JP5344452B2 - 正極活物質及びその製造方法並びに正極活物質を含む正極を有する非水電解質電池 - Google Patents
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LixMnyMaPO4 (1)
(式中、0<x<2、0<y<1、0<a<1であり、MはCo、Ni、Fe、Zn、Cu、Ti、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素である。)
で表されるオリビン型リン酸マンガンリチウム化合物を含み、粒子径が10〜500nmである正極活物質。
LixMnyM1 zM2 wPO4 (2)
(式中、0<x<2、0<y<1、0<z<1、0<w<1であり、M1はCo、Ni、Fe、Zn及びCuからなる群から選ばれる少なくとも1種の2価の金属元素であり、M2はTi、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の3価又は4価の金属元素である。)
で表される、[1]の正極活物質。
LixMnyMaPO4 (1)
(式中、0<x<2、0<y<1、0<a<1であり、MはCo、Ni、Fe、Zn、Cu、Ti、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素である。)
で表されるオリビン型リン酸マンガンリチウム化合物の焼成前の原料を炭素源と混合し、得られた混合物を焼成する工程を含む正極活物質の製造方法。
マンガン塩水溶液、Co、Ni、Fe、Zn、Cu、Ti、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属の塩を含む水溶液、H3PO4水溶液、並びにLiOH水溶液を混合し、得られた混合溶液を50〜100℃に維持して共沈生成物を生成させることを含む工程によって得られた共沈生成物である、[11]の製造方法。
LixMnyM1 zM2 wPO4 (2)
(式中、0<x<2、0<y<1、0<z<1、0<w<1であり、M1はCo、Ni、Fe、Zn及びCuからなる群から選ばれる少なくとも1種の2価の金属元素であり、M2はTi、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の3価又は4価の金属元素である。)
で表される、[11]又は[12]の製造方法。
本発明の正極活物質は、下記一般式(1):
LixMnyMaPO4 (1)
(式中、0<x<2、0<y<1、0<a<1であり、MはCo、Ni、Fe、Zn、Cu、Ti、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素である。)
で表されるオリビン型リン酸マンガンリチウム化合物を含み、その粒子径は10〜500nmである。
LixMnyM1 zM2 wPO4 (2)
(式中、0<x<2、0<y<1、0<z<1、0<w<1であり、M1はCo、Ni、Fe、Zn及びCuからなる群から選ばれる少なくとも1種の2価の金属元素であり、M2はTi、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の3価又は4価の金属元素である。)
で表されるものが挙げられる。一般式(2)の化合物は、一般式(1)の化合物の置換金属元素Mが、2価の金属元素M1と3価又は4価の金属元素M2との組合せからなることを特徴とする。
本発明の正極活物質は、焼成前の原料に置換金属の塩を存在させる点を除けば、公知のオリビン型リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4)の方法により製造することができる。
オリビン型リン酸マンガンリチウム化合物の焼成前の原料は、上記一般式(1)で表される化合物を焼成により与えるものであれば特に限定されず、原料となる塩の粒状物を混合したものでもよいし、原料となる塩の水溶液を混合して得られる共沈生成物にろ過、水洗、乾燥などの処理を施して得られるものでもよい。好適な焼成前の原料としては、例えば、マンガン塩水溶液、Co、Ni、Fe、Zn、Cu、Ti、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属の塩を含む水溶液、H3PO4水溶液、並びにLiOH水溶液を混合し、得られた混合溶液を50〜100℃に維持して共沈生成物を生成させることを含む工程によって得られた共沈生成物である。
(1)10〜100℃の温度範囲でMn塩水溶液の中に攪拌しながらM1塩およびM2塩水溶液、H3PO4水溶液、LiOH水溶液の順で加え、その後、50〜100℃で混合して共沈生成物を得た後、これをろ過、水洗、乾燥し、得られた焼成前原料を不活性ガス雰囲気もしくは還元性雰囲気下で焼成する。
(2)10〜100℃の温度範囲でMn塩水溶液の中に攪拌しながらM1塩およびM2塩水溶液、H3PO4水溶液、LiOH水溶液の順で加え、その後、50〜100℃に保持しながら攪拌して共沈生成物を得、これをろ過、水洗、乾燥した後、得られた焼成前原料を炭素源と混合し、不活性ガス雰囲気もしくは還元性雰囲気下で焼成する。
焼成工程は、原料の混合物に熱エネルギーを供給することにより、その混合物を熱力学的に安定なオリビン型リン酸マンガンリチウム化合物に転化させ、不純物を気化させ除去し、本発明の正極活物質の微細粒子を生成する工程である。
(電池の構造)
本発明の正極活物質を用いた非水電解質電池の一例を添付図面を用いて説明する。図34は電池の概略を示す断面図である。この図において非水電解質電池1は、大まかに言って電池の外部負極として機能する負極部材2と、電池の外部正極として機能する正極部材3と、両部材間に負極集電体4、負極活物質5、セパレータ8、正極活物質7及び正極集電体6をこの順番で有してなる。負極部材2はほぼ円筒形をしており、その内部に負極集電体4及び負極活物質5を収容できるように構成されている。一方、正極部材3もほぼ円筒形をしており、その内部に正極集電体6及び正極活物質7を収容できるように構成されている。正極部材3及びセパレータ8の半径方向の寸法は負極部材2のものよりもやや大きめに設定されており、負極部材2の周端部とセパレータ8及び正極部材3の周端部とが重なり合うようになっている。電池内部の空間は非水電解質9が充填され、負極部材2、セパレータ8及び正極部材3の周端部の重なり合う部分には封止材10が施されて、電池内部が気密状態に保たれている。
本発明の正極活物質を使用した非水電解質電池は、例えば、以下のように製造される。
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
正極活物質のX線回折(XRD)測定は、CoKα Rigaku RINT 2200V((株)リガク社製)を用いて行った。
正極活物質の比表面積測定は、BET法に従って、全自動表面積測定装置 マルチソーブ12(湯浅アイオニックス(株)社製)を用いて行った。
金属組成分析は、Li以外の金属成分については蛍光X線分析(蛍光X線分析装置ZSX100e (株)リガク社製)で行い、LiについてはICP発光分光分析(ICP発光分光分析装置SPS1500VR Seiko Instruments Inc.製)で測定し、Mnに対するmol%で算出した。
正極活物質の粒子径について、SEM(走査型電子顕微鏡 DS130 (株)トプコン電子ビームサービス社製)写真で観察される200個の粒子を無作為に選び、各粒子の粒子径を測定し、それら測定値の平均値を算出し、この平均値を粒子径とした。
電池の定電流充放電試験は、25℃において、印加電流0.076mA/cm2で、電位範囲:3000〜4500mVの範囲で行った。第1回目の充放電時の電位(mV)及び正極活物質の単位グラム当たりの総容量(mAh/g)を記録し、初期充放電特性とした。電池を繰り返し充放電した場合の充放電特性の変化(サイクル特性)は、充放電を繰り返し行い、各回における充放電時の電位(mV)及び正極活物質の単位グラム当たりの総容量(mAh/g)を記録することにより行った。
1Lの反応容器に1.0mol/LのMn(CH3COO)2水溶液0.270Lを仕込み、ここに、1.0mol/LのCoSO4水溶液0.015L及び1.0mol/LのTi(SO4)2水溶液0.015Lを添加してよく攪拌した。ここに、40℃で2.04mol/LのH3PO4水溶液0.148Lを30分間で滴下し、さらに30分間混合した。次に、2.0mol/LのLiOH水溶液0.450Lを30分間で滴下し、その後100℃まで加熱し、1時間攪拌した。得られた共沈生成物をろ過し、1Lの脱イオン水で水洗し、140℃のオーブンで12時間乾燥し、得られた試料を乳鉢で粉砕した。得られた試料10gをN2雰囲気下、350℃で24時間予備焼成した後、N2雰囲気下で700℃で24時間本焼成して、正極活物質を得た。
上記で得られた正極活物質を使って、リチウム二次電池を作製した。溶剤にN−メチル−2−ピロリドンを用い、正極活物質:導電材(アセチレンブラック:デンカ製デンカブラック粉状品、平均粒径35nm、比表面積68m2/g):結着材(ポリフッ化ビニリデン)=72:18:10の重量比で混合し、ペースト状に混練したスラリーをアルミニウム箔集電体に塗布し、乾燥した後、直径15mmの円形に打ち抜いて正極とした。正極活物質量は9mgとした。セパレータには直径24mm、厚さ25μmのポリエチレンカーボネート多孔質膜を、電解液にはエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの体積比1:1混合溶媒に1Mの濃度となるようにLiPF6を溶解した溶液を、負極には直径16mm、厚さ0.2mmの円形に打ち抜いた金属リチウムを用いて簡易リチウム二次電池を作製した。本実施例で作製した簡易リチウム二次電池の概略を図35に示す。
Claims (15)
- 下記一般式(2):
LixMnyM1 zM2 wPO4 (2)
(式中、0<x<2、0<y<1、0<z<1、0<w<1であり、M1はCo、Ni、Fe、Zn及びCuからなる群から選ばれる少なくとも1種の2価の金属元素であり、M2はTi、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の3価又は4価の金属元素である。)
で表されるオリビン型リン酸マンガンリチウム化合物を含み、粒子径が10〜500nmである正極活物質。 - M1はCo、Ni及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1種の2価の金属元素であり、M2はTiである、請求項1の正極活物質。
- z及びwが0<z<0.2及び0<w<0.2をそれぞれ満たす、請求項1又は2の正極活物質。
- yが0.8<y<1.0を満たす、請求項1〜3の何れかの正極活物質。
- 粒子径が50〜200nmである、請求項1〜4の何れかの正極活物質。
- BET比表面積が1〜200m2/gである、請求項1〜5の何れかの正極活物質。
- オリビン型リン酸マンガンリチウム化合物の粒子表面上に炭素を更に含む、請求項1〜6の何れかの正極活物質。
- 炭素を20重量%以下の量で含む請求項7の正極活物質。
- 請求項1〜8の何れかの正極活物質を含む正極を有する非水電解質電池。
- 下記一般式(2):
LixMnyM1 zM2 wPO4 (2)
(式中、0<x<2、0<y<1、0<z<1、0<w<1であり、M1はCo、Ni、Fe、Zn及びCuからなる群から選ばれる少なくとも1種の2価の金属元素であり、M2はTi、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の3価又は4価の金属元素である。)
で表されるオリビン型リン酸マンガンリチウム化合物の焼成前の原料を炭素源と混合し、得られた混合物を焼成する工程を含む正極活物質の製造方法。 - オリビン型リン酸マンガンリチウム化合物の焼成前の原料が、
マンガン塩水溶液、Co、Ni、Fe、Zn及びCuからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属の塩を含む水溶液、Ti、Sn、Zr、V及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種の金属の塩を含む水溶液、H3PO4水溶液、並びにLiOH水溶液を混合し、得られた混合溶液を50〜100℃に維持して共沈生成物を生成させることを含む工程によって得られる共沈生成物である、請求項10の製造方法。 - 炭素源が炭素粒子及び炭素前駆体の少なくとも1つを含む、請求項10又は11の製造方法。
- 炭素前駆体がポリビニルアルコール、でんぷん及びグラニュー糖からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項12の製造方法。
- 焼成が不活性ガス雰囲気もしくは還元性雰囲気下で行われる、請求項10〜13の何れかの製造方法。
- 炭素源がグルコース、酢酸セルロース、ピロメリット酸、アセトン及びエタノールからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項10又は11の製造方法。
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