JP5871543B2 - 改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体、その製造方法、リチウム二次電池正極活物質及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
現在、さらなる代替材料としてLiFePO4が着目され各機関で研究開発が進んでいる。Feは資源的に優れ、これを用いたLiFePO4はエネルギー密度がやや低いものの、高温特性に優れていることから電動車両向けのリチウムイオン電池用正極材料として期待されている。
本発明者らは、上記課題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、リン酸バナジウムリチウム炭素複合体自体の結晶構造に変化がないようにカルシウム化合物を含有させた改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体を正極活物質として用いることにより、高出力で充放電サイクル特性等、リチウム二次電池の電池性能を向上させることができることを見出し本発明を完成するに到った。
LixVy(PO4)3 (1)
(式中、xは2.5〜3.5、yは1.8〜2.2を示す。)
で表わされるリン酸バナジウムリチウムと導電性炭素材料からなるリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子に、カルシウム化合物を含有させた改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体であり、該改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体のC軸の格子定数が12.038〜12.042オングストロームであり、該カルシウム化合物の含有量が、Ca原子換算で0.01〜0.50重量%であることを特徴とする改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体である。
LixVy(PO4)3 (1)
(式中、xは2.5〜3.5、yは1.8〜2.2を示す。)
で表わされるリン酸バナジウムリチウムと導電性炭素材料からなるリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子を含有する水性スラリーを調製するスラリー調製工程と、該水性スラリーを噴霧乾燥処理する噴霧乾燥工程と、を有することを特徴とする前記第1の発明の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体の製造方法。
また、本発明によれば、該改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体を工業的に有利な方法で提供することができる。
本発明の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体は、ナシコン(NASICON;Na Super Ionic Conductor)構造を有する下記一般式(1):
LixVy(PO4)3 (1)
(式中、xは2.5〜3.5、yは1.8〜2.2を示す。)
で表わされるリン酸バナジウムリチウム(以下、単に「リン酸バナジウムリチウム」と呼ぶこともある)と導電性炭素材料からなるリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子に、カルシウム化合物を含有させた改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体であり、改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体のC軸の格子定数が12.038〜12.042オングストローム、好ましくは12.039〜12.041オングストロームであることを特徴とする。
後述する第1の方法は、リン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子の表面をカルシウム化合物で被覆する方法であり、この第1の方法では、リン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子の表面にカルシウム化合物が存在しているものが得られる。
また、後述する第2の方法は、基本的にはリン酸バナジウムリチウム炭素複合体の原料の仕込み時にカルシウム化合物を混合して反応を行い、生成したものを焼成する方法であり、この第2の方法では、カルシウム化合物が改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体のリン酸バナジウムリチウム粒子の表面、改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子の表面又は導電性炭素材料中に存在するものが、優先的に得られる。そのため、リン酸バナジウムリチウム粒子自身の結晶構造自体に変化がないものと本発明者らは推測している。
(a1)リン酸バナジウムリチウムの一次粒子の粒子表面が導電性炭素材料で被覆されているリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子。
(a2)リン酸バナジウムリチウムの一次粒子が集合して二次粒子を形成し、その二次粒子の粒子表面が導電性炭素材料で被覆されているリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子。
(a3)リン酸バナジウムリチウム粒子が導電性炭素材料を介して凝集した凝集状のリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子。
第5工程を行って、得られるリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子を、必要に応じて解砕処理、又は粉砕処理し、更に分級してもよい。
LiaM1−bAbOc (2)
(式中、MはCo、Niから選ばれる少なくとも1種以上の遷移金属元素、AはMg、Al、Mn、Ti、Zr、Fe、Cu、Zn、Sn、Inから選ばれる少なくとも1種以上の金属元素を示し、aは0.9≦a≦1.1、bは0≦b≦0.4、cは1.8≦c≦2.2を示す。)
で表わされるリチウム複合酸化物と併用される。このうち、本発明に係る改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体は、下記一般式(3):
LixNi1−y−zCoyMnzO2 (3)
(式中、xは0.98≦x≦1.20、yは0<y≦0.5、zは0<z≦0.5を示し、但し、y+z<1を示す。)
で表わされるリチウムニッケル複合酸化物と併用することが、相乗効果が高くなり、高出力と高い安全性を有すると共に、高容量で充放電サイクル特性が優れる等のリチウム二次電池が得られる観点から好ましい。
{実施例1}
<第1工程>
5Lビーカーにイオン交換水2Lを入れ、これに85%リン酸605gと水酸化リチウム220gと五酸化バナジウム320gとスクロース120gを投入し室温(25℃)で攪拌することにより黄土色の原料混合溶液を得た。
<第2工程>
得られた原料混合溶液を95℃で1時間、攪拌下に加温し沈殿生成反応を行い、沈殿生成物を含む緑色の反応液を得た。
得られた沈殿生成物をレーザー散乱・回折法(日機装製、形式9320−X100型)で測定したところ、平均粒子径は30μmであった。
<第3工程>
反応液を冷却後、湿式粉砕装置に直径0.5mmのジルコニアボールを仕込み、反応液中の粉砕処理品の平均粒子径(D50)が2.0μm以下になるまでビーズミルにより粉砕処理を行って分散スラリーを調製した。
<第4工程>
次いで、出口温度を120℃に設定した噴霧乾燥装置に、分散スラリーを供給し、反応前駆体を得た。反応前駆体のSEM観察法により求められる平均二次粒子径は25μmであった。
得られた反応前駆体を線源としてCuKα線を用いて粉末X線回折測定を行ったところ、該反応前駆体は、リン酸リチウムに由来する回折ピーク(2θ=14°)、リン酸水素バナジウムに由来する回折ピーク(2θ=29°)及び未同定の結晶性の化合物の回折ピークも確認されたことから、得られた反応前駆体はリン酸リチウム、リン酸水素バナジウム及び未同定の結晶性化合物が混在する混合物であることが確認できた。また、反応前駆体のX線回折図を図1に示す。また、反応前駆体の電子顕微鏡写真(SEM像)を図2に示す。
なお、反応前駆体の二次粒子の平均粒子径の測定であるが、先ず、二次粒子のSEM像上で画像解析を行い、二次粒子を二次元で投影し、任意に200個の二次粒子を抽出する。次いで、抽出した二次粒子の粒径を測定する。次いで、抽出した200個分の二次粒子の粒子径を平均して、反応前駆体の二次粒子の平均粒子径を求める。
<第5工程>
得られた反応前駆体をムライト製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で12時間焼成した。
焼成品を解砕してリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子の表面が導電性炭素材料で被覆されたリン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料を得た。
得られたリン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料の電子顕微鏡写真(SEM像)を図3に示す。また、X線回折図を図4に示す。
<コーティング(スラリー調製工程及び噴霧乾燥工程)>
5Lビーカーにイオン交換水2Lを入れ、リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料500gと硫酸カルシウム1水和物2gを投入し、分散スラリーを得た。次いで、入口温度を220℃、出口温度を120℃に設定した噴霧乾燥装置に、分散スラリーを供給し、噴霧乾燥物を得た。得られた乾燥粉をムライト製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で12時間焼成した。焼成品を解砕してリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子の表面が硫酸カルシウムで被覆処理された改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料を得た。得られた改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料のX線回折図を図5に示す。
<第1工程>
5Lビーカーにイオン交換水2Lを入れ、これに85%リン酸605gと水酸化リチウム220gと五酸化バナジウム320gとスクロース120gと硫酸カルシウム2水和物3gを投入し室温(25℃)で攪拌することにより黄土色の原料混合溶液を得た。
<第2工程>
得られた原料混合溶液を95℃で1時間、攪拌下に加温し沈殿生成反応を行い、沈殿生成物を含む緑色の反応液を得た。
得られた沈殿生成物をレーザー散乱・回折法(日機装製、形式9320−X100型)で測定したところ、平均粒子径は30μmであった。
<第3工程>
反応液を冷却後、湿式粉砕装置に直径0.5mmのジルコニアボールを仕込み、反応液中の粉砕処理品の平均粒子径(D50)が2.0μm以下になるまでビーズミルにより粉砕処理を行って分散スラリーを調製した。
<第4工程>
次いで、出口温度を120℃に設定した噴霧乾燥装置に、分散スラリーを供給し、反応前駆体を得た。反応前駆体のSEM観察法により求められる平均二次粒子径は25μmであった。
得られた反応前駆体を線源としてCuKα線を用いて粉末X線回折測定を行ったところ、該反応前駆体は、リン酸リチウムに由来する回折ピーク(2θ=14°)、リン酸水素バナジウムに由来する回折ピーク(2θ=29°)及び未同定の結晶性の化合物の回折ピークも確認されたことから、得られた反応前駆体はリン酸リチウム、リン酸水素バナジウム及び未同定の結晶性化合物が混在する混合物であることが確認できた。
なお、反応前駆体の二次粒子の平均粒子径の測定であるが、先ず、二次粒子のSEM像上で画像解析を行い、二次粒子を二次元で投影し、任意に200個の二次粒子を抽出する。次いで、抽出した二次粒子の粒径を測定する。次いで、抽出した200個分の二次粒子の粒子径を平均して、反応前駆体の二次粒子の平均粒子径を求める。
<第5工程>
得られた反応前駆体をムライト製匣鉢に入れ、窒素雰囲気下900℃で12時間焼成した。
焼成品を解砕して改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料を得た。
得られた改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料のX線回折図を図6に示す。
得られた改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料について、SEM−EDX分析により、粒子表面のCa原子のマッピングを行い、改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料のリン酸バナジウムリチウム粒子表面上にCa原子が存在することを確認した。
硫酸カルシウム2水和物3gを水酸化カルシウム1gに変更した以外は実施例2と同様に行った。
得られた改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料のX線回折図を図7に示す。
得られた改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料について、SEM−EDX分析により、粒子表面のCa原子のマッピングを行い、改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料のリン酸バナジウムリチウム粒子表面上にCa原子が存在することを確認した。
実施例1において、コーティングを行わないで、第1工程〜第5工程までを行い得られたリン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料を参考例1とした。
実施例及び参考例で得られた改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料及びリン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料について、主成分の含有量、導電性炭素材料の含有量、平均粒子径、C軸の格子定数を測定した。得られた結果を表1に示す。
また、実施例1〜3の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体試料のX線回折図を図5〜図7にX線回折図を示す。
なお、主成分の測定はICP発光分析により行い、平均粒子径の測定はレーザー散乱・回折法(日機装製、形式9320−X100型)により行った。また、導電性炭素材料の含有量は炭素原子含有量を、TOC全有機炭素計(島津製作所製TOC−5000A)にて測定することによりC原子の含有量として求めた。また、表1中のCa原子の被覆量は、改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体に含有されるカルシウム化合物が、全てリン酸バナジウムリチウムの粒子表面及び/又はリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子の表面に存在するもの(リン酸バナジウムリチウムの結晶内部には存在しないもの)として算出した量である。
また、C軸の格子定数はX線回折法(リガク X線回折装置 Ultima IV)により測定した。
<電池性能試験>
リチウム二次電池の作製;
(1)正極の作製
以下の正極合材層用材料:
正極活物質;90質量部
結合剤(ポリフッ化ビニリデン(PVdF));5質量部
導電材(カーボンブラック);5質量部
溶媒(N−メチル2−ピロリドン(NMP));100質量部
を混合し、正極スラリーを得た。正極スラリーをアルミニウム箔(厚み30μm)の正極集電体に塗布、乾燥し、正極合材層を正極集電体上に形成した。正極合材層の目付けは(片面当たり)15mg/cm2であった。10×10mmの未塗工部分をリード接続用のタブとして残しつつ、塗工部分(正極合材層形成部分)を50×50mmに裁断した。また、水銀ポロシメータを用いて測定したところ、正極合材層の空孔率は40%であった。
以下の負極合材層用材料:
活物質(グラファイト);95質量部
結合剤(PVdF);5質量部
溶媒(NMP);150質量部
を混合し、負極スラリーを得た。負極スラリーを銅箔(厚み10μm)の負極集電体に塗布、乾燥し、負極合材層を負極集電体上に形成した。負極合材層の目付けは(片面当たり)7mg/cm2であった。10×10mmの未塗工部分をリード接続用のタブとして残しつつ、塗工部分(負極合材層形成部分)を52×52mmに裁断した。
上述のように作製した正極9枚と、負極10枚とを用いて、図8に示すリチウムイオン二次電池を作製した。具体的には、正極及び負極をセパレータを介して積層し、積層体の周囲をテープで固定した。各正極集電体のタブを重ねてアルミニウム金属リードを溶接した。同様に各負極集電体のタブを重ねてニッケル金属リードを溶接した。これらをアルミラミネート外装材に封入し、正極リードと負極リードを外装材外側に出して、電解液封入口を残して密閉融着した。電解液封入口より電解液を注液し、真空含浸にて電極内部に電解液を浸透させた後、ラミネートを真空封止した。
上述のように作製した電池の正極リードと負極リードとを、充放電試験装置(アスカ電子社製)の対応する端子に接続し、最大電圧4.2V、電流レート0.7Cで定電流定電圧充電し、充電完了後、電流レート0.2Cにて2.5Vまで定電流放電させた。これを1000サイクル繰り返した。初回放電時に測定した容量から放電容量(mAh)を算出し、サイクル後の容量からサイクル容量維持率(1000サイクル時放電容量/初回放電容量×100)を算出した。
その結果を表2に示す。
31 正極
31a 正極合材層
31b 正極集電体
32 負極
32a 負極合材層
32b 負極集電体
33 セパレータ
34 電極ユニット
36、37 リード
Claims (14)
- 下記一般式(1):
LixVy(PO4)3 (1)
(式中、xは2.5〜3.5、yは1.8〜2.2を示す。)
で表わされるリン酸バナジウムリチウムと導電性炭素材料からなるリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子に、カルシウム化合物を含有させた改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体であり、該改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体のC軸の格子定数が12.038〜12.042オングストロームであり、該カルシウム化合物の含有量が、Ca原子換算で0.01〜0.50重量%であることを特徴とする改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体。 - 前記一般式(1)で表されるリン酸バナジウムリチウムの粒子表面が前記導電性炭素材料で被覆されていることを特徴とする請求項1記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体。
- 改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体中の前記導電性炭素材料の含有量が、C原子換算で0.1〜20重量%であることを特徴とする請求項1又は2記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体。
- 前記導電性炭素材料が、導電性炭素材料の前駆体の炭素化物質であることを特徴とする請求項1乃至3記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体。
- 前記導電性炭素材料の前駆体が糖類であることを特徴とする請求項4記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体。
- 前記一般式(1)で表されるリン酸バナジウムリチウムと導電性炭素材料からなるリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子の表面が、前記カルシウム化合物で被覆されていることを特徴とする請求項1乃至5記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体。
- 前記カルシウム化合物が硫酸カルシウムであることを特徴とする請求項1乃至6記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体。
- カルシウム化合物、及び下記一般式(1):
LixVy(PO4)3 (1)
(式中、xは2.5〜3.5、yは1.8〜2.2を示す。)
で表わされるリン酸バナジウムリチウムと導電性炭素材料からなるリン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子を含有する水性スラリーを調製するスラリー調製工程と、該水性スラリーを噴霧乾燥処理する噴霧乾燥工程と、を有することを特徴とする請求項1記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体の製造方法。 - 噴霧乾燥の温度が80〜160℃であることを特徴とする請求項8記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体の製造方法。
- 前記リン酸バナジウムリチウム炭素複合体粒子を、リチウム源、5価又は4価のバナジウム化合物、リン源及び導電性炭素材料の前駆体を水溶媒中で混合して原料混合液を調製する第1工程と、該原料混合液を加熱して沈殿生成反応を行い、沈殿生成物を含む反応液を得る第2工程と、該沈殿生成物を含む反応液をメディアミルにより湿式粉砕処理して、粉砕処理物を含むスラリーを得る第3工程と、該粉砕処理物を含むスラリーを噴霧乾燥処理して、反応前駆体を得る第4工程と、該反応前駆体を不活性ガス雰囲気中又は還元雰囲気中で600〜1300℃で焼成する第5工程と、を行い得ることを特徴とする請求項8又は9記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体の製造方法。
- リチウム源、5価又は4価のバナジウム化合物、リン源、カルシウム化合物及び導電性炭素材料の前駆体を水溶媒中で混合して原料混合液を調製する第1A工程、該原料混合液を加熱して沈殿生成反応を行い、沈殿生成物を含む反応液を得る第2A工程と、該沈殿生成物を含む反応液をメディアミルにより湿式粉砕処理して、粉砕処理物を含むスラリーを得る第3A工程と、該粉砕処理物を含むスラリーを噴霧乾燥処理して、反応前駆体を得る第4A工程と、該反応前駆体を不活性ガス雰囲気中又は還元雰囲気中で600〜1300℃で焼成する第5A工程と、を有することを特徴とする請求項1記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体の製造方法。
- 前記カルシウム化合物が、硫酸カルシウムであることを特徴とする請求項8乃至11記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体の製造方法。
- 請求項1乃至7の何れか1項に記載の改質リン酸バナジウムリチウム炭素複合体を含むことを特徴とするリチウム二次電池正極活物質。
- 請求項13のリチウム二次電池正極活物質を用いることを特徴とするリチウム二次電池。
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