JP5013622B2 - リチウムボレート系化合物の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の正極活物質等として有用なリチウムボレート系化合物の製造方法、及びこの方法で得られるリチウムボレート系化合物の用途に関する。
リチウムイオン二次電池は、小型でエネルギー密度が高く、ポータブル電子機器の電源として広く用いられており、正極活物質としては、主としてＬｉＣｏＯ２などの層状化合物が用いられてきた。しかしながら、これらの化合物は満充電状態において、１５０℃前後で酸素が脱離しやすく、これが非水電解液の酸化発熱反応を引き起こしやすいという欠点がある。
近年、正極活物質としては、リン酸オリビン系化合物ＬｉＭＰＯ４（ＬｉＭｎＰＯ４、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４など）が提案されている。この系は、ＬｉＣｏＯ２のような酸化物を正極活物質とする３価／４価の酸化還元反応の代わりに、２価／３価の酸化還元反応を用いることにより熱安定性を向上させ、さらに中心金属の周りに電気陰性度の大きいヘテロ元素のポリアニオンを配置することにより高放電電圧の得られる系として注目されている。
しかしながら、リン酸オリビン系化合物からなる正極材料は、リン酸ポリアニオンの分子量が大きいために、理論容量が１７０ｍＡｈ/ｇ程度に制限される。さらに、ＬｉＣｏＰＯ４やＬｉＮｉＰＯ４は、動作電圧が高すぎて、その充電電圧に耐え得る電解液が無いという問題がある。
そこで、安価で、資源量が多く、環境負荷が低く、高いリチウムイオンの理論充放電容量を有し、且つ高温時に酸素を放出しないカソード材料として、ＬｉＦｅＢＯ３（理論容量２２０ｍＡｈ/ｇ）、ＬｉＭｎＢＯ３（理論容量２２２ｍＡｈ/ｇ）等のリチウムボレート系材料が注目されている。リチウムボレート系材料はポリアニオンユニットの中で最も軽い元素であるＢを用いることで、エネルギー密度の向上が期待できる材料であり、また、ボレート系材料の真密度（３．４６ｇ/ｃｍ３）はリン酸オリビン鉄材料の真密度（３．６０ｇ/ｃｍ３）よりも小さく、軽量化も期待できる。
ボレート系化合物の合成法としては、固相状態で原料化合物を反応させる固相反応法が知られている（下記非特許文献１〜3等参考）。しかしながら、固相反応法では、６００℃以上という高温で長時間反応させることが必要であり、ドープ元素を固溶させることは可能であるが、結晶粒が１０μｍ以上と大きくなり、イオンの拡散が遅いという問題につながる。しかも、高温で反応させるため、冷却過程において固溶しきれないドープ元素が析出して不純物が生成し、抵抗が高くなるという問題がある。更に、高温まで加熱するために、リチウム欠損や酸素欠損のボレート系化合物ができ、容量の増加やサイクル特性の向上が難しいという問題もある。
Y. Z. Dong et.al Electrochim. Acta, 53, 2339-2345 (2008). Y. Z. Dong et.al J. Alloys Comp. 461, 585-590 (2008). V. Legagneur et.al Solid State Ionics, 139, 37-46 (2001).
本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、リチウムイオン二次電池用正極材料等として有用なリチウムボレート系材料について、サイクル特性、容量等が改善された、優れた性能を有する材料を比較的簡単な手段によって製造できる方法を提供することである。
本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物、ホウ酸、及び水酸化リチウムを原料として用いて、炭酸リチウムとその他のアルカリ金属炭酸塩との混合物の溶融塩中で、還元性雰囲気下において、上記原料を反応させる方法によれば、比較的穏和な条件下において、鉄又はマンガンを含むリチウムボレート系化合物を得ることができることを見出した。そして、得られたリチウムボレート系化合物は、微細で不純物相が少なく、リチウム原子を過剰に含むボレート系化合物となり、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いる場合に、サイクル特性が良好で、高容量を有する材料となることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、下記のリチウムボレート系化合物の製造方法、及びこの方法で得られたリチウムボレート系化合物とその用途を提供するものである。
１． 炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸ルビシウム及び炭酸セシウムからなる群から選ばれた少なくとも一種のアルカリ金属炭酸塩と炭酸リチウムとからなる炭酸塩混合物の溶融塩中で、還元性雰囲気下において、２価の鉄化合物及び２価のマンガン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物を含む２価の金属化合物、ホウ酸、並びに水酸化リチウムを４００〜６５０℃で反応させることを特徴とする、リチウムボレート系化合物の製造方法。
２． ２価の金属化合物が、２価の金属化合物全体を１００モル％として、２価の鉄化合物及び２価のマンガン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物を５０〜１００モル％と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の２価の金属元素を含む化合物を０〜５０モル％含むものである上記項１に記載のリチウムボレート系化合物の製造方法。
３． 還元性雰囲気が、窒素及び二酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも一種のガスと、還元性ガスの混合ガス雰囲気である上記項１又は２に記載のリチウムボレート系化合物の製造方法。
４． 上記項１〜３のいずれかの方法でリチウムボレート系化合物を製造した後、フラックスとして用いたアルカリ金属炭酸塩を溶媒により除去する工程を含む、リチウムボレート系化合物の製造方法。
５． 形成されるリチウムボレート系化合物が、
組成式：Ｌｉ１＋ａ−ｂＡｂＭ１−ｘＭ’ｘＢＯ３＋ｃ
（式中、Ａは、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ及びＣｓからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍは、Ｆｅ及びＭｎからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。各添字は次の通りである：０≦ｘ≦０．５、０＜ａ＜１、０≦ｂ＜０．２、０＜ｃ＜０．３であって、且つａ＞ｂである）で表される化合物である、上記項１〜４のいずれかに記載のリチウムボレート系化合物の製造方法。
６． 上記項１〜５のいずれかの方法で得られたリチウムボレート系化合物に、カーボン材料とＬｉ２ＣＯ３を加え、ボールミルによってアモルファス化するまで混合した後、還元性雰囲気下において熱処理を行うことを特徴とする、導電性の向上したリチウムボレート系化合物の製造方法。
７． 上記項１〜５のいずれかの方法で得られたリチウムボレート系化合物に、カーボン材料、及びＬｉＦを加え、ボールミルによってアモルファス化するまで混合した後、還元性雰囲気下において熱処理を行うことを特徴とする、
組成式：Ｌｉ１＋ａ−ｂＡｂＭ１−ｘＭ’ｘＢＯ３＋ｃ−ｙＦ２ｙ
（式中、Ａは、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ及びＣｓからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍは、Ｆｅ又はＭｎであり、Ｍ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。各添字は次の通りである：０≦ｘ≦０．５、０＜ａ＜１、０≦ｂ＜０．２、０＜ｃ＜０．３、０＜ｙ＜１であって、且つａ＞ｂである）で表されるフッ素含有リチウムボレート系化合物の製造方法。
８． 上記項１〜７のいずれかの方法によって得られたリチウムボレート系化合物からなるリチウムイオン二次電池用正極活物質。
９． 上記項１〜７のいずれかの方法によって得られたリチウムボレート系化合物を活物質として含むリチウムイオン二次電池用正極。
１０． 上記項９に記載のリチウムイオン二次電池用正極を構成要素として含むリチウムイオン二次電池。
以下、本発明のリチウムボレート系化合物の製造方法について具体的に説明する。
溶融塩の組成
本発明のリチウムボレート系化合物の製造方法では、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、炭酸ルビシウム（Ｒｂ２ＣＯ３）及び炭酸セシウム（Ｃｓ２ＣＯ３）からなる群から選ばれた少なくとも一種のアルカリ金属炭酸塩と、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）とからなる炭酸塩混合物の溶融塩中において、リチウムボレート系化合物の合成反応を行うことが必要である。炭酸リチウム単独では、溶融温度は７００℃程度であるが、炭酸リチウムとその他のアルカリ金属炭酸塩との混合物の溶融塩とする場合には、６５０℃を下回る溶融温度とすることができ、４００〜６５０℃という比較的低い反応温度において、目的とするリチウムボレート系化合物を合成することが可能となる。その結果、リチウムボレートの合成反応時に粒成長が抑制されて微細なリチウムボレート系化合物が形成される。また、炭酸塩混合物の溶融塩中において上記した条件で反応させる場合には、不純物相の形成が少なく、しかも炭酸塩混合物中に炭酸リチウムが含まれていることによって、リチウム原子を過剰に含むリチウムボレート系化合物が形成される。この様にして得られるリチウムボレート系化合物は、良好なサイクル特性と高い容量を有するリチウムイオン二次電池用正極材料となる。
炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸ルビシウム及び炭酸セシウムからなる群から選ばれた少なくとも一種のアルカリ金属炭酸塩と、炭酸リチウムとの混合割合は、形成される溶融塩の溶融温度が６５０℃を下回る温度となるようにすればよい。該炭酸塩混合物中における炭酸リチウムの比率については、特に限定的ではないが、通常、該炭酸塩混合物の全モル数を基準として、３０モル％以上、特に３０〜７０モル％であることが好ましい。
該炭酸塩混合物の一例としては、炭酸リチウム３０〜７０モル％、炭酸ナトリウム０〜６０モル％及び炭酸カリウム０〜５０モル％からなる混合物を挙げることができる。このような炭酸塩混合物の好ましい例としては、炭酸リチウム４０〜４５モル％、炭酸ナトリウム３０〜３５モル％及び炭酸カリウム２０〜３０モル％からなる混合物、炭酸リチウム５０〜５５モル％及び炭酸ナトリウ４５〜５０モル％からなる混合物、炭酸リチウム６０〜６５モル％及び炭酸カリウム３５〜４０モル％からなる混合物等を挙げることができる。
原料化合物
本発明では、原料としては、２価の鉄化合物及び２価のマンガン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物を含む２価の金属化合物、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）、並びに水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）を用いる。
２価の鉄化合物と２価のマンガン化合物の種類については特に限定的ではないが、これらの化合物が２価に維持されやすいように、シュウ酸鉄、シュウ酸マンガンなどのシュウ酸塩を用いることが好ましい。２価の鉄化合物と２価のマンガン化合物はいずれか一方又は両方を混合して用いることができる。
本発明では、２価の金属化合物として、上記した２価の鉄化合物及び２価のマンガン化合物から選ばれた少なくとも一種の化合物が必須であるが、更に、必要に応じて、その他の金属化合物を用いることができる。その他の金属化合物としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の２価の金属元素を含む化合物を用いることができる。これらの２価の金属元素を含む化合物としては、上記した金属元素を一種のみ含む化合物であってもよく、或いは、二種以上の金属元素を含む複合化合物であってもよい。また、２価の金属元素を含む化合物は、一種単独又は二種以上混合して用いることができる。これらの２価の金属元素を含む化合物の種類については特に限定的ではなく、シュウ酸塩の他に、硫酸塩、炭酸塩、水酸化物などを用いることができる。
２価の鉄化合物及び２価のマンガン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物の量は、２価の金属化合物全体を１００モル％として、５０モル％以上であることが必要である。即ち、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の２価の金属元素を含む化合物の量は、２価の金属化合物全体を１００モル％として、０〜５０モル％とすることができる。
上記した２価の鉄化合物及び２価のマンガン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物を含む２価の金属化合物の使用量については、通常、ホウ酸１モルに対して、２価の金属化合物全体の量として、０．９〜１．２モルとすることが好ましく、０．９５〜１．１モルとすることがより好ましい。
また、水酸化リチウムの使用量については、通常、ホウ酸１モルに対して、０．９〜１．２モルとすることが好ましく、０．９５〜１．１モルとすることがより好ましい。
リチウムボレート系化合物の製造方法
本発明のリチウムボレート系化合物の製造方法では、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸ルビシウム及び炭酸セシウムからなる群から選ばれた少なくとも一種のアルカリ金属炭酸塩と炭酸リチウムとからなる炭酸塩混合物の溶融塩中で、還元性雰囲気下において、上記した原料、即ち、２価の鉄化合物及び２価のマンガン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物を含む２価の金属化合物、ホウ酸、並びに水酸化リチウムを反応させることが必要である。
具体的な反応方法については特に限定的ではないが、通常は、上記した炭酸塩混合物、２価の金属化合物、ホウ酸、及び水酸化リチウムを混合し、ボールミル等を用いて均一に混合した後、加熱して炭酸塩混合物を溶融させればよい。これにより、溶融した炭酸塩中において、２価の金属化合物、ホウ酸、及び水酸化リチウムの反応が進行して、目的とするリチウムボレート系化合物を得ることができる。
この際、２価の金属化合物、ホウ酸、及び水酸化リチウムからなる原料と、炭酸塩混合物との混合割合については特に限定的ではなく、炭酸塩混合物の溶融塩中において、原料を均一に分散できる量であればよく、例えば、炭酸塩混合物の合計量１００重量部に対して、２価の金属化合物、ホウ酸、及び水酸化リチウムの合計量が１００〜３００重量部の範囲となる量であることが好ましく、１７５〜２５０重量部の範囲となる量であることがより好ましい。
炭酸塩混合物の溶融塩中における原料化合物の反応温度は、４００〜６５０℃とすることが好ましく、４５０〜６００℃とすることがより好ましい。従って、炭酸塩混合物の溶融温度が目的とする反応温度を下回るように、炭酸塩混合物の組成を調製することが必要である。
上記した反応は、金属イオンを２価に保持するために、還元性雰囲気下で行うことが必要である。ただし、還元作用が強すぎる場合には、２価の金属イオンが金属状態まで還元されることがある。このため、窒素及び二酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも一種のガスと、還元性ガスの混合ガス雰囲気中において、原料化合物を反応させることが好ましい。これにより、リチウムボレート系化合物の合成工程において、金属イオンを２価に維持することが可能となる。窒素及び二酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも一種のガスと、還元性ガスの比率については、例えば、窒素及び二酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも一種のガス１モルに対して還元性ガスを０．０１〜０．２モルとすればよく、０．０３〜０．１モルとすることが好ましい。還元性ガスとしては、例えば、水素、一酸化炭素などを用いることができ、水素が特に好ましい。
上記した混合ガスの圧力については、特に限定はなく、通常、大気圧とすればよいが、加圧下、或いは減圧下のいずれであっても良い。
２価の金属化合物、ホウ酸、及び水酸化リチウムからなる原料化合物の反応時間は、通常、１〜２０時間とすればよい。
上記した反応を行った後、フラックスとして用いたアルカリ金属炭酸塩を除去することによって、目的とするリチウムボレート系化合物を得ることができる。
アルカリ金属炭酸塩を除去する方法としては、アルカリ金属炭酸塩を溶解できる溶媒を用いて、生成物を洗浄することによって、アルカリ金属炭酸塩を溶解除去すればよい。例えば、溶媒として、水を用いることも可能であるが、リチウムボレート系化合物に含まれる金属元素の酸化を防止するために、アルコール、アセトンなどの非水溶媒等を用いることが好ましい。特に、無水酢酸と酢酸とを重量比で２：１〜１：１の割合で用いることが好ましい。この混合溶媒は、アルカリ金属炭酸塩を溶解除去する作用に優れていることに加えて、酢酸がアルカリ金属炭酸塩と反応して水が生成した場合に、無水酢酸が水を取り込んで酢酸を生じることによって、水が分離することを抑制できる。尚、無水酢酸と酢酸を用いる場合には、まず、無水酢酸を生成物に混合して、乳鉢等を用いてすりつぶして粒子を細かくした後、無水酢酸を粒子になじませた状態で酢酸を加えることが好ましい。この方法によれば、酢酸とアルカリ金属炭酸塩とが反応して生成した水が速やかに無水酢酸と反応して、生成物と水が触れ合う機会を低減できるので、目的物の酸化と分解を効果的に抑制することができる。
リチウムボレート系化合物
上記した方法によって得られるリチウムボレート系化合物は、
組成式：Ｌｉ１+ａ-ｂ ＡｂＭ１-ｘＭ’ｘＢＯ３+ｃ
（式中、Ａは、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ及びＣｓからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍは、Ｆｅ及びＭｎからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。各添字は次の通りである：０≦ｘ≦０．５、０＜ａ＜１、０≦ｂ＜０．２、０＜ｃ＜０．３であって、且つａ＞ｂである）で表される化合物である。
該化合物は、溶融塩中にリチウム炭酸塩が含まれていることにより、溶融塩中のリチウムイオンが、リチウムボレート系化合物のＬｉイオンサイトに浸入して、化学量論量と比較して、Ｌｉイオンを過剰に含む化合物となる。また、炭酸塩混合物の溶融塩中において、４００〜６５０℃という比較的低温で反応を行うことによって、結晶粒の成長が抑制され、平均粒径が５０ｎｍ〜２０μｍという微細な粒子となり、更に、不純物相の量が大きく減少する。その結果、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いる場合に、良好なサイクル特性と高容量を有する材料となる。上記した方法で得られるリチウムボレート系化合物は、特に、平均粒径が５０ｎｍ〜１μｍの範囲内にあるものが好ましい。尚、本明細書では、平均粒径は、レーザー回折粒度分布測定装置（島津製 ＳＡＬＤ７１００）によって求めた値である。
カーボン被覆処理
上記した方法で得られる組成式：Ｌｉ１+ａ-ｂ ＡｂＭ１-ｘＭ’ｘＢＯ３+ｃで表されるリチウムボレート系化合物は、更に、カーボンによる被覆処理を行って導電性を向上させることが好ましい。
カーボン被覆処理の具体的な方法については、特に限定的ではなく、炭素源となる有機物とリチウムボレート系化合物とを均一に混合した後、熱処理によって有機物を炭化させることによる熱分解法も適用可能であるが、特に、上記リチウムボレート系化合物に、カーボン材料とＬｉ２ＣＯ３を加え、ボールミルによってリチウムボレート系化合物がアモルファス化するまで均一に混合した後、熱処理を行うボールミリング法を適用することが好ましい。この方法によれば、ボールミリングによって正極活物質であるリチウムボレート系化合物がアモルファス化され、カーボンと均一に混合されて密着性が増加し、更に熱処理により、該リチウムボレート系化合物の再結晶化と同時にカーボンが該リチウムボレート系化合物の周りに均一に析出して被覆することができる。この際、Ｌｉ２ＣＯ３が存在することにより、リチウム過剰ボレート系化合物がリチウム欠損になることはなく、高い充放電容量を示すものとなる。
アモルファス化の程度については、ＣｕのＫα線を光源とするＸ線回折測定において、ボールミリング前の結晶性を有する試料についての（０１１）面由来の回折ピークの半値幅をＢ(０１１)Crystal、ボールミリングにより得られた試料の同ピークの半値幅をＢ（０１１）millとした場合に、Ｂ(０１１)Crystal／Ｂ（０１１）millの比が０．１〜０．５程度の範囲であればよい。
この方法では、カーボン材料としては、 アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、黒鉛等を用いることができる。
リチウムボレート系化合物、カーボン材料、及びＬｉ２ＣＯ３の混合割合については、リチウムボレート系化合物１００重量部に対して、カーボン系材料を２０〜４０重量部、Ｌｉ２ＣＯ３を２０〜４０重量部とすればよい。
上記した方法でリチウムボレート系化合物がアモルファス化するまでボールミリング処理を行った後、熱処理を行う。熱処理は、リチウムボレート系化合物に含まれる金属イオンを２価に保持するために、還元性雰囲気下で行う。この場合の還元性雰囲気としては、炭酸塩混合物の溶融塩中でのリチウムボレート系化合物の合成反応と同様に、２価の金属イオンが金属状態まで還元されることを抑制するために、窒素及び二酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも一種のガスと、還元性ガスの混合ガス雰囲気中であることが好ましい。窒素及び二酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも一種のガスと、還元性ガスの混合割合は、リチウムボレート系化合物の合成反応時と同様とすればよい。
熱処理温度は、５００〜８００℃とすることが好ましい。熱処理温度が低すぎる場合には、リチウムボレート系化合物の周りにカーボンを均一に析出させることが難しく、一方、熱処理温度が高すぎると、リチウムボレート系化合物の分解やリチウム欠損が生じることがあり、充放電容量が低下するので好ましくない。熱処理時間は、通常、１〜１０時間とすればよい。
また、その他のカーボン被覆処理方法として、上記リチウムボレート系化合物に、カーボン材料とＬｉＦを加え、上記した方法と同様にして、ボールミルによってリチウムボレート系化合物がアモルファス化するまで均一に混合した後、熱処理を行っても良い。この場合には、上記した場合と同様に、リチウムボレート系化合物の再結晶化と同時にカーボンが該リチウムボレート系化合物の周りに均一に析出して被覆して、導電性が向上し、更に、リチウムボレート系化合物の酸素原子の一部がフッ素原子と置換して、
組成式：Ｌｉ１+ａ-ｂ ＡｂＭ１-ｘＭ’ｘＢＯ３+ｃ-ｙＦ２ｙ
（式中、Ａは、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ及びＣｓからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍは、Ｆｅ又はＭｎであり、Ｍ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。各添字は次の通りである：０≦ｘ≦０．５、０＜ａ＜１、０≦ｂ＜０．２、０＜ｃ＜０．３、０＜ｙ＜１であって、且つａ＞ｂである）で表されるフッ素含有リチウムボレート系化合物が形成される。
この化合物は、Ｆが添加されたことにより、正極として用いた場合に、平均電圧が２．６Ｖから２．８Ｖに上昇して、より優れた性能を有する正極材料となる。この際、ＬｉＦが存在することにより、リチウム過剰ボレート系化合物がリチウム欠損になることはなく、高い充放電容量を示すものとなる。
この方法では、リチウムボレート系化合物、カーボン材料及びＬｉＦの混合割合については、リチウムボレート系化合物１００重量部に対して、カーボン系材料を２０〜４０重量部、ＬｉＦを１０〜４０重量部とすればよい。更に、必要に応じて、Ｌｉ２ＣＯ３が含まれていても良い。ボールミリング及び熱処理の条件については、上記した場合と同様とすればよい。
リチウムイオン二次電池用正極
上記した溶融塩中で合成して得られるリチウムボレート系化合物、カーボン被覆処理を行ったリチウムボレート系化合物、及びフッ素添加されたリチウムボレート系化合物は、いずれもリチウムイオン二次電池正極用活物質として有効に使用できる。これらのリチウムボレート系化合物を用いる正極は、通常のリチウムイオン二次電池用正極と同様の構造とすることができる。
例えば、上記リチウムボレート系化合物に、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、気相法炭素繊維（Ｖａｐｏｒ Ｇｒｏｗｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ：ＶＧＣＦ）等の導電助剤、ポリフッ化ビニリデン（ＰｏｌｙＶｉｎｙｌｉｄｉｎｅ ＤｉＦｌｕｏｒｉｄｅ：ＰＶｄＦ）、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、スチレン-ブタジエンゴム（ＳＢＲ）等のバインダー、Ｎ-メチル-2-ピロリドン（ＮＭＰ）等の溶媒を加えてペースト状として、これを集電体に塗布することによって正極を作製することができる。導電助剤の使用量については、特に限定的ではないが、例えば、リチウムボレート系化合物１００重量部に対して、５〜２０重量部とすることができる。また、バインダーの使用量についても、特に限定的ではないが、例えば、リチウムボレート系化合物１００重量部に対して、５〜２０重量部とすることができる。また、その他の方法として、リチウムボレート系化合物と、上記の導電助剤およびバインダーを混合したものを、乳鉢やプレス機を用いて混練してフィルム状とし、これを集電体へプレス機で圧着する方法によっても正極を製造することが出来る。
集電体としては、特に限定はなく、従来からリチウムイオン二次電池用正極として使用されている材料、例えば、アルミ箔、アルミメッシュ、ステンレスメッシュなどを用いることができる。更に、カーボン不織布、カーボン織布なども集電体として使用できる。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、その形状、厚さなどについては特に限定的ではないが、例えば、活物質を充填した後、圧縮することによって、厚さを１０〜２００μｍ、より好ましくは２０〜１００μｍとすることが好ましい。従って、使用する集電体の種類、構造等に応じて、圧縮後に上記した厚さとなるように、活物質の充填量を適宜決めればよい。
リチウムイオン二次電池
上記したリチウムイオン二次電池用正極を用いるリチウムイオン二次電池は、公知の手法により製造することができる。すなわち、正極材料として、上記した正極を使用し、負極材料として、公知の金属リチウム、黒鉛などの炭素系材料、シリコン薄膜などのシリコン系材料、銅−錫やコバルト−錫などの合金系材料、チタン酸リチウムなどの酸化物材料を使用し、電解液として、公知のエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネートなどの非水系溶媒に過塩素酸リチウム、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３などのリチウム塩を０．５ｍｏｌ/ｌ〜１．７ｍｏｌ/ｌの濃度で溶解させた溶液を使用し、さらにその他の公知の電池構成要素を使用して、常法に従って、リチウムイオン二次電池を組立てればよい。
本発明方法によって得られるリチウムボレート系化合物は、安価で、資源量が多く、且つ環境負荷が低い原料を用いて得られるものであり、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いた場合に、酸素の脱離を抑えることができる材料である。
特に、本発明によれば、溶融塩中における反応という比較的簡便な手段によって、高容量を有し、サイクル特性にも優れた、リチウムイオン二次電池の正極活物質として有用なリチウムボレート系化合物を得ることができる。
実施例１の生成物のX線回折パターンを示す図面。 実施例１の生成物の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真。
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。本発明は実施例に限定されるわけではない。
実施例１ リチウム過剰ボレート系化合物の合成と、これを用いた電池の充放電特性
原料として、シュウ酸鉄ＦｅＣ２Ｏ４・２Ｈ２Ｏ（シグマアルドリッチ製、純度９９．９９％）、水酸化リチウム（無水）ＬｉＯＨ（キシダ化学、９８%）、ホウ酸Ｈ３ＢＯ３（キシダ化学、９９．５%）をそれぞれ０．００５モル用い、これを炭酸塩混合物（炭酸リチウム（キシダ化学製、純度９９．９％）、炭酸ナトリウム（キシダ化学製、純度９９．５％）、及び炭酸カリウム（キシダ化学製、純度９９．５%）をモル比０．４３５:０．３１５:０．２５で混合したもの）と混合した。混合割合は、炭酸塩混合物１００重量部に対して、シュウ酸鉄、水酸化リチウム及びホウ酸の合計量を２２５重量部の割合とした。
これにアセトン２０ｍｌを加えてジルコニア製ボールミルにて５００ｒｐｍで６０分混合し、乾燥した。その後、得られた粉体を金坩堝中で加熱して、二酸化炭素（流量：１００ｍｌｍｉｎ-1）と水素（流量：３ ｍｌｍｉｎ-1）の混合ガス雰囲気下で、４００℃に加熱して、炭酸塩混合物を溶融させた状態で１５時間反応させた。
反応後、温度を下げ１００℃になった時点で反応系である炉心全体を、加熱器である電気炉から取り出して、ガスを通じたまま室温まで冷却した。
次いで、生成物に無水酢酸（２０ｍｌ）を加えて乳鉢ですりつぶし、酢酸（１０ｍｌ）を加えて炭酸塩等を反応させて取り除き、ろ過してＬｉＦｅＢＯ３の粉体を得た。
得られた生成物について、粉末Ｘ線回折装置により、ＣｕＫα線を用いてＸ線回折測定を行った。ＸＤＲパターンを図１に示す。このＸＤＲパターンは、報告されている空間群Ｃ２/ｃのＬｉＦｅＢＯ３のパターンとほぼ一致した。
また、該生成物の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図２に示す。図２から、生成物は、約数μｍ以下の結晶粒からなる粉体であることが確認できる。
更に、該生成物について、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ:ＩＣＰ）法によって元素分析した結果、組成式は、Ｌｉ１．０４ＦｅＢＯ３．１０
となり、リチウム過剰のＬｉＦｅＢＯ３系リチウムボレート系化合物であることが確認できた。
次いで、上記した方法で得た粉体１００重量部に、アセチレンブラック（以下ＡＢと表記）５０重量部と、Ｌｉ２ＣＯ３ １０重量部を添加し、遊星ボールミル（５ｍｍのジルコニアボール）を用いて４５０ｒｐｍで５時間ミリング処理し、二酸化炭素と水素の混合ガス（ＣＯ2：Ｈ２（モル比）＝１００：３）の雰囲気下において、７００℃で２時間熱処理した。
得られた粉末１００重量部に対して、アセチレンブラックとＰＴＦＥの混合物（ＡＢ:ＰＴＦＥ（重量比）＝２：１の混合物）２５重量部を添加し、シート法により電極を作成し、１４０℃で３時間真空乾燥した。その後、エチレンカーボネート（ＥＣ）:ジエチレンカーボネート（ＤＥＣ）＝１：１にＬｉＰＦ６を溶解して１Ｍとした溶液を電解液として用い、セパレータにポリプロピレン膜（セルガード製、Ｃｅｌｇａｒｄ２４００）を用いたコイン電池を試作した。
このコイン電池について、６０℃、０．０５ｍＡ、電圧４．２〜２Ｖの範囲で充放電試験を行った結果、５サイクル後の放電容量は約１００ ｍＡｈ/ｇであった。また、同様の条件でサイクル特性を測定したところ、５０サイクル後における平均電圧は２．６２Ｖであり、良好なサイクル特性を示した。これらの結果を下記表１に示す。
また、炭酸リチウムＬｉ２ＣＯ３、シュウ酸鉄ＦｅＣ２Ｏ４・２Ｈ２Ｏ、及びホウ酸Ｈ３ＢＯ３をボールミリングした後、６５０℃で１０時間熱処理する方法（固相反応法）で合成した材料について、同様の方法で測定した電池特性を下記表１に示す。
Figure 0005013622
以上の結果から明らかな様に、炭酸塩混合物の溶融塩中で原料化合物を反応させる方法により、サイクル特性が良好で高容量のリチウムボレート系材料が得られることが判る。
実施例２
実施例１の方法で用いたシュウ酸鉄とともに、下記表２に示す目的組成に応じた金属成分を用いること以外は、実施例１と同様にして、組成式：Ｌｉ１＋ａ−ｂＡｂＭ１−ｘＭ’ｘＢＯ３＋ｃ（式中、Ａは、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ及びＣｓからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍは、Ｆｅ及びＭｎからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。各添字は次の通りである：０≦ｘ≦０．５、０＜ａ＜１、０≦ｂ＜０．２、０＜ｃ＜０．３であって、且つａ＞ｂである）で表されるリチウム過剰ボレート系化合物を合成した。また、実施例１の方法で用いたシュウ酸鉄に代えて、下記表３に示す目的組成に応じた金属成分を用いること以外は、実施例１と同様にして、上記組成式で表されるリチウム過剰ボレート系化合物を合成した。
尚、原料としては、シュウ酸鉄ＦｅＣ２Ｏ４・２Ｈ２Ｏ(シグマアルドリッチ製、純度９９．９９％)、水酸化リチウム（無水）ＬｉＯＨ（キシダ化学、９８％）、ホウ酸Ｈ３ＢＯ３（キシダ化学、９９．５％）、シュウ酸マンガン、シュウ酸コバルト、硫酸マグネシウム、酸化ニッケル、酸化二オブ、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、リチウム酸化モリブデン、及びリチウム酸化タングステンを用い、目的とする化合物に応じて、目的物の金属成分比と同じ金属成分比となるように各原料のモル数を調整した。また、水酸化リチウムとホウ酸以外の化合物については、金属元素の総モル数が０．００５モルとなるように用いた。
炭酸塩等の水溶性物質を取り除いた後の生成物について、ＩＣＰ法によって求めた元素分析結果（元素モル比）を下記表２及び表３に示す。これらの表から明らかなように、生成物は、いずれもリチウム過剰のリチウムボレート系化合物であることが確認できた。
Figure 0005013622
Figure 0005013622
次いで、上記した方法で得られた各リチウムボレート系化合物について、実施例１と同様にして、アセチレンブラックと、Ｌｉ２ＣＯ３を加えてミリング処理と熱処理を行った。熱処理後の生成物のＸＲＤパターンは、熱処理処理前の試料のＸＲＤパターンとよく一致しており、リチウム過剰ボレート系化合物は分解されることなく、結晶構造を維持していることが確認できた。
その後、実施例１と同様にして、コイン電池を作成して、各電池の充放電特性を測定した。結果を下記表４及び表５に示す。この結果から、下記表４及び表５に示す各化合物は、良好なサイクル特性と高容量を有することが明らかである。
Figure 0005013622
Figure 0005013622
実施例３（フッ素付与）
実施例２において炭酸塩等の水溶性物質を取り除いた後の生成物（リチウムボレート系化合物）１００重量部に、アセチレンブラック（以下ＡＢと表記）５０重量部と、ＬｉＦ２０重量部を添加し、遊星ボールミル（５ｍｍのジルコニアボール）を用いて４５０ｒｐｍで５時間ミリング処理を行い、二酸化炭素と水素の混合ガス（ＣＯ２：Ｈ２（モル比）＝１００：３）の雰囲気下において、７００℃で２時間熱処理した。熱処理後の生成物のＸＲＤパターンは、熱処理処理前の試料のＸＲＤパターンとよく一致しており、リチウム過剰ボレート系化合物は分解されることなく、結晶構造を維持していることが確認できた。また、ＩＣＰ法によって求めた元素分析結果（元素モル比）を下記表６及び表７に示す。これらの表から明らかなように、生成物は、いずれもリチウム過剰のフッ素含有リチウムボレート系化合物であることが確認できた。
Figure 0005013622
Figure 0005013622
その後、実施例1と同様にして、コイン電池を作成して、各電池の充放電特性を測定した。結果を下記表８及び表９に示す。この結果から、各化合物は、良好なサイクル特性と高容量を有するものであり、特に、フッ素が添加されていることにより、平均電圧が上昇したことが確認できた。
Figure 0005013622
Figure 0005013622

Claims (10)

  1. 炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸ルビシウム及び炭酸セシウムからなる群から選ばれた少なくとも一種のアルカリ金属炭酸塩と炭酸リチウムとからなる炭酸塩混合物の溶融塩中で、還元性雰囲気下において、２価の鉄化合物及び２価のマンガン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物を含む２価の金属化合物、ホウ酸、並びに水酸化リチウムを４００〜６５０℃で反応させることを特徴とする、リチウムボレート系化合物の製造方法。
  2. 前記２価の金属化合物が、該２価の金属化合物全体を１００モル％として、２価の鉄化合物及び２価のマンガン化合物からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物を５０〜１００モル％と、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の２価の金属元素を含む化合物を０〜５０モル％含むものである、請求項１に記載のリチウムボレート系化合物の製造方法。
  3. 還元性雰囲気が、窒素及び二酸化炭素からなる群から選ばれた少なくとも一種のガスと、還元性ガスの混合ガス雰囲気である、請求項１又は２に記載のリチウムボレート系化合物の製造方法。
  4. 請求項１〜３のいずれかの方法でリチウムボレート系化合物を製造した後、フラックスとして用いたアルカリ金属炭酸塩を溶媒により除去する工程を含む、リチウムボレート系化合物の製造方法。
  5. 形成されるリチウムボレート系化合物が、
    組成式：Ｌｉ１+ａ-ｂ ＡｂＭ１-ｘＭ’ｘＢＯ３+ｃ
    （式中、Ａは、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ及びＣｓからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍは、Ｆｅ及びＭｎからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。各添字は次の通りである：０≦ｘ≦０．５、０＜ａ＜１、０≦ｂ＜０．２、０＜ｃ＜０．３であって、且つａ＞ｂである）で表される化合物である、請求項１〜４のいずれかに記載のリチウムボレート系化合物の製造方法。
  6. 請求項１〜５のいずれかの方法で得られたリチウムボレート系化合物に、カーボン材料とＬｉ２ＣＯ３を加え、ボールミルによってアモルファス化するまで混合した後、還元性雰囲気下において熱処理を行うことを特徴とする、導電性の向上したリチウムボレート系化合物の製造方法。
  7. 請求項１〜５のいずれかの方法で得られたリチウムボレート系化合物に、カーボン材料、及びＬｉＦを加え、ボールミルによってアモルファス化するまで混合した後、還元性雰囲気下において熱処理を行うことを特徴とする、
    組成式：Ｌｉ１+ａ-ｂ ＡｂＭ１-ｘＭ’ｘＢＯ３+ｃ-ｙＦ２ｙ
    （式中、Ａは、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ及びＣｓからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素であり、Ｍは、Ｆｅ又はＭｎであり、Ｍ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ及びＺｒからなる群から選ばれた少なくとも一種の元素である。各添字は次の通りである：０≦ｘ≦０．５、０＜ａ＜１、０≦ｂ＜０．２、０＜ｃ＜０．３、０＜ｙ＜１であって、且つａ＞ｂである）で表されるフッ素含有リチウムボレート系化合物の製造方法。
  8. 請求項１〜７のいずれかの方法によって得られたリチウムボレート系化合物からなるリチウムイオン二次電池用正極活物質。
  9. 請求項１〜７のいずれかの方法によって得られたリチウムボレート系化合物を活物質として含むリチウムイオン二次電池用正極。
  10. 請求項９に記載のリチウムイオン二次電池用正極を構成要素として含むリチウムイオン二次電池。
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