KR101061664B1 - 2차 전지용 양극 재료의 제조방법, 및 2차 전지 - Google Patents

2차 전지용 양극 재료의 제조방법, 및 2차 전지 Download PDF

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미쯔이 죠센 가부시키가이샤
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Abstract

용액 중에서 인산 이온을 유리하는 화합물(인산 H3PO4, 오산화인 PO5, 인산이수소암모늄 NH4H2PO4 등), 물 및 금속 철을 혼합한 후, 탄산리튬, 수산화리튬 또는 그의 수화물을 첨가하고, 생긴 반응 생성물을 소성하여 LiFePO4를 합성하는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 재료의 제조방법이 개시되어 있다.

Description

2차 전지용 양극 재료의 제조방법, 및 2차 전지{METHOD FOR PREPARING POSITIVE ELECTRODE MATERIAL FOR SECONDARY CELL AND SECONDARY CELL}
본 발명은 2차 전지용 양극 (cathode) 재료의 제조방법 및 그 양극 재료를 갖는 2차 전지에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본 발명은 예컨대 리튬이나 그 화합물을 활성 물질로 하는 금속 리튬 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 대표되는 2차 전지용의 양극 재료 LiFePO4의 제조방법, 및 상기 방법에 의해 제조되는 양극 재료를 갖는 2차 전지에 관한 것이다.
금속 리튬 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등의 2차 전지에서 양극 재료로 되는 올리빈형(olivin-type)(Pnma)의 결정 구조를 갖는 LiFePO4는, 방전 또는 충전 과정 동안 리튬의 도핑/탈도핑을 수반하는 형태로 전극 산화환원 반응이 진행한다. 이러한 2차 전지는 대용량 전지로서 최근 각광을 받고 있다.
종래에, 상기 양극 재료 LiFePO4를 합성하는 방법으로서는, (1) 인산제1철 8수화물[Fe3(PO4)2·8H2O], 인산수소암모늄[(NH4)2HPO4] 및 탄산리튬(LiCO3)을 소정비 로 혼합하여 소성하는 방법(예컨대, 일본 특허 공개 제1997-171827호 공보); (2) 철원으로서의 옥살산철(FeC2O4)을 인산수소암모늄(NH4H2PO4) 및 탄산리튬(LiCO3)과 소정비로 혼합하는 방법(일본 특허 공개 제2000-294238호 공보); (3) Fe3(PO4)2·8H2O와 Li3PO4의 혼합물에 탄소 재료를 첨가하고, 1012 ppm(부피) 이하의 산소를 함유하는 분위기 중에서 소성하는 방법(예컨대, 일본 특허 공개 제2002-110163호 공보) 등이 제안되었다.
또한, (4) LiFePO4의 제조에 있어서, 원료로 되는 Fe3(PO4)2·8H2O와 Li3PO4를 열분해에 의해 탄소를 석출하는 유기물(고분자, 모노머, 저분자 등)과 공존시키고, 소성하여 열분해하는 방법도 제안되었다(일본 특허 공개 제2001-15111호 공보).
그러나, 상기 (1) 내지 (4)의 방법에서 사용된 출발 물질은 모두 2차적인 화합물이며, 비싸고 입수가 곤란하다는 문제가 있었다. 예컨대, Li3PO4는 비교적 고가이며, 옥살산철(FeC2O4)도 비교적 비싸기 때문에 양극 재료의 제조 비용을 상승시키는 요인으로 되었다. 다른 철 원료인 Fe3(PO4)2·8H2O는, 예컨대 Na2HPO4 및 Fe(II)SO4·7H2O로부터 합성가능하지만, 수화수가 안정하지 않은 수화물이기 때문에 화학량론적인 투입의 제어가 어렵고, 또한, 그 합성 과정에서는, Fe3(PO4)2·8H2O가 침전으로서 얻어지기 때문에, 나트륨 이온 등을 제거하기 위해서는, 여과 등의 번잡한 조작이 필요해진다. 그러나, 완전히 나트륨 이온 등을 제거하는 것은 곤란하 며, 불순물 혼입의 요인이 된다. 또한, 여과를 완전히 하여, 소성 전구체의 순도를 올리기 위해서는, 침전으로서 얻어지는 Fe3(PO4)2·8H2O의 결정을 대입경(예컨대, 1O μm 정도 이상)에 도달할 때까지 충분히 성장시키는 것이 바람직하지만, 일반적으로 대입경의 Fe3(PO4)2·8H2O와 Li3PO4의 혼합물을 소성하여 얻어지는 LiFePO4는 조립(粗粒)으로 되어, 양극 재료로서의 활성이 낮게 되는 문제가 있다.
이와 같이, 종래 제안되어 온 LiFePO4의 제조 기술은, 불순물이 혼입하거나, 번잡한 처리 조작이 필요하게 되는 등의 문제점을 갖는데다가, 두 방법 모두 금속 철과 같이 저렴하고 입수가 용이한 1차 원료를 사용할 수 없기 때문에, 필연적으로 원가가 높아져, 공업적 규모에서의 LiFePO4의 제조에 있어서는 만족스러운 방법이 아니었다.
따라서, 본 발명은 2차 전지용 양극 재료 LiFePO4를 입수가 용이하고 저렴한 1차 원료로부터 확실히 합성할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
발명의 요약
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제 1 태양에 따른 2차 전지용 양극 재료의 제조방법은, 용액 중에서 인산 이온을 유리하는 화합물, 물 및 금속 철을 혼합하여 상기 금속 철을 용해시킨 후, 탄산리튬, 수산화리튬 또는 수산화리튬의 수화물을 첨가하고, 생긴 반응 생성물을 소성하여 LiFePO4를 합성하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양에 의하면, 저렴하고 입수가 용이한 1차 원료인 금속 철, 및 마찬가지로 저렴하고 입수용이한 인산이나 수산화리튬 등으로부터 직접, 2차 전지용의 양극 재료(즉, 양극 활성 물질로서의 LiFePO4)를 제조할 수 있다. 더구나, 제조 과정에서 침전물의 여과 등의 번잡한 처리 조작을 필요로 하지 않고, 화학량론비의 원료 혼합물로부터 직접적으로 미소 입경의 소성 전구체가 얻어진다. 따라서, 본 발명의 제조방법은, 공업적인 규모에서의 2차 전지용 양극 재료의 제조에 있어서 충분히 이용가능한 실용성이 높은 제조 기술이다.
본 발명의 제 2 태양에 따른 2차 전지용 양극 재료의 제조방법은, 제 1 태양에 있어서, 상기 소성 과정이 상온으로부터 300℃ 내지 450℃에 이르는 제 1 단계, 및 상온으로부터 소성 완료 온도에 이르는 제 2 단계를 포함하고, 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질을 제 1 단계의 소성후의 원료에 첨가한 후, 제 2 단계의 소성을 하는 것을 특징으로 한다.
이 제 2 태양에 의하면, 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질을 제 1 단계의 소성후의 원료에 첨가하여 제 2 단계의 소성을 하는 것에 의해, 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질이 소성중에 원료의 분해에 의해 생성되는 가스(주로 수증기)에 의해 발포되는 것을 막을 수 있다. 그 결과, 융해 상태에 있는 상기 물질이 보다 균일하게 LiFePO4의 표면에 용융 상태로 퍼져, 보다 균일하게 열분해 탄소를 석출시킬 수 있다. 이것 때문에, 얻어지는 양극 재료의 표면 전도성이 더욱 양호하게 되고, 접촉이 강고하게 안정화된다.
본 발명의 제 3 태양에 따른 2차 전지용 양극 재료의 제조방법은, 제 2 태양에 있어서, 도전성 탄소를 제 1 단계의 소성 전의 원료에 첨가하여 소성을 하는 것을 특징으로 한다.
이 제 3 태양에 의하면, 제 2 태양과 같은 작용 효과에 더하여, 추가로 도전성 탄소를 제 1 단계의 소성 전의 원료에 첨가하여 소성을 하는 것에 의해, 가열 반응하는 원료와 상기 도전성 탄소와의 접촉 시간을 길게 취할 수 있게 되어, 그동안에 반응에 의해서 생기는 LiFePO4의 구성 원소의 확산에 의해 상기 탄소의 입계에 LiFePO4가 들어가, 보다 균일하고 안정한 탄소-LiFePO4 복합체를 형성하면서 LiFePO4 입자끼리의 소결을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 제 4 태양에 따른 2차 전지용 양극 재료의 제조방법은, 제 1 태양에 있어서, 상기 소성 과정이, 상온으로부터 300℃ 내지 450℃에 이르는 제 1 단계, 및 상온으로부터 소성 완료 온도에 이르는 제 2 단계를 포함하고, 도전성 탄소를 제 1 단계의 소성 전의 원료에 첨가하여 소성을 하는 것을 특징으로 한다.
이 제 4 태양에 의하면, LiFePO4의 1차 입자의 결정 성장을 억제하여, 얻어지는 LiFePO4의 결정 입자를 세립화할 수 있다. 즉, 도전성 탄소를 제 1 단계의 소성 전의 원료에 첨가하여 소성을 하는 것에 의해, 가열 반응하는 원료와 도전성 탄소와의 접촉 시간을 길게 취할 수 있어, 그동안에 반응에 의해서 생기는 LiFePO4의 구성 원소의 확산에 의해 도전성 탄소의 입계에 LiFePO4가 들어가, 보다 균일하고 안정한 탄소-LiFePO4 복합체를 형성시킬 수 있다.
본 발명의 제 5 태양에 따른 2차 전지용 양극 재료의 제조방법은, 제 2 또는 제 3 태양에 있어서, 상기 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질이 역청(bitumen)류인 것을 특징으로 한다. 역청류는 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시켜 양극 재료에 전도성을 부여할 수 있다.
본 발명의 제 6 태양에 따른 2차 전지용 양극 재료의 제조방법은, 제 5 태양에 있어서, 상기 역청류가, 연화 온도가 80℃ 내지 350℃의 범위에 있고, 열분해에 의한 감량 개시 온도가 350℃ 내지 450℃의 범위에 있으며, 500℃ 내지 800℃의 열분해·소성에 의해 도전성 탄소를 석출할 수 있는 석탄 피치인 것을 특징으로 한다. 이러한 성질을 갖는 석탄 피치는 매우 염가이면서, 소성 중에 융해하여 소성 중의 원료 입자의 표면에 균일하게 퍼져, 열분해후 높은 전도성을 발현하는 탄소 석출물로 되기 때문에, 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질로서 우수한 성질을 갖는 물질이다.
본 발명의 제 7 태양에 따른 2차 전지용 양극 재료의 제조방법은, 제 2 태양 또는 제 3 태양에 있어서, 상기 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질이 당류인 것을 특징으로 한다. 당류를 이용하는 것에 의해, 보다 우수한 결정 성장 억제 효과와 전도성 부여 효과를 동시에 얻을 수 있다. 당류는 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시켜 양극 재료에 전도성을 부여할 뿐만 아니라, 당류에 함 유된 많은 하이드록실기가 원료 및 발생한 LiFePO4 입자 표면에서 강하게 상호작용함으로써 결정 성장 억제 작용도 더불어 가진다고 추측되기 때문이다.
본 발명의 제 8 태양에 따른 2차 전지용 양극 재료의 제조방법은, 제 7 태양에 있어서, 상기 당류가 250℃ 이상 500℃ 미만의 온도 범위에서 분해를 일으키고, 150℃에서 분해까지의 승온 과정에서 한번은 적어도 부분적으로 융액 상태를 취하며, 500℃ 이상 800℃ 이하까지의 열분해·소성에 의해 도전성 탄소를 생성하는 당류인 것을 특징으로 한다. 이러한 특정한 성질을 갖는 당류는, 융해에 의해 가열 반응중인 LiFePO4 입자의 표면에 바람직하게 코팅되어, 열분해후 생긴 LiFePO4 입자 표면에 도전성 탄소를 양호하게 석출시킨다. 또한, 이 과정에서 상기한 바와 같이 결정 성장을 억제한다. 이것 때문에, 상기 특정한 성질의 당류는, 특히 우수한 결정 성장 억제 효과와 전도성 부여 효과를 제공한다.
본 발명의 제 9 태양에 따른 2차 전지용 양극 재료의 제조방법은, 제 1 내지 제 8 태양 중 어느 하나에 있어서, 수소, 물 및 수증기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을, 적어도 상기 소성 과정 동안 500℃ 이상의 온도에서 첨가하는 것을 특징으로 한다.
이 특징에 의하면, 양극 재료 LiFePO4의 1차 입자의 결정 성장을 억제하여, 얻어지는 양극 재료의 결정 입자를 세립화할 수 있다.
또한, 상온으로부터 300℃ 내지 450℃에 이르는 제 1 단계, 및 상온으로부터 소성 완료 온도에 이르는 제 2 단계를 포함하는 소성 과정에서, 제 1 단계의 소성 후의 원료에 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질을 첨가한 후, 제 2 단계의 소성을 하되, 적어도 500℃ 이상의 온도 범위에서 수소 및/또는 수분(물 또는 수증기)을 첨가하는 경우에는, 제 2 태양의 효과에 더하여, 생기는 LiFePO4의 1차 입자를 효율적으로 세립화시켜, 더욱 균일하고 또한 안정되게 도전성 탄소를 LiFePO4 입자상에 석출시켜 높은 양극 성능을 얻을 수 있다. 이 과정에서, 수소(수분으로부터 생기는 수소를 포함한다)가 가열에 의해 융해·열분해하는 도전성 탄소 전구 물질에 접촉하면, 아마도 수소 부가 반응에 의해 상기 물질의 융액 점성을 저하시키기 때문에, 더욱 양호한 탄소 석출 상태를 실현할 수 있다.
또한, 상온으로부터 300℃ 내지 450℃에 이르는 제 1 단계, 및 상온으로부터 소성 완료 온도에 이르는 제 2 단계를 포함하는 소성 과정에서, 도전성 탄소를 제 1 단계의 소성 전의 원료에 첨가하여 소성을 하고, 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질을 제 1 단계의 소성후의 원료에 첨가한 후, 제 2 단계의 소성을 하되, 적어도 500℃ 이상의 온도 범위에서 수소 및/또는 수분(물 또는 수증기)을 첨가하는 경우에도, 제 3 태양의 효과에 더하여, 생기는 LiFePO4의 1차 입자를 효율적으로 세립화시키고, 더욱 균일하고 또한 안정되게 도전성 탄소를 LiFePO4 입자상에 석출시켜 보다 높은 양극 성능을 얻을 수 있다.
또한, 상온으로부터 300℃ 내지 450℃에 이르는 제 1 단계, 및 상온으로부터 소성 완료 온도에 이르는 제 2 단계를 포함하는 소성 과정에서, 도전성 탄소를 제 1 단계의 소성 전의 원료에 첨가하여 소성을 하고, 적어도 제 2 단계의 소성 동안 500℃ 이상의 온도에서 수소 및/또는 수분(물 또는 수증기)을 첨가하는 경우에는, 제 4 태양의 효과에 더하여, 생기는 LiFePO4의 1차 입자를 효율적으로 세립화시키는 것이 가능하다.
또한, 제 9 태양에 의하면, 원료의 소성이 불충분하여 최종 제품에까지 화학변화하지 않거나, 중간 생성물이 잔류할 우려가 없이, 소성에 의해서 원하는 양극 재료를 원료로부터 확실히 합성할 수 있다. 수소 및/또는 수분은, 강한 결정 성장 억제 작용, 및 열분해에 의해 도전성 탄소를 석출하는 물질의 LiFePO4로의 부착 상태를 개선하는 강한 작용을 가짐과 동시에, 취급이 용이하고, 더구나 저렴하기 때문에 효율적이다. 또한, 상기 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질이 역청류이고, 특히 연화 온도가 80℃ 내지 350℃의 범위에 있고, 열분해에 의한 감량 개시 온도가 350℃ 내지 450℃의 범위에 있으며, 500℃ 내지 800℃의 열분해·소성에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 석탄 피치인 경우에는, 이러한 석탄 피치가 제 2 단계의 소성 중에 가열에 의해 융해·열분해하는 과정에서, 적어도 500℃ 이상의 온도에서 수소 및/수분(물 또는 수증기)에 접촉하게 되기 때문에, 얻어지는 LiFePO4 입자상에 석출하는 도전성 탄소의 석출 상태가 양극 성능상 더욱 양호한 상태로 개선된다.
또한, 상기 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질이 당류이고, 특히 250℃ 이상 500℃ 미만의 온도 범위에서 분해를 일으키고 150℃에서 분해까지의 승온 과정에서 한번은 적어도 부분적으로 융액 상태를 취하며, 500℃ 이상 800℃ 이하까지의 열분해·소성에 의해서 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 당류(예컨대 덱스트린 등)인 경우에도, 이러한 당류가, 제 2 단계의 소성중에 가열에 의해 융해·열분해하는 과정에서, 적어도 500℃ 이상의 온도에서 수소 및/수분(물 또는 수증기)에 접촉하게 되기 때문에, 얻어지는 LiFePO4 입자상에 석출하는 도전성 탄소의 석출 상태가 양극 성능상 더욱 양호한 상태로 개선된다.
또, 본 발명에 있어서, 기체인 수소나 수증기를 "첨가"하는 것에는, 수소 등의 가스의 존재하(즉, 수소 분위기하 등)에서 원료의 소성을 수행하는 것이 포함된다. 또한, 이상에 있어서, 소성 중에 첨가하는 수소로서는, 1차 원료인 금속 철과 용액 중에서 인산 이온을 유리하는 화합물(인산, 오산화인, 인산이수소암모늄 등)을 반응시켰을 때에 부생성되는 수소를 이용할 수도 있다.
본 발명의 제 10 태양에 따른 2차 전지는, 제 1 내지 제 9 중 어느 하나의 방법에 의해 제조된 2차 전지용 양극 재료 LiFePO4를 구성 요소로 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 방법에 의해서 제조된 양극 재료 LiFePO4를 이용한 2차 전지는, 실용 레벨의 전압 효율과 유효 전지 방전 용량을 갖는 2차 전지이다.
도 1은 2차 전지의 충방전 거동의 설명을 제공하는 모식도로서, 부호 10은 음극, 부호 20은 전해질, 부호 30은 양극, 부호 40은 외부 회로, 부호 C는 충전시, 부호 D는 방전시를 나타낸다.
도 2는 실시예 1의 1차 반응 생성물의 X선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 실시예 1의 가(假)소성후 중간체의 X선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 1의 양극 재료의 X선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 실시예 1에서 얻은 코인형 2차 전지의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 2의 가소성후 중간체의 X선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 2의 양극 재료의 X선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예 2에서 얻은 코인형 2차 전지의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예 3의 양극 재료의 X선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 3에서 얻은 코인형 2차 전지의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예 4의 양극 재료의 X선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예 4에서 얻은 코인형 2차 전지의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예 5의 양극 재료의 X선 회절 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 실시예 5에서 얻은 코인형 2차 전지의 충방전 특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 2차 전지용 양극 재료의 제조방법은, 용액속에서 인산 이온을 유리하는 화합물, 물 및 금속 철을 혼합하여 금속 철을 용해시킨 후, 탄산리튬, 수산화리튬 또는 그 수화물을 첨가하고, 생긴 반응생성물을 소성함으로써 실시된다.
본 발명에 있어서의 2차 전지용 양극 재료는, 예컨대 리튬 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등의 리튬계 2차 전지의 양극 재료로서 바람직하게 사용할 수 있다. 또, 본 발명에 있어서 "LiFePO4"와 대략 같은 뜻으로 사용되는 "양극 재료"란 용어는 LiFePO4 그 자체를 의미하는 것 외에, LiFePO4 입자의 표면에 도전성 탄소가 석출한 상태나, LiFePO4 입자와 도전성 탄소가 혼합된 상태도 포함하는 의미로 사용하는 경우가 있다.
LiFePO4는 결정 골격 구조[사방정 Pnma(올리빈형)]가 전기화학적 산화 환원에 의해 거의 변화하지 않기 때문에, 반복하여 충방전이 가능한 알카리 금속계 2차 전지용의 양극 재료로서 이용할 수 있다. 양극 재료로서는, 이들 물질 그대로의 상태는 방전 상태에 상당하고, 전해질과의 계면에서의 전기화학적 산화에 의해 알칼리 금속 Li의 탈도핑을 수반하면서 중심 금속 원소 Fe가 산화되어, 충전 상태가 된다. 충전 상태로부터 전기화학적 환원을 받으면, 알칼리 금속 Li의 재도핑을 수반하면서 중심 금속 원소 Fe가 환원되어 원래의 방전 상태로 되돌아간다.
양극 재료의 원료로서는, 용액 속에서 인산 이온을 유리하는 화합물, 금속 철, 리튬원이 되는 화합물 및 물이 사용된다. 이들의 원료중의 인: 철: 리튬의 몰비를 1:1:1이 되도록 조정함으로써 소성 과정에서의 불순물의 생성과 양극 재료에의 혼입을 극력 억제할 수 있다.
상기 용액속에서 인산 이온을 유리하는 화합물로서는, 예컨대 인산 H3PO4, 오산화인 P2O5, 인산이수소암모늄 NH4H2PO4, 인산수소이암모늄 (NH4)2HPO4 등을 이용할 수 있다. 이들 중에서도 철을 용해하는 단계에서 비교적 강한 산성하에 유지할 수 있는 것으로서, 인산, 오산화인, 인산이수소암모늄이 바람직하다. 이들에는 시판의 시약을 이용할 수 있지만, 원료로서 인산을 이용하는 경우에는, 화학량론적으로 엄밀을 기하기 위해 미리 적정에 의해 순도를 정확하게 구하고 인자를 산출해 두는 것이 바람직하다.
리튬원으로 되는 화합물로서는, 소성후에 Li만을 목적하는 양극 재료중에 잔류하도록 하는 화합물(Li 함유 분해 휘발성 화합물)을 선택하는 것이 바람직하고, 예컨대 수산화리튬 LiOH 등의 수산화물, 탄산리튬 Li2CO3 등의 탄산염 외에, Li의 유기산염 등도 Li 함유 분해 휘발성 화합물로서 사용할 수 있다. 또, 이들의 수화물을 이용하는 것도 가능하다(예컨대, LiOH·H2O 등).
또한, Fe 도입용의 원료로서는, 저렴하고 입수가 용이한 1차 원료인 금속 철을 이용할 수 있다. 금속 철은, 200μm이하, 바람직하게는 100μm 이하 입경의 것을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 원료의 혼합에 있어서는, 우선 인산 등의 용액 중에서 인산 이온을 유리하는 화합물, 금속 철 및 물을 혼합하여, 금속 철을 충분히 용해시켜 반응시킨다. 금속 철을 용해시키기 위한 조작으로서, 예컨대, 그라인딩 및/또는 가열(환류 등)을 할 수 있다.
그라인딩 조작은 용액중의 금속 철에 전단력을 가하여 표면을 갱신시키는 것에 의해 금속 철을 용해시킬 목적으로 수행하는 것이며, 이것에 의해 양극 재료의 수율을 향상시킬 수 있다. 그라인딩은 자동 그라인더, 볼 밀, 비드 밀 등을 이용하여, 그라인딩 장치의 효율에도 좌우되지만, 예컨대 30분으로부터 10시간 정도의 시간을 들여 하는 것이 바람직하다. 또한, 완전히 용해 반응을 진행시키기 위해서는, 초음파 조사를 하는 것도 효과가 있다.
또한, 가열 조작에 의해 금속 철의 환원 용해 반응이 촉진되기 때문에, 양극 재료의 수율을 향상시킬 수 있다. 가열은, 철의 산화를 회피하기 위해 예컨대 불활성 가스중에서의 환류 등에 의해 실시하는 것이 바람직하다. 환류에서는 비교적 대형화가 곤란한 기계적 미분쇄 조작이 불필요하게 되기 때문에, 대량 생산을 하는 데에 있어서 특히 유리하다고 생각된다.
또한, 금속 철을 용해시키는 경우에, 옥살산이나 염산 등의 휘발성의 산을 첨가하여 산 농도를 높이거나, 또는 산소, 과산화수소, 할로겐(브롬, 염소 등) 또는 차아염소산, 표백분 등의 할로겐 산화물 등의 휘발성의 산화제를 공존시킬 수 있다. 또한, 산화능과 산성을 겸비한 휘발성산인 질산을 첨가하는 것도 효과가 있다. 이들은, 금속 철로부터 철(II) 이온으로의 산화에 요구되는 양과 같거나 그보다 적은 양으로 작용시키는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 금속 철의 인산 등의 용액에의 용해 반응을 촉진시키는 것이 가능해지는 한편, 이들 휘발성산, 산화제 등은 소성 과정에서 제거되기 때문에 양극 재료중에는 잔존하지 않는다.
또한, 산 첨가에 의한 소성 전구체 합성 반응시에, 초음파 조사를 하는 것에 의해 반응을 촉진시킬 수 있다. 이것은 반응 진행에 따라 금속 철 표면에 생기는 반응 생성물의 국소 박리를 초음파 조사가 촉진하기 때문이라고 생각된다. 또, 자동 그라인더나 유성 볼 밀에 비하여 미분쇄 효과가 높은 비드 밀형 합성 장치를 이용하는 것에 의해 같은 효과가 기대된다.
다음으로 철을 용해시킨 용액에 리튬원으로서의 수산화리튬 등을 첨가한다. 리튬원을 첨가한 후에도, 필요에 따라 추가로 분쇄, 그라인딩을 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 원료로서, 철과 인산과 수산화리튬 수화물을 이용한 경우의 반응 과정은 이하와 같다고 생각된다.
소성전 반응 과정의 반응(수용액중 반응):
Fe+ 2/3H3PO4+ 8/3H2O -→ 1/3Fe3(PO4)2·8H2O+ H2 ↑
1/3H3PO4+ LiOH·H2O -→ 1/3Li3PO4+ 2H2O
이 소성전 반응 과정에서 발생하는 수소 가스는 회수해 두고, 후술하는 소성시의 소정 온도 범위에서 첨가할 수 있다. 상기 반응에 있어서, 1차 반응 생성물로 되는 Fe3(PO4)2와 Li3PO4를 소성함으로써 다음 반응에 따라서 LiFePO4로 변화된다.
소성 과정의 반응:
1/3Fe3(PO4)2·8H2O+ 1/3Li3PO4 -→ LiFePO4 + 8/3H2O ↑
소성은, 일반적으로 채용되는 바와 같은 300 내지 900℃에 이르는 소성 과정에서, 적절한 온도 범위 및 시간을 선택하여 실시할 수 있다. 또한, 소성은, 산화형태 불순물의 생성 방지나, 잔존하는 산화형태 불순물의 환원을 재촉하기 때문에, 산소 가스 부재하(즉, 예컨대 아르곤, 질소, 헬륨 등의 불활성 가스 분위기 중)에서 하는 것이 바람직하다.
또, 원료에 산(예컨대 옥살산, 염산 등)을 첨가한 경우, 소성전 반응 과정의 반응(수용액중 반응)은 상기와는 다른 경로를 취한다. 즉, 산 첨가에 의해서 수득된 소성 전구체 속에서는, 이들을 첨가하지 않는 경우와 다른 생성물(예컨대 옥살산 첨가의 경우는 옥살산 제1철 2수화물과 인산리튬, 염산 첨가의 경우는 염화제1철 4수화물과 염화리튬)이 생긴다. 2자리 리간드로 되는 옥살산의 경우는, 착체 안정도가 높은 것, 또한, 염산의 경우는 인산보다 강한 산인 것이, 각각의 소성 전구체중의 생성 화학종을 변화시키는 요인이라고 생각된다. 또한, 이들의 산 첨가에 의해서 소성 전구체중에 잔류하는 금속 철의 양을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서는, 도전성 탄소나 도전성 탄소 전구 물질(열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질)을 첨가하여 소성을 할 수 있다.
도전성 탄소로서는, 예컨대, 흑연질 탄소, 무정형 탄소 등을 들 수 있다. 여기서, 흑연질 탄소나 무정형 탄소에는, 이른바, 유연(油煙), 카본블랙 등도 포함된다.
또한, 도전성 탄소 전구 물질으로서는, 예컨대 역청류(이른바 아스팔트; 석탄이나 석유 슬러지로부터 얻어지는 피치류를 포함함), 당류, 스타이렌-다이비닐 벤젠 공중합체, ABS 수지, 페놀 수지, 기타 방향족기를 갖는 가교 고분자 등을 들 수 있다. 이들 중에서도, 역청류(특히, 정제된, 이른바 석탄 피치) 및 당류가 바람직하다. 이들 역청류나 당류는 열분해에 의해서 도전성 탄소를 발생시켜 양극 재료에 전도성을 부여한다. 특히, 정제된 석탄 피치는 매우 염가이고, 소성중에 융해하여 소성중의 원료 입자의 표면에 균일하게 퍼지며, 열분해 과정을 지나서 비교적 저온(650℃ 내지 800℃)에서의 소성후, 높은 전도성을 발현하는 탄소 석출물로 된다. 또한, 당류의 경우는, 당류에 포함되는 많은 하이드록실기가 원료 및 생긴 LiFePO4 입자 표면에서 강하게 상호작용함으로써 결정 성장 억제 작용도 더불어 가지기 때문에, 당류를 이용하는 것에 의해 더욱 우수한 결정 성장 억제 효과와 전도성 부여 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
특히, 정제 석탄 피치로서는, 연화 온도가 80℃ 내지 350℃의 범위 내에 있고, 열분해에 의한 감량 개시 온도가 350℃ 내지 450℃의 범위 내에 있고, 500℃ 이상 800℃ 이하까지의 열분해·소성에 의해 도전성 탄소를 생성하는 것이 바람직하게 사용된다. 양극 성능을 더욱 높이기 위해서는, 연화 온도가 200℃ 내지 300℃의 범위 내에 있는 정제 석탄 피치가 더 바람직하다. 또한, 정제 석탄 피치의 함유 불순물로서는, 양극 성능에 악영향을 주는 일이 없는 것이 좋은 것은 말할 필요도 없지만, 특별히 회분이 5000 ppm 이하인 것이 바람직하다.
또한, 당류로서는, 250℃ 이상 500℃ 미만의 온도 범위에서 분해를 일으키고, 150℃에서 상기 온도 범위까지의 승온 과정에서 한번은 적어도 부분적으로 융액 상태를 취하고, 추가로 500℃ 이상 800℃ 이하까지의 열분해·소성에 의해서 도전성 탄소를 생성하는 당류가 특히 바람직하다. 이러한 특정한 성질을 갖는 당류는, 융해에 의해 가열 반응중인 LiFePO4 입자의 표면에 바람직하게 코팅되어, 열분해후 생긴 LiFePO4 입자 표면에 도전성 탄소를 양호하게 석출함과 동시에, 이 과정에서 상기한 바와 같이 결정 성장을 억제하기 때문이다. 여기서, 양호한 전도성을 생기게 하기 위해서, 열분해 온도는 바람직하게는 570℃ 이상 850℃ 이하, 보다 바람직하게는 650℃ 이상 800℃ 이하로 설정할 수 있다. 또한, 상기 당류는 열분해에 의해서, 상기 당류의 소성전의 건조 중량에 대하여, 적어도 15중량% 이상, 바람직하게는 20중량% 이상의 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 것이 좋다. 이것은, 생기는 도전성 탄소의 양적인 관리를 쉽게 하기 위해서이다. 이상과 같은 성질을 갖는 당류로서는, 예컨대 덱스트린 등의 올리고당이나, 가용성 전분, 가열에 의해 융해하기 쉬운 가교가 적은 전분(예컨대 50% 이상의 아밀로즈를 포함하는 전분) 등의 고분자 다당류를 들 수 있다.
상기 도전성 탄소나, 정제 석탄 피치, 당류로 대표되는 도전성 탄소 전구 물질은, 적절한 타이밍으로 원료(중간 생성물을 포함한다) 중에 혼합하여 첨가된다. 첨가시에는, 필요에 따라 원료와 충분히 혼합하기 위한 조작, 예컨대 분쇄나 혼련을 수행할 수 있다.
도전성 탄소나 도전성 탄소 전구 물질은, 생기는 양극 재료 중에서의 도전성 탄소의 중량 농도가 0.1% 이상 10% 이하, 바람직하게는 0.5% 이상 7% 이하, 보다 바람직하게는 1% 이상 5% 이하가 되도록 첨가할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 소성은, 일련의 승온 및 이것에 잇따르는 온도 유지 과정의 1회로만 실시하는 방식에 한하지 않고, 예컨대 제 1 단계의 더 저온역에서의 소성 과정(통례 상온∼300 내지 450℃의 온도 범위; 이하, "가(假)소성"이라고 기재할 경우가 있음), 및 제 2 단계의 더 고온 범위에서의 소성 과정[통례 상온∼소성 완료 온도(500℃ 내지 800℃ 정도); 이하, "본(本)소성"이라고 기재할 경우가 있음]의 2단계로 나누어 수행할 수도 있다. 이 경우, 이하의 타이밍으로 도전성 탄소나 도전성 탄소 전구 물질을 혼합하는 것에 의해, 얻어지는 양극 재료의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
가소성에서는, 양극 재료의 원료가 가열에 의해 최종적인 양극 재료에 이르는 중간적인 상태까지 반응하고, 그 때, 많은 경우는 열분해에 의한 가스 발생을 수반한다. 가소성의 종료 온도로서는, 발생 가스의 대부분이 방출 종료되고, 또한 최종 생성물의 양극 재료에 이르는 반응이 완전히는 진행하지 않는 온도(즉, 보다 고온 범위에서의 제 2 단계의 본소성시에 LiFePO4중의 구성 원소의 재확산·균일화가 일어날 여지를 남긴 온도)가 선택된다.
가소성에 후속되는 본소성에서는, 구성 원소의 재확산·균일화가 일어나고, 양극 재료에의 반응이 완료하며, 더구나 소결 등에 의한 결정 성장을 극력 막을 수 있을 온도 범위까지 승온 및 온도 유지가 이루어질 수 있다.
도전성 탄소 전구 물질, 특히 가열에 의해 융해하는 석탄 피치나 당류를 이용하는 경우는, 가소성전의 원료에 첨가하는 것도 가능하지만(이 경우라도 상응하는 양극 성능 향상 효과가 얻어진다), 더욱 고성능의 양극 재료를 얻기 위해서는, 가소성후의 원료(이미 원료로부터의 가스 발생의 대부분이 종료하여, 중간 생성물로 된 상태)에 첨가하여, 본소성을 하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 소성 과정에서의 가소성과 본소성 사이에, 원료로의 도전성 탄소 전구 물질의 첨가 공정을 구비하게 된다.
이것에 의해, 가열에 의해 융해·열분해하는 석탄 피치나 당류 등의 물질이, 원료로부터 발생하는 가스에 의해 발포하는 것을 막아, 보다 균일하게 LiFePO4의 표면에 용융 상태로 퍼져, 보다 균일하게 열분해 탄소를 석출시킬 수 있다.
이것은 이하의 이유에 의한다.
즉, 가소성에 있어서 1차 반응 생성물의 분해에 의해 발생하는 가스의 대부분이 방출되어 버리는 결과, 본소성에서는 가스의 발생이 거의 일어나지 않고, 가소성후의 타이밍에서 도전성 탄소 전구 물질을 첨가함으로써 균일한 도전성 탄소의 석출이 가능하게 된다. 이 때문에, 얻어지는 양극 재료의 표면 전도성이 더욱 양호하게 되고, 또한 접촉이 강고하게 안정화된다. 이에 대하여, 가소성전의 원료에 도전성 탄소 전구 물질을 첨가하면, 가소성중에 원료로부터 왕성하게 발생하는 가스에 의해, 융해 상태이고 아직 완전하게는 열분해되지 않은 도전성 탄소 전구 물질이 발포하여, 균일한 석출이 방해된다.
또한, 이미 전도성을 가져, 가열에 의한 중량 감소, 형태 변화나 가스 발생이 벌써 거의 일어나지 않게 된 탄소(도전성 탄소; 예컨대, 유연, 카본블랙 등의 흑연질 탄소나 무정형 탄소 등)를 첨가하는 경우는, 가소성전의 원료에 이들을 소정량 혼합하여, 가소성으로부터 일련의 소성 과정을 시작하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 가열 반응하는 원료와 상기 도전성 탄소와의 접촉 시간을 길게 취할 수 있어, 그동안에 반응에 의해서 생기는 LiFePO4의 구성 원소의 확산에 의해 도전성 탄소의 입계에 LiFePO4가 들어가, 보다 균일하고 안정적인 탄소-LiFePO4 복합체를 형성하면서 LiFePO4 입자끼리의 소결을 효과적으로 방지할 수 있기 때문이다.
또한, 도전성 탄소 전구 물질, 예컨대 가열에 의해 융해·열분해하는 석탄 피치나 당류 등의 물질, 및 도전성 탄소의 양자를 첨가하는 것은, 높은 양극 성능을 가지는 양극 재료를 얻는데 유효하다. 이 경우, 도전성 탄소는 가소성전의 원료에 첨가하고, 가열에 의해 융해·열분해하는 석탄 피치나 당류 등의 물질은 가소성후의 원료에 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명의 더 바람직한 태양에서는, 소정량의 수소나 수분(물, 수증기 등)을 계속적으로 노 내에 불활성 가스와 함께 공급하면서 원료를 소성한다. 예컨대, 소성 과정의 전시간에 걸쳐, 또는 특히 500℃ 이하로부터 소성 완료까지의 온도, 바람직하게는 400℃ 이하로부터 소성 완료까지의 온도, 보다 바람직하게는 300℃ 이하로부터 소성 완료까지의 소성 온도에서 수소나 수분을 첨가할 수 있다.
기체인 수소를 이용하는 경우, 일반적으로 채용되는 바와 같은 300 내지 900℃에 이르는 소성 과정에서, 적절한 온도 범위 및 시간을 선택하여 필요충분한 양의 수소를 공급할 수 있고, LiFePO4 표면의 산소 원자에의 부가나 탈산소, LiFePO4의 환원 등을 효과적으로 일으키는 것이 가능하다.
본 발명의 방법에서는, 수소는 제 2 단계의 소성시의 적어도 500℃ 이상의 온도 범위에서 첨가할 수 있다. 예컨대 제 2 단계의 소성시의 바람직하게는 5O0℃ 이하로부터 소성 완료 온도까지의 온도 범위에 걸쳐, 보다 바람직하게는 400℃ 이하로부터 소성 완료 온도까지, 바람직하게는 300℃ 이하로부터 소성 완료 온도까지의 범위(예컨대, 거의 소성 기간 전역)에 걸쳐 첨가할 수 있다. 이 범위에 있어서는, 아마도 후술하는 이유에서 결정 성장의 억제가 효과적으로 일어난다. 또한, 제 1 단계의 소성시에도 수소를 첨가하면, 그 환원성에 의해 LiFePO4의 산화가 방지될 수 있는 등의 효과를 기대할 수 있다.
상기 온도 범위에서의 분위기 중의 수소의 부피 농도는, 약 0.1% 이상 20% 이하로 할 수 있고, 1% 이상 10% 이하로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해서, 상기 전이 금속 화합물로 이루어지는 LiFePO4의 결정 성장이 바람직하게 억제된다.
본 발명자들에 의한 연구에서는, 양극 재료의 원료를 산소 가스 부재하에 수소 및/또는 수분을 공급하면서 소성하면, 생기는 LiFePO4의 입자의 결정성에 다소간의 교란이 생겨, 생성하는 1차 입자가 보다 세립화됨이 밝혀졌다. 즉, 수소 및 수분은 유력한 결정 성장 억제제가 된다는 것이 실증되었다. 이 메커니즘은 아직 분명하지 않지만, 소성중에 원료로부터 합성되어 성장하는 LiFePO4의 결정 입자의 성장면에서, 표면 산소 원자에 수소가 결합하여 하이드록실기가 발생하거나, 그 하이드록실기로부터 생성한 물 분자가 재탈리함으로써 결정 표면 구조에 교란이나 부정합이 생기는 결과, 입자의 성장이 억제되는 것으로 생각된다.
물은 수소와 마찬가지로 결정 성장 억제 효과를 갖는다. 그 이유는 아직 분명하지 않지만, 수소 가스 첨가시와 같이, 원료 및 양극 활성 물질의 표면에 하이드록실기를 발생시키고, 이것이 결정 성장을 늦추기 때문이 아닌 가라고 추정된다. 또한, 수증기는, 도전성 탄소 또는 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질과 고온(약 500℃ 이상)으로 접촉함으로써, 이른바 수성 가스 반응에 의해 수소와 일산화탄소를 발생시켜, 이 수소에 의해서도 결정 성장 억제 효과 및 환원 효과가 얻어진다. 즉, 수분의 공급을 연속적으로 계속한 경우, 500℃ 이상의 고온 범위에서도 수성 가스 반응에 의해 보다 많은 수소를 확실하고도 계속적으로 발생시킬 수 있고, 결정 성장 억제 작용 및 환원 작용을 최대한으로 발휘시킬 수 있다.
수분의 공급 방법으로서는, 노 내에 분무하거나, 바람직하게는 미리 증기화하여 수증기의 형태로 공급한다. 공급 온도 범위 및 공급량은 수소의 경우와 같이 할 수 있다. 즉, 물은, 제 2 단계의 소성시 적어도 500℃ 이상으로부터 소성이 완료하는 온도 범위에서 첨가하는 것이 바람직하다. 예컨대 바람직하게는 제 2 단계의 소성시 500℃ 이하로부터 소성 완료 온도까지의 온도 범위에 걸쳐, 보다 바람직하게는 400℃ 이하로부터 소성 완료 온도까지, 바람직하게는 300℃ 정도로부터 소성 완료 온도까지의 범위(예컨대, 거의 소성 기간 전역)에 걸쳐 첨가할 수 있다. 이 범위에서는, 아마도 상기 전이 금속 화합물의 표면 산소 원자로의 수소 부가나 하이드록실기 형성이 양호하게 일어나기 쉽기 때문에 결정 성장의 억제가 효과적으로 일어난다고 생각된다. 또, 제 1 단계의 소성시에 수분을 첨가할 수도 있다.
상기 온도 범위에서의 분위기 중의 수증기의 부피 농도는, 약 0.1% 이상 20% 이하로 할 수 있고, 1% 이상 10% 이하로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해서, LiFePO4의 결정 성장이 바람직하게 억제된다.
또한, 본소성중에 수소를 첨가하여 소성하는 경우, 첨가된 수소(수분으로부터 생기는 수소를 포함한다)가 가열에 의해 융해·열분해하는 석탄 피치나 당류 등의 도전성 탄소 전구 물질에 접촉하면, 아마도 상기 물질의 융액 점성을 저하시키기 때문에, 전술한 탄소 석출법에서의 더욱 양호한 상태가 실현된다. 예컨대, 도전성 탄소 전구 물질로서, 연화 온도가 80℃ 내지 350℃의 범위 내에 있고, 열분해에 의한 감량 개시 온도가 350℃ 내지 450℃의 범위 내에 있으며, 500℃ 이상 800℃ 이하까지의 열분해에 의해 도전성 탄소를 생성하는 정제 석탄 피치를 이용하는 경우, 소성 과정에서 융해 상태가 된 석탄 피치에 수소(수분으로부터 생기는 수소를 포함한다)가 작용하면, 그 점성이 저하되어, 유동성이 향상하여 얻어지는 양극 재료속에서 매우 균일하고 또한 피복 두께가 엷은 석출 상태가 실현된다.
본 발명의 제조방법의 개요를 2단계 소성의 경우를 예로 들어 나타낸다.
우선, 2단계로 나눠 실시되는 소성의 제 1 단계의 가소성후에 도전성 탄소 전구 물질을 첨가하는 경우는, [원료의 분쇄, 혼합, 그라인딩 등을 하는 공정], [제 1 단계의 소성 공정], [도전성 탄소 전구 물질의 첨가(필요에 따라, 분쇄, 혼합, 그라인딩 등을 할 수 있다)], [제 2단계의 본소성 공정]의 순서로 실시된다.
또한, 2단계로 나눠 실시되는 소성의 제 1 단계의 가소성전에 도전성 탄소를 첨가하고, 또한 제 1 단계의 가소성후에 도전성 탄소 전구 물질을 첨가하는 경우는, [도전성 탄소의 첨가를 하는 공정(원료와 함께 분쇄, 혼합, 그라인딩 등을 할 수도 있다)], [제 1 단계의 가소성 공정], [도전성 탄소 전구 물질의 첨가(필요에 따라, 원료(중간체)와 동시에 분쇄, 혼합, 그라인딩 등을 할 수 있다)], [제 2단계의 본소성 공정]의 순서로 실시된다.
또한, 2단계로 나눠 실시되는 소성의 제 1 단계의 가소성전에 도전성 탄소를 첨가하는 경우는, [도전성 탄소의 첨가를 하는 공정(필요에 따라 원료와 함께 분쇄, 혼합, 그라인딩 등을 할 수도 있다)], [제 1 단계의 가소성 공정], [필요에 따라 원료(중간체)의 분쇄, 혼합, 그라인딩 등을 하는 공정], [제 2 단계의 본소성 공정]의 순서로 실시된다.
이상에서, 수소 또는 수분을 첨가하는 경우는, 적어도 제 2 단계의 본소성 공정의 일부에서, 바람직하게는 제 2 단계의 본소성 공정 전역에서, 더욱 바람직하게는, 이것에 더하여 제 1 단계의 가소성 공정의 적어도 일부에서도 첨가된다. 또한, 먼저 말한 바와 같이, 소성중에 첨가하는 수소로서는, 1차 원료인 금속 철과 용액속에서 인산 이온을 유리하는 화합물(인산, 오산화인, 인산수소이암모늄 등)을 반응시켜 소성 전구체를 합성했을 때에 부생하는 수소를 이용할 수도 있다. 그 때, 일련의 공정을 반복하여 수회 배치(batch) 제조하는 경우에는, 소성 공정과 다음 배치의 소성 전구체 합성 공정을 동시에 할 수 있기 때문에 후자에서 발생하는 수소를 전자에서 이용하는 것도 가능하다.
이상과 같이 하여 얻어지는 본 발명의 양극 재료를 사용한 2차 전지로서는, 예컨대, 금속 리튬 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등을 들 수 있다.
이하, 리튬 이온 전지를 예로 들어, 2차 전지의 기본 구성을 설명한다. 리튬 이온 전지는, 흔히 흔들 의자(rocking chair)형 또는 (배드민턴)셔틀콕형 등으로 통칭되는 바와 같은, 충방전에 따라 음극 및 양극 활성 물질 사이를 Li+ 이온이 왕복하는 것을 특징으로 하는 2차 전지이다(도 1 참조). 충전시에는 음극(현행 전지에는 흑연 등의 카본이 사용된다)의 내부에 Li+ 이온이 삽입되어 층간 화합물을 형성하고(이 때, 음극 카본이 환원되고, Li+가 추출된 양극이 산화된다), 방전시에는, 양극의 내부에 Li+ 이온이 삽입되어 철 화합물-리튬의 복합체를 형성한다(이 때, 양극의 철이 환원되고, Li+가 추출된 음극은 산화되어 흑연 등으로 되돌아간다). Li+ 이온은 충방전 동안에 전해질중을 왕복하여 전하를 나른다. 전해질로서는, 예컨대 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, γ-부티로락톤 등의 환상 유기 용매와, 예컨대 다이메틸 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트 등의 쇄상 유기 용매와의 혼합 용액에, 예컨대 LiPF6, LiCF3SO3, LiClO4 등의 전해질 염류를 용해시킨 액상 전해질, 이들 액상 전해질을 고분자 겔상 물질에 함침시킨 겔 전해질, 부분 가교 폴리에틸렌옥사이드에 상기 전해질을 함침시킨 것 등의 고체 폴리머 전해질 등이 사용된다. 액상 전해질을 이용하는 경우에는, 양극과 음극이 전지내에서 단락하지 않도록 폴리올레핀제 등의 다공질 격막(세퍼레이터)을 그들 사이에 끼어 절연시킨다. 양극 및 음극은, 양극 재료 및 음극 재료에 각각 카본블랙 등의 전도성 부여제를 소정량 가하여, 예컨대 폴리사불화에틸렌이나 폴리불화바이닐리덴, 불소 수지 등의 합성 수지, 에틸렌프로필렌 고무 등의 합성 고무 등의 결착제 및 필요한 경우는 추가로 극성 유기 용매를 가하여 혼련, 박막화시킨 것을 이용하고, 금속박이나 금속망 등으로 집전하여 전지가 구성된다. 한편, 음극에 금속 리튬을 이용한 경우, 음극에서는 Li(O)/Li+의 변화가 충방전과 함께 일어나, 전지가 형성된다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 저렴하고 입수가 용이한 1차 원료로부터 직접 고순도로 고활성인 2차 전지용 양극 재료 LiFePO4를 제조할 수 있다. 더구나, 제조 과정에서 침전물의 여과 등의 번잡한 처리 조작을 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 발명의 제조방법은 공업적인 규모에서의 2차 전지용 양극 재료의 제조에 충분히 이용가능한 실용성이 높은 제조 기술이다.
또한, 본 발명의 방법에 의해서 제조된 양극 재료 LiFePO4를 이용한 2차 전지는, 실용 레벨의 충분한 전압 효율과 유효 전지 방전 용량을 갖는 2차 전지이다.
다음으로 실시예 등에 의해 본 발명을 또한 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 의해서 제약되는 것이 아니다.
실시예 1
(1) 양극 재료의 조제:
양극 재료 LiFePO4를 이하의 순서로 합성했다.
4.5 g의 철분[325메쉬(44μm) 미만(순도99.9%): 가부시키가이샤 닐라코(Nilaco Corporation)제]에, 9.2901g의 85% H3PO4(와코 쥰야쿠 고교 가부시키가이샤(Wako Pure Chemical Industries, Ltd)제)를 가하고, 자동 그라인더로 그라인딩하면서 2시간 용해 반응시킨다(그라인딩중 점도가 상승한 경우는 증류수를 가하여 점도를 낮추어 그라인딩을 계속했다).
수득된 반응물을, 추가로 유성 볼 밀로 2시간 미분쇄한 후, 3.381 g의 LiOH·H2O를 가하여 유성 볼 밀로 1시간 분쇄를 했다. 다음으로 증발기로 수분을 제거하고, 데시케이터 속에서 2일간 진공건조한 후, 0.6630 g의 석탄 피치(아드켐코사(Adchemco Corp.) 제품, 연화 온도: 250℃)를 첨가하여 수동으로 5분간 그라인딩을 하여, 1차 반응 생성물(소성 전구체)을 수득했다.
가소성은 질소 분위기하 400℃에서 5시간 실시했다. 공냉후, 노에서 꺼내어, 수동으로 5분간 그라인딩했다(가소성후 중간체).
본소성은 질소 분위기하 300℃에서 5시간 유지한 후, 725℃에서 10시간 실시 했다. 이에 의해, 원하는 양극 재료를 수득했다
상기 1차 반응 생성물, 가소성후 중간체 및 양극 재료에 대하여, X선 회절을 실시했다. 그 결과를 도 2 내지 도 4에 각각 나타낸다. 합성된 양극 재료는, X선 회절에 의해 올리빈형 결정 구조를 갖는 LiFePO4라고 동정되었다.
또한, X선 회절의 결과, 가소성후 중간체(도 3)에서는 금속 철이 잔존했지만, 본소성후의 양극 재료(도 4)에는 금속 철의 피크는 거의 소멸하였다. 또한, 본소성후의 양극 재료의 표면을 전자현미경으로 관찰한 바, 0.5μm 이하의 미세한 입상 결정의 응집물(약 1μm 전후)이 보여, 입상 결정의 크기의 격차나 침상 결정의 존재는 거의 관찰되지 않아, 균일한 결정 형성이 수행되었음이 나타났다.
수득된 양극 재료에 대한 원소 분석 결과를 이하에 나타낸다.
<원소분석결과>(P를 기준: 몰비)
Li: Fe: P= 0.987: 0.989: 1
C 4.35중량%
(2) 2차 전지의 조제:
이 양극 재료와, 전도성 부여재로서의 아세틸렌 블랙[덴카 블랙(Denka Black)(등록상표); 덴키 가가쿠 고교 가부시키가이샤(Denki Kagaku Kogyo K.K.)제, 50% 프레스품]과, 결착재로서의 미소성 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 가루를 중량비로 70.6/24.4/5가 되도록 혼합·혼련하고, 두께 0.7 mm의 시이트 형상으로 압연하고, 이것을 직경 1.Ocm의 디스크로 타발(打拔)한 펠렛을 양극으로 했다.
스테인레스제 코인형 전지 케이스(형식번호 CR2032)에 금속 타이타늄망, 금속 니켈망을 각각 양음극 집전체로서 스폿 용접하고, 상기 양극 및 금속 리튬박 음극을 다공질 폴리에틸렌제 격막 셀가드(Celgard) 3501(셀가드 가부시키가이샤(Celgard K.K.) 제품)을 사이에 두어 조립하고, 전해액으로서 1 M의 LiPF6를 용해한 다이메틸 카보네이트/에틸렌 카보네이트의 1/1 혼합 용액을 채워 봉입하여, 코인형 리튬 2차 전지를 제작했다. 양음극, 격막, 전해액 등의 일련의 전지 조립은, 아르곤 치환된 글러브 박스 내에서 실시했다.
이상과 같이 제조된 양극 재료를 갖는 2차 전지에 대하여, 양극 펠렛의 겉보기 면적당 전류 밀도 0.5 mA/cm2로써, 3.0 V 내지 4.0 V의 작동 전압 범위에서 충방전을 반복한 바, 1 내지 11사이클의 초기 방전 용량은 도 5에 나타낸 바와 같았다(초기 방전 용량은, 생성물중의 양극 활성 물질량으로 규격화했다).
또한, 10사이클 경과 시점에서의 방전 용량은 124.5 mAh/g이며, 그 이후도 증가가 계속되어, 20사이클 후에는 131.0 mAh/g으로 되었다.
실시예 2
(1) 양극 재료의 조제:
양극 재료 LiFePO4를 이하의 순서로 합성했다.
4.5 g의 철분[325메쉬(44μm) 미만(순도99.9%): 가부시키가이샤 닐라코제]에, 9.2901 g의 85% H3PO4(와코 준야쿠 고교 가부시카가이샤제)를 가하여, 자동 그라인더로 그라인딩하면서 2시간 용해반응시켰다(그라인딩중에 점도가 상승한 경우 는 증류수를 가하여 점도를 낮추어 그라인딩을 계속했다).
수득된 반응물(소성 전구체)을 유성 볼 밀로 2시간 미분쇄한 후, 3.381 g의 LiOH·H2O를 가하여 유성 볼 밀로 1시간 분쇄를 한 후, 증발기로 수분을 제거하여, 데시케이터 속에서 2일간 진공건조했다.
가소성은 질소 분위기하에 400℃에서 5시간 실시했다. 공냉후, 노에서 꺼내고, 0.6630 g의 석탄 피치(아드켐코사 제품, 연화 온도: 250℃)를 첨가하여 수동으로 5분간 그라인딩을 행했다(가소성후 중간체).
본소성은 질소 분위기하 300℃에서 5시간 유지한 후, 725℃에서 10시간 실시했다. 이에 의해, 원하는 양극 재료를 수득했다.
상기 가소성후 중간체 및 양극 재료에 대하여, X선 회절을 실시했다. 그 결과를 도 6 및 도 7에 각각 나타낸다. 합성된 양극 재료는, X선 회절에 의해 올리빈형 결정 구조를 갖는 LiFePO4라고 동정되었다.
또한, X선 회절의 결과, 가소성후 중간체(도 6)에서는 금속 철이 잔존했지만, 소성후의 양극 재료(도 7)에서는 금속 철의 피크는 거의 소멸하였다. 또한, 본소성후의 양극 재료의 표면을 전자현미경으로 관찰한 바, 0.5μm 이하의 미세한 입상 결정의 응집물(약 1μm 전후)이 보여, 입상 결정의 크기의 격차나 침상 결정의 존재는 거의 관찰되지 않아, 균일한 결정 형성이 수행되었음이 나타났다.
수득된 양극 재료에 대한 원소 분석 결과를 이하에 나타낸다.
<원소분석결과>(P를 기준: 몰비)
Li: Fe: P= 0.997: 0.989: 1
C 3.96중량%
(2) 2차 전지의 조제:
수득된 양극 재료에 대하여, 실시예 1과 마찬가지로 하여 2차 전지를 조제했다. 이 2차 전지에 대하여, 양극 펠렛의 겉보기 면적당 전류밀도 0.5 mA/cm2로써, 3.0 V 내지 4.0 V의 작동 전압 범위에서 충방전을 반복한 바, 1 내지 10사이클의 초기 방전 용량은 도 8에 나타낸 바와 같았다(초기 방전 용량은, 생성물중의 양극 활성 물질량으로 규격화했다).
또한, 10사이클 경과 시점에서의 방전 용량은, 144.7 mAh/g이며, 그 이후도 증가가 계속되어, 20사이클 후에는 147.2 mAh/g으로 되었다.
이상, 실시예 1 및 실시예 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 방법에 따르면 저렴하고 입수가 용이한 1차 원료로부터 올리빈형 인산철리튬 LiFePO4을 직접 합성할 수 있음이 시사되었다. 실시예에서 수득된 양극 재료의 방전 용량에 관해서는 개선의 여지가 약간 남겨져 있지만, 본 발명의 제조방법은, LiFePO4가 새로운 합성법으로서 이용할 수 있는 충분한 실용성을 갖춘 방법이라고 평가할 수 있다. 또한, 실시예 1과 실시예 2의 비교에서는, 가소성전의 타이밍에서 석탄 피치를 첨가한 실시예 1보다도, 가소성후의 타이밍에서 석탄 피치를 첨가한 실시예 2쪽이 방전 용량이 커졌다. 이로부터, 방전 용량을 향상시키는 수단으로서, 도전성 탄소 전구 물질의 혼합 및 첨가 타이밍의 제어 등이 유효하다는 것도 시사되었다.
실시예 3
(1) 양극 재료의 조제:
양극 재료 LiFePO4를 이하의 순서로 합성했다.
1.5 g의 철분[325메쉬(44μm) 미만(순도99.9%): 가부시키가이샤 닐라코제]에, 3.0967 g의 85% H3PO4(와코 준야쿠 고교 가부시카가이샤제)와 1.1191 cc의 염산(Li, Fe 및 PO4에 대하여 대략 등몰 첨가)을 마노 막자로 그라인딩하면서 2시간 분쇄 반응시켰다. 그 때, 적절히 순수를 적하하여 점성을 낮추고, 분쇄를 계속한 후, 비커에 옮겨 초음파 조사를 4O분간 실시하여 반응을 진행시켰다. 그 후, 유성 볼 밀로써 2시간 분쇄하고, 수산화리튬 1.1270 g를 첨가하여 유성 볼 밀로 1시간 분쇄를 했다. 그 후, 증발기로 수분 제거를 하고, 진공 데시케이터로 하루 건조하여 소성 전구체를 수득했다.
이 소성 전구체에 대하여 X선 회절을 행한 바, 인산제1철 8수화물 및 인산리튬 이외로 염화제1철 4수화물의 생성이 관찰되고, 또한 염화리튬의 생성도 시사되었지만, 금속 철의 잔존은 관찰되지 않았다. 또, 소성 전구체에 대한 X선 회절 결과의 도시는 생략한다.
수득된 소성 전구체에 대하여 5% H2+ 95% Ar 중 400℃에서 5시간 가소성을 하고, 이 가소성후 중간체에 0.2941 g의 석탄 피치(아드켐코사 제품, 연화 온도: 250℃)를 첨가하여 그라인딩후, 5% H2+ 95% Ar 중 725℃에서 10시간 본소성을 하여, 원하는 양극 재료를 수득했다.
상기 양극 재료에 대하여 X선 회절을 실시했다. 그 결과를 도 9에 나타낸다. 합성된 양극 재료는, X선 회절에 의해 올리빈형 결정 구조를 갖는 LiFePO4라고 동정되었다. 또한, X선 회절의 결과, 소성후의 양극 재료(도 9)에서는 금속 철의 피크는 거의 소멸하고 있었다. 또한, 본소성후의 양극 재료의 표면을 전자현미경으로 관찰한 바, 0.5μm 이하의 미세한 입상 결정의 응집물(약 1μm 전후)이 보이고, 입상 결정의 크기의 격차나 침상 결정의 존재는 거의 관찰되지 않아, 균일한 결정 형성이 수행되었음이 시사되었다.
수득된 양극 재료에 대한 원소 분석 결과를 이하에 나타낸다.
<원소분석결과>(P를 기준: 몰비)
Li: Fe: P= 0.987: 0.989: 1
C 4.80중량%
(2) 2차 전지의 조제:
이 양극 재료와, 전도성 부여재로서의 아세틸렌 블랙[덴카 블랙(등록상표); 덴키 가가쿠 고교 가부시키가이샤제, 50% 프레스품]과, 결착재로서의 미소성 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 가루를 중량비로 72.2: 23.8: 5가 되도록 혼합, 그라인딩하고, 두께 0.6 mm의 시이트 형상으로 압연하고, 이것을 직경 1.Ocm의 디스크로 타발한 펠렛을 양극으로 했다.
스테인레스제 코인형 전지 케이스(형식번호 CR2032)에 금속 타이타늄망, 금 속 니켈망을 각각 양음극 집전체로서 스폿 용접하고, 상기 양극 및 금속 리튬박 음극을 다공질 폴리에틸렌제 격막 셀가드 3501(셀가드사 제품)을 사이에 두어 조립하고, 전해액으로서 1 M의 LiPF6를 용해한 다이메틸 카보네이트/에틸렌 카보네이트의 1/1 혼합용액을 채워 봉입하여, 코인형 리튬 2차 전지를 제작했다. 양음극, 격막, 전해액 등의 일련의 전지 조립은, 아르곤 치환된 글러브 박스 내에서 실시했다.
이상과 같이 하여 얻은 양극 재료를 갖는 2차 전지에 대하여, 양극 펠렛의 겉보기 면적당 전류 밀도 0.5 mA/cm2로써, 3.0 V 내지 4.0 V의 작동 전압 범위에서 스위칭 정전류 조건(스위칭시에 전류 오프 구간을 1시간 삽입했음)으로 충방전을 반복한 바, 1 내지 11사이클의 초기 방전 용량은 도 10에 나타내는 바와 같았다(초기 방전 용량은 생성물중의 양극 활성 물질량으로 규격화함).
또한, 최대 방전 용량(원소 분석의 탄소량으로 보정한 값)은, 156.1 mAh/g이었다.
실시예 4
(1) 양극 재료의 조제:
양극 재료 LiFePO4를 이하의 순서로 합성했다.
1.5 g의 철분[325메쉬(44μm) 미만(순도99.9%): 가부시키가이샤 닐라코제]에, 3.0967 g의 85% H3PO4(와코 준야쿠 고교 가부시카가이샤제)와 3.3861 g의 옥살산(Li, Fe 및 PO4에 대하여 대략 등몰 첨가)을 마노 막자로 그라인딩하면서 2시간 분쇄반응시켰다. 그 때, 적절히 순수를 적하하여 점성을 낮추어, 분쇄를 계속한 후, 비이커에 옮겨 초음파 조사를 30분간 실시하여 반응을 진행시켰다. 그 후, 유성 볼 밀로써 2시간 분쇄하고, 수산화리튬 1.1270 g을 첨가하여 유성 볼 밀로 1시간 분쇄를 했다. 그 후, 증발기로 수분 제거를 하고, 진공 데시케이터로 하루 건조하여 소성 전구체를 수득했다.
이 소성 전구체에 대하여, X선 회절을 행한 바, 인산제1철8수화물의 결정 피크는 관찰되지 않고, 옥살산제1철2수화물[FeC2O4·2H2O]과 인산리튬이 생성되었고, 금속 철의 잔존은 거의 관찰되지 않았다. 또, 소성 전구체에 대한 X선 회절 결과의 도시는 생략한다.
수득된 소성 전구체에 대하여, 5% H2+ 95% Ar 중 400℃에서 5시간 가소성을 하고, 이 가소성후 중간체에 0.2941 g의 석탄 피치(아드켐코사 제품, 연화 온도: 250℃)를 첨가하여 그라인딩후, 5% H2+ 95% Ar 중 725℃에서 10시간 본소성을 하여, 원하는 양극 재료를 수득했다.
상기 양극 재료에 대하여, X선 회절을 실시했다. 그 결과를 도 11에 나타낸다. 합성된 양극 재료는, X선 회절에 의해 올리빈형 결정 구조를 갖는 LiFePO4라고 동정되었다.
또한, X선 회절의 결과, 소성후의 양극 재료(도 11)에서는 금속 철의 피크는 거의 소멸하였다. 또한, 본소성후의 양극 재료의 표면을 전자현미경으로 관찰한 바, 0.5μm 이하의 미세한 입상 결정의 응집물(약 1μm 전후)이 보이고, 입상 결정 의 크기의 격차나 침상 결정의 존재는 거의 관찰되지 않아, 균일한 결정 형성이 이루어졌음이 시사되었다.
수득된 양극 재료에 대한 원소 분석 결과를 이하에 나타낸다.
<원소 분석 결과>(P를 기준: 몰비)
Li: Fe: P= 0.982: 0.989: 1
C 4.85중량%
(2) 2차 전지의 조제:
수득된 양극 재료에 대하여, 실시예 3과 같이 하여 2차 전지를 조제했다. 이 2차 전지에 대하여, 양극 펠렛의 겉보기 면적당 전류 밀도 0.5 mA/cm2로써, 3.0 V 내지 4.0 V의 작동 전압 범위에서 스위칭 정전류 조건(스위칭시에 전류 오프 구간을 1시간 삽입함)으로 충방전을 반복한 바, 1 내지 11사이클의 초기 방전 용량은 도 12에 나타낸 바와 같았다(초기 방전 용량은, 생성물중의 양극 활성 물질량으로 규격화했다).
또한, 최대 방전 용량(원소 분석의 탄소량으로 보정한 값)은, 144.7 mAh/g이었다.
상기 실시예 3 및 실시예 4로부터, 원료중의 철, 리튬, 인산 이온 등에 대하여, 대략 등몰의 염산 또는 옥살산을 첨가하여 수득된 양극 재료에 관해서는, 각각 약 156 mAh/g, 약 143 mAh/g의 방전 용량을 수득했다. 전자(실시예 3; 염산 첨가)는, 종래 사용되어 온 원료계에서 얻어지는 도전성 탄소 석출 LiFePO4와 동등 또는 그것을 넘는 수준의 용량이었다. 후자(실시예 4; 옥살산 첨가)는, 거의 동조건에서 산을 첨가하지 않는 경우(실시예 2)와 비교하여 약간 작은 값이 되었다.
또한, 염산 또는 옥살산의 첨가에 의해 합성한 소성 전구체의 소성중에는, 각각 다른 반응 경로로 인산철리튬 양극 재료의 합성 반응이 진행한다고 생각된다. 염산을 첨가하여 합성한 소성 전구체 유래의 양극 재료(실시예 3)에서는, 도 10에 나타낸 바와 같이 방전 용량이 156 mAh/g에 달했다. 이로부터, 염화제1철, 염화리튬 및 인산을 주체로 하는 소성 전구체로부터, 소성에 의해 매우 효율적으로 인산철리튬이 얻어짐을 알 수 있다. 한편, 옥살산을 첨가하여 합성한 소성 전구체 유래의 양극 재료의 경우(실시예 4)는, 염산 첨가와 같이 높은 방전 용량은 얻어지지 않지만, 철의 용해를 촉진하는 효과가 인정되었다.
실시예 5
양극 재료 LiFePO4를 이하의 순서로 합성했다.
화학량론비의 철분[와코 준야쿠 고교 가부시카가이샤제; 325메쉬(44μm 미만, 순도 99.9% 이상)] 6.0 g과 오산화인(와코 준야쿠 고교 가부시카가이샤제) 12.3868 g에 순수 100 ml를 가하고, 수냉 냉각관을 부착한 유리제 삼각 플라스크에 넣어, 고온 교반기로 100℃로 가열하면서 3일간 N2 가스속에서 환류했다(이하, 본 제법을 "환류법"이라고 적는다). 환류후의 내용물에 수산화리튬 4.508 g을 가하여 잘 교반했다. 내용물을 꺼내어 증발기로 수분 제거하고, 진공 데시케이터 속에서 하루 건조하여 소성 전구체를 수득했다.
이 소성 전구체에 대하여 X선 회절 측정을 한 바, 인산제1철 8수화물 및 인산리튬의 생성이 관찰되고, 금속 철의 회절 피크는 관찰되지 않았다. 또, 소성 전구체에 대한 X선 회절 결과의 도시는 생략한다.
수득된 소성 전구체에 대하여 5% H2+ 95% Ar 중 400℃에서 5시간 가소성을 하고, 이 가소성후 중간체에 1.1764 g의 석탄 피치(아드켐코사 제품, 연화 온도: 250℃)를 첨가하여 그라인딩후, 5% H2+ 95% Ar 중 725℃에서 10시간 본소성을 하여, 원하는 양극 재료를 수득했다.
상기 양극 재료에 대하여, X선 회절을 실시했다. 그 결과를 도 13에 나타낸다. 합성된 양극 재료는, X선 회절에 의해 올리빈형 결정 구조를 갖는 LiFePO4라고 동정되고, 잔류 금속 철의 결정 피크는 관찰되지 않았다.
수득된 양극 재료에 대한 원소 분석 결과를 이하에 나타낸다.
<원소 분석 결과>(P를 기준: 몰비)
Li: Fe: P= 0.997: 1.002: 1
C 3.73중량%
(2) 2차 전지의 조제:
수득된 양극 재료에 대하여, 실시예 3과 마찬가지로 하여 2차 전지를 조제했다. 이 2차 전지에 대하여, 양극 펠렛의 겉보기 면적당 전류 밀도 0.5 mA/cm2로써, 3.0 V 내지 4.0 V의 작동 전압 범위에서 스위칭 정전류 조건(스위칭시에 전류 오프 구간을 1시간 삽입함)으로 충방전을 반복한 바, 1 내지 11사이클의 초기 방전 용량 은 도 14에 나타낸 바와 같았다(초기 방전 용량은, 생성물중의 양극 활성 물질량으로 규격화했다).
또한, 최대 방전 용량(원소 분석의 탄소량으로 보정한 값)은, 148.6 mAh/g이었다.
이상으로부터, 환류법에 의해서도 유성 볼 밀 등으로 원료를 분쇄·반응시킨 경우와 동등한 소성 전구체를 합성할 수 있고, 이것을 소성함으로써 고성능의 양극 재료가 얻어질 수 있음이 인정된다.
본 발명의 방법에 의해 얻어지는 양극 재료는, 예컨대, 금속 리튬 전지, 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머-전지 등으로 대표되는 2차 전지의 양극 재료로서 이용할 수 있다. 또한, 이 양극 재료를 사용한 2차 전지는, 예컨대 하이브리드 전기 자동차 등의 이동체의 구동용이나, 휴대 전화용 등의 큰 전류가 필요한 전원으로서도 적용이 기대된다.

Claims (10)

  1. 용액 중에서 인산 이온을 유리하는 화합물, 물 및 금속 철을 혼합하여 상기 금속 철을 용해시킨 후, 탄산리튬, 수산화리튬 또는 수산화리튬의 수화물을 첨가하고, 생긴 반응 생성물을 소성하여 LiFePO4를 합성하는 것을 특징으로 하는, 2차 전지용 양극 재료의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소성 과정이, 상온으로부터 300℃ 내지 450℃에 이르는 제 1 단계, 및 상온으로부터 소성 완료 온도에 이르는 제 2 단계를 포함하고,
    열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질을 제 1 단계의 소성후의 원료에 첨가한 후 제 2 단계의 소성을 행하는 것을 특징으로 하는, 2차 전지용 양극 재료의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    도전성 탄소를 제 1 단계의 소성전의 원료에 첨가하여 소성을 행하는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 재료의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소성 과정이 상온으로부터 300℃ 내지 450℃에 이르는 제 1 단계, 및 상온으로부터 소성 완료 온도에 이르는 제 2 단계를 포함하고,
    도전성 탄소를 제 1 단계의 소성전의 원료에 첨가하여 소성을 행하는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 재료의 제조방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질이 역청류인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 재료의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 역청류가, 연화 온도가 80℃ 내지 350℃의 범위에 있고, 열분해에 의한 감량 개시 온도가 350℃ 내지 450℃의 범위에 있으며, 500℃ 내지 800℃의 열분해·소성에 의해 도전성 탄소를 석출할 수 있는 석탄 피치인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 재료의 제조방법.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 열분해에 의해 도전성 탄소를 발생시킬 수 있는 물질이 당류인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 재료의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 당류가, 250℃ 이상 500℃ 미만의 온도 범위에서 분해를 일으키고, 150℃로부터 분해까지의 승온 과정에서 한번은 적어도 부분적으로 융액 상태를 취하며, 500℃ 이상 800℃ 이하까지의 열분해·소성에 의해서 도전성 탄소를 생성하는 당류인 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 재료의 제조방법.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수소, 물 및 수증기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 적어도 상기 소성 과정 동안 500℃ 이상의 온도에서 첨가하는 것을 특징으로 하는 2차 전지용 양극 재료의 제조방법.
  10. 삭제
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