JP5678685B2 - Precursor of positive electrode active material for lithium secondary battery, method for producing the same, and method for producing positive electrode active material for lithium secondary battery - Google Patents

Precursor of positive electrode active material for lithium secondary battery, method for producing the same, and method for producing positive electrode active material for lithium secondary battery Download PDF

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Description

本発明は、リチウム二次電池用正極活物質とその製造方法および該正極活物質の前駆体とその製造方法に関する。   The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a method for producing the same, a precursor of the positive electrode active material, and a method for producing the same.

近年、ノート型パソコン、携帯電話、ビデオカメラ等の小型電子機器の電源として、リチウムイオン二次電池が広く使用されている。このリチウムイオン二次電池については、コバルト酸リチウムがリチウムイオン二次電池の正極活物質として有用であるとの報告がなされて以来、コバルト酸リチウムに関する研究開発が活発に進められており、これまで多くの提案がなされている。
しかしながら、Coは、地球上に偏在し、希少な資源であるため、コバルト酸リチウムに代わる新たな正極活物質として、例えば、LiNiO、LiMn、LiFePO等の開発が進められている。
In recent years, lithium ion secondary batteries have been widely used as power sources for small electronic devices such as notebook computers, mobile phones, and video cameras. As for this lithium ion secondary battery, since it was reported that lithium cobalt oxide is useful as a positive electrode active material for lithium ion secondary battery, research and development on lithium cobalt oxide has been actively promoted. Many proposals have been made.
However, since Co is unevenly distributed on the earth and is a rare resource, development of, for example, LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4, etc., is being promoted as new positive electrode active materials replacing lithium cobaltate. .

上記正極活物質の中でも、オリビン型リン酸リチウム化合物であるLiFePOは、体積密度が3.6g/cmと大きく、3.4Vの高電位を発生し、理論容量も170mAh/gと大きいという特徴を有している。そして、Feは、資源が豊富で安価であることに加え、LiFePOは、安定なポリリン酸骨格を有するため、酸素原子を放出しにくく、安全性に優れるため、コバルト酸リチウムに代わる新たなリチウム二次電池の正極活物質としての期待は大きい。
しかしながら、LiFePOは、電子伝導性が低いため、そのままでは十分な電極特性が得られない。これらの欠点を改善するため、数百nmへの粒子の微細化、黒鉛などの導電材との複合化、このFeの一部を他の金属で置換したLiFePOを正極活物質とするリチウム二次電池が提案されている。
Among the positive electrode active materials, LiFePO 4 which is an olivine-type lithium phosphate compound has a large volume density of 3.6 g / cm 3 , generates a high potential of 3.4 V, and has a large theoretical capacity of 170 mAh / g. It has characteristics. In addition to Fe being rich in resources and inexpensive, LiFePO 4 has a stable polyphosphoric acid skeleton, so it is difficult to release oxygen atoms and is excellent in safety, so a new lithium instead of lithium cobaltate The expectation as a positive electrode active material of a secondary battery is great.
However, since LiFePO 4 has low electron conductivity, sufficient electrode characteristics cannot be obtained as it is. To improve these disadvantages, the lithium secondary to miniaturization of the particles to several hundred nm, complexation with conductive material such as graphite, the LiFePO 4 obtained by substituting a part of the Fe in the other metal as the positive electrode active material Secondary batteries have been proposed.

一般的なLiFePOの製造方法としては、当初から知られているシュウ酸鉄とリン酸水素アンモニウムおよび炭酸リチウムなどのリチウム塩の組み合わせ以外に、リン酸第一鉄含水塩とリチウム塩、あるいは硝酸アンモニウム鉄とリチウム塩などの固体原料の組み合わせを用い、これらを混合して焼成することで、固相反応によりオリビン構造を持つLiFePOを得る方法が提案されている(例えば、特許文献1、2参照。)。また、鉄源としては、リン酸塩の他にも、金属鉄粉や鉄酸化物を用いる方法も提案されている(例えば、特許文献3、4参照。)。
これらの製造方法では、それぞれの成分に対して個別の原料を用いるため、構成成分が十分に拡散して均一組成を持つ良好なオリビン構造を得るためには、比較的高い焼成温度が必要となる。
しかしながら、高温で焼成を行うと、平均粒径が数μm〜数十μmまで粗大化し、また、その粒子は、結晶が発達し、非常に硬いものとなる。このため、反応性が悪く、また、粉砕等の加工がし難いという欠点がある。この結果、リチウム二次電池用正極活物質としてのLiFePOの用途展開を困難なものとしている。
As a general method for producing LiFePO 4 , ferrous phosphate hydrate and lithium salt, or ammonium nitrate other than the combination of iron oxalate and lithium salt such as ammonium hydrogen phosphate and lithium carbonate which are known from the beginning There has been proposed a method of obtaining LiFePO 4 having an olivine structure by a solid-phase reaction by using a combination of solid raw materials such as iron and a lithium salt and mixing and firing them (see, for example, Patent Documents 1 and 2). .) In addition to phosphate, a method using metallic iron powder or iron oxide has been proposed as an iron source (see, for example, Patent Documents 3 and 4).
In these production methods, since a separate raw material is used for each component, a relatively high firing temperature is required to obtain a good olivine structure having a uniform composition by sufficiently diffusing the constituent components. .
However, when calcination is performed at a high temperature, the average particle size is coarsened to several μm to several tens of μm, and the particles become very hard as crystals develop. For this reason, there exists a fault that the reactivity is bad and processing, such as a grinding | pulverization, is difficult. As a result, it is difficult to develop the use of LiFePO 4 as a positive electrode active material for lithium secondary batteries.

一方、低温でオリビン構造を得る方法として、高圧を付加する水熱合成法も提案されている(例えば、特許文献5参照。)。この方法によれば、低温で微細なオリビン構造が得られるが、特別な高圧容器を必要とするばかりか、装置も複雑であり、工業的生産には、不向きである。
また、このような高圧容器を用いずに、均一な組成の反応前駆体を得る試みとして、溶液の噴霧乾燥法や静置乾燥固化なども提案されている(例えば、特許文献6参照。)。
しかしながら、これらの方法では、媒体である水を除去するために、大きな熱量を必要とするため、生産性に劣る。
On the other hand, as a method for obtaining an olivine structure at a low temperature, a hydrothermal synthesis method in which high pressure is applied has also been proposed (for example, see Patent Document 5). According to this method, a fine olivine structure can be obtained at a low temperature, but not only a special high-pressure vessel is required, but also the apparatus is complicated and is not suitable for industrial production.
Further, as an attempt to obtain a reaction precursor having a uniform composition without using such a high-pressure vessel, a solution spray drying method, stationary drying solidification, and the like have been proposed (for example, see Patent Document 6).
However, these methods are inferior in productivity because a large amount of heat is required to remove water as a medium.

その他に、目的組成を有する反応前駆体を得る試みとしては、リチウム塩と鉄塩とを含有するリン酸水溶液に水酸化ナトリウムなどのアルカリ溶液を混合して、リチウムと鉄との複合リン酸化物の共沈体を得る方法も、提案されている(特許文献7参照。)。
しかしながら、この提案においては、詳細な反応条件は明らかにされておらず、また、例えば、水酸化ナトリウムを用いて中和反応を行うと、反応途中で生成するナトリウム塩などが混入し、電池特性に悪影響を与える恐れがある。
In addition, as an attempt to obtain a reaction precursor having a target composition, an alkaline solution such as sodium hydroxide is mixed in a phosphoric acid aqueous solution containing a lithium salt and an iron salt, and a composite phosphorous oxide of lithium and iron A method for obtaining a coprecipitate is also proposed (see Patent Document 7).
However, in this proposal, detailed reaction conditions have not been clarified, and, for example, when a neutralization reaction is performed using sodium hydroxide, sodium salts generated during the reaction are mixed, resulting in battery characteristics. May adversely affect

特開2003−292307号公報JP 2003-292307 A 特開2006−056754号公報JP 2006-056754 A 特開2008−004317号公報JP 2008-004317 A 特開2008−159495号公報JP 2008-159495 A 特開2005−276474号公報JP 2005-276474 A 特開2006−131485号公報JP 2006-131485 A 特開2002−117831号公報JP 2002-117831 A

本発明の目的は、従来技術の問題点に鑑み、リチウム二次電池用正極活物質の製造原料として、好適な均一微細な前駆体を提供するとともに、これを用いることによって得られる、より微細で不純物の少ない優れた正電池特性を有する正極活物質とその製造方法を提供することにある。   In view of the problems of the prior art, the object of the present invention is to provide a suitable uniform fine precursor as a raw material for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery, and to obtain a finer, It is an object to provide a positive electrode active material having excellent positive battery characteristics with few impurities and a method for producing the same.

本発明者らは、上記目的を達成するために、リチウム二次電池用正極活物質として有用なLiFePOリチウム二次電池用正極活物質について、鋭意研究を重ねた結果、2価の鉄塩およびリン酸を含む混合水溶液と、水酸化リチウムを含有するリチウム水溶液とを、特定pH条件下で反応させることにより、得られる微細均一で反応性に優れた前駆体を、熱処理することにより、優れた正極活物質が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to achieve the above object, the present inventors have conducted extensive research on a positive electrode active material for a LiFePO 4 lithium secondary battery that is useful as a positive electrode active material for a lithium secondary battery. By reacting a mixed aqueous solution containing phosphoric acid and a lithium aqueous solution containing lithium hydroxide under a specific pH condition, the resulting fine uniform and excellent precursor is heat-treated, and thus excellent. The inventors have found that a positive electrode active material can be obtained, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の第1の発明によれば、オリビン型リン酸鉄リチウムの単相一次粒子および該一次粒子が凝集した二次粒子からなり、且つX線回析における(311)面の回折ピーク半価幅が0.1〜0.3°および走査型電子顕微鏡観察から求められる該一次粒子の平均粒径が0.05〜0.5μmであるリチウム二次電池用正極活物質を製造するための原料として用いられる前駆体であって、
2価の鉄塩とリン酸を含有する混合水溶液(a)と、水酸化リチウムを含有するリチウム水溶液(b)とを混合して、リチウム鉄リン酸組成物を晶析させることによって得られ、且つX線回析において、該リチウム鉄リン酸組成物に由来する回折ピークが未検出の状態であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質前駆体が提供される。
That is, according to the first aspect of the present invention, the diffraction peak of the (311) plane in the X-ray diffraction is composed of single-phase primary particles of olivine type lithium iron phosphate and secondary particles in which the primary particles are aggregated. To produce a positive electrode active material for a lithium secondary battery having a half-value width of 0.1 to 0.3 ° and an average particle size of the primary particles determined from observation with a scanning electron microscope of 0.05 to 0.5 μm A precursor used as a raw material of
It is obtained by mixing a mixed aqueous solution (a) containing a divalent iron salt and phosphoric acid and a lithium aqueous solution (b) containing lithium hydroxide to crystallize a lithium iron phosphate composition, In addition, a positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery is provided in which a diffraction peak derived from the lithium iron phosphate composition is in an undetected state in X-ray diffraction .

また、本発明の第の発明によれば、第の発明において、ナトリウム含有量が0.5質量%以下であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質前駆体が提供される。 According to the second invention of the present invention, there is provided a positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery, wherein the sodium content is 0.5% by mass or less in the first invention. .

一方、本発明の第の発明によれば、2価の鉄塩とリン酸を含有する混合水溶液(a)と、水酸化リチウムを含有するリチウム水溶液(b)とを混合して、反応水溶液(c)を形成し、該リチウム水溶液(b)により混合後の該反応水溶液(c)をpH8〜9の範囲となるように制御して、反応させることにより、リチウム鉄リン酸組成物を晶析させる晶析工程、及び該リチウム鉄リン酸組成物を水洗後、非酸化性雰囲気中で乾燥させる乾燥工程からなることを特徴とする第又はの発明に係るリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法が提供される。
また、本発明の第の発明によれば、第の発明において、前記pH制御のために、さらにアルカリ金属水酸化物を、前記反応水溶液(c)に添加することを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法が提供される。
さらに、本発明の第の発明によれば、第又はの発明において、前記2価の鉄塩が硫酸第一鉄水和物(FeSO・7HO)であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法が提供される。
On the other hand, according to the third aspect of the present invention, a mixed aqueous solution (a) containing a divalent iron salt and phosphoric acid and a lithium aqueous solution (b) containing lithium hydroxide are mixed to obtain a reaction aqueous solution. (C) is formed, and the reaction aqueous solution (c) after mixing with the lithium aqueous solution (b) is controlled so as to be in the range of pH 8 to 9, whereby the lithium iron phosphate composition is crystallized. A positive electrode active for a lithium secondary battery according to the first or second invention, characterized by comprising a crystallization step for precipitation, and a drying step for washing the lithium iron phosphate composition in a non-oxidizing atmosphere after washing with water A method for producing a material precursor is provided.
According to a fourth invention of the present invention, in the third invention, an alkali metal hydroxide is further added to the reaction aqueous solution (c) for the pH control. A method for producing a positive electrode active material precursor for a secondary battery is provided.
Furthermore, according to a fifth invention of the present invention, in the third or fourth invention, the divalent iron salt is ferrous sulfate hydrate (FeSO 4 .7H 2 O). A method for producing a positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery is provided.

また、本発明の第の発明によれば、第又はの発明に係るリチウム二次電池用正極活物質前駆体を、導電性炭素質材料生成物と混合して混合物とした後、不活性または還元雰囲気中において350〜700℃で加熱して熱処理することを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質の製造方法が提供される。
さらに、本発明の第の発明によれば、第の発明において、前記熱処理前に、前記前駆体を乾式または湿式粉砕することを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質の製造方法が提供される。
According to the sixth aspect of the present invention, the positive electrode active material precursor for lithium secondary battery according to the first or second aspect of the invention is mixed with the conductive carbonaceous material product to obtain a mixture. There is provided a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery, characterized by heating at 350 to 700 ° C. in an active or reducing atmosphere.
Further, according to a seventh invention of the present invention, there is provided a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that, in the sixth invention, the precursor is dry-type or wet-ground before the heat treatment. Provided.

本発明は、上記の如く、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極活物質前駆体などに係るものであるが、その好ましい態様として、次のものが包含される。
(1)第の発明において、前記晶析工程における晶析時の反応温度は、5〜80℃であり、および晶析時の雰囲気は、窒素などの不活性ガス雰囲気であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。
)第の発明において、前記乾燥工程では、非酸化性雰囲気は、不活性雰囲気または真空雰囲気であり、および乾燥温度は、35〜250℃であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。
)第の発明において、熱処理時間は、2〜20時間であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
)第又はの発明に係るリチウム二次電池用正極活物質の製造方法から得られるリチウム二次電池用正極活物質を正極に用いてなる二次電池。
As described above, the present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery, and the like. Preferred embodiments include the following.
(1) In the third invention, the reaction temperature during crystallization in the crystallization step is 5 to 80 ° C., and the atmosphere during crystallization is an inert gas atmosphere such as nitrogen. To produce a positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery.
( 2 ) In the third invention, in the drying step, the non-oxidizing atmosphere is an inert atmosphere or a vacuum atmosphere, and the drying temperature is 35 to 250 ° C. A method for producing a positive electrode active material precursor.
( 3 ) A method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery, wherein the heat treatment time in the sixth invention is 2 to 20 hours.
( 4 ) A secondary battery using, as a positive electrode, a positive electrode active material for a lithium secondary battery obtained from the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to the sixth or seventh invention.

本発明のリチウム二次電池用正極活物質は、均一微細なオリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO)粒子からなり、該正極活物質を用いた正極により構成される電池は、LiFePOの理論放電容量に近い値を示し、優れた特性を示すものとなる。
また、本発明のリチウム二次電池用正極活物質前駆体は、結晶性が低く、熱処理することにより、容易に上記正極活物質が得られるものである。
さらに、本発明のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法は、有毒物質を用いずに容易に高収率で上記正極活物質が得られるものであり、その工業的価値は極めて大きい。
The positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is composed of uniform fine olivine-type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) particles, and a battery composed of a positive electrode using the positive electrode active material is a theoretical discharge of LiFePO 4 . It shows a value close to the capacity and exhibits excellent characteristics.
Moreover, the positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery of the present invention has low crystallinity, and the positive electrode active material can be easily obtained by heat treatment.
Furthermore, the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention can easily obtain the positive electrode active material in a high yield without using a toxic substance, and its industrial value is extremely large.

以下、本発明を項目毎に、詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail for each item.

1.リチウム二次電池用正極活物質
本発明のリチウム二次電池用正極活物質(以下、単に本発明の正極活物質と記載することがある)は、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO)の単相一次粒子および該一次粒子が凝集した二次粒子からなり、且つX線回析における(311)面の回折ピーク半価幅(または半値全幅)が0.1〜0.3°、および走査型電子顕微鏡観察から求められる前記一次粒子の平均粒径が0.05〜0.5μmであることを特徴とする。
1. Positive electrode active material for lithium secondary battery The positive electrode active material for lithium secondary battery of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as the positive electrode active material of the present invention) is a single olivine type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ). Phase primary particles and secondary particles in which the primary particles are aggregated, and the diffraction peak half-value width (or full width at half maximum) of the (311) plane in X-ray diffraction is 0.1 to 0.3 °, and scanning type The average particle diameter of the primary particles obtained from observation with an electron microscope is 0.05 to 0.5 μm.

上記回折ピーク半価幅と一次粒子の平均粒径の両方を有することにより、リン酸鉄リチウム粒子が十分な結晶性を有するとともに、微細な粒子となり、電池の電解液との反応性が向上してリチウム二次電池用正極活物質として優れた特性、特に電池容量を有するものとなる。
一方、前記平均粒径が上記範囲であっても、回折ピーク半価幅が0.3°を超えた場合には、リン酸鉄リチウム粒子の結晶性が十分でなく、正極活物質として優れた特性は得られない。また、回折ピーク半価幅が上記範囲であっても、平均粒径が0.5μmを超えた場合には、結晶性が十分であってもリン酸鉄リチウム粒子が粗大となるため、優れた特性は得られない。
なお、本発明の正極活物質の形態は、上記一次粒子が集合してなる平均粒径1〜60μmの集合体粒子(二次粒子)であってもよい。
By having both the diffraction peak half width and the average particle size of the primary particles, the lithium iron phosphate particles have sufficient crystallinity and become fine particles, which improves the reactivity with the battery electrolyte. Therefore, it has excellent characteristics as a positive electrode active material for a lithium secondary battery, particularly a battery capacity.
On the other hand, even when the average particle diameter is in the above range, when the diffraction peak half-value width exceeds 0.3 °, the crystallinity of the lithium iron phosphate particles is not sufficient, and is excellent as a positive electrode active material. Characteristics cannot be obtained. Even if the half-width of the diffraction peak is in the above range, when the average particle diameter exceeds 0.5 μm, the lithium iron phosphate particles are coarse even if the crystallinity is sufficient, and thus excellent. Characteristics cannot be obtained.
In addition, the form of the positive electrode active material of the present invention may be aggregate particles (secondary particles) having an average particle diameter of 1 to 60 μm formed by aggregation of the primary particles.

また、一方、前記回折ピーク半価幅が0.1°未満になると、リン酸鉄リチウム粒子が粗大となり、そして、平均粒径が0.05μm未満になると、リン酸鉄リチウム粒子の十分な結晶が得られず、いずれの場合も、正極活物質として優れた特性が得られない。
ここで、回折ピーク半価幅は、粉末X線回折(XRD)装置を用いて、Cu−Kα線による粉末X線回折で測定し、結晶面である(311)面の結晶性を評価している。その技術的意義は、以下のとおりである。
一般に、XRD回折ピークは、結晶性と関係が深く、結晶性が高い(原子配列が規則的な)ほど、回折ピークが高く、かつ幅が狭くなる。また一方、回折ピークは、結晶子の大きさにも影響を受け、結晶子が微細になると、結晶性が悪い状態と同様に、回折ピークが低く、かつ幅が広くなる。さらに、粗大粒子では、多結晶となることが多いが、本発明に係る微細な一次粒子では、単結晶に近い状態となり、結晶子の大きさにより、一次粒子の大きさを評価できる。本発明では、LiFePOで大きな回折ピークが現れる(311)面の回折ピークにより、結晶性と結晶子の大きさを評価している。その結果、回折ピーク半価幅と一次粒子平均径が上記範囲となることにより、微細かつ結晶性に優れた一次粒子が得られることになる。
On the other hand, when the half width of the diffraction peak is less than 0.1 °, the lithium iron phosphate particles are coarse, and when the average particle size is less than 0.05 μm, sufficient crystals of the lithium iron phosphate particles are obtained. In any case, excellent characteristics as a positive electrode active material cannot be obtained.
Here, the half width of the diffraction peak is measured by powder X-ray diffraction using Cu-Kα rays using a powder X-ray diffraction (XRD) apparatus, and the crystallinity of the (311) plane which is a crystal plane is evaluated. Yes. Its technical significance is as follows.
In general, the XRD diffraction peak has a deeper relationship with crystallinity, and the higher the crystallinity (regular atomic arrangement), the higher the diffraction peak and the narrower the width. On the other hand, the diffraction peak is also affected by the size of the crystallite, and when the crystallite becomes fine, the diffraction peak is low and wide as in the state of poor crystallinity. Furthermore, coarse particles are often polycrystalline, but fine primary particles according to the present invention are close to single crystals, and the size of the primary particles can be evaluated by the size of the crystallites. In the present invention, the crystallinity and the size of the crystallite are evaluated by the diffraction peak on the (311) plane where a large diffraction peak appears in LiFePO 4 . As a result, when the half-width of the diffraction peak and the average primary particle diameter are within the above ranges, primary particles having fineness and excellent crystallinity can be obtained.

また、前記一次粒子表面は、リチウム二次電池用正極活物質全量に対して、含有される炭素量で3〜10質量%、好ましくは3〜8質量%の導電性炭素質材料で被覆されていることが好ましい。
本発明の正極活物質を構成するリン酸鉄リチウム粒子は、導電性が低いため、上記範囲の導電性炭素質材料で被覆されることにより、該粒子間で十分な導電性が確保され、正極活物質として、優れた特性が得られる。導電性炭素質材料の被覆量が3質量%未満では、十分な導電性が確保されず、一方、導電性炭素質材料の被覆量が10質量%、好ましくは8質量%を超えると、正極活物質の体積当たりのリン酸鉄リチウム粒子量が減少するため、電池の体積当たりの電池容量が減少して、不利である。
上記導電性炭素質材料(または炭素材料)としては、例えば、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛及び土状黒鉛等の天然黒鉛及び人工黒鉛等の黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維等が挙げられ、これらは1種又は2種以上で用いることができる。この中、ケッチェンブラックが微粒なものを工業的に容易に入手できるため、特に好ましい。
また、上記導電性炭素質材料からなる被覆層は、例えば、上記導電性炭素質材料の他、ショ糖等の炭素を含む有機材料をその原料化合物(前駆体)と混合し、焼成して上記正極活物質を得る際に、有機材料を燃焼させて導電性を有するカーボンを生じさせると共に、該カーボンを正極活物質の粒子に被覆させることにより形成することもできる。
Further, the surface of the primary particles is coated with a conductive carbonaceous material of 3 to 10% by mass, preferably 3 to 8% by mass with respect to the total amount of the positive electrode active material for a lithium secondary battery. Preferably it is.
Since the lithium iron phosphate particles constituting the positive electrode active material of the present invention have low conductivity, coating with a conductive carbonaceous material in the above range ensures sufficient conductivity between the particles, Excellent properties can be obtained as an active material. When the coating amount of the conductive carbonaceous material is less than 3% by mass, sufficient conductivity is not ensured. On the other hand, when the coating amount of the conductive carbonaceous material exceeds 10% by mass, preferably over 8% by mass, the positive electrode active Since the amount of lithium iron phosphate particles per volume of material decreases, the battery capacity per volume of battery decreases, which is disadvantageous.
Examples of the conductive carbonaceous material (or carbon material) include natural graphite such as scaly graphite, scaly graphite and earthy graphite, and graphite such as artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, Examples thereof include carbon blacks such as furnace black, lamp black and thermal black, carbon fibers, and the like, and these can be used alone or in combination of two or more. Among these, those having fine ketjen black are particularly preferable because they can be easily obtained industrially.
In addition, the coating layer made of the conductive carbonaceous material is prepared by mixing, for example, an organic material containing carbon such as sucrose with the raw material compound (precursor) in addition to the conductive carbonaceous material, and firing the mixture. In obtaining the positive electrode active material, the organic material can be burned to produce conductive carbon, and the carbon can be formed by coating the carbon on the positive electrode active material particles.

本発明の正極活物質の不純物としてのナトリウム(Na)含有量は、少ないほど好ましく、0.5質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以下であることがより好ましい。ナトリウム含有量が0.5質量%を超えると、正極活物質中でリン酸ナトリウムとなって、該正極活物質を用いた電池の性能を低下させることがある。   The content of sodium (Na) as an impurity of the positive electrode active material of the present invention is preferably as small as possible, preferably 0.5% by mass or less, and more preferably 0.1% by mass or less. When sodium content exceeds 0.5 mass%, it may become sodium phosphate in a positive electrode active material, and the performance of the battery using this positive electrode active material may be reduced.

上記正極活物質のBET比表面積は、好ましくは10〜100m/g、より好ましくは30〜70m/gである。BET比表面積が10m/g未満の場合は、電池に用いた場合に電解液との反応面積が十分に得られず、高容量とならない。また、BET比表面積が100m/gを超えると、かさ密度が高くなりすぎ、容積が制限される電池材料としては不利である。 The BET specific surface area of the positive electrode active material is preferably 10 to 100 m 2 / g, more preferably 30 to 70 m 2 / g. When the BET specific surface area is less than 10 m 2 / g, when used in a battery, a sufficient reaction area with the electrolytic solution cannot be obtained and the capacity is not increased. Moreover, when the BET specific surface area exceeds 100 m 2 / g, the bulk density becomes too high, which is disadvantageous as a battery material whose volume is limited.

本発明の正極活物質は、正極、負極、セパレータ及びリチウム塩を含有する非水電解質からなるリチウム二次電池の正極活物質として、好適に用いることができ、得られるリチウム二次電池は、高容量で安全性の高いものとなる。
また、上記正極活物質は、公知の他のリチウムコバルト系複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物またはリチウムマンガン系複合酸化物などのリチウム金属複合酸化物と併用して用いることにより、従来のリチウム二次電池の安全性を、更に向上させることができる。この場合、併用する上記他のリチウム金属複合酸化物は、特に制限されるものではなく、一般的なものを用いることができる。
The positive electrode active material of the present invention can be suitably used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt. High capacity and safety.
The positive electrode active material is used in combination with other known lithium cobalt composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium metal composite oxide such as lithium manganese composite oxide, and so on. The safety of the secondary battery can be further improved. In this case, the other lithium metal composite oxide used in combination is not particularly limited, and a general one can be used.

2.リチウム二次電池用正極活物質前駆体
本発明のリチウム二次電池用正極活物質前駆体(以下、単に本発明の前駆体と記載することがある)は、上記正極活物質の原料として用いられるものであって、2価の鉄塩とリン酸を含有する混合水溶液(a)と、水酸化リチウムを含有するリチウム水溶液(b)とを混合して、リチウム鉄リン酸組成物を晶析させることによって得られ、且つX線回析において、該リチウム鉄リン酸組成物に由来する回折ピークが未検出の状態であることを特徴とする。
2. Positive electrode active material precursor for lithium secondary battery The positive electrode active material precursor for lithium secondary battery of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as the precursor of the present invention) is used as a raw material for the positive electrode active material. A mixed aqueous solution (a) containing a divalent iron salt and phosphoric acid and a lithium aqueous solution (b) containing lithium hydroxide are mixed to crystallize a lithium iron phosphate composition. And the diffraction peak derived from the lithium iron phosphate composition is in an undetected state in X-ray diffraction.

本発明の前駆体は、一次粒子の平均粒径が0.05μm以下であり、また、X線回析において前記リチウム鉄リン酸組成物に由来する回折ピークが未検出の状態にあることが重要な意義を持つ。
すなわち、前記前駆体は、非晶質の状態にあり、反応性に優れ、低温での焼成により、容易に結晶化して、上記微細なリン酸鉄リチウム粒子が生成する。ここで、上記回折ピークが未検出の状態とは、ピークがブロードな状態となり、回折角が特定されない状態、すなわち、X線回析装置で機械的に検出されない状態にあることを意味する。一方、上記回折ピークが検出されるような結晶性の高い前駆体は、リン酸鉄リチウム粒子を生成させるためには、反応性が低く、高温での焼成が必要となり、該粒子も粗大化する。
In the precursor of the present invention, it is important that the average particle size of primary particles is 0.05 μm or less, and that a diffraction peak derived from the lithium iron phosphate composition is not detected in X-ray diffraction. With significant significance.
That is, the precursor is in an amorphous state, excellent in reactivity, and easily crystallized by firing at a low temperature to produce the fine lithium iron phosphate particles. Here, the state where the diffraction peak is not detected means that the peak is in a broad state and the diffraction angle is not specified, that is, a state where it is not mechanically detected by the X-ray diffraction apparatus. On the other hand, a precursor with high crystallinity that can detect the diffraction peak has low reactivity and requires firing at a high temperature to produce lithium iron phosphate particles, and the particles also become coarse. .

上記前駆体は、オリビン構造が形成されてなく、非晶質的な構造を持っているが、一部にFe(POやLiPOの結晶性ピークが弱く見られる場合がある。しかし、この場合においても、極めて微細に各相が分散しているため、反応性は高い。 Although the olivine structure is not formed and the precursor has an amorphous structure, the crystalline peak of Fe 3 (PO 4 ) 2 or Li 3 PO 4 may be weakly observed in some cases. is there. However, even in this case, each phase is very finely dispersed, so that the reactivity is high.

上記前駆体は、2価の鉄塩とリン酸を含有する混合水溶液(a)と、水酸化リチウムを含有するリチウム水溶液(b)とを混合して、中和晶析させることによって得られる。中和晶析することにより、前駆体を構成する成分が均一に混合され、かつ結晶性および粒子径の制御も、容易に行うことができる。
したがって、上記前駆体は、例えば、リン酸鉄とリン酸リチウムを混合した前駆体とは異なり、上記正極活物質の目標組成を有し、成分の均一性および反応性に優れるため、上記混合による前駆体の焼成温度よりも、低い熱処理温度でオリビン構造を得ることができ、リン酸鉄リチウム粒子の粗大化、焼結を抑制できる。
The precursor is obtained by mixing a mixed aqueous solution (a) containing a divalent iron salt and phosphoric acid and a lithium aqueous solution (b) containing lithium hydroxide and neutralizing and crystallization. By neutralizing crystallization, the components constituting the precursor are uniformly mixed, and the crystallinity and particle diameter can be easily controlled.
Therefore, the precursor is different from, for example, a precursor in which iron phosphate and lithium phosphate are mixed, has the target composition of the positive electrode active material, and is excellent in uniformity and reactivity of the components. An olivine structure can be obtained at a heat treatment temperature lower than the firing temperature of the precursor, and coarsening and sintering of lithium iron phosphate particles can be suppressed.

本発明の前駆体は、高純度が要求されるリチウム電池正極材料の製造原料として用いられるため、高純度が要求される。特に、上記正極活物質のナトリウム含有量が0.5質量%以下であることが好ましいため、本発明の前駆体のナトリウム含有量も、0.5質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以下であることがより好ましい。前駆体のナトリウム含有量が0.5質量%を超えると、前駆体から正極活物質中を生成させる過程で、ナトリウムを除去する工程が必要となり、ナトリウム除去の工程を採用しない場合には、上記正極活物質のナトリウム含有量が0.5質量%を超えることがある。   Since the precursor of the present invention is used as a raw material for producing a positive electrode material for a lithium battery that requires high purity, high purity is required. In particular, since the sodium content of the positive electrode active material is preferably 0.5% by mass or less, the sodium content of the precursor of the present invention is also preferably 0.5% by mass or less. It is more preferable that the amount is not more than mass%. When the sodium content of the precursor exceeds 0.5% by mass, a step of removing sodium is required in the process of generating the positive electrode active material from the precursor, and when the step of removing sodium is not employed, The sodium content of the positive electrode active material may exceed 0.5% by mass.

3.リチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造法
本発明の前駆体の製造方法は、2価の鉄塩とリン酸を含有する混合水溶液(a)と、水酸化リチウムを含有するリチウム水溶液(b)とを混合して、反応水溶液(c)を形成し、該リチウム水溶液(b)により、混合後の該反応水溶液(c)をpH8〜9の範囲となるように、制御して反応させることにより、リチウム鉄リン酸組成物を晶析させる晶析工程、および該リチウム鉄リン酸組成物を水洗後、非酸化性雰囲気中で乾燥させる乾燥工程からなることを特徴とする。
以下、工程毎に説明する。
3. Method for Producing Positive Electrode Active Material Precursor for Lithium Secondary Battery A method for producing a precursor of the present invention comprises a mixed aqueous solution (a) containing a divalent iron salt and phosphoric acid, and a lithium aqueous solution containing lithium hydroxide ( b) to form a reaction aqueous solution (c), and the lithium aqueous solution (b) causes the reaction aqueous solution (c) after mixing to be controlled so as to be in the range of pH 8-9. Thus, the method comprises a crystallization step of crystallizing a lithium iron phosphate composition, and a drying step of drying the lithium iron phosphate composition in a non-oxidizing atmosphere after washing with water.
Hereinafter, it demonstrates for every process.

(1)晶析工程
本発明の前駆体は、微細構造を有するとともに低結晶性であるため、中和晶析法を用いることが最適であり、その晶析条件を制御することにより、得られる。
晶析工程においては、2価の鉄塩とリン酸を含有する混合水溶液(a)と、水酸化リチウムを含有するリチウム水溶液(b)とを混合することにより、上記正極活物質の目標組成を有し、均一に成分が混合された反応水溶液(c)を形成することができる。
ここで、先ず、2価の鉄塩とリン酸を含有する混合水溶液(a)を調製するが、2価の鉄塩もしくはリン酸と、上記リチウム水溶液(b)とを先に混合すると、反応生成物が生じるため、その後に未混合の2価の鉄塩もしくはリン酸と混合しても、成分的に均一に混合された前駆体が得られない。
(1) Crystallization Step Since the precursor of the present invention has a fine structure and low crystallinity, it is optimal to use a neutralization crystallization method, and is obtained by controlling the crystallization conditions. .
In the crystallization step, the target composition of the positive electrode active material is obtained by mixing a mixed aqueous solution (a) containing a divalent iron salt and phosphoric acid and a lithium aqueous solution (b) containing lithium hydroxide. And a reaction aqueous solution (c) in which the components are uniformly mixed can be formed.
Here, first, a mixed aqueous solution (a) containing a divalent iron salt and phosphoric acid is prepared. When the divalent iron salt or phosphoric acid and the lithium aqueous solution (b) are mixed first, a reaction is performed. Since a product is formed, even if it is mixed with an unmixed divalent iron salt or phosphoric acid after that, a precursor that is uniformly mixed in components cannot be obtained.

具体的には、先ず、リン酸を2価の鉄塩中の鉄原子に対するモル比で、目的物であるリン酸鉄リチウム(LiFePO)の組成に合わせ、好ましくは0.9〜1.1、より好ましくは0.95〜1.05となるように、2価の鉄塩とリン酸を溶解して、上記混合水溶液(a)を調製する。
ここで、該混合水溶液の濃度は、2価の鉄塩とリン酸を溶解できる濃度であれば、特に制限はないが、2価の鉄塩の濃度で0.1モル/L以上とすることが好ましく、0.5〜1.0モル/Lとすることがより好ましい。
一方、上記リチウム水溶液(b)は、上記混合後の反応水溶液(c)の成分がLiFePOの組成となるように、リチウム含有量を調整するが、2価の鉄塩中の鉄原子に対するモル比で、好ましくは0.8〜1.2、より好ましくは0.95〜1.1とすることが望ましい。
Specifically, first, phosphoric acid is used in a molar ratio with respect to iron atoms in the divalent iron salt in accordance with the composition of the target lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), preferably 0.9 to 1.1. More preferably, the mixed aqueous solution (a) is prepared by dissolving a divalent iron salt and phosphoric acid so as to be 0.95 to 1.05.
Here, the concentration of the mixed aqueous solution is not particularly limited as long as it can dissolve the divalent iron salt and phosphoric acid, but the concentration of the divalent iron salt should be 0.1 mol / L or more. Is preferable, and it is more preferable to set it as 0.5-1.0 mol / L.
On the other hand, in the lithium aqueous solution (b), the lithium content is adjusted so that the component of the reaction aqueous solution (c) after the mixing has a composition of LiFePO 4 , but the molar amount relative to the iron atom in the divalent iron salt is adjusted. The ratio is preferably 0.8 to 1.2, more preferably 0.95 to 1.1.

前記2価の鉄塩としては、例えば、硫酸第一鉄、塩化第一鉄、酢酸鉄、蓚酸鉄等が挙げられ、これらの中から少なくとも1種もしくはその混合物を用いることができ、また、これらは含水物であっても無水物であってもよい。これらの中では、硫酸第一鉄7水和物(FeSO・7HO)が工業的に容易に入手することができ、安価であるため、特に好ましい。 Examples of the divalent iron salt include ferrous sulfate, ferrous chloride, iron acetate, iron oxalate, and the like, and at least one of them or a mixture thereof can be used. May be hydrated or anhydrous. Among these, ferrous sulfate heptahydrate (FeSO 4 · 7H 2 O) is particularly preferable because it is easily available industrially and is inexpensive.

このように、晶析工程において、組成の調整を行うことにより、目的物であるLiFePOの均一な組成分布を持つ前駆体が得られることが、本発明の前駆体の製造方法の大きな特徴である。このため、後工程で成分調整のために、原料を追加して焼成時に固相反応を行わせる必要がなく、焼成温度の低温化が可能となる。
前記混合水溶液(a)は、鉄およびリン酸を含有する酸性溶液であり、リチウムを含有する前記リチウム水溶液(b)と混合して、上記反応水溶液(c)を形成することで、中和され、晶析反応により、上記前駆体が生成する。
上記晶析時は、水酸化リチウム又はリチウム水溶液(b)の添加により、反応水溶液(c)をpH8〜9の範囲に制御する。pH8未満の酸性または中性領域で反応させると、リチウムが沈澱し難く、一方、pH9を超える高アルカリ領域では、Feが水酸化物化してしまい、均一に混合されたリチウム鉄リン酸組成物が得られない。pH8〜9の範囲で、反応水溶液(c)を反応させることにより、リチウムとFeがリン酸塩として晶出し、目的組成であるLiFePO組成のリチウム鉄リン酸組成物を得ることができる。
Thus, in the crystallization process, by adjusting the composition, a precursor having a uniform composition distribution of the target product, LiFePO 4 , is obtained, which is a major feature of the precursor manufacturing method of the present invention. is there. For this reason, it is not necessary to add a raw material and perform a solid-phase reaction at the time of baking for component adjustment in a post process, and the baking temperature can be lowered.
The mixed aqueous solution (a) is an acidic solution containing iron and phosphoric acid and is neutralized by mixing with the lithium aqueous solution (b) containing lithium to form the reaction aqueous solution (c). The precursor is generated by the crystallization reaction.
At the time of the crystallization, the reaction aqueous solution (c) is controlled in the range of pH 8-9 by adding lithium hydroxide or an aqueous lithium solution (b). When the reaction is carried out in an acidic or neutral region of less than pH 8, lithium is difficult to precipitate, while in a highly alkaline region of more than pH 9, Fe is hydroxideized, and a uniformly mixed lithium iron phosphate composition is obtained. I can't get it. By reacting the reaction aqueous solution (c) in the range of pH 8 to 9, lithium and Fe crystallize as a phosphate, and a lithium iron phosphate composition having a target composition of LiFePO 4 can be obtained.

上記pHの制御は、水酸化リチウム又はリチウム水溶液(b)の添加により行うが、補助的なpHの調整に、他の無機アルカリなどを併用することができる。無機アルカリとしては、水酸化ナトリウムが、工業的に入手が容易で安価であり、好ましい。しかしながら、水酸化リチウム又リチウム水溶液(b)のみを用いる場合には、得られる前駆体中に、ナトリウムが実質的に含有されない状態とすることができるが、水酸化ナトリウムを用いた場合には、該前駆体中に、ナトリウムが残留することがある。このため、上記pHの調整に用いる水酸化ナトリウムの量は、上記pHの範囲内となるように、最小限度とすることが好ましい。   The pH is controlled by adding lithium hydroxide or an aqueous lithium solution (b), but other inorganic alkalis can be used in combination for auxiliary pH adjustment. As the inorganic alkali, sodium hydroxide is preferred because it is industrially easily available and inexpensive. However, when only lithium hydroxide or an aqueous lithium solution (b) is used, the resulting precursor can be made substantially free of sodium, but when sodium hydroxide is used, Sodium may remain in the precursor. For this reason, it is preferable that the amount of sodium hydroxide used for the adjustment of the pH is set to a minimum so as to be within the range of the pH.

上記混合水溶液(a)とリチウム水溶液(b)の混合方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、いずれかの原料水溶液に、他方の原料水溶液を添加するシングルジェット法、また、両水溶液を同時に反応系に添加するダブルジェット法を用いることができる。シングルジェット法を用いる場合は、上記混合後の反応水溶液(c)のpHが8〜9となるように調整すればよい。一方、ダブルジェット法では、予めpHを調整した反応系内に上記両水溶液を同時添加するが、一方の水溶液の流量を一定として、除々に反応系内に導入し、pHコントローラで他方の水溶液の流量を調整する方法が、安定した品質のものを得るために好ましい。   The mixing method of the mixed aqueous solution (a) and the lithium aqueous solution (b) is not particularly limited. For example, the single jet method in which the other raw material aqueous solution is added to one raw material aqueous solution, or both aqueous solutions. A double jet method in which can be simultaneously added to the reaction system can be used. When the single jet method is used, the reaction aqueous solution (c) after mixing may be adjusted to have a pH of 8-9. On the other hand, in the double jet method, both the aqueous solutions are added simultaneously into a reaction system whose pH has been adjusted in advance. However, the flow rate of one aqueous solution is kept constant and gradually introduced into the reaction system. A method of adjusting the flow rate is preferable in order to obtain a stable quality.

上記シングルジェット法であれば、アルカリにpH調整され、リチウムが存在する反応系内、すなわちリチウム水溶液(b)に、LiFePOの組成と同じ比率で、鉄とリンが共存する混合水溶液(a)を添加することにより、均一にリン酸の解離が起こり、これと周囲に所定比で共存するリチウムイオンおよび鉄イオンと反応して、均一に目標組成であるLiFePOの平均組成を持つ前駆体が生じる。このような前駆体は、組成が極めて均一であるために、反応性のよいものとなると、考えられる。
また、上記ダブルジェット法においても、一定のpHに制御された反応水溶液中で、上記両水溶液が接触することにより、同様の反応が起こると考えられる。ダブルジェット法は、混合中のpHを常に上記pHの範囲に制御することが可能であり、Fe(POやLiPO等の異相の晶析のおそれがなく、均一に混合されたリチウム鉄リン酸組成物が得られるため、好ましい。上記混合中のpHを常に上記pHの範囲に制御するためには、予め混合前の水溶液のpHを8〜9に制御しておくことが好ましく、pH制御は、水酸化リチウムの添加によって行うことが好ましい。
In the case of the single jet method, a mixed aqueous solution (a) in which iron and phosphorus coexist in the reaction system in which lithium is present and in the reaction system where lithium is present, that is, in the lithium aqueous solution (b) at the same ratio as the composition of LiFePO 4. The phosphoric acid dissociates uniformly and reacts with the lithium ions and iron ions coexisting in a predetermined ratio with the surroundings, so that a precursor having an average composition of LiFePO 4 that is the target composition is uniformly obtained. Arise. Such a precursor is considered to be highly reactive due to its extremely uniform composition.
Also in the double jet method, it is considered that the same reaction occurs when the two aqueous solutions come into contact with each other in a reaction aqueous solution controlled to a constant pH. In the double jet method, the pH during mixing can always be controlled within the above pH range, and there is no possibility of crystallization of different phases such as Fe 3 (PO 4 ) 2 or Li 3 PO 4 , and mixing is performed uniformly. Since the obtained lithium iron phosphate composition is obtained, it is preferable. In order to always control the pH during mixing to the above pH range, it is preferable to control the pH of the aqueous solution before mixing to 8 to 9 in advance, and pH control is performed by adding lithium hydroxide. Is preferred.

上記晶析時の反応温度は、特に限定されるものではなく、通常は5〜80℃、好ましくは15〜40℃である。反応温度が5℃未満であると、反応水溶液中での鉄の溶解度が低いため、水酸化鉄(Fe(OH))等の異相が晶析することがある。一方、反応温度が80℃を超えると、鉄の酸化が起こり、酸化鉄等の異相が晶析することがある。
また、上記晶析時の雰囲気としては、大気雰囲気でも可能であるが、鉄の酸化が起こりやすく、酸化鉄(FeO)等の異相が晶析することがある。このため、非酸化性雰囲気とすることが好ましく、窒素などの不活性ガス雰囲気中で、反応を行うことがより好ましい。
上記晶析工程に用いられる装置としては、反応を均一に生じさせるため、撹拌装置付の反応槽が好ましく、晶析時の雰囲気制御を可能とするため、密閉構造を有するものとすることがより好ましい。
晶析反応終了後、ろ過、遠心分離などにより、固液分離して、リチウム鉄リン酸組成物を回収する。
The reaction temperature at the time of the crystallization is not particularly limited, and is usually 5 to 80 ° C, preferably 15 to 40 ° C. If the reaction temperature is less than 5 ° C., the solubility of iron in the reaction aqueous solution is low, so that a foreign phase such as iron hydroxide (Fe (OH) 2 ) may crystallize. On the other hand, when the reaction temperature exceeds 80 ° C., iron is oxidized and a foreign phase such as iron oxide may be crystallized.
The atmosphere for the crystallization may be an air atmosphere, but iron is likely to be oxidized, and a foreign phase such as iron oxide (FeO) may be crystallized. For this reason, it is preferable to set it as a non-oxidizing atmosphere, and it is more preferable to react in inert gas atmosphere, such as nitrogen.
As an apparatus used for the crystallization step, a reaction vessel with a stirrer is preferable in order to cause the reaction to occur uniformly, and in order to control the atmosphere during crystallization, it is preferable to have a sealed structure. preferable.
After completion of the crystallization reaction, the lithium iron phosphate composition is recovered by solid-liquid separation by filtration, centrifugation, or the like.

(2)乾燥工程
乾燥工程では、不純物を除去するため、上記晶析工程で得られたリチウム鉄リン酸組成物を十分に水洗した後、乾燥させる。特に、晶析工程において、pH調整のため、水酸化ナトリウムを用いた場合には、ナトリウム含有量が0.5質量%以下となるまで、水で十分に洗浄することが好ましい。
ここで、上記リチウム鉄リン酸組成物は、微細でかつ非晶質的な構造を持っているため、水洗により、ナトリウムが容易に除去可能である。
(2) Drying step In the drying step, the lithium iron phosphate composition obtained in the crystallization step is sufficiently washed with water and then dried in order to remove impurities. In particular, when sodium hydroxide is used for pH adjustment in the crystallization step, it is preferable to sufficiently wash with water until the sodium content is 0.5% by mass or less.
Here, since the lithium iron phosphate composition has a fine and amorphous structure, sodium can be easily removed by washing with water.

晶析工程で得られたリチウム鉄リン酸組成物は、乾燥時に酸化しやく、鉄が2価から酸化すると、後工程の熱処理によって、LiFePOを得ることが困難となる。
このため、洗浄後の乾燥は、非酸化性雰囲気中で行う。非酸化性雰囲気中であれば、特に限定されるものではないが、不活性雰囲気中または真空雰囲気中で行うこと好ましい。
また、乾燥温度は、酸化が抑制可能な範囲であればよく、250℃以下とすることが好ましく、100℃以下とすることがより好ましい。一方、35℃未満では、乾燥に時間がかかるため、好ましくない。
The lithium iron phosphate composition obtained in the crystallization step is easily oxidized during drying, and when iron is oxidized from divalent, it becomes difficult to obtain LiFePO 4 by a heat treatment in a subsequent step.
For this reason, drying after washing is performed in a non-oxidizing atmosphere. Although it will not specifically limit if it is in a non-oxidizing atmosphere, It is preferable to carry out in an inert atmosphere or a vacuum atmosphere.
Moreover, the drying temperature should just be the range which can suppress oxidation, it is preferable to set it as 250 degrees C or less, and it is more preferable to set it as 100 degrees C or less. On the other hand, if it is less than 35 ° C., it takes time to dry, which is not preferable.

一方、酸化を抑制できる温度範囲では、大気雰囲気中で乾燥させることも、可能である。大気雰囲気の場合、乾燥温度は、35〜50℃とすることが好ましく、40〜50℃で行うことがより好ましい。35℃未満では、乾燥に時間がかかり、一方、50℃を超えると、2価の鉄の酸化が起こることがある。
また、乾燥工程で用いる装置は、静置式または流動床式等の撹拌式のいずれの乾燥装置でも可能であるが、鉄の酸化を抑制するため、雰囲気制御可能な乾燥装置とすることが好ましい。
On the other hand, in the temperature range where oxidation can be suppressed, drying in an air atmosphere is also possible. In the case of an air atmosphere, the drying temperature is preferably 35 to 50 ° C, more preferably 40 to 50 ° C. If it is less than 35 ° C., drying takes time. On the other hand, if it exceeds 50 ° C., oxidation of divalent iron may occur.
The apparatus used in the drying step can be either a stationary type or a stirring type drying apparatus such as a fluidized bed type. However, in order to suppress iron oxidation, it is preferable to use a drying apparatus capable of controlling the atmosphere.

4.リチウム二次電池用正極活物質の製造法
本発明の正極活物質の製造方法は、上記前駆体を、導電性炭素質材料生成物と混合して、混合物とした後、不活性または還元雰囲気中において、350〜700℃で加熱して、熱処理するものである。
4). Method for producing positive electrode active material for lithium secondary battery The method for producing a positive electrode active material according to the present invention comprises mixing the above precursor with a conductive carbonaceous material product to form a mixture, and then in an inert or reducing atmosphere. In this, heat treatment is performed by heating at 350 to 700 ° C.

リン酸鉄リチウム(LiFePO)は、導電性が低く、リチウム二次電池の正極活物質として、好適なものとするためには、LiFePOの粒子表面を導電性炭素質材料(または導電性炭素材料)で被覆する必要がある。
このため、上記熱処理前に、上記前駆体を、導電性炭素質材料生成物(導電性炭素質材料を生成する物質を意味する。)と混合する。用いる導電性炭素質材料(または炭素材料)生成物としては、前記したように、例えば、天然黒鉛、人工黒鉛等の黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維、ショ糖、アスコルビン酸その他、分解によって炭素質を生じる有機化合物等が挙げられ、これらは1種又は2種以上で用いることができる。この中で、アセチレンブラック、ショ糖は、導電性炭素材料による被覆を容易に形成でき、工業的に入手も容易であるため、特に好ましい。
また、導電性炭素材料に含まれる炭素原子の量は、熱処理により、導電性炭素材料生成物より減少する傾向がある。このため、導電性炭素材料生成物の配合量は、熱処理後に含有される炭素量に対して、質量比で40〜100%多くすることが好ましく、50〜100%多くすることがより好ましい。
Lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) has low conductivity, and in order to make it suitable as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, the surface of the LiFePO 4 particles is made of a conductive carbonaceous material (or conductive carbon). Material).
For this reason, before the said heat processing, the said precursor is mixed with a conductive carbonaceous material product (it means the substance which produces | generates a conductive carbonaceous material). Examples of the conductive carbonaceous material (or carbon material) product to be used include, as described above, natural graphite, graphite such as artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black and ketjen black, carbon fiber, sucrose, Examples include ascorbic acid and other organic compounds that generate carbonaceous matter by decomposition, and these can be used alone or in combination of two or more. Among them, acetylene black and sucrose are particularly preferable because they can be easily formed with a conductive carbon material and are easily available industrially.
Further, the amount of carbon atoms contained in the conductive carbon material tends to be smaller than that of the conductive carbon material product by heat treatment. For this reason, it is preferable to make the compounding quantity of an electroconductive carbon material product increase 40-100% by mass ratio with respect to the carbon content contained after heat processing, and it is more preferable to increase 50-100%.

上記混合は、上記前駆体と導電性炭素質材料生成物が均一に混合されるように、ブレンダー等を用いて、乾式で十分に行うことが好ましい。   The mixing is preferably sufficiently performed dry using a blender or the like so that the precursor and the conductive carbonaceous material product are uniformly mixed.

また、上記前駆体を、熱処理前、すなわち上記混合の前後において、乾式または湿式粉砕することが好ましい。粉砕することによって、その後の熱処理で得られる正極活物質がより微細となるとともに、微細なLiFePOの粒子表面を、導電性炭素材料で均一に被覆することができるため、電池の正極材に用いられた場合における放電容量を向上させることができる。導電性炭素材料で均一に被覆させるためには、上記混合後に粉砕を行うか、または混合と粉砕を同時に行うことがより好ましい。
上記粉砕は、容器中に上記前駆体または混合物とボール、ビーズ等の粉砕媒体を入れ、該媒体同士を衝突させることで、主として該媒体の剪断・摩擦作用によって行うことが好ましい。粉砕媒体を用いた混合により、混合と粉砕を同時に行うことができる。
用いることができる粉砕機としては、転動ボールミル、振動ミル、遊星ミル、媒体攪拌ミルなどせん断力を有する粉砕機が好ましい。このような装置としては、市販されているものを利用することができる。
The precursor is preferably dry-type or wet-ground before the heat treatment, that is, before and after the mixing. By pulverizing, the positive electrode active material obtained by the subsequent heat treatment becomes finer and the surface of the fine LiFePO 4 particles can be uniformly coated with the conductive carbon material. In this case, the discharge capacity can be improved. In order to uniformly coat with the conductive carbon material, it is more preferable to perform pulverization after the mixing or to perform mixing and pulverization simultaneously.
The pulverization is preferably performed mainly by the shearing and frictional action of the medium by putting the precursor or mixture and a pulverizing medium such as balls and beads in a container and causing the media to collide with each other. By mixing using a grinding medium, mixing and grinding can be performed simultaneously.
As the pulverizer that can be used, a pulverizer having a shearing force such as a rolling ball mill, a vibration mill, a planetary mill, or a medium stirring mill is preferable. As such an apparatus, a commercially available apparatus can be used.

上記粉砕媒体の粒径は、1〜15mmであると、粉砕が十分に行えるため、好ましい。また、該媒体の材質は、ジルコニア、アルミナのセラミックであることが、硬度が高く、耐摩耗性が高いこと及び被砕物の金属汚染を防止することができることから、好ましい。
また、前記粉砕媒体は、空間容積50〜90%で容器内に粉砕媒体を収納し、流動媒体による剪断力と摩擦力を適切に管理するため、粉砕機の運転条件を適宜調整して、粉砕処理することが好ましい。
It is preferable that the particle size of the pulverization medium is 1 to 15 mm because pulverization can be sufficiently performed. Moreover, it is preferable that the material of the medium is zirconia or alumina ceramic because it has high hardness, high wear resistance, and metal contamination of the material to be crushed can be prevented.
Further, the pulverization medium contains the pulverization medium in a container with a space volume of 50 to 90%, and appropriately manages the shearing force and frictional force due to the fluid medium. It is preferable to process.

さらに、本発明の正極活物質の製造方法においては、必要に応じて、上記熱処理前に上記混合物を加圧成形処理して、更に、前駆体と導電性炭素質材料生成物の接触面積を高めると、放電容量とサイクル特性をより向上させることができる。加圧成形処理のプレス成形機は、ハンドプレス、打錠機、ブリケットマシン、ローラコンパクター等を好適に使用できるが、材料のプレスが可能であるものであれば、特に制限はなく、用いることができる。   Furthermore, in the method for producing a positive electrode active material of the present invention, if necessary, the mixture is pressure-molded before the heat treatment to further increase the contact area between the precursor and the conductive carbonaceous material product. In addition, the discharge capacity and cycle characteristics can be further improved. As the press molding machine for pressure molding, a hand press, a tableting machine, a briquette machine, a roller compactor, and the like can be suitably used. it can.

次いで、上記前駆体と導電性炭素質材料生成物の混合物を熱処理する。熱処理温度は、350〜700℃、好ましくは450〜650℃である。
本発明の正極活物質の製造方法において、この熱処理温度を上記範囲とすることにより、得られる正極活物質を用いたリチウム二次電池は、放電容量及び充電サイクル特性を向上させることができる。熱処理温度が350℃未満では、結晶構造が十分に発達せず、一方、700℃を超えると、焼結が進行して、粒子成長が起こり、粗大粒子となる。
Next, the mixture of the precursor and the conductive carbonaceous material product is heat-treated. The heat treatment temperature is 350 to 700 ° C, preferably 450 to 650 ° C.
In the method for producing a positive electrode active material of the present invention, by setting the heat treatment temperature within the above range, the lithium secondary battery using the obtained positive electrode active material can improve the discharge capacity and the charge cycle characteristics. When the heat treatment temperature is less than 350 ° C., the crystal structure is not sufficiently developed. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 700 ° C., the sintering proceeds and particle growth occurs, resulting in coarse particles.

また、熱処理時間は、2〜20時間とすることが好ましく、5〜10時間とすることがより好ましい。熱処理は、鉄の酸化を抑制するため、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中または水素や一酸化炭素等の還元雰囲気中のいずれかで行うが、操作時の安全性の面で、窒素、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。また、これらの熱処理は、必要により、複数回に分けて行うことができる。   The heat treatment time is preferably 2 to 20 hours, and more preferably 5 to 10 hours. The heat treatment is performed either in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon or in a reducing atmosphere such as hydrogen or carbon monoxide in order to suppress iron oxidation, but in terms of safety during operation, nitrogen, It is preferable to carry out in an inert gas atmosphere such as argon gas. Moreover, these heat processing can be performed in multiple steps as needed.

上記熱処理後は、適宜冷却し、必要に応じて、さらに粉砕または分級することにより、微細なLiFePOの粒子表面を導電性炭素材料で均一に被覆した正極活物質を得ることができる。
なお、鉄の酸化を抑制するため、上記冷却は、上記不活性ガス雰囲気または還元雰囲気中で行うことが好ましい。
After the above heat treatment, a positive electrode active material in which the surface of fine LiFePO 4 particles is uniformly coated with a conductive carbon material can be obtained by appropriately cooling and further pulverizing or classifying as necessary.
In order to suppress iron oxidation, the cooling is preferably performed in the inert gas atmosphere or the reducing atmosphere.

以下に、本発明の実施例によって、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。なお、実施例で用いた原材料は、市販の試薬特級を用い、試料の分析および評価は、以下の方法により行った。   EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples of the present invention, but the present invention is not limited to these examples. The raw materials used in the examples were commercially available reagent grades, and the samples were analyzed and evaluated by the following methods.

(1)元素金属の分析:
ICP発光分析装置(VARIAN社、725ES)を用いて、ICP発光分析法により分析した。
(2)X線回折:
粉末X線回折装置(PANALYTICAL社製、X‘Pert PRO MRD)を用いて、Cu−Kα線による粉末X線回折で測定した。
(3)平均粒径:
電子顕微鏡観察により、50個の一次粒子の粒径を測定して個数で平均することにより求めた。
(4)炭素(C)含有量:
炭素分析計(LECO社製)を用いて測定した。
(1) Analysis of elemental metals:
Analysis was performed by ICP emission analysis using an ICP emission analyzer (Varian, 725ES).
(2) X-ray diffraction:
Using a powder X-ray diffractometer (manufactured by PANALYTICAL, X'Pert PRO MRD), measurement was performed by powder X-ray diffraction using Cu-Kα rays.
(3) Average particle size:
It was determined by measuring the particle size of 50 primary particles by electron microscope observation and averaging the number.
(4) Carbon (C) content:
It measured using the carbon analyzer (made by LECO).

(前駆体の合成)
[実施例1]
硫酸第一鉄7水和物(FeSO・7HO)278g(1モル)と80質量%リン酸(HPO)115g(1モル)を水1Lに溶解させ、混合水溶液(a)を作製した。一方、水酸化リチウム24g(1モル)を水1Lに溶解してリチウム水溶液(b)を作製した。
窒素雰囲気中に設置した反応槽内に純水を入れ、水酸化リチウムを添加して、pH8.5になるように調整した後、上記混合水溶液(a)を20ml/分の速度で滴下しながら、pH8.5を保持するように、上記リチウム水溶液(b)を添加することにより、反応水溶液(c)中で反応させてリチウム鉄リン酸組成物の晶出物を得た。
次に、ろ過して上記リチウム鉄リン酸組成物を回収し、これを純水2Lで入念に洗浄した。さらに、洗浄後の上記リチウム鉄リン酸組成物を、真空中60℃で12時間乾燥し、前駆体155gを得た(収率98%)。
得られた前駆体のLi、Fe、Pのモル比は、1.0:1.0:1.0であった。また、得られた前駆体をX線回折で分析したところ、ブロードなピークが認められたが、ピークが示す物質の特定は困難であった。
(Precursor synthesis)
[Example 1]
278 g (1 mol) of ferrous sulfate heptahydrate (FeSO 4 .7H 2 O) and 115 g (1 mol) of 80% by mass phosphoric acid (H 3 PO 4 ) are dissolved in 1 L of water, and a mixed aqueous solution (a) Was made. On the other hand, 24 g (1 mol) of lithium hydroxide was dissolved in 1 L of water to prepare an aqueous lithium solution (b).
Pure water is placed in a reaction vessel installed in a nitrogen atmosphere, lithium hydroxide is added to adjust the pH to 8.5, and then the mixed aqueous solution (a) is added dropwise at a rate of 20 ml / min. By adding the lithium aqueous solution (b) so as to maintain pH 8.5, the reaction was carried out in the reaction aqueous solution (c) to obtain a crystallized product of a lithium iron phosphate composition.
Next, the lithium iron phosphate composition was recovered by filtration, and this was carefully washed with 2 L of pure water. Furthermore, the lithium iron phosphate composition after washing was dried in a vacuum at 60 ° C. for 12 hours to obtain 155 g of a precursor (yield 98%).
The molar ratio of Li, Fe, and P of the obtained precursor was 1.0: 1.0: 1.0. Moreover, when the obtained precursor was analyzed by X-ray diffraction, a broad peak was observed, but it was difficult to identify the substance indicated by the peak.

[実施例2]
実施例1と同様に、混合水溶液(a)とリチウム水溶液(b)を作製した。
次に、リチウム水溶液(b)に混合水溶液(a)を20ml/分の速度で滴下して、反応水溶液(c)を形成し、pHが8になった時点で、1mol%水酸化ナトリウム水溶液を滴下し、反応水溶液(c)のpHが8.1になるように維持しながら、混合水溶液(a)の添加を終了し、リチウム鉄リン酸組成物の晶析物を得た。
次に、ろ過して上記リチウム鉄リン酸組成物を回収し、これを純水2Lで入念に洗浄した。さらに、洗浄後の上記リチウム鉄リン酸組成物を、真空中60℃で12時間乾燥し、前駆体153gを得た(収率98%)。
得られた前駆体のLi、Fe、Pのモル比は、0.98:1.0:1.0であった。また、得られた乾燥品をX線回折で分析したところ、ブロードなピークが認められたが、ピークが示す物質の特定は困難であった。なお、前記前駆体のナトリウム含有量を原子吸光法で測定したところ、0.1質量%以下であることが確認された。
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, a mixed aqueous solution (a) and a lithium aqueous solution (b) were prepared.
Next, the mixed aqueous solution (a) is dropped into the lithium aqueous solution (b) at a rate of 20 ml / min to form a reaction aqueous solution (c). When the pH reaches 8, 1 mol% aqueous sodium hydroxide solution is added. The dropwise addition was performed, and the addition of the mixed aqueous solution (a) was completed while maintaining the pH of the aqueous reaction solution (c) at 8.1, whereby a crystallized product of the lithium iron phosphate composition was obtained.
Next, the lithium iron phosphate composition was recovered by filtration, and this was carefully washed with 2 L of pure water. Furthermore, the lithium iron phosphate composition after washing was dried in a vacuum at 60 ° C. for 12 hours to obtain 153 g of a precursor (yield 98%).
The molar ratio of Li, Fe, and P of the obtained precursor was 0.98: 1.0: 1.0. Moreover, when the obtained dried product was analyzed by X-ray diffraction, a broad peak was observed, but it was difficult to identify the substance indicated by the peak. In addition, when the sodium content of the said precursor was measured by the atomic absorption method, it was confirmed that it is 0.1 mass% or less.

[比較例1]
晶析時の反応水溶液(c)のpHを11.6に制御した以外は、実施例1と同様にして、前駆体を得た。
得られた晶析物をX線回折で分析したところ、Feの酸化物に由来するピークが検出された。
[Comparative Example 1]
A precursor was obtained in the same manner as in Example 1 except that the pH of the aqueous reaction solution (c) during crystallization was controlled to 11.6.
When the obtained crystallized product was analyzed by X-ray diffraction, a peak derived from Fe oxide was detected.

[比較例2]
水酸化ナトリウム水溶液を滴下せず、晶析時の反応水溶液(c)のpHを6.5に制御した以外は、実施例2と同様にして、前駆体124gを得た(収率88%)。
得られた前駆体の分析を行ったところ、Liは、検出下限(<0.1質量%)以下で含有されておらず、また、FeとPのモル比が59.8:40.2と、約3:2となった。X線回折から、前駆体は、Fe(PO・n(HO)であることが確認された。
また、これについては、従来法に従って、LiPOとの混合による正極活物質の合成を試みた(比較例5、6)。
[Comparative Example 2]
124 g of precursor was obtained in the same manner as in Example 2 except that the aqueous solution of sodium hydroxide was not added dropwise and the pH of the aqueous reaction solution (c) during crystallization was controlled to 6.5. .
When the obtained precursor was analyzed, Li was not contained below the detection limit (<0.1% by mass), and the molar ratio of Fe to P was 59.8: 40.2. It became about 3: 2. From the X-ray diffraction, it was confirmed that the precursor was Fe 3 (PO 4 ) 2 · n (H 2 O).
In addition, for this, an attempt was made to synthesize a positive electrode active material by mixing with Li 3 PO 4 according to a conventional method (Comparative Examples 5 and 6).

(正極活物質の合成)
[実施例3]
実施例1で得られた前駆体300gと平均粒径0.05μmのケッチェンブラック(ケッチェンブラックインターナショナル社製、商品名ECP)30gおよびジルコニアボール(粒径5mm)200gを2Lポリ容器へ入れ、シェーカーミキサーで振動させることにより、混合と粉砕を同時に行うことで、混合物を得た。
次に、得られた混合物を、窒素−2容量%水素雰囲気中500℃で5時間熱処理し、該雰囲気中で冷却することにより、ケッチェンブラックで被覆されたLiFePOからなる正極活物質を得るとともに評価した。粉砕、分級は行わなかった。
得られた正極活物質の主物性を表1に示す。
(Synthesis of positive electrode active material)
[Example 3]
300 g of the precursor obtained in Example 1, 30 g of Ketjen Black (trade name ECP, manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) having an average particle size of 0.05 μm and 200 g of zirconia balls (particle size of 5 mm) are placed in a 2 L plastic container. By mixing with a shaker mixer, mixing and pulverization were performed simultaneously to obtain a mixture.
Next, the obtained mixture is heat-treated at 500 ° C. for 5 hours in a nitrogen-2% by volume hydrogen atmosphere and cooled in the atmosphere to obtain a positive electrode active material made of LiFePO 4 coated with ketjen black. And evaluated. Crushing and classification were not performed.
Table 1 shows the main physical properties of the obtained positive electrode active material.

[実施例4]
実施例1で得た前駆体500gと100gのショ糖およびジルコニアボール(粒径5mm)200gを混合した以外は、実施例3と同様にして、炭素で被覆されたLiFePOからなる正極活物質を得るとともに評価した。粉砕、分級は行わなかった。
得られた正極活物質の主物性を表1に示す。
[Example 4]
A positive electrode active material made of carbon-coated LiFePO 4 was prepared in the same manner as in Example 3 except that 500 g of the precursor obtained in Example 1 and 100 g of sucrose and 200 g of zirconia balls (particle size: 5 mm) were mixed. Acquired and evaluated. Crushing and classification were not performed.
Table 1 shows the main physical properties of the obtained positive electrode active material.

[比較例3]
実施例1で得た前駆体500gと100gのショ糖をおよびジルコニアボール(粒径5mm)200gを混合したこと、並びに熱処理温度を800℃としたこと以外は、実施例3と同様にして、炭素で被覆されたLiFePOからなる正極活物質を得るとともに評価した。粉砕、分級は行わなかった。
得られた正極活物質の主物性を表1に示す。
[Comparative Example 3]
In the same manner as in Example 3, except that 500 g of the precursor obtained in Example 1 and 100 g of sucrose and 200 g of zirconia balls (particle size: 5 mm) were mixed, and the heat treatment temperature was 800 ° C. A positive electrode active material made of LiFePO 4 coated with TiO 2 was obtained and evaluated. Crushing and classification were not performed.
Table 1 shows the main physical properties of the obtained positive electrode active material.

[比較例4]
実施例1で得た前駆体500gと100gのショ糖およびジルコニアボール(粒径5mm)200gを混合したこと、熱処理温度を325℃としたこと以外は、実施例3と同様にして、炭素で被覆されたLiFePOからなる正極活物質を得るとともに評価した。
X線回折より、LiFePO以外に、Fe(POおよびLiPOが検出され、目的合成物であるLiFePOの単相が得られなかった。粉砕、分級は行わなかった。
得られた正極活物質の主物性を表1に示す。
[Comparative Example 4]
Coated with carbon in the same manner as in Example 3 except that 500 g of the precursor obtained in Example 1 and 100 g of sucrose and 200 g of zirconia balls (particle size: 5 mm) were mixed, and the heat treatment temperature was 325 ° C. A positive electrode active material made of LiFePO 4 was obtained and evaluated.
X-ray diffraction, in addition to LiFePO 4, Fe 3 (PO 4 ) 2 and Li 3 PO 4 is the detection, single-phase LiFePO 4 is an object compound is not obtained. Crushing and classification were not performed.
Table 1 shows the main physical properties of the obtained positive electrode active material.

Figure 0005678685
Figure 0005678685

[比較例5]
比較例2で得られたFe(POを180gとLiPO(高純度化学製)58gおよびジルコニアボール(粒径5mm)50gを、500ccポリ容器へ入れて混合したこと、熱処理温度を700℃としたこと以外は、実施例3と同様にして、LiFePOからなる正極活物質を得た。
[Comparative Example 5]
180 g of Fe 3 (PO 4 ) 2 obtained in Comparative Example 2, 58 g of Li 3 PO 4 (manufactured by High Purity Chemical) and 50 g of zirconia balls (particle size 5 mm) were placed in a 500 cc plastic container and mixed, and heat treatment A positive electrode active material made of LiFePO 4 was obtained in the same manner as in Example 3 except that the temperature was 700 ° C.

[比較例6]
比較例2で得られたFe(POを180gとLiPO(高純度化学製)58g、ケッチェンブラック24gおよびジルコニアボール(粒径5mm)50gを、500ccポリ容器に入れて混合した以外は、実施例3と同様にして、ケッチェンブラックで被覆されたLiFePOからなる正極活物質を得るとともに評価した。
X線回折より、ケッチェンブラックを加えた場合では、原料であるFe(POおよびLiPOが検出され、目的合成物であるLiFePOの単相が得られなかった。
これは、従来の製造方法で炭素導電材料を加えると、熱処理時の原料の反応を阻害してしまうと、考えられる。
[Comparative Example 6]
180 g of Fe 3 (PO 4 ) 2 obtained in Comparative Example 2 and 58 g of Li 3 PO 4 (manufactured by High Purity Chemical), 24 g of Ketjen Black and 50 g of zirconia balls (particle size 5 mm) are placed in a 500 cc plastic container. A positive electrode active material composed of LiFePO 4 coated with ketjen black was obtained and evaluated in the same manner as in Example 3 except for mixing.
From the X-ray diffraction, when Ketjen Black was added, the raw materials Fe 3 (PO 4 ) 2 and Li 3 PO 4 were detected, and a single phase of the target compound LiFePO 4 was not obtained.
It is considered that this is because if the carbon conductive material is added by the conventional manufacturing method, the reaction of the raw material during the heat treatment is hindered.

(電池評価)
上記のように調製した実施例3〜4および比較例3〜6で得られた正極活物質を真空乾燥し、重量比で、この正極活物質50質量%、黒鉛粉末33質量%、及びポリテトラフルオロエチレン(PTFE)17質量%を混合して、正極剤とし、プレスして正極膜(正極板)を作製した。
この正極板を用いて、グローブボックス内でコイン型セル2032を作製した。
この際、負極は、金属リチウム箔を用い、また、電解液には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの容積比1:1の等量混合液1リットルにLiClO1モルを溶解したものを使用した。
作製したリチウム二次電池を室温において、充電0.2mA/cm、休止60分、4.5V、放電0.2mA/cm、1.5Vで作動させ、初期放電容量および10サイクル後の放電容量を測定した。
得られた電池評価結果を表2にまとめて示す。
(Battery evaluation)
The positive electrode active materials obtained in Examples 3 to 4 and Comparative Examples 3 to 6 prepared as described above were vacuum dried, and 50% by mass of the positive electrode active material, 33% by mass of graphite powder, and polytetra Fluoroethylene (PTFE) 17% by mass was mixed to form a positive electrode agent and pressed to produce a positive electrode film (positive electrode plate).
Using this positive electrode plate, a coin-type cell 2032 was produced in a glove box.
At this time, a metal lithium foil was used for the negative electrode, and an electrolytic solution in which 1 mol of LiClO 4 was dissolved in 1 liter of an equal volume mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1 was used.
The produced lithium secondary battery was operated at room temperature at a charge of 0.2 mA / cm 2 , 60 minutes of rest, 4.5 V, discharge of 0.2 mA / cm 2 , 1.5 V, and the initial discharge capacity and discharge after 10 cycles. The capacity was measured.
The obtained battery evaluation results are summarized in Table 2.

表2の結果より、本発明の正極活物質は、LiFePOの理論放電容量(170mAh/g)に近い値を示し、極めて高い放電容量のリチウム二次電池が得られた。
一方、高温熱処理により、正極活物質粒子が粗大化した比較例3では、導電性が低いため、放電容量が低い。
また、熱処理温度の低い比較例4では、容量が著しく低くなっており、良好な結晶構造が得られていないと、考えられる。
また、Fe(POとLiPOを用いて、従来法で得られた炭素系材料を添加しない比較例5の電池容量は、低い。
また、比較例5において、さらに、混合時にケッチェンブラックを添加した比較例6では、オリビン単相構造になっておらず、電池容量は、低くなっている。
From the results of Table 2, the positive electrode active material of the present invention showed a value close to the theoretical discharge capacity (170 mAh / g) of LiFePO 4 , and a lithium secondary battery having an extremely high discharge capacity was obtained.
On the other hand, in Comparative Example 3 in which the positive electrode active material particles are coarsened by the high-temperature heat treatment, the discharge capacity is low because of low conductivity.
In Comparative Example 4 where the heat treatment temperature is low, the capacity is remarkably low, and it is considered that a good crystal structure is not obtained.
Further, by using Fe 2 (PO 4) 3 and Li 2 PO 4, the battery capacity of Comparative Example 5 without addition of carbon-based material obtained by the conventional method, low.
Further, in Comparative Example 6, in addition to Comparative Example 6 in which ketjen black was added during mixing, the olivine single-phase structure was not achieved, and the battery capacity was low.

Figure 0005678685
Figure 0005678685

本発明のリチウム二次電池用正極活物質は、均一微細なオリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO)粒子からなり、本発明の正極活物質を用いた正極により構成される電池は、LiFePOの理論放電容量に近い値を示し、優れた特性を示すものとなるので、産業上の利用可能性は、高い。
また、本発明のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法は、有毒物質を用いずに容易に高収率で上記正極活物質が得られるものであり、その工業的価値は、極めて大きい。
The positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is composed of uniform fine olivine-type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) particles, and a battery composed of a positive electrode using the positive electrode active material of the present invention is made of LiFePO 4 . Since it shows a value close to the theoretical discharge capacity and exhibits excellent characteristics, the industrial applicability is high.
Moreover, the manufacturing method of the positive electrode active material for lithium secondary batteries of this invention can obtain the said positive electrode active material with a high yield easily, without using a toxic substance, The industrial value is very large.

Claims (7)

オリビン型リン酸鉄リチウムの単相一次粒子および該一次粒子が凝集した二次粒子からなり、且つX線回析における(311)面の回折ピーク半価幅が0.1〜0.3°および走査型電子顕微鏡観察から求められる該一次粒子の平均粒径が0.05〜0.5μmであるリチウム二次電池用正極活物質を製造するための原料として用いられる前駆体であって、
2価の鉄塩とリン酸を含有する混合水溶液(a)と、水酸化リチウムを含有するリチウム水溶液(b)とを混合して、リチウム鉄リン酸組成物を晶析させることによって得られ、且つX線回析において、該リチウム鉄リン酸組成物に由来する回折ピークが未検出の状態であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質前駆体。
It consists of single-phase primary particles of olivine type lithium iron phosphate and secondary particles in which the primary particles are aggregated, and the diffraction peak half-value width of (311) plane in X-ray diffraction is 0.1 to 0.3 ° and A precursor used as a raw material for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery having an average particle diameter of 0.05 to 0.5 μm as determined from observation with a scanning electron microscope ,
It is obtained by mixing a mixed aqueous solution (a) containing a divalent iron salt and phosphoric acid and a lithium aqueous solution (b) containing lithium hydroxide to crystallize a lithium iron phosphate composition, In addition, a positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery, wherein a diffraction peak derived from the lithium iron phosphate composition is undetected in X-ray diffraction.
ナトリウム含有量が0.5質量%以下であることを特徴とする請求項に記載のリチウム二次電池用正極活物質前駆体。 The positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery according to claim 1 , wherein the sodium content is 0.5 mass% or less. 2価の鉄塩とリン酸を含有する混合水溶液(a)と、水酸化リチウムを含有するリチウム水溶液(b)とを混合して、反応水溶液(c)を形成し、該リチウム水溶液(b)により混合後の該反応水溶液(c)をpH8〜9の範囲となるように制御して、反応させることにより、リチウム鉄リン酸組成物を晶析させる晶析工程、及び該リチウム鉄リン酸組成物を水洗後、非酸化性雰囲気中で乾燥させる乾燥工程からなることを特徴とする請求項又はに記載のリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。 A mixed aqueous solution (a) containing a divalent iron salt and phosphoric acid and a lithium aqueous solution (b) containing lithium hydroxide are mixed to form a reaction aqueous solution (c), and the lithium aqueous solution (b) The crystallization step of crystallizing the lithium iron phosphate composition by controlling the aqueous reaction solution (c) after mixing so as to be in the range of pH 8 to 9 and reacting, and the lithium iron phosphate composition The method for producing a positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery according to claim 1 or 2 , comprising a drying step of washing the product with water and drying in a non-oxidizing atmosphere. 前記pH制御のために、さらにアルカリ金属水酸化物を、前記反応水溶液(c)に添加することを特徴とする請求項に記載のリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。 The method for producing a positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery according to claim 3 , wherein an alkali metal hydroxide is further added to the aqueous reaction solution (c) for the pH control. 前記2価の鉄塩が硫酸第一鉄水和物(FeSO・7HO)であることを特徴とする請求項又はに記載のリチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法。 Method for producing a lithium secondary battery positive electrode active material precursor according to claim 3 or 4 wherein the divalent iron salt characterized in that it is a ferrous sulfate hydrate (FeSO 4 · 7H 2 O) . 請求項又はに記載のリチウム二次電池用正極活物質前駆体を、導電性炭素質材料生成物と混合して混合物とした後、不活性または還元雰囲気中において350〜700℃で加熱して熱処理することを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。 The positive electrode active material precursor for a lithium secondary battery according to claim 1 or 2 is mixed with a conductive carbonaceous material product to form a mixture, and then heated at 350 to 700 ° C in an inert or reducing atmosphere. And producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery. 前記熱処理前に、前記前駆体を乾式または湿式粉砕することを特徴とする請求項に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。 The method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 6 , wherein the precursor is dry-type or wet-pulverized before the heat treatment.
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