olivine type crystal structure by powder X-ray diffraction.4Was identified. On the other hand, α-Fe which is an oxidation impurity2O3, FePO4No crystal diffraction peaks of other impurities were observed.
[0102]
In addition, although it was found from elemental analysis that carbon produced by pyrolysis of dextrin was contained by 3.43% by weight, a diffraction peak of graphite crystal was not observed from X-ray diffraction. It was presumed to form a complex with carbon. The crystallite size was 170 nm.
[0103]
Using this positive electrode material, a positive electrode pellet and a coin-type lithium secondary battery were produced under the same conditions as in Example 1.
[0104]
For the secondary battery incorporating the positive electrode material obtained as described above, the current density per apparent area of the positive electrode pellet is 0.5 mA / cm.2And 1.6 mA / cm2Then, when charging / discharging was repeated in the operating voltage range of 3.0 V to 4.0 V, the average initial discharge capacity of 1 to 20 cycles was as shown in Table 1 (the initial discharge capacity was determined in the product). Standardized by the amount of positive electrode active material).
[0105]
In addition, FIG. 2 shows the charge / discharge characteristics of the tenth cycle of the coin-type lithium secondary battery under the above conditions.
[0106]
Comparative Example 3
In contrast to Example 3, the positive electrode material olivine-type LiFePO4 was synthesized by the same synthesis method as Example 3 except that dextrin was added to the raw material before temporary baking and preliminary baking and main baking were performed.4Got.
That is, the same amount of Fe as in Example 3.3(PO4)2・ 8H2O (manufactured by Soekawa Riken) and Li3PO40.6600 g of dextrin is added to (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), ground and mixed using a planetary ball mill, and dried, and then calcined at 400 ° C. in the same atmosphere for 5 hours in an alumina crucible. After pulverization, this was further calcined at 725 ° C. for 10 hours in the same atmosphere. The obtained positive electrode material showed almost no difference from Example 3 in X-ray diffraction, and the crystallite size was 165 nm, showing little difference from Example 3. Further, elemental analysis revealed that carbon produced by pyrolysis of dextrin was contained by 3.33% by weight, and the amount of precipitated carbon was not significantly different from that in Example 3.
[0107]
For this positive electrode material, a coin-type lithium secondary battery configured in the same manner as in Example 3 was prepared, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as in Example 3. The average initial discharge capacity for 1 to 20 cycles is also shown in Table 1. Further, FIG. 3 shows the charge / discharge characteristics of the coin-type lithium secondary battery at the 10th cycle.
[0108]
As shown in Table 1, the effects of hydrogenation and dextrin addition are recognized for the initial discharge capacity of Comparative Example 3, but in Example 3, the initial discharge capacity is further increased. The reason for this is considered to be the same as in the first embodiment.
[0109]
Moreover, when FIG. 2 and FIG. 3 are compared, Example 3 which added dextrin to the raw material after temporary calcination is theoretical capacity (170 mAh / g) compared with Comparative Example 3 which added dextrin to the raw material before temporary calcination. It is understood that the charge / discharge characteristics are excellent because the charge / discharge voltage has a flat region up to a value closer to the value and the difference between the charge voltage and the discharge voltage is sufficiently small.
[0110]
  Reference example 1
  Cathode material LiFePO4Was synthesized by the following procedure.
  5.0532 g FeC2O4・ 2H2O (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 3.7094 g of (NH4)2HPO4(Manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 1.1784 g of LiOH · H20.120 g of acetylene black [Denka Black (registered trademark; 50% press product) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.] was added to O (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and the mixture was pulverized and mixed using an automatic agate mortar. This pulverized mixture is placed in an alumina crucible and 5 volume% hydrogen (H2) / 95 vol% argon (Ar) mixed gas at a flow rate of 200 ml / min, first calcined at 400 ° C. for 5 hours, taken out and pulverized in an agate mortar, and further at 775 ° C. in the same atmosphere The main calcination was performed for 10 hours (the mixed gas continued to flow from before the start of the temperature rise to during the calcination and after being allowed to cool). The synthesized positive electrode material is LiFePO having an olivine type crystal structure by powder X-ray diffraction.4Was identified. On the other hand, α-Fe which is an oxidation impurity2O3, FePO4No crystal diffraction peak was observed.
[0111]
Further, elemental analysis revealed that 2.84% by weight of carbon derived from acetylene black was contained. The crystallite size was 111 nm.
[0112]
Using this positive electrode material, a positive electrode pellet and a coin-type lithium secondary battery were produced under the same conditions as in Example 1.
[0113]
For the secondary battery incorporating the positive electrode material obtained as described above, the current density per apparent area of the positive electrode pellet is 0.5 mA / cm.2And 1.6 mA / cm2Then, when charging / discharging was repeated in the operating voltage range of 3.0 V to 4.0 V, the average initial discharge capacity of 1 to 20 cycles was as shown in Table 1 (the initial discharge capacity was determined in the product). Standardized by the amount of positive electrode active material).
[0114]
  Comparative Example 4
  Reference example 1On the other hand, except that the same acetylene black was added to the raw material after the temporary baking and the temporary baking and the main baking were performed,Reference example 1The positive electrode material olivine-type LiFePO by the same synthesis method as4Got.
  That is,Reference example 1Same amount of FeC2O4・ 2H2O, and (NH4)2HPO4, And 1.1784 g LiOH.H2Crush and mix using an automatic mortar made of Agate, put this pulverized mixture into an alumina crucible, 5 volume% hydrogen (H2) / 95 vol% argon (Ar) mixed gas was first calcined at 400 ° C. for 5 hours while venting at a flow rate of 200 ml / min. 0.0707 g of acetylene black (50% pressed product) was added to 2.1856 g of the raw material after pre-baking, which was taken out, pulverized and mixed in an automatic mortar made by agate, and further fired at 775 ° C. for 10 hours in the same atmosphere. (The mixed gas continued to flow from before the start of temperature rise to during firing and after being allowed to cool). The synthesized positive electrode material is LiFePO having an olivine type crystal structure by powder X-ray diffraction.4Was identified. On the other hand, α-Fe which is an oxidation impurity2O3, FePO4No crystal diffraction peak was observed.
[0115]
  Further, elemental analysis revealed that 2.76% by weight of carbon derived from acetylene black was contained. The crystallite size was 122 nm. Therefore, the carbon content and crystallite size areReference example 1It was not much different.
[0116]
  Using this positive electrode material,Reference example 1A positive electrode pellet and a coin-type lithium secondary battery under the same conditions asReference example 1The charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as above. The average initial discharge capacity for 1 to 20 cycles is also shown in Table 1.
[0117]
  As shown in Table 1,Reference example 1The initial discharge capacity is relatively good, and acetylene black as conductive carbon and the effect of hydrogenation are recognized. Also,Reference example 1Then, the initial discharge capacity is larger than that of Comparative Example 4, and when adding acetylene black that is already infusible and carbonized, it is added to the raw material before pre-firing to perform the main firing. However, it turns out that positive electrode performance becomes high.
[0118]
[Table 1]
Figure 0004297406
[0119]
  Example 4
  Cathode material LiFePO4Was synthesized by the following procedure.
  5.0532 g FeC2O4・ 2H2O (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 3.7094 g of (NH4)2HPO4(Manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 1.1784 g of LiOH · H20.0610 g of acetylene black [Denka Black (registered trademark; 50% pressed product) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.] was added to O (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and pulverized and mixed using an automatic mortar manufactured by Agate. . This pulverized mixture is placed in an alumina crucible and 5 volume% hydrogen (H2) / 95 vol% argon (Ar) mixed gas was first calcined at 400 ° C. for 5 hours while venting at a flow rate of 200 ml / min. To the extracted post-calcined raw material 2.2430 g, 0.0576 g of a softening temperature 200 ° C. refined coal pitch was added, ground and mixed in an agate mortar, and further subjected to main firing at 775 ° C. for 10 hours in the same atmosphere ( The mixed gas continued to circulate from before the start of temperature rise to during firing and after being allowed to cool). The synthesized positive electrode material is LiFePO having an olivine type crystal structure by powder X-ray diffraction.4Was identified. On the other hand, α-Fe which is an oxidation impurity2O3, FePO4No crystal diffraction peak was observed.
[0120]
Elemental analysis also revealed that a total of 3.27% by weight of carbon produced by pyrolysis of the refined coal pitch and carbon derived from acetylene black were contained. The crystallite size was 74 nm.
[0121]
Using this positive electrode material, a positive electrode pellet and a coin-type lithium secondary battery were produced under the same conditions as in Example 1.
For the secondary battery incorporating the positive electrode material obtained as described above, the current density per apparent area of the positive electrode pellet is 0.5 mA / cm.2And 1.6 mA / cm2Then, when charging / discharging was repeated in the operating voltage range of 3.0 V to 4.0 V, the average initial discharge capacity of 1 to 20 cycles was as shown in Table 2 (the initial discharge capacity was determined in the product). Standardized by the amount of positive electrode active material). In this way, the positive electrode material obtained by adding acetylene black as conductive carbon before calcination and adding refined coal pitch as conductive carbon precursor after calcination has the discharge capacity of the secondary battery. It was shown that the positive electrode performance was improved by increasing the size.
[0122]
[Table 2]
Figure 0004297406
[0123]
  Example 5
  Cathode material LiFePO4Was synthesized by the following procedure.
  5.0161g Fe3(PO4)2・ 8H2O (manufactured by Soekawa Riken), 1.1579 g of Li3PO4Approximately 1.5 times volume ethanol was added to (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), pulverized and mixed using a planetary ball mill having 2 mm diameter zirconia beads and zirconia pots, and dried at 50 ° C. under reduced pressure. The dried pulverized mixture was placed in an alumina crucible, and first calcined at 400 ° C. for 5 hours while aeration of 100 volume% argon (Ar) gas at a flow rate of 200 ml / min. 0.1904 g of refined coal pitch [ADCPEMCO Co., Ltd. MCP-200 (trade name)] is added to 4.1248 g of the raw material after pre-baking that has been taken out, pulverized in an agate mortar, and the same atmosphere. The main calcination was carried out at 700 ° C. for 10 hours (the gas continued to flow from before the start of the temperature increase to during the calcination and further after the cooling.) The synthesized positive electrode material is LiFePO having an olivine type crystal structure by powder X-ray diffraction.4Was identified. On the other hand, α-Fe which is an oxidation impurity2O3, FePO4No crystal diffraction peaks of other impurities were observed.
[0124]
Moreover, although it was found from elemental analysis that 3.16% by weight of carbon produced by pyrolysis of refined coal pitch was contained, no diffraction peak of graphite crystals was observed from X-ray diffraction. It was presumed to form a complex with crystalline carbon. The crystallite size was 194 nm.
[0125]
Using this positive electrode material, a positive electrode pellet and a coin-type lithium secondary battery were produced under the same conditions as in Example 1.
[0126]
For the secondary battery incorporating the positive electrode material obtained as described above, the current density per apparent area of the positive electrode pellet is 0.5 mA / cm.2And 1.6 mA / cm2Then, when charging / discharging was repeated in the operating voltage range of 3.0 V to 4.0 V, the average initial discharge capacity of 1 to 20 cycles was as shown in Table 3 (the initial discharge capacity was Standardized by the amount of positive electrode active material).
[0127]
FIG. 4 shows the charge / discharge characteristics at the 10th cycle of the coin-type lithium secondary battery under the above conditions.
[0128]
  Comparative Example 5
  Example 5On the other hand, except that the refined coal pitch with a softening temperature of 200 ° C. was added to the raw material before the temporary firing, and the preliminary firing and the main firing were performedExample 5The positive electrode material olivine type LiFePO4Got.
  That is,Example 5Same amount of Fe3(PO4)2・ 8H2O (manufactured by Soekawa Riken) and Li3PO40.1940 g of refined coal pitch with a softening temperature of 200 ° C. is added to (made by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), pulverized, mixed and dried using a planetary ball mill, and then 400 times in the same argon atmosphere in an alumina crucible. After calcining at 5 ° C. for 5 hours, after pulverization, this was further calcined at 700 ° C. for 10 hours in the same atmosphere. The obtained positive electrode material is obtained by X-ray diffraction.Example 5And the crystallite size is 189 nm,Example 5There was almost no difference. In addition, from elemental analysis, it contains 3.04% by weight of carbon produced by thermal decomposition of refined coal pitch.Example 5It turned out that there is no big difference.
[0129]
  About this positive electrode material,Example 5A coin-type lithium secondary battery configured in the same manner asExample 5The charge / discharge cycle test was carried out in the same manner as above. The average initial discharge capacity of 1 to 20 cycles is also shown in Table 3.
[0130]
In addition, FIG. 5 shows the charge / discharge characteristics of the tenth cycle of the coin-type lithium secondary battery under the above conditions.
[0131]
  As shown in Table 3, Comparative Example 5 in which the refined coal pitch was added to the raw material before calcination also showed a relatively large initial discharge capacity, and the effect of adding the refined coal pitch was recognized. Refined coal pitch was added toExample 5It can be seen that the initial discharge capacity is further increased.
[0132]
  Moreover, when FIG. 4 and FIG. 5 are compared, coal pitch was added after temporary baking.Example 5Has a flat area of charge / discharge voltage up to a larger capacity value compared to Comparative Example 5 in which the coal pitch is added before pre-firing, and the difference between the charge voltage and the discharge voltage is small. It is understood that it is excellent.
[0133]
Therefore, it was found that even in the case of a 100% argon firing atmosphere containing no hydrogen, higher positive electrode performance can be obtained by adding coal pitch to the raw material after provisional firing.
[0134]
  In addition,Example 5Thus, when using a refined coal pitch that has a relatively low viscosity when melted compared to dextrin, the resulting positive electrode material may exhibit a relatively large discharge capacity without necessarily adding hydrogen to the firing atmosphere. is there.
[0135]
[Table 3]
Figure 0004297406
[0136]
【The invention's effect】
According to the method of the present invention, the crystal growth of the primary particles of the positive electrode material can be suppressed, and the crystal particles of the obtained positive electrode material can be refined. That is, a positive electrode produced by adding a conductive carbon precursor and / or conductive carbon at a predetermined timing, and preferably firing a raw material of the positive electrode material while supplying hydrogen and / or moisture (water or water vapor) The primary particles of the material can be efficiently finely divided, and a state in which conductive carbon is present in the positive electrode material uniformly and stably can be created, and higher positive electrode performance can be obtained.
[0137]
In addition, according to the method of the present invention, there is no fear that the raw material is insufficiently fired and does not chemically change to the final product, or the intermediate product remains, and the target positive electrode material is reliably synthesized from the raw material by firing. it can.
[0138]
In addition, hydrogen and / or moisture have a strong crystal growth inhibiting action and a strong action to improve the adhesion state of the substance that deposits conductive carbon by heating to the positive electrode material, and are easy to handle and inexpensive. Therefore, it is efficient.
[0139]
Further, in the secondary battery of the present invention using the positive electrode material manufactured by the above method, since the crystal particles of the positive electrode material are finely divided, an alkali such as lithium ion is formed at the interface between the positive electrode material and the electrolyte. Electrode reaction due to the large surface area when the positive electrode material undergoes electrochemical oxidation / reduction accompanied by dedoping / doping of metal ions, and alkali metal ions can easily enter and exit at the interface between the particles inside the positive electrode material and the electrolyte. Polarization is suppressed. Furthermore, since the contact between the positive electrode material and the conductivity imparting material such as carbon black, which is usually mixed with the positive electrode material, is remarkably improved, the conductivity is improved, and the utilization rate of the positive electrode material as the active material is high. It is a secondary battery having a small resistance and a markedly improved voltage efficiency and effective battery discharge capacity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining charge / discharge behavior of a secondary battery.
2 is a graph showing charge / discharge characteristics of a coin-type secondary battery obtained in Example 3. FIG.
3 is a graph showing charge / discharge characteristics of a coin-type secondary battery obtained in Comparative Example 3. FIG.
4 is a graph showing charge / discharge characteristics of a coin-type secondary battery obtained in Example 6. FIG.
5 is a graph showing charge / discharge characteristics of a coin-type secondary battery obtained in Comparative Example 5. FIG.

Claims (9)

粉砕、混合した原料を不活性ガス雰囲気中で焼成してアルカリ金属、遷移金属及び酸素を含む正極材料を製造する2次電池正極材料の製造方法において、
焼成過程は、常温から300℃ないし450℃に至る第一段階と、常温から500℃ないし800℃の範囲の焼成完了温度に至る第二段階と、を含み、
加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質を、第一段階の焼成後の原料に添加した後、第二段階の焼成を行うことを特徴とする、2次電池正極材料の製造方法。
In a method for producing a positive electrode material for a secondary battery, in which a pulverized and mixed raw material is fired in an inert gas atmosphere to produce a positive electrode material containing an alkali metal, a transition metal and oxygen,
The firing process includes a first stage from room temperature to 300 ° C. to 450 ° C. and a second stage from room temperature to a firing completion temperature in the range of 500 ° C. to 800 ° C. ,
A method for producing a positive electrode material for a secondary battery, comprising adding a substance capable of producing conductive carbon by thermal decomposition to a raw material after the first stage baking, and then performing a second stage baking.
粉砕、混合した原料を不活性ガス雰囲気中で焼成してアルカリ金属、遷移金属及び酸素を含む正極材料を製造する2次電池正極材料の製造方法において、
焼成過程は、常温から300℃ないし450℃に至る第一段階と、常温から500℃ないし800℃の範囲の焼成完了温度に至る第二段階と、を含み、
導電性炭素を、第一段階の焼成前の原料に添加して焼成を行うとともに、
加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質を、第一段階の焼成後の原料に添加した後、第二段階の焼成を行うことを特徴とする、2次電池正極材料の製造方法。
In a method for producing a positive electrode material for a secondary battery, in which a pulverized and mixed raw material is fired in an inert gas atmosphere to produce a positive electrode material containing an alkali metal, a transition metal and oxygen,
The firing process includes a first stage from room temperature to 300 ° C. to 450 ° C. and a second stage from room temperature to a firing completion temperature in the range of 500 ° C. to 800 ° C. ,
Conductive carbon is added to the raw material before firing in the first stage and fired.
A method for producing a positive electrode material for a secondary battery, comprising adding a substance capable of generating conductive carbon by thermal decomposition to a raw material after the first stage baking, and then performing a second stage baking.
請求項1または請求項2において、前記加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質が、ビチューメン類であることを特徴とする、2次電池正極材料の製造方法。  The method for producing a positive electrode material for a secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the substance capable of generating conductive carbon by thermal decomposition is bitumen. 請求項3において、前記ビチューメン類が、軟化温度80℃から350℃の範囲にあり、加熱分解による減量開始温度が350℃から450℃の範囲にあり、かつ、500℃から800℃の加熱分解・焼成により導電性炭素を析出し得る石炭ピッチであることを特徴とする、2次電池正極材料の製造方法。  4. The bitumen according to claim 3, wherein the bitumen has a softening temperature in the range of 80 ° C. to 350 ° C., a weight loss starting temperature by thermal decomposition in the range of 350 ° C. to 450 ° C., and 500 ° C. to 800 ° C. A method for producing a positive electrode material for a secondary battery, which is a coal pitch capable of depositing conductive carbon by firing. 請求項1または請求項2において、前記加熱分解により導電性炭素を生じ得る物質が、糖類であることを特徴とする、2次電池正極材料の製造方法。  3. The method for producing a secondary battery positive electrode material according to claim 1, wherein the substance capable of generating conductive carbon by the thermal decomposition is a saccharide. 請求項5において、前記糖類が、250℃以上500℃未満の温度域において分解を起こし、かつ150℃から分解までの昇温過程において一度は少なくとも部分的に融液状態をとり、さらに500℃以上800℃以下までの加熱分解・焼成によって導電性炭素を生成する糖類であることを特徴とする、2次電池正極材料の製造方法。  6. The saccharide according to claim 5, wherein the saccharide undergoes decomposition in a temperature range of 250 ° C. or more and less than 500 ° C., and at least partially takes a melt state once in the temperature rising process from 150 ° C. to decomposition, and further 500 ° C. A method for producing a positive electrode material for a secondary battery, which is a saccharide that generates conductive carbon by thermal decomposition and baking up to 800 ° C or lower. 請求項1から請求項6のいずれか1項において、前記正極材料が、M(1)a(2)x[ここで、M(1)はLiまたはNaを示し、M(2)はFe(II)、Co(II)、Mn(II)、Ni(II)、V(II)またはCu(II)を示し、AはPまたはSを示し、aは0〜3から選ばれる数(ただし、0は含まない)、xは1〜2から選ばれる数、yは1〜3から選ばれる数、zは4〜12から選ばれる数、をそれぞれ示す]の一般式で示される物質またはこれらの複合体であることを特徴とする、2次電池正極材料の製造方法。In any one of claims 1 to 6, wherein the positive electrode material, M (1) a M ( 2) x A y O z [ wherein, M (1) represents the Li or Na, M ( 2) represents Fe (II), Co (II), Mn (II), Ni (II), V (II) or Cu (II), A represents P or S, and a is selected from 0 to 3 Represented by the general formula: x represents a number selected from 1 to 2, y represents a number selected from 1 to 3, and z represents a number selected from 4 to 12. A method for producing a positive electrode material for a secondary battery, wherein the material is a composite material or a composite thereof. 請求項1から請求項6のいずれか1項において、前記正極材料が、LiFePO、LiCoPOまたはLiMnPO(ここで、qは0〜1から選ばれる数(ただし、0は含まない)を示す)の一般式で示される物質またはこれらの複合体であることを特徴とする、2次電池正極材料の製造方法。7. The positive electrode material according to claim 1, wherein the positive electrode material is Li q FePO 4 , Li q CoPO 4, or Li q MnPO 4 (where q is a number selected from 0 to 1 (provided that 0 A method for producing a positive electrode material for a secondary battery, which is a substance represented by the general formula 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の方法により製造された正極材料によって正極が構成されていることを特徴とする2次電池。A secondary battery comprising a positive electrode made of a positive electrode material produced by the method according to any one of claims 1 to 8 .
JP2002222870A 2002-07-31 2002-07-31 Method for producing secondary battery positive electrode material and secondary battery Expired - Fee Related JP4297406B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002222870A JP4297406B2 (en) 2002-07-31 2002-07-31 Method for producing secondary battery positive electrode material and secondary battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002222870A JP4297406B2 (en) 2002-07-31 2002-07-31 Method for producing secondary battery positive electrode material and secondary battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004063386A JP2004063386A (en) 2004-02-26
JP4297406B2 true JP4297406B2 (en) 2009-07-15

Family

ID=31942789

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002222870A Expired - Fee Related JP4297406B2 (en) 2002-07-31 2002-07-31 Method for producing secondary battery positive electrode material and secondary battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4297406B2 (en)

Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2456056C (en) * 2001-07-31 2011-11-15 Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd. Method of producing secondary battery cathode material, and secondary battery
JP4058680B2 (en) * 2002-08-13 2008-03-12 ソニー株式会社 Method for producing positive electrode active material and method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery
KR101156828B1 (en) * 2003-10-27 2012-06-18 자이단호우진 치큐칸쿄 산교기쥬츠 켄큐키코 Positive electrode material for secondary battery, method for producing positive electrode material for secondary battery, and secondary battery
JP4794833B2 (en) * 2004-07-21 2011-10-19 日本コークス工業株式会社 Positive electrode material for lithium ion secondary battery, method for producing the same, and lithium ion secondary battery
KR100615859B1 (en) * 2004-10-07 2006-08-25 한국전기연구원 Transition metal phosphates active anode material for lithium secondary batteries and manufacturing method thereof
KR100701248B1 (en) * 2004-11-16 2007-04-06 한국전기연구원 Carbon-coated lithium transition metal phosphates for active cathode material for lithium secondary battery and manufacturing method thereof
KR100701244B1 (en) * 2004-11-16 2007-04-06 한국전기연구원 Method for manufacturing Carbon-coated lithium transition metal phosphates for active cathode material for lithium secondary battery
JP4550640B2 (en) * 2005-03-30 2010-09-22 シャープ株式会社 Lithium secondary battery, positive electrode plate for lithium secondary battery, and production method thereof
KR20100139085A (en) * 2008-03-28 2010-12-31 비와이디 컴퍼니 리미티드 A method of preparing a lithium iron phosphate cathode material for lithium secondary batteries
JP4959648B2 (en) * 2008-08-04 2012-06-27 株式会社日立製作所 Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP5396798B2 (en) 2008-09-30 2014-01-22 Tdk株式会社 Active material, positive electrode and lithium ion secondary battery using the same
US8821763B2 (en) 2008-09-30 2014-09-02 Tdk Corporation Active material and method of manufacturing active material
JP2010157405A (en) * 2008-12-26 2010-07-15 Toda Kogyo Corp Polyanionic positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery, producing process thereof, and nonaqueous electrolyte secondary battery
DE102009020832A1 (en) * 2009-05-11 2010-11-25 Süd-Chemie AG Composite material containing a mixed lithium metal oxide
KR20120082878A (en) * 2009-08-28 2012-07-24 프리메트 프리시젼 머테리알스, 인크. Compositions and processes for making the same
WO2011027682A1 (en) * 2009-09-03 2011-03-10 株式会社 村田製作所 Method for producing electrode active material for secondary cell and precursor of electrode active material for secondary cell
JP5486907B2 (en) 2009-11-18 2014-05-07 電気化学工業株式会社 Positive electrode material for lithium ion secondary battery and method for producing the same
CA2784686C (en) * 2009-12-17 2018-02-20 Phostech Lithium Inc. Method for improving the electrochemical performances of an alkali metal oxyanion electrode material and alkali metal oxyanion electrode material obtained therefrom
WO2011114918A1 (en) * 2010-03-19 2011-09-22 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Power storage device and manufacturing method thereof
JP5765798B2 (en) * 2010-03-28 2015-08-19 国立大学法人 新潟大学 Cathode active material for Li-ion battery and method for producing the same
US8980126B2 (en) * 2010-10-08 2015-03-17 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Electrode material and method for manufacturing power storage device
CA2831747A1 (en) 2011-03-28 2012-10-04 Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd. Electrode material for secondary battery, method for producing electrode material for secondary battery, and secondary battery
JP5851707B2 (en) 2011-04-01 2016-02-03 三井造船株式会社 Lithium iron phosphate positive electrode material and method for producing the same
WO2013073561A1 (en) 2011-11-15 2013-05-23 電気化学工業株式会社 Composite particles, manufacturing method thereof, electrode material for secondary battery, and secondary battery
CN108767206A (en) 2011-11-15 2018-11-06 电化株式会社 Compound particle and its manufacturing method, electrode for secondary battery material and secondary cell
KR20150084995A (en) 2012-11-12 2015-07-22 미쯔이 죠센 가부시키가이샤 Electrode material and process for manufacturing electrode material
JP6020131B2 (en) * 2012-12-19 2016-11-02 日亜化学工業株式会社 Method for producing olivine-type lithium transition metal composite oxide
JP6097198B2 (en) 2013-10-30 2017-03-15 住友大阪セメント株式会社 Electrode material, electrode and lithium ion battery
JP6389773B2 (en) * 2015-02-09 2018-09-12 株式会社三井E&Sホールディングス Method for producing positive electrode material for lithium secondary battery

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004063386A (en) 2004-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4297406B2 (en) Method for producing secondary battery positive electrode material and secondary battery
JP4297429B2 (en) Method for producing secondary battery positive electrode material and secondary battery
JP4448976B2 (en) Method for producing positive electrode material for secondary battery, and secondary battery
JP5438724B2 (en) Positive electrode material for secondary battery, method for producing the same, and secondary battery
JP4660812B2 (en) Lithium transition metal phosphate powder for storage battery
JP4959648B2 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
KR101156828B1 (en) Positive electrode material for secondary battery, method for producing positive electrode material for secondary battery, and secondary battery
KR101084076B1 (en) Positive active material for rechargeable lithium battery and rechargeable lithium battery including same
JP4475882B2 (en) Method for producing positive electrode material for secondary battery, and secondary battery
KR20190010250A (en) Negative active material for lithium secondary battery, method of manufacturing the same, and lithium secondary battery including the same
KR20200050747A (en) Positive electrode for rechargeable lithium battery, method of preparing the same and rechargeable lithium battery including the same
JP4120860B2 (en) Method for producing positive electrode material for secondary battery, and secondary battery
JP5324731B2 (en) Method for producing secondary battery positive electrode material and secondary battery
WO2018048174A1 (en) Cathode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same
JP3616253B2 (en) Method for producing negative electrode material for non-aqueous secondary battery
KR102610479B1 (en) Anode active material for secondary batteries and manufacturing method thereof
KR102597205B1 (en) Negative active material for lithium secondary battery, method of manufacturing the same, and lithium secondary battery including the same
JP2017095326A (en) M-CONTAINING SILICON MATERIAL, WHERE M IS AT LEAST ONE ELEMENT SELECTED FROM Sn, Pb, Sb, Bi, In, Zn OR Au, AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050801

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080318

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080716

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080916

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20081203

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090202

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20090408

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090410

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4297406

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120424

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130424

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130424

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130424

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140424

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140424

Year of fee payment: 5

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140424

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees