JP5479096B2 - リチウム金属リン酸化物の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、リチウム金属リン酸化物の製造方法に関し、特に、リチウム二次電池用電極活物質として用いられるリチウム金属リン酸化物を低価で製造できる方法に関する。
最近、携帯電話、ノートブックコンピュータ、キャムコーダなどの携帯用機器の発展に伴い、Ni−水素(Ni−MH)二次電池やリチウム二次電池などの小型二次電池に対する需要が高くなっている。特に、リチウム及び非水溶媒電解液を用いるリチウム二次電池は、小型、軽量及び高エネルギー密度の電池を実現できるため、活発に開発されている。一般に、リチウム二次電池の正極材料としては、LiCoO、LiNiO、LiMnなどの遷移金属酸化物が用いられ、負極材料としては、リチウム金属又は炭素が用いられ、両電極間に電解質としてリチウムイオンが含まれている有機溶媒を用いてリチウム二次電池が構成される。
LiCoOは、1980年にリチウム二次電池の正極活物質として有用であることが報告された以来、現在まで多くの研究が行われており、商用化されたリチウム二次電池の正極活物質として採用されてきた。しかしながら、コバルト(Co)元素は、地球上で稀少資源の一つであるため、これを代える新規な正極活物質の開発が進行されている。特に、LiFePOは、3.6g/cmの大きい体積密度を有し、3.4Vの高電位を発生させ、170mAh/gの大きい理論容量を有する。そして、Feは、豊富な資源であるため、低価で製造可能である。LiFePOは、初期状態から電気化学的に脱離可能なLiをFe原子1つ当り1つずつ含んでいるため、LiCoOの代わりの新規なリチウム二次電池の正極活物質として期待されている。また、LiFePOのFeの代りに遷移金属に置換されたLiMPOも知られているが、興味の深いことはMの種類によってLiに対する電位が多様に変化し得る点である。
一般式LiMPO(Mは、Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Cr、V、M、Ti、Al、Nb、B、Gaの1種以上、0.05≦x≦1.2)で表示されるリチウム金属リン酸化物(Lithium Metal Phosphate)は、オリビン型結晶構造を有し、充放電に従う結晶構造の変化が小さいため、サイクル特性に優れる。また、結晶中の酸素原子がリンとの共有結合により安定的に存在するため、電池が高温環境に露出されても酸素放出の可能性が低くて安全性に優れる。
例えば、LiFePO粉末は、従来の固相反応法やゾルゲル法等により製造できる。このような従来の製造方法は、酢酸鉄やシュウ酸鉄などの高価のFe2+ソースを用いる場合が多くて、製造単価が高くて、Fe3+ソースを用いる場合には還元が十分に行われなくてFe3+の化合物が不純物として存在するという問題点がある。
したがって、リチウム金属リン酸化物の製造において、再現性が良く、製造工程が単純であり、低価の量産性が良い新規な製造方法が要求されている。
本発明者らは、低価の金属前駆体である金属酸化物と還元状態の金属とを混合した物質を固相反応の出発原料とすることで、低い製造単価でナノ結晶形態の優れた物性を有するリチウム金属リン酸化物を製造できると共に、これを二次電池の電極活物質として用いた場合, よりれた容量特性及び寿命特性を有する二次電池を製造できることを見出した。
本発明は、これに基づいたものである。
本発明は、金属(M)及び前記金属を含有した金属酸化物の混合物を出発原料として、下記の化学式1で表されるリチウム金属リン酸化物を製造する方法を提供する。
LiPO〔化学式1〕
(Mは、3族〜1族の遷移金属、Mg、Al、Ga及びBから選ばれ、0.05≦x≦1.2、0.8≦y≦1.2)
また、本発明は、前述した方法により製造されたリチウム金属リン酸化物、これを電極活物質として含む電極及び前記電極を備える二次電池を提供する。
前記化学式1において、M=Feの場合を例として本発明を詳細に説明する。但し、本発明がLiFePOに限定されず、Feの代りに他の金属にも同様に適用される。
本発明によるLiFePOの製造方法は、酸化鉄であるFe、Feを単独又は混合した物質に、還元鉄Feを混合した混合物を原料とすることができる。
LiFePOの製造方法は、固相反応法、ゾルゲル法、水熱法、沈殿法等により製造できる。本発明では、粉末合成に用いられる方法であれば良いが、固相反応法が好ましい。
FeにおけるFeは、3価の酸化数状態であるFe3+で存在し、Feでは、Fe3+及びFe2+が共存する状態で存在する。LiFePO内におけるFeは、2価のFe2+の状態で存在するため、LiFePOを得るために、出発原料として2価の鉄を有する化合物を用いることができる,3価の鉄を有する化合物を用いる場合、これを還元させて2価にする工程が必要である。また、鉄は2価より3価の状態が安定なので、2価の鉄を有する化合物を出発原料としても、酸化されないように工程を制御する必要がある。
酸化鉄を出発原料とする場合、2価の鉄を有するFeOを用いることもできるが、Fe及びFeに比べて原料の単価が高いので、本発明では低価のFe及び/又はFeを出発原料とすることで、経済的にLiFePOを製造できる。
本発明では、Fe及び/又はFeと還元鉄であるFeとを混合して出発原料とすることで、Fe3+はFe2+に還元され、FeはFe2+に酸化される。最終的にはFe2+のみが存在するLiFePOが得られる。
Fe及び/又はFeを還元させるためには、還元鉄であるFeの代りに一般の還元剤を用いることもできるが、本発明では、特にFeを還元剤として用いることで、Feが還元剤の役割もすると同時に、その自身が酸化されてFe2+のソースとしての役割もする。
本発明では、前記のように、FeのみをFeと混合して出発原料としたり、FeのみをFeと混合して出発原料とすることができるが、Fe及びFeを共に還元鉄であるFeと混合することもでき、その混合比率は最終物質の化学量論及び酸化数を考慮して決定される。
Fe及び/又はFeとFeとの混合は、公知の粉末混合法を用いることができ、選択的に機械的なミーリングによりFeOを形成する方法を含む。
本発明の方法は、
a)前記金属、前記金属を含有した金属酸化物、リチウム塩及びリン酸塩を混合する第1の段階;
b)選択的に、以前段階の混合物に炭素物質をさらに添加して混合する第2の段階;
c)以前段階(第1の段階又は第2の段階)の混合物を熱処理して焼成する第3の段階を含むことができる。
前記a)段階において、リチウム塩は、リチウムイオン(Li)の供給源になり得る化合物であればよい。その非制限的な例としては、塩化リチウム(LiCl)、炭酸リチウム(LiCO)、水酸化リチウム(LiOH)、リン酸リチウム(LiPO)及び窒酸リチウム(LiNO)等があり、これらは単独及び2種以上混合して用いられる。
また、リン酸塩は、リン酸イオン(PO 3−)の供給源になり得る化合物であればよい。その非制限的な例としては、(NH)HPO、(NH)HPO、(NH)PO、HPO、P、P10、LiPO及びFePO・nHOなどがあり、これらは単独及び2種以上混合して用いられる。
また、本発明において、チウムイオン及びリン酸イオンを同時に供給できるLiHPO、LiHPO、LiPOなどが、前記のリチウム塩及びリン酸塩を代えることができることは勿論である。
Fe及び/又はFeとFeとの混合比に対しては、化学量論及び酸化数に応じて適切に混合され得る。Fe3+ 1モル当たりFe0.5モルが必要なので、例えば、FeのみをFeと混合する場合、Fe1モル当たり入っているFe3+のモル数は2モルであるから、Fe 1モル当たりFeは1モルが必要であり、FeのみをFeと混合する場合も、Fe 1モル当たり入っているFe3+のモル数は2モルであるから、Feは1モルが必要である。Fe及びFeの混合物をFeと混合する場合には、Fe及びFeの混合比からFe3+のモル数を計算して、Feの混合量を計算できる。
前記b)段階において、前記a)段階で製造された混合物に炭素物質をさらに混合できる。炭素物質を追加することで、以後の熱処理段階において一層強い還元雰囲気を作ることができ、未反応により残っているFe3+を全部還元させることができる。
前記炭素物質は、熱処理時、還元雰囲気が作られる物質であればよい。その非制限的な例としては、カーボンブラック、スクロース(sucrose)、ピッチ、 セルロースアセテート、有機酸、レジン、レゾルシン−ホルムアルデヒド(resorcinol-formaldehyde)などがある。
前記c)段階において、以前のa)段階又はb)段階で製造された混合物は、熱処理及び焼成によりLiFePOが得られるが、特に不活性雰囲気で熱処理することが好ましい。
不活性雰囲気は、N又はN+H気体などを焼成炉に流入させることにより得られ、このときの熱処理温度は450℃〜850℃が好ましい。前記温度範囲の以下では物質の形成が難しくて結晶性が劣化し、前記温度範囲の以上では形成される粗さ粒子により活物質としての性能が劣化する問題点がある。
本発明では、Fe及び/又はFeとFeとを ボールミルなどにより機械的にミーリングすることで、機械的エネルギーによりFeOが生成される酸化還元反応を誘導することも、一様態として含む。通常、固相の酸化還元反応は、熱を加えて熱エネルギーにより行われるが、本発明では、Fe及び/又はFeとFeとを混合する際、熱を加えなくてもボールミルなどによる機械的ミーリング時の衝撃エネルギーなどが、Fe3+からFe2+に、FeからFe2+に酸化還元されるようにするエネルギー源になり得る。
したがって、本発明では、Fe及びFeからなら群より選ばれる1種以上の物質とFeとを機械的にミーリングすることでFeOを製造し、前記のように製造されたFeOを出発原料として、LiFePOを製造する方法を含むことができる。
前記のような方法によりLiFePOを経済的に製造でき、前述したように、これはLiFePOに限定されず、Feが他の元素に置換された場合にも同様に適用される。
すなわち、本発明の方法により製造されるLiPO(Mは、3族〜1族の遷移金属、Mg、Al、Ga及びBから選ばれ、0.05≦x≦1.2、0.8≦y≦1.2)は、規則的なオリビン構造の化合物であって、4面体負イオン構造単位(PO)n−及び金属Mにより占有された酸素8面体を有するポリ負イオン化合物として知らされた一般の群に属する。また、本発明のLiPOにおいて、PがAs、S、Si、Mo、W、Al又はBなどに置換されたことも、本発明の範囲に属する。
<電極及び二次電池の製造>
本発明に記載された物質を電極活物質として含む電極は、公知の方法により製造できる。例えば、前記電極は、本発明により前述した物質を活物質として用いる以外にも、電気伝導性を与えるための導電剤と、材料及び集電体を接着させる結合剤とがさらに用いられる。
前記のような方法により製造された電極活物質に対し、導電剤を1〜30wt%、結合剤を1〜10wt%で混合して、分散溶媒に添加及び撹はんしてペーストを製造した後、これを金属材料の集電体に塗布し、圧縮し、乾燥して、ラミネート形状の電極を製造する。
導電剤は、一般にカーボンブラックを用いる。現在、導電剤として市販されている商品としては、アセチレンブラック系列(Chevron Chemical Company又はGulf Oil Company製等)、ケッチェンブラックEC系列(登録商標:Armak Company製)、バルカンXC−72(登録商標:Cabot Company製)及びスーパーP(MMM社製)等がある。
結合剤の代表例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)又はその共重合体、セルロース等があり、分散剤の代表例としては、イソプロピルアルコール 、N−メチルピロリドン(NMP)、アセトン等がある。
前記金属材料の集電体は、伝導性が高い金属であって、前記材料のペーストが容易に接着できる金属であり、電池の電圧範囲で反応性がないものであればよい。代表例としては、アルミニウム又はステンレス鋼などのメッシュ(mesh)、ホイル(foil)等がある。
また、本発明は、本発明の電極を含む二次電池を提供する。本発明の二次電池は、特別に限定されず、公知の方法により製造できる。例えば、正極及び負極間に分離膜を入れ、非水電解液を投入して製造できる。また、前記電極、分離膜、非水電解液及び他の添加剤は、必要に応じて公知のものが用いられる。
また、本発明の電池製造時、分離膜としては多孔性分離膜が用いられる。例えば、ポリプロピレン系、ポリエチレン系、ポリオレフィン系多孔性分離膜が用いられるが、これらに限定されるものではない。
本発明で用いられる二次電池の非水電解液は、環状カーボネート及び/又は 鎖状カーボネートを含むことができる。環状カーボネートの例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)等がある。鎖状カーボネートの例としては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)等がある。また、本発明の二次電池の非水電解液は、前記カーボネート化合物と共にリチウム塩を含む。リチウム塩の具体例としては、LiClO、LiCFSO、LiPF、LiBF、LiAsF及びLiN(CFSO)等がある。
本発明は、低価の金属前駆体である金属酸化物と還元状態の金属とを混合した物質を固相反応の出発原料とすることで、低い製造単価でナノ結晶形態のリチウム金属リン酸化物を製造できると共に、これを二次電池の電極活物質として用いた場合, よりも優れた容量特性及び寿命特性を有する二次電池を製造できる。
以下、本発明の実施例により一層具体的に説明する。本発明は、下記の実施例により限定されるものではない。
Fe 1モル及びFe粉末1モルを、窒素雰囲気でボールミル又は遊星ミル(planetary milling)により混合した。前記混合物にLiCO 2モル及び(NH)HPO 4モルを、ケッチェンブラック(商品名)と共に均一に混合した後、電気炉で750℃、8時間焼成して、LiFePO及び炭素の複合体を得た。焼成は、還元雰囲気(N+H 2vol%)で実施した。このとき、複合体における炭素の含量は9wt%であった。
前記方法により合成された物質を、下記の方法により二次電池に適用して、性能を試験した。炭素及びLiFePOの複合体88重量部に、導電剤としてアセチレンブラック6重量部と、結合剤としてPVDF 6重量部とを混合し、NMP(N−methyl−2−pyrrolidone)に添加して正極スラリーを製造した後、これをアルミニウム(Al)集電体上に塗布し、乾燥して正極を製造した。
電解質としては1MのLiPF/エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)(v:v=1:2)を用い、負極としてはリチウムホイルを用いて、前記方法により製造した正極と共にコイン形半電池を製造した。
Feの代りにMnを、Fe粉末の代わりにMn粉末を用いた以外は、実施例1と同様な方法により、LiMnPO及び炭素の複合体を製造した。
前記方法により製造されたLiMnPO及び炭素の複合体を正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様な方法により電池を製作して評価した。
比較例1
Fe、LiCO及び(NH)HPOを1:1:2のモル比で混合し、ケッチェンブラック(商品名)と共に実施例1と同様な方法により焼成して、炭素及びLiFePOの複合体を得た。このとき、複合体における炭素の含量は9wt%であった。
前記方法により製造されたLiFePO及び炭素の複合体を正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様な方法によりコイン形半電池を製造した。
比較例2
Feの代りにMnを用いた以外は、比較例1と同様な方法により、 LiMnPO及び炭素の複合体を製造した。
前記方法により製造されたLiMnPO及び炭素の複合体を正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様な方法により電池を製作して評価した。
<試験>
実施例1の方法により製造されたLiFePO及び炭素の複合体に対してX線回折分析を行った結果、結晶性に優れるLiFePOが得られることを確認した(図1参照)。
また、SEM分析及び粒度分析により粒子の形態及び粒度分布を確認した(図2及び図3参照)。SEM写真から分かるように、サブミクロンサイズの一次粒子が集まって二次粒子を形成し、3μm50値を示す。このような粒子の形状及びサイズは、粒子内でのリチウム拡散速度が低いLiFePOにおいて、性能向上のための重要な役割をする。
ナノ粒子の場合、比表面積が非常に大きいため、Liイオンの拡散面積が多くなり、粒子が小さくなるほどバルク(bulk)の中心までのLiイオンの拡散距離が短くなるので、相対的にLiの挿入/脱離速度が増大して、電池の性能を向上させる。
コイン形半電池に対する性能評価の結果、実施例1で製造された電池は、0.1Cで160mAh/g以上の可逆容量を示し、これは比較例1で製造された電池より優れた性能を有することが分かる(図4〜図7参照)。実施例1で製造された電池に対して30回充放電してサイクル性能を評価した結果、容量の減少が殆ど発生しなかった(図8参照)。
一方、図9によれば、実施例2の方法により製造されたLiMnPO及び炭素の複合体も、優れた結晶性を有することを確認できた。
図10によれば、実施例2の方法により製造された電池は、97mAh/gの可逆容量を示し、比較例2で製造された電池より優れた性能を有することが分かる。
なお、本発明の詳細な説明では具体的な実施例について説明したが、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で多様に変形・実施が可能である。よって、本発明の範囲は、前述の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものに基づいて定められるべきである。
実施例1により製造されたLiFePO及び炭素の複合体のX線回折パターンである。 実施例1により製造されたLiFePO及び炭素の複合体の走査電子顕微鏡(SEM)写真である(×20,000)。 実施例1により製造されたLiFePO及び炭素の複合体の粒度分布を示す図である。 実施例1により製造されたコイン形半電池の初期充放電プロファイルを示すグラフである。 比較例1により製造されたコイン形半電池の初期充放電プロファイルを示すグラフである。 実施例1により製造されたコイン形半電池のレートケーパビリティー(Rate capability)を示すグラフである。 比較例1により製造されたコイン形半電池のレートケーパビリティーを示すグラフである。 実施例1により製造されたコイン形半電池のサイクル特性を示すグラフである(1C充電/1C放電)。 実施例2により製造されたLiMnPO及び炭素の複合体のX線回折パターンである。 実施例2により製造されたコイン形半電池の初期充放電プロファイルを示すグラフである。 比較例2により製造されたコイン形半電池の初期充放電プロファイルを示すグラフである。

Claims (11)

  1. 下記化学式1で表されるリチウム金属リン酸化物を製造する方法であって、
    LiPO〔化学式1〕
    (上記式中、
    Mは、3族〜11族の遷移金属、l、Ga及びBから選ばれるものであり、
    0.05≦x≦1.2であり、
    0.8≦y≦1.2である)
    a1)還元状態の金属(M)と、前記金属(M)を含有した金属酸化物とを機械的にミーリングして、2価の酸化数のみを有する金属酸化物を生成する段階と、
    a2)前記2価の酸化数のみを有する金属酸化物と、リチウム塩及びリン酸塩とを混合する段階と、及び、
    b)得られた混合物に熱処理し焼成する段階とを含んでなり、
    前記還元状態の金属(M)と機械的にミーリングされる金属酸化物における金属の酸化数が+3価であり、又は+3価及び+2価が混合されているものである、製造方法。
  2. 前記b)段階の以前に、炭素物質を添加して混合する段階をさらに含んでなる、請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記リチウム塩が、塩化リチウム(LiCl)、炭酸リチウム(LiCO)、水酸化リチウム(LiOH)、リン酸リチウム(LiPO)及び硝酸リチウム(LiNO)からなる群より選ばれることを特徴とする、請求項1又は2に記載の製造方法。
  4. 前記リン酸塩が、(NH)HPO、(NH)HPO、(NH)PO、HPO、P、P10、LiPO及びFePO・nHOからなる群より選ばれることを特徴とする、請求項1〜3の何れか一項に記載の製造方法。
  5. 前記炭素物質が、カーボンブラック、スクロース、ピッチ、セルロースアセテート、有機酸、レジン、レゾルシン−ホルムアルデヒドからなる群より選ばれることを特徴とする、請求項2に記載の製造方法。
  6. 前記熱処理温度が、450℃〜850℃範囲であることを特徴とする、請求項1〜5の何れか一項に記載の製造方法。
  7. 前記熱処理が、不活性雰囲気で行われることを特徴とする、請求項1〜6の何れか一項に記載の製造方法。
  8. 前記金属Mが、Fe又はMnであることを特徴とする、請求項1〜7の何れか一項に記載の製造方法。
  9. 金属(M)及び前記金属を含有した金属酸化物の混合物を出発原料とする、請求項1〜8の何れか一項に記載の製造方法により製造されたことを特徴とする、リチウム金属リン酸化物。
  10. 請求項9に記載のリチウム金属リン酸化物を電極活物質として含むことを特徴とする、電極。
  11. 請求項10に記載の電極を備えることを特徴とする、二次電池。
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