JP6400250B1 - Lithium titanate having no variation in battery characteristics, lithium ion secondary battery using the same, and manufacturing method thereof - Google Patents

Lithium titanate having no variation in battery characteristics, lithium ion secondary battery using the same, and manufacturing method thereof Download PDF

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Abstract

結晶構造が安定しており、リチウム二次電池の高速充放電に際して電気容量の損失がほとんどなく、より放電容量が高くかつ充放電サイクル特性に優れ、安全性に優れるチタン酸リチウム、チタン酸リチウム製造用中間体、チタン酸リチウム及びチタン酸リチウム製造用中間体の製造法を提供する。
ESRスペクトル測定によるFセンター値が、1.0×1015 (個/g)以上であり、3価のチタンが存在せず、かつ、色をL表色系で表したとき、70<L<90、−1<a<1、0<b<5の範囲であるチタン酸リチウム中間体を、酸化性ガスを含む雰囲気中で400℃以上600℃以下の加熱処理を行うことにより製造したチタン酸リチウムであり、これにより得られたチタン酸リチウムリチウムは、イオン二次電池の電極活物質として用いたときの電気容量のばらつきが、標準偏差で3.5以下であるという特徴を有する。
Production of lithium titanate and lithium titanate with stable crystal structure, almost no loss of electric capacity during high-speed charge / discharge of lithium secondary battery, higher discharge capacity, excellent charge / discharge cycle characteristics, and excellent safety The intermediate for manufacturing, lithium titanate, and the manufacturing method of the intermediate for manufacturing lithium titanate are provided.
When the F center value by ESR spectrum measurement is 1.0 × 10 15 (pieces / g) or more, no trivalent titanium is present, and the color is expressed in the L * a * b * color system , 70 <L * <90, -1 <a * <1, 0 <b * <5 in the range of 400 ° C. to 600 ° C. in an atmosphere containing an oxidizing gas. Lithium titanate produced by the above process has a standard deviation of 3.5 or less in standard deviation when used as an electrode active material of an ion secondary battery. It has the characteristic of being.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池の電極用として好適なチタン酸リチウム、チタン酸リチウム製造用中間体、チタン酸リチウム及びチタン酸リチウム中間体の製造方法に関する。   The present invention relates to a lithium titanate suitable for use as an electrode of a lithium ion secondary battery, an intermediate for producing lithium titanate, a lithium titanate, and a method for producing a lithium titanate intermediate.

リチウムイオン二次電池は、サイクル特性に優れた二次電池として、近年、急速に普及している。リチウムイオン二次電池の電極活物質のうち、特に負極活物質には、安全性に優れたチタン酸アルカリ金属化合物や、ラムスデライト型構造を有するチタン化合物等が注目されている。特に、スピネル型チタン酸リチウムは、理論容量が175mAh/gであり比較的負極活物質に適しており、また、充放電時の体積膨張が小さいため、サイクル特性にも優れているという特徴がある。
スピネル型チタン酸リチウムの製造方法は、炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウムおよび酸化リチウムのうち1種または2種以上のリチウム化合物と酸化チタンとの混合物を670℃以上かつ800℃未満で仮焼して、TiOとLiTiOで構成される組成物またはTiO、LiTiOおよびLiTi12で構成される組成物を調製し、その後、本焼成する方法、あるいは前記仮焼後に、酸素ガス分圧が1Pa以下の雰囲気で800℃〜950℃で本焼成する方法が提案されている(特許文献1、2)。
このような方法で得られるチタン酸リチウムは、リチウムイオン二次電池の電極活物質として用いた場合、放電容量が高く、充放電サイクル特性に優れているが、さらにより放電容量が高く、かつ充放電サイクル特性に優れたチタン酸リチウムが求められている。
In recent years, lithium ion secondary batteries are rapidly spreading as secondary batteries having excellent cycle characteristics. Among the electrode active materials of lithium ion secondary batteries, particularly as the negative electrode active material, an alkali metal titanate compound excellent in safety, a titanium compound having a ramsdellite structure, and the like are attracting attention. In particular, spinel type lithium titanate has a theoretical capacity of 175 mAh / g, which is relatively suitable for a negative electrode active material, and has a feature that it has excellent cycle characteristics because of its small volume expansion during charging and discharging. .
The spinel type lithium titanate is produced by calcining a mixture of one or two or more lithium compounds and titanium oxide among lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium nitrate and lithium oxide at 670 ° C. or higher and lower than 800 ° C. Preparing a composition composed of TiO 2 and Li 2 TiO 3 or a composition composed of TiO 2 , Li 2 TiO 3 and Li 4 Ti 5 O 12 , and then subjecting to the main firing, or the above There has been proposed a method of performing main firing at 800 ° C. to 950 ° C. in an atmosphere having an oxygen gas partial pressure of 1 Pa or less after calcination (Patent Documents 1 and 2).
Lithium titanate obtained by such a method has a high discharge capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics when used as an electrode active material of a lithium ion secondary battery. There is a need for lithium titanate with excellent discharge cycle characteristics.

一方、LiTi12の合成に際して還元剤を含む雰囲気中で焼成し、LiTi12の酸素不足状態であるLiTi12−Xの形態から成るチタン酸リチウム中間体を酸化性ガス雰囲気中で再焼成し、これを電池材料の活物質として用いることが提案されている(特許文献3、4、5)。
しかしながら、このチタン酸リチウムは、本来安定であるスピネル構造から酸素欠陥を作っており、そのため、チタン酸リチウム内のチタンの価数が、四価(Ti4+)から三価(T3+)になっていることが考えられる。本来、安定なチタンの価数は四価であり、チタンの三価は、常温常圧の大気雰囲気では不安定で取扱いが難しい。そのため、これら、もしくはこれらを再酸化させて得られたリチウムイオン二次電池の負極活物質における電池特性において、製品にばらつきが生じる。
また、このチタン酸リチウムを得る手法は、還元雰囲気を作り出すために、水素、炭化水素、一酸化炭素といった還元剤を用いて焼成を行なっており、調製時には爆発などに関して細心の注意を払う必要があり、危険を伴う作業でもある。
On the other hand, Li 4 Ti 5 in the synthesis of O 12 was calcined in an atmosphere containing a reducing agent, Li 4 Ti 5 is oxygen starved of O 12 Li 4 Ti 5 O 12 -X lithium titanate intermediate consisting form of Has been proposed to be fired in an oxidizing gas atmosphere and used as an active material for battery materials (Patent Documents 3, 4, and 5).
However, this lithium titanate has oxygen defects due to its inherently stable spinel structure, so that the valence of titanium in the lithium titanate is changed from tetravalent (Ti 4+ ) to trivalent (T 3+ ). It is possible that Originally, the valence of stable titanium is tetravalent, and the trivalence of titanium is unstable and difficult to handle in an air atmosphere at normal temperature and pressure. Therefore, in the battery characteristic in the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery obtained by re-oxidizing these or these, the product varies.
In addition, this method of obtaining lithium titanate uses a reducing agent such as hydrogen, hydrocarbon, or carbon monoxide to create a reducing atmosphere, and requires careful attention regarding explosion during preparation. Yes, it is dangerous work.

特許公開2000−302547号公報Japanese Patent Publication No. 2000-302547 特許公開2001−213623号公報Japanese Patent Publication No. 2001-213623 特許公表2011−520752号公報Japanese Patent Publication No. 2011-520552 特許公表2010−517223号公報Patent publication 2010-517223 特開2016−50156号公報JP, 2006-50156, A

本発明は、これらの従来技術の持つ問題点を解決し、結晶構造が安定しており、リチウム二次電池の高速充放電に際して電気容量の損失がほとんどなく、より放電容量が高くかつ充放電サイクル特性に優れ、安全性に優れるチタン酸リチウム、チタン酸リチウム製造用中間体、チタン酸リチウム及びチタン酸リチウム製造用中間体の製造法を提供することを目的とする。
特に、本発明は、リチウムイオン二次電池の電極活物質として用いたときの充放電特性の電気容量のばらつきが少ないチタン酸リチウムを得ることを目的とする。
The present invention solves these problems of the prior art, has a stable crystal structure, has almost no loss of capacitance during high-speed charge / discharge of a lithium secondary battery, has a higher discharge capacity, and a charge / discharge cycle. It aims at providing the manufacturing method of the lithium titanate which is excellent in a characteristic, and is excellent in safety, the intermediate for lithium titanate manufacture, the lithium titanate, and the intermediate for lithium titanate manufacture.
In particular, an object of the present invention is to obtain lithium titanate with little variation in electric capacity of charge / discharge characteristics when used as an electrode active material of a lithium ion secondary battery.

本発明者らは、特許文献5に記載された発明の発明者であるが、当該発明についてさらに研究を続ける過程で、次の現象に着目した。
特許文献5に記載された発明は、チタン系化合物とリチウム系化合物の混合物を不活性ガス雰囲気中で焼成して酸素欠損を有するチタン酸リチウム中間体を形成し、これを酸化性ガス雰囲気中で再焼成してチタン酸リチウムを得るという発明である。この発明で得られたチタン酸リチウム中間体は、目視的には青色部分と灰色部分が混在した状態であったが、これを放置すると青色部分が徐々に灰色に変化した。
そこで、この色の変化は、青色部分が酸化して灰色に変化すると考えられたので、上記酸素欠損を有するチタン酸リチウム中間体の不活性ガス雰囲気中での焼成工程において、ある特定の酸化処理を行うことで、特定の灰色のチタン酸リチウム中間体を得た。そして、この中間体を酸化性ガス雰囲気中で再焼成することで得られたチタン酸リチウムは、これを電極活物質として用いた電池の電気容量のバラツキが従来のものに比較して小さいものがえられることが判明した。
本発明は、このような研究の成果として得られたものである。
The inventors of the present invention are the inventors of the invention described in Patent Document 5, and in the course of further research on the invention, focused on the following phenomenon.
In the invention described in Patent Document 5, a mixture of a titanium-based compound and a lithium-based compound is baked in an inert gas atmosphere to form a lithium titanate intermediate having oxygen vacancies. It is an invention of recalcining to obtain lithium titanate. The lithium titanate intermediate obtained in this invention was visually in a state in which a blue portion and a gray portion were mixed, but when left untreated, the blue portion gradually changed to gray.
Therefore, this color change was considered that the blue portion was oxidized and turned gray, so that in the firing process of the lithium titanate intermediate having oxygen deficiency in an inert gas atmosphere, a specific oxidation treatment was performed. To obtain a specific gray lithium titanate intermediate. The lithium titanate obtained by refiring this intermediate in an oxidizing gas atmosphere has a smaller variation in the electric capacity of a battery using the lithium titanate as an electrode active material than the conventional one. It turns out that
The present invention has been obtained as a result of such research.

この現象は、本発明を限定する趣旨に解釈されるものではないが、物理的には次のように説明されると想定される。
すなわち、チタン酸リチウム形成用原料を不活性ガス中で焼成することで、酸素欠損の発生したチタン酸リチウム中間体が得られる。そして、チタン酸リチウム結晶中で酸素欠損が発生した場合、チタン酸リチウム結晶は次の2つの態様で電気的中性を保つと考えられる。
(1)Ti3+による電気的中性化
これは、酸素欠損した部位を取り囲む4価の陽イオン原子(Ti4+)の一部が、電荷を減らして3価のTi3+となることにより、全体として電気的中性を維持する態様である。青色部分と灰色部分が混在した状態が目視される。しかし、この態様では、3価のチタンイオンが安定な4価に戻ろうとするので結晶学的には不安定な状態となる。
(2)電子のトラップによる中性化
これは、欠損した酸素原子のサイトに酸素原子の価数に対応した2つの電子がトラップされ、これにより電気的中性が保たれる態様である。この態様では、全体的に灰色に呈色する。不安定な3価のチタンイオンがないので結晶学的には安定な状態である。
前記酸素原子が欠損したサイトのように結晶中の陰イオン格子欠陥サイトは、特にFセンターと呼ばれている。
そして、これらの2つの態様は、ESRスペクトルの観察により区別することができる。すなわち、(1)の態様は3価のTi3+のピークが検出されることで特定でき、(2)の態様は、Ti3+のピークが検出されず、Fセンターの濃度が1.0×1015個/g以上であることにより特定される。なお、Fセンターは、ESRにおけるg値2.002の信号強度により測定できる。
ここでFセンターの濃度とは、チタン酸リチウム中間体の単位重量当たりの酸素結果サイトの個数(個/g)として定義される。
結局、特許文献1のチタン酸リチウム中間体は(1)及び(2)の態様が混在するが、本発明のものは(2)の態様のみであることが、後記する実施例1、2と比較例2の結果から明らかになった。
This phenomenon is not construed to limit the present invention, but is assumed to be physically explained as follows.
That is, a lithium titanate intermediate in which oxygen vacancies are generated is obtained by firing the raw material for forming lithium titanate in an inert gas. When oxygen deficiency occurs in the lithium titanate crystal, the lithium titanate crystal is considered to maintain electrical neutrality in the following two modes.
(1) Electrical neutralization by Ti 3+ This is because a part of the tetravalent cation atoms (Ti 4+ ) surrounding the oxygen-deficient site is reduced to trivalent Ti 3+. Thus, this is a mode in which the electrical neutrality is maintained as a whole. The state where the blue part and the gray part are mixed is visually observed. However, in this embodiment, since the trivalent titanium ions try to return to a stable tetravalent state, the crystallographically unstable state is obtained.
(2) Neutralization by trapping electrons This is a mode in which two electrons corresponding to the valence of oxygen atoms are trapped at the sites of the deficient oxygen atoms, thereby maintaining electrical neutrality. In this embodiment, the color is generally gray. Since there is no unstable trivalent titanium ion, the crystallographically stable state.
Anion lattice defect sites in the crystal, such as sites lacking oxygen atoms, are particularly called F centers.
These two modes can be distinguished by observing the ESR spectrum. That is, the embodiment of (1) can be identified by detecting a trivalent Ti 3+ peak, and the embodiment of (2) does not detect the Ti 3+ peak and the F center concentration is 1.0. × 10 Specified by 15 / g or more. In addition, F center can be measured by the signal intensity of g value 2.002 in ESR.
Here, the concentration of F center is defined as the number of oxygen result sites (units / g) per unit weight of the lithium titanate intermediate.
Eventually, the lithium titanate intermediate of Patent Document 1 includes both aspects (1) and (2), but the present invention is only the aspect (2). It became clear from the result of Comparative Example 2.

本発明は、かかる知見に基づいて得られたもので、チタン酸リチウム中間体を生成するための不活性ガスによる焼成工程において、焼成後の冷却工程において、あるいは焼成して冷却後に、100℃以上200℃以下の温度域で酸化性ガスを含む雰囲気にさらすことを特徴とするものである。
これにより、不活性ガスによる焼成中に形成された酸素欠損のうち、上記(1)の態様のものは酸素の供給により消滅し、(2)の態様の酸素欠損のみが残されたチタン酸リチウム中間体が形成されるのである。
The present invention was obtained on the basis of such findings, and in a firing step with an inert gas for producing a lithium titanate intermediate, in a cooling step after firing, or after firing and cooling, 100 ° C. or higher It is characterized by being exposed to an atmosphere containing an oxidizing gas in a temperature range of 200 ° C. or lower.
As a result, among the oxygen vacancies formed during firing with the inert gas, the lithium titanate having the above-described aspect (1) disappeared by the supply of oxygen, and only the oxygen vacancy of the aspect (2) was left. An intermediate is formed.

本発明で得られたチタン酸リチウムは、安定なバラつきの少ないもので、電極活物質として用いたときには、充放電特性の電気容量の10Cサイクル特性のバラツキが従来のものに比較して小さいものが得られた。
また、焼成後の冷却中、あるいは焼成・冷却後に酸化処理を行う為、焼成の時間短縮が見込める。
The lithium titanate obtained in the present invention is stable and has little variation, and when used as an electrode active material, the variation in the 10C cycle characteristics of the electric capacity of the charge / discharge characteristics is small compared to the conventional one. Obtained.
In addition, since the oxidation treatment is performed during cooling after firing or after firing and cooling, the firing time can be shortened.

本発明のチタン酸リチウム及びこれを製造する方法を、その製造工程に沿って説明する。
本発明のチタン酸リチウムは、ESRスペクトル測定によるFセンター値が、1.0×1015以上であり、かつ、色をL表色系で表したとき、70<L<90、−1<a<1、0<b<5の範囲であるチタン酸リチウム中間体を、酸化性ガスを含む雰囲気中で400℃以上600℃以下の加熱処理を行うことにより製造される。
The lithium titanate of this invention and the method of manufacturing this are demonstrated along the manufacturing process.
The lithium titanate of the present invention has an F center value by ESR spectrum measurement of 1.0 × 10 15 or more, and when the color is expressed in L * a * b * color system, 70 <L * < 90, -1 <a * <1, 0 <b * <5 is produced by subjecting the lithium titanate intermediate to a heat treatment of 400 ° C. or more and 600 ° C. or less in an atmosphere containing an oxidizing gas. The

1 チタン酸リチウム中間体の調製
原料に用いられるチタン系化合物は、ルチル型の酸化チタン、アナターゼ型の酸化チタン、メタチタン酸、オルトチタン酸、あるいはこれらの混合物で高純度であることが望ましく、具体的には、不純物として含まれるFe、Al、SiおよびNaが各々20ppm未満であり、かつ、Clが500ppm未満であることが望ましい。望ましくは、Fe、Al、SiおよびNaが各々10ppm未満であり、Clが100ppm未満、さらに望ましくは50ppm未満であるのが良い。チタン原料として酸化チタンを用いる場合、その比表面積は5m/g以上、好ましくは10m/g以上、より好ましくは15m/g以上が好ましい。
リチウム系化合物は、水酸化リチウムまたは炭酸リチウムが好ましい。さらに平均粒径(レーザー回折法による測定)は0.01〜100μmが望ましく、特に、炭酸リチウムの場合は50μm以下、好ましくは5μm以下、より好ましくは0.5μm以下が良い。
リチウムチタン系化合物は、LiTiO、LiTiO1、LiTi13、LiTi16、あるいはこれらの混合物として用いることができ、高純度であることが望ましく、純度99.0質量%以上が好ましく、より好ましくは99.5質量%以上で、不純物として含まれるFe、Al、SiおよびNaが各々20ppm未満であり、かつ、Clが500ppm未満であるものが好ましい。より好ましくは、Fe、Al、SiおよびNaが各々10ppm未満であり、Clが100ppm未満、さらに好ましくは50ppm未満である。
1 Preparation of Lithium Titanate Intermediate The titanium-based compound used as a raw material is preferably a rutile type titanium oxide, anatase type titanium oxide, metatitanic acid, orthotitanic acid, or a mixture thereof. Specifically, it is desirable that Fe, Al, Si, and Na contained as impurities are each less than 20 ppm and that Cl is less than 500 ppm. Desirably, Fe, Al, Si and Na are each less than 10 ppm, and Cl is less than 100 ppm, more desirably less than 50 ppm. When titanium oxide is used as the titanium raw material, the specific surface area is 5 m 2 / g or more, preferably 10 m 2 / g or more, more preferably 15 m 2 / g or more.
The lithium compound is preferably lithium hydroxide or lithium carbonate. Further, the average particle size (measured by laser diffraction method) is desirably 0.01 to 100 μm, and in particular, in the case of lithium carbonate, it is 50 μm or less, preferably 5 μm or less, more preferably 0.5 μm or less.
The lithium titanium-based compound can be used as Li 2 TiO 3 , Li 4 Ti 5 O 1 2 , Li 2 Ti 6 O 13 , Li 2 Ti 8 O 16 , or a mixture thereof, and preferably has high purity. The purity is preferably 99.0% by mass or more, more preferably 99.5% by mass or more, and Fe, Al, Si and Na contained as impurities are each less than 20 ppm, and Cl is preferably less than 500 ppm. . More preferably, Fe, Al, Si and Na are each less than 10 ppm, and Cl is less than 100 ppm, more preferably less than 50 ppm.

本発明のチタン酸リチウム中間体の合成に当たっては、先ず上記リチウム化合物、チタン系化合物とリチウムチタン系化合物を、チタン酸リチウムのLi/Ti比(原子比)の目標値、例えば0.68〜0.82の範囲から選択される値に合わせて、両原料を計量後、水あるいは水系媒体10〜50質量%のスラリーにして十分混合した後、加熱あるいは噴霧乾燥によって乾燥させるとよい。
これらの原料の混合には、振動ミル、ボールミル等が適宜使用される。この混合粉は、バルク状のまま、あるいは0.5t/cm程度の圧力で圧縮して成形体として焼成に供されるか、あるいは、混合粉を水あるいは水系媒体等の媒液で10〜50重量%のスラリーにして十分混合した後、加熱あるいは噴霧乾燥によって乾燥させた後、バルク状のまま、あるいは同様に圧縮して成形体して、焼成に供される。
In synthesizing the lithium titanate intermediate of the present invention, first, the above lithium compound, titanium compound and lithium titanium compound are mixed with a target value of Li / Ti ratio (atomic ratio) of lithium titanate, for example, 0.68 to 0. According to a value selected from the range of .82, both raw materials are weighed and then mixed with water or a slurry of 10 to 50% by mass of an aqueous medium, and then dried by heating or spray drying.
For mixing these raw materials, a vibration mill, a ball mill or the like is appropriately used. This mixed powder is left in a bulk state, or compressed at a pressure of about 0.5 t / cm 2 and subjected to firing as a molded body, or the mixed powder is 10 to 10 in water or a medium such as an aqueous medium. After 50 wt% slurry is sufficiently mixed and dried by heating or spray drying, it is formed into a bulk form or compressed in the same manner and subjected to firing.

チタン酸リチウム中間体は、例えば、以下の方法により焼成することで製造することができる。
(1)チタン系化合物とリチウム系化合物、必要に応じてリチウムチタン系化合物を含む混合物を、不活性ガス雰囲気によって焼成ののち、冷却を行う途中で、120℃以上200℃以下の温度範囲で焼成品を、酸化性ガスを含む雰囲気で処理する。
(2)チタン系化合物とリチウム系化合物、必要に応じてリチウムチタン系化物を含む混合物を、不活性ガス雰囲気によって焼成後、室温まで冷却したのち、酸化性ガスを含む雰囲気中で100℃以上200℃以下の加熱処理を行う。
また、酸化性ガス雰囲気の処理を終えた後、必要に応じてハンマミル、ピンミルなどを用いて解砕、粉砕してもよい。
The lithium titanate intermediate can be produced, for example, by firing by the following method.
(1) A mixture containing a titanium-based compound and a lithium-based compound and, if necessary, a lithium-titanium-based compound is fired in a temperature range of 120 ° C. or higher and 200 ° C. or lower while being cooled in an inert gas atmosphere. The product is treated in an atmosphere containing an oxidizing gas.
(2) A mixture containing a titanium-based compound and a lithium-based compound, and if necessary, a lithium titanium-based compound is fired in an inert gas atmosphere and then cooled to room temperature. Heat treatment is performed at a temperature of ℃ or less.
Further, after finishing the treatment in the oxidizing gas atmosphere, it may be crushed and pulverized using a hammer mill, a pin mill or the like, if necessary.

本発明のチタン酸リチウム中間体を得る第一の例は、焼成ののち、冷却を行う途中で、100℃以上200℃以下の温度範囲で焼成品を、酸化性ガスを含む雰囲気で処理する。酸化性ガスは、後述する再焼成工程で用いる酸化性ガスと同様であり、好ましくは空気である。この温度範囲外で処理すると、チタン酸リチウム中間体は白色や青色を呈し、これらを再酸化させて得られたリチウムイオン二次電池の負極活物質における電池特性において、電気容量がより少なくなったり、ばらつきが大きくなる。酸化性ガスを含む雰囲気での加熱の時間は、1時間以上が好ましく、2時間以上4時間以下がより好ましい。
本発明のチタン酸リチウム中間体を得る第二の例は、焼成後、室温まで冷却したのち、酸化性ガスを含む雰囲気中で100℃以上200℃以下の加熱処理を行う方法である。上記と同様に、この温度範囲外で処理すると、チタン酸リチウム中間体は白色や青色を呈し、これらを再酸化させて得られたリチウムイオン二次電池の負極活物質における電池特性において、電気容量がより少なくなったり、ばらつきが大きくなる。酸化性ガスを含む雰囲気での加熱の時間は、1時間以上が好ましく、2時間以上4時間以下がより好ましい。
In the first example of obtaining the lithium titanate intermediate of the present invention, the fired product is treated in an atmosphere containing an oxidizing gas in the temperature range of 100 ° C. or more and 200 ° C. or less during the cooling after firing. The oxidizing gas is the same as the oxidizing gas used in the re-baking step described later, and is preferably air. When treated outside this temperature range, the lithium titanate intermediate exhibits a white or blue color, and in the battery characteristics of the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery obtained by reoxidizing them, the electric capacity may be less. , The variation becomes large. The heating time in the atmosphere containing the oxidizing gas is preferably 1 hour or longer, and more preferably 2 hours or longer and 4 hours or shorter.
A second example of obtaining the lithium titanate intermediate of the present invention is a method in which, after firing, after cooling to room temperature, heat treatment is performed at 100 ° C. to 200 ° C. in an atmosphere containing an oxidizing gas. Similarly to the above, when treated outside this temperature range, the lithium titanate intermediate exhibits white or blue color, and in the battery characteristics of the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery obtained by reoxidizing them, the electric capacity Or less variation. The heating time in the atmosphere containing the oxidizing gas is preferably 1 hour or longer, and more preferably 2 hours or longer and 4 hours or shorter.

本発明のチタン酸リチウム中間体の製造方法で用いる焼成雰囲気は、不活性雰囲気である。不活性雰囲気とは、酸素、オゾン等の酸化性ガスや水素、一酸化炭素、硫化水素などの還元性ガスが含まれていない雰囲気のことであり、アルゴン、ヘリウムといった希ガス雰囲気や、窒素などの雰囲気、これらのガスの混合雰囲気である。特に好ましくは、窒素雰囲気である。焼成雰囲気中に、酸化性ガスを含む雰囲気への開放などが行われるが、酸化性ガスを含む雰囲気とは、酸素、オゾンなどを含む雰囲気のことであり、より好ましくは大気雰囲気である。
焼成温度は600〜800℃、好ましくは650〜750℃の、不活性ガス雰囲気で行なうことができる。昇温速度は、15℃/minが好ましく、5℃/min以上15℃/min以下がより好ましく、8℃/min以上12℃/min以下がより好ましい。なお、昇温速度は、焼成時間へ影響を及ぼすため、生産効率と特性のバランスを考慮して設定する必要がある。本発明のチタン酸リチウムの製造方法において、焼成時の昇温速度は、特開2016−50156に示された好ましい昇温速度より早い速度で焼成することができる。
The firing atmosphere used in the method for producing a lithium titanate intermediate of the present invention is an inert atmosphere. An inert atmosphere is an atmosphere that does not contain an oxidizing gas such as oxygen or ozone, or a reducing gas such as hydrogen, carbon monoxide, or hydrogen sulfide, such as a rare gas atmosphere such as argon or helium, or nitrogen. Atmosphere of these gases. Particularly preferred is a nitrogen atmosphere. The firing atmosphere is opened to an atmosphere containing an oxidizing gas, and the atmosphere containing an oxidizing gas is an atmosphere containing oxygen, ozone, or the like, and more preferably an air atmosphere.
The firing temperature can be 600 to 800 ° C., preferably 650 to 750 ° C., in an inert gas atmosphere. The heating rate is preferably 15 ° C./min, more preferably 5 ° C./min to 15 ° C./min, and more preferably 8 ° C./min to 12 ° C./min. In addition, since the temperature increase rate affects the firing time, it is necessary to set it in consideration of the balance between production efficiency and characteristics. In the method for producing lithium titanate according to the present invention, the temperature rise rate during firing can be fired at a faster rate than the preferred temperature rise rate disclosed in JP-A-2006-50156.

得られたチタン酸リチウム中間体は、ESRスペクトル測定によるFセンター値が、1.0×1015以上であり、かつ、色をL表色系で表したとき、70<L<90、−1<a<1、0<b<5の範囲に含まれるものである。
ESRスペクトル測定のFセンターは、結晶構造に欠損(欠陥)がある場合に、光吸収などで試料の着色により検出される。
本発明のチタン酸リチウム中間体は、結晶構造に特有の欠損(欠陥)を有し、目視の色では、灰色を示す。これらの範囲外とすると、リチウムイオン二次電池としたときの充放電特性のロット内の電気容量のばらつきが大きくなる。好ましくは、Fセンター値が1.0×1015以上、Ti3+に由来する信号は確認されないことがより望ましい。
この範囲とすると、より、リチウムイオン二次電池としたときの充放電特性のロット内の電気容量のばらつきを小さくすることができる。
The obtained lithium titanate intermediate has an F center value of 1.0 × 10 15 or more by ESR spectrum measurement, and 70 <L when the color is expressed in the L * a * b * color system. * <90, -1 <a * <1, 0 <b * <5.
The F center of the ESR spectrum measurement is detected by coloring the sample by light absorption or the like when there is a defect (defect) in the crystal structure.
The lithium titanate intermediate of the present invention has defects (defects) peculiar to the crystal structure, and shows a gray color when viewed visually. If outside of these ranges, the variation in electric capacity within the lot of charge / discharge characteristics when a lithium ion secondary battery is made increases. Preferably, it is more desirable that an F center value is 1.0 × 10 15 or more and a signal derived from Ti 3+ is not confirmed.
If it is this range, the dispersion | variation in the electric capacity in the lot of the charge / discharge characteristic when it is set as a lithium ion secondary battery can be made smaller.

2 チタン酸リチウムの合成
本発明は、上記のような方法で得られる特有の欠損を有するチタン酸リチウム中間体を、酸化性ガスを含む雰囲気で400℃〜600℃で熱処理する。
ここで、酸化性ガスは、酸素、オゾン、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素、フッ素、塩素、二酸化塩素、三フッ化窒素、三フッ化塩素、二フッ化酸素、ペルクロリルフルオリドなどを挙げることができるが、酸素、オゾンを用いることが好ましい。これらの酸化性ガスは、アルゴン、ヘリウムといった希ガスや、窒素、これらの混合ガス等の不活性ガスにより希釈されていてもよい。この酸化性ガスを含む雰囲気中の酸化性ガスの含有量は、10〜50容量%が好ましく、より好ましくは、15〜35容量%である。この酸化性ガスを含む雰囲気は、酸素と窒素の混合ガス雰囲気、もしくは大気雰囲気が好ましい。
熱処理時間は、30分〜4時間が好ましい。酸化性ガスを含む雰囲気で熱処理焼成することで、灰色を呈していたチタン酸リチウム中間体は、白色のリチウムイオン二次電池の電極活物質となる。
上記熱処理や前述のチタン酸リチウム中間体を得るための焼成に際し使用する炉は、雰囲気の調整が可能な炉であればよい。一般的な箱型炉や、トンネル炉、コンベア炉、キルン炉などで行うことができる。
2 Synthesis of lithium titanate In the present invention, a lithium titanate intermediate having a specific defect obtained by the above method is heat-treated at 400 ° C. to 600 ° C. in an atmosphere containing an oxidizing gas.
Here, the oxidizing gas is oxygen, ozone, nitrous oxide, nitric oxide, nitrogen dioxide, fluorine, chlorine, chlorine dioxide, nitrogen trifluoride, chlorine trifluoride, oxygen difluoride, perchloryl fluoride. However, it is preferable to use oxygen or ozone. These oxidizing gases may be diluted with a rare gas such as argon or helium, or an inert gas such as nitrogen or a mixed gas thereof. The content of the oxidizing gas in the atmosphere containing the oxidizing gas is preferably 10 to 50% by volume, more preferably 15 to 35% by volume. The atmosphere containing the oxidizing gas is preferably a mixed gas atmosphere of oxygen and nitrogen or an air atmosphere.
The heat treatment time is preferably 30 minutes to 4 hours. By performing heat treatment and baking in an atmosphere containing an oxidizing gas, the lithium titanate intermediate, which has been gray, becomes an electrode active material of a white lithium ion secondary battery.
The furnace used for the heat treatment or the firing for obtaining the above-described lithium titanate intermediate may be a furnace capable of adjusting the atmosphere. It can be carried out in a general box furnace, tunnel furnace, conveyor furnace, kiln furnace or the like.

3 リチウムイオン二次電池の活物質としての使用
本発明の製造方法で得られたチタン酸リチウムは、リチウムイオン二次電池の活物質として用いることができる。このリチウムイオン二次電池は、上述した製造法により得られたリチウムチタン酸化物を負極活物質として含む負極、正極活物質を含む正極、および非水電解質を含むリチウムイオン二次電池、または、負極活物質を含む負極、上述した製造法により得られたリチウムチタン酸化物を正極活物質として含む正極、および非水電解質を含むリチウムイオン二次電池である。前記負極、正極は集電体およびこの集電体に形成された活物質層を含み、前記活物質層は本発明の一実施形態により製造される活物質、バインダー、および導電剤を含んでもよい。
3 Use as an active material of a lithium ion secondary battery The lithium titanate obtained by the production method of the present invention can be used as an active material of a lithium ion secondary battery. This lithium ion secondary battery includes a negative electrode including lithium titanium oxide obtained by the above-described manufacturing method as a negative electrode active material, a positive electrode including a positive electrode active material, and a lithium ion secondary battery including a nonaqueous electrolyte, or a negative electrode A lithium ion secondary battery including a negative electrode including an active material, a positive electrode including lithium titanium oxide obtained by the above-described manufacturing method as a positive electrode active material, and a nonaqueous electrolyte. The negative electrode and the positive electrode include a current collector and an active material layer formed on the current collector, and the active material layer may include an active material, a binder, and a conductive agent manufactured according to an embodiment of the present invention. .

集電体は、導電性材料で形成されたものであれば特に限定されないが、例えば、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、などの金属で形成されている箔、メッシュなどを用いることができる。
バインダーは、活物質を互いに適切に付着させ、さらに活物質を集電体に適切に付着させる役割を行う。その代表的な例としては、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ポリビニルクロライド、カルボキシル化されたポリビニルクロライド、ポリビニルフルオライド、エチレンオキシドを含むポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン− ブタジエンラバー、アクリレート化スチレン−ブタジエンラバー、エポキシ樹脂、ナイロンなどを用いてもよいが、これに限定されるものではない。
導電剤は電極に導電性を付与するために用いられるものであって、構成される電池において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であればいずれのものでも使用が可能であるが、その例として、天然黒鉛、人造黒鉛などを用いてもよく、また、ポリフェニレン誘導体などの導電性材料を混合して用いてもよい。
The current collector is not particularly limited as long as it is formed of a conductive material. For example, a foil or mesh formed of a metal such as aluminum, copper, or stainless steel can be used.
The binder plays a role of properly attaching the active materials to each other and further appropriately attaching the active materials to the current collector. Typical examples include polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, polyvinyl chloride, carboxylated polyvinyl chloride, polyvinyl fluoride, polymers containing ethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyurethane, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride. Ride, polyethylene, polypropylene, styrene-butadiene rubber, acrylated styrene-butadiene rubber, epoxy resin, nylon and the like may be used, but are not limited thereto.
The conductive agent is used to impart conductivity to the electrode, and any battery can be used as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in the constructed battery. As such, natural graphite, artificial graphite, or the like may be used, or a conductive material such as a polyphenylene derivative may be mixed and used.

負極の活物質として、本発明の製造方法により得られたチタン酸リチウムを活物質として使用する場合、対極となる正極活物質としては、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物、又はポリアニオン系化合物等を用いることができる。具体的には、例えば、リチウムコバルト複合酸化物(Li(1−n)CoOなど(0<n<1、以下同じ))、リチウムニッケル複合酸化物(Li(1−n)NiOなど)、リチウムマンガン複合酸化物(Li(1−n)MnO、Li(1−n)Mnなど)、リチウム鉄複合リン酸化物
(LiFePOなど)、リチウムバナジウム複合酸化物(LiVなど)などが挙げられる。
正極の活物質として、本発明の製造方法により得られたチタン酸リチウムを活物質として使用する場合、対極となる負極活物質としては、Li金属箔が挙げられる。Li金属箔を負極として使用する場合は、導電剤やバインダーを使用することなく、集電体に直接圧着させて使用することができる。
When the lithium titanate obtained by the production method of the present invention is used as an active material for the negative electrode, the positive electrode active material serving as a counter electrode is an oxide containing lithium and a transition metal element, or a polyanionic compound. Etc. can be used. Specifically, for example, lithium cobalt composite oxide (Li (1-n) CoO 2 or the like (0 <n <1, the same applies hereinafter)), lithium nickel composite oxide (Li (1-n) NiO 2 or the like) , Lithium manganese composite oxide (Li (1-n) MnO 2 , Li (1-n) Mn 2 O 4 etc.), lithium iron composite phosphate (LiFePO 4 etc.), lithium vanadium composite oxide (LiV 2 O 3 ) and the like.
When the lithium titanate obtained by the production method of the present invention is used as an active material for the positive electrode, an example of the negative electrode active material serving as a counter electrode is Li metal foil. When Li metal foil is used as the negative electrode, it can be used by directly crimping the current collector without using a conductive agent or a binder.

リチウムイオン二次電池のいずれかの電極活物質として、本発明の製造方法により得られたチタン酸リチウムが用いられる。このリチウムイオン電池の電極は、例えば、粉末状チタン酸リチウムと導電材とバインダーとを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の電負としたものを集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。該負極には導電剤や溶剤などを使用することなく、前記集電体に直接圧着させて使用することができる。   As an electrode active material for any of the lithium ion secondary batteries, lithium titanate obtained by the production method of the present invention is used. The electrode of this lithium ion battery is, for example, a mixture of powdered lithium titanate, a conductive material and a binder, an appropriate solvent added to form a paste-like negative electrode, and then applied to the surface of the current collector and dried. If necessary, it can be compressed to increase the electrode density. The negative electrode can be used by directly pressing the current collector without using a conductive agent or a solvent.

また、本発明のリチウムイオン二次電池においては、リチウム塩を非水性有機溶媒に溶かした非水電解液、ゲル電解質、固体電解質などを用いることができるが、非水電解液を用いることが好ましい。
非水性有機溶媒は、電池の電気化学的反応に関与するイオンが移動することができる媒質役割を行う。非水性有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ‐ブチロラクトン(γ‐BL)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ブチレンカーボネート(BC)、エチルメチルカーボネート(EMC)など従来の二次電池やキャパシタに使われる有機溶媒が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。
リチウム塩は非水性有機溶媒に溶解し、電池内でリチウムイオンの供給源として作用し、基本的なリチウム二次電池の作動を可能にし、正極と負極の間のリチウムイオンの移動を促進する役割を行う物質である。例えば、LiPF、LiClO、LiAsF、LiBF、Li(CFSON、Li(CFSO)、LiN(CSOなどのリチウム塩を用いることができる。リチウム塩の濃度は、0.1〜2.0Mが好ましく、0.8〜1.2mol/Lがより好ましい。
Further, in the lithium ion secondary battery of the present invention, a non-aqueous electrolyte solution, a gel electrolyte, a solid electrolyte, or the like in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous organic solvent can be used, but it is preferable to use a non-aqueous electrolyte solution. .
The non-aqueous organic solvent serves as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Examples of the non-aqueous organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γ-BL), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), butylene carbonate (BC), and ethyl methyl. Examples include organic solvents used in conventional secondary batteries and capacitors such as carbonate (EMC). These may be used alone or in combination.
Lithium salt dissolves in non-aqueous organic solvent, acts as a source of lithium ions in the battery, enables basic lithium secondary battery operation, and promotes the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes It is a substance that performs. For example, a lithium salt such as LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 3 ), LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 may be used. it can. The concentration of the lithium salt is preferably 0.1 to 2.0M, and more preferably 0.8 to 1.2 mol / L.

リチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池の種類に応じて正極と負極の間にセパレータが存在してもよい。このセパレータとしては、リチウムイオン二次電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。   In the lithium ion secondary battery, a separator may be present between the positive electrode and the negative electrode depending on the type of the lithium ion secondary battery. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the lithium ion secondary battery. For example, a polymer nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric or a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, or an olefin resin such as polyethylene or polypropylene can be used. A thin microporous membrane can be mentioned. These may be used alone or in combination.

上述の方法で作製されたリチウムイオン二次電池は、充放電装置(たとえば、北斗電工社製、HJ1001SDなど)を用いて、充放電特性を測定することができる。本工程で得られたチタン酸リチウムを電極として用いた場合、同ロットのチタン酸リチウムで得られる、リチウムイオン二次電池の電気容量の標準偏差(σ)が、3.5以下、より好ましくは3.0以下とすることができる。   The lithium ion secondary battery produced by the above-described method can measure charge / discharge characteristics using a charge / discharge device (for example, HJ1001SD manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.). When the lithium titanate obtained in this step is used as an electrode, the standard deviation (σ) of the electric capacity of the lithium ion secondary battery obtained with the same lot of lithium titanate is 3.5 or less, more preferably It can be 3.0 or less.

本発明の実施例を示す。ただし、本発明は、これらの実施例に限定して解釈されるものではない。
ESRスペクトル測定と色差の測定は、次の方法で行った。
1)ESRスペクトル測定(20K)
(1)機種 :Elexsys E580(BRUKER社)
(2)測定条件
測定温度 20 K
中心磁場 3428 G 付近
磁場掃引範囲 2500 G
変調 100 kHz、 5 G
マイクロ波 9.44 GHz、 0.026 mW
掃引時間 167.77s×3〜6 times
時定数 163.84 ms
データポイント数 2048 points
キャビティー TE011、 円筒型
換算式(Fセンター値)
下式で計算されるNsamを資料重量で除した数値をFセンター値(個/g)とした。

Figure 0006400250
sam : 実試料中のスピン数[個]
ref : 標準試料中のスピン数
S : 実試料のスピン量子数
s : 標準試料のスピン量子数
sam : 実試料の信号強度
ref : 標準試料の信号強度
ここで、信号強度とは、測定で得られる微分型のスペクトルを1回積分して算出されるピーク面積を意味する。
また、標準試料は、ダメージを与えたポリエチレンを使用した。
2)色差の測定
(1)装置:測色色差計;ZE 2000(日本電色工業)
(2)測定条件
測定方法 :刺激値直読方法
分光感度 :YZ方式
測光方式 :ダブルビーム方式(交照測光方式)
光源 :ハロゲンランプ
照明受光条件: 0°−d法 JIS Z −8722に準拠
照射径 :30mmφThe Example of this invention is shown. However, the present invention is not construed as being limited to these examples.
The ESR spectrum measurement and the color difference measurement were performed by the following method.
1) ESR spectrum measurement (20K)
(1) Model: Elexsys E580 (BRUKER)
(2) Measurement conditions Measurement temperature 20 K
Central magnetic field 3428 G vicinity Magnetic field sweep range 2500 G
Modulation 100 kHz, 5 G
Microwave 9.44 GHz, 0.026 mW
Sweep time 167.77 s × 3-6 times
Time constant 163.84 ms
Number of data points 2048 points
Cavity TE011, cylindrical type conversion formula (F center value)
A value obtained by dividing N sam calculated by the following equation by the weight of the material was defined as an F center value (pieces / g).
Figure 0006400250
N sam : Number of spins in real sample [pieces]
N ref : Number of spins in the standard sample
S: Spin quantum number of real sample
s: spin quantum number of standard sample
I sam : Signal strength of actual sample
I ref : Signal strength of standard sample
Here, the signal intensity means a peak area calculated by integrating a differential spectrum obtained by measurement once.
Moreover, the damaged polyethylene was used for the standard sample.
2) Measurement of color difference
(1) Apparatus: Colorimetric color difference meter; ZE 2000 (Nippon Denshoku Industries)
(2) Measurement conditions Measurement method: Stimulus value direct reading method Spectral sensitivity: YZ method Metering method: Double beam method (crossing metering method)
Light source: Halogen lamp Light receiving condition: 0 ° -d method Conforms to JIS Z-8722 Irradiation diameter: 30 mmφ

(実施例1)
リチウム源として水酸化リチウムを240.9g、チタン源として酸化チタン粉末を573.5g用意し、原料固形分の濃度が20質量%となるようにイオン交換水と混合しスラリーとし、これに添加剤として、カオーセラ2100(花王株式会社)を対固形分で2質量%添加した。このスラリーを、ボールミルを用いて粉砕混合し、その後スプレードライヤー(ヤマト科学(株)製、GB210‐B)を用いて220℃の熱風により噴霧造粒し、平均粒径10μm程度の球状の造粒混合粉を得た。
この造粒混合粉を、十分に窒素置換を終え、酸素濃度を0.1%以下とした窒素雰囲気炉にて、昇温速度10℃/minの条件で750℃で6時間の焼成温度をキープした。その際、窒素雰囲気炉中には窒素を通じ続けた。その後、放冷中に炉内温度が120℃以上200℃以下の間に、炉内を大気に開放させ、放冷を続けた。得られたものは、灰色の粉末状チタン酸リチウム中間体であった。これをESRスペクトル測定を行ったところ、Fセンターは1.2×1016[個/g]、Ti3+由来のピークが検出されなかった。色差計で L表色系を確認したところ、L=79.1、a=0.6、b=3.7であった。
得られたチタン酸リチウム中間体を、500℃の大気雰囲気で2時間の加熱を行ない、得られたチタン酸リチウムを1.8g分取し、N‐メチル‐2‐ピロリドン3.0mL、ポリフッ化ビニリデン0.1g、アセチレンブラック0.1gを、自転・公転ミキサーを用いて混合し、ペースト状とした。
その後、ドクターブレードを用いて、アルミ箔上にそのスラリーを80μmの厚みで塗布した。これを80℃の温度で乾燥後、直径14mmの円形になるように打ち抜き、プレスを行い電極とした。
得られた電極に対し、負極としてリチウム金属を、電解液としてエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合溶媒(体積比1:1)にLiPFを1mol/Lの濃度で溶解した電解液を、また、セパレータとしてポリプロピレン不織布を用いて、コインセルを作製した。
30℃の恒温槽内に設置した充放電測定用ホルダーに、上記で作製したコインセルをセットし、充放電装置(北斗電工社製、HJ1001SD)を用いて、充放電特性を測定した。初めに、正極中のチタン酸リチウム1g当たり17.5mAの電流(放電レート0.1C)を流して、電圧1.0Vとなるまで放電させて、さらに1.0Vで6時間保持して充分に放電した(初期放電)。
初期放電ののち、0.1Cの電流で3.0Vまで充電した後、再び0.1Cで1.0Vまで放電させるサイクル2回行った。その後、10C(チタン酸リチウム1g当たり1750mA/h)の電流の条件にて充放電を行い、放電時に流れた電流量の平均値を、チタン酸リチウム1g当たりの電気量に換算した値を電気容量とした。同ロットのチタン酸リチウムでコインセルを15個作製し、それぞれの10Cで得られた電気容量の平均値と標準偏差(σ)を求めた。この際の標準偏差は、1.5であった。
ここで1Cとは、電池の放電レートのことで、全電池容量[Ah]を定電流にて1hで全電池容量を完全に放電させたときの電流値を意味する。よって、0.1Cとは10hで全容量を完全に放電させたときの電流値を意味する。また、10Cとは、0.1hで全容量を完全に放電させたときの電流値を意味し、例えば、放電レートが10Cの時の放電電流値は、0.1Cのときのそれに比べて100倍大きい値を示すこととなる。
Example 1
Prepare 240.9 g of lithium hydroxide as the lithium source and 573.5 g of titanium oxide powder as the titanium source, mix with ion-exchanged water so that the concentration of the raw material solids is 20% by mass, and make a slurry. As a result, 2% by mass of Kaosela 2100 (Kao Corporation) was added as a solid content. This slurry is pulverized and mixed using a ball mill, and then spray granulated with hot air at 220 ° C. using a spray dryer (manufactured by Yamato Kagaku Co., Ltd., GB210-B) to form spherical granules having an average particle size of about 10 μm. A mixed powder was obtained.
This granulated mixed powder was sufficiently replaced with nitrogen and kept at a firing temperature of 750 ° C. for 6 hours in a nitrogen atmosphere furnace with an oxygen concentration of 0.1% or less at a heating rate of 10 ° C./min. did. At that time, nitrogen was continued in the nitrogen atmosphere furnace. Thereafter, while the temperature inside the furnace was 120 ° C. or more and 200 ° C. or less during the cooling, the inside of the furnace was opened to the atmosphere and the cooling was continued. What was obtained was a gray powdery lithium titanate intermediate. When this was subjected to ESR spectrum measurement, the F center was 1.2 × 10 16 [pieces / g], and no peak derived from Ti 3+ was detected. When the L * a * b * color system was confirmed with a color difference meter, L * = 79.1, a * = 0.6, and b * = 3.7.
The obtained lithium titanate intermediate was heated in an air atmosphere at 500 ° C. for 2 hours, and 1.8 g of the obtained lithium titanate was collected, 3.0 mL of N-methyl-2-pyrrolidone, polyfluorinated 0.1 g of vinylidene and 0.1 g of acetylene black were mixed using a rotating / revolving mixer to obtain a paste.
Then, the slurry was apply | coated by the thickness of 80 micrometers on aluminum foil using the doctor blade. This was dried at a temperature of 80 ° C., punched out into a circle having a diameter of 14 mm, and pressed to obtain an electrode.
With respect to the obtained electrode, an electrolytic solution in which LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (volume ratio 1: 1) as an anode, A coin cell was prepared using a polypropylene nonwoven fabric as a separator.
The coin cell produced above was set in a holder for charge / discharge measurement installed in a thermostat at 30 ° C., and charge / discharge characteristics were measured using a charge / discharge device (HJ1001SD, manufactured by Hokuto Denko). First, a current of 17.5 mA per 1 g of lithium titanate in the positive electrode (discharge rate: 0.1 C) was passed to discharge the battery to a voltage of 1.0 V, and the voltage was further maintained at 1.0 V for 6 hours. Discharged (initial discharge).
After the initial discharge, the battery was charged to 3.0 V with a current of 0.1 C, and then discharged twice to 1.0 V at 0.1 C. Thereafter, charging / discharging was performed under the condition of a current of 10 C (1750 mA / h per gram of lithium titanate), and an average value of the amount of current flowing at the time of discharge was converted into an amount of electricity per gram of lithium titanate. It was. Fifteen coin cells were made from the same lot of lithium titanate, and the average value and standard deviation (σ) of the electric capacity obtained at each 10C were determined. The standard deviation at this time was 1.5.
Here, 1C means the discharge rate of the battery, which means a current value when the entire battery capacity [Ah] is completely discharged at a constant current for 1 h. Therefore, 0.1 C means a current value when the entire capacity is completely discharged in 10 hours. 10C means a current value when the entire capacity is completely discharged at 0.1 h. For example, the discharge current value when the discharge rate is 10C is 100 compared with that when the discharge rate is 0.1C. The value will be twice as large.

(実施例2)
放冷中に大気解放を行わず、常温まで放冷されたチタン酸リチウムを、大気中で120℃乾燥を2時間行った以外は、実施例1と同様の条件にて、チタン酸リチウム中間体を作製した。その結果、灰色の粉末状チタン酸リチウムが得られた。
これをESRスペクトル測定を行ったところ、Fセンターは2.2×1016[個/g]、Ti3+由来のピークが検出されなかった。また、色差計で L表色系を確認したところ、L=80.1、a=0.2、b=2.9であった。これを実施例1と同じように電極とし、コインセルを作製し、10Cの電流の条件で得られた電気容量の平均値と標準偏差(σ)を求めた。この際の標準偏差は、2.3であった。
(Example 2)
Lithium titanate intermediate was prepared under the same conditions as in Example 1 except that the lithium titanate which was allowed to cool to room temperature was not dried during cooling and was dried in air at 120 ° C. for 2 hours. Was made. As a result, gray powdery lithium titanate was obtained.
When this was subjected to ESR spectrum measurement, the F center was 2.2 × 10 16 [pieces / g], and a peak derived from Ti 3+ was not detected. Further, when the L * a * b * color system was confirmed with a color difference meter, L * = 80.1, a * = 0.2, and b * = 2.9. This was used as an electrode in the same manner as in Example 1 to produce a coin cell, and the average value and standard deviation (σ) of the electric capacity obtained under the condition of a current of 10 C were obtained. The standard deviation at this time was 2.3.

(比較例1)
窒素置換を行わず、酸素濃度が21%の大気雰囲気にて、焼成を開始した以外は、実施例1と同様の条件にて、チタン酸リチウム中間体を作製した。その結果、白色の粉末状チタン酸リチウムが得られた。
これをESRスペクトル測定を行ったところ、Fセンター、Ti3+由来のピークはともに検出されなかった。色差計で L表色系を確認したところ、L=95.8、a=−0.2、b=0.5であった。これを実施例1と同じように電極とし、コインセルを作製し、10Cの電流の条件で得られた電気容量の平均値と標準偏差(σ)を求めた。この際の標準偏差は、4.2であった。
(Comparative Example 1)
A lithium titanate intermediate was produced under the same conditions as in Example 1 except that the firing was started in an air atmosphere with an oxygen concentration of 21% without performing nitrogen substitution. As a result, white powdery lithium titanate was obtained.
When this was subjected to ESR spectrum measurement, neither the F center nor the peak derived from Ti 3+ was detected. When the L * a * b * color system was confirmed with a color difference meter, L * = 95.8, a * = − 0.2, and b * = 0.5. This was used as an electrode in the same manner as in Example 1 to produce a coin cell, and the average value and standard deviation (σ) of the electric capacity obtained under the condition of a current of 10 C were obtained. The standard deviation at this time was 4.2.

(比較例2)
放冷の際に、大気解放を行わず、さらに焼成後も、大気中で加熱処理を行わなかった以外は、実施例1と同様の条件にて、チタン酸リチウム中間体を作製した。その結果、青色の粉末状チタン酸リチウムが得られた。
これをESRスペクトル測定を行ったところ、Fセンターは6.1×1015[個/g]、Ti3+由来のピークは1.6×1019[個/g]であった。色差計で L表色系を確認したところ、L=74.6、a=−2.5、b=−5.4であった。これを実施例1と同じように電極とし、コインセルを作製し、10Cの電流の条件で得られた電気容量の平均値と標準偏差(σ)を求めた。この際の標準偏差は、3.7であった。
(Comparative Example 2)
A lithium titanate intermediate was produced under the same conditions as in Example 1, except that the atmosphere was not released during the cooling, and the heat treatment was not performed in the atmosphere after firing. As a result, blue powdery lithium titanate was obtained.
When this was subjected to ESR spectrum measurement, the F center was 6.1 × 10 15 [pieces / g], and the peak derived from Ti 3+ was 1.6 × 10 19 [pieces / g]. When the L * a * b * color system was confirmed with a color difference meter, L * = 74.6, a * = − 2.5, and b * = − 5.4. This was used as an electrode in the same manner as in Example 1 to produce a coin cell, and the average value and standard deviation (σ) of the electric capacity obtained under the condition of a current of 10 C were obtained. The standard deviation at this time was 3.7.

(比較例3)
放冷の際に、炉内温度が300℃以上400℃以下である間に、炉内を大気に開放させ、放冷を続けた以外は、実施例1と同様の条件にて、チタン酸リチウム中間体を作製した。その結果、灰色の粉末状チタン酸リチウムが得られた。
これをESRスペクトル測定を行ったところ、Fセンターは6.3×1015[個/g]、Ti3+由来のピークが検出されなかった。色差計で L表色系を確認したところ、L=84.1、a=0.1、b=1.9であった。これを実施例1と同じように電極とし、コインセルを作製し、10Cの電流の条件で得られた電気容量の平均値と標準偏差(σ)を求めた。この際の標準偏差は、6.7であった。
(Comparative Example 3)
During the cooling, while the furnace temperature was 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, the inside of the furnace was opened to the atmosphere and the cooling was continued. An intermediate was made. As a result, gray powdery lithium titanate was obtained.
When this was subjected to ESR spectrum measurement, the F center was 6.3 × 10 15 [pieces / g], and no peak derived from Ti 3+ was detected. When the L * a * b * color system was confirmed with a color difference meter, L * = 84.1, a * = 0.1, and b * = 1.9. This was used as an electrode in the same manner as in Example 1 to produce a coin cell, and the average value and standard deviation (σ) of the electric capacity obtained under the condition of a current of 10 C were obtained. The standard deviation at this time was 6.7.

以上の実施例と比較例の結果を表に纏めると、次の[表1]のとおりとなる。

Figure 0006400250
The results of the above examples and comparative examples are summarized in a table as shown in [Table 1] below.
Figure 0006400250

[表1]の結果から明らかなように、本発明で特定する焼成条件で製造されたチタン酸リチウム中間体は、Fセンターの濃度が1.0×1015(個/g)以上であり、とTi3+が検出されないという点において特有の酸素欠損構造を有する。そして、この特有の酸素欠損構造を有するチタン酸リチウム中間体を用いて製造されたチタン酸リチウムは、リチウムイオン二次電池の電極活物質として用いたときの充放電特性の電気容量のばらつきが、標準偏差で3.5以下という優れた電気特性を有するチタン酸リチウムであり、これを用いて製造されたリチウムイオン二次電池は充放電特性が著しく改善される。 As is clear from the results of [Table 1], the lithium titanate intermediate produced under the firing conditions specified in the present invention has an F center concentration of 1.0 × 10 15 (pieces / g) or more, And Ti 3+ are not detected. And the lithium titanate produced using the lithium titanate intermediate having this unique oxygen deficiency structure has a variation in electric capacity of charge / discharge characteristics when used as an electrode active material of a lithium ion secondary battery. The lithium ion secondary battery manufactured using lithium titanate having excellent electrical characteristics with a standard deviation of 3.5 or less has remarkably improved charge / discharge characteristics.

Claims (5)

ESRスペクトル測定によるFセンター値が、1.0×1015 (個/g)以上であり、3価のチタンが存在せず、かつ、色をL表色系で表したとき、70<L<90、−1<a<1、0<b<5の範囲であるチタン酸リチウム中間体。 When the F center value by ESR spectrum measurement is 1.0 × 10 15 (pieces / g) or more, no trivalent titanium is present, and the color is expressed in the L * a * b * color system , 70 <L * <90, -1 <a * <1, 0 <b * <5. ESRスペクトル測定によるFセンター値が、1.0×1015(個/g)以上であり、3価のチタン(Ti3+)が存在せず、かつ、色をL表色系で表したとき、70<L<90、−1<a<1、0<b<5の範囲であるチタン酸リチウム中間体を、酸化性ガスを含む雰囲気中で400℃以上600℃以下の加熱処理を行うこと特徴とするチタン酸リチウムの製造方法。 The F center value measured by ESR spectrum is 1.0 × 10 15 (pieces / g) or more, trivalent titanium (Ti 3+ ) does not exist, and the color is L * a * b * color When expressed in a system, a lithium titanate intermediate in the range of 70 <L * <90, -1 <a * <1, 0 <b * <5 is 400 ° C. or higher and 600 ° C. in an atmosphere containing an oxidizing gas. A method for producing lithium titanate , characterized by performing a heat treatment at a temperature of ℃ or less. 前記チタン酸リチウム中間体は、チタン系化合物とリチウム系化合物、必要に応じてリチウムチタン系化合物を含む混合物を、不活性ガス雰囲気によって焼成の後、冷却を行う途中で、100℃以上200℃以下の温度範囲で焼成品を酸化性ガスを含む雰囲気で処理することを特徴とする請求項に記載のチタン酸リチウムの製造方法。 The lithium titanate intermediate is a mixture containing a titanium compound and a lithium compound, and optionally a lithium titanium compound, after firing in an inert gas atmosphere and cooling, in the middle of 100 ° C. to 200 ° C. The method for producing lithium titanate according to claim 2 , wherein the fired product is treated in an atmosphere containing an oxidizing gas in a temperature range of 5%. 前記チタン酸リチウム中間体は、チタン系化合物とリチウム系化合物、必要に応じてリチウムチタン系化合物を含む混合物を、不活性ガス雰囲気によって焼成後、室温まで冷却したのち、酸化性ガスを含む雰囲気中で100℃以上200℃以下の加熱処理を行うことを特徴とする請求項に記載のチタン酸リチウムの製造方法。 The lithium titanate intermediate is a mixture containing a titanium compound and a lithium compound, and optionally a lithium titanium compound, fired in an inert gas atmosphere, cooled to room temperature, and then in an atmosphere containing an oxidizing gas. The method for producing lithium titanate according to claim 2 , wherein a heat treatment is performed at 100 ° C. to 200 ° C. 請求項2〜4に記載の製造方法で得られたチタン酸リチウムと、バインダーと、導電剤とを含む塗料を集電体上に塗布して、前記集電体と前記集電体上に積層されたチタン酸リチウム層とを有する電極を製造する工程を含むリチウムイオン二次電池の製造方法。
A paint containing lithium titanate obtained by the manufacturing method according to claim 2 , a binder, and a conductive agent is applied on a current collector, and the current collector and the current collector are laminated. The manufacturing method of a lithium ion secondary battery including the process of manufacturing the electrode which has the made lithium titanate layer.
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