JP5188089B2 - ニッケル正極用活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Description
電子とイオンの機能化学シリーズVol.1 いま注目されているニッケル−水素二次電池のすべて 田村英雄 監修
本発明に係る結晶凝集粒子は、構成成分として水酸化ニッケル結晶と、水酸化コバルト結晶とが緻密に凝集して粒子を形成したものであることを特徴とする。ここでニッケルもコバルトも2+の価数を有する。また以下で説明する本発明の製造方法に依存して、水酸化ニッケル結晶がさらに他の金属を固溶させることができる。かかる固溶金属としては、マグネシウム、アルミニウム、チタン、マンガン、鉄、銅、亜鉛が挙げられる。粒子の形状は以下で説明する本発明の製造方法に依存して、平均粒径5.00〜20.00μmの範囲で調整可能であり、また同じく以下で説明する本発明の製造方法に依存して、ほぼ球状から楕円球状の形状に調整可能である。さらには粒径分布についても以下で説明する本発明の製造方法に依存して狭い範囲の分布から極めて広い範囲の分布まで調整することが可能である。粒子の粒径及び粒径分布の測定方法、測定手段として例えば、電子顕微鏡、粒度分布計を用いることで容易に分析することが可能である。
本発明の結晶凝集粒子IIは、上で説明した粒子Iを酸化することで得られるものであり、構成するコバルトが形式上2+よりも酸化された状態であることを特徴とする結晶凝集粒子である。コバルトの酸化数は以下説明する方法により、測定可能である。コバルトの酸化数は例えばヨードメトリー法(ICP発光分析による正極活物質中に含まれるコバルト量の結果と、正極活物質粉末とヨウ化カリウム粉末に塩酸を加えた溶液を、チオ硫酸ナトリウム溶液を滴定した。そして、終点でのチオ硫酸ナトリウム溶液の滴定量と、先に取得した正極活物質中に含まれるコバルト量とに基づいてコバルトの酸化数を算出する方法)等の分析方法により容易に決定することが可能である。また酸化の程度が高いほど結晶凝集粒子の色は黒く見える。また以下説明する酸化条件を選択することで、粒子の形状(平均粒径、粒径分布)、密度はほぼ維持される。
本発明の結晶粒子IIIは、上で説明した粒子Iの表面にコバルト化合物で被覆した構造を有することを特徴とする。ここで被覆するコバルト化合物とは、具体的に水酸化コバルトや、オキシ水酸化コバルトであり、特に水酸化コバルトが好ましい。さらにはコバルト化合物には、コバルト以外の金属をも含むことを意味する。具体的にはイットリウム、イッテルビウム、カルシウム、マグネシウムが挙げられる。
本発明の粒子IVは、上で説明した粒子IIIを酸化することで得られるものであり、構成するコバルト(内部の水酸化コバルト及び/又は表面のコバルト化合物)が形式上2+よりも酸化された状態であることを特徴とする結晶凝集粒子である。コバルトの酸化数は以下説明する製造方法により、2.01〜3.50価の範囲で調整可能である。コバルトの酸化数は例えばヨードメトリー法等の分析方法により容易に決定することが可能である。また酸化の程度が高いほど結晶凝集粒子の色は黒く見える。また以下説明する酸化条件を選択することで、粒子の形状(平均粒径、粒径分布)、密度はほぼ維持される。例えばタップ密度は1.50〜2.50g/cc、バルク密度は0.80〜1.80g/ccを有し極めて高い。
本発明に係る粒子I〜IVの製造方法について以下説明する。
本発明の粒子Iの製造方法は、反応容器内の水へ攪拌しながらニッケル(2+)酸性水溶液と、コバルト(2+)酸性水溶液と、アルカリ水溶液とを同時に滴下して中和、沈殿粒子を形成させることを特徴とする。
本発明の粒子IIの製造方法は、本発明の粒子Iを出発物質として、水酸化コバルトを酸化して高酸化水酸化コバルトに酸化することができる公知の酸化方法を実施することである。ここで当該公知の酸化方法については特に制限はないが、例えば特開2002−255562に基づく酸化が好ましい。
本発明の粒子IIIは、本発明の粒子Iの表面に従来公知の方法でコバルト化合物を被覆することで製造できる。ここで表面をコバルト化合物で被覆するための従来方法としては特に制限はないが、特開平10−012236、特開平10−012237、等に記載された方法に準じて実施することが好ましい。
本発明の粒子IVは、本発明の粒子IIIを出発物質として、水酸化コバルトを空気酸化して高酸化水酸化コバルトに酸化することができる公知の酸化方法を実施することである。ここで当該公知の酸化方法については特に制限はないが、例えば特開2002−255562に基づく酸化が好ましい。
本発明の粒子I〜IVを正極材料とし、通常公知の方法を組み合わせてアルカリ蓄電池用ニッケル正極、さらにはアルカリ蓄電池を製造することができる。具体的には特開2001−052695(請)、特許−3808193、[最新二次電池材料の技術(小久見 善八 監修)シーエムシー (1999−09−08出版)]等が好ましく適用可能である。
試料をそのまま使用した。測定装置・条件は株式会社理学製、RINT2200(Cu−Kα)を用い、操作手順書に従った。
20mLセルの質量を測定し[A]、48meshのフルイで試料をセルに自然落下させ充填した。4cmスペーサ装着のセイシン企業株式会社製、「TAPDENSER KYT3000」を用いて200回タッピング後セルの重量[B]と充填容積[D]を測定した。次式により計算した。
(平均粒径、粒径分布)
測定装置は堀場製作所製LA−910を使用し、測定条件は操作手順書に従った。測定結果は、平均粒径として表わした。
測定装置は日立製作所製S−2400を使用し、測定条件は操作手順書に従った。測定結果は、SEM像として表わした。
測定装置は株式会社理学製CIROS−120 EOPを使用し、測定条件は操作手順に従った。測定結果は、主要成分含量として表わした。
(a) 70φプロペラタイプの攪拌羽根1枚を備えた攪拌装置と、オーバーフローパイプとを備えた有効容積15Lの円筒形反応槽(材質SUS304)に蒸留水を13L入れた。反応槽の水中に硫酸アンモニウム粉末(特級試薬)を900g加えて攪拌し溶解させた。次いで30%水酸化ナトリウム溶液(特級試薬)を加えてpHを12.8に調節した。この溶液の温度を反応槽の外部に設けた電熱ヒーターにて45℃に保持した。反応槽内の溶液は攪拌装置にて一定速度(1200rpm)で攪拌した。さらに反応槽には窒素ガスを1.0L/分の流量にて連続的に供給して反応槽内の雰囲気を窒素雰囲気下に維持した。
(タッピング密度)2.04g/cc
(平均粒径、粒径分布)9.1μm
(電子顕微鏡)図2
この分析結果から、得られた沈殿は、水酸化ニッケル結晶と水酸化コバルト結晶との結晶凝集粒子であることが分かった。
実施例1で得られた沈殿7.0kgを攪拌混合機(株式会社カワタ。型式SMV−20)に入れ主攪拌軸を200rpmで回転させた。その後攪拌混合機のジャケットを加熱して粉体(沈殿)温度を100℃とし、粉体に48%水酸化ナトリウム水溶液を500ml/分で700ml噴霧した。噴霧終了後、100℃で30分保持した後室温へ冷却した。粉体を取り出し、純水で2回洗浄した後脱水、乾燥処理(100℃、3時間)して灰色の結晶凝集粒子(試料2とする)を得た。
(平均粒径、粒径分布)9.5μm
(コバルト平均価数)2.33価
この分析結果から、得られた沈殿は、水酸化ニッケル結晶と、コバルトの平均価数が2.01〜2.40価の水酸化コバルト結晶との結晶凝集粒子であることが分かった。
実施例2で得られた沈殿粒子100gを攪拌機付きの3L反応槽に入れた。攪拌(100rpm)しつつ、反応槽内へ、水を700ml、200mlの6mol/L硫酸アンモニウム溶液、及び30%水酸化ナトリウム水溶液を静かに添加した。反応槽のpHは9.0であった。その中へ、2mol/L硫酸コバルト水溶液40mlと、10mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液をpH9.0に維持しつつ添加した。その後30分攪拌を続けた。後30%水酸化ナトリウム水溶液を添加してpHを12.5に調整しそのpHを1時間保持した。得られた沈殿を濾過、脱水して分離し、棚式乾燥機で乾燥し、濃緑色の結晶凝集粒子(試料3とする)を得た。
(平均粒径、粒径分布)10.5μm
(コバルト平均価数)2.07価
この分析結果から、得られた沈殿は、コバルト化合物で表面が被覆された、水酸化ニッケル結晶と水酸化コバルト結晶との結晶凝集粒子であることが分かった。
実施例3で得られた結晶凝集粒子7.0kgを攪拌混合機(株式会社カワタ。型式SMV−20)に入れ主攪拌軸を200rpmで回転させた。その後攪拌混合機のジャケットを加熱して粉体(沈殿)温度を100℃とし、粉体に48%水酸化ナトリウム水溶液を500ml/分で700ml噴霧した。噴霧終了後、100℃で30分保持した後室温へ冷却した。粉体を取り出し、純水で2回洗浄した。後脱水、乾燥処理(100℃、3時間)して灰色の結晶凝集粒子(試料4とする)を得た。
(平均粒径、粒径分布)10.1μm
(コバルト平均価数)3.01価
この分析結果から、得られた沈殿は、コバルトの平均価数が2.01価〜3.50価のコバルト化合物で表面が被覆された、水酸化ニッケル結晶と水酸化コバルト結晶との結晶凝集粒子であることが分かった。
Claims (4)
- タッピング密度が1.50〜2.50g/cm3かつ平均粒径が3.0〜30.0μmであり、コバルト化合物で表面が被覆された、水酸化ニッケル結晶と水酸化コバルト結晶とが粒子全体にわたり均一に凝集している結晶凝集粒子。
- タッピング密度が1.50〜2.50g/cm3かつ平均粒径が3.0〜30.0μmであり、コバルトの平均価数が2.01〜3.50価のコバルト化合物で表面が被覆された、水酸化ニッケル結晶と水酸化コバルト結晶とが粒子全体にわたり均一に凝集している結晶凝集粒子。
- タッピング密度が1.50〜2.50g/cm3かつ平均粒径が3.0〜30.0μmであり、コバルト化合物で表面が被覆された、水酸化ニッケル結晶と水酸化コバルト結晶とが粒子全体にわたり均一に凝集している結晶凝集粒子の製造方法であって、
水に分散させた、タッピング密度が1.50〜2.50g/cm3かつ平均粒径が3.0〜30.0μmである、水酸化ニッケル結晶と水酸化コバルト結晶とが粒子全体にわたり均一に凝集している結晶凝集粒子に、コバルト(2+)酸性水溶液と、アルカリ水様液とを同時に滴下して、前記結晶凝集粒子表面にコバルト化合物を被覆することを特徴とする方法。 - タッピング密度が1.50〜2.50g/cm3かつ平均粒径が3.0〜30.0μmであり、コバルトの平均価数が2.01〜3.50価のコバルト化合物で表面が被覆された、水酸化ニッケル結晶と水酸化コバルト結晶とが粒子全体にわたり均一に凝集している結晶凝集粒子の製造方法であって、
タッピング密度が1.50〜2.50g/cm3かつ平均粒径が3.0〜30.0μmであり、コバルト化合物で表面が被覆された、水酸化ニッケル結晶と水酸化コバルト結晶とが粒子全体にわたり均一に凝集している結晶凝集粒子を、アルカリ水溶液存在下で空気酸化することを特徴とする方法。
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