JP6081782B2 - リチウムイオン二次電池用電極材料、リチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法、及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
a1)Liを含む化合物とMnを含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b1)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末に上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c1)上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を、上記Mで表される金属を含む化合物と混合した後、加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、第1の製造方法を提供する。第1の製造方法により、本発明の電極材料を好適に得ることができる。
a2)Liを含む化合物とMnを含む化合物と上記Mで表される金属を含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b2)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末に上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c2)上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、第2の製造方法を提供する。この方法は、第1の製造方法においてc1)工程において用いられるMで表される金属を含む化合物を、予めa2)工程で調製する反応液中に含ませておく方法であり、第1の製造方法の変形方法とも言える。この場合にも、特許文献7の図1に記載されている反応器を用いて超遠心処理を好適に行うことができ、反応液に印加される遠心力の大きさ及び内筒外壁面と外筒内壁面との間隔に関する上述の記載は、この場合にも当てはまる。また、第1の製造方法における加熱処理に関する記載も、この場合にも当てはまる。第2の製造方法により、本発明の電極材料を好適に得ることができる。
a3)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b3)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物の核と上記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に上記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c3)上記Mnの水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、上記Mで表される金属を含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、第3の製造方法を提供する。この方法は、第1の製造方法のa1)工程における反応液として、水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を調製する方法であり、第1の製造方法の変形方法とも言える。ここで、実在しないものの慣用的に水酸化物として表されるMn(OH)3(Mn2O3・nH2O)も、上述の「水酸化物」の範囲に含まれる。b3)工程において、反応液に含まれるMnのほとんど全てが導電性カーボン粉末上に微粒子として担持されるため、効率よく電極材料を得ることができる。特許文献7の図1に記載されている反応器を用いて超遠心処理を好適に行うことができ、反応液に印加される遠心力の大きさ及び内筒外壁面と外筒内壁面との間隔に関する上述の記載は、この場合にも当てはまる。また、第1の製造方法における加熱処理に関する記載も、この場合にも当てはまる。第3の製造方法により、本発明の電極材料を好適に得ることができる。
a4)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、上記Mで表される金属を含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b4)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物の核と上記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に上記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c4)上記Mnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、第4の製造方法を提供する。この方法は、第3の製造方法においてc3)工程において用いられるMで表される金属を含む化合物を、予めa4)工程で調製する反応液中に含ませておく方法であり、第3の製造方法の変形方法と言うことができ、したがってまた第1の製造方法の変形方法と言うこともできる。第4の製造方法により、本発明の電極材料を好適に得ることができる。この方法は特に、MがFe、Ni、Coを含む場合に好適である。ここで、実在しないものの慣用的に水酸化物として表されるFe(OH)3(Fe2O3・nH2O)、Co(OH)3(Co2O3・nH2O)、Ni(OH)3(Ni2O3・nH2O)のような酸化水酸化物或いは水和酸化物も、上述の「水酸化物」の範囲に含まれる。b4)工程において、反応液に含まれるMn及び存在する場合にはFe、Co及びNiのほとんど全てが導電性カーボン粉末上に微粒子として担持されるため、効率よく電極材料を得ることができる。特許文献7の図1に記載されている反応器を用いて超遠心処理を好適に行うことができ、反応液に印加される遠心力の大きさ及び内筒外壁面と外筒内壁面との間隔に関する上述の記載は、この場合にも当てはまる。また、第1の製造方法における加熱処理に関する記載も、この場合にも当てはまる。
本発明のリチウムイオン二次電池用電極材料は、導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMxMn(2−x)O4(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表される微細なスピネル型酸化物の粒子と、を含む。そして、微細なスピネル型酸化物の粒子は、多面体形状を有する結晶粒子であり、しかも実質的に10〜50nmの粒径を有する一次粒子の形態で存在し、凝集した二次粒子を実質的に形成していない。
第1の製造方法は、
a1)Liを含む化合物とMnを含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b1)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末に上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c1)上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を、上記Mで表される金属を含む化合物と混合した後、加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含む。
p)上記導電性カーボン粉末の表面を、酸化スズ、酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ケイ素及び酸化ジルコニウムから成る群から選択された金属酸化物のナノ粒子で部分的に被覆する工程、を実施するのが好ましい。これらの酸化物が電極材料作成時のフラッシュ加熱による導電性カーボン粉末の燃焼及び消失を抑制する。
p)´上記導電性カーボン粉末の表面に、シランカップリング剤、アルミネートカップリング剤、チタネートカップリング剤、及びジルコネートカップリング剤から成る群から選択されたカップリング剤を結合させる工程、を実施することもできる。導電性カーボン粉末の表面に結合したカップリング剤が上記c1)工程において薄膜状の酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムに変化して、導電性カーボン粉末の表面を被覆する。
第2の製造方法は、
a2)Liを含む化合物とMnを含む化合物と上記Mで表される金属を含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b2)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末に上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c2)上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含む。
第3の製造方法は、
a3)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b3)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物の核と上記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に上記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c3)上記Mnの水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、上記Mで表される金属を含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含む。
第4の製造方法は、
a4)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、上記Mで表される金属を含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b4)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物の核と上記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に上記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c4)上記Mnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含む。
本発明の電極材料は、リチウムイオン二次電池の正極のために好適である。したがって、本発明はまた、本発明の電極材料を含む活物質層を有する正極と、負極と、負極と正極との間に配置された非水系電解液を保持したセパレータとを備えたリチウムイオン二次電池を提供する。
特開2007−160151号公報の図1に示されている、外筒と内筒の同心円筒からなり、内筒の側面に貫通孔が設けられ、外筒の開口部にせき板が配置されている反応器の内筒に、1.54gのMn(CH3COO)2・4H2O及び0.21gの質量比でケッチェンブラック(粒径約40nm):カーボンナノファイバ(直径約20nm、長さ数百nm)=1:1に混合したカーボン混合物を水75mLに添加した液を導入し、70000kgms−2の遠心力が反応液に印加されるように内筒を300秒間旋回させ、Mn(CH3COO)2・4H2Oを溶解させると共にカーボン混合物を分散させた。一旦内筒の旋回を停止し、内筒内に0.6gのLiOH・H2Oを水に溶解させた液を添加した。液のpHは10であった。次に、再び70000kgms−2の遠心力が反応液に印加されるように内筒を300秒間旋回させた。この間に、外筒の内壁と内筒の外壁との間でMn水酸化物の核が形成され、この核が成長してカーボン混合物の表面に担持された。内筒の旋回停止後に、カーボン混合物をろ過して回収し、空気中100℃で12時間乾燥した。ろ液をICP分光分析により確認したところ、Mn(CH3COO)2・4H2O原料に含まれるMnの95%以上が担持されていることがわかった。次いで、乾燥後の粉末と、Mn:Liが1.95:1になる量のLiOH・H2OとMn:Alが質量比で1.95:0.05になる量のAl(NO3)3・9H2Oとを含む水溶液を混合して混練し、乾燥後に、空気中300℃で1時間加熱処理し、電極材料を得た。図2に、得られた電極材料のTEM写真を示す。粒径が約20〜約30nmのLiAl0.05Mn1.95O4の一次粒子が分散性良く形成されていることがわかる。また、一次粒子は、多面体形状を有する結晶粒子であり、凝集して二次粒子を形成していないこともわかる。
Mn:Liが1.95:1になる量のLiOH・H2OとMn:Alが質量比で1.95:0.05になる量のAl(NO3)3・9H2Oとを含む水溶液の代わりに、Mn:Liが1.90:1になる量のLiOH・H2OとMn:Alが質量比で1.90:0.10になる量のAl(NO3)3・9H2Oとを含む水溶液を用いたことを除いて、実施例1の手順を繰り返した。実施例1と同様に、粒径が約20〜約30nmの結晶性一次粒子が分散性良く形成されていた。
実施例1及び2の電極材料にポリフッ化ビニリデンを全体の10質量%加えて成形したものを正極とし、1MのLiPF6のエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート1:1溶液を電解液とし、対極をリチウムとした半電池を作成した。この評価は半電池としての評価であるが、負極を用いた全電池においても同様の効果が期待できる。
Claims (8)
- 導電性カーボン粉末と、
該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMxMn(2−x)O4(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、
を含み、
前記スピネル型酸化物の粒子の90%以上が10〜50nmの粒径を有する結晶性一次粒子である
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料。 - 前記一般式LiMxMn(2−x)O4におけるMが、Mg、Al、Co、Cr、Fe及びNiから選択された金属を表わす、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料。
- 導電性カーボン粉末と、
該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMxMn(2−x)O4(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、
を含み、前記スピネル型酸化物の粒子の90%以上が10〜50nmの粒径を有する結晶性一次粒子であるリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a1)Liを含む化合物とMnを含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b1)前記反応器を旋回させて前記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、前記導電性カーボン粉末に前記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c1)前記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を、前記Mで表される金属を含む化合物と混合した後、加熱処理することにより、前記導電性カーボン粉末上で前記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。 - 導電性カーボン粉末と、
該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMxMn(2−x)O4(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、
を含み、前記スピネル型酸化物の粒子の90%以上が10〜50nmの粒径を有する結晶性一次粒子であるリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a2)Liを含む化合物とMnを含む化合物と前記Mで表される金属を含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b2)前記反応器を旋回させて前記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、前記導電性カーボン粉末に前記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c2)前記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を加熱処理することにより、前記導電性カーボン粉末上で前記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。 - 導電性カーボン粉末と、
該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMxMn(2−x)O4(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、
を含み、前記スピネル型酸化物の粒子の90%以上が10〜50nmの粒径を有する結晶性一次粒子であるリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a3)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b3)前記反応器を旋回させて前記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物の核と前記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に前記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c3)前記Mnの水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、前記Mで表される金属を含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、前記導電性カーボン粉末上で前記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、リチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。 - 導電性カーボン粉末と、
該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMxMn(2−x)O4(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、
を含み、前記スピネル型酸化物の粒子の90%以上が10〜50nmの粒径を有する結晶性一次粒子であるリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a4)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、前記Mで表される金属を含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b4)前記反応器を旋回させて前記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物及び前記Mで表される金属の水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物及び前記Mで表される金属の水酸化物の核と前記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に前記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物及び前記Mで表される金属の水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c4)前記Mnの水酸化物及び前記Mで表される金属の水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、前記導電性カーボン粉末上で前記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、リチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。 - 前記熱処理工程における加熱処理を、酸素含有雰囲気中で200〜300℃の温度で行う、請求項3〜6のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。
- 請求項1又は2に記載の電極材料を含む活物質層を有する正極を備えたリチウムイオン二次電池。
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