JP4651960B2 - Method for producing positive electrode active material for lithium battery, positive electrode active material for lithium battery, positive electrode material for lithium battery, and lithium battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム電池用正極活物質の製造方法とリチウム電池用正極活物質及びリチウム電池用正極材料並びにリチウム電池に関し、更に詳しくは、高結晶性かつ微粒子のオリビン構造を有するリチウム金属リン酸塩を容易に得ることができる技術に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a positive electrode active material for a lithium battery, a positive electrode active material for a lithium battery, a positive electrode material for a lithium battery, and a lithium battery, and more particularly, a lithium metal phosphate having a highly crystalline and fine olivine structure. It is related with the technique which can obtain easily.
近年、携帯用電子機器やハイブリット自動車等に用いるための電池として二次電池の開発が進められている。
代表的な二次電池としては、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池、リチウム電池等が一般に知られているが、特に、リチウム電池は、小型化、軽量化、高容量化が可能であり、しかも、高出力、高エネルギー密度を有していることから、大いに期待されており、研究も盛んにされている。
このリチウム電池は、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、非水系の電解質から構成されている。
In recent years, secondary batteries have been developed as batteries for use in portable electronic devices, hybrid automobiles, and the like.
As typical secondary batteries, lead storage batteries, alkaline storage batteries, lithium batteries, and the like are generally known. In particular, lithium batteries can be reduced in size, weight, capacity, and output. Because of its high energy density, it is highly anticipated and research is being actively promoted.
This lithium battery is composed of a positive electrode having an active material capable of reversibly inserting and removing lithium ions, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte.
この正極自体は、正極活物質、導電助剤およびバインダーを含む電極材料により構成され、この電極材料を集電体と呼ばれる金属箔の表面に塗布することにより正極とされている。
この正極活物質としては、金属酸化物、金属硫化物、あるいはポリマー等が用いられ、例えば、硫化チタン(TiS2)、硫化モリブデン(MoS2)、セレン化ニオブ(NbSe2)、酸化バナジウム(V2O5)等のリチウム非含有化合物、あるいはLiMO2(M=Co、Ni、Mn、Fe等)、LiMn2O4等のリチウム複合酸化物等が知られている。
The positive electrode itself is composed of an electrode material containing a positive electrode active material, a conductive additive, and a binder, and is formed into a positive electrode by applying this electrode material to the surface of a metal foil called a current collector.
As the positive electrode active material, a metal oxide, a metal sulfide, a polymer, or the like is used. For example, titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), niobium selenide (NbSe 2 ), vanadium oxide (V Lithium-free compounds such as 2 O 5 ) or lithium composite oxides such as LiMO 2 (M = Co, Ni, Mn, Fe, etc.) and LiMn 2 O 4 are known.
従来、リチウム電池の正極活物質としては、高エネルギー密度で高電圧の電池を構成することが可能であることから、コバルト酸リチウム(LiCoO2)が一般的に用いられてきた。
しかしながら、Coは地球上に偏在し、かつ希少な資源であるため、コストが高くつく他、安定供給が難しいという問題があり、そこで、Coに替わる資源として、地球上に豊富に存在し、しかも安価なNiやMnをベースにした正極活物質、例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等を用いた正極材料が提案され、実用に供されるようになった。
Conventionally, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) has been generally used as a positive electrode active material for lithium batteries because it is possible to form a battery having a high energy density and a high voltage.
However, because Co is unevenly distributed on the earth and is a scarce resource, there are problems that it is costly and that it is difficult to stably supply, so there are abundant resources on the earth as an alternative to Co. Positive electrode materials using inexpensive positive electrode active materials based on Ni or Mn, for example, lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), etc., have been proposed and put into practical use. It was.
しかしながら、LiNiO2を用いた正極材料は、理論容量が大きく、かつ高放電電位を有するという長所があるものの、充放電サイクルが繰り返されることに伴ってLiNiO2の結晶構造が崩壊してしまい、その結果、放電容量が低下したり、熱安定性が劣化したり等の問題点が生じていた。
一方、LiMn2O4は、正スピネル型構造を有し、かつ空間群Fd3mを有することから、リチウム電極に対し4V級というLiCoO2と同等の高い電位を有し、しかも、合成が容易、高い電池容量等の優れた特徴を有するために、非常に有望な材料と考えられ、実用化もされていた。
このLiMn2O4は、この様に優れた材料ではあるが、このLiMn2O4を用いた電池では、高温保存時における容量劣化が大きく、Mnが電解液に溶解してしまい、したがって、安定性や充放電サイクル特性が充分でないという問題点が残されていた。
However, although the positive electrode material using LiNiO 2 has the advantages of a large theoretical capacity and a high discharge potential, the crystal structure of LiNiO 2 collapses as the charge / discharge cycle is repeated. As a result, problems such as a decrease in discharge capacity and deterioration in thermal stability have occurred.
On the other hand, since LiMn 2 O 4 has a positive spinel structure and has a space group Fd 3 m, it has a high potential equivalent to 4 V class LiCoO 2 with respect to the lithium electrode, and is easy to synthesize. Since it has excellent characteristics such as battery capacity, it is considered as a very promising material and has been put into practical use.
Although this LiMn 2 O 4 is such an excellent material, the battery using this LiMn 2 O 4 has a large capacity deterioration during high-temperature storage, and Mn is dissolved in the electrolytic solution. However, there remains a problem that the chargeability and charge / discharge cycle characteristics are not sufficient.
そこで、オリビン構造を有するFe、Mn、Co、Ni等の遷移金属のリン酸化合物を正極活物質として用いたリチウム電池が提案され(特許文献1参照)、このオリビン構造を有する遷移金属のリン酸化合物として、資源的に豊富かつ安価な金属であるFeを用いたLiFePO4を正極活物質として用いたリチウム電池が提案されている(特許文献2参照)。
このLiFePO4は、金属リチウム(Li)に対して3.3V程度の電位を示し、充放電可能な正極材料として用いることが可能である。
リチウム遷移金属リン酸塩の様なリン酸塩系物質は、従来より、いわゆる固相法が用いられている。
This LiFePO 4 exhibits a potential of about 3.3 V with respect to metallic lithium (Li), and can be used as a chargeable / dischargeable positive electrode material.
Conventionally, a so-called solid phase method has been used for a phosphate-based material such as a lithium transition metal phosphate.
しかしながら、従来のリチウム遷移金属リン酸塩の様なリチウム金属リン酸化合物は、固相法により合成されているために、不活性ガス雰囲気下での焼成と粉砕を繰り返す必要があり、複雑な操作が必要になるという問題点があった。
また、固相法では、粒子径を小さくするには、より低温かつ短時間で焼成するのがよいのであるが、この場合、合成時の焼成温度が低いために合成時の結晶化度や粒径を制御することが難しく、得られるリチウム金属リン酸化合物は小さな結晶子が無秩序に並んだ構造を有するものとなる。したがって、リチウム金属リン酸化合物の結晶相は十分に生成・発達せず、結晶性も低いものとなり、粒子内のイオンの拡散性や電子伝導性が低下し、充放電時の分極が大きくなるという問題点があった。
However, since lithium metal phosphate compounds such as conventional lithium transition metal phosphates are synthesized by the solid-phase method, it is necessary to repeat firing and pulverization in an inert gas atmosphere, which is a complicated operation. There was a problem that it was necessary.
In the solid phase method, in order to reduce the particle size, it is better to fire at a lower temperature and in a shorter time. In this case, since the firing temperature at the time of synthesis is low, the crystallinity and grain size at the time of synthesis are reduced. It is difficult to control the diameter, and the obtained lithium metal phosphate compound has a structure in which small crystallites are arranged randomly. Therefore, the crystal phase of the lithium metal phosphate compound is not sufficiently generated / developed, the crystallinity is low, the diffusibility of ions in the particles and the electron conductivity are lowered, and the polarization during charge / discharge is increased. There was a problem.
また、粒子径を小さくする方法として焼成後に粉砕する方法もあるが、この方法では、十分小さな粒子径にまで粉砕することができず、また、粉砕中に粒子自体に過度の力が掛かるために、歪や割れが生じ、結晶性も低下する。したがって、この方法で得られたリチウム金属リン酸化合物をリチウム電池に用いた場合、充放電によるリチウムイオンの挿入脱離に伴い、活物質の体積変化が起こり、これが繰り返されることで粒子に亀裂が入り、さらに亀裂が進行して粒子が破壊され、微細化されることとなり、その結果、粒子内のイオン拡散性及び粒子間のインピーダンスが増加し、放電時の分極が大きくなるという問題点があった。 In addition, there is a method of pulverizing after firing as a method of reducing the particle size, but this method cannot pulverize to a sufficiently small particle size, and excessive force is applied to the particles themselves during pulverization. , Distortion and cracking occur, and crystallinity also decreases. Therefore, when the lithium metal phosphate compound obtained by this method is used in a lithium battery, the volume change of the active material occurs due to the insertion / extraction of lithium ions by charging / discharging, and the particles are cracked by repeating this. Then, cracks progress and the particles are destroyed and refined. As a result, the ion diffusibility in the particles and the impedance between the particles increase, and the polarization during discharge increases. It was.
そこで、リチウム遷移金属リン酸塩の様なリチウム金属リン酸化合物に、比較的低温で結晶性の高い材料を合成することのできる水熱法を適用することも試みられているが、しかしながら、水熱法をリチウム金属リン酸化合物に適用した場合、原料混合時に溶解度の低いLi3PO4やFe3(PO4)2 が生じ、リチウム金属リン酸化合物の純度が低下してしまうという問題点があった。
そこで、Li3PO4やFe3(PO4)2 を完全に反応させるためには、反応温度を高めたり、反応時間を延長したり等が必要になるが、その場合、粒子が粗大化し易くなり、微粒子化が困難になる等、必ずしも水熱法の利点が得られないという問題点があった。
このリチウム金属リン酸化合物の純度の低下や粒子の粗大化は、充放電時の電流密度を低下させ、その結果、高出力化を妨げる要因になる。
Therefore, it has been attempted to apply a hydrothermal method capable of synthesizing a material having high crystallinity at a relatively low temperature to a lithium metal phosphate compound such as a lithium transition metal phosphate. When the thermal method is applied to a lithium metal phosphate compound, Li 3 PO 4 and Fe 3 (PO 4 ) 2 having low solubility are generated when the raw materials are mixed, and the purity of the lithium metal phosphate compound is lowered. there were.
Therefore, in order to completely react Li 3 PO 4 and Fe 3 (PO 4 ) 2 , it is necessary to increase the reaction temperature, extend the reaction time, etc. In this case, the particles are likely to be coarsened. Thus, there is a problem that the advantages of the hydrothermal method cannot always be obtained, such as difficulty in making fine particles.
This decrease in the purity of the lithium metal phosphate compound and the coarsening of the particles decrease the current density during charge and discharge, and as a result, hinder the increase in output.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、安価かつ資源的に豊富な元素を用いることで、高い放電容量、安定した充放電サイクル特性、高い充填性及び高い出力を実現することが可能なリチウム電池用正極活物質の製造方法とリチウム電池用正極活物質及びリチウム電池用正極材料並びにリチウム電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and by using inexpensive and resource-rich elements, high discharge capacity, stable charge / discharge cycle characteristics, high fillability and high output can be achieved. An object of the present invention is to provide a method for producing a positive electrode active material for a lithium battery, a positive electrode active material for a lithium battery, a positive electrode material for a lithium battery, and a lithium battery.
本発明者等は、鋭意検討を行った結果、リチウム金属リン酸化合物(LixAyDzPO4)は、従来用いられているLiCoO2等の電極材料に比べて電子導電性が低く、この点が、充放電時の電流密度が低く、高出力化が困難である原因の一つであると考え、さらに、より多くの電流を流すためには、材料の比表面積を大きくすること、すなわち微粒子化することが有効であると考え、そこで、水熱法によりリチウム金属リン酸化合物(LixAyDzPO4)を合成する際に、反応系内にN−メチル−2−ピロリジノンの様な水に可溶な極性有機物を添加すれば、高結晶性かつ微粒子のリチウム金属リン酸化合物(LixAyDzPO4)が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that the lithium metal phosphate compound (Li x A y D z PO 4 ) has a low electronic conductivity compared to a conventionally used electrode material such as LiCoO 2 , This point is considered to be one of the reasons why the current density during charging and discharging is low and it is difficult to increase the output, and in order to allow more current to flow, increase the specific surface area of the material, That is, it is considered effective to make fine particles. Therefore, when a lithium metal phosphate compound (Li x A y D z PO 4 ) is synthesized by a hydrothermal method, N-methyl-2-pyrrolidinone is contained in the reaction system. It is found that a highly crystalline and fine-particle lithium metal phosphate compound (Li x A y D z PO 4 ) can be obtained by adding a polar organic substance that is soluble in water as described above, and the present invention has been completed. It was.
すなわち、本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法は、LixAyDzPO4(但し、AはCo、Ni、Mn、Fe、Cu、Crから選択された1種、DはMg、Ca、Fe、Ni、Co、Mn、Zn、Ge、Cu、Cr、Ti、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Si、B、希土類元素から選択された1種または2種以上かつ前記Aと異なる、0<x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)にて表されるリチウム電池用正極活物質の製造方法であって、水を主成分とする溶媒に、リチウム塩、リン酸若しくはリン酸水素アンモニウム、前記Aを含む金属塩、及びN−メチル−2−ピロリジノンを加えることにより溶液を調製する工程、又は、前記水を主成分とする溶媒に前記各成分とともに前記Dを含む金属塩を加えることにより溶液を調製する工程と、調製した前記溶液を加圧下にて加熱することにより、前記LixAyDzPO4を生成する工程と、を有することを特徴とする平均一次粒子径が0.02μm以上かつ1μm以下のリチウム電池用正極活物質の製造方法である。 That is, the manufacturing method of the positive electrode active material for a lithium battery of the present invention is Li x A y D z PO 4 (where A is one selected from Co, Ni, Mn, Fe, Cu, Cr, and D is Mg , Ca, Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu, Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, one or two selected from rare earth elements A method for producing a positive electrode active material for a lithium battery represented by 0 <x <2, 0 <y <1.5, 0 ≦ z <1.5, which is different from the above A, wherein water is mainly used. A step of preparing a solution by adding a lithium salt, phosphoric acid or ammonium hydrogen phosphate, a metal salt containing A, and N-methyl-2-pyrrolidinone to a solvent as a component, or containing water as a main component Add a metal salt containing D together with the above components to the solvent Preparing a solution by Rukoto, by heating the solution prepared under pressure, said Li x A y D z average primary particle diameter and having a step of generating PO 4, the Is a method for producing a positive electrode active material for a lithium battery having a thickness of 0.02 μm or more and 1 μm or less.
前記極性有機物は、N−メチル−2−ピロリジノンであることが好ましい。
前記Aは、Co、Ni、Mn、Feから選択された1種であることが好ましい。
前記Dは、Mg、Ca、Ni、Co、Mn、Zn、Ti、Alから選択された1種または2種以上であることが好ましい。
The polar organic substance is preferably N-methyl-2-pyrrolidinone.
The A is preferably one selected from Co, Ni, Mn, and Fe.
The D is preferably one or more selected from Mg, Ca, Ni, Co, Mn, Zn, Ti, and Al.
本発明のリチウム電池用正極活物質は、本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法により得られたことを特徴とする。 The positive electrode active material for a lithium battery of the present invention is obtained by the method for producing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention.
本発明のリチウム電池用正極材料は、本発明のリチウム電池用正極活物質を含有してなることを特徴とする。 The positive electrode material for a lithium battery of the present invention is characterized by containing the positive electrode active material for a lithium battery of the present invention.
本発明のリチウム電池は、本発明のリチウム電池用正極材料を用いてなることを特徴とする。 The lithium battery of the present invention is characterized by using the positive electrode material for a lithium battery of the present invention.
本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法によれば、LixAyDzPO4(但し、AはCo、Ni、Mn、Fe、Cu、Crから選択された1種、DはMg、Ca、Fe、Ni、Co、Mn、Zn、Ge、Cu、Cr、Ti、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Si、B、希土類元素から選択された1種または2種以上かつ前記Aと異なる、0≦x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)にて表されるリチウム電池用正極活物質を製造する際に、水を主成分とする溶媒に、Li成分、P成分、前記A成分、前記D成分及び水に可溶な極性有機物を加え、次いで、この溶液を加圧下にて加熱するので、Li成分、P成分、A成分及びD成分を含む水溶液中におけるLixAyDzPO4の結晶成長を制御することができ、したがって、この水溶液から水熱法により微粒子を生成することで、高結晶性かつ微粒子のLixAyDzPO4を作製することができる。 According to the method for producing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention, Li x A y D z PO 4 (where A is one selected from Co, Ni, Mn, Fe, Cu, Cr, and D is Mg , Ca, Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu, Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, one or two selected from rare earth elements When producing a positive electrode active material for a lithium battery, which is different from A and represented by 0 ≦ x <2, 0 <y <1.5, 0 ≦ z <1.5), water is the main component. Li component, P component, A component, D component and water-soluble polar organic substance are added to the solvent, and then this solution is heated under pressure, so that Li component, P component, A component and to control the crystal growth of the Li x a y D z PO 4 in an aqueous solution containing a component D Can, therefore, to produce a fine particle by hydrothermal method from the aqueous solution, it is possible to produce Li x A y D z PO 4 of highly crystalline and fine.
本発明のリチウム電池用正極活物質によれば、本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法により得られたので、リチウム電池用正極活物質の主成分であるLixAyDzPO4を高結晶化かつ微粒子化することができ、充放電容量を大幅に向上させることができ、安定した充放電サイクル特性を実現することができる。 According to the positive electrode active material for a lithium battery of the present invention, Li x A y D z PO 4 which is the main component of the positive electrode active material for a lithium battery is obtained by the method for producing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention. Can be highly crystallized and finely divided, the charge / discharge capacity can be greatly improved, and stable charge / discharge cycle characteristics can be realized.
本発明のリチウム電池用正極材料によれば、本発明のリチウム電池用正極活物質を含有したので、充放電容量を大幅に向上させることができ、安定した充放電サイクル特性を実現することができ、リチウム電池用電極の高品質化、小型化を図ることができる。 According to the positive electrode material for a lithium battery of the present invention, since the positive electrode active material for a lithium battery of the present invention is contained, the charge / discharge capacity can be greatly improved, and stable charge / discharge cycle characteristics can be realized. Further, the quality and size of the lithium battery electrode can be reduced.
本発明のリチウム電池によれば、本発明のリチウム電池用正極材料を用いたので、充放電容量を大幅に向上させることができ、安定した充放電サイクル特性を実現することができ、電池としての出力を高めることができる。したがって、各種電気特性に優れたリチウム電池を提供することができる。 According to the lithium battery of the present invention, since the positive electrode material for a lithium battery of the present invention is used, the charge / discharge capacity can be greatly improved, and stable charge / discharge cycle characteristics can be realized. The output can be increased. Therefore, it is possible to provide a lithium battery excellent in various electric characteristics.
本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法とリチウム電池用正極活物質及びリチウム電池用正極材料並びにリチウム電池の最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
The manufacturing method of the positive electrode active material for lithium batteries of this invention, the positive electrode active material for lithium batteries, the positive electrode material for lithium batteries, and the best form of a lithium battery are demonstrated.
This embodiment is specifically described for better understanding of the gist of the invention and does not limit the present invention unless otherwise specified.
本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法は、LixAyDzPO4(但し、AはCo、Ni、Mn、Fe、Cu、Crから選択された1種、DはMg、Ca、Fe、Ni、Co、Mn、Zn、Ge、Cu、Cr、Ti、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Si、B、希土類元素から選択された1種または2種以上かつ前記Aと異なる、0≦x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)にて表されるリチウム電池用正極活物質の製造方法であって、水を主成分とする溶媒に、リチウム(Li)成分、リン(P)成分、前記A成分、前記D成分及び水に可溶な極性有機物を加え、次いで、この溶液を加圧下にて加熱することにより、前記LixAyDzPO4を生成する方法である。 The method for producing a positive electrode active material for a lithium battery of the present invention is Li x A y D z PO 4 (where A is one selected from Co, Ni, Mn, Fe, Cu, Cr, and D is Mg, Ca Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu, Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, one or more selected from rare earth elements and A method for producing a positive electrode active material for a lithium battery, which is different from A and represented by 0 ≦ x <2, 0 <y <1.5, 0 ≦ z <1.5), wherein water is a main component. A lithium (Li) component, a phosphorus (P) component, the A component, the D component, and a water-soluble polar organic substance are added to the solvent, and then the solution is heated under pressure to thereby add the Li a method of generating x a y D z PO 4.
極性有機物としては、N−メチル−2−ピロリジノンが好ましい。
Aとしては、Co、Ni、Mn、Feから選択された1種が好ましい。
Dとしては、Mg、Ca、Ni、Co、Mn、Zn、Ti、Alから選択された1種または2種以上が好ましい。
As the polar organic substance, N-methyl-2-pyrrolidinone is preferable.
A is preferably one selected from Co, Ni, Mn, and Fe.
D is preferably one or more selected from Mg, Ca, Ni, Co, Mn, Zn, Ti, and Al.
上記のLixAyDzPO4を水熱法により生成する際に、リチウム(Li)成分、リン(P)成分、A成分及びD成分を、水を主成分とする溶媒に加えた場合、例えば、Li3PO4やFe3(PO4)2の様な難溶性物質が生じる。
これら難溶性物質は、耐圧容器内で加熱されることにより、温度が上昇するとともに溶解し、生じたLi+、Fe2+、PO4 3−等のイオンが反応することにより、LiFePO4結晶核が生成、成長する。この際、Li3PO4やFe3(PO4)2を完全に溶解させるために温度を上げたり、加熱時間を延長したりすると、LiFePO4結晶核が異常成長してしまう。
When Li x A y D z PO 4 is generated by the hydrothermal method, a lithium (Li) component, a phosphorus (P) component, an A component and a D component are added to a solvent containing water as a main component. For example, a hardly soluble substance such as Li 3 PO 4 or Fe 3 (PO 4 ) 2 is generated.
These hardly soluble substances are dissolved as the temperature rises when heated in a pressure resistant container, and the generated Li + , Fe 2+ , PO 4 3− and other ions react to form LiFePO 4 crystal nuclei. Generate and grow. At this time, if the temperature is increased or the heating time is extended in order to completely dissolve Li 3 PO 4 or Fe 3 (PO 4 ) 2 , the LiFePO 4 crystal nucleus grows abnormally.
本発明の製造方法では、Li成分、P成分、A成分及びD成分に、さらに、N−メチル−2−ピロリジノンの様な水に可溶な極性有機物を添加し、この水に可溶な極性有機物を溶液中にて生じたLixAyDzPO4結晶核に吸着させることにより、LixAyDzPO4結晶核の成長が抑制される。
また、この水に可溶な極性有機物が溶液中にて網目状の構造を形成することにより、この極性有機物により囲まれた微小な反応場が生じ、この微小な反応場の中でのみ物質移動が生じることとなる。したがって、LixAyDzPO4の結晶成長が抑制される。
In the production method of the present invention, a polar organic substance soluble in water such as N-methyl-2-pyrrolidinone is further added to the Li component, P component, A component and D component, and this water-soluble polarity is added. The organic substance is adsorbed on the Li x A y D z PO 4 crystal nucleus generated in the solution, thereby suppressing the growth of the Li x A y D z PO 4 crystal nucleus.
In addition, the water-soluble polar organic substance forms a network structure in the solution, thereby generating a minute reaction field surrounded by the polar organic substance, and mass transfer only in the minute reaction field. Will occur. Therefore, crystal growth of Li x A y D z PO 4 is suppressed.
これにより、合成中に発生したLi3PO4やFe3(PO4)2の様な難溶性物質を溶液中に完全に溶解させるために、加熱温度を上げたり、加熱時間を延ばしたりした後も、過度のLiFePO4等のLixAyDzPO4結晶核の成長が抑制される。したがって、高結晶性かつ微細な粒子を合成することが可能になり、この粒子の平均一次粒子径の制御を行うことも可能である。 Thus, after the heating temperature is increased or the heating time is extended in order to completely dissolve insoluble materials such as Li 3 PO 4 and Fe 3 (PO 4 ) 2 generated during the synthesis in the solution. However, excessive growth of Li x A y D z PO 4 crystal nuclei such as LiFePO 4 is suppressed. Accordingly, highly crystalline and fine particles can be synthesized, and the average primary particle diameter of the particles can be controlled.
次に、本発明のリチウム電池用正極活物質の製造方法について、より具体的に説明する。
まず、水を主成分とする溶媒に、Li成分、P成分、A成分(但し、AはCo、Ni、Mn、Fe、Cu、Crから選択された1種)、D成分(但し、DはMg、Ca、Fe、Ni、Co、Mn、Zn、Ge、Cu、Cr、Ti、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Si、B、希土類元素から選択された1種または2種以上かつ前記Aと異なる)を加え、出発原料を調整する。ここで、希土類元素とは、ランタン系列であるLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの15元素のことである。
Next, the manufacturing method of the positive electrode active material for lithium batteries of this invention is demonstrated more concretely.
First, in a solvent containing water as a main component, a Li component, a P component, and an A component (where A is one selected from Co, Ni, Mn, Fe, Cu, and Cr), a D component (where D is One or two selected from Mg, Ca, Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu, Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, rare earth elements The starting material is prepared by adding more than seeds and different from A). Here, the rare earth elements are 15 elements of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu which are lanthanum series.
ここで、この出発原料に、さらに水に可溶な極性有機物を加える。
Li成分としては、例えば、水酸化リチウム(LiOH)、炭酸リチウム(Li2CO3)、リン酸リチウム(Li3PO4)等のリチウム無機酸塩、酢酸リチウム(LiCH3COO)、蓚酸リチウム((COOLi)2)等のリチウム有機酸塩が挙げられる。
Here, a polar organic substance soluble in water is further added to the starting material.
Examples of the Li component include lithium inorganic acid salts such as lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium acetate (LiCH 3 COO), lithium oxalate ( Examples include lithium organic acid salts such as (COOLi) 2 ).
リン成分としては、例えば、オルトリン酸(H3PO4)、メタリン酸(HPO3)等のリン酸、リン酸水素2アンモニウム((NH4)2HPO4)、リン酸2水素アンモニウム(NH4H2PO4)等のリン酸水素アンモニウム等が挙げられ、比較的純度が高く組成制御が行い易いことから、オルトリン酸、リン酸水素2アンモニウム、リン酸2水素アンモニウムが好ましい。 Examples of the phosphorus component include phosphoric acid such as orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) and metaphosphoric acid (HPO 3 ), diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ), and ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 Examples thereof include ammonium hydrogen phosphate such as H 2 PO 4 ), and orthophosphoric acid, diammonium hydrogen phosphate, and ammonium dihydrogen phosphate are preferable because of relatively high purity and easy composition control.
A成分としては、Co、Ni、Mn、Fe、Cu、Cr各々の金属塩のうち1種が用いられ、例えば、Fe塩としては、硫酸鉄(II)(FeSO4)、酢酸鉄(II)(Fe(CH3COO)2)、塩化鉄(II)(FeCl2)等が好ましい。
D成分としては、Mg、Ca、Fe、Ni、Co、Mn、Zn、Ge、Cu、Cr、Ti、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Si、B、希土類元素各々のうちA成分と異なる元素の金属塩のうち1種または2種以上が用いられ、例えば、Al2(SO4)3、MgSO4、Ti(SO4)2の様な硫酸塩、Al(CH3COO)3、Mg(CH3COO)2の様な酢酸塩、AlCl3、CaCl2、TiCl4の様な塩化物等の金属塩が好ましい。
As the A component, one of metal salts of Co, Ni, Mn, Fe, Cu, and Cr is used. For example, as the Fe salt, iron (II) sulfate (FeSO 4 ), iron (II) acetate. (Fe (CH 3 COO) 2 ), iron chloride (II) (FeCl 2 ) and the like are preferable.
As D component, Mg, Ca, Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu, Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, each of rare earth elements One or more metal salts of elements different from the component A are used, for example, sulfates such as Al 2 (SO 4 ) 3 , MgSO 4 , Ti (SO 4 ) 2 , Al (CH 3 COO ) 3 , metal salts such as acetates such as Mg (CH 3 COO) 2 and chlorides such as AlCl 3 , CaCl 2 and TiCl 4 are preferred.
ここで、水に可溶な極性有機物とは、水に溶解しかつ分子中に極性を有する有機物のことであり、分子全体あるいは分子中に大きな双極子モーメントを有するために、イオン反応性が高く、よって、合成中に生じたLiFePO4等のLixAyDzPO4結晶核の成長を抑制することができる。 Here, a polar organic substance that is soluble in water is an organic substance that is soluble in water and has polarity in the molecule, and has a large dipole moment in the whole molecule or in the molecule, so that the ion reactivity is high. Therefore, it is possible to suppress the growth of Li x A y D z PO 4 crystal nuclei such as LiFePO 4 generated during the synthesis.
水に可溶な極性有機物としては、特に制限されないが、N−メチル−2−ピロリジノン(NMP)、ポリカルボン酸系高分子、ポリエーテル系高分子、エチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール類、グリセリン、ポリグリセリン等の三価アルコール類、ポリエチレンイミン、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン等、あるいはこれらの共重合体が好適に用いられる。 The polar organic substance soluble in water is not particularly limited, but N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), polycarboxylic acid polymer, polyether polymer, glycols such as ethylene glycol and propylene glycol, glycerin Trivalent alcohols such as polyglycerin, polyethyleneimine, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyvinyl pyrrolidone, and the like, or copolymers thereof are preferably used.
また、糖類、例えば、糖アルコール、糖エステル、エチルセルロース等のセルロース類、ソルビタンエステル、ポリオキシエチレンソルビタン等の各種水溶性有機界面活性剤等を用いることができる。
これらの極性有機物の中でも、特に、N−メチル−2−ピロリジノンは、生じたLiFePO4等のLixAyDzPO4結晶核の成長を効果的に抑制可能であり、しかも、低粘度、易作業性等の面で優れている。
これらの極性有機物は、Li成分、P成分、A成分及びD成分を加えて出発原料を調整する際に、これらの成分と同時に添加してもよく、これらの成分を混合した後に添加してもよい。
In addition, saccharides, for example, sugar alcohols, sugar esters, celluloses such as ethyl cellulose, various water-soluble organic surfactants such as sorbitan ester and polyoxyethylene sorbitan can be used.
Among these polar organic substances, in particular, N-methyl-2-pyrrolidinone can effectively suppress the growth of Li x A y D z PO 4 crystal nuclei such as LiFePO 4 , and has a low viscosity. Excellent in terms of easy workability.
These polar organic substances may be added simultaneously with these components when adjusting the starting materials by adding the Li component, P component, A component and D component, or may be added after mixing these components. Good.
水を主成分とする溶媒としては、純水、水−アルコール溶液、水−ケトン溶液、水−エーテル溶液等が挙げられ、中でも純水が好ましい。
その理由は、水は安価であり、臨界点付近で誘電率の大きな変化を示すことから、温度、圧力の操作により容易に各物質に対する溶解度等の溶媒物性を制御することが可能だからである。
Examples of the solvent containing water as a main component include pure water, a water-alcohol solution, a water-ketone solution, and a water-ether solution. Among these, pure water is preferable.
The reason is that water is inexpensive and exhibits a large change in dielectric constant near the critical point, so that it is possible to easily control solvent physical properties such as solubility in each substance by manipulating temperature and pressure.
次いで、この出発原料溶液を加圧下にて加熱する。加圧下にて加熱する方法は特に限定されないが、通常、出発原料溶液を耐圧容器に収納し、加熱することにより行う。
上記の様にして調整された出発原料を耐圧容器に収納し、その後、加熱して所定の最高保持温度まで昇温させ、この最高保持温度にて所定の時間保持することにより合成反応を進行させ、その後、室温(25℃)まで降温させる。
The starting material solution is then heated under pressure. The method of heating under pressure is not particularly limited, but it is usually performed by storing the starting material solution in a pressure resistant container and heating.
The starting material adjusted as described above is stored in a pressure vessel, and then heated to raise the temperature to a predetermined maximum holding temperature, and the synthesis reaction proceeds by holding at this maximum holding temperature for a predetermined time. Thereafter, the temperature is lowered to room temperature (25 ° C.).
この反応条件は、溶媒の種類や合成する物質に応じて適宜選択されるが、本発明の製造方法では、リチウム金属リン酸化合物微粒子を合成する際に、高温にしたり、長時間反応させたりしても粒子が粗大化する虞がないので、反応条件を比較的自由に設定することができる。例えば、溶媒が純水の場合、最高保持温度が120〜200℃、保持時間(反応時間)が1〜12時間程度で、結晶性に優れたリチウム金属リン酸化合物微粒子を合成することができる。 The reaction conditions are appropriately selected according to the type of solvent and the substance to be synthesized. In the production method of the present invention, when the lithium metal phosphate compound fine particles are synthesized, the reaction temperature is increased or the reaction is performed for a long time. However, the reaction conditions can be set relatively freely because there is no risk of coarsening of the particles. For example, when the solvent is pure water, it is possible to synthesize lithium metal phosphate fine particles having excellent crystallinity with a maximum holding temperature of 120 to 200 ° C. and a holding time (reaction time) of about 1 to 12 hours.
次いで、耐圧容器内の生成物を濾過により分離・回収し、水洗後乾燥することにより、LixAyDzPO4(但し、AはCo、Ni、Mn、Fe、Cu、Crから選択された1種、DはMg、Ca、Fe、Ni、Co、Mn、Zn、Ge、Cu、Cr、Ti、Sr、Ba、Sc、Y、Al、Ga、In、Si、B、希土類元素から選択された1種または2種以上かつ前記Aと異なる、0≦x<2、0<y<1.5、0≦z<1.5)にて表されるリチウム電池用正極活物質が得られる。 Next, the product in the pressure vessel is separated and recovered by filtration, washed with water, and dried to obtain Li x A y D z PO 4 (where A is selected from Co, Ni, Mn, Fe, Cu, Cr). D is selected from Mg, Ca, Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu, Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, and rare earth elements The positive electrode active material for a lithium battery represented by one or two or more of the above and different from A is represented by 0 ≦ x <2, 0 <y <1.5, 0 ≦ z <1.5) is obtained. .
このリチウム電池用正極活物質は、固相法に比べて比較的低温で合成され、かつ溶解と析出の条件を制御することが可能であるから、例えば、平均一次粒子径が0.01〜10μmのリチウム電池用正極活物質微粒子を得ることができる。合成条件をさらに制御することにより、例えば、平均一次粒子径が0.02〜1μmのリチウム電池用正極活物質微粒子を得ることができる。 This positive electrode active material for a lithium battery is synthesized at a relatively low temperature as compared with the solid phase method, and the conditions for dissolution and precipitation can be controlled. For example, the average primary particle diameter is 0.01 to 10 μm. The positive electrode active material fine particles for lithium battery can be obtained. By further controlling the synthesis conditions, for example, positive electrode active material fine particles for lithium batteries having an average primary particle size of 0.02 to 1 μm can be obtained.
このリチウム電池用正極活物質微粒子の平均一次粒子径が0.01μmより小さいと、Liの挿入・脱離に伴う構造変化により粒子が破壊し、また、表面積が大きすぎるために結合剤を多く必要とし、その結果、正極合剤の導電率が低くなり、正極の充填密度が著しく低下する。また、その平均一次粒子径が10μmより大きいと、正極活物質の内部抵抗が高くなり、Liイオンの物質移動も遅延するために、利用率が低下し、また、得られる粒子の比表面積が小さくなり、単位重量当たりの充放電容量が低下する。また、充放電を繰り返し行うことにより粒子が破壊され、電池容量が低下する等の問題もある。
これにより、より高出力を得るためには、活物質の内部抵抗の影響が小さい0.02〜1μmの粒子が好ましい。
If the average primary particle size of the positive electrode active material fine particles for lithium batteries is smaller than 0.01 μm, the particles break down due to structural changes accompanying Li insertion / desorption, and the surface area is too large, so a large amount of binder is required. As a result, the conductivity of the positive electrode mixture is lowered, and the packing density of the positive electrode is significantly reduced. Further, if the average primary particle diameter is larger than 10 μm, the internal resistance of the positive electrode active material is increased, and the mass transfer of Li ions is also delayed, so that the utilization rate is lowered and the specific surface area of the obtained particles is small. Thus, the charge / discharge capacity per unit weight is reduced. In addition, there are problems such as repeated destruction of the particles and destruction of the particles, resulting in a decrease in battery capacity.
Thereby, in order to obtain a higher output, particles of 0.02 to 1 μm that are less affected by the internal resistance of the active material are preferable.
一般に、固相法の場合、結晶性を上げるためには、加熱温度を高くしたり、加熱時間を延長する必要があるが、この場合、加熱過程で粒子同士が融着したり、あるいは粒子が異常粒成長することにより、粗大な粒子が生じる虞があり、粒径の制御は容易ではない。
本実施形態の製造方法では、固相法に比べて比較的低温で合成することができ、しかも溶解と析出の条件を制御することができるので、例えば、平均一次粒子径が0.01〜10μm、好ましくは0.02〜1μmの高結晶性のリチウム電池用正極活物質微粒子を得ることができ、したがって、リチウム電池用正極活物質微粒子の表面積を大きくすることができる。
In general, in the case of the solid phase method, in order to increase crystallinity, it is necessary to increase the heating temperature or extend the heating time. In this case, the particles are fused with each other in the heating process, or the particles are not bonded. Abnormal grain growth may cause coarse particles, and control of the particle size is not easy.
In the production method of the present embodiment, synthesis can be performed at a relatively low temperature compared to the solid phase method, and the dissolution and precipitation conditions can be controlled. For example, the average primary particle size is 0.01 to 10 μm. In addition, it is possible to obtain positive electrode active material fine particles for lithium battery, preferably having a high crystallinity of 0.02 to 1 μm, and therefore the surface area of the positive electrode active material fine particles for lithium battery can be increased.
また、このリチウム電池用正極活物質微粒子をリチウム二次電池に適用することで、高い充放電速度を有するリチウム二次電池を実現することができる。
また、固相法の場合、比較的高温で所定時間保持する必要があるが、本実施形態の製造方法の場合、固相法に比べて少ないエネルギーで反応を進行させることができるので、ランニングコスト面でも有利である。
Moreover, the lithium secondary battery which has a high charging / discharging rate is realizable by applying this positive electrode active material microparticle for lithium batteries to a lithium secondary battery.
Further, in the case of the solid phase method, it is necessary to hold for a predetermined time at a relatively high temperature. However, in the case of the manufacturing method of the present embodiment, the reaction can proceed with less energy than the solid phase method, so that the running cost is reduced. This is also advantageous.
以上により、本実施形態の製造方法によれば、反応初期に生成する副生成物質である難溶性物質を反応過程で溶解するとともに、LixAyDzPO4を析出する際に、この反応が網目状の極性有機物により囲まれた狭い反応場の中で生じるので、この反応場内でのみ物質移動が起こることにより、結晶成長を抑制することができる。 As described above, according to the manufacturing method of the present embodiment, the hardly soluble substance, which is a by-product substance generated in the initial stage of the reaction, is dissolved in the reaction process, and this reaction is performed when Li x A y D z PO 4 is precipitated. Occurs in a narrow reaction field surrounded by a network of polar organic substances, and mass transfer occurs only in this reaction field, thereby suppressing crystal growth.
したがって、反応過程にて生じたLi3PO4やFe3(PO4)2 等の難溶性物質を完全に反応させるために、反応温度を高めたり、反応時間を延長したり等の後においても、過度のLiFePO4等のLixAyDzPO4結晶核の成長を抑制することができる。したがって、高結晶性かつ微細な粒子を合成することができ、この粒子の平均一次粒子径の制御を行うことができる。
さらに、反応過程では、一度溶解した後に析出により粒子化するので、結晶成長の方向を制御することができ、結晶成長の方向が揃った微粒子を合成することができ、また、粒子形状の制御も可能である。
Therefore, in order to completely react the poorly soluble substances such as Li 3 PO 4 and Fe 3 (PO 4 ) 2 generated in the reaction process, the reaction temperature is increased and the reaction time is extended. Further, excessive growth of Li x A y D z PO 4 crystal nuclei such as LiFePO 4 can be suppressed. Therefore, highly crystalline and fine particles can be synthesized, and the average primary particle diameter of the particles can be controlled.
Furthermore, in the reaction process, once dissolved, the particles are formed by precipitation, so that the direction of crystal growth can be controlled, fine particles with the same direction of crystal growth can be synthesized, and the shape of the particles can also be controlled. Is possible.
以下、実施例及び比較例1、2により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
(実施例)
0.2mol/Lの酢酸リチウム(LiCH3COO)、0.1mol/Lの硫酸鉄(II)(FeSO4)、0.1mol/Lのオルトリン酸(H3PO4)各々0.02Lを、N−メチル−2−ピロリジノン0.12Lと共に容量0.3Lの耐圧密閉容器に収納し、170℃にて6時間保持し、反応させた。その後、この耐圧密閉容器内の生成物を濾過により分離・回収し、水洗後乾燥し、試料1を得た。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and Comparative Examples 1 and 2 demonstrate this invention concretely, this invention is not limited by these Examples.
(Example)
0.2 mol / L lithium acetate (LiCH 3 COO), 0.1 mol / L iron (II) sulfate (FeSO 4 ), 0.1 mol / L orthophosphoric acid (H 3 PO 4 ) 0.02 L each, The resultant was housed in a pressure-resistant airtight container having a capacity of 0.3 L together with 0.12 L of N-methyl-2-pyrrolidinone and allowed to react at 170 ° C. for 6 hours. Thereafter, the product in the pressure tight sealed container was separated and collected by filtration, washed with water and dried to obtain Sample 1.
(比較例1)
N−メチル−2−ピロリジノンの替わりに純水0.12Lを添加した点以外は、実施例と同様にして試料2を得た。
(比較例2)
反応時間を3時間とした点以外は、比較例1と同様にして試料3を得た。
(Comparative Example 1)
(Comparative Example 2)
Sample 3 was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the reaction time was 3 hours.
実施例及び比較例1、2で得られた試料1〜3それぞれのCu Kα 線による粉末X線回折図形を図1に示す。なお、図1の下端部には、JCPDSカード(♯81−1173)に記載されているLiFePO4の回折線(2θ°)を示してある。
また、実施例で得られた試料1の走査電子顕微鏡像(SEM像)を図2に、比較例1で得られた試料2の走査電子顕微鏡像(SEM像)を図3に、それぞれ示す。
FIG. 1 shows powder X-ray diffraction patterns of Cu Kα rays of Samples 1 to 3 obtained in Examples and Comparative Examples 1 and 2, respectively. Note that the diffraction line (2θ °) of LiFePO 4 described on the JCPDS card (# 81-1173) is shown at the lower end of FIG.
Moreover, the scanning electron microscope image (SEM image) of the sample 1 obtained in the Example is shown in FIG. 2, and the scanning electron microscope image (SEM image) of the
(リチウム電池の作製)
実施例および比較例1、2で得られた試料1〜3を基に実施例および比較例1、2のリチウム電池をそれぞれ作製した。
ここでは、試料1〜3各85重量部と、導電助剤として平均一次粒子径が14nm、比表面積が290m2/gのカーボンブラック(CB)10重量部を、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量部、N−メチル−2−ピロリジノン70重量部と共に、三本ロール等を用いて混練・ペースト化し、厚みが30μmのアルミニウム箔上に塗布し、乾燥後、40MPaの圧力にて圧密し、正極とした。
(Production of lithium battery)
The lithium batteries of Examples and Comparative Examples 1 and 2 were produced based on Samples 1 to 3 obtained in Examples and Comparative Examples 1 and 2, respectively.
Here, 85 parts by weight of each of Samples 1 to 3, 10 parts by weight of carbon black (CB) having an average primary particle diameter of 14 nm and a specific surface area of 290 m 2 / g as a conductive assistant, and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) Together with 70 parts by weight of N-methyl-2-pyrrolidinone, kneaded and pasted using a three-roll or the like, coated on an aluminum foil having a thickness of 30 μm, dried, and compacted at a pressure of 40 MPa, did.
次いで、これらの正極を真空乾燥器を用いて真空乾燥した後、乾燥したアルゴン雰囲気下にて2016型コインセルを用いて実施例および比較例1、2の電池を作製した。
ここでは、負極として金属Liを、セパレータとして多孔質ポリプロピレン膜を、電解質溶液として1mol/LのLiPF6溶液を、それぞれ用いた。
なお、このLiPF6溶液に用いられる溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸メチルエチルを体積%で1:1に混合したものを用いた。
Next, these positive electrodes were vacuum-dried using a vacuum dryer, and then batteries of Examples and Comparative Examples 1 and 2 were fabricated using 2016 type coin cells in a dry argon atmosphere.
Here, metal Li was used as the negative electrode, a porous polypropylene film was used as the separator, and a 1 mol / L LiPF 6 solution was used as the electrolyte solution.
As the solvent used in this LiPF 6 solution, 1 ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate in a volume%: was a mixture in 1.
(電池充放電試験)
実施例及び比較例1、2それぞれの電池に対して、室温(25℃)にて電池充放電試験を行った。
この電池充放電試験においては、カットオフ電圧を2〜4.5Vとし、放充電の電流密度については、放充電共に電流量(レート:1C)の定電流とし、放充電のサイクルは、1時間で充電、1時間で放電とした。
(Battery charge / discharge test)
A battery charge / discharge test was performed at room temperature (25 ° C.) for each of the batteries of Examples and Comparative Examples 1 and 2.
In this battery charge / discharge test, the cut-off voltage is set to 2 to 4.5 V, and the current density of discharge / discharge is a constant current with a current amount (rate: 1C) for both discharge and charge, and the charge / discharge cycle is 1 hour. And charging in 1 hour.
上記の実施例及び比較例1それぞれの充放電試験結果を図4に示す。なお、比較例2については、Li3PO4等の不純物相を多く含むために充放電試験を行うことができなかった。
また、実施例及び比較例1、2それぞれの結晶相、平均一次粒子径及び放電容量を表1に示す。
The charge / discharge test results of the above Examples and Comparative Example 1 are shown in FIG. In Comparative Example 2, the charge / discharge test could not be performed because it contained a large amount of impurity phase such as Li 3 PO 4 .
Table 1 shows the crystal phases, average primary particle diameters, and discharge capacities of Examples and Comparative Examples 1 and 2, respectively.
これらの結果によれば、実施例では、N−メチル−2−ピロリジノンを添加することにより、十分な反応時間を経た後も粒子の粗大化が抑制され、高出力での放電容量が大幅に向上していることが分かった。
一方、比較例2では、反応が不十分なために、試料3中に原料混合時に生成したLi3PO4や反応中間体が残っていることが分かった。
According to these results, in the examples, by adding N-methyl-2-pyrrolidinone, particle coarsening is suppressed even after sufficient reaction time, and the discharge capacity at high output is greatly improved. I found out that
On the other hand, in Comparative Example 2, since the reaction was insufficient, it was found that Li 3 PO 4 and reaction intermediate produced during mixing of the raw materials remained in the sample 3.
なお、本実施例では、本電極材料自体の挙動をデータに反映させるために、負極に金属Liを用いたが、負極材料は、金属Liの他、例えば、炭素材料、Li合金、Li4Ti5O12等を用いてもよい。また、電解質溶液とセパレータの替わりに固体電解質を用いてもよい。 In this example, in order to reflect the behavior of the electrode material itself in the data, metal Li was used for the negative electrode, but the negative electrode material may be, for example, a carbon material, a Li alloy, Li 4 Ti other than metal Li. 5 O 12 or the like may be used. A solid electrolyte may be used instead of the electrolyte solution and the separator.
本発明は、リチウム電池用正極活物質微粒子を合成する際に、N−メチル−2−ピロリジノンの様な水に可溶な極性有機物を加えることで、高結晶性かつ微粒子のLixAyDzPO4が得られるものであるから、リチウム電池のさらなる充放電容量の向上、充放電サイクルの安定化、高出力化はもちろんのこと、さらなる小型化、軽量化、高容量化が期待される二次電池の分野に適用することが可能である。 In the present invention, when synthesizing positive electrode active material fine particles for a lithium battery, a highly crystalline and fine particle Li x A y D is added by adding a polar organic substance soluble in water such as N-methyl-2-pyrrolidinone. z PO 4 can be obtained, so further improvement in charge / discharge capacity of lithium batteries, stabilization of charge / discharge cycle, higher output, as well as further reduction in size, weight and capacity are expected. It can be applied to the field of secondary batteries.
Claims (6)
水を主成分とする溶媒に、リチウム塩、リン酸若しくはリン酸水素アンモニウム、前記Aを含む金属塩、及びN−メチル−2−ピロリジノンを加えることにより溶液を調製する工程、又は、前記水を主成分とする溶媒に前記各成分とともに前記Dを含む金属塩を加えることにより溶液を調製する工程と、
調製した前記溶液を加圧下にて加熱することにより、前記LixAyDzPO4を生成する工程と、
を有することを特徴とする平均一次粒子径が0.02μm以上かつ1μm以下のリチウム電池用正極活物質の製造方法。 Li x A y D z PO 4 (where A is one selected from Co, Ni, Mn, Fe, Cu, Cr, D is Mg, Ca, Fe, Ni, Co, Mn, Zn, Ge, Cu) , Cr, Ti, Sr, Ba, Sc, Y, Al, Ga, In, Si, B, one or more selected from rare earth elements and different from A, 0 <x <2, 0 <y <1.5, 0 ≦ z <1.5), a method for producing a positive electrode active material for a lithium battery,
A step of preparing a solution by adding a lithium salt, phosphoric acid or ammonium hydrogen phosphate, a metal salt containing A, and N-methyl-2-pyrrolidinone to a solvent containing water as a main component, or the water Preparing a solution by adding a metal salt containing D together with each of the components to a solvent having a main component;
Producing the Li x A y D z PO 4 by heating the prepared solution under pressure;
A method for producing a positive electrode active material for a lithium battery having an average primary particle diameter of 0.02 μm or more and 1 μm or less.
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