JP5597981B2 - Method for producing LiFePO4 - Google Patents

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Description

本発明は、LiFePOの製造方法及びリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a method for producing LiFePO 4 and a lithium ion secondary battery.

従来、リチウムイオン二次電池の正極材料(正極活物質)としてLiCoOやLiNi1/3Mn1/3Co1/3等の層状化合物やLiMn等のスピネル化合物が用いられてきた。しかし、これらの化合物については、その原料のコストが高いことや、熱安定性が低く安全性に問題があることが知られている。これらの課題を克服する化合物として、オリビン型構造を有するLiFePOが注目されている(下記特許文献1及び2を参照)。 Conventionally, a layered compound such as LiCoO 2 or LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 or a spinel compound such as LiMn 2 O 4 has been used as a positive electrode material (positive electrode active material) of a lithium ion secondary battery. It was. However, these compounds are known to have high raw material costs and low thermal stability and safety problems. LiFePO 4 having an olivine structure has attracted attention as a compound that overcomes these problems (see Patent Documents 1 and 2 below).

特開2002−151082号公報JP 2002-151082 A 特開2006−190528号公報JP 2006-190528 A

本発明者らは、鋭意研究の結果、LiFePOの原料である2価の鉄の化合物に不純物として含まれる3価の鉄に起因して、LiFePOを用いたリチウムイオン二次電池の放電容量が低下することを見出した。 The present invention intensively studied, due to the trivalent iron contained as an impurity in the compound of bivalent iron, which is a raw material of LiFePO 4, the discharge capacity of the lithium ion secondary battery using LiFePO 4 Found that the decline.

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、リチウムイオン二次電池の放電容量を増加させることが可能なLiFePOの製造方法及び当該LiFePOを用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and a method for producing LiFePO 4 capable of increasing the discharge capacity of a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary using the LiFePO 4. An object is to provide a battery.

上記目的を達成するために、本発明に係るLiFePOの製造方法は、2価の鉄を有する鉄源、リチウム源、リン酸源及び極性溶媒を含む混合物を、水素と不活性ガスの混合ガスで満たされた密閉容器内に封入し、密閉容器内の混合物を加熱する工程を備える。 In order to achieve the above object, a method for producing LiFePO 4 according to the present invention comprises a mixture containing an iron source having a divalent iron, a lithium source, a phosphoric acid source and a polar solvent, and a mixed gas of hydrogen and an inert gas. And a step of heating the mixture in the sealed container.

上記本発明では、混合ガスにおける水素の含有率が、混合ガスの全量に対して0.1〜5体積%であることが好ましい。   In the said invention, it is preferable that the content rate of hydrogen in mixed gas is 0.1-5 volume% with respect to the whole quantity of mixed gas.

上記本発明では、鉄源における3価の鉄の含有率が、2価の鉄及び3価の鉄の全量に対して880質量ppm以上10質量%以下であることが好ましい。   In the said invention, it is preferable that the content rate of trivalent iron in an iron source is 880 mass ppm or more and 10 mass% or less with respect to the whole quantity of bivalent iron and trivalent iron.

本発明に係るリチウムイオン二次電池は、上記本発明に係るLiFePOの製造方法によって得られるLiFePOを正極活物質として備える。 Lithium-ion secondary battery according to the present invention comprises a LiFePO 4 obtained by the production method of the LiFePO 4 according to the present invention as the positive electrode active material.

上記本発明に係る製造方法によって得たLiFePOを正極活物質として備えるリチウムイオン二次電池では、従来の製造方法によって得たLiFePOを用いたリチウムイオン二次電池に比べて、放電容量が増加する。 In the lithium ion secondary battery provided with LiFePO 4 obtained by the production method according to the present invention as the positive electrode active material, the discharge capacity is increased as compared with the lithium ion secondary battery using LiFePO 4 obtained by the conventional production method. To do.

本発明によれば、リチウムイオン二次電池の放電容量を増加させることが可能なLiFePOの製造方法及び当該LiFePOを用いたリチウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery using the manufacturing method and the LiFePO 4 of the lithium ion secondary battery of the discharge capacity LiFePO 4 that can increase.

(LiFePOの製造方法)
以下では、本発明の一実施形態に係るLiFePOの製造方法について詳細に説明する。
(Method for producing LiFePO 4 )
Hereinafter, a manufacturing method of the LiFePO 4 according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

本実施形態では、2価の鉄を有する鉄源、リチウム源、リン酸源及び極性溶媒を混合して、混合物を調製する。なお、後述する密閉容器内で混合物を調製してもよい。   In this embodiment, an iron source having divalent iron, a lithium source, a phosphoric acid source, and a polar solvent are mixed to prepare a mixture. In addition, you may prepare a mixture in the airtight container mentioned later.

2価の鉄を有する鉄源は、元来3価の鉄を不純物として含有する場合がある。鉄源における3価の鉄の含有率は、2価の鉄及び3価の鉄の全量に対して880質量ppm以上10質量%以下であることが好ましい。より好ましくは、鉄源における3価の鉄の含有率は、2価の鉄及び3価の鉄の全量に対して880質量ppm以上1.16質量%以下である。   An iron source having divalent iron may originally contain trivalent iron as an impurity. The content of trivalent iron in the iron source is preferably 880 mass ppm or more and 10 mass% or less with respect to the total amount of divalent iron and trivalent iron. More preferably, the content of trivalent iron in the iron source is 880 mass ppm or more and 1.16 mass% or less with respect to the total amount of divalent iron and trivalent iron.

鉄源における3価の鉄の含有率が880質量ppm未満である場合、3価の鉄の含有率が上記の数値範囲内である場合に比べて、サイクル特性が劣化する場合がある。鉄源における3価の鉄の含有率が10質量%より大きい場合、3価の鉄の含有率が上記の数値範囲内である場合に比べて、鉄源中の3価の鉄の一部が還元されずにLiFePO中に残存してLiFePOの結晶性を損ない、放電容量が低下する傾向がある。ただし、3価の鉄の含有率が上記の数値範囲外であっても、本発明の効果は達成される。 When the content of trivalent iron in the iron source is less than 880 mass ppm, the cycle characteristics may be deteriorated as compared with the case where the content of trivalent iron is within the above numerical range. When the content of trivalent iron in the iron source is larger than 10% by mass, a part of the trivalent iron in the iron source is compared with the case where the content of trivalent iron is in the above numerical range. There is a tendency to remain in LiFePO 4 without being reduced and to impair the crystallinity of LiFePO 4 and to reduce the discharge capacity. However, the effect of the present invention can be achieved even when the content of trivalent iron is outside the above numerical range.

鉄源における3価の鉄の含有率を880質量ppm以上に調整すると、合成されたLiFePO中に所定量の3価の鉄が確保される場合がある、と推測される。この3価の鉄はX線回折では確認されないが、LiFePOにおいてFe等を構成する。このFeがLiFePO粒子の表面に存在し、LiFePOと電解質(電解液)との副反応を抑制する結果、電池のサイクル特性が良好になる、と推測される。なお、鉄源が含む3価の鉄とサイクル特性との関係はこれに限定されない。また、放電容量を増加させるためには、鉄源中の3価の鉄の含有率は小さいほど好ましい。 When the content of trivalent iron in the iron source is adjusted to 880 mass ppm or more, it is estimated that a predetermined amount of trivalent iron may be secured in the synthesized LiFePO 4 . This trivalent iron is not confirmed by X-ray diffraction, but constitutes Fe 2 O 3 or the like in LiFePO 4 . This Fe 2 O 3 exists on the surface of the LiFePO 4 particles, and as a result of suppressing the side reaction between LiFePO 4 and the electrolyte (electrolytic solution), it is presumed that the cycle characteristics of the battery are improved. Note that the relationship between the trivalent iron contained in the iron source and the cycle characteristics is not limited to this. Moreover, in order to increase discharge capacity, it is so preferable that the content rate of trivalent iron in an iron source is small.

2価の鉄を有する鉄源としては、例えば、フッ化鉄(FeF)、塩化鉄(FeCl)、臭化鉄(FeBr)、ヨウ化鉄(FeI)、硫酸鉄(FeSO)、リン酸鉄(Fe(PO)、シュウ酸鉄(FeC)、酢酸鉄((CHCOO)Fe)等が挙げられる。リン酸鉄は、鉄源及びリン酸源として用いることができる。なお、二種以上の鉄源を併用してもよい。 Examples of the iron source having divalent iron include iron fluoride (FeF 2 ), iron chloride (FeCl 2 ), iron bromide (FeBr 2 ), iron iodide (FeI 2 ), and iron sulfate (FeSO 4 ). , Iron phosphate (Fe 3 (PO 4 ) 2 ), iron oxalate (FeC 2 O 4 ), iron acetate ((CH 3 COO) 2 Fe), and the like. Iron phosphate can be used as an iron source and a phosphate source. Two or more iron sources may be used in combination.

リチウム源としては、例えば、LiNO、LiCO、LiOH、LiCl、LiSO及びCHCOOLiからなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。なお、二種以上のリチウム源を併用してもよい。 As the lithium source, for example, at least one selected from the group consisting of LiNO 3 , Li 2 CO 3 , LiOH, LiCl, Li 2 SO 4 and CH 3 COOLi can be used. Two or more lithium sources may be used in combination.

リン酸源としては、例えば、HPO、NHPO、(NHHPO及びLiPOからなる群より選ばれる少なくとも一種を用いることができる。LiPOはリチウム源及びリン酸源として用いることができる。なお、二種以上のリン酸源を併用してもよい。 As the phosphoric acid source, for example, at least one selected from the group consisting of H 3 PO 4 , NH 4 H 2 PO 4 , (NH 4 ) 2 HPO 4 and Li 3 PO 4 can be used. Li 3 PO 4 can be used as a lithium source and a phosphate source. Two or more phosphate sources may be used in combination.

鉄源、リチウム源及びリン酸源は、鉄源が含有する2価の鉄のモル数と、リチウム源が含有するリチウムのモル数と、リン酸源が含有するリン酸基のモル数との比が1:1:1程度となるように、配合すればよい。   The iron source, the lithium source and the phosphate source are the number of moles of divalent iron contained in the iron source, the number of moles of lithium contained in the lithium source, and the number of moles of phosphate groups contained in the phosphate source. What is necessary is just to mix | blend so that ratio may become about 1: 1: 1.

極性溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、アセトン、シクロヘキサノン、2−メチルピロリドン、エチルメチルケトン、2−エトキシエタノール、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジメチルフォルムアミド、ジメチルスルフォオキシド等が挙げられる。なお、二種以上の極性溶媒を併用してもよい。   Examples of the polar solvent include water, methanol, ethanol, 2-propanol, ethylene glycol, propylene glycol, acetone, cyclohexanone, 2-methylpyrrolidone, ethyl methyl ketone, 2-ethoxyethanol, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, Examples thereof include dimethylformamide and dimethyl sulfoxide. Two or more polar solvents may be used in combination.

本実施形態に係るLiFePOの製造方法は、上述した混合物を、水素ガスと不活性ガスの混合ガスで満たされた密閉容器内に封入し、密閉容器内の混合物を加熱する工程を備える。以下では、この工程を加熱工程と記す。加熱工程では、鉄源に不純物として含まれる3価の鉄が水素ガスによって還元され、2価の鉄になる。また、加熱工程では、密閉容器内が加熱され、混合ガスの温度が上昇し、混合物中の極性溶媒の一部が気化するため、密閉容器内の気圧が上昇する。したがって、加熱工程では、混合物が加圧されながら加熱され、混合物中でLiFePOが合成される。 The method for producing LiFePO 4 according to the present embodiment includes a step of enclosing the mixture described above in a sealed container filled with a mixed gas of hydrogen gas and an inert gas, and heating the mixture in the sealed container. Below, this process is described as a heating process. In the heating step, trivalent iron contained as an impurity in the iron source is reduced by hydrogen gas to become divalent iron. In the heating step, the inside of the sealed container is heated, the temperature of the mixed gas rises, and a part of the polar solvent in the mixture is vaporized, so that the atmospheric pressure in the sealed container rises. Therefore, in the heating step, the mixture is heated while being pressurized, and LiFePO 4 is synthesized in the mixture.

混合ガスとは、換言すれば、水素ガスを含有する不活性ガスである。不活性ガスとしては、例えば、窒素、又はヘリウム、アルゴン等の希ガス等が挙げられる。なお、二種以上の不活性ガスを併用してもよい。   In other words, the mixed gas is an inert gas containing hydrogen gas. Examples of the inert gas include nitrogen or a rare gas such as helium and argon. Two or more inert gases may be used in combination.

混合ガスにおける水素ガスの含有率は、混合ガスの全量に対して0.1〜5体積%であることが好ましい。換言すれば、混合ガスにおける水素ガスの分圧は、混合ガスの全圧に対して0.1〜5%であることが好ましい。より好ましくは、混合ガスにおける水素ガスの含有率は、混合ガスの全量に対して3〜10体積%である。換言すれば、混合ガスにおける水素ガスの分圧は、混合ガスの全圧に対して3〜10%であることがより好ましい。   It is preferable that the content rate of the hydrogen gas in mixed gas is 0.1-5 volume% with respect to the whole quantity of mixed gas. In other words, the partial pressure of hydrogen gas in the mixed gas is preferably 0.1 to 5% with respect to the total pressure of the mixed gas. More preferably, the content rate of the hydrogen gas in the mixed gas is 3 to 10% by volume with respect to the total amount of the mixed gas. In other words, the partial pressure of hydrogen gas in the mixed gas is more preferably 3 to 10% with respect to the total pressure of the mixed gas.

混合ガスにおける水素ガスの含有率が0.1体積%未満である場合、水素ガスの含有率が上記の数値範囲内である場合に比べて、鉄源中の3価の鉄が還元され難く、得られるLiFePOに3価の鉄が残存してLiFePOの結晶性を損ない、放電容量が低下する傾向がある。混合ガスにおける水素ガスの含有率が5体積%より大きい場合、混合ガスの反応性(可燃性)が高まり、加熱工程の安全性が低下する傾向がある。ただし、水素ガスの含有率が上記の数値範囲外であっても、本発明の効果は達成される。 When the hydrogen gas content in the mixed gas is less than 0.1% by volume, the trivalent iron in the iron source is less likely to be reduced than when the hydrogen gas content is within the above numerical range, Trivalent iron remains in the obtained LiFePO 4 to deteriorate the crystallinity of LiFePO 4 and the discharge capacity tends to decrease. When the hydrogen gas content in the mixed gas is greater than 5% by volume, the reactivity (flammability) of the mixed gas increases and the safety of the heating process tends to decrease. However, the effects of the present invention can be achieved even when the hydrogen gas content is outside the above numerical range.

密閉容器としては、例えばオートクレーブのように、内部を加熱,加圧する機能を有する耐圧性の反応容器を用いればよい。なお、密閉容器は、その内部へ気体を供給するガス導入管を備えていてもよい。また、密閉容器は、その内部の気体を外部へ排出するガス排出管を備えていてもよい。ガス導入管によって密閉容器内へ混合ガスを供給したり、ガス排出管によって密閉容器内の気体を排出したりすることにより、密閉容器内の気圧(混合物へ加える圧力)を調整することができる。ガス導入管の先端を、密閉容器内に封入された液体状の混合物の中に配置し、ガス導入管によって混合ガスを混合物内へ供給し、混合物をバブリング(bubbling)してもよい。バブリングにより、本発明の効果が顕著となる。   As the sealed container, for example, a pressure-resistant reaction container having a function of heating and pressurizing the inside may be used like an autoclave. In addition, the airtight container may be provided with the gas introduction pipe | tube which supplies gas into the inside. Moreover, the airtight container may be provided with the gas exhaust pipe which discharges | emits the gas inside the outside. The atmospheric pressure (pressure applied to the mixture) in the hermetic container can be adjusted by supplying the mixed gas into the hermetic container through the gas introduction pipe or discharging the gas in the hermetic container through the gas discharge pipe. The tip of the gas introduction pipe may be disposed in a liquid mixture sealed in a sealed container, and the mixed gas may be supplied into the mixture by the gas introduction pipe, and the mixture may be bubbled. By bubbling, the effect of the present invention becomes remarkable.

加熱工程では、混合物を100〜250℃に加熱することが好ましい。混合物の加熱温度が高いほど、結晶成長が促進され、粒径が大きいLiFePOの結晶を得易くなる。 In the heating step, the mixture is preferably heated to 100 to 250 ° C. The higher the heating temperature of the mixture, the more the crystal growth is promoted, and it becomes easier to obtain LiFePO 4 crystals having a large particle size.

加熱工程における混合物の温度が低過ぎると、混合物の温度が高い場合に比べて、LiFePOの生成及び結晶成長が進行し難い傾向がある。その結果、LiFePOの結晶性が低下し、その容量密度が減少するため、LiFePOを用いた電池の放電容量が増加し難い傾向がある。また、混合物の温度が高過ぎると、LiFePOの結晶成長が過剰に進行して、結晶におけるLiの拡散能が低下する傾向がある。そのため、得られるLiFePOを用いた電池の放電容量が向上し難い傾向がある。また混合物の温度が高過ぎると、密閉容器に高い耐熱性が求められ、LiFePOの製造コストが増大する。混合物の加熱温度を上記の範囲内とすることによって、これらの傾向を抑制できる。ただし、混合物の加熱温度が上記の数値範囲外であっても、本発明の効果は達成される。 If the temperature of the mixture in the heating step is too low, the production and crystal growth of LiFePO 4 tend not to proceed as compared with the case where the temperature of the mixture is high. As a result, the crystallinity of LiFePO 4 decreases and the capacity density decreases, so that the discharge capacity of a battery using LiFePO 4 tends not to increase. On the other hand, if the temperature of the mixture is too high, the crystal growth of LiFePO 4 proceeds excessively and the Li diffusibility in the crystal tends to decrease. Therefore, the discharge capacity of the battery using LiFePO 4 obtained tends to be difficult to improve. Further, when the temperature of the mixture is too high, high heat resistance is required in a sealed container, the manufacturing cost of the LiFePO 4 is increased. By setting the heating temperature of the mixture within the above range, these tendencies can be suppressed. However, even if the heating temperature of the mixture is outside the above numerical range, the effect of the present invention is achieved.

加熱工程において密閉容器内の気圧(混合物に加える圧力)は、0.2〜4MPaとすることが好ましい。例えば加熱工程において混合物を250℃に加熱すると、密閉容器内の気圧は4MPaになる。混合物に加える圧力が低過ぎると、最終的に得られるLiFePOの結晶性が低下し、その容量密度が減少する傾向がある。混合物に加える圧力が高過ぎると、密閉容器に高い耐圧性が求められ、LiFePOの製造コストが増大する傾向がある。混合物に加える圧力を上記の範囲内とすることによって、これらの傾向を抑制できる。ただし、密閉容器内の気圧が上記の数値範囲外であっても、本発明の効果は達成される。 In the heating step, the atmospheric pressure (pressure applied to the mixture) in the sealed container is preferably 0.2 to 4 MPa. For example, when the mixture is heated to 250 ° C. in the heating step, the atmospheric pressure in the sealed container becomes 4 MPa. If the pressure applied to the mixture is too low, the crystallinity of the finally obtained LiFePO 4 is lowered and the capacity density tends to decrease. If the pressure applied to the mixture is too high, the sealed container is required to have high pressure resistance, and the production cost of LiFePO 4 tends to increase. By setting the pressure applied to the mixture within the above range, these tendencies can be suppressed. However, the effect of the present invention can be achieved even if the air pressure in the sealed container is outside the above numerical range.

加熱工程において混合物を加熱する時間は、混合物の量に応じて適宜調整すればよい。加熱工程において混合物を加熱する時間は、好ましくは12〜100時間、より好ましくは12〜50時間である。ただし、混合物を加熱する時間が上記の数値範囲外であっても、本発明の効果は達成される。   What is necessary is just to adjust suitably the time which heats a mixture in a heating process according to the quantity of a mixture. The time for heating the mixture in the heating step is preferably 12 to 100 hours, more preferably 12 to 50 hours. However, the effect of the present invention is achieved even when the time for heating the mixture is outside the above numerical range.

加熱工程後の混合物を密閉容器から取り出した後、混合物を再加熱してもよい。混合物の再加熱によって、加熱工程では反応しなかったリチウム源、リン酸源及び鉄源の反応を進行させたり、密閉容器内で生成したLiFePOの結晶成長を促進したりすることができる。その結果、LiFePOの容量密度が向上し、それを用いた電池の放電容量が向上する傾向がある。 After the mixture after the heating step is taken out from the sealed container, the mixture may be reheated. By reheating the mixture, the reaction of the lithium source, the phosphoric acid source, and the iron source that did not react in the heating step can be advanced, or the crystal growth of LiFePO 4 produced in the sealed container can be promoted. As a result, the capacity density of LiFePO 4 is improved, and the discharge capacity of a battery using the same tends to be improved.

加熱工程後の混合物を低温で予熱した後、上述した再加熱を行ってもよい。混合物の予熱により、混合物から余計な極性溶媒が除去され、混合物が粉体となる。その結果、混合物を再加熱する際に、混合物中のLiFePOに不純物が取り込まれることを防ぎ、LiFePOの粒子形状を均一化することが可能となる。 After preheating the mixture after the heating step at a low temperature, the above-described reheating may be performed. Preheating the mixture removes excess polar solvent from the mixture and turns the mixture into a powder. As a result, when the mixture is reheated, it is possible to prevent impurities from being taken into LiFePO 4 in the mixture and to uniformize the LiFePO 4 particle shape.

(リチウムイオン二次電池)
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、互いに対向する負極及び正極と、負極と正極との間に配置されるセパレータと、を有する発電要素と、リチウムイオンを含む電解質と、これらを密閉した状態で収容するケースと、一方の端部が負極に電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される負極リードと、一方の端部が正極に電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される正極リードとを備える。負極、正極及びセパレータの形状は特に限定されず、板状であってもよく、巻回体状であってもよい。また、電解質は、液体、固体又はゲルであってよい。
(Lithium ion secondary battery)
The lithium ion secondary battery according to the present embodiment has a negative electrode and a positive electrode facing each other, a power generation element having a separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, an electrolyte containing lithium ions, and these are sealed. Case, one end is electrically connected to the negative electrode, the other end is protruded to the outside of the case, and one end is electrically connected to the positive electrode And a positive electrode lead whose other end protrudes to the outside of the case. The shape of a negative electrode, a positive electrode, and a separator is not specifically limited, A plate shape may be sufficient and a wound body shape may be sufficient. The electrolyte may be a liquid, a solid or a gel.

負極は、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極活物質層と、を有する。また、正極は、正極集電体と、正極集電体上に形成された正極活物質層と、を有する。   The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector. The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector.

正極活物質層は、上述した本実施形態に係るLiFePOの製造方法によって得られるLiFePOを含有する。なお、正極活物質層は、本発明の効果を損なわない限り、本実施形態の製造方法によって得られるLiFePO以外の活物質を含有してもよい。 The positive electrode active material layer contains LiFePO 4 obtained by the method for producing LiFePO 4 according to this embodiment described above. The positive electrode active material layer may contain an active material other than LiFePO 4 obtained by the production method of the present embodiment as long as the effects of the present invention are not impaired.

本実施形態に係るLiFePOの製造方法では、鉄源が不純物として3価の鉄を含有する場合であっても、3価の鉄は、加熱工程において混合ガスに含まれる水素ガスによって還元され、2価の鉄になる。したがって、本実施形態では、混合ガスが水素ガスを含まない場合に比べて、LiFePO中の3価の鉄の含有率を低減し、LiFePOの結晶性を高めることが可能となる。その結果、本実施形態の製造方法によって得られるLiFePOを正極活物質として備えるリチウムイオン二次電池では、従来の水熱合成法によって得られるLiFePOを用いた電池に比べて、放電容量が増加する。つまり、本実施形態では、リチウムイオン二次電池の放電容量を増加させるために、LiFePO中の3価の鉄の含有率を所望の範囲内に制御できる。 In the method for producing LiFePO 4 according to the present embodiment, even if the iron source contains trivalent iron as an impurity, the trivalent iron is reduced by hydrogen gas contained in the mixed gas in the heating step, It becomes divalent iron. Thus, in this embodiment, as compared with the case where a mixed gas does not contain hydrogen gas, to reduce the content of trivalent iron in LiFePO 4, it is possible to improve the crystallinity of the LiFePO 4. As a result, in the lithium ion secondary battery including LiFePO 4 obtained by the manufacturing method of the present embodiment as the positive electrode active material, the discharge capacity is increased as compared with the battery using LiFePO 4 obtained by the conventional hydrothermal synthesis method. To do. That is, in this embodiment, in order to increase the discharge capacity of the lithium ion secondary battery, the content of trivalent iron in LiFePO 4 can be controlled within a desired range.

以上、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。   As mentioned above, although one suitable embodiment of the present invention was described in detail, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment.

例えば、加熱工程前の混合物に炭素粒子を添加してもよい。これにより、LiFePOの少なくとも一部が炭素粒子表面に生成し、炭素粒子にLiFePOを担持させることが可能となる。その結果、得られる正極活物質層の電気伝導性を向上させることが可能となる。炭素粒子を構成する物質としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック(黒鉛)、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。 For example, carbon particles may be added to the mixture before the heating step. Thereby, at least a part of LiFePO 4 is generated on the surface of the carbon particles, and the LiFePO 4 can be supported on the carbon particles. As a result, it becomes possible to improve the electrical conductivity of the obtained positive electrode active material layer. Examples of substances constituting the carbon particles include carbon black (graphite) such as acetylene black, activated carbon, hard carbon, and soft carbon.

本発明のLiFePOは、リチウムイオン二次電池以外の電気化学素子の電極材料としても用いることができる。電気化学素子としては、LiFePOを含む電極をカソードとして用い、金属リチウムをアノードとして用いた金属リチウム二次電池、その他の二次電池、リチウムキャパシタのような電気化学キャパシタ等が挙げられる。これらの電気化学素子は、自走式のマイクロマシン、ICカードなどの電源や、プリント基板上又はプリント基板内に配置される分散電源の用途に使用することが可能である。 The LiFePO 4 of the present invention can also be used as an electrode material for electrochemical elements other than lithium ion secondary batteries. Examples of the electrochemical element include a metal lithium secondary battery using an electrode containing LiFePO 4 as a cathode and metal lithium as an anode, other secondary batteries, and an electrochemical capacitor such as a lithium capacitor. These electrochemical elements can be used for power sources such as self-propelled micromachines and IC cards, and distributed power sources arranged on or in a printed circuit board.

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

(実施例1)
1.158gのリン酸リチウム、1.268gの塩化鉄(II)4水和物及び100mlの蒸留水を、オートクレーブ内に投入し、混合液を調整した。混合液が入ったオートクレーブ内の気体を混合ガスで置換した後、オートクレーブを密閉した。
Example 1
1.158 g of lithium phosphate, 1.268 g of iron (II) chloride tetrahydrate and 100 ml of distilled water were charged into the autoclave to prepare a mixed solution. After replacing the gas in the autoclave containing the mixed solution with the mixed gas, the autoclave was sealed.

リン酸リチウムは、リチウム源及びリン酸源である。塩化鉄(II)4水和物は、鉄源であり、不純物として3価の鉄を含有する。塩化鉄(II)4水和物中の3価の鉄の含有率は、塩化鉄(II)4水和物に含まれる2価の鉄及び3価の鉄の全量に対して、1.16質量%であった。この3価の鉄の含有率は、電位差滴定によって測定した。混合ガスとしては、水素ガスを含む窒素ガスを用いた。混合ガスにおける水素ガスの含有率を、混合ガスの全量に対して3体積%に調整した。混合ガスにおける窒素ガスの含有率を97体積%に調整した。   Lithium phosphate is a lithium source and a phosphate source. Iron (II) chloride tetrahydrate is a source of iron and contains trivalent iron as an impurity. The content of trivalent iron in iron (II) chloride tetrahydrate is 1.16 with respect to the total amount of divalent iron and trivalent iron contained in iron (II) chloride tetrahydrate. It was mass%. The trivalent iron content was measured by potentiometric titration. Nitrogen gas containing hydrogen gas was used as the mixed gas. The hydrogen gas content in the mixed gas was adjusted to 3% by volume with respect to the total amount of the mixed gas. The nitrogen gas content in the mixed gas was adjusted to 97% by volume.

密閉されたオートクレーブを48時間にわって180℃に加熱することにより、密閉容器内で水熱合成反応を進行させた。加熱後のオートクレーブを室温まで放冷した後、内容物を取り出し、100℃で乾燥させて、実施例1の粉末試料を得た。粉末試料のX線回折パターンを測定した。X線回折パターンから、実施例1の粉末試料は、斜方晶系オリビン構造を有するLiFePOと同定された。 The sealed autoclave was heated to 180 ° C. for 48 hours, so that the hydrothermal synthesis reaction was allowed to proceed in the sealed container. After the heated autoclave was allowed to cool to room temperature, the contents were taken out and dried at 100 ° C. to obtain a powder sample of Example 1. The X-ray diffraction pattern of the powder sample was measured. From the X-ray diffraction pattern, the powder sample of Example 1 was identified as LiFePO 4 having an orthorhombic olivine structure.

(実施例2〜11、比較例1)
実施例2〜11及び比較例1では、鉄源として表1に示す化合物を用いた。実施例2〜11及び比較例1では、混合物への鉄源の添加量を表1に示す値に調整した。実施例2〜11及び比較例1の各鉄源における3価の鉄の含有率は、表1に示す値であった。表1では、各鉄源における3価の鉄の含有率を、[Fe(III)]と記す。なお、実施例2〜11及び比較例1の各鉄源は、元来不純物として3価の鉄を含有するものである。実施例2〜11及び比較例1では、混合ガスにおける水素ガスの含有率を表1に示す値に調整した。表1では、各混合ガスにおける水素ガスの含有率を[H]と記す。実施例2〜11及び比較例1では、混合ガスに含有させる不活性ガスとして表1に示すガスを用いた。実施例2〜11及び比較例1では、混合ガスにおける不活性ガスの含有率を表1に示す値に調整した。
(Examples 2 to 11, Comparative Example 1)
In Examples 2 to 11 and Comparative Example 1, the compounds shown in Table 1 were used as the iron source. In Examples 2 to 11 and Comparative Example 1, the amount of iron source added to the mixture was adjusted to the values shown in Table 1. The trivalent iron content in each of the iron sources of Examples 2 to 11 and Comparative Example 1 was the value shown in Table 1. In Table 1, the content of trivalent iron in each iron source is described as [Fe (III)]. In addition, each iron source of Examples 2-11 and the comparative example 1 originally contains trivalent iron as an impurity. In Examples 2 to 11 and Comparative Example 1, the hydrogen gas content in the mixed gas was adjusted to the values shown in Table 1. In Table 1, the content of hydrogen gas in each mixed gas is described as [H 2 ]. In Examples 2 to 11 and Comparative Example 1, the gases shown in Table 1 were used as the inert gas contained in the mixed gas. In Examples 2 to 11 and Comparative Example 1, the content of the inert gas in the mixed gas was adjusted to the values shown in Table 1.

以上の事項以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2〜11及び比較例1の各粉末試料を得た。実施例2〜11及び比較例1の各粉末試料は、いずれもLiFePOであることが確認された。 Except for the above items, the powder samples of Examples 2 to 11 and Comparative Example 1 were obtained in the same manner as in Example 1. Each of the powder samples of Examples 2 to 11 and Comparative Example 1 was confirmed to be LiFePO 4 .

[評価用セルの作製]
実施例1のLiFePOと、バインダーであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)とアセチレンブラックを混合したものを、溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。なお、スラリーにおいてLiFePOとアセチレンブラックとPVDFとの重量比が84:8:8となるように、スラリーを調製した。このスラリーを集電体であるアルミニウム箔上に塗布し、乾燥させた後、圧延を行い、実施例1のLiFePOを含む活物質層が形成された電極(正極)を得た。
[Production of evaluation cell]
A mixture of LiFePO 4 of Example 1, polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, and acetylene black was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent to prepare a slurry. The slurry was prepared so that the weight ratio of LiFePO 4 , acetylene black, and PVDF was 84: 8: 8. This slurry was applied on an aluminum foil as a current collector, dried, and then rolled to obtain an electrode (positive electrode) on which an active material layer containing LiFePO 4 of Example 1 was formed.

次に、得られた電極と、その対極であるLi箔とを、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んで積層し、積層体(素体)を得た。この積層体を、アルミラミネーターパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液として1MのLiPF溶液を注入した後、真空シールし、実施例1の評価用セルを作製した。 Next, the obtained electrode and the Li foil as the counter electrode were laminated with a separator made of a polyethylene microporous film interposed therebetween to obtain a laminate (element body). This laminate was put in an aluminum laminator pack, and 1M LiPF 6 solution was injected as an electrolyte into the aluminum laminate pack, followed by vacuum sealing to produce an evaluation cell of Example 1.

実施例1と同様の方法で、実施例2〜11及び比較例1のLiFePOをそれぞれ単独で用いた評価用セルを作製した。 In the same manner as in Example 1, evaluation cells each using LiFePO 4 of Examples 2 to 11 and Comparative Example 1 were produced.

[評価]
実施例1〜11及び比較例1の各評価用セルを用いて、放電レートを0.5Cとした場合の初期放電容量(充放電サイクル1回目の放電容量)を測定した。測定結果を表1に示す。なお、0.5Cとは、25℃で定電流放電を行ったときに2時間で放電終了となる電流値である。
[Evaluation]
Using the evaluation cells of Examples 1 to 11 and Comparative Example 1, the initial discharge capacity (discharge capacity at the first charge / discharge cycle) when the discharge rate was 0.5 C was measured. The measurement results are shown in Table 1. Note that 0.5 C is a current value at which discharge is completed in 2 hours when constant current discharge is performed at 25 ° C.

Figure 0005597981
Figure 0005597981

表1に示すように、水素ガスを含有する混合ガスを用いた実施例1〜11の放電容量は、水素ガスを含有しない混合ガスを用いた比較例1の放電容量よりも大きいことが確認された。   As shown in Table 1, it was confirmed that the discharge capacities of Examples 1 to 11 using a mixed gas containing hydrogen gas were larger than the discharge capacities of Comparative Example 1 using a mixed gas not containing hydrogen gas. It was.

Claims (2)

2価の鉄を有する鉄源、リチウム源、リン酸源及び極性溶媒を含む混合物を、水素と不活性ガスの混合ガスで満たされた密閉容器内に封入し、前記密閉容器内の前記混合物を加熱する工程を備え
前記鉄源における3価の鉄の含有率が、前記2価の鉄及び前記3価の鉄の全量に対して880質量ppm以上10質量%以下である、
LiFePOの製造方法。
A mixture containing an iron source having divalent iron, a lithium source, a phosphoric acid source and a polar solvent is enclosed in a sealed container filled with a mixed gas of hydrogen and an inert gas, and the mixture in the sealed container is A heating step ,
The content of trivalent iron in the iron source is 880 mass ppm or more and 10 mass% or less with respect to the total amount of the divalent iron and the trivalent iron.
A method for producing LiFePO 4 .
前記混合ガスにおける前記水素の含有率が、前記混合ガスの全量に対して0.1〜5体積%である、
請求項1に記載のLiFePOの製造方法。
The hydrogen content in the mixed gas is 0.1 to 5% by volume with respect to the total amount of the mixed gas.
The method for producing LiFePO 4 according to claim 1.
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