JP4642959B2

JP4642959B2 - Method for producing lithium titanate

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Publication number: JP4642959B2
Application number: JP2000017499A
Authority: JP
Inventors: 徹也山脇; 英樹堺
Original assignee: Toho Titanium Co Ltd
Current assignee: Toho Titanium Co Ltd
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2001213622A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯機器用電源やパソコンなどのバックアップ用電源などに用いられるリチウムイオン電池の電極用として有効なチタン酸リチウムの製造方法に係り、さらに具体的には、リチウムイオン電池の負極材料または正極として用いた場合、放電容量が高くかつ充放電サイクル特性に優れたチタン酸リチウムの製造方法ならびにこれを用いたリチウムイオン電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のエレクトロニクス技術分野における技術の急速な発展により、電子機器の小型軽量化が進み、そのような機器の駆動用またはバックアップ用の電源である二次電池にも小型かつ軽量で、しかも、高エネルギー密度のものが切望されている。また、最近では、ＣＯ_２削減の要請から電気自動車用や家庭での夜間電力貯蔵用など、より大容量の蓄電システムの開発が急務となっている。このような要望に応える新しい二次電池として、負極材料にリチウム化合物を用いた容積密度の高いリチウムイオン電池が注目されてきている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
リチウムイオン電池のリチウム化合物の電極材料、特に負極材料には、放電容量、また充放電サイクル特性が従来の金属リチウムや酸化チタン電極に比べ優れていることからＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２（ときにはＬｉ_４／３Ｔｉ_５／３Ｏ_４で表される）の化学式で表されるチタン酸リチウムが最近注目されており研究が盛んに行われている。該化合物の製造方法として湿式法と乾式法が知られている（例えば特開平９−３０９７２７号公報、ジャーナル・オブ・ローテンパラチャー・フィジックス、J.of Low Temp. Physics. Vol.25, p145, 1976）。湿式法では結晶性の優れたチタン酸リチウムが得られるが、複雑な工程と廃水処理などを必要とし、経済的に問題がある。
【０００４】
一方、従来公知の乾式法では工程は簡単であるが、前記化学式以外のチタン酸リチウムが副生したり、リチウム元素あるいはリチウム化合物の揮発損失の発生などによるＬｉ／Ｔｉ原子比（以下、「Ｌｉ／Ｔｉ比」と記載する。）の制御が困難であったり、製品中への原料酸化チタンの残存があったり、その結果、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２のチタン酸リチウムを効率的に製造し難いという問題がある。
【０００５】
また、上述したように、チタン酸リチウムをリチウムイオン電池の負極材料または正極に使用した場合、電池の充放電サイクル特性が従来の負極材料に比べ優れているものの、サイクルを繰り返すと、未だなお容量の低下があり、放電容量が高くかつ充放電サイクル特性に優れた負極材料または正極材料としてのチタン酸リチウムの開発が望まれていた。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、本発明の目的は以下の通りである。
（１）乾式法において効率の良いチタン酸リチウムを製造する方法の提供。
（２）焼成反応中におけるリチウム化合物の揮発損失を防止して、Ｌｉ／Ｔｉ比を０．８０を中心に０．７８〜０．８２、好ましくは０．７９〜０．８０に任意に制御可能とするチタン酸リチウムの製造方法の提供。
（３）原料酸化チタンの残存を抑制し、純度の高いチタン酸リチウムを製造する方法の提供。
（４）リチウムイオン電池の負極材料または正極材料として用いた場合、放電容量が高くかつ充放電サイクル特性に優れたチタン酸リチウムの製造方法の提供。
（５）上記チタン酸リチウムを用いた放電容量が高くかつ充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン電池用負極または正極ならびにリチウムイオン電池。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ある特定条件で原料化合物を混合し、さらに反応の途中に生成する物質の組成を制御し焼成することによりリチウム化合物の損失が極めて少なく、Ｌｉ／Ｔｉ比の制御が容易であり、原料酸化チタンの残存もなく、チタン酸リチウム化合物を効率的に製造でき、さらにはリチウムイオン電池の負極材料または正極材料として用いた場合、放電容量が高くかつ充放電サイクル特性に優れたチタン酸リチウムが製造できることを見出し本発明の完成に到った。
【０００８】
本発明はこれらの知見に基づくものであって、本発明のチタン酸リチウムの製造方法は、炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウムおよび酸化リチウムのうち１種または２種以上のリチウム化合物と酸化チタンと溶媒とを混合することによって上記リチウム化合物の全部または一部を上記溶媒に溶解し、これを乾燥して混合固体物を得、該混合固体物を６７０℃以上かつ８００℃未満の温度で仮焼して、ＴｉＯ_２とＬｉ_２ＴｉＯ_３で構成される組成物またはＴｉＯ_２、Ｌｉ_２ＴｉＯ_３およびＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２で構成される組成物を調製し、その後本焼成することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のリチウムイオン電池用負極または正極は、上記のチタン酸リチウムからなることを特徴とする。さらに、本発明のリチウムイオン電池は、上記チタン酸リチウムからなる負極または正極を用いたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施の形態についてより詳しく説明する。
本発明で製造するチタン酸リチウムは、一般式Ｌｉ_ＸＴｉ_ＹＯ_１２で表され、Ｌｉ／Ｔｉ比が０．７８〜０．８２，Ｘが３〜５，Ｙが４〜６の範囲にあり、具体的には、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２で表されるスピネル型の結晶構造を有する単相のチタン酸リチウムあるいは、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２とＬｉ_２ＴｉＯ_３とＴｉＯ_２の混合物もしくは混晶体である。
【００１１】
１．リチウム化合物
先ず、本発明で用いられる出発原料であるリチウム化合物は、炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウム、酸化リチウムから選択される１種または２種以上であるが、これらのうちでも炭酸リチウムおよび水酸化リチウムが好ましく用いられる。原料として用いるこれらのリチウム化合物は高純度のものが好ましく、通常純度９９．０重量％以上である。例えば炭酸リチウムを原料に用いる場合、Ｌｉ_２ＣＯ_３として９９．０重量％以上、好ましくは９９．５重量％以上であって、Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇ等の不純物金属元素が１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下で、Ｃｌ、ＳＯ_４が１００ｐｐｍ以下、好ましくは５０ｐｐｍ以下である。また、水分については十分除去したものが望ましく、水分として０．１重量％以下にすることが望ましい。さらに平均粒径は０．０１〜１００μｍであり、特に炭酸リチウムの場合は１〜５０μｍ、好ましくは５〜２０μｍである。
【００１２】
２．酸化チタン
本発明で用いる酸化チタン（ＴｉＯ_２）については、これも高純度であることが望ましく、具体的には純度９９．０重量％以上、好ましくは９９．５重量％以上であり、不純物として酸化チタン微粒子中に含まれるＦｅ、Ａｌ、ＳｉおよびＮａが各々２０ｐｐｍ未満であり、かつＣｌが２００ｐｐｍ未満である。望ましくは酸化チタン微粒子に含まれるＦｅ、Ａｌ、ＳｉおよびＮａが各々１０ｐｐｍ未満であり、Ｃｌが１００ｐｐｍ未満、さらに望ましくは５０ｐｐｍ未満である。また、平均粒径については、０．０５〜３０μｍ、好ましくは０．１〜１０μｍ、特に好ましくは０．１〜１μｍである。
【００１３】
３．リチウム化合物、酸化チタン、溶媒の混合
次に、上記リチウム化合物を全部または一部溶媒に溶解して、リチウム化合物溶液を調製する。ここで、前記リチウム化合物溶液とは、リチウム化合物がすべて溶媒に溶解した均一溶液、あるいはリチウム化合物の一部が溶媒に溶解し、他の部分は溶媒に懸濁しているものを意味する。溶媒としてはリチウム化合物が溶解するものであれば任意であり、水あるいはアルコール類、またはこれらの混合物があるが水が好ましい。リチウム化合物と溶媒の量比は、使用するリチウム化合物の該溶媒に対する溶解度により異なるが、溶媒に水を使用した場合、リチウム化合物１ｇ当たりの溶媒量は、通常１ｍｌ以上、好ましくは５ｍｌ以上である。前記リチウム化合物溶液を調製する際の温度に特に制限はないが、溶解を促進するうえで室温から１００℃の範囲、好ましくは５０〜８０℃である。
【００１４】
本発明では前記したリチウム化合物溶液と上記酸化チタンを混合および乾燥し混合固体物を調製するが、混合方法は、振動ミル、ボールミル等の粉砕混合機、あるいは攪拌機付きの混合機、さらには回転混合機等により混合する。本発明では、混合の際に溶媒、リチウム化合物および酸化チタンを接触させ、該溶媒にリチウム化合物を溶解させてリチウム化合物溶液を調製すると同時に、これを酸化チタンと混合してもよい。また、前記混合の際、リチウム化合物溶液に使用した以外の溶媒を用いることも可能であり、例えばメタノール、エタノール、２−エチルヘキサノール等のアルコール類、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン等の飽和炭化水素化合物、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素化合物、オルトジクロルベンゼン、塩化メチレン、四塩化炭素、ジクロルエタン等のハロゲン化炭化水素化合物、アセトン、エーテル類、アセトニトリル、テトラヒドロフランなどが挙げられる。
【００１５】
４．混合固体物の調製
上記のようにリチウム化合物溶液と酸化チタンを混合した後、乾燥し混合固体物を調製する。このとき溶媒を蒸発させるか、リチウム化合物が溶解しないアルコール類を添加し、あるいはそのような溶媒に置換することにより、溶解したリチウム化合物を晶出させる。その後、溶媒中の全体の固形物を乾燥し、リチウム化合物と酸化チタンの混合固体物を得る。このように本発明では、リチウム化合物を全部または一部溶解し酸化チタンと混合するので、リチウム化合物と酸化チタンが均一かつ微細に分散し、仮焼および本焼成時の反応性が良好となり、結果として電池特性に優れたチタン酸リチウムが得られる。
【００１６】
５．仮焼
その後、この混合物を圧縮成形等により成形体とした後にこれを仮焼する。成形する場合には、０．５ｔ／ｃｍ^２程度の圧力で行うのが良い。本発明の仮焼では、上記のリチウム化合物と酸化チタンの均一混合物を、加熱処理し、ＴｉＯ_２とＬｉ_２ＴｉＯ_３もしくはＴｉＯ_２とＬｉ_２ＴｉＯ_３とＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２で構成される組成物、すなわち本発明のチタン酸リチウムの中間生成物を得る。
【００１７】
ここで該中間生成物とは、ＴｉＯ_２とＬｉ_２ＴｉＯ_３の２つの化合物のみの組成物、あるいはＴｉＯ_２とＬｉ_２ＴｉＯ_３とＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２の３つの化合物のみの組成物であり、特に好ましくはＴｉＯ_２とＬｉ_２ＴｉＯ_３の組成物である。このとき加熱処理の温度は、通常６００〜８００℃、好ましくは６７０〜８００℃、特に好ましくは７００〜８００℃である。
【００１８】
ここで加熱雰囲気は酸素ガス、あるいは酸素含有ガス等の酸化性雰囲気、あるいは酸素ガス分圧が１Ｐａ以下、好ましくは０．５Ｐａ以下の雰囲気で行うことができるが、後者の酸素ガス分圧が１Ｐａ以下の酸素ガスの極めて少ない雰囲気で仮焼することが好ましく、これによってリチウムイオン電池の負極または正極とした際、放電容量が高くかつ充放電サイクル特性の極めて良好なチタン酸リチウムを製造することができる。ここで酸素ガス分圧が１Ｐａ以下の雰囲気とは、真空雰囲気、窒素あるいはアルゴンのような不活性ガス雰囲気、または水素ガス等の還元ガス雰囲気をいう。
【００１９】
また、仮焼の時間は、仮焼時の温度あるいは仮焼を行う原料の量、また仮焼に使用する反応炉の能力にも関連するので、一概に特定はできないが、通常３０分以上であり、好ましくは４時間以上である。
【００２０】
このように、本発明の方法では、先ずリチウム化合物と酸化チタンを、最終的に本発明で得るチタン酸リチウムであるＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２が完全に反応し生成する温度より低い温度で仮焼を行う。例えばリチウム化合物として炭酸リチウムを原料として用い、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２が完全に反応し生成する高温で酸化チタンと反応させた場合、炭酸リチウム自身が揮発するかあるいは反応の際、発生した炭酸ガスがリチウム分を飛散させ、結果として、最終的に得られるチタン酸リチウム中のリチウム成分が少なくなるという現象が起きる。これを防ぐために、本発明では、前述したようなリチウム成分の揮発あるいは飛散が起きない比較的低温で反応させ、高温でも安定なＬｉ_２ＴｉＯ_３を中間生成物として先ず生成させる。
【００２１】
この場合において、仮焼の温度が６００℃未満の場合には、原料のリチウム化合物の一部が残存し、次の本焼成でリチウム分またはリチウム成分の揮発損失が増大する。また、仮焼の温度が８００℃以上であると、リチウムまたはリチウム成分の揮発が多く、本焼成後のＬｉ／Ｔｉ比に大きなばらつきが生じ、目的とするＬｉ／Ｔｉ比を有するチタン酸リチウムが得られない。
【００２２】
上記のように本発明では、原料として用いるＬｉ_２ＣＯ_３、ＬｉＯＨなどの未反応のリチウム化合物が残留し、仮焼後の本焼成の際にこれらのリチウム化合物が揮発損失しないように、仮焼することによって、原料リチウム化合物が仮焼後の中間生成物中に含まないように加熱処理を行う。すなわち原料リチウム化合物は、仮焼において酸化チタンとすべて反応させ、Ｌｉ_２ＴｉＯ_３とＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２に変換させる。
【００２３】
ここで、本発明における上記仮焼後の中間生成物組成は、粉末Ｘ線回折測定によって分析し特定する。Ｌｉ_２ＴｉＯ_３は、該Ｘ線チャートの４３．４°の位置のピーク、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２は、１８°および４３°の位置のピーク、またＴｉＯ_２（ルチル型）は２７°の位置のピークの有無によりその存在を確認し特定する。また原料のリチウム化合物については例えばＬｉ_２ＣＯ_３はＸ線チャートの３１．５°のピークの有無によりその存在を確認する。
【００２４】
上記仮焼は原料を熱処理炉に装入して行うが、熱処理炉としては加熱炉とその内部に出し入れされる反応管とから構成される。加熱炉としては、電熱線方式、抵抗加熱方式、高周波加熱方式など任意の方式のものを使用することができる。また、反応管の材質は、１０００℃近傍までの耐熱性があり、かつ、炭酸リチウムや酸化チタンと反応しないようなものを適宜選定すれば良い。また加熱炉を上述した温度に昇温して仮焼を行うが、このときの昇温速度は加熱炉の能力によっても異なるが、通常０．５〜１０℃／分、好ましくは３〜５℃／分である。昇温速度が速すぎる場合上述したようなリチウム成分の揮発損失が起こり、また遅すぎても最終的に得られるチタン酸リチウムの粒度分布が広くなり好ましくない。
【００２５】
上記のようにリチウム化合物と酸化チタンの混合固形物を仮焼するが、このときのリチウム化合物と酸化チタンの混合比は、最終的に得るチタン酸リチウムの組成により異なるものの、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２を得る場合、Ｌｉ／Ｔｉ元素比の理論量で０．８０である。従来の方法では上記のように、焼成中にリチウム成分が揮発損失するため、この理論量よりもリチウム分を大目に混合し、最終的なチタン酸リチウムのＬｉ／Ｔｉを調製していたが、原料の性状や反応の状況により揮発損失の量にばらつきがあり、結果として目的とする組成のチタン酸リチウムを製造することは困難であった。これに対して本発明の方法では、上記のようにリチウム成分の揮発損失を抑えることができるので、目的とするチタン酸リチウムのＬｉ／Ｔｉ元素比に併せて、原料のリチウム化合物および酸化チタンを混合すればよく、目的とするＬｉ／Ｔｉ元素比のチタン酸リチウムが効率よく製造することができる。
【００２６】
上記のように仮焼を行った後、引き続き連続して本焼成を行うこともできるが、仮焼を行った後得られる中間生成物は、チタン酸リチウムの組成を均一にするために、粉砕、混合し、再成形してから本焼成を行うこともできる。
【００２７】
６．本焼成
次いで、前記中間生成物の本焼成を行う。本焼成時の温度は、８００〜９５０℃、好ましくは８５０〜９００℃で行う。本焼成の温度が８００℃未満または９５０℃を上回ると、目的化合物中に残留するＴｉＯ_２量が増加して好ましくない。例えばチタン酸リチウムとしてＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２を製造する場合、粉末Ｘ線回折測定によってＴｉＯ_２の２７°のピークとＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２の１８°のピークの相対強度比（以下「ＴｉＯ_２残留度」という。）から、最終的に得られたチタン酸リチウムに残留するＴｉＯ_２を確認でき、この値が少ないほどリチウムイオン電池の負極または正極に使用した場合に、リチウムイオンのドープ・脱ドープ性能や充放電リサイクル特性等の電池特性が向上される。具体的にＴｉＯ_２残留度は、通常は０．１以下、好ましくは０．０５以下、より好ましくは０．０２以下である。
【００２８】
また、本焼成の時間は、焼成時の温度あるいは焼成を行う中間生成物の量、また焼成に使用する反応炉の能力にも関連するので、一概に特定はできない。しかしながら本発明では、反応中の固体物中の組成を例えば高温Ｘ線回折等で経時的に分析し、酸化チタン（ＴｉＯ_２）および最終的に得るチタン酸リチウムのピークを解析し、原料の酸化チタンが反応しなくなり、目的のチタン酸リチウムのみになるまで本焼成を継続する。
【００２９】
本焼成の時間は、具体的には、通常は３０分以上、好ましくは２時間以上、特に好ましくは４時間以上である。例えば８５０℃で本焼成を行う場合は１０時間以上が好ましく、９００℃の場合は４〜５時間で十分である。その後、加熱炉を冷却し、チタン酸リチウムを得る。また、得られたチタン酸リチウムを必要に応じて粉砕あるいは解砕し、また分級、篩別により粒度を調整する。
【００３０】
ここで、本焼成時の加熱雰囲気は酸素ガス、あるいは酸素含有ガス等の酸化性雰囲気、あるは酸素ガス分圧１Ｐａ以下、好ましくは０．５Ｐａ以下の雰囲気で行うが、後者の酸素ガス分圧が１Ｐａ以下という酸素ガスの極めて少ない雰囲気で本焼成することが好ましく、これによってリチウムイオン電池の負極または正極とした際、放電容量が高くかつ充放電サイクル特性の極めて良好なチタン酸リチウムを製造することができる。ここで酸素ガス分圧が１Ｐａ以下の雰囲気とは、前述と同じく真空雰囲気、窒素あるいはアルゴンのような不活性ガス雰囲気、または水素ガス等の還元ガス雰囲気である。
【００３１】
以上のようにリチウム化合物溶液と酸化チタンとを混合、乾燥し混合固形物を得て、これを仮焼して、ＴｉＯ_２とＬｉ_２ＴｉＯ_３で構成される組成物またはＴｉＯ_２、Ｌｉ_２ＴｉＯ_３およびＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２で構成される中間生成物としての組成物を調製し、その後、本焼成することにより、目的とする組成に制御され、リチウムイオン電池の負極材料または正極材料として用いた場合、放電容量が高くかつ充放電サイクル特性に優れたチタン酸リチウムを製造することができる。
【００３２】
次に、本発明は、前記チタン酸リチウムからなるリチウムイオン電池用負極または正極であり、リチウム電池用負極または正極は、本発明のチタン酸リチウムに導電剤やバインダーなどの電極合剤を任意に添加して製造することができる。具体的には、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維や銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉、金属繊維あるいはポリフェニレン誘導体などの導電性材料を用いることができる。
【００３３】
また、バインダーとしては、多糖類、熱可塑性樹脂及びゴム弾性を有するポリマーなどを用いることができる。具体的には、でんぷん、ポリビニルアルコール、再生セルロース、ポリビニルクロライド、ポリ弗化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレンラバーなどを挙げることができる。さらに、上記の他に、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのフィラーを添加することもできる。
【００３４】
さらに、本発明は、前記チタン酸リチウムからなる負極または正極を用いることからなるリチウムイオン電池であり、リチウムイオン電池は、前記負極と正極と電解質とから構成される。正極に用いる材料に特に制限はないが、公知のものを使用すればよく、例えば、マンガン酸リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ニッケル含有コバルト酸リチウム、五酸化バナジウムなどを用いることができる。
【００３５】
また、使用する電解質は溶媒とリチウム塩から構成され、溶媒として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、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、ギ酸メチル、酢酸メチル、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、１，３−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライムなどの有機溶媒を挙げることができる。リチウム塩としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＢＦ_４などを挙げることができる。このリチウム塩を上記溶媒に溶解させ電解質を構成し、上記正極および負極を組み合わせて本発明のリチウムイオン電池を構成する。
【００３６】
以上のように、本発明では、特定の条件で製造することにより、目的の組成のチタン酸リチウムが効率よく得られ、このチタン酸リチウムをリチウムイオン電池の負極材として使用することによって、放電容量が高く、充放電サイクル特性が極めて良好な負極またリチウムイオン電池を提供することができる。
【００３７】
【実施例】
以下、具体的な実施例を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
［試料番号１］
純度９９．９％の酸化チタン粉末（ルチル化率９０％）７２８．１５ｇと、純度９９．０％の炭酸リチウム粉末２７１．８５ｇをアルゴン雰囲気のグローブボックス中で秤量し、Ｌｉ／Ｔｉ比を０．８０とした。これら粉末の平均粒径は、１０μｍであった。
【００３８】
秤量した酸化チタン粉末と炭酸リチウム粉末とを内容積５リットルのボールミルに充填し、さらにイオン交換水１．５リットルを注入し、リチウム化合物水溶液を調製し、２時間かけて混合した。次いでこのスラリーを蒸発乾固し、酸化チタンと炭酸リチウムの混合固体物を調製した。その混合固体物から１００ｇ取り分けて、直径１０．５ｃｍ、長さ１００ｃｍのアルミナ製の反応管に装入し、これを加熱炉に挿入して平均で４℃／分で昇温し、７５０℃で４．５時間保持する仮焼を行った。その際、加熱炉に０．０８〜０．１Ｎｌ／ｍｉｎの流量で酸素分圧０．００５Ｐａの窒素ガスを供給し続けた。
【００３９】
仮焼により焼成された中間組成物の組成を分析するため、加熱炉から一部取り出し、大気中で磁製乳鉢を用いて粒径４〜１２μｍに粉砕した。こうして得た粉末について粉末Ｘ線回折測定および化学分析よりＬｉ／Ｔｉ比を求めた。その結果を表１に示した。なお、表１において「ピーク位置」とは、粉末Ｘ線回折チャートにおけるそれぞれの化合物のピークの位置（角度）を示し、表中の数値は、それぞれの化合物の粉末X線回折ピークのうち最強ピークを１００とし、その他のピークはこれに対する相対強度を示した。また相対強度は、各ピークの高さから算出した。
【００４０】
【表１】

【００４１】
加熱炉内の中間組成物は、引き続き加熱炉を昇温して９００℃の温度で４．５時間保持する本焼成を行った。その際、加熱炉に０．０８〜０．１Ｎｌ／ｍｉｎの流量で酸素分圧０．００５Ｐａの窒素ガスを供給し続けた。このように本焼成で焼成された焼成品を大気中で磁製乳鉢を用いて粉砕しチタン酸リチウム粉末を得た。こうして得たチタン酸リチウム粉末に対して化学分析よりＬｉ／Ｔｉ比を求めた。各仮焼温度および本焼成温度におけるＬｉ／Ｔｉ比を表２に示した。また、最終的に得られたチタン酸リチウム粉末について粉末Ｘ線回折測定し、ルチル型ＴｉＯ_２の２７°のピーク強度とＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２の１８°のピーク強度の比Ｉ（ＴｉＯ_２）／Ｉ（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）からＴｉＯ_２残留度を求めた。この結果を表２に示す。この比が小さい程、ＴｉＯ_２の残量が少なく、純度の高いチタン酸リチウムが得られていることを表す。
【００４２】
【表２】

【００４３】
［試料番号２］
本焼成の温度を９５０℃で行った以外は上記試料番号１と同様に実験を行った。その結果を表１および表２に併記した。
【００４４】
［試料番号３］
仮焼および本焼成において加熱炉に０．０８〜０．１Ｎｌ／ｍｉｎの流量で酸素ガスを供給した以外は試料番号１と同様に実験を行った。仮焼後の組成を表１および得られたチタン酸リチウムのＬｉ／Ｔｉ比およびＴｉＯ_２残留度を表２に示した。
［試料番号４〜７］
仮焼および本焼成を表１に示す温度で行った以外は上記試料番号１と同様に実験を行った。その結果を表１および２に併記した。
【００４５】
［試料番号８］
純度９９．９％の酸化チタン粉末（東邦チタニウム（株）製、ルチル化率９０％）２９１．２５ｇと、純度９９．０％の炭酸リチウム粉末（和光純薬工業（株）製）１０８．７５ｇをアルゴン雰囲気のグローブボックス中で秤量し、Ｌｉ／Ｔｉ比を０．８０とした。これら粉末の平均粒径は、０．１〜１０μｍであった。
【００４６】
秤量した酸化チタン粉末と炭酸リチウム粉末とをロッキングミキサーに充填し、２時間かけて混合した。その混合粉末から１００ｇ取り分けて直径５０ｍｍのチタン製金型に充填し、０．５ｔ／ｃｍ^２の圧力で複数個の成形体を作製した。次に、成形体を直径１０．５ｃｍ、長さ１００ｃｍのアルミナ製の反応管に装入し、これを加熱炉に挿入して平均で４℃／分で昇温し、仮焼しないで８００℃の温度で４．５時間保持する焼成を行った。その際、加熱炉に０．０８〜０．１Ｎｌ／ｍｉｎの流量で酸素を供給し続けた。このように焼成された焼成品を大気中で磁製乳鉢を用いて粉砕しチタン酸リチウム粉末を得た。このようにして得られたチタン酸リチウムのＬｉ／Ｔｉ比およびＴｉＯ_２残留度を表２に併記した。
【００４７】
［試料番号９］
純度９９．９％の酸化チタン粉末（ルチル化率９０％）７２８．１５ｇと、純度９９．０％の炭酸リチウム粉末２７１．８５ｇをアルゴン雰囲気のグローブボックス中で秤量し、Ｌｉ／Ｔｉ比を０．８０とした。これら粉末の平均粒径は、１０μｍであった。秤量した酸化チタン粉末と炭酸リチウム粉末とを内容積５リットルのボールミルに充填し、２時間かけて混合した。その混合物から１００ｇ取り分けて、直径１０．５ｃｍ、長さ１００ｃｍのアルミナ製の反応管に装入し、これを加熱炉に挿入して平均で４℃／分で昇温し、７５０℃で４．５時間保持する仮焼を行った。その際、加熱炉に０．０８〜０．１Ｎｌ／ｍｉｎの流量で酸素ガスを供給し続けた。こうして得た粉末について粉末Ｘ線回折測定および化学分析よりＬｉ／Ｔｉ比を求めた。その結果を表１に示した。引き続き加熱炉を昇温して９００℃の温度で４．５時間保持する本焼成を行った。その際、加熱炉に０．０８〜０．１Ｎｌ／ｍｉｎの流量で酸素ガスを供給し続けた。このように本焼成で焼成された焼成品を大気中でめのう乳鉢を用いて粉砕しチタン酸リチウム粉末を得た。こうして得たチタン酸リチウム粉末に対して化学分析よりＬｉ／Ｔｉ比を求めた。各仮焼温度および本焼成温度におけるＬｉ／Ｔｉ比を表２に併記した。
【００４８】
表１および表２から、リチウム化合物と酸化チタンを溶媒を用いて混合し、仮焼後の中間組成物の組成において、ＴｉＯ_２とＬｉ_２ＴｉＯ_３で構成される組成物または、ＴｉＯ_２とＬｉ_２ＴｉＯ_３およびＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２で構成される組成物が充分に得られている試料番号１，２では、最終的に得られたチタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）のＬｉ／Ｔｉ比がほぼ理論値の０．８０であり、目的の組成に制御されたものが得られた。なお、試料番号３では、仮焼および本焼成中に酸素を供給したため、Ｌｉ／Ｔｉ比が若干低下した。一方、仮焼後の中間生成物中に原料リチウムであるＬｉ_２ＣＯ_３が残留した試料番号４〜７、また仮焼を行わなかった試料番号８では、最終的に得られたチタン酸リチウム（Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２）のＬｉ／Ｔｉ比が０．７０付近でリチウム分が非常に少なく、仮焼あるいは本焼成時にリチウム成分は揮発損失し、結果として目的の組成のチタン酸リチウムは得られなかった。さらにリチウム化合物と酸化チタンを溶媒を使用せず混合した試料番号９では、試料番号１，２と比較するとＴｉＯ_２残留度が高く、得られたチタン酸リチウムの純度が低かった。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のチタン酸リチウムの製造方法では、リチウム化合物と、酸化チタンと、溶媒とを混合することによってリチウム化合物の全部または一部を溶媒に溶解し、これを乾燥して混合固体物を得、該混合固体物を仮焼して、ＴｉＯ_２とＬｉ_２ＴｉＯ_３で構成される組成物またはＴｉＯ_２、Ｌｉ_２ＴｉＯ_３およびＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２で構成される組成物を調製し、その後本焼成するから、リチウムの揮発損失が少なく、目的とするＬｉ／Ｔｉ比でかつ純度の高いチタン酸リチウムを得ることができ、またこれを負極材料として用いたリチウムイオン電池は、放電容量が高く、かつ充放電サイクル特性が極めて良好である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing lithium titanate that is effective for use as an electrode of a lithium ion battery used for a power source for portable devices or a backup power source for a personal computer, and more specifically, a negative electrode material for a lithium ion battery or The present invention relates to a method for producing lithium titanate having a high discharge capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics when used as a positive electrode, and a lithium ion battery using the same.
[0002]
[Prior art]
Due to the rapid development of technology in the electronics technology field in recent years, electronic devices have become smaller and lighter, and secondary batteries, which are power sources for driving or backing up such devices, are also small and light, yet have high energy. The thing of the density is anxious. Recently, CO ₂ Due to the demand for reduction, there is an urgent need to develop a larger-capacity power storage system, such as for electric vehicles and for nighttime power storage at home. As a new secondary battery that meets such demands, a lithium ion battery having a high volume density using a lithium compound as a negative electrode material has attracted attention.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Lithium ion battery materials, especially negative electrode materials, have superior discharge capacity and charge / discharge cycle characteristics compared to conventional metal lithium and titanium oxide electrodes. ₄ Ti ₅ O ₁₂ (Sometimes Li _4/3 Ti _5/3 O ₄ Lithium titanate represented by the chemical formula of As a method for producing the compound, a wet method and a dry method are known (for example, JP-A-9-309727, Journal of Low Temperature Paraphysics, J. of Low Temp. Physics. Vol. 25, p145). , 1976). Lithium titanate with excellent crystallinity can be obtained by the wet method, but it requires a complicated process and wastewater treatment, which is economically problematic.
[0004]
On the other hand, in the conventional dry method, the process is simple, but the Li / Ti atomic ratio (hereinafter referred to as “Li”) due to the by-production of lithium titanate other than the above chemical formula or the occurrence of volatilization loss of lithium element or lithium compound. / Ti ratio ”) is difficult to control, or the raw material titanium oxide remains in the product. ₄ Ti ₅ O ₁₂ There is a problem that it is difficult to efficiently produce lithium titanate.
[0005]
In addition, as described above, when lithium titanate is used for a negative electrode material or a positive electrode of a lithium ion battery, the charge / discharge cycle characteristics of the battery are superior to those of a conventional negative electrode material. Development of lithium titanate as a negative electrode material or a positive electrode material having a high discharge capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics has been desired.
[0006]
The present invention has been made to solve the above problems, and the object of the present invention is as follows.
(1) Provision of an efficient method for producing lithium titanate in a dry method.
(2) Lithium compound volatilization loss during the firing reaction can be prevented, and the Li / Ti ratio can be arbitrarily controlled to 0.78 to 0.82, preferably 0.79 to 0.80, centering on 0.80. A method for producing lithium titanate is provided.
(3) Providing a method for producing high-purity lithium titanate by suppressing the remaining raw material titanium oxide.
(4) Providing a method for producing lithium titanate having a high discharge capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics when used as a negative electrode material or a positive electrode material of a lithium ion battery.
(5) A negative or positive electrode for a lithium ion battery and a lithium ion battery having a high discharge capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics using the lithium titanate.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention mix the raw material compounds under certain specific conditions, further control the composition of the substance generated during the reaction and calcinate it, so that the loss of the lithium compound is extremely small and the Li / Ti ratio can be easily controlled. Yes, there is no residual raw material titanium oxide, lithium titanate compound can be produced efficiently, and when used as a negative or positive electrode material for lithium ion batteries, titanium has a high discharge capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics The inventors have found that lithium acid can be produced and have completed the present invention.
[0008]
This invention is based on these knowledge, Comprising: The manufacturing method of the lithium titanate of this invention is 1 type, or 2 or more types of lithium compounds among lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium sulfate, and lithium oxide All or a part of the lithium compound is dissolved in the solvent by mixing titanium dioxide with a solvent, and dried to obtain a mixed solid. At temperatures above 670 ° C and below 800 ° C Calcination and TiO ₂ And Li ₂ TiO ₃ Composition composed of or TiO ₂ , Li ₂ TiO ₃ And Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ It is characterized by preparing a composition comprising:
[0009]
Moreover, the negative electrode or positive electrode for lithium ion batteries of this invention consists of said lithium titanate. Furthermore, the lithium ion battery of the present invention is characterized by using a negative electrode or a positive electrode made of the above lithium titanate.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail.
The lithium titanate produced in the present invention has the general formula Li _X Ti _Y O ₁₂ Li / Ti ratio is in the range of 0.78 to 0.82, X is 3 to 5, Y is 4 to 6, and specifically, Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ Single-phase lithium titanate having a spinel-type crystal structure represented by ₄ Ti ₅ O ₁₂ And Li ₂ TiO ₃ And TiO ₂ Or a mixed crystal.
[0011]
1. Lithium compounds
First, the lithium compound that is a starting material used in the present invention is one or more selected from lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium nitrate, and lithium oxide. Among these, lithium carbonate and hydroxide Lithium is preferably used. These lithium compounds used as raw materials are preferably of high purity and usually have a purity of 99.0% by weight or more. For example, when using lithium carbonate as a raw material, Li ₂ CO ₃ 99.0% by weight or more, preferably 99.5% by weight or more, and impurity metal elements such as Na, Ca and Mg are 100 ppm or less, preferably 10 ppm or less, and Cl, SO ₄ Is 100 ppm or less, preferably 50 ppm or less. Further, it is desirable that the moisture is sufficiently removed, and it is desirable that the moisture is 0.1% by weight or less. Further, the average particle diameter is 0.01 to 100 μm, and in the case of lithium carbonate, it is 1 to 50 μm, preferably 5 to 20 μm.
[0012]
2. Titanium oxide
Titanium oxide (TiO2) used in the present invention ₂ )), It is desirable that it is also highly pure. Specifically, the purity is 99.0% by weight or more, preferably 99.5% by weight or more, and Fe, Al, Si and Na are each less than 20 ppm, and Cl is less than 200 ppm. Desirably, Fe, Al, Si and Na contained in the titanium oxide fine particles are each less than 10 ppm, and Cl is less than 100 ppm, and more desirably less than 50 ppm. Moreover, about an average particle diameter, it is 0.05-30 micrometers, Preferably it is 0.1-10 micrometers, Most preferably, it is 0.1-1 micrometer.
[0013]
3. Mixture of lithium compound, titanium oxide and solvent
Next, all or part of the lithium compound is dissolved in a solvent to prepare a lithium compound solution. Here, the lithium compound solution means a homogeneous solution in which all of the lithium compound is dissolved in a solvent, or a solution in which a part of the lithium compound is dissolved in the solvent and the other part is suspended in the solvent. Any solvent can be used as long as it dissolves the lithium compound, and water, alcohols, or a mixture thereof can be used, but water is preferable. The amount ratio of the lithium compound and the solvent varies depending on the solubility of the lithium compound to be used in the solvent, but when water is used as the solvent, the amount of the solvent per 1 g of the lithium compound is usually 1 ml or more, preferably 5 ml or more. Although there is no restriction | limiting in particular in the temperature at the time of preparing the said lithium compound solution, When promoting melt | dissolution, it is the range of room temperature to 100 degreeC, Preferably it is 50-80 degreeC.
[0014]
In the present invention, the above-described lithium compound solution and the above titanium oxide are mixed and dried to prepare a mixed solid, and the mixing method is a pulverizing mixer such as a vibration mill or a ball mill, a mixer with a stirrer, or a rotary mixing. Mix by machine. In the present invention, a solvent, a lithium compound, and titanium oxide may be brought into contact with each other during mixing, and the lithium compound may be dissolved in the solvent to prepare a lithium compound solution and simultaneously mixed with titanium oxide. In addition, it is possible to use a solvent other than that used for the lithium compound solution during the mixing, for example, alcohols such as methanol, ethanol, 2-ethylhexanol, saturated hydrocarbon compounds such as hexane, heptane, cyclohexane, Examples thereof include aromatic hydrocarbon compounds such as benzene, toluene, xylene and ethylbenzene, halogenated hydrocarbon compounds such as orthodichlorobenzene, methylene chloride, carbon tetrachloride and dichloroethane, acetone, ethers, acetonitrile and tetrahydrofuran.
[0015]
4). Preparation of mixed solids
The lithium compound solution and titanium oxide are mixed as described above, and then dried to prepare a mixed solid. At this time, the dissolved lithium compound is crystallized by evaporating the solvent, adding alcohols in which the lithium compound does not dissolve, or substituting with such a solvent. Thereafter, the entire solid in the solvent is dried to obtain a mixed solid of lithium compound and titanium oxide. As described above, in the present invention, all or part of the lithium compound is dissolved and mixed with titanium oxide, so that the lithium compound and titanium oxide are uniformly and finely dispersed, and the reactivity during calcination and main firing is improved. As a result, lithium titanate having excellent battery characteristics can be obtained.
[0016]
5. Calcination
Then, after making this mixture into a molded object by compression molding etc., this is calcined. When molding, 0.5 t / cm ² It is better to perform at a moderate pressure. In the calcining of the present invention, the above-mentioned uniform mixture of lithium compound and titanium oxide is heat-treated, and TiO ₂ And Li ₂ TiO ₃ Or TiO ₂ And Li ₂ TiO ₃ And Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ In other words, an intermediate product of the lithium titanate of the present invention is obtained.
[0017]
Here, the intermediate product is TiO. ₂ And Li ₂ TiO ₃ The composition of only two compounds of the above, or TiO ₂ And Li ₂ TiO ₃ And Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ And a composition of only three compounds, particularly preferably TiO ₂ And Li ₂ TiO ₃ Of the composition. At this time, the temperature of the heat treatment is usually 600 to 800 ° C, preferably 670 to 800 ° C, particularly preferably 700 to 800 ° C.
[0018]
Here, the heating atmosphere can be performed in an oxidizing atmosphere such as oxygen gas or oxygen-containing gas, or in an atmosphere having an oxygen gas partial pressure of 1 Pa or less, preferably 0.5 Pa or less, but the latter oxygen gas partial pressure is 1 Pa. It is preferable to calcine in an atmosphere with very little oxygen gas as described below. This makes it possible to produce lithium titanate having a high discharge capacity and extremely good charge / discharge cycle characteristics when used as a negative electrode or a positive electrode of a lithium ion battery. it can. Here, the atmosphere having an oxygen gas partial pressure of 1 Pa or less refers to a vacuum atmosphere, an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, or a reducing gas atmosphere such as hydrogen gas.
[0019]
In addition, the calcination time is related to the temperature at the time of calcination or the amount of the raw material to be calcined, and the capacity of the reaction furnace used for the calcination. Yes, preferably 4 hours or longer.
[0020]
Thus, in the method of the present invention, first, a lithium compound and titanium oxide are obtained, and finally Li Li which is lithium titanate obtained in the present invention. ₄ Ti ₅ O ₁₂ Calcination is carried out at a temperature lower than the temperature at which the complete reaction occurs. For example, using lithium carbonate as a raw material as a lithium compound, Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ When it reacts with titanium oxide at a high temperature where it completely reacts, the lithium carbonate itself volatilizes or the generated carbon dioxide gas scatters during the reaction, resulting in the final titanic acid obtained. A phenomenon occurs in which the lithium component in lithium decreases. In order to prevent this, the present invention reacts at a relatively low temperature at which the above-described volatilization or scattering of the lithium component does not occur, and is stable even at a high temperature. ₂ TiO ₃ Is first produced as an intermediate product.
[0021]
In this case, when the calcining temperature is less than 600 ° C., a part of the raw material lithium compound remains, and the volatilization loss of the lithium component or the lithium component increases in the next main firing. Further, if the calcining temperature is 800 ° C. or higher, the volatilization of lithium or the lithium component is large, resulting in a large variation in the Li / Ti ratio after the main firing, so that lithium titanate having a target Li / Ti ratio is obtained. I can't get it.
[0022]
As described above, in the present invention, Li used as a raw material ₂ CO ₃ In order to prevent unreacted lithium compounds such as LiOH from remaining and volatilization loss of these lithium compounds during the main firing after calcination, the raw material lithium compound is an intermediate product after calcination. Heat treatment is performed so as not to be included. That is, the raw material lithium compound is all reacted with titanium oxide in calcination, and Li ₂ TiO ₃ And Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ To convert.
[0023]
Here, the intermediate product composition after the calcination in the present invention is analyzed and specified by powder X-ray diffraction measurement. Li ₂ TiO ₃ Is a peak at a position of 43.4 ° in the X-ray chart, Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ Are peaks at 18 ° and 43 °, and TiO ₂ (Rutyl type) is identified by confirming its presence by the presence or absence of a peak at 27 °. For the lithium compound as a raw material, for example, Li ₂ CO ₃ Confirms its presence by the presence or absence of a 31.5 ° peak on the X-ray chart.
[0024]
The calcining is performed by charging the raw material into a heat treatment furnace, and the heat treatment furnace is composed of a heating furnace and a reaction tube that is taken in and out. As the heating furnace, any system such as a heating wire system, a resistance heating system, and a high-frequency heating system can be used. Further, the material of the reaction tube may be appropriately selected as long as it has heat resistance up to about 1000 ° C. and does not react with lithium carbonate or titanium oxide. In addition, the temperature of the heating furnace is raised to the above-described temperature and calcining is performed. The rate of temperature increase at this time varies depending on the capacity of the heating furnace, but is usually 0.5 to 10 ° C / min, preferably 3 to 5 ° C / Min. When the rate of temperature increase is too high, the above-described volatilization loss of the lithium component occurs, and when it is too slow, the particle size distribution of the finally obtained lithium titanate becomes wide, which is not preferable.
[0025]
The mixed solid of lithium compound and titanium oxide is calcined as described above. The mixing ratio of the lithium compound and titanium oxide at this time varies depending on the composition of the finally obtained lithium titanate, but Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ Is 0.80 in terms of the theoretical amount of Li / Ti element ratio. In the conventional method, as described above, the lithium component volatilizes and loses during firing. Therefore, the lithium content is mixed more than the theoretical amount to prepare the final Li / Ti of lithium titanate. The amount of volatilization loss varies depending on the properties of the raw materials and reaction conditions, and as a result, it has been difficult to produce lithium titanate having the desired composition. On the other hand, in the method of the present invention, since the volatilization loss of the lithium component can be suppressed as described above, the raw material lithium compound and titanium oxide are combined with the target Li / Ti element ratio of lithium titanate. What is necessary is just to mix, and the lithium titanate of the target Li / Ti element ratio can be manufactured efficiently.
[0026]
After the calcination as described above, the main calcination can be performed continuously, but the intermediate product obtained after the calcination is pulverized in order to make the composition of lithium titanate uniform. It is also possible to carry out the main firing after mixing and remolding.
[0027]
6). Main firing
Subsequently, the intermediate product is subjected to main baking. The main firing temperature is 800 to 950 ° C, preferably 850 to 900 ° C. When the temperature of the main firing is less than 800 ° C. or exceeds 950 ° C., TiO remaining in the target compound ₂ The amount increases, which is not preferable. For example, lithium titanate as Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ TiO 2 by powder X-ray diffraction measurement ₂ 27 ° peak and Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ The relative intensity ratio of the 18 ° peak (hereinafter referred to as “TiO ₂ It is called “residuality”. ) To remain in the finally obtained lithium titanate TiO ₂ The smaller this value, the better the battery characteristics such as lithium ion doping / dedoping performance and charge / discharge recycling characteristics when used for the negative or positive electrode of a lithium ion battery. Specifically TiO ₂ The residual degree is usually 0.1 or less, preferably 0.05 or less, more preferably 0.02 or less.
[0028]
Further, the time for the main calcination cannot be generally specified because it is related to the temperature at the time of calcination, the amount of the intermediate product for calcination, and the ability of the reaction furnace used for the calcination. However, in the present invention, the composition in the solid substance during the reaction is analyzed over time by, for example, high-temperature X-ray diffraction, and titanium oxide (TiO ₂ ) And finally the peak of lithium titanate obtained, and the main firing is continued until the raw material titanium oxide stops reacting and becomes only the target lithium titanate.
[0029]
Specifically, the firing time is usually 30 minutes or longer, preferably 2 hours or longer, particularly preferably 4 hours or longer. For example, when the main baking is performed at 850 ° C., 10 hours or more is preferable, and in the case of 900 ° C., 4 to 5 hours is sufficient. Thereafter, the heating furnace is cooled to obtain lithium titanate. The obtained lithium titanate is pulverized or crushed as necessary, and the particle size is adjusted by classification and sieving.
[0030]
Here, the heating atmosphere during the main baking is an oxidizing atmosphere such as oxygen gas or an oxygen-containing gas, or an oxygen gas partial pressure of 1 Pa or less, preferably 0.5 Pa or less. Is preferably calcined in an atmosphere of very low oxygen gas of 1 Pa or less, which produces lithium titanate with high discharge capacity and very good charge / discharge cycle characteristics when used as a negative or positive electrode of a lithium ion battery. be able to. Here, the atmosphere having an oxygen gas partial pressure of 1 Pa or less is a vacuum atmosphere, an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, or a reducing gas atmosphere such as hydrogen gas, as described above.
[0031]
As described above, the lithium compound solution and titanium oxide are mixed and dried to obtain a mixed solid, which is calcined to obtain TiO 2. ₂ And Li ₂ TiO ₃ Composition composed of or TiO ₂ , Li ₂ TiO ₃ And Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ A composition as an intermediate product composed of the following is prepared, and then subjected to main firing to control the target composition. When used as a negative electrode material or a positive electrode material of a lithium ion battery, the discharge capacity is high and Lithium titanate excellent in charge / discharge cycle characteristics can be produced.
[0032]
Next, the present invention is a negative electrode or positive electrode for a lithium ion battery comprising the lithium titanate, and the negative electrode or positive electrode for a lithium battery optionally includes an electrode mixture such as a conductive agent or a binder in the lithium titanate of the present invention. It can be manufactured by adding. Specifically, conductive materials such as graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber, metal powder such as copper, nickel, aluminum, and silver, metal fiber, or polyphenylene derivative can be used.
[0033]
Further, as the binder, polysaccharides, thermoplastic resins, polymers having rubber elasticity, and the like can be used. Specific examples include starch, polyvinyl alcohol, regenerated cellulose, polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, and ethylene-propylene rubber. In addition to the above, fillers such as polypropylene and polyethylene can be added.
[0034]
Furthermore, this invention is a lithium ion battery which consists of using the said negative electrode or positive electrode which consists of said lithium titanate, and a lithium ion battery is comprised from the said negative electrode, a positive electrode, and an electrolyte. Although there is no restriction | limiting in particular in the material used for a positive electrode, What is necessary is just to use a well-known thing, For example, lithium manganate, lithium cobaltate, lithium nickelate, nickel containing lithium cobaltate, vanadium pentoxide etc. can be used.
[0035]
The electrolyte used is composed of a solvent and a lithium salt, and the solvents are propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, γ-butyrolactone, methyl formate, methyl acetate, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran. Organic solvents such as 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, and ethyl monoglyme. As the lithium salt, LiPF ₆ LiClO ₄ , LiCF ₃ SO ₃ , LiN (CF ₃ SO ₂ ) ₂ , LiBF ₄ And so on. The lithium salt is dissolved in the solvent to form an electrolyte, and the positive electrode and the negative electrode are combined to form the lithium ion battery of the present invention.
[0036]
As described above, in the present invention, lithium titanate having a target composition can be efficiently obtained by producing it under specific conditions. By using this lithium titanate as a negative electrode material for a lithium ion battery, a discharge capacity can be obtained. Therefore, it is possible to provide a negative electrode or a lithium ion battery that has a high charge / discharge cycle characteristic.
[0037]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.
[Sample No. 1]
728.15 g of titanium oxide powder having a purity of 99.9% (rutile ratio 90%) and 271.85 g of lithium carbonate powder having a purity of 99.0% were weighed in a glove box in an argon atmosphere, and the Li / Ti ratio was 0. .80. The average particle size of these powders was 10 μm.
[0038]
The weighed titanium oxide powder and lithium carbonate powder were filled in a ball mill having an internal volume of 5 liters, and further 1.5 liters of ion-exchanged water was injected to prepare an aqueous lithium compound solution, which was mixed for 2 hours. The slurry was then evaporated to dryness to prepare a mixed solid of titanium oxide and lithium carbonate. 100 g of the mixed solid was taken out and charged into an alumina reaction tube having a diameter of 10.5 cm and a length of 100 cm, which was inserted into a heating furnace and heated at an average temperature of 4 ° C./min. Calcination was performed for 4.5 hours. At that time, nitrogen gas having an oxygen partial pressure of 0.005 Pa was continuously supplied to the heating furnace at a flow rate of 0.08 to 0.1 Nl / min.
[0039]
In order to analyze the composition of the intermediate composition fired by calcination, a part was taken out from the heating furnace and pulverized to a particle size of 4 to 12 μm using a magnetic mortar in the atmosphere. The Li / Ti ratio of the powder thus obtained was determined by powder X-ray diffraction measurement and chemical analysis. The results are shown in Table 1. In Table 1, “peak position” indicates the peak position (angle) of each compound in the powder X-ray diffraction chart, and the numerical values in the table are the strongest peaks among the powder X-ray diffraction peaks of the respective compounds. Was 100, and the other peaks showed relative intensities. The relative intensity was calculated from the height of each peak.
[0040]
[Table 1]

[0041]
The intermediate composition in the heating furnace was subsequently subjected to main baking in which the temperature of the heating furnace was raised and maintained at 900 ° C. for 4.5 hours. At that time, nitrogen gas having an oxygen partial pressure of 0.005 Pa was continuously supplied to the heating furnace at a flow rate of 0.08 to 0.1 Nl / min. The fired product thus fired in the main firing was pulverized in the atmosphere using a magnetic mortar to obtain a lithium titanate powder. The Li / Ti ratio was determined from the thus obtained lithium titanate powder by chemical analysis. Table 2 shows the Li / Ti ratio at each calcination temperature and main calcination temperature. In addition, the finally obtained lithium titanate powder was subjected to powder X-ray diffraction measurement to obtain rutile TiO. ₂ 27 ° peak intensity and Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ The ratio of the peak intensity at 18 ° I (TiO ₂ ) / I (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ ) To TiO ₂ Residual degree was determined. The results are shown in Table 2. The smaller this ratio, the more TiO ₂ This means that lithium titanate with high purity is obtained.
[0042]
[Table 2]

[0043]
[Sample No. 2]
The experiment was performed in the same manner as the sample number 1 except that the main baking temperature was 950 ° C. The results are shown in Tables 1 and 2.
[0044]
[Sample No. 3]
Experiments were performed in the same manner as Sample No. 1 except that oxygen gas was supplied to the heating furnace at a flow rate of 0.08 to 0.1 Nl / min in the calcination and main firing. Table 1 shows the composition after calcination, and Li / Ti ratio and TiO of the obtained lithium titanate. ₂ The degree of residue is shown in Table 2.
[Sample Nos. 4-7]
The experiment was performed in the same manner as Sample No. 1 except that the calcination and the main calcination were performed at the temperatures shown in Table 1. The results are shown in Tables 1 and 2.
[0045]
[Sample No. 8]
291.9 g of titanium oxide powder having a purity of 99.9% (manufactured by Toho Titanium Co., Ltd., rutile ratio 90%) and 108.75 g of lithium carbonate powder having a purity of 99.0% (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) Were weighed in a glove box in an argon atmosphere to give a Li / Ti ratio of 0.80. The average particle size of these powders was 0.1 to 10 μm.
[0046]
The weighed titanium oxide powder and lithium carbonate powder were filled in a rocking mixer and mixed for 2 hours. 100 g of the mixed powder was separated and filled in a titanium mold having a diameter of 50 mm, and 0.5 t / cm ² A plurality of molded bodies were produced under the pressure of Next, the molded body was placed in an alumina reaction tube having a diameter of 10.5 cm and a length of 100 cm, and this was inserted into a heating furnace and heated at an average temperature of 4 ° C./min. The baking which hold | maintained at the temperature of 4.5 hours was performed. At that time, oxygen was continuously supplied to the heating furnace at a flow rate of 0.08 to 0.1 Nl / min. The fired product thus fired was pulverized in the atmosphere using a magnetic mortar to obtain a lithium titanate powder. The Li / Ti ratio and TiO of the lithium titanate thus obtained ₂ The degree of residue is also shown in Table 2.
[0047]
[Sample No. 9]
728.15 g of titanium oxide powder having a purity of 99.9% (rutile ratio 90%) and 271.85 g of lithium carbonate powder having a purity of 99.0% were weighed in a glove box in an argon atmosphere, and the Li / Ti ratio was 0. .80. The average particle size of these powders was 10 μm. The weighed titanium oxide powder and lithium carbonate powder were filled into a 5-liter ball mill and mixed for 2 hours. 100 g of the mixture was taken out and charged into an alumina reaction tube having a diameter of 10.5 cm and a length of 100 cm, which was inserted into a heating furnace and heated at an average temperature of 4 ° C./min. Calcination was performed for 5 hours. At that time, oxygen gas was continuously supplied to the heating furnace at a flow rate of 0.08 to 0.1 Nl / min. The Li / Ti ratio of the powder thus obtained was determined by powder X-ray diffraction measurement and chemical analysis. The results are shown in Table 1. Subsequently, the main furnace was heated and heated at 900 ° C. for 4.5 hours. At that time, oxygen gas was continuously supplied to the heating furnace at a flow rate of 0.08 to 0.1 Nl / min. The fired product thus fired in the main firing was pulverized in the air using an agate mortar to obtain a lithium titanate powder. The Li / Ti ratio was determined from the thus obtained lithium titanate powder by chemical analysis. Table 2 shows the Li / Ti ratio at each calcining temperature and main firing temperature.
[0048]
From Table 1 and Table 2, a lithium compound and titanium oxide are mixed using a solvent, and in the composition of the intermediate composition after calcination, TiO ₂ And Li ₂ TiO ₃ Or a composition composed of TiO ₂ And Li ₂ TiO ₃ And Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ In Sample Nos. 1 and 2 in which a composition composed of the above is sufficiently obtained, the finally obtained lithium titanate (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ ) Was approximately the theoretical value of 0.80, and the desired composition was obtained. In Sample No. 3, since oxygen was supplied during calcination and main calcination, the Li / Ti ratio slightly decreased. On the other hand, Li which is raw material lithium in the intermediate product after calcination ₂ CO ₃ In sample Nos. 4 to 7 in which sapphire remained and sample No. 8 in which no calcination was performed, lithium titanate (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ ) In the vicinity of 0.70, the lithium content was very small, and the lithium component volatilized and lost during calcination or main calcination. As a result, lithium titanate having the desired composition could not be obtained. Furthermore, in sample number 9 in which a lithium compound and titanium oxide were mixed without using a solvent, TiO 2 was compared with sample numbers 1 and 2. ₂ The residual degree was high, and the purity of the obtained lithium titanate was low.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, in the method for producing lithium titanate according to the present invention, a lithium compound, titanium oxide, and a solvent are mixed to dissolve all or part of the lithium compound in a solvent, and this is dried and mixed. A solid material is obtained, and the mixed solid material is calcined to obtain TiO ₂ And Li ₂ TiO ₃ Composition composed of or TiO ₂ , Li ₂ TiO ₃ And Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ A composition composed of the following is prepared, and then subjected to main firing, so that lithium volatilization loss is small, and a target lithium / titanium ratio and high purity lithium titanate can be obtained. The lithium ion battery used has a high discharge capacity and very good charge / discharge cycle characteristics.

Claims

Lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium sulfate, and lithium oxide are mixed with one or more lithium compounds, titanium oxide, and a solvent to mix all or part of the lithium compounds with the solvent. And is dried to obtain a mixed solid, and the mixed solid is calcined at a temperature of 670 ° C. or higher and lower than 800 ° C., and is composed of TiO ₂ and Li ₂ TiO ₃ _A method for producing lithium titanate, comprising preparing a composition composed of ₂ , Li ₂ TiO ₃ and Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ and then firing the composition.

The method for producing lithium titanate according to claim 1, wherein the main baking is performed at a temperature of 800 ° C or higher and 950 ° C or lower.