JP7159535B2 - タングステン酸リチウム、タングステン酸リチウムの製造方法、タングステン酸リチウムの製造装置、非水系電解質二次電池用正極材料、及び非水系電解質二次電池 - Google Patents
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Description
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。また、図面においては、各構成をわかりやすくするために、一部を強調して、あるいは一部を簡略化して表しており、実際の構造または形状、縮尺等が異なっている場合がある。まず、実施形態に係るタングステン酸リチウムを説明し、続いて、実施形態のタングステン酸リチウムの製造方法について説明する。
実施形態に係るタングステン酸リチウムは、一般式:LiaWOb・(H2O)n(0.4≦a≦6、3≦b≦6、0≦n≦4)で表され、平均粒径が5μm以上100μm以下であり、安息角が30°以上60°以下である。このタングステン酸リチウムは、リチウムイオン二次電池などの非水系電解質二次電池用正極材料に用いられた場合、優れた粉体特性を有し、容易に正極材料内に均一に分散して、電池容量、及び出力特性を向上させることができる。
次に、実施形態に係るタングステン酸リチウムの製造方法(以下、単に「製造方法」ともいう。)について説明する。図2は、実施形態に係るタングステン酸リチウムの製造方法の一例を示すフローチャートである。本製造方法により、上記した本実施形態のタングステン酸リチウムを簡単かつ効率的に製造することができる。
まず、少なくとも1種のタングステン化合物(以下、「タングステン源」ともいう。)、水酸化リチウムおよび水酸化リチウム水和物の少なくとも1種(以下、「リチウム源」ともいう。)、及び溶媒を混合し、タングステン-リチウム化合物を含む溶液を得る(ステップS1)。例えば、ステップS1では、タングステン源とリチウム源とを、溶媒に添加して混合し、タングステン-リチウム化合物の合成反応を行う。
続いて、図2のステップS2において、上記のステップS1で得られたタングステン-リチウム化合物を含む溶液を乾燥する。これにより、本実施形態のタングステン酸リチウムを得る。以下、ステップS2において、ステップS1で合成したタングステン-リチウム化合物を含む溶液を乾燥により結晶化させ、タングステン酸リチウムを得る例を説明する。
例えば、上記の乾燥は、実施形態に係るタングステン酸リチウムの製造装置を用いて容易に行うことができる。図3は、実施形態に係るタングステン酸リチウムの製造装置を示す概念図である。
以下、本実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極材料(以下、単に「正極材料」という。)について説明する。本実施形態に係る正極材料は、上記した実施形態に係るタングステン酸リチウムを含む。
(混合工程)
まず、上記の本実施形態のタングステン酸リチウムを、母材として用いるリチウムニッケル複合酸化物粉末及び水と混合し、リチウムニッケル複合酸化物粉末中にタングステン酸リチウムを分散させたタングステン酸リチウム混合物(以下、「LWO混合物」ともいう。)を得る。
次いで、上記の混合工程により得られたLWO混合物を、乾燥して、リチウムニッケル複合酸化物粉末の一次粒子表面にタングステン酸リチウムが付着した正極材料を得る。乾燥をすることにより、リチウムニッケル複合酸化物の一次粒子表面に、WおよびLiを含む化合物を有する非水系電解質二次電池用正極活物質が得られる。
本実施形態の非水系電解質二次電池(以下、「二次電池」ともいう。)は、上述の本実施形態に係る正極活物質を正極に用いる。以下、本実施形態の二次電池の一例について、構成要素ごとにそれぞれ説明する。本実施形態の二次電池は、正極、負極及び非水電解液を含み、一般のリチウムイオン二次電池と同様の構成要素から構成される。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、非水系電解質二次電池は、下記実施形態をはじめとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
上記の本実施形態に係る正極活物質を用いて、二次電池の正極を作製する。以下に正極の製造方法の一例を説明する。まず、上記の正極活物質(粉末状)、導電材および結着剤(バインダー)を混合し、さらに必要に応じて活性炭や、粘度調整などの目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製する。
負極は、金属リチウム、リチウム合金等を用いることができる。また、負極は、リチウムイオンを吸蔵・脱離できる負極活物質に結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合剤を、銅等の金属箔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したものを用いてもよい。
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、公知のものを用いることができ、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどの薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートおよびトリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフランおよびジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホンやブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチルやリン酸トリオクチルなどのリン化合物などから選ばれる1種を単独、又は2種以上を混合して用いることができる。
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本発明の非水系電解質二次電池は、円筒形や積層形など、種々の形状にすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リードなどを用いて接続し、電池ケースに密閉して、非水系電解質二次電池を完成させる。
タングステン酸リチウムの平均粒径はマイクロトラック・ベル社製粒度分布測定装置MT3300EXIIを用いて、レーザー回折散乱法における体積基準平均粒径D50を測定した。安息角はセイシン企業社製マルチテスターMT-1000を用いて注入法により測定した。水分率の測定は大気乾燥機内で、105℃で2hr乾燥させた前後の質量の差から算出した。また、PANalytical社製X線回折装置X’Pert PROにより、CuKα線を用いて粉末X線回折測定を行い、タングステン酸リチウムの結晶構造解析を行った。またブルカー製熱質量分析計TG-DTA2020SRを用いて、空気中、昇温速度20℃/minで1100℃まで昇温させた時の質量変化からタングステン酸リチウムの水和物と無水物の質量比率を無水物/(無水物+水和物)として求めた。
正極材料の電池特性評価は、図4に示す2032型コイン電池1(以下、コイン電池と称す)を作製し行った。図4に示すように、コイン電池1は、ケース2と、このケース2内に収容された電極3とから構成されている。ケース2は、中空かつ一端が開口された正極缶2aと、この正極缶2aの開口部に配置される負極缶2bとを有しており、負極缶2bを正極缶2aの開口部に配置すると、負極缶2bと正極缶2aとの間に電極3を収容する空間が形成されるように構成されている。電極3は、正極3a、セパレータ3cおよび負極3bとからなり、この順で並ぶように積層され、正極3aが正極缶2aの内面に接触し、負極3bが負極缶2bの内面に接するようにケース2に収容されている。
タングステン酸リチウムを混合する正極活物質には、ニッケル-コバルト-アルミニウム複合酸化物と水酸化リチウムを混合して焼成する公知技術で得られたリチウム金属複合酸化物粉末(組成式:Li1.06Ni0.76Co0.14Al0.10O2)を用いた。このリチウム金属複合酸化物粉末の平均粒径は11.0μm、その比表面積は0.9m2/gであった。なお、組成はICP法により分析し、平均粒径はレーザー回折散乱法における体積基準平均粒径D50を用い、比表面積は窒素ガス吸着BET法を用いて評価した。
実施例1と同様の方法でタングステン-リチウム化合物の水溶液を得た。水溶液を遠心噴霧式の噴霧乾燥機を用いて乾燥した。ノズルは直径65mmのピンディスクタイプ遠心噴霧ノズルを使用し回転数16000rpm、上記タングステン酸リチウム水溶液を流量20kg/hrで噴霧した。送液配管の装置入口からノズルまでの時間を約3秒になるように送液パイプ径を調整した。絶対湿度5g/kgの空気を風量を300Nm3/hr、乾燥機入り口の温度が150℃、乾燥機出口の温度が85℃になるように熱風温度を調整して乾燥させ、タングステン酸リチウム粉末を得た。なお、乾燥時間は、10分以内であった。実施例1と同様の方法でタングステン酸リチウムの物性評価と電池特性評価を行った。製造したタングステン酸リチウムは、粉末X線回折装置により得られた回折パターンが、報告されている菱面体結晶のLi2WO4のパターンとほぼ一致し、他のタングステン酸リチウムの回折ピークが確認されなかったことから、菱面体結晶のLi2WO4であることが確認された(図示せず)。
実施例1と同様の方法でタングステン-リチウム化合物の水溶液を得た。水溶液を円錐型ノズルタイプの噴霧乾燥機を用いて乾燥した。ノズルは2流体ノズルを使用し、上記タングステン酸リチウム水溶液を吐出圧力0.6MPa、流量80NL/minのノズルエアーと40ml/minの送液量で噴霧した。絶対湿度5g/kgの空気を温風風量60Nm3/hr、乾燥機入口の温度が150℃、乾燥機出口の温度が85℃になるように熱風温度を調整して乾燥させ、タングステン酸リチウム粉末を得た。なお、乾燥時間は、10分以内であった。実施例1と同様の方法でタングステン酸リチウムの物性評価と電池特性評価を行った。製造したタングステン酸リチウムは、粉末X線回折装置により得られた回折パターンが、報告されている菱面体結晶のLi2WO4のパターンとほぼ一致し、他のタングステン酸リチウムの回折ピークが確認されなかったことから、菱面体結晶のLi2WO4であることが確認された(図示せず)。
実施例1と同様の方法でタングステン-リチウム化合物の水溶液を得た。水溶液を回転ディスクタイプのプレート式乾燥機を用いて乾燥した。ノズルは扇型1流体ノズルを使用し、上記タングステン酸リチウム水溶液を250ml/minの送液量で130℃に加熱した2rpmで回転するディスク表面にスプレーすることによりディスク上で乾燥させた。ディスク上のタングステン酸リチウムをスクレーパーで掻き取ることによりタングステン酸リチウム粉末を得た。なお、乾燥時間は、10分以内であった。
6kgのイオン交換水を冷却ジャケット付きステンレス容器に入れ、水酸化リチウム一水和物2.17kgと酸化タングステン6.0kg(リチウムモル量:タングステンモル量=2:1となるように)とを投入した後、液温を75℃に保った状態で、100rpmで60分撹拌して酸化タングステンと水酸化リチウムを反応させ、タングステン-リチウム化合物の水溶液を得た。
実施例1と同様の方法でタングステン-リチウム化合物水溶液を得た。水溶液を遠心噴霧式の噴霧乾燥機を用いて乾燥した。ノズルは直径65mmのピンディスクタイプ遠心噴霧ノズルを使用し回転数16000rpm、上記タングステン-リチウム化合物水溶液を流量20kg/hrで噴霧した。温風風量を300Nm3/hr、乾燥機入り口の温度が120℃乾燥機出口の温度が75℃になるように熱風温度を調整して乾燥させ、タングステン酸リチウム粉末を得た。実施例1と同様の方法でタングステン酸リチウムの物性評価と電池特性評価を行った。製造したタングステン酸リチウムは、粉末X線回折装置により得られた回折パターンが、報告されている菱面体結晶Li2WO4の回折パターンと、立方晶の(Li2WO4)7(H2O)4の回折パターンの混合パターンであったことから、菱面体結晶のLi2WO4と立方晶の(Li2WO4)7(H2O)4との混合物あることが確認された(図示せず)。
リチウムモル量がタングステンモル量の2倍になるように、酸化タングステン100gと、水酸化リチウム一水和物LiOH・H2O36.2gとをシェーカーミキサー装置(ウィリー・エ・バッコーフェン(WAB)社製TURBULA TypeT2C)入れた後、1gの水を添加したのち十分に混合して、酸化タングステンと水酸化リチウムを反応させ、タングステン酸リチウムのペーストを得た。上記タングステン酸リチウムを、大気乾燥機を用いて80℃で12hかけて乾燥させたのち、ハンマーミルを用いて粉砕することによりタングステン酸リチウム粉末を得た。実施例1と同様の方法でタングステン酸リチウムの物性評価と電池評価を行った。製造したタングステン酸リチウムは、粉末X線回折装置により得られた回折パターンが、報告されている立方晶の(Li2WO4)7(H2O)4の回折パターンの混合パターンであったことから立方晶の(Li2WO4)7(H2O)4であることが確認された(図示せず)。
実施例1のリチウム金属複合酸化物粉末(組成式:Li1.06Ni0.76Co0.14Al0.10O2)を正極活物質として、タングステン酸リチウムを混合せずに実施例1と同様にコイン電池を作製し、電池特性評価を行った。
実施例3で作製したタングステン酸リチウムを、150Meshステンレス篩で篩別し、篩上を用いるタングステン酸リチウム粉末とした。得られたタングステン酸リチウムの平均粒径は105μmであった。実施例1~4と同様の方法でタングステン酸リチウムの物性評価と電池特性評価を行った。
実施例3で作製したタングステン酸リチウムを、ジェットミルで粉砕して、タングステン酸リチウム粉末を得た。得られたタングステン酸リチウムの平均粒径は4μmであった。実施例1~4と同様の方法でタングステン酸リチウムの物性評価と電池特性評価を行った。
実施例1と同様の方法でタングステン-リチウム化合物水溶液を得た。水溶液を遠心噴霧式の噴霧乾燥機を用いて乾燥した。ノズルは直径65mmのピンディスクタイプ遠心噴霧ノズルを使用し回転数16000rpm、上記タングステン-リチウム化合物水溶液を流量20kg/hrで噴霧した。温風風量を300Nm3/hr、乾燥機入り口の温度が120℃乾燥機出口の温度が60℃になるように熱風温度を調整して乾燥させ、タングステン酸リチウム粉末を得た。実施例1と同様の方法でタングステン酸リチウムの物性評価と電池特性評価を行った。製造したタングステン酸リチウムは、粉末X線回折装置により得られた回折パターンが、報告されている菱面体結晶Li2WO4の回折パターンと、立方晶の(Li2WO4)7(H2O)4の回折パターンの混合パターンであったことから、菱面体結晶のLi2WO4と立方晶の(Li2WO4)7(H2O)4との混合物あることが確認された(図6参照)。
2…ケース
2a…正極缶
2b…負極缶
2c…ガスケット
3…電極
3a…正極
3b…負極
3c…セパレータ
AP…タングステン酸リチウム製造装置
L…タングステン-リチウム化合物を含む溶液
M…媒体(気体)
10…噴霧部
11…加熱部
12…回収部
13…加熱装置
Claims (15)
- 一般式:LiaWOb・(H2O)n(0.4≦a≦6、3≦b≦6、0≦n≦4)で表され、レーザー回折散乱法における体積基準の平均粒径D50が5μm以上100μm以下であり、安息角が30°以上60°以下である、非水系電解質二次電池用正極材料に用いられる、タングステン酸リチウムであって、
無水物と水和物の混合物または無水物であり、前記無水物の質量と前記水和物の質量の合計に対する、前記無水物の質量の比率(無水物/(無水物+水和物))が0.75以上1.0以下である、タングステン酸リチウム。 - 粉末X線回折装置によりCuKα線を用いてX線回折測定をした時、前記無水物の最大回折ピーク強度が、前記水和物の最大回折ピーク強度の3倍以上である、請求項1に記載のタングステン酸リチウム。
- 前記無水物が化学式:Li2WO4で表される、請求項1または請求項2に記載のタングステン酸リチウム。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のタングステン酸リチウムの製造方法であって、
少なくとも1種のタングステン化合物と、水酸化リチウムおよび水酸化リチウム水和物の少なくとも1種と、溶媒とを混合し、タングステン-リチウム化合物を含む溶液を得ることと、得られたタングステン-リチウム化合物を含む溶液を乾燥することと、を含む、タングステン酸リチウムの製造方法。 - 前記溶媒は、前記タングステン化合物の質量と酸化リチウムおよび水酸化リチウム水和物の少なくとも1種の質量との合計に対する、前記溶媒の質量の比率が0.7以上である、請求項4に記載のタングステン酸リチウムの製造方法。
- 前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液を得る際、前記溶媒及び前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液は、前記混合中から前記乾燥の前まで、温度が25℃以上60℃以下に制御される、請求項4または請求項5に記載のタングステン酸リチウムの製造方法。
- 前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液を乾燥する際、乾燥温度を80℃以上とし、乾燥時間10分以内に水分率1.5%以下に乾燥することを含む、請求項4から請求項6のいずれか一項に記載のタングステン酸リチウムの製造方法。
- 前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液を乾燥する際、前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液を加熱した媒体に接触させて乾燥させる、請求項4から請求項7のいずれか一項に記載に記載のタングステン酸リチウムの製造方法。
- 前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液を乾燥する際、前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液を噴霧乾燥により乾燥させることを含む、請求項4から請求項8のいずれか一項に記載のタングステン酸リチウムの製造方法。
- 前記タングステン化合物は、酸化タングステンおよびタングステン酸、タングステン酸塩の少なくとも1種である、請求項4から請求項9のいずれか一項に記載のタングステン酸リチウムの製造方法。
- 前記溶媒は水である、請求項4から請求項10のいずれか一項に記載のタングステン酸リチウムの製造方法。
- 請求項4に記載のタングステン-リチウム化合物を含む溶液の乾燥に用いる装置であって、
前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液を噴霧する噴霧部と、
前記噴霧部により噴霧された前記タングステン-リチウム化合物の溶液を乾燥する加熱部と、を備える、タングステン酸リチウムの製造装置。 - 前記加熱部は、前記噴霧部により噴霧された前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液が接触し乾燥する媒体を備え、前記噴霧部により噴霧された前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液が接触した状態において前記媒体を80度以上に保持し、且つ前記タングステン-リチウム化合物を含む溶液を、前記媒体に接触してから10分以内に1.5%以下にする、請求項12に記載のタングステン酸リチウムの製造装置。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のタングステン酸リチウムを含む、非水系電解質二次電池用正極材料。
- 請求項14に記載の非水系電解質二次電池用正極活材料を含む、非水系電解質二次電池。
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荒川 正文,粒度測定入門,粉体工学会誌,日本,1980年06月10日,Vol.17, No.6,pp. 299-307 |
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