JP4491947B2

JP4491947B2 - 正極活物質の製造方法及び非水電解質電池の製造方法

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Publication number: JP4491947B2
Application number: JP2000305352A
Authority: JP
Inventors: 守細谷; 公雄高橋; 弦福嶋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2020-10-04
Also published as: JP2002117837A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムを可逆的にドープ及び脱ドープ可能な正極活物質の製造方法及びこの正極活物質を用いた非水電解質電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、種々の電子機器の飛躍的進歩とともに、長時間便利に、かつ経済的に使用できる電源として、再充電可能な二次電池の研究が進められている。代表的な二次電池としては、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池、非水電解質二次電池等が知られている。
【０００３】
上記のような二次電池の中でも特に、非水電解質二次電池であるリチウムイオン二次電池は、高出力、高エネルギー密度などの利点を有している。リチウムイオン二次電池は、少なくともリチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な活物質を有する正極と負極と、非水電解質とから構成される。
【０００４】
ここで、負極活物質としては、一般に金属リチウム、Ｌｉ−Ａｌ合金等のリチウム合金、ポリアセチレンやポリピロール等のリチウムをドープした導電性高分子、リチウムイオンを結晶中に取り込んだ層間化合物や炭素材料等が用いられている。また、電解液としては、非プロトン性有機溶媒にリチウム塩を溶解させた溶液が用いられている。
【０００５】
一方、正極活物質には、金属酸化物、金属硫化物、或いはポリマーが用いられ、例えばＴｉＳ₂、ＭｏＳ₂、ＮｂＳｅ₂、Ｖ₂Ｏ₅等が知られている。これらの材料を用いた非水電解質二次電池の放電反応は、負極においてリチウムイオンが電解液中に溶出し、正極では正極活物質の層間にリチウムイオンがインターカレーションすることによって進行する。逆に、充電する場合には、上記の逆反応が進行し、正極においては、リチウムがインターカレーションする。すなわち、負極からのリチウムイオンが正極活物質に出入りする反応を繰り返すことによって充放電を繰り返すことができる。
【０００６】
現在、リチウムイオン二次電池の正極活物質としては、高エネルギー密度、高電圧を有すること等から、ＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄等が用いられている。しかし、これらの正極活物質は、クラーク数の低い金属元素をその組成中に有しているため、コストが高くつく他、安定供給が難しいという問題がある。また、これらの正極活物質は、毒性も比較的高く、環境に与える影響も大きいことから、これらに代わる新規正極活物質が求められている。
【０００７】
これに対し、オリビン構造を有するＬｉＦｅＰＯ₄をリチウムイオン二次電池の正極活物質として用いることが提案されている。ＬｉＦｅＰＯ₄は、体積密度が３．６ｇ／ｃｍ³と大きく、３．４Ｖの高電位を発生し、理論容量も１７０ｍＡｈ／ｇと大きい。また、ＬｉＦｅＰＯ₄は、初期状態で、電気化学的に脱ドープ可能なＬｉを、Ｆｅ原子１個当たりに１個含んでいるので、リチウムイオン電池の正極活物質として有望な材料である。しかもＬｉＦｅＰＯ₄は、資源的に豊富で安価な材料である鉄をその組成中に有しているため、上述のＬｉＣｏＯ₂、ＬｉＮｉＯ₂、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄等と比較して低コストであり、また、毒性も低いため環境に与える影響も小さい。
【０００８】
しかしながら、ＬｉＦｅＰＯ₄の電子伝導性は低いため、ＬｉＦｅＰＯ₄を正極活物質として用いた場合、電池の内部抵抗が増大することがある。その結果、電池の内部抵抗の増大に起因して電池の閉回路時の分極電位が大きくなり、電池容量が減少してしまうという問題がある。
【０００９】
そのため、ＬｉＦｅＰＯ₄を正極活物質として用いる場合には、電子伝導性を補うために導電剤を混合することが必要となり、導電剤との物理的接触を多くするためにＬｉＦｅＰＯ₄粒子の比表面積が大きいこと、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の粒径が小さいことが好ましい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＬｉＦｅＰＯ₄を製造するに際しては、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の焼成時における粒子成長が著しいという問題がある。すなわち、ＬｉＦｅＰＯ₄の粒径が大きくなってしまうため、正極活物質として用いた場合に導電材との物理的接触を有するための十分な比表面積を得ることが難しいという問題がある。
【００１１】
したがって、本発明は、上述した従来の実情に鑑みて創案されたものであり、電子伝導性に優れ、高容量を有する正極活物質の製造方法及び非水電解質二次電池の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る正極活物質の製造方法は、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（ただし、０＜ｘ≦１である。）で表される化合物と炭素材料との複合体を正極活物質とした正極活物質の製造方法であって、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（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する混合工程と、混合工程により得られた混合物にミリングを施すミリング工程と、ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する焼成工程とを備え、焼成工程前に一次粒子径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加することを特徴とするものである。
【００１３】
上述した正極活物質の製造方法では、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄で表される化合物の合成原料に焼成前の何れかの時点で炭素材料を添加して焼成を行う。したがって、本発明による正極活物質の製造方法では、オリビン構造を有し、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（式中、０＜ｘ≦１．０である。）で表される化合物と炭素材料との複合体、即ちＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体として製造される。
【００１４】
そして、添加する炭素材料の一時粒径を１０．２μｍ以下と規定するものである。ここで、一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料は、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄で表される化合物の合成原料に添加して焼成を行った場合、上記化合物の粒子の成長を抑制する効果を有する。したがって、上記化合物ＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加して焼成することにより合成されたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体におけるＬｉＦｅＰＯ₄の粒子は、焼成中に大きく成長することが抑制されている。すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加して焼成することにより合成されたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体におけるＬｉＦｅＰＯ₄粒子は、粒径が小さいものとされる。これにより、ＬｉＦｅＰＯ₄の重量当たりの比表面積は、一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加せずに焼成を行って合成したＬｉＦｅＰＯ₄粒子の比表面積に比べて大きいものとされる。
【００１５】
ここで、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の比表面積が大きいということは、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の比表面積が大きいということであり、これによりＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は、正極活物質に混合して用いられる導電剤との物理的接触を十分に得ることができるため、優れた電子伝導性を有するものとされる。また、電子伝導性が向上することにより、ＬｉＦｅＰＯ₄本来の容量が十分に引き出されるため、正極活物質として用いた場合に、高容量を有する非水電解液電池が実現される。
【００１６】
また、本発明に係る非水電解質電池の製造方法は、正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極と、非水電解質とを備える非水電解質電池の製造方法であって、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（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する混合工程と、混合工程により得られた混合物にミリングを施すミリング工程と、ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する焼成工程とを経て、焼成工程前に一次粒子径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加することによって正極活物質を製造することを特徴とするものである。
【００１７】
上述した非水電解質二次電池の製造方法では、正極活物質を作製する際に、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄で表される化合物の合成原料に焼成前の何れかの時点で炭素材料を添加して焼成を行う。したがって、本発明による非水電解質二次電池の製造方法では、正極活物質は、オリビン構造を有し、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（式中、０＜ｘ≦１．０である。）で表される化合物と炭素材料との複合体、即ちＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体として製造される。
【００１８】
そして、添加する炭素材料の一時粒径を１０．２μｍ以下と規定するものである。ここで、一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料は、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄で表される化合物の合成原料に添加して焼成を行った場合、上記化合物の粒子の成長を抑制する効果を有する。したがって、上記化合物ＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加して焼成することにより合成されたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体におけるＬｉＦｅＰＯ₄の粒子は、焼成中に大きく成長することが抑制されている。すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加して焼成することにより合成されたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体におけるＬｉＦｅＰＯ₄粒子は、粒径が小さいものとされる。これにより、ＬｉＦｅＰＯ₄の重量当たりの比表面積は、一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加せずに焼成を行って合成したＬｉＦｅＰＯ₄粒子の比表面積に比べて大きいものとされる。
【００１９】
ここで、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の比表面積が大きいということは、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の比表面積が大きいということであり、これによりＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は、正極活物質に混合して用いられる導電剤との物理的接触を十分に得ることができるため、優れた電子伝導性を有するものとされる。そして、電子伝導性が向上することにより、ＬｉＦｅＰＯ₄本来の容量が十分に引き出されるため、高容量を有する非水電解液電池が実現される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
本発明を適用して製造される非水電解液電池１は、図１に示すように、負極２と、負極２を収容する負極缶３と、正極４と、正極４を収容する正極缶５と、正極４と負極２との間に配されたセパレータ６と、絶縁ガスケット７とを備え、負極缶３及び正極缶５内に非水電解液が充填されてなる。
【００２２】
負極２は、負極活物質となる例えば金属リチウム箔からなる。また、負極活物質として、リチウムをドープ、脱ドープ可能な材料を用いる場合には、負極２は、負極集電体上に、上記負極活物質を含有する負極活物質層が形成されてなる。負極集電体としては、例えばニッケル箔等が用いられる。
【００２３】
リチウムをドープ、脱ドープ可能な負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、リチウムがドープされた導電性高分子、炭素材料や金属酸化物などの層状化合物を用いることができる。
【００２４】
負極活物質層に含有される結着剤としては、この種の非水電解液電池において負極活物質層の結着剤として通常用いられている公知の樹脂材料等を用いることができる。
【００２５】
負極缶３は、負極２を収容するものであり、また、非水電解液電池１の外部負極となる。
【００２６】
正極４は、例えばアルミニウム箔等からなる正極集電体上に、リチウムを電気化学的に放出することが可能であり、且つ吸蔵することも可逆的に可能である正極活物質を含有する正極活物質層が形成されてなる。
【００２７】
正極活物質としては、詳細な製造方法は後述するが、オリビン構造を有し、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（式中、０＜ｘ≦１．０である。）で表される化合物と炭素材料との複合体、即ちＬｉＦｅＰＯ４炭素複合体を用いる。
【００２８】
以下、Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄としてＬｉＦｅＰＯ₄を用い、これと炭素材料とかならる複合体を正極活物質として用いる場合について説明する。
【００２９】
ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の表面に、当該ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の粒径に比べて極めて小とされる粒径を有する炭素材料の粒子が多数個、付着してなるものである。
【００３０】
本発明において、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は、後述するようにＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加して焼成することにより製造されている。ここで、一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料は、ＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加して焼成を行った場合、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の成長を抑制する効果を有する。したがって、ＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加して焼成することにより合成されたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体におけるＬｉＦｅＰＯ₄の粒子は、焼成中に大きく成長することが抑制されている。すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加して焼成することにより合成されたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体におけるＬｉＦｅＰＯ₄粒子は、粒径が小さいものとされている。これにより、ＬｉＦｅＰＯ₄の重量当たりの比表面積は、一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加せずに焼成を行って合成したＬｉＦｅＰＯ₄粒子の比表面積に比べて大きいものとされている。
【００３１】
ここで、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の比表面積が大きいということは、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の比表面積が大きいということであり、これによりＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は、正極活物質に混合して用いられる導電剤との物理的接触を十分に得ることができるため、優れた電子伝導性を有するものとされている。また、電子伝導性が向上することにより、ＬｉＦｅＰＯ₄本来の容量が十分に引き出されるため、正極活物質として用いた場合に、高容量を有する非水電解液電池１を実現できる。
【００３２】
また、炭素材料は導電性を有するので、炭素材料とＬｉＦｅＰＯ₄とから構成されるＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は、ＬｉＦｅＰＯ₄と比較するとＬｉＦｅＰＯ₄粒子の表面に付着した炭素材料の導電性による電子伝導性向上の効果も得ることができる。すなわち、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の表面に付着してなる炭素粒子により電子伝導性が向上するので、ＬｉＦｅＰＯ₄本来の容量を十分に引き出される。したがって、正極活物質としてＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を用いることにより、高容量を有する非水電解液電池１を実現できる。
【００３３】
ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体における単位重量当たりの炭素含有量は、３重量％以上であることが好ましい。ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体における単位重量当たりの炭素含有量が３重量％未満である場合、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の表面に付着している炭素粒子の量が十分でないため、電子伝導性向上の効果を十分に得ることができない虞がある。
【００３４】
また、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の粉体密度は、２．２ｇ／ｃｍ³以上であることが好ましい。ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は、その粉体密度が２．２ｇ／ｃｍ³以上となる程度に合成原料に対してミリングが施されると、十分に微小化されたものとなる。したがって、正極活物質の充填率が向上し、高容量を有する非水電解液電池１を実現できる。また、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は、上記粉体密度を満たすように微小化されているので、ＬｉＦｅＰＯ₄の比表面積も増大しているといえる。つまり、ＬｉＦｅＰＯ₄と炭素材料との接触面積を十二分に確保することができ、電子伝導性を向上させることが可能となる。
【００３５】
ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の粉体密度が２．２ｇ／ｃｍ³未満である場合、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は十分に圧縮されてないため、正極４における活物質充填率の向上が図れない虞がある。
【００３６】
また、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体のブルナウアーエメットテラー（以下、ＢＥＴと称する。）比表面積は、１０．３ｍ²／ｇ以上であることが好ましい。ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体のＢＥＴ比表面積を１０．３ｍ²／ｇ以上とすると、単位重量当たりにおけるＬｉＦｅＰＯ₄の比表面積を十分に大きいものとすることができ、ＬｉＦｅＰＯ₄と炭素材料との接触面積を大きくすることができる。したがって、正極活物質の電子伝導性を確実に向上させることができる。
【００３７】
さらに、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の一次粒径は、３．１μｍ以下であることが好ましい。ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の一次粒径を３．１μｍ以下とすることにより、単位重量当たりにおけるＬｉＦｅＰＯ₄の比表面積を十分に大きいものとすることができ、ＬｉＦｅＰＯ₄と炭素材料との接触面積を大きくすることができる。したがって、正極活物質の電子伝導性を確実に向上させることができる。
【００３８】
正極活物質層に含有される結着剤としては、この種の非水電解液電池において正極活物質層の結着剤として通常用いられている公知の樹脂材料等を用いることができる。
【００３９】
正極缶５は、正極４を収容するものであり、また、非水電解液電池１の外部正極となる。
【００４０】
セパレータ６は、正極４と、負極２とを離間させるものであり、この種の非水電解液電池のセパレータとして通常用いられている公知の材料を用いることができ、例えばポリプロピレンなどの高分子フィルムが用いられる。また、リチウムイオン伝導度とエネルギー密度との関係から、セパレータの厚みはできるだけ薄いことが必要である。具体的には、セパレータの厚みは例えば５０μｍ以下が適当である。
【００４１】
絶縁ガスケット７は、負極缶３に組み込まれ一体化されている。この絶縁ガスケット７は、負極缶３及び正極缶５内に充填された非水電解液の漏出を防止するためのものである。
【００４２】
非水電解液としては、非プロトン性非水溶媒に電解質を溶解させた溶液が用いられる。
【００４３】
非水溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチルラクトン、スルホラン、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、２−メチルテトラヒドロフラン、３−メチル−１，３−ジオキソラン、プロピオン酸メチル、酪酸メチル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等を使用することができる。特に、電圧安定性の点からは、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート類を使用することが好ましい。また、このような非水溶媒は、１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。
【００４４】
また、非水溶媒に溶解させる電解質としては、例えば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＣｌＯ₄、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＮ（ＣＦ₃ＳＯ₂）₂等のリチウム塩を使用することができる。これらのリチウム塩の中でも特に、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＢＦ₄を使用することが好ましい。
【００４５】
なお、本発明を適用した非水電解質電池として、非水電解液を用いた非水電解液電池１を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、非水電解質として、固体電解質を用いた場合にも適用可能である。ここで、固体電解質としては、リチウムイオン導電性を有する材料であれば無機固体電解質、ゲル状電解質等の高分子固体電解質の何れも用いることができる。ここで、無機固体電解質としては、窒化リチウム、ヨウ化リチウム等が挙げられる。また、高分子固体電解質は、電解質塩とそれを溶解する高分子化合物からなり、その高分子化合物は、ポリ（エチレンオキサイド）や、同架橋体などのエーテル系高分子、ポリ（メタクリレート）エステル系高分子、アクリレート系高分子等を単独、又は分子中に共重合、又は混合して用いることができる。この場合、例えばゲル状電解質のマトリックスとしては、非水電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子材料を用いることができる。このような高分子材料としては、例えば、ポリ（ビニリデンフルオロライド）や、ポリ（ビニリデンフルオロライド−ＣＯ−ヘキサフルオロプロピレン）等のフッ素系高分子、ポリ（エチレンオキサイド）や、同架橋体などのエーテル系高分子、またポリ（アクリロニトリル）などを用いることができる。そして、これらの中でも特に、酸化還元安定性の観点からフッ素系高分子を用いることが好ましい。
【００４６】
上述のように構成される非水電解液電池１の製造方法について、以下に説明する。
【００４７】
まず、正極活物質としてＬｉ_xＦｅＰＯ₄と炭素材料との複合体を、以下に示す製造方法に従って合成する。
【００４８】
この正極活物質を合成するには、Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄の合成原料を混合し、ミリングを施し、焼成し、且つ上記焼成前の何れかの時点で炭素材料を添加する。Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄の合成原料としては、Ｌｉ₃ＰＯ₄と、Ｆｅ₃（ＰＯ₄）₂又はその水和物であるＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・ｎＨ₂Ｏ（ただし、ｎは水和数である。）とを用いる。
【００４９】
以下、合成原料として、リン酸リチウム（Ｌｉ₃ＰＯ₄）と、下記に示すようにして合成されるリン酸第一鉄八水和物（Ｆｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏ）とを用い、この合成原料に炭素材料を添加した後に種々の工程を行うことにより、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を合成する場合について説明する。
【００５０】
まず、ＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料と炭素材料とを混合して混合物とする混合工程を行う。次いで、混合工程で得られた混合物にミリングを施すミリング工程を行う。次いで、ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する焼成工程を行う。
【００５１】
混合工程では、合成原料として、リン酸リチウムとリン酸第一鉄八水和物とを所定比で混合し、さらに一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加して混合物とする。ここで、一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料は、ＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加して焼成を行った場合、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の成長を抑制する効果を有する。したがって、一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加することにより、焼成工程でＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を合成する際に、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体におけるＬｉＦｅＰＯ₄粒子の成長を抑制することができる。
【００５２】
すなわち、一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加して焼成を行うことにより、焼成中にＬｉＦｅＰＯ₄粒子が大きく成長することを抑制することができ、合成されたＬｉＦｅＰＯ₄粒子の粒径を小さくすることができる。
【００５３】
これにより、ＬｉＦｅＰＯ₄の重量当たりの比表面積を、一時粒径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加せずに焼成を行って合成したＬｉＦｅＰＯ₄粒子の比表面積に比べて大きいものとすることができる。
【００５４】
その結果、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体は、正極活物質に混合して用いられる導電剤との物理的接触を十分に得ることができるため、優れた電子伝導性を有するものとされている。また、電子伝導性が向上することにより、ＬｉＦｅＰＯ₄本来の容量が十分に引き出されるため、正極活物質として用いた場合に、高容量を有する非水電解液電池１を実現できる。
【００５５】
合成原料として用いるリン酸第一鉄八水和物は、硫酸鉄七水和物（ＦｅＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏ）を水に溶かしてなる水溶液に、リン酸水素二ナトリウム一二水和物（２Ｎａ₂ＨＰＯ₄・１２Ｈ₂Ｏ）を添加し、所定の時間放置することにより合成される。リン酸第一鉄八水和物の合成反応は、下記化１に示す反応式で表される。
【００５６】
【化１】

【００５７】
合成原料であるリン酸第一鉄八水和物には、その合成工程上、ある程度のＦｅ³⁺が含まれている。合成原料にＦｅ³⁺が残存すると、焼成により３価のＦｅ化合物が生成されるため、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の単相合成が妨げられてしまう。このため、焼成前の合成原料に還元剤を添加し、焼成時に合成原料中に含まれているＦｅ³⁺をＦｅ²⁺に還元する必要がある。
【００５８】
しかし、還元剤によるＦｅ³⁺のＦｅ²⁺への還元能力には限界があり、合成原料中のＦｅ³⁺の含有率が多すぎる場合、Ｆｅ³⁺が還元されきれずにＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体中に残存してしまうことがある。
【００５９】
そこで、リン酸第一鉄八水和物中の鉄総量に対するＦｅ³⁺の含有率を、６１重量％以下とすることが好ましい。合成原料であるリン酸第一鉄八水和物中の鉄総量に対するＦｅ³⁺の含有率を６１重量％以下とあらかじめ制限することにより、焼成時においてＦｅ³⁺を残存させることなく、すなわちＦｅ³⁺に起因する不純物を生成させることなく、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の単相合成を確実に行うことができる。
【００６０】
なお、リン酸第一鉄八水和物を生成する際の放置時間が長いほど、生成物中のＦｅ³⁺の含有率が多くなるので、放置時間を所定の時間に制御することにより、任意のＦｅ³⁺の含有率を有するリン酸第一鉄八水和物を生成させることができる。また、リン酸第一鉄八水和物中の鉄総量に対するＦｅ³⁺の含有率は、メスバウア測定法により測定することができる。
【００６１】
また、合成原料に添加される炭素材料は、合成原料のリン酸第一鉄八水和物中に含まれるＦｅ²⁺が大気中の酸素や焼成等によりＦｅ³⁺に酸化されたとしても、焼成時にＦｅ³⁺をＦｅ²⁺に還元する還元剤として働く。したがって、合成原料にＦｅ³⁺が残存していたとしても、不純物の生成が防止され、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の単相合成が可能となる。さらに、炭素材料は、合成原料に含まれるＦｅ²⁺のＦｅ³⁺への酸化を防止する酸化防止剤として働く。すなわち、炭素材料は、焼成前又は焼成時において大気中及び焼成炉内に存在する酸素により、Ｆｅ²⁺がＦｅ³⁺へ酸化されてしまうことを防止する。
【００６２】
すなわち、炭素材料は、上述したように正極活物質の電子伝導性を向上させる導電材としての働きをするとともに、還元剤及び酸化防止剤として働く。なお、この炭素材料は、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の構成要素となるので、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の合成後に除去する必要がない。従って、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の製造が効率化される。
【００６３】
なお、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の単位重量あたりの炭素含有量は、３重量％以上とすることが好ましい。ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の単位重量あたりの炭素含有量を３重量％以上とすることにより、ＬｉＦｅＰＯ₄が本来有する容量及びサイクル特性を十分に引き出すことが可能となる。
【００６４】
ミリング工程では、混合工程で得られた混合物に、粉砕・混合同時に行うミリングを施す。本発明におけるミリングとは、ボールミルを用いた強力な粉砕・混合をいう。また、ボールミルとしては、例えば遊星型ボールミル、シェイカー型ボールミル、メカノフュージョン等を好適に用いることができる。
【００６５】
混合工程で得られた混合物にミリングを施すことにより、合成原料及び炭素材料を均一に混合することができる。また、ミリングを施すことにより合成原料を微細化すると、合成原料の比表面積を増大させることができる。したがって、原料同士の接触点が増大し、引き続く焼成工程における合成反応を速やかに進行することが可能となる。
【００６６】
また、合成原料を含有する混合物にミリングを施す際には、粒子径３μｍ以上の粒子の粒度分布が体積基準の積算頻度にして２２％以下となるようにすることが好ましい。合成原料の粒度分布を上記範囲とすることにより、合成原料は、表面積として、合成反応に十分な表面活性を得ることができる広さを有することができる。したがって、焼成温度が例えば６００℃という合成原料の融点以下という低い温度であっても、反応効率が良好であり、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の単相合成を確実に行うことができる。
【００６７】
また、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の粉体密度が２．２ｇ／ｃｍ³以上となるように、ミリングを施すことが好ましい。上記粉体密度となるように合成原料を微小化することにより、ＬｉＦｅＰＯ₄の比表面積を大きくすることができる。これにより、ＬｉＦｅＰＯ₄と炭素材料との接触面積を大きくすることができ、正極活物質の電子伝導性を向上させることが可能となる。
【００６８】
したがって、合成原料を含有する混合物にミリングを施すことにより、高容量である非水電解液電池１を実現する正極活物質を製造することができる。
【００６９】
焼成工程では、ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する。混合物を焼成することにより、リン酸リチウムとリン酸第一鉄八水和物とを反応させ、ＬｉＦｅＰＯ₄を合成する。
【００７０】
ＬｉＦｅＰＯ₄の合成反応は、下記化２に示す反応式で表される。なお、下記化に示す反応式においては、Ｌｉ₃ＰＯ₄と、Ｆｅ₃（ＰＯ₄）₂又はその水和物であるＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・ｎＨ₂Ｏ（ただし、ｎは水和数である。）とを反応させた場合を示す。
【００７１】
【化２】

【００７２】
上記化２に示す反応式から明らかなように、合成原料としてＦｅ₃（ＰＯ₄）₂を用いた場合、副生成物が生じない。また、Ｆｅ₃（ＰＯ₄）₂・ｎＨ₂Ｏを用いた場合、副生成物として無毒である水のみが生じる。
【００７３】
ところで、従来は合成原料として炭酸リチウム、リン酸二水素アンモニウム及び酢酸鉄（ＩＩ）を所定比で混合し、焼成し、下記化３に示す反応によってＬｉＦｅＰＯ₄を合成していた。
【００７４】
【化３】

【００７５】
上記化３に示す反応式から明らかなように、従来のＬｉＦｅＰＯ₄の合成方法では、焼成時に有毒なアンモニアや酢酸等の副生成物が生じていた。このため、これら有毒な副生成物を処理するための大規模な集気装置等の設備が必要となり、製造コスト上昇の原因となっていた。また、これらの副生成物が大量に生じるため、ＬｉＦｅＰＯ₄の収率が低下していた。
【００７６】
本発明においては、合成原料としてＬｉ₃ＰＯ₄と、Ｆｅ₃（ＰＯ₄）₂又はその水和物であるＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・ｎＨ₂Ｏ（ただし、ｎは水和数である。）とを用いているので、有毒な副生成物が生じることなく、目的物質であるＬｉＦｅＰＯ₄を得られる。言い換えると、従来の製造方法に比べて、焼成時における安全性が著しく向上する。また、従来では有毒な副生成物を処理するために大規模な処理設備が必要だったが、本発明の製造方法では、副生成物が無毒である水なので、処理工程を大幅に簡略化でき、処理設備を縮小できる。したがって、従来の副生成物であるアンモニア等を処理する際に比べて、製造コストを大幅に削減することができる。さらにまた、上記化２に示す反応式から明らかなように、副生成物の生成が少量であるので、ＬｉＦｅＰＯ₄の収率を大幅に向上させることができる。
【００７７】
混合物の焼成を行う際の焼成温度は、上記の合成方法により４００℃〜９００℃とすることが可能であるが、電池性能を考慮すると、６００℃程度とすることが好ましい。焼成温度が４００℃未満であると、化学反応及び結晶化が十分に進まず、合成原料であるＬｉ₃ＰＯ₄等の不純物相が存在し、均一なＬｉＦｅＰＯ₄を得られない虞がある。一方、焼成温度が９００℃を上回ると、結晶化が過剰に進行してＬｉＦｅＰＯ₄の粒子が大きくなり、ＬｉＦｅＰＯ₄と炭素材料との接触面積が減少し、電子伝導性が下がるため、十分な放電容量を得られない虞がある。
【００７８】
焼成時において、合成されたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体中のＦｅは２価の状態である。このため、合成温度である６００℃程度の温度においては、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体中のＦｅは、焼成雰囲気中の酸素によって下記化４に示す反応式によりＦｅ³⁺にすみやかに酸化されてしまう。これに起因して、３価のＦｅ化合物等の不純物が生成され、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の単相合成が妨げられてしまう。
【００７９】
【化４】

【００８０】
そこで、焼成雰囲気として窒素、アルゴン等の不活性ガス又は水素や一酸化炭素等の還元性ガスを用いるとともに、焼成雰囲気中の酸素濃度を、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体中のＦｅが酸化されない範囲、すなわち１０１２ｐｐｍ（体積）以下とすることが好ましい。焼成雰囲気中の酸素濃度を、１０１２ｐｐｍ（体積）以下とすることにより、６００℃程度の合成温度においてもＦｅの酸化を防止し、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の単相合成を確実に行うことが可能となる。
【００８１】
焼成雰囲気中の酸素濃度が１０１２ｐｐｍ（体積）よりも高い場合には、焼成雰囲気中の酸素量が多すぎるため、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体中のＦｅがＦｅ³⁺に酸化されてしまい、これに起因して不純物が生成してしまうため、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の単相合成が妨げられてしまう虞がある。
【００８２】
焼成後のＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の取り出しについては、焼成後のＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の取り出し温度、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を大気中に暴露する際のＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の温度は３０５℃以下とすることが好ましい。また、焼成後のＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の取り出し温度を２０４℃以下とすることがより好ましい。ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の取り出し温度を３０５℃以下とすることにより、焼成後のＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体中のＦｅが大気中の酸素により酸化され、不純物が生成されることを防止できる。
【００８３】
焼成後にＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を十分に冷却しない状態で取り出した場合、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体中のＦｅが大気中の酸素により酸化され、不純物が生成される虞がある。しかしながら、あまり低い温度までＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を冷却したのでは、作業効率の低下を招く虞がある。
【００８４】
したがって、焼成後のＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の取り出し温度を３０５℃以下とすることにより、焼成後のＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体中のＦｅが大気中の酸素により酸化されて不純物が生成されることを防止するとともに、作業効率も維持することが可能となり、電池特性として好ましい特性を有するＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を効率よく合成することができる。
【００８５】
なお、焼成後のＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の冷却は焼成炉内で行うが、このときの冷却方法は、自然冷却でも良く、また、強制冷却でも良い。ただし、冷却時間の短縮、すなわち、作業効率を考慮した場合には、強制冷却することが好ましい。そして、強制冷却する場合には、焼成炉内を上述した酸素濃度、すなわち１０１２ｐｐｍ（体積）以下とするように酸素と不活性ガスとの混合ガス、又は不活性ガスのみを焼成炉内に供給すれば良い。
【００８６】
上記においては、ミリングを施す前に一時粒径が１０．２μｍ以下の炭素材料の添加を行っているが、この炭素材料の添加は、ミリング後に行うことも可能である。すなわち、一時粒径が１０．２μｍ以下の炭素材料の添加は、焼成前のいずれかの時点で行えばよい。
【００８７】
上述のようにして得られたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を正極活物質として用いた非水電解液電池１は、例えば次のようにして製造される。
【００８８】
負極２としては、まず、負極活物質と結着剤とを溶媒中に分散させてスラリーの負極合剤を調製する。次に、得られた負極合剤を集電体上に均一に塗布、乾燥して負極活物質層を形成することにより負極２が作製される。上記負極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができるほか、上記負極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。また、負極活物質となる金属リチウムをそのまま負極２として用いることもできる。
【００８９】
正極４としては、まず、正極活物質となるＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体と結着剤とを溶媒中に分散させてスラリーの正極合剤を調製する。次に、得られた正極合剤を集電体上に均一に塗布、乾燥して正極活物質層を形成することにより正極４が作製される。上記正極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができるほか、上記正極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。
【００９０】
非水電解液は、電解質塩を非水溶媒中に溶解することにより調製される。
【００９１】
そして、負極２を負極缶３に収容し、正極４を正極缶５に収容し、負極２と正極４との間に、ポリプロピレン製多孔質膜等からなるセパレータ６を配する。負極缶３及び正極缶５内に非水電解液を注入し、絶縁ガスケット７を介して負極缶３と正極缶５とをかしめて固定することにより、コイン型の非水電解液電池１が完成する。
【００９２】
以上のようにして製造されたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を正極活物質とする非水電解液電池１は、正極活物質の電子伝導性に優れたものとされる。したがって、この非水電解液電池１は、リチウムイオンのドープ及び脱ドープが良好に行われるため、大容量を有するとともに、ＬｉＦｅＰＯ₄が本来有する優れたサイクル特性が十分に引き出されるため、高容量を有する非水電解質二次電池とされる。
【００９３】
なお、上述したような本実施の形態に係る非水電解液電池１は、円筒型、角型、コイン型、ボタン型等、その形状については特に限定されることはなく、また、薄型、大型等の種々の大きさにすることができる。
【００９４】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実験結果に基づいて説明する。ここでは、本発明の効果を調べるべく、ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を合成し、得られたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を正極活物質として用いて非水電解質電池を作製し、その特性を評価した。
【００９５】
＜実施例１＞
正極活物質としてＬｉＦｅＰＯ₄複合体を合成した。この正極活物質の製造方法を以下に示す。
【００９６】
まず、Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとを、リチウムと鉄との元素比率が１：１となるように混合し、さらに一時粒径が０．０２μｍである炭素粉末を焼成物全体の１０重量％となるように添加して混合物とした。次に、混合物及び直径１０ｍｍのアルミナ製ボールを、質量比で混合物：アルミナ製ボール＝１：２として直径１００ｍｍのアルミナ製ポットに投入し、遊星型ボールミルを用いてこの混合物にミリングを施した。なお、遊星型ボールミルとして、実験用遊星回転ポットミル「ＬＡ−ＰＯ４」（伊藤製作所製）を使用し、下記に示す条件としてミリングを施した。
【００９７】
遊星型ボールミルミリング条件
公転半径：２００ｍｍ
公転回転数：２５０ｒｐｍ
自転回転数：２５０ｒｐｍ
運転時間：１０ｈ
次に、上記においてミリングを施した混合物の粒度分布を、以下に示すようにして測定した。まず、ミリングを施した混合物と、メチルエチルケトン、トルエン及びシクロヘキサノンからなる溶媒とをセル（スクリュー管瓶）に投入した。次いで、セル中の試料を超音波分散し、ＨＲＡ（ＭＩＣＲＯＴＲＡＣ社製）を用いて混合物の粒度分布を測定した。そして、粒子径３μｍ以上の粒子が示す粒度分布を体積基準の積算頻度として求めた。
【００９８】
次に、粒度分布測定後の混合物をセラミックるつぼに入れ、窒素雰囲気中の電気炉にて６００℃の温度で５時間焼成することによりＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を得た。
【００９９】
次に、上述のようにして得られたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を正極活物質として用いて電池を作製した。
【０１００】
まず、上記において正極活物質として調製したＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を８５重量部と、導電材としてアセチレンブラックを１０重量部と、バインダーとしてフッ素樹脂粉末であるポリ（ビニリデンフルオロライド）５重量部とを混合した後、加圧成形して直径１５．５ｍｍ、厚み０．１ｍｍのペレット状の正極とした。
【０１０１】
次いで、リチウム金属箔を正極と略同形に打ち抜くことにより負極とした。
【０１０２】
次いで、プロピレンカーボネートとジメチルカーボネートとの等容量混合溶媒に、ＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／ｌの濃度で溶解させることにより非水電解液を調製した。
【０１０３】
以上のようにして得られた正極を正極缶に収容し、負極を負極缶に収容し、正極と負極との間にセパレータを配した。正極缶及び負極缶内に非水電解液を注入し、正極缶と負極缶とをかしめて固定することにより、直径２０．０ｍｍ、厚み１．６ｍｍの２０１６型のコイン型テストセルを作製した。
【０１０４】
＜実施例２＞
Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加する炭素粉末の一時粒径を０．０８μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてコイン型テストセルを作製した。
【０１０５】
＜実施例３＞
Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加する炭素粉末の一時粒径を０．２μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてコイン型テストセルを作製した。
【０１０６】
＜実施例４＞
Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加する炭素粉末の一時粒径を１．１μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてコイン型テストセルを作製した。
【０１０７】
＜実施例５＞
Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加する炭素粉末の一時粒径を２．３μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてコイン型テストセルを作製した。
【０１０８】
＜実施例６＞
Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加する炭素粉末の一時粒径を６．３μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてコイン型テストセルを作製した。
【０１０９】
＜実施例７＞
Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加する炭素粉末の一時粒径を１０．２μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてコイン型テストセルを作製した。
【０１１０】
＜比較例１＞
Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加する炭素粉末の一時粒径を１３．１μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてコイン型テストセルを作製した。
【０１１１】
＜比較例２＞
Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加する炭素粉末の一時粒径を１５．６μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてコイン型テストセルを作製した。
【０１１２】
＜比較例３＞
Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加する炭素粉末の一時粒径を１７．９μｍとしたこと以外は、実施例１と同様にしてコイン型テストセルを作製した。
【０１１３】
以上のようにして作製した、実施例１乃至実施例７及び比較例１乃至比較例３の正極活物質であるＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体について、一次粒子の粒度測定を行った。Ｘ線回折測定は、Ｘ線回折計：ＲＩＮＴ２０００（商品名、リガク社製）を用いていった。また、粒度測定は、超音波振動により凝集粒子分散後、レーザー回折法により粒子の粒度を測定した。そして、最も小粒径側に出現する頻度ピークもしくはそれに準ずる頻度域を一時粒子の粒径とした。一次粒子の粒度測定結果を、Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物に添加した炭素粉末の一時粒径とともに表１に示す。
【０１１４】
【表１】

【０１１５】
また、以上のようにして作製した実施例１乃至実施例７、比較例１乃至比較例３のコイン型テストセルについて、以下のようにして充放電サイクル特性試験を行い、初期放電容量密度及び５０サイクル後の放電容量維持率を求めた。
【０１１６】
＜充放電サイクル特性試験＞
充放電サイクル特性は、充放電を繰り返した後の容量維持率により評価した。
【０１１７】
各テストセルに対して定電流充電を行い、電池電圧が４．２Ｖになった時点で、定電流充電から定電圧充電に切り替えて、電圧を４．２Ｖに保ったまま充電を行った。そして、電流が０．０１ｍＡ／ｃｍ²以下になった時点で充電を終了させた。その後、放電を行い、電池電圧が２．０Ｖまで低下した時点で放電を終了させた。
【０１１８】
以上の工程を１サイクルとして、これを５０サイクル行い、１サイクル目及び５０サイクル目における放電容量を求めた。そして、１サイクル目の放電容量（Ｃ１）に対する、５０サイクル目の放電容量（Ｃ２）の比率（（Ｃ２／Ｃ１）×１００）を放電容量維持率として求めた。なお、充電時、放電時ともに常温（２５℃）で行い、このときの電流密度は０．１ｍＡ／ｃｍ²とした。その結果を表１に合わせてに示す。なお、表１における電池評価は、初期放電容量が１００ｍＡｈ／ｇ以上、かつ５０サイクル目の放電容量が５０％以上のものに○を、初期放電容量が１００ｍＡｈ／ｇ未満、もしくは５０サイクル目の放電容量が５０％未満のものに×を記した。ここで、１００ｍＡｈ／ｇ以上、かつ５０％以上は、電池特性として好ましい特性値である。
【０１１９】
表１より、Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉ₃ＰＯ₄の合成原料に添加した炭素粉末の一時粒径が１０．２μｍ以下である実施例１乃至実施例７では、合成されたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の一時粒径は小さいものとされている。そして、初期放電容量密度は、実用レベルの電池特性として望ましい１００ｍＡｈ／ｇを越えた良好な値を示しており、また、５０サイクル目の放電容量維持率も実用レベルの電池特性として望ましい５０％を大きく越えた良好な値を示している。これは、Ｌｉ₃ＰＯ₄の合成原料に添加された炭素粉末の一時粒径が、焼成中におけるＬｉ₃ＰＯ₄粒子の著しい成長を抑制するのに適正な値、すなわち１０．２μｍ以下とされているため、ＬｉＦｅＰＯ₄の一時粒径が小さいものとされ、これによりＬｉ₃ＰＯ₄炭素複合体の比表面積が大きくされたため、Ｌｉ₃ＰＯ₄炭素複合体、すなわち正極活物質の電子伝導性が良好なものとされているためと考えられる。
【０１２０】
一方、Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉ₃ＰＯ₄の合成原料に添加した炭素粉末の一時粒径が１０．２μｍよりも大きい比較例１乃至比較例３では、合成されたＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体の一時粒径は大きくなっている。そして、初期放電容量密度は、実用レベルの電池特性として望ましい１００ｍＡｈ／ｇを大きく下回った値を示している。また、比較例１では、５０サイクル目の放電容量維持率も実用レベルの電池特性として望ましい５０％を下回った値を示している。これは、Ｌｉ₃ＰＯ₄の合成原料に添加された炭素粉末の一時粒径が、焼成中におけるＬｉ₃ＰＯ₄粒子の著しい成長を抑制するのに適正な値、すなわち１０．２μｍよりも大きいため、ＬｉＦｅＰＯ₄の一時粒径が大きくなってしまい、これによりＬｉ₃ＰＯ₄炭素複合体の比表面積が小さくなったため、Ｌｉ₃ＰＯ₄炭素複合体、すなわち正極活物質の電子伝導性が不十分であるためと考えられる。
【０１２１】
以上のことより、焼成前にＬｉＦｅＰＯ₄の合成原料に添加する炭素粉末の一時粒径を１０．２μｍ以下とすることにより、合成されたＬｉＦｅＰＯ₄の一時粒径を小さくし、優れた電子伝導性を有する正極活物質を作製することができるといえる。そして、当該ＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を正極活物質として用いることにより、優れた電子伝導性を有する非水電解質電池を構成することができるといえる。
【０１２２】
次に、ポリマー電池を作製し、特性を評価した。
【０１２３】
＜実施例８＞
まず、ゲル状電解質を以下に示すようにして作製した。まず、ヘキサフルオロプロピレンが６．９重量％の割合で共重合されたポリフッ化ビニリデンと、非水電解液と、ジメチルカーボネートとを混合し、撹拌、溶解させ、ゾル状の電解質溶液を調製した。次いで、ゾル状の電解質溶液に、ビニレンカーボネート（ＶＣ）を０．５重量％の割合で添加してゲル状電解質溶液とした。なお、非水電解液として、エチレンカーボネート（ＥＣ）と、プロピレンカーボネート（ＰＣ）とを体積比で６：４の割合で混合した混合溶媒にＬｉＰＦ₆を０．８５ｍｏｌ／ｋｇの割合で溶解させたものを使用した。
【０１２４】
次いで、正極を以下に示すようにして作製した。まず、実施例１で作製したＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を８５重量部と、導電剤としてアセチレンブラックを１０重量部と、バインダーとしてフッ素樹脂粉末であるポリ（ビニリデンフルオロライド）５重量部とを混合した後、Ｎ−メチルピロリドンを加えてスラリー状にしたものを準備した。次に、このスラリーを厚み２０μｍのアルミ箔に塗布、加熱乾燥後、加圧工程を経て正極塗布箔を作製した。次に、この正極塗布箔の片面にゲル状電解質溶液を塗布後、乾燥して溶剤を除去した後、セルの径に準じて直径１５ｍｍの円形に打ち抜き、正極電極とした。
【０１２５】
次いで、負極を以下に示すようにして作製した。まず、黒鉛粉末にバインダーとしてフッ素樹脂粉末を１０重量％混合し、Ｎ−メチルピロリドンを加えてスラリー状にしたものを準備した。次に、このスラリーを銅箔に塗布、加熱乾燥後、加圧工程を経てセルの大きさに準じて直径１６．５ｍｍの円形に打ち抜き、負極電極とした。
【０１２６】
以上のようにして得られた正極を正極缶に収容し、負極を負極缶に収容し、正極と負極との間にセパレータを配した。そして、正極缶と負極缶とをかしめて固定することにより、直径２０ｍｍ、厚み１．６ｍｍの２０１６型のコイン型リチウムポリマー電池を作製した。
【０１２７】
＜実施例９＞
正極を作製する際に、実施例７で作製したＬｉＦｅＰＯ₄炭素複合体を用いたこと以外は、実施例８と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製した。
【０１２８】
以上のようにして作製した実施例８及び実施例９のコイン型リチウムポリマー電池ついて、上記のようにして充放電サイクル特性試験を行い、初期放電容量密度及び３０サイクル後の放電容量維持率を求めた。その結果を表２に示す。
【０１２９】
【表２】

【０１３０】
表２から判るように、Ｌｉ₃ＰＯ₄とＦｅ₃（ＰＯ₄）₂・８Ｈ₂Ｏとの混合物、すなわちＬｉ₃ＰＯ₄の合成原料に添加した炭素粉末の一時粒径が１０．２μｍ以下であるである実施例１及び実施例７の正極活物質を用いた実施例８及び実施例９は、初期放電容量密度、３０サイクル後の容量維持率ともに良好な値を示している。このことから、本発明に係る正極活物質は、非水電解質として非水電解液の代わりにゲル状電解質を用いた場合においても放電容量の向上という効果を得られることが確認された。
【０１３１】
【発明の効果】
本発明に係る正極活物質の製造方法は、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（ただし、０＜ｘ≦１である。）で表される化合物と炭素材料との複合体を正極活物質とした正極活物質の製造方法であって、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（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する混合工程と、混合工程により得られた混合物にミリングを施すミリング工程と、ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する焼成工程とを備え、焼成工程前に一次粒子径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加するものである。
【０１３２】
以上のような本発明に係る正極活物質の製造方法によれば、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の焼成中の粒子成長を抑制することができ、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の粒径の小さい正極活物質を作製することができるため、優れた電子伝導性と高容量を有する正極活物質を提供することができる。
【０１３３】
また、本発明に係る非水電解質電池の製造方法は、正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極と、非水電解質とを備える非水電解質電池の製造方法であって、一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（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する混合工程と、混合工程により得られた混合物にミリングを施すミリング工程と、ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する焼成工程とを経て、焼成工程前に一次粒子径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加することによって上記正極活物質を製造するものである。
【０１３４】
以上のような本発明に係る非水電解質電池の製造方法によれば、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の焼成中の粒子成長を抑制することができ、ＬｉＦｅＰＯ₄粒子の粒径の小さい正極活物質を作製することができるため、優れた電子伝導性と高容量を有する正極活物質を作製することができる。したがって、本発明によれば、優れた電子伝導性と高容量を有する非水電解質二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した非水電解質電池の一構成例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１非水電解液電池、２負極、３負極缶、４正極、５正極缶、６セパレータ、７絶縁ガスケット

Claims

一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（ただし、０＜ｘ≦１である。）で表される化合物と炭素材料との複合体を正極活物質とした正極活物質の製造方法であって、
上記一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（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する混合工程と、
上記混合工程により得られた混合物にミリングを施すミリング工程と、
上記ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する焼成工程とを備え、
上記焼成工程前に一次粒子径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加すること
を特徴とする正極活物質の製造方法。
正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極と、非水電解質とを備える非水電解質電池の製造方法であって、
一般式Ｌｉ_xＦｅＰＯ₄（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する混合工程と、
上記混合工程により得られた混合物にミリングを施すミリング工程と、
上記ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する焼成工程とを経て、
上記焼成工程前に一次粒子径が１０．２μｍ以下である炭素材料を添加することによって上記正極活物質を製造すること
を特徴とする非水電解質電池の製造方法。
上記非水電解質が、液系電解質であること
を特徴とする請求項２記載の非水電解質電池の製造方法。
上記非水電解質が、ポリマー電解質であること
を特徴とする請求項２記載の非水電解質電池の製造方法。