JP5886923B1 - Method for producing lithium silicate compound having amorphous structure - Google Patents
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Abstract
【課題】高い放電容量を良好に維持することのできるリチウムイオン電池を得るための、正極活物質として用い得るオリビン型ケイ酸リチウム化合物を提供する。【解決手段】下記式(A):LiaMSiO4・・・(A)(式中、MはFe、Mn、及びZrから選ばれる1種又は2種以上の金属を示し、aは0.3≦a≦1を満たす数を示す。)で表され、かつ表面に炭素が担持されてなり、4.5〜5.0Vの定電圧充電処理を施すことによりリチウムが抜き取られてなる、非晶質構造を有するオリビン型ケイ酸リチウム化合物。【選択図】図1An olivine-type lithium silicate compound that can be used as a positive electrode active material for obtaining a lithium ion battery capable of maintaining a high discharge capacity satisfactorily. The following formula (A): LiaMSiO4 (A) (wherein M represents one or more metals selected from Fe, Mn, and Zr, and a is 0.3 ≦ a) ≦ 1.) And is supported by carbon on the surface, and lithium is extracted by performing a constant voltage charging process of 4.5 to 5.0 V. An olivine-type lithium silicate compound having: [Selection] Figure 1
Description
本発明は、優れた電池特性を発現することのできる非晶質構造を有するオリビン型ケイ酸リチウム化合物及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an olivine-type lithium silicate compound having an amorphous structure capable of exhibiting excellent battery characteristics and a method for producing the same.
リチウムイオン電池等の二次電池は、非水電解質電池の1種であり、携帯電話、デジタルカメラ、ノートPC、ハイブリッド自動車、電気自動車等広い分野に利用されている。リチウムイオン電池は、正極材料としてリチウム金属酸化物を用い、負極材料としてグラファイト等の炭素材を用いるものが主流となっている。 A secondary battery such as a lithium ion battery is a kind of non-aqueous electrolyte battery, and is used in a wide range of fields such as a mobile phone, a digital camera, a notebook PC, a hybrid vehicle, and an electric vehicle. Lithium ion batteries mainly use lithium metal oxide as a positive electrode material and a carbon material such as graphite as a negative electrode material.
この正極材料としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、ケイ酸鉄リチウム(Li2FeSiO4)等、数多くのものが知られている。なかでも、オリビン構造を有するLi2FeSiO4等の、いわゆるオリビン型ケイ酸リチウム化合物は、高容量のリチウムイオン電池に用いる優れた正極材料として注目を浴びており、従来より種々の開発がなされている。 There are many known positive electrode materials such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium manganate (LiMnO 2 ), lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), and lithium iron silicate (Li 2 FeSiO 4 ). Yes. Among them, so-called olivine-type lithium silicate compounds such as Li 2 FeSiO 4 having an olivine structure are attracting attention as excellent positive electrode materials used for high-capacity lithium ion batteries, and various developments have been made so far. Yes.
例えば、特許文献1には、CoやMnを含むオリビン型ケイ酸リチウム化合物である固溶体化合物を含む正極活物質が開示されており、原料混合物を仮焼と本焼成の複数の焼成工程を介する固相反応によって固溶体化合物を得ている。また、特許文献2には、原料を混合、加熱して溶融した後、溶融物を徐冷する工程を含むことにより得られるシリケート系化合物が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a positive electrode active material containing a solid solution compound that is an olivine-type lithium silicate compound containing Co and Mn, and the raw material mixture is solidified through a plurality of firing steps of calcination and main firing. A solid solution compound is obtained by a phase reaction. Further, Patent Document 2 discloses a silicate compound obtained by mixing a raw material, heating and melting it, and then gradually cooling the melt.
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、製造に長時間を要するだけでなく、得られる化合物は、高温での焼成によって粒径が増大しやすい傾向にある。また、特許文献2に記載の方法により得られる化合物は、冷却過程での結晶化を伴うため、組成や結晶種のばらつきや、結晶における偏析が生じやすい上に、塊状の冷却物を粉砕する際、粒子に歪みが大きく蓄積してしまうおそれがある。
そのため、これらの化合物を正極材料として用いて電池を得た場合、1サイクル目では高い放電容量を示すことができても、2サイクル目以降の放電容量が良好に維持できなくなる可能性が高く、さらなる改善が求められている。
However, in the method described in Patent Document 1, not only a long time is required for production, but the resulting compound tends to increase in particle size by firing at a high temperature. In addition, since the compound obtained by the method described in Patent Document 2 is accompanied by crystallization in the cooling process, it tends to cause variation in composition and crystal type and segregation in the crystal, and when pulverizing a massive cooling product. There is a risk that a large amount of distortion is accumulated in the particles.
Therefore, when these compounds are used as a positive electrode material to obtain a battery, there is a high possibility that the discharge capacity after the second cycle cannot be maintained well even if a high discharge capacity can be shown in the first cycle. Further improvement is required.
したがって、本発明の課題は、高い放電容量を良好に維持することのできるリチウムイオン電池を得るための、正極活物質として用い得るオリビン型ケイ酸リチウム化合物を提供することにある。 Therefore, the subject of this invention is providing the olivine type lithium silicate compound which can be used as a positive electrode active material for obtaining the lithium ion battery which can maintain high discharge capacity favorably.
そこで本発明者らは、種々検討したところ、表面に炭素が担持されてなり、特定の充電処理を施すことにより得られる非晶質構造を有するオリビン型ケイ酸リチウム化合物であれば、優れた放電容量維持率を発揮することのできるリチウムイオン電池が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。 Therefore, the present inventors have made various studies, and if the olivine-type lithium silicate compound having an amorphous structure obtained by carrying carbon on the surface and having a specific charge treatment, an excellent discharge is obtained. The present inventors have found that a lithium ion battery capable of exhibiting a capacity retention rate can be obtained, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、下記式(A):
LiaMSiO4 ・・・(A)
(式中、MはFe、Mn、及びZrから選ばれる1種又は2種以上の金属を示し、aは0.3≦a≦1を満たす数を示す。)
で表され、かつ表面に炭素が担持されてなり、
4.5〜5.0Vの定電圧充電処理を施すことによりリチウムが抜き取られてなる、非晶質構造を有するオリビン型ケイ酸リチウム化合物を提供するものである。
また、本発明は、リチウム化合物、ケイ酸化合物、及び金属(M)化合物を水熱反応に付することにより、オリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子を得る工程(I)、
工程(I)で得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子の表面に炭素を担持させる工程(II)、及び
工程(II)で得られた表面に炭素が担持されてなるオリビン型ケイ酸リチウム化合物に、4.5〜5.0Vの定電圧充電処理を施す工程(III)
を備える、上記非晶質構造を有するオリビン型ケイ酸リチウム化合物の製造方法を提供するものである。
That is, the present invention provides the following formula (A):
Li a MSiO 4 (A)
(In the formula, M represents one or more metals selected from Fe, Mn, and Zr, and a represents a number satisfying 0.3 ≦ a ≦ 1.)
And carbon is supported on the surface,
The present invention provides an olivine-type lithium silicate compound having an amorphous structure in which lithium is extracted by performing a constant voltage charging process of 4.5 to 5.0 V.
The present invention also provides a step (I) of obtaining primary particles of an olivine-type lithium silicate compound by subjecting a lithium compound, a silicate compound, and a metal (M) compound to a hydrothermal reaction.
Step (II) for supporting carbon on the surface of primary particles of the olivine type lithium silicate compound obtained in step (I), and olivine type silicic acid obtained by supporting carbon on the surface obtained in step (II) Step (III) of subjecting the lithium compound to a constant voltage charging treatment of 4.5 to 5.0 V
The manufacturing method of the olivine type lithium silicate compound which has the said amorphous structure provided with this is provided.
本発明のオリビン型ケイ酸リチウム化合物によれば、これを正極活物質として用いることにより得られるリチウムイオン電池において、充放電サイクルが経る度毎に放電容量が低下するのを有効に抑制することができ、優れた電池特性を良好に維持することが可能である。 According to the olivine-type lithium silicate compound of the present invention, in a lithium ion battery obtained by using this as a positive electrode active material, it is possible to effectively suppress a decrease in discharge capacity every time a charge / discharge cycle passes. It is possible to maintain excellent battery characteristics.
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のオリビン型ケイ酸リチウム化合物は、下記式(A):
LiaMSiO4 ・・・(A)
(式中、MはFe、Mn、及びZrから選ばれる1種又は2種以上の金属を示し、aは0.3≦a≦1を満たす数を示す。)
で表され、かつ表面に炭素が担持されてなり、さらに4.5〜5.0Vの定電圧充電処理を施すことによりリチウムが抜き取られてなる、非晶質構造を有するものである。
本発明のオリビン型ケイ酸リチウム化合物は、上記式(A)で表されるものであり、具体的には、例えば、以下のような態様が含まれる。
Li2FebZrcSiO4・・・(A1)
(式(A1)中、bは、b=1−2cであり、cは、0<c<0.5である)
Li2FedMn1-dSiO4・・・(A2)
(式(A2)中、dは、0≦d≦1である)
Li2FeeMnfZrgSiO4・・・(A3)
(式(A3)中、e及びfは、e+f=1−2gであり、gは、0<g<0.5である)
なかでも、優れた電池特性を良好に維持する観点から、式(A3)で表されるオリビン型ケイ酸リチウム化合物が好ましい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The olivine-type lithium silicate compound of the present invention has the following formula (A):
Li a MSiO 4 (A)
(In the formula, M represents one or more metals selected from Fe, Mn, and Zr, and a represents a number satisfying 0.3 ≦ a ≦ 1.)
And having an amorphous structure in which carbon is supported on the surface and lithium is extracted by performing a constant voltage charging process of 4.5 to 5.0 V.
The olivine-type lithium silicate compound of the present invention is represented by the above formula (A), and specifically includes, for example, the following aspects.
Li 2 Fe b Zr c SiO 4 (A1)
(In formula (A1), b is b = 1-2c, and c is 0 <c <0.5)
Li 2 Fe d Mn 1-d SiO 4 (A2)
(In formula (A2), d is 0 ≦ d ≦ 1)
Li 2 Fe e Mn f Zr g SiO 4 (A3)
(In the formula (A3), e and f are e + f = 1−2 g, and g is 0 <g <0.5)
Especially, the olivine type lithium silicate compound represented by Formula (A3) is preferable from the viewpoint of maintaining excellent battery characteristics.
本発明のオリビン型ケイ酸リチウム化合物は、例えば、リチウム化合物、ケイ酸化合物、及び金属(M)化合物を水熱反応に付することにより、まず一次粒子として得ることができる(工程(I))。具体的には、例えば、金属(M)化合物として、MSO4(式中、Mは、Fe、Mn、又はZrを示す)で表される金属硫酸塩又は(R)2M(式中、Rは有機酸残基を示し、Mは、Fe、Mn、又はZrを示す)で表される有機酸金属塩を用い、リチウム化合物及びケイ酸化合物、必要に応じ酸化防止剤を含有する塩基性水分散液を水熱反応させる。 The olivine-type lithium silicate compound of the present invention can be first obtained as primary particles, for example, by subjecting a lithium compound, a silicate compound, and a metal (M) compound to a hydrothermal reaction (step (I)). . Specifically, for example, as a metal (M) compound, a metal sulfate represented by MSO 4 (wherein M represents Fe, Mn, or Zr) or (R) 2 M (wherein R Represents an organic acid residue, M represents an organic acid metal salt represented by Fe, Mn, or Zr), a basic water containing a lithium compound and a silicic acid compound, and optionally containing an antioxidant. The dispersion is reacted hydrothermally.
リチウム化合物としては、水酸化リチウム(例えばLiOH・H2O)、炭酸リチウム(Li2CO3)、硫酸リチウム、酢酸リチウムが挙げられるが、水酸化リチウム、炭酸リチウムが特に好ましい。金属(M)化合物として金属硫酸塩(MSO4)を用いる場合における、塩基性水分散液中のリチウム化合物の濃度は、本発明のオリビン型ケイ酸リチウム化合物を適切な平均粒径に制御しつつ、かかる表面において炭素を堅固に担持させる観点から、0.30〜3.00mol/lが好ましく、1.00〜2.80mol/lがより好ましく、1.50〜2.80mol/lがさらに好ましい。 Examples of the lithium compound include lithium hydroxide (for example, LiOH.H 2 O), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium sulfate, and lithium acetate, and lithium hydroxide and lithium carbonate are particularly preferable. When using metal sulfate (MSO 4 ) as the metal (M) compound, the concentration of the lithium compound in the basic aqueous dispersion is controlled to an appropriate average particle diameter of the olivine-type lithium silicate compound of the present invention. From the viewpoint of firmly supporting carbon on the surface, 0.30 to 3.00 mol / l is preferable, 1.00 to 2.80 mol / l is more preferable, and 1.50 to 2.80 mol / l is more preferable. .
ケイ酸化合物としては、反応性のあるシリカ化合物であれば特に限定されず、非晶質シリカ、Na4SiO4(例えばNa4SiO4・H2O)が好ましい。このうちNa4SiO4を用いた場合、水分散液が塩基性になるので、より好ましい。金属(M)化合物として金属硫酸塩(MSO4)を用いる場合における、塩基性水分散液中のケイ酸化合物の濃度は、オリビン型ケイ酸リチウム化合物を適切な平均粒径に制御しつつ、かかる表面において炭素を堅固に担持させる観点から、0.15〜1.50mol/lが好ましく、0.50〜1.40mol/lがより好ましく、0.80〜1.40mol/lがさらに好ましい。 The silicic acid compound is not particularly limited as long as it is a reactive silica compound, and amorphous silica and Na 4 SiO 4 (for example, Na 4 SiO 4 .H 2 O) are preferable. Of these, the use of Na 4 SiO 4 is more preferable because the aqueous dispersion becomes basic. When metal sulfate (MSO 4 ) is used as the metal (M) compound, the concentration of the silicate compound in the basic aqueous dispersion is controlled while controlling the olivine type lithium silicate compound to an appropriate average particle size. From the viewpoint of firmly supporting carbon on the surface, 0.15 to 1.50 mol / l is preferable, 0.50 to 1.40 mol / l is more preferable, and 0.80 to 1.40 mol / l is even more preferable.
さらにこの塩基性水分散液には、副反応を防止する観点から、酸化防止剤を添加することが好ましい。酸化防止剤としては、ハイドロサルファイトナトリウム(Na2S2O4)、アンモニア水、亜硫酸ナトリウム等を使用することができる。金属(M)化合物として金属硫酸塩(MSO4)を用いる場合における、塩基性水分散液中の酸化防止剤の含有量は、多量に添加するとオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子の生成を抑制してしまうため、金属(M)に対して等モル量以下が好ましく、金属(M)に対してモル比で0.5以下がさらに好ましい。 Furthermore, it is preferable to add an antioxidant to the basic aqueous dispersion from the viewpoint of preventing side reactions. As the antioxidant, hydrosulfite sodium (Na 2 S 2 O 4 ), aqueous ammonia, sodium sulfite and the like can be used. When metal sulfate (MSO 4 ) is used as the metal (M) compound, the antioxidant content in the basic aqueous dispersion suppresses the generation of primary particles of the olivine type lithium silicate compound when added in a large amount. Therefore, an equimolar amount or less with respect to the metal (M) is preferable, and a molar ratio with respect to the metal (M) is more preferably 0.5 or less.
金属(M)化合物として金属硫酸塩MSO4(式中、Mは、Fe、Mn、又はZrを示す)を用いる場合、副反応を抑制する点から、金属硫酸塩とは別に、リチウム化合物及びケイ酸化合物を含有する塩基性水分散液を予め調製しておくのが好ましい。この場合、該塩基性水分散液と金属硫酸塩及び酸化防止剤とを混合し、水熱反応に付す。該塩基性水分散液の調製にあたって、リチウム化合物及びケイ酸化合物の添加順序は特に限定されず、これらの2成分を同時に水に添加してもよい。 When metal sulfate MSO 4 (wherein M represents Fe, Mn, or Zr) is used as the metal (M) compound, lithium compound and silica are used separately from the metal sulfate from the viewpoint of suppressing side reactions. It is preferable to prepare in advance a basic aqueous dispersion containing an acid compound. In this case, the basic aqueous dispersion, the metal sulfate and the antioxidant are mixed and subjected to a hydrothermal reaction. In the preparation of the basic aqueous dispersion, the order of addition of the lithium compound and the silicate compound is not particularly limited, and these two components may be simultaneously added to water.
金属硫酸塩MSO4の具体例としては、FeSO4、MnSO4、又はZr(SO4)2が挙げられ、これらは1種単独で用いてもよく2種以上を混合して用いてもよい。金属硫酸塩(MSO4)の添加量は、得られるオリビン型ケイ酸リチウム化合物の表面において炭素を堅固に担持させ、電池において優れた放電容量を発揮しながらこれを良好に維持させる観点から、上記塩基性水分散液及び金属硫酸塩の双方を含む反応混合液全量中に、0.15〜1.50mol/lとなる量が好ましく、0.50〜1.40mol/lとなる量がより好ましく、0.80〜1.40mol/lとなる量がさらに好ましい。
なお、この場合における反応混合液中のLiの含有量は、Mに対して2モル以上が好ましい。
Specific examples of the metal sulfate MSO 4 include FeSO 4 , MnSO 4 , or Zr (SO 4 ) 2, which may be used alone or in combination of two or more. The addition amount of the metal sulfate (MSO 4 ) is as described above from the viewpoint of firmly supporting carbon on the surface of the obtained olivine-type lithium silicate compound and maintaining it well while exhibiting excellent discharge capacity in the battery. The total amount of the reaction mixture containing both the basic aqueous dispersion and the metal sulfate is preferably 0.15 to 1.50 mol / l, more preferably 0.50 to 1.40 mol / l. The amount of 0.80 to 1.40 mol / l is more preferable.
In this case, the Li content in the reaction mixture is preferably 2 mol or more with respect to M.
金属(M)化合物として有機酸金属塩(R)2M(式中、Rは有機酸残基を示し、Mは、Fe、Mn、又はZrを示す)を用いる場合には、リチウム化合物、ケイ酸化合物及び酸化防止剤を含有し、さらに有機酸金属塩を含有する塩基性水分散液を調製する。この場合、リチウム化合物、ケイ酸化合物、酸化防止剤及び有機酸金属塩の添加順序は特に限定されない。また、大気条件下でもよい。金属(M)化合物として有機酸金属塩(R)2Mを用いる場合における、塩基性水分散液中(反応混合液全量中)のリチウム化合物の濃度は、オリビン型ケイ酸リチウム化合物を適切な平均粒径に制御しつつ、かかる化合物の表面において炭素を堅固に担持させ、電池において優れた放電容量を発揮しながらこれを良好に維持させる観点から、0.30〜3.00mol/lが好ましく、1.00〜2.80mol/lがより好ましく、1.50〜2.80mol/lがさらに好ましい。また、塩基性水分散液中(反応混合液全量中)のケイ酸化合物の含有量は、同様の観点から、0.15〜1.50mol/lが好ましく、0.50〜1.40mol/lがより好ましく、0.80〜1.40mol/lがさらに好ましい。さらに、塩基性水分散液中(反応混合液全量中)の酸化防止剤の濃度は、多量に添加するとオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子の生成を抑制してしまうため、金属(M)に対して等モル量以下が好ましく、金属(M)に対してモル比で0.5以下がさらに好ましい。通常、有機酸塩は固相法に用いられる原料であるが、水熱反応に用いることにより副反応を抑制することができる。
なお、この場合における反応混合液中のLiは、金属に対してモル比で2倍以上用いることが好ましく、Li:Mが2.5:1〜3:1程度がより好ましい。
When an organic acid metal salt (R) 2 M (wherein R represents an organic acid residue and M represents Fe, Mn, or Zr) is used as the metal (M) compound, a lithium compound, silica A basic aqueous dispersion containing an acid compound and an antioxidant and further containing an organic acid metal salt is prepared. In this case, the order of addition of the lithium compound, silicic acid compound, antioxidant and organic acid metal salt is not particularly limited. Moreover, atmospheric conditions may be sufficient. When the organic acid metal salt (R) 2 M is used as the metal (M) compound, the concentration of the lithium compound in the basic aqueous dispersion (in the total amount of the reaction mixture) is an appropriate average of the olivine type lithium silicate compound. From the viewpoint of firmly supporting carbon on the surface of such a compound while controlling the particle size, and maintaining this well while exhibiting excellent discharge capacity in the battery, 0.30 to 3.00 mol / l is preferable, 1.00 to 2.80 mol / l is more preferable, and 1.50 to 2.80 mol / l is more preferable. Further, the content of the silicate compound in the basic aqueous dispersion (in the total amount of the reaction mixture) is preferably 0.15 to 1.50 mol / l, and preferably 0.50 to 1.40 mol / l from the same viewpoint. Is more preferable, and 0.80 to 1.40 mol / l is more preferable. Furthermore, since the concentration of the antioxidant in the basic aqueous dispersion (in the total amount of the reaction mixture) suppresses the generation of primary particles of the olivine-type lithium silicate compound when added in a large amount, the metal (M) On the other hand, an equimolar amount or less is preferable, and a molar ratio with respect to the metal (M) is more preferably 0.5 or less. Usually, an organic acid salt is a raw material used in a solid phase method, but side reactions can be suppressed by using it in a hydrothermal reaction.
In this case, Li in the reaction mixture is preferably used in a molar ratio of 2 times or more with respect to the metal, and Li: M is more preferably about 2.5: 1 to 3: 1.
有機酸金属塩(R)2MのRで示される有機酸としては、炭素数1〜20の有機酸が好ましく、炭素数2〜12の有機酸がより好ましい。より具体的な有機酸としては、シュウ酸、フマル酸等のジカルボン酸、乳酸等のヒドロキシカルボン酸、酢酸等の脂肪酸が挙げられる。塩基性水分散液中(反応混合液全量中)の有機酸金属塩(R)2Mの濃度は、得られるオリビン型ケイ酸リチウム化合物の表面において炭素を堅固に担持させ、電池において優れた放電容量を発揮しながらこれを良好に維持させる観点から、0.15〜1.50mol/lが好ましく、0.5〜1.40mol/lがより好ましく、0.80〜1.40mol/lがさらに好ましい。 The organic acid represented by an organic acid metal salt (R) of 2 M R, preferably an organic acid having 1 to 20 carbon atoms, more preferably an organic acid having 2 to 12 carbon atoms. More specific organic acids include dicarboxylic acids such as oxalic acid and fumaric acid, hydroxycarboxylic acids such as lactic acid, and fatty acids such as acetic acid. The concentration of the organic acid metal salt (R) 2 M in the basic aqueous dispersion (in the total amount of the reaction mixture) allows the carbon to be firmly supported on the surface of the resulting olivine-type lithium silicate compound, resulting in excellent discharge in the battery. From the viewpoint of maintaining the capacity while exhibiting the capacity, 0.15 to 1.50 mol / l is preferable, 0.5 to 1.40 mol / l is more preferable, and 0.80 to 1.40 mol / l is further preferable.
該水分散液は塩基性とするのが、副反応を防止し、ケイ酸化合物を溶解するうえで重要である。具体的には、該塩基性水分散液のpHが12.0〜13.5であるのが副反応(Fe3O4の生成)の防止、ケイ酸化合物の溶解性及び反応の進行の点で特に好ましい。該塩基性水分散液のpHの調整は、塩基、例えば、水酸化ナトリウムを添加することにより行ってもよいが、ケイ酸化合物としてNa4SiO4を用いるのが特に好ましい。 Making the aqueous dispersion basic is important in preventing side reactions and dissolving the silicate compound. Specifically, the pH of the basic aqueous dispersion is 12.0 to 13.5 to prevent side reactions (formation of Fe 3 O 4 ), solubility of silicate compounds, and progress of the reaction. Is particularly preferable. The pH of the basic aqueous dispersion may be adjusted by adding a base such as sodium hydroxide, but it is particularly preferable to use Na 4 SiO 4 as the silicate compound.
水熱反応は、100℃以上であればよく、130〜200℃が好ましく、さらに140〜180℃が好ましい。水熱反応は耐圧容器中で行うのが好ましく、130〜200℃で反応を行う場合の圧力は0.3〜1.5MPaとなり、140〜180℃で反応を行う場合の圧力は0.4〜1.0MPaとなる。水熱反応時間は1〜24時間が好ましく、さらに3〜12時間が好ましい。 Hydrothermal reaction should just be 100 degreeC or more, 130-200 degreeC is preferable and 140-180 degreeC is more preferable. The hydrothermal reaction is preferably performed in a pressure-resistant vessel, and the pressure when the reaction is performed at 130 to 200 ° C is 0.3 to 1.5 MPa, and the pressure when the reaction is performed at 140 to 180 ° C is 0.4 to 1.0 MPa. The hydrothermal reaction time is preferably 1 to 24 hours, more preferably 3 to 12 hours.
当該水熱反応により、オリビン型ケイ酸リチウム化合物が一次粒子として高収率で得られ、その結晶度も高い。かかる粒子の平均粒径は、リチウムイオン電池の電池特性を高める観点から、好ましくは10〜500nmであり、より好ましくは10〜100nmである。 By the hydrothermal reaction, an olivine type lithium silicate compound is obtained as primary particles in a high yield, and its crystallinity is also high. The average particle diameter of such particles is preferably 10 to 500 nm, more preferably 10 to 100 nm, from the viewpoint of improving the battery characteristics of the lithium ion battery.
得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子は、洗浄後にろ過し、次いで乾燥することにより、単離することができる。乾燥手段としては、噴霧乾燥、箱型乾燥、流動床乾燥、外熱式乾燥、凍結乾燥、真空乾燥が挙げられる。なかでも、凍結乾燥が好ましい。また、乾燥する際、予め一次粒子を用いて調製したスラリーを用いるのがよい。かかるスラリーにおけるオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子の含有量(固形分濃度)は、表面に炭素を良好に担持することのできる粒子を得る観点から、好ましくは20〜60質量%であり、より好ましくは30〜50質量%であり、さらに好ましくは35〜45質量%である。 The primary particles of the obtained olivine type lithium silicate compound can be isolated by filtering after washing and then drying. Examples of the drying means include spray drying, box drying, fluidized bed drying, external heat drying, freeze drying, and vacuum drying. Of these, freeze-drying is preferred. Moreover, when drying, it is preferable to use a slurry prepared in advance using primary particles. The content (solid content concentration) of primary particles of the olivine-type lithium silicate compound in such a slurry is preferably 20 to 60% by mass from the viewpoint of obtaining particles capable of favorably supporting carbon on the surface. Preferably it is 30-50 mass%, More preferably, it is 35-45 mass%.
この際、分散剤や増粘剤をスラリーに少量添加しても良く、分散剤としては、例えば、ポリカルボン酸系、ポリエーテル系、ポリアクリル酸系などを用いることができる。
増粘剤としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、アンモニアなどの塩基や酢酸、クエン酸などの有機酸を用いることができる。
At this time, a small amount of a dispersant or a thickener may be added to the slurry, and as the dispersant, for example, a polycarboxylic acid type, a polyether type, a polyacrylic acid type, or the like can be used.
As the thickener, for example, a base such as sodium hydroxide, lithium hydroxide or ammonia, or an organic acid such as acetic acid or citric acid can be used.
こうして得られる乾燥物については、乾燥時又は乾燥後にセパレータ、サイクロン、篩等で分級してもよく、また乳鉢ピンミル、ロールミル、クラッシャー等を用いて粉砕してもよい。 The dried product thus obtained may be classified with a separator, cyclone, sieve or the like during or after drying, or may be pulverized with a mortar pin mill, roll mill, crusher or the like.
得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物の平均粒径は、表面に炭素を良好に担持する観点から、好ましくは3〜150μmであり、より好ましくは3〜100μmであり、さらに好ましくは5〜50μmである。 The average particle size of the obtained olivine-type lithium silicate compound is preferably 3 to 150 μm, more preferably 3 to 100 μm, and further preferably 5 to 50 μm from the viewpoint of favorably supporting carbon on the surface. is there.
その後、得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子の表面に炭素を担持する(工程(II))。このようにすることで、オリビン型ケイ酸リチウム化合物の電子伝導面積(電子伝導パス)が増加することとなり、より十分な電子伝導性を確保して優れた電池特性を発揮することができる。 Thereafter, carbon is supported on the surface of the primary particles of the obtained olivine type lithium silicate compound (step (II)). By doing in this way, the electronic conduction area (electron conduction path) of an olivine type lithium silicate compound will increase, and more sufficient electronic conductivity can be ensured and the outstanding battery characteristic can be exhibited.
炭素を担持する処理としては、例えば、炭素源として導電性炭素材料を用い、得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物及び導電性炭素材料を含有するスラリーを調製し、造粒後に焼成する処理が挙げられる。スラリーには、適宜、有機バインダー、無機バインダーを含有させてもよい。かかる処理を施すことにより、オリビン型ケイ酸リチウム化合物の表面に炭素薄膜を形成することができ、より優れた電池特性を発揮することができる。 Examples of the treatment for supporting carbon include a treatment in which a conductive carbon material is used as a carbon source, a slurry containing the obtained olivine-type lithium silicate compound and the conductive carbon material is prepared, and calcined after granulation. It is done. The slurry may appropriately contain an organic binder and an inorganic binder. By performing such treatment, a carbon thin film can be formed on the surface of the olivine type lithium silicate compound, and more excellent battery characteristics can be exhibited.
導電性炭素材料としては、グルコース、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、カーボンブラックが挙げられる。 Examples of the conductive carbon material include glucose, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, and carbon black.
バインダーとしては、導電性炭素材料としても用い得るグルコース、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロースのほか、フルクトース、ポリエチレングリコール、サッカロース、デンプン、デキストリン、クエン酸等が挙げられる。
なかでも、使用量を調整することによって炭素源としても機能し、導電性炭素材料としても用い得る点から、グルコース、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロースが好ましく、グルコースがより好ましい。
Examples of the binder include glucose, polyvinyl alcohol and carboxymethyl cellulose which can also be used as a conductive carbon material, as well as fructose, polyethylene glycol, saccharose, starch, dextrin, citric acid and the like.
Among these, glucose, polyvinyl alcohol, and carboxymethyl cellulose are preferable, and glucose is more preferable because it functions as a carbon source by adjusting the amount used and can also be used as a conductive carbon material.
無機バインダーとしては、鱗片状シリカ(二酸化ケイ素)、シリカ−チタニア、ケイ素ガラス、コロイダルシリカ、シリカゾル、アルミナゾル等が挙げられる。 Examples of the inorganic binder include scaly silica (silicon dioxide), silica-titania, silicon glass, colloidal silica, silica sol, and alumina sol.
スラリーを調製し、造粒後に焼成する処理の際に用いる上記導電性炭素材料の添加量は、良好な充放電容量及び経済性の点から、スラリー中のオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子100質量部に対し、炭素原子換算量で0.5〜20質量部であるのが好ましく、2〜10質量部であるのがより好ましい。 The amount of the conductive carbon material used in the process of preparing the slurry and firing after granulation is the primary particle 100 of the olivine-type lithium silicate compound in the slurry from the viewpoint of good charge / discharge capacity and economy. It is preferably 0.5 to 20 parts by mass and more preferably 2 to 10 parts by mass with respect to parts by mass.
また、溶媒として、水又は有機溶媒を用いてもよく、経済性の観点から水が好ましい。スラリー中におけるオリビン型ケイ酸リチウム化合物(一次粒子)及び導電性炭素材料の含有量(スラリー濃度)は、30〜60質量%が好ましく、さらに45〜55質量%が好ましい。また、25℃におけるスラリー粘度は、3〜3000m・Paが好ましく、さらに10〜100m・Paが好ましい。さらにスラリーのpHは、好ましくは10.5〜11.2に調整するのがよい。 Moreover, you may use water or an organic solvent as a solvent, and water is preferable from an economical viewpoint. The content (slurry concentration) of the olivine-type lithium silicate compound (primary particles) and the conductive carbon material in the slurry is preferably 30 to 60% by mass, and more preferably 45 to 55% by mass. The slurry viscosity at 25 ° C. is preferably 3 to 3000 m · Pa, more preferably 10 to 100 m · Pa. Furthermore, the pH of the slurry is preferably adjusted to 10.5 to 11.2.
造粒処理は、所望の粒子径を有するオリビン型ケイ酸リチウム化合物を二次粒子として得られるものであれば特に制限されないが、噴霧乾燥によるものであるのが好ましく、なかでもスプレードライ法による噴霧乾燥によるものが最適である。造粒処理後に得られる粒子の平均粒径としては、1μm〜500μmが好ましく、さらに、20μm〜50μmが好ましい。
得られた粒子は、表面に堅固に炭素を担持させる観点から、次いで焼成するのがよい。
The granulation treatment is not particularly limited as long as the olivine type lithium silicate compound having a desired particle size can be obtained as secondary particles, but is preferably by spray drying, and in particular, spraying by a spray drying method. The one by drying is optimal. The average particle size of the particles obtained after the granulation treatment is preferably 1 μm to 500 μm, and more preferably 20 μm to 50 μm.
The obtained particles are preferably fired from the viewpoint of firmly supporting carbon on the surface.
また、上記造粒処理のほか、粒子の表面に炭素を担持する処理として、例えば、オリビン型ケイ酸リチウム化合物(一次粒子)及び導電性炭素材料を含む混合物を粉砕/複合化/混合処理する方法を用いてもよい。かかる処理を施すことにより、一次粒子と導電性炭素材料とが複合した二次粒子を形成することができ、より導電性を高めることができる。 In addition to the above granulation treatment, as a treatment for supporting carbon on the surface of the particles, for example, a method of pulverizing / compositing / mixing a mixture containing an olivine type lithium silicate compound (primary particles) and a conductive carbon material May be used. By performing such treatment, secondary particles in which the primary particles and the conductive carbon material are combined can be formed, and the conductivity can be further increased.
粉砕処理の際に用いる導電性炭素材料としては、上記造粒する処理の際に用い得る導電性炭素材料と同様のものが挙げられる。なかでも、カーボンブラックが好ましく、そのうちアセチレンブラック、ケッチェンブラックがより好ましい。粉砕処理における導電性炭素材料の添加量は、良好な放電容量と経済性の点から、オリビン型ケイ酸リチウム化合物(一次粒子)100質量部に対し、炭素原子換算量で0.5〜20質量部であるのが好ましく、2〜10質量部であるのがより好ましい。 Examples of the conductive carbon material used in the pulverization treatment include the same conductive carbon materials that can be used in the granulation treatment. Of these, carbon black is preferable, and acetylene black and ketjen black are more preferable. The addition amount of the conductive carbon material in the pulverization treatment is 0.5 to 20 mass in terms of carbon atom with respect to 100 mass parts of olivine type lithium silicate compound (primary particles) from the viewpoint of good discharge capacity and economy. Part is preferable, and 2 to 10 parts by mass is more preferable.
オリビン型ケイ酸リチウム化合物(一次粒子)及び導電性炭素材料を含む混合物は、乾式にて、粉砕/複合化/混合処理を行う。この時、ジエチレングリコール、エタノールなどを助剤として少量添加してもよい。 The mixture containing the olivine-type lithium silicate compound (primary particles) and the conductive carbon material is pulverized / composited / mixed in a dry manner. At this time, a small amount of diethylene glycol, ethanol or the like may be added as an auxiliary agent.
粉砕/複合化/混合処理を施す装置としては、通常のボールミルでもよいが、自公転可能な遊星ボールミル(フリッチュ社製)が好ましく、ノビルタ(ホソカワミクロン社製)、マルチパーパスミキサ(日本コークス工業社製)、或いはハイブリタイザー(奈良機械社製)等、被処理物へのメカノケミカル作用/複合化処理を行えるものであれば何れでもよい。 As an apparatus for pulverizing / combining / mixing, an ordinary ball mill may be used, but a planetary ball mill (manufactured by Fritsch) capable of rotating and revolving is preferred, and nobilta (manufactured by Hosokawa Micron), multipurpose mixer (manufactured by Nippon Coke Industries, Ltd.). ), Or a hybridizer (manufactured by Nara Machinery Co., Ltd.), etc., as long as it can perform a mechanochemical action / combination treatment on the workpiece.
遊星ボールミルで用いられる装置の容器としては、鋼、ステンレス、ナイロン製が挙げられ、内壁はアルミナ煉瓦、磁気質、天然ケイ石、ゴム、ウレタン等が挙げられる。ボールとしては、アルミナ球石、天然ケイ石、鉄球、ジルコニアボール等が用いられる。ボールの大きさは、0.1mm〜20mmが好ましく、さらには0.5mm〜5mmボールが好ましい。ボールの充填量は、使用するミルの内容積に対し、ボールの充填体積が5〜50%を占める割合とするのが好ましい。 Examples of the container of the device used in the planetary ball mill include steel, stainless steel, and nylon, and the inner wall includes alumina brick, magnetic material, natural silica, rubber, urethane, and the like. As the ball, alumina sphere, natural silica, iron ball, zirconia ball or the like is used. The size of the ball is preferably 0.1 mm to 20 mm, more preferably 0.5 mm to 5 mm. It is preferable that the filling amount of the ball is a ratio in which the filling volume of the ball occupies 5 to 50% with respect to the internal volume of the mill to be used.
遊星ボールミルを用いる混合は、例えば公転50〜800rpm、自転100〜1,600rpmの条件で、好ましくは5分〜24時間、より好ましくは0.5〜6時間、さらに好ましくは1〜3時間行う。 Mixing using a planetary ball mill is performed, for example, under conditions of revolution of 50 to 800 rpm and rotation of 100 to 1,600 rpm, preferably 5 minutes to 24 hours, more preferably 0.5 to 6 hours, and further preferably 1 to 3 hours.
上記のようにオリビン型ケイ酸リチウム化合物(一次粒子)の表面に炭素を担持する処理を施した二次粒子は、不活性ガス雰囲気下又は還元条件下に、好ましくは500〜800℃で10分〜24時間、より好ましくは600〜700℃で0.5〜3時間焼成するのが好ましい。かかる処理により、一次粒子の表面にさらに炭素が堅固に担持された二次粒子でを得ることができる。焼成に用いる装置としては、焼成雰囲気及び温度の調整が可能なものであれば特に制限されず、バッチ式、連続式、加熱方式(間接又は直接)のいずれの方式のものも使用することができる。かかる装置としては、例えば、外熱キルンやローラーハース等の管状電気炉が挙げられる。 The secondary particles subjected to the treatment for supporting carbon on the surface of the olivine-type lithium silicate compound (primary particles) as described above are preferably 10 minutes at 500 to 800 ° C. under an inert gas atmosphere or under reducing conditions. It is preferable to bake at ˜24 hours, more preferably at 600 to 700 ° C. for 0.5 to 3 hours. By such treatment, secondary particles in which carbon is further firmly supported on the surface of the primary particles can be obtained. The apparatus used for firing is not particularly limited as long as the firing atmosphere and temperature can be adjusted, and any of a batch system, a continuous system, and a heating system (indirect or direct) can be used. . Examples of such an apparatus include tubular electric furnaces such as an external heat kiln and a roller hearth.
表面にさらに炭素が堅固に担持されてなるオリビン型ケイ酸リチウム化合物(二次粒子)の平均粒径は、好ましくは1〜100μmであり、より好ましくは5〜50μmである。また、タップ密度は、好ましくは0.5g/ml以上であり、より好ましくは0.7g/ml以上である。 The average particle size of the olivine-type lithium silicate compound (secondary particles) in which carbon is further firmly supported on the surface is preferably 1 to 100 μm, more preferably 5 to 50 μm. The tap density is preferably 0.5 g / ml or more, more preferably 0.7 g / ml or more.
上記表面に炭素が堅固に担持されてなるオリビン型ケイ酸リチウム化合物に、さらに4.5〜5.0Vの定電圧充電処理を施すことにより(工程(III))、リチウムを抜き取る。これにより、得られるオリビン型ケイ酸リチウム化合物は非晶質構造を有し、優れた放電容量を良好に維持することが可能となる。かかる定電圧充電処理は、上記により得られた表面に炭素が担持されてなるオリビン型ケイ酸リチウム化合物に施すのであればいずれの段階であってもよいが、かかるオリビン型ケイ酸リチウム化合物を正極活物質として用いてリチウムイオン電池用正極を作製した後、リチウムイオン電池を構築し、得られた電池に施すのが好ましい。
なお、上記オリビン型ケイ酸リチウム化合物が非晶質構造を有することは、例えば図1にも示すように、XRDパターン図によって確認することができる。
The olivine-type lithium silicate compound in which carbon is firmly supported on the surface is further subjected to a constant voltage charging treatment of 4.5 to 5.0 V (step (III)) to extract lithium. Thereby, the obtained olivine-type lithium silicate compound has an amorphous structure, and it becomes possible to maintain excellent discharge capacity. The constant voltage charging treatment may be carried out at any stage as long as it is applied to the olivine type lithium silicate compound having carbon supported on the surface obtained as described above. After producing a positive electrode for a lithium ion battery as an active material, it is preferable to construct a lithium ion battery and apply it to the obtained battery.
The olivine type lithium silicate compound having an amorphous structure can be confirmed by an XRD pattern diagram as shown in FIG. 1, for example.
上記定電圧充電処理は、4.5〜5.0Vの定電圧とするものであって、4.55〜4.9Vの定電圧とするものであるのが好ましく、4.55〜4.8Vの定電圧とするものであるのがより好ましい。また、この際、0.01〜1CAの定電流で行うのが好ましく、0.05〜0.5CAの定電流で行うのが好ましい。これにより、リチウムが有効に抜き取られた非晶質構造を有するオリビン型ケイ酸リチウム化合物を得ることができる。リチウムが有効に抜き取られる割合は、化学組成式より求めることができ、水熱反応直後に得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物に存在するリチウムを基準として、好ましくは60%以上であり、より好ましくは65〜85%である。 The constant voltage charging process is a constant voltage of 4.5 to 5.0 V, preferably a constant voltage of 4.55 to 4.9 V, and preferably 4.55 to 4.8 V. It is more preferable that the voltage be constant. At this time, it is preferable to carry out at a constant current of 0.01 to 1 CA, and preferably at a constant current of 0.05 to 0.5 CA. Thereby, an olivine-type lithium silicate compound having an amorphous structure from which lithium is effectively extracted can be obtained. The proportion of lithium effectively extracted can be determined from the chemical composition formula, and is preferably 60% or more, more preferably, based on lithium present in the olivine-type lithium silicate compound obtained immediately after the hydrothermal reaction. Is 65 to 85%.
本発明のオリビン型ケイ酸リチウム化合物を正極活物質として含むリチウムイオン電池用正極を適用できるリチウムイオン電池としては、正極と負極と電解液とセパレータを必須構成とするものであれば特に限定されない。 The lithium ion battery to which the positive electrode for a lithium ion battery containing the olivine-type lithium silicate compound of the present invention as a positive electrode active material can be applied is not particularly limited as long as the positive electrode, the negative electrode, the electrolytic solution, and the separator are essential components.
ここで、負極については、リチウムイオンを充電時には吸蔵し、かつ放電時には放出することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。たとえば、リチウム金属、グラファイト又は非晶質炭素等の炭素材料等である。そしてリチウムを電気化学的に吸蔵・放出し得るインターカレート材料で形成された電極、特に炭素材料を用いることが好ましい。 Here, as long as lithium ions can be occluded at the time of charging and released at the time of discharging, the material structure is not particularly limited, and a known material structure can be used. For example, a carbon material such as lithium metal, graphite, or amorphous carbon. It is preferable to use an electrode formed of an intercalating material capable of electrochemically inserting and extracting lithium, particularly a carbon material.
電解液は、有機溶媒に支持塩を溶解させたものである。有機溶媒は、通常リチウムイオン二次電池の電解液の用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等を用いることができる。 The electrolytic solution is obtained by dissolving a supporting salt in an organic solvent. The organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent that is usually used for an electrolyte solution of a lithium ion secondary battery. For example, carbonates, halogenated hydrocarbons, ethers, ketones, nitriles, lactones An oxolane compound or the like can be used.
支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、LiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6から選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、LiSO3CF3、LiC(SO3CF3)2及びLiN(SO3CF3)2、LiN(SO2C2F5)2及びLiN(SO2CF3)(SO2C4F9)から選ばれる有機塩、並びに該有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが好ましい。 The type of the supporting salt is not particularly limited, but an inorganic salt selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAsF 6 , a derivative of the inorganic salt, LiSO 3 CF 3 , LiC (SO 3 CF 3 ) 2 and LiN (SO 3 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 and LiN (SO 2 CF 3 ) (SO 2 C 4 F 9 ), and organic salt derivatives It is preferable that it is at least 1 type of these.
セパレータは、正極及び負極を電気的に絶縁し、電解液を保持する役割を果たすものである。たとえば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いればよい。 The separator plays a role of electrically insulating the positive electrode and the negative electrode and holding the electrolytic solution. For example, a porous synthetic resin film, particularly a polyolefin polymer (polyethylene, polypropylene) porous film may be used.
以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
[実施例1]
LiOH・H2O 4.20g、Na4SiO4・nH2O 13.98gに超純水37.5mLを加えて混合した。この水分散液にFeSO4・7H2O 3.92g、MnSO4・5H2O 7.93、及びZr(SO4)2・4H2O 0.53gを添加し、混合した(pH=約13)。
得られた混合液をオートクレーブに投入し、150℃で12hr水熱反応を行った。オートクレーブの圧力は0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥してオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子を得た(Li2Fe0.09Mn0.85Zr0.03SiO4、平均粒径:40nm)。
[Example 1]
37.5 mL of ultrapure water was added to and mixed with 4.20 g of LiOH.H 2 O and 13.98 g of Na 4 SiO 4 .nH 2 O. To this aqueous dispersion, 3.92 g of FeSO 4 .7H 2 O, 7.93 MnSO 4 .5H 2 O and 0.53 g of Zr (SO 4 ) 2 .4H 2 O were added and mixed (pH = about 13). ).
The obtained mixed solution was put into an autoclave and subjected to a hydrothermal reaction at 150 ° C. for 12 hours. The pressure in the autoclave was 0.4 MPa. The produced crystal was filtered, and then washed with 12 parts by mass of water with respect to 1 part by mass of the crystal. The washed crystal was freeze-dried at −50 ° C. for 12 hours to obtain primary particles of an olivine type lithium silicate compound (Li 2 Fe 0.09 Mn 0.85 Zr 0.03 SiO 4 , average particle size: 40 nm).
そして、得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子8.4g、グルコース 2.3g(オリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子100質量部に対する炭素量として10質量部に相当)、及び水 10mLを遊星ボールミル(媒体1mmΦ)にて400rpmで1時間粉砕・混合し、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、650℃で1時間焼成して、表面に炭素が均一に被覆されてなるオリビン型ケイ酸リチウム化合物を得た。 Then, 8.4 g of primary particles of the obtained olivine type lithium silicate compound, 2.3 g of glucose (corresponding to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of primary particles of the olivine type lithium silicate compound), and 10 mL of water. An olivine type silica whose surface is uniformly coated with carbon by pulverizing and mixing for 1 hour at 400 rpm in a planetary ball mill (medium 1 mmΦ), and firing at 650 ° C. for 1 hour in an argon hydrogen atmosphere (hydrogen concentration 3%). An acid lithium compound was obtained.
得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物を正極活物質として用い、リチウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物、ケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデンを重量比75:15:10の配合割合で混合し、これにN−メチル−2−ピロリドンを加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、正極とした。
次いで、上記の正極を用いてコイン型リチウムイオン二次電池を構築した。負極には、φ15mmに打ち抜いたリチウム箔を用いた。電解液には、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比1:1の割合で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、ポリプロピレンなどの高分子多孔フィルムなど、公知のものを用いた。これらの電池部品を露点が−50℃以下の雰囲気で常法により組み込み収容し、コイン型リチウムイオン二次電池(CR−2032)を製造した。
Using the obtained olivine-type lithium silicate compound as a positive electrode active material, a positive electrode of a lithium ion secondary battery was produced. Specifically, the obtained olivine-type lithium silicate compound, ketjen black, and polyvinylidene fluoride were mixed at a blending ratio of 75:15:10, and N-methyl-2-pyrrolidone was added to the mixture. The mixture was kneaded to prepare a positive electrode slurry. The positive electrode slurry was applied to a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm using a coating machine, and vacuum dried at 80 ° C. for 12 hours. Thereafter, it was punched into a disk shape of φ14 mm and pressed at 16 MPa for 2 minutes using a hand press to obtain a positive electrode.
Next, a coin-type lithium ion secondary battery was constructed using the positive electrode. A lithium foil punched to φ15 mm was used for the negative electrode. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1 mol / l in a mixed solvent in which ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate were mixed at a volume ratio of 1: 1 was used. As the separator, a known one such as a polymer porous film such as polypropylene was used. These battery components were assembled and housed in a conventional manner in an atmosphere with a dew point of −50 ° C. or lower to produce a coin-type lithium ion secondary battery (CR-2032).
次に、得られたコイン型リチウムイオン二次電池を用い、30℃の環境下、電流0.1CA(33mA/g)にて4.5∨の電圧で定電流定電圧充電を1回実施した。かかる定電流定電圧充電処理後の電池に含まれるケイ酸リチウム化合物について、充電容量から算出したところ、Li0.8Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4であり、リチウムが有効に抜き取られていることが確認された(水熱反応直後に得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物に存在するリチウムを基準とする抜き取られたリチウムの割合=60%)。
かかるケイ酸リチウム化合物のXRDパターン図を図1に示す。
Next, using the obtained coin-type lithium ion secondary battery, constant current and constant voltage charging was performed once at a current of 0.1 CA (33 mA / g) and a voltage of 4.5 liters in an environment of 30 ° C. . The lithium silicate compound contained in the battery after the constant current and constant voltage charge treatment was calculated from the charge capacity. As a result, Li 0.8 Fe 0.28 Mn 0.66 Zr 0.03 SiO 4 was confirmed and lithium was effectively extracted. (Ratio of lithium extracted based on lithium present in the olivine-type lithium silicate compound obtained immediately after the hydrothermal reaction = 60%).
An XRD pattern diagram of such a lithium silicate compound is shown in FIG.
[実施例2]
実施例1で得られたコイン型リチウムイオン二次電池を用い、30℃の環境下、電流0.1CA(33mA/g)にて4.6∨の電圧で定電流定電圧充電を1回実施した。次いで、実施例1と同様にして、定電流定電圧充電処理後の電池に含まれるケイ酸リチウム化合物の組成を算出したところ、Li0.66Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4であり、リチウムが有効に抜き取られていることが確認された(水熱反応直後に得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物に存在するリチウムを基準とする抜き取られたリチウムの割合=67%)。
[Example 2]
Using the coin-type lithium ion secondary battery obtained in Example 1, a constant current and constant voltage charge was performed once at a voltage of 4.6 mm at a current of 0.1 CA (33 mA / g) in an environment of 30 ° C. did. Next, in the same manner as in Example 1, the composition of the lithium silicate compound contained in the battery after the constant current constant voltage charging treatment was calculated. As a result, Li 0.66 Fe 0.28 Mn 0.66 Zr 0.03 SiO 4 was obtained, and lithium was effectively used. It was confirmed that the lithium was extracted (ratio of lithium extracted based on lithium present in the olivine-type lithium silicate compound obtained immediately after the hydrothermal reaction = 67%).
[実施例3]
実施例1で得られたコイン型リチウムイオン二次電池を用い、30℃の環境下、電流0.1CA(33mA/g)にて4.7∨の電圧で定電流定電圧充電を1回実施した。次いで、実施例1と同様にして、定電流定電圧充電処理後の電池に含まれるケイ酸リチウム化合物の組成を算出したところ、Li0.55Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4であり、リチウムが有効に抜き取られていることが確認された(水熱反応直後に得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物に存在するリチウムを基準とする抜き取られたリチウムの割合=72.5%)。
[Example 3]
Using the coin-type lithium ion secondary battery obtained in Example 1, a constant current and constant voltage charge was performed once at a current of 0.1 CA (33 mA / g) and a voltage of 4.7 mm under an environment of 30 ° C. did. Next, in the same manner as in Example 1, the composition of the lithium silicate compound contained in the battery after the constant current constant voltage charging treatment was calculated. As a result, Li 0.55 Fe 0.28 Mn 0.66 Zr 0.03 SiO 4 was obtained, and lithium was effectively used. It was confirmed that the lithium was extracted (ratio of lithium extracted based on lithium present in the olivine-type lithium silicate compound obtained immediately after the hydrothermal reaction = 72.5%).
[実施例4]
実施例1で得られたコイン型リチウムイオン二次電池を用い、30℃の環境下、電流0.1CA(33mA/g)にて4.8∨の電圧で定電流定電圧充電を1回実施した。次いで、実施例1と同様にして、定電流定電圧充電処理後の電池に含まれるケイ酸リチウム化合物の組成を算出したところ、Li0.41Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4であり、リチウムが有効に抜き取られていることが確認された(水熱反応直後に得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物に存在するリチウムを基準とする抜き取られたリチウムの割合=79.5%)。
かかるケイ酸リチウム化合物のXRDパターン図を図1に示す。
[Example 4]
Using the coin-type lithium ion secondary battery obtained in Example 1, constant current / constant voltage charging was performed once at a current of 0.1 CA (33 mA / g) and a voltage of 4.8 kg in an environment of 30 ° C. did. Next, in the same manner as in Example 1, the composition of the lithium silicate compound contained in the battery after the constant current constant voltage charging treatment was calculated. As a result, Li 0.41 Fe 0.28 Mn 0.66 Zr 0.03 SiO 4 was obtained, and lithium was effectively used. It was confirmed that the lithium was extracted (ratio of lithium extracted based on lithium present in the olivine-type lithium silicate compound obtained immediately after the hydrothermal reaction = 79.5%).
An XRD pattern diagram of such a lithium silicate compound is shown in FIG.
[比較例1]
実施例1で得られたコイン型リチウムイオン二次電池を用い、定電流定電圧充電を行うことなく、実施例1と同様にして、電池に含まれるケイ酸リチウム化合物の組成を算出したところ、Li2Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4であった(水熱反応直後に得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物に存在するリチウムを基準とする抜き取られたリチウムの割合=0%)。
かかるケイ酸リチウム化合物のXRDパターン図を図1に示す。
[Comparative Example 1]
Using the coin-type lithium ion secondary battery obtained in Example 1, the composition of the lithium silicate compound contained in the battery was calculated in the same manner as in Example 1 without performing constant current and constant voltage charging. Li 2 Fe 0.28 Mn 0.66 Zr 0.03 SiO 4 (ratio of extracted lithium on the basis of lithium present in the olivine-type lithium silicate compound obtained immediately after the hydrothermal reaction = 0%).
An XRD pattern diagram of such a lithium silicate compound is shown in FIG.
《電池特性の評価》
定電流定電圧充電を行った実施例1〜4の電池については、充電した電気を予め全て放電させた。次いで、実施例1〜4、及び比較例1で得られた電池を用い、電流0.1CA(33mA/g)で電圧4.3∨の定電流定電圧充電を行い、電流0.1CAで最終電圧1.5∨の定電流放電を行った。そして、1サイクル目の放電容量を元に、2〜4サイクル目の放電容量について、その容量維持率(%)を求めた。なお、本試験の温度は全て30℃で行った。
結果を表1に示す。
<Evaluation of battery characteristics>
About the battery of Examples 1-4 which performed constant current constant voltage charge, all the charged electricity was discharged beforehand. Next, using the batteries obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, constant current and constant voltage charging with a voltage of 4.3 で was performed at a current of 0.1 CA (33 mA / g), and finally at a current of 0.1 CA. A constant current discharge with a voltage of 1.5∨ was performed. Based on the discharge capacity at the first cycle, the capacity retention rate (%) was obtained for the discharge capacity at the second to fourth cycles. In addition, all the temperatures of this test were performed at 30 degreeC.
The results are shown in Table 1.
上記結果より、実施例1〜4で用いたケイ酸リチウム化合物は、良好にリチウムが抜き取られてなる非晶質構造を有しているため、得られたリチウム二次電池において、1サイクル目の放電容量が高く、さらに2サイクル目以降の容量維持率も高い値を示すことがわかる。 From the above results, since the lithium silicate compounds used in Examples 1 to 4 have an amorphous structure in which lithium is satisfactorily extracted, in the obtained lithium secondary battery, the first cycle It can be seen that the discharge capacity is high, and the capacity retention rate after the second cycle is also high.
Claims (3)
LiaMSiO4 ・・・(A)
(式中、MはFe、Mn、及びZrから選ばれる1種又は2種以上の金属を示し、aは0.3≦a≦1を満たす数を示す。)
で表されるオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子を得る工程(I)、
工程(I)で得られたオリビン型ケイ酸リチウム化合物の一次粒子の表面に炭素を担持させる工程(II)、及び
工程(II)で得られた表面に炭素が担持してなるオリビン型ケイ酸リチウム化合物に、4.55〜5.0Vの定電流定電圧充電処理を1回施し、オリビン型ケイ酸リチウム化合物中のリチウムを65〜85%抜き取る工程(III)
を備える、非晶質構造を有するケイ酸リチウム化合物の製造方法。 By subjecting a lithium compound, a silicate compound, and a metal (M) compound to a hydrothermal reaction, the following formula (A):
Li a MSiO 4 (A)
(In the formula, M represents one or more metals selected from Fe, Mn, and Zr, and a represents a number satisfying 0.3 ≦ a ≦ 1.)
Step (I) of obtaining primary particles of an olivine type lithium silicate compound represented by
Step (II) for supporting carbon on the surface of primary particles of the olivine type lithium silicate compound obtained in step (I), and olivine type silicic acid obtained by supporting carbon on the surface obtained in step (II) A step of subjecting the lithium compound to a constant current / constant voltage charging treatment of 4.55 to 5.0 V once to extract 65 to 85% of lithium in the olivine type lithium silicate compound (III)
A method for producing a lithium silicate compound having an amorphous structure.
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