JP6180568B1 - ポリアニオン正極活物質及びその製造方法 - Google Patents

ポリアニオン正極活物質及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】より優れた充放電特性を発現するポリアニオン正極活物質、及び、その簡易な製造方法の提供。【解決手段】式(A):LiFeaMnbMcPO4、式(B):Li2FedMneNfSiO4、式(C):NaFegMnhQiPO4で表されるポリアニオン材料の表面に、セルロースナノクリスタル由来の炭素担持してなるポリアニオン正極活物質。又、Li化合物又はNa化合物、セルロースナノクリスタ(X)、及びリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して複合体(A−1)を含む混合液(B−1)を得、得られた混合液(B−1)に鉄化合物又はMn化合物を含む金属塩を混合して混合液(C−1)を得る工程(I−1)、得られた混合液(C−1)を水熱反応に付して複合体(D−1)を得る工程(II−1)、得られた複合体(D−1)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(V−1)を備えるポリアニオン正極活物質の製造方法。【選択図】図1

Description

本発明は、炭素源としてナノセルロースを用いるポリアニオン正極活物質及びその製造方法に関する。
携帯電子機器、ハイブリッド自動車、電気自動車等に用いられるリチウムイオン二次電池やナトリウムイオン二次電池のような二次電池の開発が多々行われている。こうしたなか、Li(Fe,Mn)PO4等のリチウム含有オリビン型リン酸金属塩は、資源的な制約に大きく左右されることがなく、しかも高い安全性を発揮することができるため、高出力で大容量のリチウムイオン二次電池を得るのには最適な正極材料となる。しかしながら、これらの化合物は、結晶構造に由来して導電性を充分に高めるのが困難な性質を有しており、またリチウムイオンの拡散性にも改善の余地があるため、従来より種々の開発がなされている。
例えば、特許文献1では、一次結晶粒子を超微粒子化して、オリビン型正極活物質内のリチウムイオン拡散距離の短縮化を図ることにより、得られる電池の性能向上を試みている。また、特許文献2では、正極活物質の粒子表面に伝導性炭質材料を均一に堆積させ、かかる粒子表面で規則的な電場分布を得ることにより、電池の高出力化を図っている。
一方、正極活物質の粒子表面を炭素で被覆した場合に、炭素膜の内外間でリチウム原子の移動量が制限されて、逆に充放電特性を高めることが困難となることを回避すべく、特許文献3には、有機化合物のプラズマ分解によって、正極活物質粒子の表面にカーボンナノチューブやナノグラフェン等のカーボンナノ構造体を被膜する方法が開示されている。
他方、電極活物質と導電助剤との結着性を高めて電池物性の向上を図る技術として、特許文献4には、これら電極活物質及び導電助剤と、水系バインダーとしてセルロースファイバーを含有する電極用スラリー組成物が開示されており、これを電極集電体上に塗布して乾燥させることにより、電極活物質層を形成させている。
さらに、リチウムは希少有価物質であることから、リチウムイオン二次電池の代替品として、ナトリウムイオン二次電池等も注目を浴びつつある。
例えば、特許文献5には、マリサイト型NaMnPO4を用いたナトリウム二次電池用活物質が開示されており、また特許文献6には、オリビン型構造を有するリン酸遷移金属ナトリウムを含む正極活物質が開示されており、いずれの文献においても高性能なナトリウムイオン二次電池が得られることを示している。
特開2010−251302号公報 特開2001−15111号公報 特開2011−76931号公報 国際公開第2012/074040号 特開2008−260666号公報 特開2011−34963号公報
しかしながら、上記特許文献3に記載のようなプラズマ分解を用いる方法では、特殊な設備や技術を要するため、依然として特許文献1〜2のように、簡易な手段でありながら優れた充放電特性を示す正極活物質を得ることが望まれる。こうしたなか、より電池特性を高めようとするにあたり、特許文献4に記載されるセルロースファイバーも炭素源として用い得るものの、未だこれを担持させてなる正極活物質は知られておらず、簡易な手段で得られるか否かの詳細な検討すらなされていない。
また、上記特許文献5〜6に記載のナトリウムイオン二次電池用活物質においても、より有用なナトリウムイオン二次電池の実現が望まれている。
したがって、本発明の課題は、より優れた充放電特性を発現することのできるポリアニオン正極活物質および、その簡易な製造方法を提供することにある。
そこで本発明者らは、種々検討したところ、所定の材料を添加した混合液を水熱反応に付すことにより得られるポリアニオン正極活物質の製造方法において、かかる水熱反応を介する前後の工程の、少なくともいずれか一方の工程において、セルロースナノクリスタルを用いれば、優れた充放電特性を発現することのできるポリアニオン正極活物質が簡易に得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は、下記式(A)、(B)又は(C):
LiFeaMnbcPO4・・・(A)
(式(A)中、MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b及びcは、0≦a≦1、0≦b≦1、及び0≦c≦0.3を満たし、及び2a+2b+(Mの価数)×c=2を満たし、かつa+b≠0を満たす数を示す。)
Li2FeMnSiO4・・・(B)
(式(B)中、NはNi、Co、Al、Zn、V又はZrを示す。d、e及びfは、0≦d≦1、0≦e≦1、0≦f<1、及び2d+2e+(Nの価数)×f=2を満たし、かつd+e≠0を満たす数を示す。)
NaFeMnPO4・・・(C)
(式(C)中、QはMg、Ca、Co、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。を示す。g、h及びiは、0≦g≦1、0≦h≦1、0≦i<1、及び2g+2h+(Qの価数)×i=2を満たし、かつg+h≠0を満たす数を示す。)
で表されるポリアニオン材料の表面に、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるポリアニオン正極活物質を提供するものである。
また、本発明は、上記ポリアニオン正極活物質の製造方法であって、
リチウム化合物又はナトリウム化合物、セルロースナノクリスタル(X)、並びにリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して、複合体(A−1)を含む混合液(B−1)を得た後、得られた混合液(B−1)に少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を混合して混合液(C−1)を得る工程(I−1)、
得られた混合液(C−1)を水熱反応に付して複合体(D−1)を得る工程(II−1)、並びに
得られた複合体(D−1)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(V−1)
を備えるポリアニオン正極活物質の製造方法(以下、「製造方法(X)」とも称する)を提供するものである。
さらに、本発明は、上記ポリアニオン正極活物質の製造方法であって、
リチウム化合物又はナトリウム化合物、並びにリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して、複合体(A−2)を含む混合液(B−2)を得た後、得られた混合液(B−2)に少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を混合して混合液(C−2)を得る工程(I−2)、
得られた混合液(C−2)を水熱反応に付して複合体(D−2)を得る工程(II−2)、
得られた複合体(D−2)、セルロースナノクリスタル(Y)、及び水を混合して、混合液(E−2)を得る工程(III−2)、
得られた混合液(E−2)をスプレードライに付して、造粒体(F−2)を得る工程(IV−2)、並びに
得られた造粒体(F−2)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(V−2)
を備えるポリアニオン正極活物質の製造方法(以下、「製造方法(Y)」とも称する)を提供するものである。
また、本発明は、上記ポリアニオン正極活物質の製造方法であって、
リチウム化合物又はナトリウム化合物、セルロースナノクリスタル(Z−1)、並びにリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して、複合体(A−3)を含む混合液(B−3)を得た後、次いで少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を混合して混合液(C−3)を得る工程(I−3)、
得られた混合液(C−3)を水熱反応に付して複合体(D−3)を得る工程(II−3)、
得られた複合体(D−3)、セルロースナノクリスタル(Z−2)又はセルロースナノファイバー(F)のいずれか1種、及び水を混合して、混合液(E−3)を得る工程(III−3)、
得られた混合液(E−3)をスプレードライに付して、造粒体(F−3)を得る工程(IV−3)、並びに
得られた造粒体(F−3)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(V−3)
を備えるポリアニオン正極活物質の製造方法(以下、「製造方法(Z)」とも称する)を提供するものである。
本発明によれば、上記特定の式で表されるポリアニオン材料の表面に、セルロースナノクリスタル由来の炭素が堅固に担持されてなるポリアニオン正極活物質が得られるため、簡易な方法によって得られるものであるにもかかわらず、優れた充放電特性を発現することができる。
実施例2のポリアニオン正極活物質表面付近のTEM像を示す。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明で得られるポリアニオン正極活物質に用いられるポリアニオン材料は、下記式(A)、(B)又は(C):
LiFeaMnbcPO4・・・(A)
(式(A)中、MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b及びcは、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦0.2、及び2a+2b+(Mの価数)×c=2を満たし、かつa+b≠0を満たす数を示す。)
Li2FeMnSiO4・・・(B)
(式(B)中、NはNi、Co、Al、Zn、V又はZrを示す。d、e及びfは、0≦d≦1、0≦e≦1、0≦f<1、及び2d+2e+(Nの価数)×f=2を満たし、かつd+e≠0を満たす数を示す。)
NaFeMnPO4・・・(C)
(式(C)中、QはMg、Ca、Co、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。を示す。g、h及びiは、0≦g≦1、0≦h≦1、0≦i<1、及び2g+2h+(Qの価数)×i=2を満たし、かつg+h≠0を満たす数を示す。)
のいずれかの式で表される。
これらのポリアニオン材料は、いずれもオリビン型構造を有しており、少なくとも鉄又はマンガンを含む。上記式(A)又は式(B)で表されるポリアニオン材料から成るポリアニオン正極活物質は、いわゆるリチウムイオン二次電池用正極活物質であり、上記式(C)で表されるポリアニオン材料から成るポリアニオン正極活物質は、いわゆるナトリウムイオン二次電池用正極活物質である。
上記式(A)で表されるポリアニオン材料は、少なくともいわゆる遷移金属として鉄(Fe)及びマンガン(Mn)を含むオリビン型リン酸遷移金属リチウム化合物である。式(A)中、Mは、Mg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示し、好ましくはMg、Zr、Mo又はCoである。aは、0≦a≦1であって、好ましくは0.01≦a≦0.99であり、より好ましくは0.1≦a≦0.9である。bは、0≦b≦1であって、好ましくは0.01≦b≦0.99であり、より好ましくは0.1≦b≦0.9である。cは、0≦c≦0.2であって、好ましくは0≦c≦0.1である。そして、これらa、b及びcは、2a+2b+(Mの価数)×c=2を満たし、かつa+b≠0を満たす数である。上記式(A)で表されるポリアニオン材料としては、具体的には、例えばLiFe0.9Mn0.1PO4、LiFe0.2Mn0.8PO4、LiFe0.15Mn0.75Mg0.1PO4、LiFe0.19Mn0.75Zr0.03PO4等が挙げられ、なかでもLiFe0.2Mn0.8PO4が好ましい。
上記式(B)で表されるポリアニオン材料は、少なくともいわゆる遷移金属として鉄(Fe)及びマンガン(Mn)を含むオリビン型ケイ酸遷移金属リチウム化合物である。式(B)中、Nは、Ni、Co、Al、Zn、V又はZrを示し、好ましくはCo、Al、Zn、V又はZrである。dは、0≦d≦1であって、好ましくは0≦d<1であり、より好ましくは0.1≦d≦0.6である。eは、0≦d≦1であって、好ましくは0≦e<1であり、より好ましくは0.1≦e≦0.6である。fは、0≦f<1であって、好ましくは0<f<1であり、より好ましくは0.05≦f≦0.4である。そして、これらd、e及びfは、2d+2e+(Nの価数)×f=2を満たし、かつd+e≠0を満たす数である。上記式(B)で表されるポリアニオン材料としては、具体的には、例えばLi2Fe0.45Mn0.45Co0.1SiO4、Li2Fe0.36Mn0.54Al0.066SiO4、Li2Fe0.45Mn0.45Zn0.1SiO4、Li2Fe0.36Mn0.540.066SiO4、Li2Fe0.282Mn0.658Zr0.02SiO4等が挙げられ、なかでもLi2Fe0.282Mn0.658Zr0.02SiO4が好ましい。
上記式(C)で表されるポリアニオン材料は、少なくともいわゆる遷移金属として鉄(Fe)及びマンガン(Mn)を含むオリビン型リン酸遷移金属ナトリウム化合物である。式(C)中、QはMg、Ca、Co、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示し、好ましくはMg、Zr、Mo又はCoである。gは、0≦g≦1であって、好ましくは0<g≦1である。hは、0≦h≦1であって、好ましくは0.5≦h<1である。iは、0≦i<1であって、好ましくは0≦i≦0.5であり、より好ましくは0≦i≦0.3である。そして、これらg、h及びiは、0≦g≦1、0≦h≦1、及び0≦i<1、2g+2h+(Qの価数)×i=2を満たし、かつg+h≠0を満たす数である。上記式(C)で表されるポリアニオン材料としては、具体的には、例えばNaFe0.9Mn0.1PO4、NaFe0.2Mn0.8PO4、NaFe0.15Mn0.7Mg0.15PO4、NaFe0.19Mn0.75Zr0.03PO4、NaFe0.19Mn0.75Mo0.03PO4、NaFe0.15Mn0.7Co0.15PO4等が挙げられ、なかでもNaFe0.2Mn0.8PO4が好ましい。
本発明のポリアニオン正極活物質は、上記式(A)、(B)又は(C)で表されるポリアニオン材料の表面に、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなる。かかるセルロースナノクリスタル由来の炭素は、周期的構造を有する炭素であり、セルロースナノクリスタルは、木質パルプなどを原料とし、酸加水分解処理と機械的解繊処理の組合せで得られ、パルプの結晶部分のみが残存するものである。かかるセルロースナノクリスタルは、木材からリグニン等のマトリックス物質を除去した木質パルプを機械的に解繊して得られるセルロースナノファイバーと、同程度の強度的性質を有する針状結晶を有している。また、セルロースナノクリスタルは、平均幅が数nm〜10nm、平均長さが50〜500nmであり、アスペクト比が40前後の紡錘形状を呈しており、平均幅が数〜20nm、平均長さが0.5〜数μmの繊維形状を呈するセルロースナノファイバーとは、その大きさも形状も異なる。
セルロースナノクリスタルは、セルロースナノファイバーと同様に、水への良好な分散性を有している。また、セルロースナノクリスタルを構成するセルロース分子鎖では、セルロースナノファイバーと同様に、炭素による周期的構造が形成されていることから、セルロースナノクリスタルが炭化されると上記ポリアニオン材料の表面に堅固に担持されることとなり、得られる電池における性能を有効に高めることができる有用なポリアニオン正極活物質を得ることができる。
なお、セルロースナノクリスタル及びセルロースナノファイバーは、さらにはそれらを原料とした複合材料をも包含して、「ナノセルロース」と総称されることもある。
セルロースナノクリスタルは、その後炭化されて、上記ポリアニオン材料の表面に担持された炭素として、本発明のポリアニオン正極活物質中に存在することとなる。かかるセルロースナノクリスタルの炭素原子換算量(セルロースナノクリスタル由来の炭素の原子換算量)は、本発明の二次電池用正極活物質中に、好ましくは0.1〜15質量%であり、より好ましくは0.2〜12質量%であり、さらに好ましくは0.3〜10質量%である。
より具体的には、各製造方法(X)、製造方法(Y)及び製造方法(Z)において、例えば、製造方法(X)の工程(I−1)においてリン酸化合物を用いた場合、製造方法(Y)の工程(I−2)においてリン酸化合物を用いた場合、又は製造方法(Z)の工程(I−3)においてリン酸化合物を用い、かつ工程(III−3)においてセルロースナノクリスタルを用いた場合、セルロースナノクリスタルの炭素原子換算量は、本発明のポリアニオン正極活物質中に、好ましくは0.1〜12質量%であり、より好ましくは0.2〜10質量%であり、さらに好ましくは0.3〜7質量%である。また、上記各工程のリン酸化合物に代えてケイ酸化合物を用いた場合、セルロースナノクリスタルの炭素原子換算量は、本発明のポリアニオン正極活物質中に、好ましくは0.1〜15質量%であり、より好ましくは0.2〜12質量%であり、さらに好ましくは0.3〜10質量%である。
さらに、製造方法(Z)の工程(III−3)においてセルロースナノファイバーを用いる場合、工程(I−3)で用いたセルロースナノクリスタル(Z−1)の炭素原子換算量と工程(III−3)で用いられたセルロースナノファイバー(F)の炭素原子換算量との合計量、すなわちナノセルロースの炭素原子換算量が、上記のセルロースナノクリスタルの炭素原子換算量と同じであればよい。
さらに、具体的には、上記製造方法(Z)、すなわちポリアニオン材料の水熱反応を介する前後の工程の双方で添加されるポリアニオン正極活物質の製造方法において、セルロースナノクリスタル(Z−1)が炭化してなる炭素としてポリアニオン材料の表面に担持してなる炭素の原子換算量は、本発明のポリアニオン正極活物質中に、好ましくは0.05〜12質量%であり、より好ましくは0.1〜10質量%であり、さらに好ましくは0.2〜8質量%である。そして、水熱反応の後の工程(III−3)においては、セルロースナノクリスタル(Z−2)又はセルロースナノファイバー(F)が炭化してなる炭素としてポリアニオン材料の表面に担持してなる炭素の原子換算量は、本発明のポリアニオン正極活物質中に、好ましくは0.05〜12質量%であり、より好ましくは0.1〜10質量%であり、さらに好ましくは0.2〜8質量%である。
より具体的には、例えば、工程(I−3)においてリン酸化合物を用いた場合、セルロースナノクリスタル(Z−1)の炭素原子換算量は、本発明のポリアニオン正極活物質中に、好ましくは0.05〜10質量%であり、より好ましくは0.1〜8質量%であり、さらに好ましくは0.2〜6質量%であり、そして、水熱反応の後の工程(III−3)においては、セルロースナノクリスタル(Z−2)又はセルロースナノファイバー(F)が炭化してなる炭素としてポリアニオン材料の表面に担持してなる炭素の原子換算量は、本発明のポリアニオン正極活物質中に、好ましくは0.05〜10質量%であり、より好ましくは0.1〜8質量%であり、さらに好ましくは0.2〜6質量%である。また、工程(I−3)においてケイ酸化合物を用いた場合、セルロースナノクリスタル(Z−1)の炭素原子換算量は、本発明のポリアニオン正極活物質中に、好ましくは0.05〜12質量%であり、より好ましくは0.1〜12質量%であり、さらに好ましくは0.2〜8質量%であり、そして、水熱反応の後の工程(III−3)においては、セルロースナノクリスタル(Z−2)又はセルロースナノファイバー(F)が炭化してなる炭素としてポリアニオン材料の表面に担持してなる炭素の原子換算量は、本発明のポリアニオン正極活物質中に、好ましくは0.05〜12質量%であり、より好ましくは0.1〜12質量%であり、さらに好ましくは0.2〜8質量%である。
なお、ポリアニオン正極活物質中に存在するナノセルロース由来の炭素の原子換算量は、炭素・硫黄分析装置を用いた測定により、求めることができる。
また、セルロースナノクリスタル由来の炭素は、炭化してなる炭素として存在し、電気伝導性に特徴があるため、粉体抵抗測定装置を用いて本発明のポリアニオン正極活物質を分析することによって、その特徴的な電気伝導性を確認することができる。
具体的には、20kNの荷重をかけた場合の粉体抵抗において、一般的なグルコース由来の炭素が担持されてなるポリアニオン正極活物質は×10−4S・cmオーダーであるのに対し、本発明のセルロースナノクリスタル由来の炭素が担持されてなるポリアニオン正極活物質は、1.0×10−3〜5.0×10−2S・cmであり、電気伝導性に優れている。
さらに、本発明のポリアニオン正極活物質に担持された、セルロースナノクリスタルが炭化してなる炭素は、上記式(A)、(B)又は(C)で表されるポリアニオン材料粒子間の間隙を充填するように存在することを特徴とする。すなわち、上記特許文献2に示されるような従来の伝導性炭質材料は、正極活物質の粒子表面に均一に堆積されるのに対し、本発明のセルロースナノクリスタルが炭化してなる炭素は、正極活物質の粒子表面の一部に存在して、正極材料粒子が形成するパッキング構造の粒子間空隙を充填している。
本発明のポリアニオン正極活物質は、特徴的な複合構造を有する炭素が、正極活物質のパッキング密度が増大する状態で酸化物粒子間の導電パスを形成しているため、優れた充放電特性が発現されると考えられる。
本発明の上記ポリアニオン正極活物質の製造方法(X)は、リチウム化合物又はナトリウム化合物、セルロースナノクリスタル(X)、並びにリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して、複合体(A−1)を含む混合液(B−1)を得た後、得られた混合液(B−1)に少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を混合して混合液(C−1)を得る工程(I−1)、
得られた混合液(C−1)を水熱反応に付して複合体(D−1)を得る工程(II−1)、並びに
得られた複合体(D−1)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(V−1)
を備える製造方法であり、水熱反応前の工程においてセルロースナノファイバーを用いる方法である。
また、本発明の上記ポリアニオン正極活物質の製造方法(Y)は、リチウム化合物又はナトリウム化合物、並びにリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して、複合体(A−2)を含む混合液(B−2)を得た後、得られた混合液(B−2)に少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を混合して混合液(C−2)を得る工程(I−2)、
得られた混合液(C−2)を水熱反応に付して複合体(D−2)を得る工程(II−2)、
得られた複合体(D−2)、セルロースナノクリスタル(Y)、及び水を混合して、混合液(E−2)を得る工程(III−2)、
得られた混合液(E−2)をスプレードライに付して、造粒体(F−2)を得る工程(IV−2)、並びに
得られた造粒体(F−2)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(V−2)
を備える製造方法であり、水熱反応後の工程においてセルロースナノファイバーを用いる方法である。
さらに、本発明の上記ポリアニオン正極活物質の製造方法(Z)は、リチウム化合物又はナトリウム化合物、セルロースナノクリスタル(Z−1)、並びにリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して、複合体(A−3)を含む混合液(B−3)を得た後、次いで少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を混合して混合液(C−3)を得る工程(I−3)、
得られた混合液(C−3)を水熱反応に付して複合体(D−3)を得る工程(II−3)、
得られた複合体(D−3)、セルロースナノクリスタル(Z−2)又はセルロースナノファイバー(F)のいずれか1種、及び水を混合して、混合液(E−3)を得る工程(III−3)、
得られた混合液(E−3)をスプレードライに付して、造粒体(F−3)を得る工程(IV−3)、並びに
得られた造粒体(F−3)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(V−3)
を備える製造方法であり、水熱反応前後の双方の工程においてセルロースナノファイバーを用いる方法である。
製造方法(X)又は製造方法(Z)における工程(I−1)又は工程(I−3)は、リチウム化合物又はナトリウム化合物、及びセルロースナノクリスタル((X)又は(Z−1))を含む混合液aに、リン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して複合体((A−1)又は(A−3))を含む混合液((B−1)又は(B−3))を得た後、得られた混合液((B−1)又は(B−3))に、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を混合して混合液((C−1)又は(C−3))を得る工程である。また、製造方法(Y)における工程(I−2)は、セルロースナノクリスタルを用いることなく、上記製造方法(X)又は製造方法(Z)と同様にして、複合体(A−2)を含む混合液(B−2)を得た後、混合液(C−2)を得る工程である。
リチウム化合物又はナトリウム化合物としては、水酸化物(例えばLiOH・H2O、NaOH)、炭酸化物、硫酸化物、酢酸化物が挙げられる。なかでも、水酸化物が好ましい。
混合液aにおけるリチウム化合物又はナトリウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5〜50質量部であり、より好ましくは7〜45質量部である。より具体的には、工程(I−1)、工程(I−2)又は工程(I−3)においてリン酸化合物を用いた場合、混合液aにおけるリチウム化合物又はナトリウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5〜50質量部であり、より好ましくは10〜45質量部である。また、ケイ酸化合物を用いた場合、混合液aにおけるリチウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5〜40質量部であり、より好ましくは7〜35質量部である。
製造方法(X)又は製造方法(Z)で用いるセルロースナノクリスタル((X)又は(Z−1))としては、木質パルプの結晶部分だけを残したものであれば、特に制限されず、例えば、セルロースナノファイバーを60%濃度以上の硫酸や塩酸で処理したものを用いることができる。また、この際に用いるセルロースナノファイバーには、セリッシュKY−100S(繊維径:4〜100nm、ダイセルファインケム株式会社製)等の市販品を用いることができる。
製造方法(X)又は製造方法(Z)において、混合液aにおけるセルロースナノクリスタル((X)又は(Z−1))の含有量は、その炭素原子換算量が、本発明のポリアニオン正極活物質中に0.1〜15質量%となるような量であればよく、具体的には、例えば水100質量部に対し、炭化処理の残渣量換算で、好ましくは0.1〜17.6質量部であり、より好ましくは0.2〜13.6質量部であり、さらに好ましくは0.3〜11.1質量部である。より具体的には、工程(I−1)又は工程(I−3)においてリン酸化合物を用いた場合、水100質量部に対し、炭化処理の残渣量換算で、好ましくは0.1〜13.6質量部であり、より好ましくは0.2〜11.1質量部であり、さらに好ましくは0.3〜7.5質量部である。また、ケイ酸化合物を用いた場合、水100質量部に対し、炭化処理の残渣量換算で、好ましくは0.1〜17.6質量部であり、より好ましくは0.2〜13.6質量部であり、さらに好ましくは0.3〜11.1質量部ある。
混合液aにリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合する前に、予め混合液aを撹拌しておくのが好ましい。かかる混合液aの撹拌時間は、好ましくは1〜15分であり、より好ましくは3〜10分である。また、混合液aの温度は、好ましくは20〜90℃であり、より好ましくは20〜70℃である。
リン酸化合物としては、オルトリン酸(H3PO4、リン酸)、メタリン酸、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム等が挙げられる。なかでもリン酸を用いるのが好ましく、70〜90質量%濃度の水溶液として用いるのが好ましい。かかる工程(I−1)、工程(I−2)又は工程(I−3)では、混合液aにリン酸を混合するにあたり、混合液aを撹拌しながらリン酸を滴下するのが好ましい。混合液aにリン酸を滴下して少量ずつ加えることで、混合液a中において良好に反応が進行して、複合体((A−1)、(A−2)又は(A−3))が混合液a中で均一に分散しつつ生成され、かかる複合体((A−1)、(A−2)又は(A−3))が不要に凝集するのをも効果的に抑制することができる。
リン酸の上記混合液aへの滴下速度は、好ましくは15〜50mL/分であり、より好ましくは20〜45mL/分であり、さらに好ましくは28〜40mL/分である。また、リン酸を滴下しながらの混合液aの撹拌時間は、好ましくは0.5〜24時間であり、より好ましくは3〜12時間である。さらに、リン酸を滴下しながらの混合液aの撹拌速度は、好ましくは200〜700rpmであり、より好ましくは250〜600rpmであり、さらに好ましくは300〜500rpmである。
なお、混合液aを撹拌する際、さらに混合液aの沸点温度以下に冷却するのが好ましい。具体的には、80℃以下に冷却するのが好ましく、20〜60℃に冷却するのがより好ましい。
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、ナトリウム塩(例えばメタケイ酸ナトリウム(NaSiO)、Na4SiO4・H2O)等が挙げられる。
リン酸化合物又はケイ酸化合物を混合した後の混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))は、リン酸又はケイ酸1モルに対し、リチウムを2.0〜4.0モル含有するのが好ましく、2.0〜3.1モル含有するのがより好ましく、このような量となるよう、上記リチウム化合物又はナトリウム化合物と、リン酸化合物又はケイ酸化合物を用いればよい。より具体的には、工程(I−1)、工程(I−2)又は工程(I−3)においてリン酸化合物を用いた場合、リン酸化合物を混合した後の混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))は、リン酸1モルに対し、リチウム又はナトリウムを2.7〜3.3モル含有するのが好ましく、2.8〜3.1モル含有するのがより好ましく、工程(I−1)、工程(I−2)又は工程(I−3)においてケイ酸化合物を用いた場合、ケイ酸化合物を混合した後の混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))は、ケイ酸1モルに対し、リチウムを2.0〜4.0モル含有するのが好ましく、2.0〜3.0含有するのがより好ましい。
リン酸化合物又はケイ酸化合物を混合した後の混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))に対して窒素をパージすることにより、かかる混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))中での反応を完了させて、上記(A)〜(C)で表されるポリアニオン材料の前駆体とセルロースナノクリスタルから成る複合体((A−1)、(A−2)又は(A−3))を得ることができる。なお、複合体((A−1)又は(A−2))は、例えば上記式(A)で表されるポリアニオン材料の場合、リン酸三リチウム(Li3PO4)とセルロースナノクリスタルの複合体として得られ、複合体(A−2)は、ポリアニオン材料の前駆体として得られる。
窒素がパージされると、複合体((A−1)、(A−2)又は(A−3))は溶存酸素濃度が低減された状態で生成し、また、混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))の溶存酸素濃度も効果的に低減されるため、次の工程で添加する金属塩の酸化を抑制することができる。かかる混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))中において、複合体((A−1)、(A−2)又は(A−3))は、微細な分散粒子として存在する。
窒素をパージする際における圧力は、好ましくは0.1〜0.2MPaであり、より好ましくは0.1〜0.15MPaである。また、リン酸化合物又はケイ酸化合物を混合した後の混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))の温度は、好ましくは20〜80℃であり、より好ましくは20〜60℃である。例えば上記式(A)で表されるポリアニオン材料の場合、反応時間は、好ましくは5〜60分であり、より好ましくは15〜45分である。
また、窒素をパージする際、反応を良好に進行させる観点から、リン酸化合物又はケイ酸化合物を混合した後の混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))を撹拌するのが好ましい。このときの撹拌速度は、好ましくは200〜700rpmであり、より好ましくは250〜600rpmである。
また、より効果的に複合体((A−1)、(A−2)又は(A−3))の分散粒子表面における酸化を抑制し、分散粒子の微細化を図る観点から、リン酸化合物又はケイ酸化合物を混合した後の混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))中における溶存酸素濃度を0.5mg/L以下とするのが好ましく、0.2mg/L以下とするのがより好ましい。
次に、複合体((A−1)、(A−2)又は(A−3))を含む混合液((B−1)、(B−2)又は(B−3))に、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩及び水を混合して、混合液((C−1)、(C−2)又は(C−3))を得る。
金属塩は、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含み、さらにこれら鉄化合物及びマンガン化合物以外の金属(M、N又はQ)塩を含んでいてもよい。鉄化合物としては、酢酸鉄、硝酸鉄、硫酸鉄等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸鉄が好ましい。また、マンガン化合物としては、酢酸マンガン、硝酸マンガン、硫酸マンガン等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸マンガンが好ましい。
金属塩として、鉄化合物及びマンガン化合物を用いる場合、その使用モル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、リチウム化合物を用いた場合、好ましくは99:1〜51:49であり、より好ましくは95:5〜60:40であり、さらに好ましくは90:10〜70:30であり、ナトリウム化合物を用いた場合、好ましくは100:0〜51:49であり、より好ましくは100:0〜60:40であり、さらに好ましくは100:0〜70:30である。また、これら金属塩の合計添加量は、混合液((C−1)、(C−2)又は(C−3))中に含有されるリン酸イオン又はケイ酸イオン1モルに対し、好ましくは0.99〜1.01モルであり、より好ましくは0.995〜1.005モルである。
鉄化合物及びマンガン化合物以外の金属(M、N又はQ)塩を用いてもよい。金属(M、N又はQ)塩におけるM、N及びQは、上記式(A)〜(C)中のM、N及びQと同義であり、かかる金属塩として、硫酸塩、ハロゲン化合物、有機酸塩、及びこれらの水和物等を用いることができる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上用いてもよい。なかでも、電池物性を高める観点から、硫酸塩を用いるのがより好ましい。
これら金属(M、N又はQ)塩を用いる場合、鉄化合物、マンガン化合物、及び金属(M、N又はQ)塩の合計添加量は、混合液((C−1)、(C−2)又は(C−3))中のリン酸又はケイ酸1モルに対し、好ましくは0.99〜1.01モルであり、より好ましくは0.995〜1.005モルである。
混合液((C−1)、(C−2)又は(C−3))に用いる水の量は、金属塩の溶解性、撹拌の容易性、及び合成の効率等の観点から、混合液((C−1)、(C−2)又は(C−3))中に含有されるリン酸又はケイ酸イオン1モルに対し、好ましくは10〜50モルであり、より好ましくは12.5〜45モルである。より具体的には、混合液((C−1)、(C−2)又は(C−3))中に含有されるイオンがリン酸イオンの場合、水熱反応に付する際に用いる水の使用量は、好ましくは10〜30モルであり、より好ましくは12.5〜25モルである。また、混合液((C−1)、(C−2)又は(C−3))中に含有されるイオンがケイ酸イオンの場合、水熱反応に付する際に用いる水の使用量は、好ましくは10〜50モルであり、より好ましくは12.5〜45モルである。
工程(I−1)、工程(I−2)又は工程(I−3)において、鉄化合物、マンガン化合物及び金属(M、N又はQ)塩の添加順序は特に制限されない。また、これらの金属塩を添加するとともに、必要に応じて酸化防止剤を添加してもよい。かかる酸化防止剤としては、亜硫酸ナトリウム(Na2SO3)、ハイドロサルファイトナトリウム(Na224)、アンモニア水等を使用することができる。酸化防止剤の添加量は、過剰に添加されることにより上記式(A)〜(C)で表されるポリアニオン材料の生成が抑制されるのを防止する観点から、鉄化合物、マンガン化合物及び必要に応じて用いる金属(M、N又はQ)塩の合計1モルに対し、好ましくは0.01〜1モルであり、より好ましくは0.03〜0.5モルである。
鉄化合物、マンガン化合物及び必要に応じて用いる金属(M、N又はQ)塩を添加し、必要に応じて酸化防止剤等を添加することにより得られる混合液((C−1)、(C−2)又は(C−3))中における複合体((A−1)、(A−2)又は(A−3))の含有量は、好ましくは10〜50質量%であり、より好ましくは15〜45質量%であり、さらに好ましくは20〜40質量%である。
製造方法(X)、製造方法(Y)又は製造方法(Z)における工程(II−1)、工程(II−2)又は工程(II−3)は、上記工程(I−1)、工程(I−2)又は工程(I−3)で得られた混合液((C−1)、(C−2)又は(C−3))を水熱反応に付して複合体((D−1)、(D−2)又は(D−3))を得る工程である。上記工程(I−1)、工程(I−2)又は工程(I−3)により得られた混合液((C−1)、(C−2)又は(C−3))をそのまま、上記(A)〜(C)で表されるポリアニオン材料から成るポリアニオン正極活物質の前駆体として用いるため、工程の簡略化を図ることが可能である上、極めて微細な粒子であって正極活物質として非常に有用なポリアニオン正極活物質を得ることができる。
水熱反応は、100℃以上であればよく、130〜180℃が好ましい。水熱反応は耐圧容器中で行うのが好ましく、130〜180℃で反応を行う場合、この時の圧力は0.3〜0.9MPaであるのが好ましく、140〜160℃で反応を行う場合の圧力は0.3〜0.6MPaであるのが好ましい。水熱反応時間は0.1〜48時間が好ましく、さらに0.2〜24時間が好ましい。
得られた複合体((D−1)又は(D−3))は、上記式(A)〜(C)で表されるポリアニオン材料並びにセルロースナノクリスタルを含む複合体であり、得られた複合体((D−2))は、上記式(A)〜(C)で表されるポリアニオン材料の前駆体に相当する複合体であり、ろ過後、水で洗浄し、乾燥することによりこれを単離できる。乾燥手段は、凍結乾燥、真空乾燥が用いられる。
製造方法(X)では、次いで工程(V−1)において、後述する工程(V−2)又は工程(V−3)と同様にして、水熱反応で得られた複合体(D−1)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成することによって、本願発明のポリアニオン正極活物質を得る。この場合、水熱反応で得られた複合体(D−1)について、ろ過後、水で洗浄した後の乾燥工程は省略することができる。
製造方法(Y)における工程(III−2)は、工程(II−2)で得られた複合体(D−2)にセルロースナノクリスタル(Y)及び水を混合して、複合体(D−2)とセルロースナノクリスタル(Y)が共に充分に分散してなる混合液(E−2)を得る工程である。また、製造方法(Z)における工程(III−3)は、工程(II−3)で得られた複合体(D−3)にセルロースナノクリスタル(Z−2)又はセルロースナノファイバー(F)及び水を混合して、複合体(D−3)とセルロースナノクリスタル(Z−2)又はセルロースナノファイバー(F)が共に充分に分散してなる混合液(E−3)を得る工程である。
混合液((E−2)又は(E−3))における複合体((D−2)又は(D−3))の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは10〜400質量部であり、より好ましくは30〜210質量部である。
製造方法(Z)において用いるセルロースナノファイバー(F)の繊維径は、電池特性をより有効に高める観点から、セルロースナノクリスタル(Z−1)の繊維径以上であることが好ましく、セルロースナノクリスタル(Z−1)の繊維径を超えるものであることがより好ましい。かかるセルロースナノファイバー(F)の繊維径は、具体的には、好ましくは4nm〜500μmであり、より好ましくは10nm〜300μmであり、さらに好ましくは20nm〜200μmである。
なお、セルロースナノファイバー(F)としては、例えばセリッシュFD−200L(繊維径:繊維径2〜100μm、ダイセルファインケム株式会社製)等の市販品を用いるのが好ましい。
混合液(E−3)におけるセルロースナノクリスタル(Z−2)又はセルロースナノファイバー(F)の含有量、及び混合液(E−2)におけるセルロースナノクリスタル(Y)の含有量は、その炭素原子換算量が、得られるポリアニオン正極活物質中に0.05〜12質量%となるような量であるのが望ましい。具体的には、例えば、水100質量部に対し、好ましくは0.03〜320質量部であり、より好ましくは0.2〜140質量部である。
混合液((E−2)又は(E−3))は、セルロースナノクリスタル又はセルロースナノファイバーを充分に分散させて、得られる混合液((E−2)又は(E−3))中においても複合体(D−2)又は複合体(D−3)と、セルロースナノクリスタル又はセルロースナノファイバーを均一に分散させる観点から、分散機(ホモジナイザー)を用いた処理を行うことが好ましい。かかる分散機としては、例えば、離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等が挙げられる。なかでも、分散効率の観点から、超音波攪拌機が好ましい。混合液((E−2)又は(E−3))の分散均一性の程度は、例えば、UV・可視光分光装置を使用した光線透過率や、E型粘度計を使用した粘度で定量的に評価することもでき、また目視によって白濁度が均一であることを確認することで、簡便に評価することもできる。分散機で処理する時間は、好ましくは0.5〜6分間であり、より好ましくは2〜5分間である。このように処理された混合液((E−2)又は(E−3))は、セルロースナノクリスタル又はセルロースナノファイバーの良好な分散状態を数日間保持することができるので、予め調製し、保管しておくことも可能となる。
上記混合液((E−2)又は(E−3))は、未だ凝集状態にあるセルロースナノクリスタル又はセルロースナノファイバーを有効に取り除く観点から、さらに、湿式分級することが好ましい。湿式分級には、篩や市販の湿式分級機を使用することができる。篩の目開きは、用いるセルロースナノクリスタル又はセルロースナノファイバーの繊維長により変動し得るが、作業効率の観点から、150μm前後であるのが好ましい。
製造方法(Y)又は製造方法(Z)における工程(IV−2)又は工程(IV−3)は、各々工程(III−2)又は工程(III−3)で得られた混合液((E−2)又は(E−3))をスプレードライに付して、造粒体((F−2)又は(F−3))を得る工程である。スプレードライで得られる造粒体((F−2)又は(F−3))の粒径は、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布におけるD50値で、好ましくは1〜20μmであり、より好ましくは2〜15μmである。ここで、粒度分布測定におけるD50値とは、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られる値であり、D50値は累積50%での粒径(メジアン径)を意味する。したがって、適宜スプレードライヤーの運転条件を最適化することにより、かかる造粒体((F−2)又は(F−3))の粒径を調整すればよい。
製造方法(Y)又は製造方法(Z)における工程(V−2)又は工程(V−3)は、各々工程(II−2)又は工程(II−3)で得られた複合体(D−2)又は複合体(D−3)、或いは工程(IV−2)又は工程(IV−3)で得られた造粒体((F−2)又は(F−3))を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程である。これにより、複合体(D−2)又は複合体(D−3)、及び造粒体(F−2)又は造粒体(F−3)に存在するセルロースナノクリスタルやセルロースナノファイバーを炭化させ、かかる炭素を式(A)〜(C)で表されるポリアニオン材料の表面に堅固に担持させてなるポリアニオン正極活物質を得ることができる。焼成条件は、還元雰囲気又は不活性雰囲気中で、好ましくは400℃以上、より好ましくは400〜800℃で、好ましくは10分〜3時間、より好ましくは0.5〜1.5時間とするのがよい。
本発明のポリアニオン正極活物質を含む二次電池用正極を適用できる、リチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池である二次電池としては、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。
ここで、負極については、リチウムイオン又はナトリ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、ナトリウム金属、グラファイト又は非晶質炭素等の炭素材料等である。そしてリチウムイオン又はナトリウムイオン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。
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やナトリ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。
支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池の場合、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(SO3CF32及びLiN(SO3CF32、LiN(SO2252及びLiN(SO2CF3)(SO249)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。また、ナトリウムイオン二次電池の場合、NaPF6、Nb1F4、NaClO4及びNa1sF6から選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、NaSO3CF3、NaC(SO3CF32及びNaN(SO3CF32、NaN(SO2252及びNaN(SO2CF3)(SO249)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。
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。
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。
《セルロースナノクリスタルの製造》
セルロースナノファイバー 500g(セリッシュFD−200L(繊維径:2〜100μm、含水率:20質量%、ダイセルファインケム株式会社製)を、49%硫酸5000gに投入した後、当該硫酸スラリーを6時間攪拌した。攪拌後の硫酸スラリーを10倍希釈し、ろ過した後、水による洗浄を行い、含水率80質量%のセルロースナノクリスタル(CNC)を得た。
《LiMn0.7Fe0.3PO4の製造》
[実施例1]
LiOH・H2O 1272g、水 4L及びCNC 353g(活物質中における炭素原子換算量で2.0質量%に相当)を混合してスラリー水aを得た。次いで、得られたスラリー水Aを、25℃の温度に保持しながら2〜3分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液 1153gを35mL/分で滴下し、続いて12時間、速度400rpmで撹拌することによりリン酸三リチウム混合液a1を得た。かかる混合液a1は、リン1モルに対し、2.97モルのリチウムを含有していた。なお、得られた混合液a1は、窒素パージし、溶存酸素濃度を0.5mg/Lとした。次に、得られたリン酸三リチウムを含有する混合液a全量に対し、MnSO4・5H2O 1688g、FeSO4・7H2O 834gを添加して、混合液a2を得た。このとき、添加したMnSO4とFeSO4のモル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、70:30であった。
次いで、得られた混合液a2をオートクレーブに投入し、170℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.8MPa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時間凍結乾燥して複合体aを得た。
得られた複合体aを、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄リチウム正極活物質(LiFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=2.0質量%)を得た。
[実施例2]
スラリー水aを作製するときにCNCを添加しない以外、実施例1と同様にして得られた複合体b(LiFe0.3Mn0.7PO4)を100g分取し、これにCNC 224g(活物質中における炭素原子換算量で2.0質量%に相当)及び水1Lを添加し、混合液bを得た。次いで、得られた混合液b1を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた。その後、混合液b1を目開き150μmの篩に通過させて、複合体bとセルロースナノクリスタルの分散液である混合液b2を得た。なお、上記篩い分けでの篩残分は認められなかった。
得られた混合液b2を、スプレードライ(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いて造粒体bを得た。粒度分布測定装置(Microtrac X100、日機装(株)製)を用いて測定した造粒体bのD50値は7μmであった。
得られた造粒体bを、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄リチウム正極活物質(LiFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=2.0質量%)を得た。
[実施例3]
スラリー水aを作製するときにCNC 176g(活物質中における炭素原子換算量で1.0質量%に相当)を混合した以外、実施例1と同様にして得られた複合体cを100g分取し、これにCNC 112g(活物質中における炭素原子換算量で1.0質量%に相当)及び水1Lを添加した以外、実施例2と同様にして、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄リチウム正極活物質(LiFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=2.0質量%)を得た。
[実施例4]
得られた複合体c 100gに、CNCの代わりにセルロースナノファイバー(セリッシュFD−200L)112g(活物質中における炭素原子換算量で1.0質量%に相当)を添加した以外、実施例3と同様にして、セルロースナノクリスタル及びセルロースナノファイバー由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄リチウム正極活物質(LiFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=2.0質量%)を得た。
[比較例1]
得られた複合体b(LiFe0.3Mn0.7PO4)に添加するCNCの代わりにグルコース 100g(活物質中における炭素原子換算量で4.0質量%に相当)とした以外、実施例2と同様にして、グルコース由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄リチウム正極活物質(LiFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=4.0質量%)を得た。
《NaMn0.7Fe0.3PO4の製造》
[実施例5]
NaOH 600g、水 9L、及びCNC 167g(活物質中における炭素原子換算量で2.0質量%に相当)を混合してスラリー水dを得た。次いで、得られたスラリー水dを、25℃の温度に保持しながら5分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液 577gを35mL/分で滴下し、続いて12時間、400rpmの速度で撹拌することにより、混合液dを得た。かかる混合液d1は、リン1モルに対し、3.00モルのナトリウムを含有していた。得られた混合液d1に対し、窒素ガスをパージして溶存酸素濃度を0.5mg/Lに調整した後、MnSO4・5H2O 819g、FeSO4・7H2O 417gを添加して、混合液d2を得た。このとき、添加したMnSO4とFeSO4のモル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、70:30であった。
次いで、得られた混合液d2を窒素ガスでパージしたオートクレーブに投入し、200℃で3時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、1.4MPa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時間凍結乾燥して複合体dを得た。
得られた複合体dを、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄ナトリウム正極活物質(NaFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=2.0質量%)を得た。
[実施例6]
スラリー水dを作製するときにCNCを添加しない以外、実施例5と同様にして得られた複合体e(NaFe0.3Mn0.7PO4)を50g分取し、これにCNC 112g(活物質中における炭素原子換算量で2.0質量%に相当)及び水1Lを添加し、混合液e1を得た。次いで、得られた混合液e1を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた。その後、混合液e1を目開き150μmの篩に通過させて、複合体eとセルロースナノクリスタルの分散液である混合液e2を得た。なお、上記篩い分けでの篩残分は認められなかった。
得られた混合液e2を、スプレードライ(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いて造粒体eを得た。粒度分布測定装置(Microtrac X100、日機装(株)製)を用いて測定した造粒体eのD50値は7μmであった。
得られた造粒体eを、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄ナトリウム正極活物質(NaFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=2.0質量%)を得た。
[実施例7]
スラリー水dを作製するときにCNC 84g(活物質中における炭素原子換算量で1.0質量%に相当)を混合した以外、実施例5と同様にして得られた複合体fを50g分取し、これにCNC 56g(活物質中における炭素原子換算量で1.0質量%に相当)及び水1Lを添加した以外、実施例6と同様にして、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄ナトリウム正極活物質(NaFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=2.0質量%)を得た。
[実施例8]
得られた複合体f 50gに、CNCの代わりにセルロースナノファイバー(セリッシュFD−200L)56g(活物質中における炭素原子換算量で1.0質量%に相当)を添加した以外、実施例7と同様にして、セルロースナノクリスタル及びセルロースナノファイバー由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄ナトリウム正極活物質(NaFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=2.0質量%)を得た。
[比較例1]
得られた複合体e(NaFe0.3Mn0.7PO4)に添加するCNCの代わりにグルコース 50g(活物質中における炭素原子換算量で4.0質量%に相当)とした以外、実施例6と同様にして、グルコース由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄ナトリウム正極活物質(NaFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=4.0質量%)を得た。
《Li2Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4の製造》
[実施例9]
LiOH・H2O 428g、Na4SiO4・nH2O 1397gに超純水3.75Lを混合してスラリー水gを得た。このスラリー水gに、CNC 360g(活物質中における炭素原子換算量で4.0質量%に相当)、FeSO4・7H2O 392g、MnSO4・5H2O 793g、及びZr(SO4・4H2O 53gを添加し、混合して混合液Gを得た。このとき、添加したFeSO4、MnSO4およびZr(SO4のモル比(鉄化合物:マンガン化合物:ジルコニウム化合物)は、28:66:3であった。
次いで、得られた混合液g1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時間凍結乾燥して複合体gを得た。
得られた複合体gを、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、650℃で1時間焼成して、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるZrドープしたケイ酸鉄マンガンリチウム正極活物質(Li2Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4、炭素の量=4.0質量%)を得た。
[実施例10]
スラリー水gを作製するときにCNCを添加しない以外、実施例9と同様にして得られた複合体h(Li2Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4)を50g分取し、これにCNC 224g(活物質中における炭素原子換算量で4.0質量%に相当)及び水1Lを添加し、混合液h1を得た。次いで、得られた混合液h1を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた。その後、混合液h1を目開き150μmの篩に通過させて、複合体hとセルロースナノクリスタルの分散液である混合液h2を得た。なお、上記篩い分けでの篩残分は認められなかった。
得られた混合液h2を、スプレードライ(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いて造粒体hを得た。粒度分布測定装置(Microtrac X100、日機装(株)製)を用いて測定した造粒体hのD50値は7μmであった。
得られた造粒体hを、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、650℃で1時間焼成して、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるZrドープしたケイ酸鉄マンガンリチウム正極活物質(Li2Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4、炭素の量=4.0質量%)を得た。
[実施例11]
スラリー水gを作製するときにCNC 180g(活物質中における炭素原子換算量で2.0質量%に相当)を混合した以外、実施例9と同様にして得られた複合体iを50g分取し、これにCNC 112g(活物質中における炭素原子換算量で2.0質量%に相当)及び水1Lを添加した以外、実施例10と同様にして、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるZrドープしたケイ酸鉄マンガンリチウム正極活物質(Li2Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4、炭素の量=4.0質量%)を得た。
[実施例12]
得られた複合体i 50gに、CNCの代わりにセルロースナノファイバー(セリッシュFD−200L)112g(活物質中における炭素原子換算量で1.0質量%に相当)を添加した以外、実施例11と同様にして、セルロースナノクリスタル及びセルロースナノファイバー由来の炭素が担持してなるZrドープしたケイ酸鉄マンガンリチウム正極活物質(Li2Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4、炭素の量=4.0質量%)を得た。
[比較例3]
得られた複合体h(Li2Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4)に添加するCNCの代わりにグルコース 100g(活物質中における炭素原子換算量で8.0質量%に相当)とした以外、実施例10と同様にして、グルコース由来の炭素が担持してなるZrドープしたケイ酸鉄マンガンリチウム正極活物質(Li2Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4、炭素の量=8.0質量%)を得た。
《電子顕微鏡による炭素の担持状態の観察》
透過型電子顕微鏡 ARM200F(日本電子株式会社製)を用い、実施例2で得られたセルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリン酸マンガン鉄リチウム正極活物質(LiFe0.3Mn0.7PO4、炭素の量=2.0質量%)の炭素の担持状態を観察した。得られたTEM写真を図1に示す。
本発明のセルロースナノクリスタルが炭化してなる炭素は、ポリアニオン材料表面に立体的に存在し、この炭素が酸化物粒子間の隙間を充填する状態になることで、酸化物粒子の表面全部を均一に被覆しなくても酸化物粒子間の導電パスとなり、かつ密な積層構造体である活物質の形成に大いに寄与していると判断される。
《二次電池を用いた30℃環境下における充放電特性の評価》
実施例1〜12及び比較例1〜3で得られたポリアニオン正極活物質を用い、リチウムイオン二次電池もしくはナトリウムイオン電池の正極を作製した。具体的には、得られたポリアニオン正極活物質、ケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデンを質量比75:20:5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(リチウムイオン電池の場合)もしくはナトリウム箔(ナトリウムイオン電池の場合)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(リチウムイオン二次電池の場合)もしくはNaPF6(ナトリウムイオン二次電池の場合)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、コイン型二次電池(CR−2032)を製造した。
充放電特性の評価は、30℃で行った。リチウムイオン電池でポリアニオン正極活物質としてリン酸マンガン鉄リチウム(LiMn0.7Fe0.3PO4)を用いた場合には、充電条件を電流0.1CA(17mA/g)、電圧4.5Vの定電流定電圧充電とし、放電条件を3CA(510mA/g)、終止電圧2.0Vの定電流放電として、3CAにおける放電容量を求めた。リチウムイオン電池でポリアニオン正極活物質としてZrドープしたケイ酸鉄マンガンリチウム(Li2Fe0.28Mn0.66Zr0.03SiO4)を用いた場合には、充電条件を電流0.1CA(33mA/g)、電圧4.5Vの定電流定電圧充電とし、放電条件を1CA(330mA/g)、終止電圧1.5Vの定電流放電として、1CAにおける放電容量を求めた。ナトリウムイオン電池の場合には、充電条件を電流0.1CA(15.4mA/g)、電圧4.5Vの定電流定電圧充電とし、放電条件を3CA(462mA/g)、終止電圧2.0Vの定電流放電として、3CAにおける放電容量を求めた。
結果を表1〜3に示す。
上記結果より、実施例のポリアニオン正極活物質は、比較例のポリアニオン正極活物質に比して、得られる電池においても優れた性能を発揮できることがわかる。

Claims (6)

  1. 下記式(A)、(B)又は(C):
    LiFeaMnbcPO4・・・(A)
    (式(A)中、MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b及びcは、0≦a≦1、0≦b≦1、及び0≦c≦0.3を満たし、及び2a+2b+(Mの価数)×c=2を満たし、かつa+b≠0を満たす数を示す。)
    Li2FedMnefSiO4・・・(B)
    (式(B)中、NはNi、Co、Al、Zn、V又はZrを示す。d、e及びfは、0≦d≦1、0≦e≦1、0≦f<1、及び2d+2e+(Nの価数)×f=2を満たし、かつd+e≠0を満たす数を示す。)
    NaFegMnhiPO4・・・(C)
    (式(C)中、QはMg、Ca、Co、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。を示す。g、h及びiは、0≦g≦1、0≦h≦1、0≦i<1、及び2g+2h+(Qの価数)×i=2を満たし、かつg+h≠0を満たす数を示す。)
    で表されるポリアニオン材料の表面に、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリチウムイオン二次電池用又はナトリウムイオン二次電池用ポリアニオン正極活物質。
  2. セルロースナノクリスタル由来の炭素の原子換算量が、0.1〜15質量%である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用又はナトリウムイオン二次電池用ポリアニオン正極活物質。
  3. 下記式(A)、(B)又は(C):
    LiFeaMnbcPO4・・・(A)
    (式(A)中、MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b及びcは、0≦a≦1、0≦b≦1、及び0≦c≦0.3を満たし、及び2a+2b+(Mの価数)×c=2を満たし、かつa+b≠0を満たす数を示す。)
    Li2FedMnefSiO4・・・(B)
    (式(B)中、NはNi、Co、Al、Zn、V又はZrを示す。d、e及びfは、0≦d≦1、0≦e≦1、0≦f<1、及び2d+2e+(Nの価数)×f=2を満たし、かつd+e≠0を満たす数を示す。)
    NaFegMnhiPO4・・・(C)
    (式(C)中、QはMg、Ca、Co、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。を示す。g、h及びiは、0≦g≦1、0≦h≦1、0≦i<1、及び2g+2h+(Qの価数)×i=2を満たし、かつg+h≠0を満たす数を示す。)
    で表されるポリアニオン材料の表面に、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリチウムイオン二次電池用又はナトリウムイオン二次電池用ポリアニオン正極活物質の製造方法であって、
    リチウム化合物又はナトリウム化合物、セルロースナノクリスタル(X)、並びにリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して、複合体(A−1)を含む混合液(B−1)を得た後、得られた混合液(B−1)に少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を混合して混合液(C−1)を得る工程(I−1)、
    得られた混合液(C−1)を水熱反応に付して複合体(D−1)を得る工程(II−1)、並びに
    得られた複合体(D−1)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(V−1)
    を備えるリチウムイオン二次電池用又はナトリウムイオン二次電池用ポリアニオン正極活物質の製造方法。
  4. 下記式(A)、(B)又は(C):
    LiFeaMnbcPO4・・・(A)
    (式(A)中、MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b及びcは、0≦a≦1、0≦b≦1、及び0≦c≦0.3を満たし、及び2a+2b+(Mの価数)×c=2を満たし、かつa+b≠0を満たす数を示す。)
    Li2FedMnefSiO4・・・(B)
    (式(B)中、NはNi、Co、Al、Zn、V又はZrを示す。d、e及びfは、0≦d≦1、0≦e≦1、0≦f<1、及び2d+2e+(Nの価数)×f=2を満たし、かつd+e≠0を満たす数を示す。)
    NaFegMnhiPO4・・・(C)
    (式(C)中、QはMg、Ca、Co、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。を示す。g、h及びiは、0≦g≦1、0≦h≦1、0≦i<1、及び2g+2h+(Qの価数)×i=2を満たし、かつg+h≠0を満たす数を示す。)
    で表されるポリアニオン材料の表面に、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリチウムイオン二次電池用又はナトリウムイオン二次電池用ポリアニオン正極活物質の製造方法であって、
    リチウム化合物又はナトリウム化合物、並びにリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して、複合体(A−2)を含む混合液(B−2)を得た後、得られた混合液(B−2)に少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を混合して混合液(C−2)を得る工程(I−2)、
    得られた混合液(C−2)を水熱反応に付して複合体(D−2)を得る工程(II−2)、
    得られた複合体(D−2)、セルロースナノクリスタル(Y)、及び水を混合して、混合液(E−2)を得る工程(III−2)、
    得られた混合液(E−2)をスプレードライに付して、造粒体(F−2)を得る工程(IV−2)、並びに
    得られた造粒体(F−2)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(V−2)
    を備えるリチウムイオン二次電池用又はナトリウムイオン二次電池用ポリアニオン正極活物質の製造方法。
  5. 下記式(A)、(B)又は(C):
    LiFeaMnbcPO4・・・(A)
    (式(A)中、MはMg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b及びcは、0≦a≦1、0≦b≦1、及び0≦c≦0.3を満たし、及び2a+2b+(Mの価数)×c=2を満たし、かつa+b≠0を満たす数を示す。)
    Li2FedMnefSiO4・・・(B)
    (式(B)中、NはNi、Co、Al、Zn、V又はZrを示す。d、e及びfは、0≦d≦1、0≦e≦1、0≦f<1、及び2d+2e+(Nの価数)×f=2を満たし、かつd+e≠0を満たす数を示す。)
    NaFegMnhiPO4・・・(C)
    (式(C)中、QはMg、Ca、Co、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。を示す。g、h及びiは、0≦g≦1、0≦h≦1、0≦i<1、及び2g+2h+(Qの価数)×i=2を満たし、かつg+h≠0を満たす数を示す。)
    で表されるポリアニオン材料の表面に、セルロースナノクリスタル由来の炭素が担持してなるリチウムイオン二次電池用又はナトリウムイオン二次電池用ポリアニオン正極活物質の製造方法であって、
    リチウム化合物又はナトリウム化合物、セルロースナノクリスタル(Z−1)、並びにリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して、複合体(A−3)を含む混合液(B−3)を得た後、次いで少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を混合して混合液(C−3)を得る工程(I−3)、
    得られた混合液(C−3)を水熱反応に付して複合体(D−3)を得る工程(II−3)、
    得られた複合体(D−3)、セルロースナノクリスタル(Z−2)又はセルロースナノファイバー(F)のいずれか1種、及び水を混合して、混合液(E−3)を得る工程(III−3)、
    得られた混合液(E−3)をスプレードライに付して、造粒体(F−3)を得る工程(IV−3)、並びに
    得られた造粒体(F−3)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成する工程(V−3)
    を備えるリチウムイオン二次電池用又はナトリウムイオン二次電池用ポリアニオン正極活物質の製造方法。
  6. リチウムイオン二次電池用又はナトリウムイオン二次電池用ポリアニオン正極活物質中におけるセルロースナノクリスタルの炭素原子換算量が、0.1〜15質量%である請求項3〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用又はナトリウムイオン二次電池用ポリアニオン正極活物質の製造方法。
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